Schwingung | Lust auf Wissen

Ein Krankenwagen kommt mit Sirene angefahren, alle fahren aus dem Weg und im Moment des Vorbeifahrens passiert etwas merkwürdiges. Der Sirenenton scheint sich zu verändern. Aber warum hört sich ein heranfahrender Krankenwagen mit Sirene anders an, als ein Wegfahrender?

In der Physik wird dieses Phänomen als Doppler-Effekt bezeichnet. Die Tonänderung beruht auf der Tatsache, dass die Wellenlänge eines Tons, der von einem bewegten Objekt aus geht, nicht in alle Richtungen gleich groß ist. In Fahrtrichtung wird die Schallwelle „zusammengestaucht“, entgegen der Fahrtrichtung „entzerrt“. Aber warum ist das so?

Man kann sich eine Schallwelle als eine auf und ab Schwingung vorstellen (wie z.B. ein auf und ab bewegtes Seil). Die Wellenlänge ist der Abstand zweier Hochpunkte bzw. Maxima (oder auch Tiefpunkte). Die Welle wird in ihrem Ursprung, im Falle des Krankenwagens an der Sirene, konstant erzeugt. Das Signal hat im Ursprung damit immer die gleiche Wellenlänge. Von Ursprung aus breitet sich eine Schallwelle bekanntermaßen mit Schallgeschwindigkeit aus. Das ist mit etwa 343 km/h zwar sehr schnell, aber eben nicht so schnell, dass die Geschwindigkeit eines Fahrzeugs keinen Einfluss darauf hat. Ein fahrender Krankenwagen, und damit dessen Sirene, hat sich nämlich in der Zeit vom Aussenden eines Wellenmaximums bis zum nächsten ein kleines Stück vorwärts bewegt. In Fahrtrichtung ist der effektive Abstand der beiden Maxima, die sich in der Luft ausbreiten, dadurch etwas kleiner, als das ursprüngliche Signal. Entgegen der Fahrtrichtung ist es genau andersherum und der Abstand vergrößert sich. Die beiden nachfolgenden Bilder verdeutlichen diesen Effekt. Im ersten Bild der heranfahrende Krankenwagen, im zweiten Bild der Wegfahrende.

Kürzere Wellenlänge bedeutet bei akustischen Signalen ein höherer Ton. Aus diesem Grund hört sich die Sirene des heranfahrenden Krankenwagens höher an, als die des wegfahrenden Autos. Im Zeitpunkt des Vorbeifahrens hört man dann den Übergang von hoch nach tief.

Quellen:

https://www.leifiphysik.de/akustik/akustische-wellen/doppler-effekt

Viele haben es sicher schon einmal ausprobiert. Auf einer Party gibt es mit Helium gefüllte Ballons, die bekanntlich nicht zum Boden fallen, sondern nach oben steigen. Wenn man dieses Helium aus einem Ballon einatmet verändert das für kurze Zeit die Stimme und man klingt in etwa wie Mickymaus. Aber was macht das Helium mit unserer Stimme, dass sie so verzerrt klingt?

Dazu muss man erst einmal wissen, wie der Klang unserer Stimme überhaupt entsteht. Wir haben bekanntlich in unserem Hals Stimmbänder, die für unsere Stimme verantwortlich sind. Diese Stimmbänder werden durch ausströmende Luft und entsprechende Muskelaktivität ins Schwingen gebracht. Die Schwingung der Stimmbänder überträgt sich auf das darum liegende Medium (im Normalfall Luft) und erzeugt eine Schallwelle. Diese Schallwelle wird durch den Rachen und die Nasenhöhlen noch etwas abgewandelt und verlässt als charakteristische Stimme unseren Mund. In dem Medium Luft, dass eine gewisse Dichte hat, breitet sich dieser Schall immer mit der gleichen Geschwindigkeit aus. Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt etwa 343 Meter pro Sekunde (1235 km/h). In Helium ist das anders. Helium, als deutlich leichteres Gas, hat eine geringere Dichte als Luft. Das ist ja auch der Grund, warum ein Helium Ballon nach oben steigt. In einem Medium mit geringerer Dichte kann sich aber auch der Schall schneller ausbreiten, da der Widerstand geringer ist. Deshalb liegt die Schallgeschwindigkeit in Helium bei etwa 981 Meter pro Sekunde (3532 km/h), also fast dreimal schneller als in Luft. Höhere Geschwindigkeit bedeutet bei Schall eine höhere Frequenz. Wer schon einmal ein Video oder ein Lied mit Ton vor gespult hat, es also schneller hat laufen lassen, der weiß wie sich das in etwa anhört. Der Ton wird verzerrt aber vor allem wird er höher. Genau das passiert auch mit unserer Stimme, wenn die Lunge und der Halsbereich nicht mit Luft, sondern mit Helium gefüllt ist. Sobald sich das Helium aus der Lunge verflüchtigt hat wird die Stimme wieder normal.

Das Ganze geht auch in die andere Richtung mit einem Gas, das schwerer ist als Luft, wie beispielsweise Schwefelhexafluorid. Die Stimme wird durch das Einatmen dieses Gases tiefer.

In beiden Fällen ist das Einatmen der Gase allerdings nicht ganz ungefährlich. Helium ist da noch etwas weniger kritisch. Man sollte es allerdings nicht übertreiben und nach jedem mal Einatmen eine kleine Pause einlegen. Das Helium verdrängt nämlich den Sauerstoff aus der Lunge. Wenn man es übertreibt, kann das schnell zu einer Unterversorgung bis hin zur Bewusstlosigkeit führen. Schwerere Gas wie Schwefelhexafluorid haben zusätzlich noch die Eigenschaft, dass sie auf Grund ihrer höheren Dichte nicht von selber wieder die Lunge verlassen. Trotz ausatmen können Reste in den unteren Teilen der Lunge bleiben. Was hilft ist tatsächlich ein Kopfstand, so dass das schwere Gas nach unten Richtung Rachen und Mund strömen kann.

Quellen:

http://www.pflichtlektuere.com/29/05/2015/wissenswert-warum-klingt-die-stimme-mit-helium-hoeher/

https://www.n-tv.de/wissen/frageantwort/Wieso-veraendert-Helium-die-Stimme-article11599581.html