Überlagern sich mehrere Schwingungen, so kann es zu akustischen Phänomenen kommen, z.B. zur Interferenz oder Schwebung.

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Interferenzen

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Interferenzentreten bei der Überlagerung von Schwingungen gleicher Frequenz auf. Hierbei kommt es auf die Phasenlage der beiden Signale an, sodass zwischen der konstruktiven und der destruktiven Interferenz zu unterscheiden ist: Die konstruktive Interferenz ergibt sich dann, wenn sich zwei Signale von gleicher Frequenz phasengleich überlagern. Man spricht dann auch von einem Phasenunterschied von 0 Grad. Weil sich bei einer Überlagerung von zwei Signalen die Auslenkungswerte addieren, kommt es bei der Phasengleichheit von zwei Signalen gleicher Amplitude zu einer Welle mit verdoppelter Schalldruckamplitude. Bei der Überlagerung zweier gegenphasiger Wellen (Phasenunterschied 180 Grad) kommt es bei gleicher Frequenz und Amplitude zur vollständigen Auslöschung des Signals, sodass man in diesem Fall von einer destruktiven Interferenz spricht.

Schwebungen

Schwebungen treten in Erscheinung, wenn sich mehrere Schallereignisse nur minimal in ihrer Frequenz unterscheiden. Dadurch verschieben sich die Wellen kontinuierlich zueinander und es kommt zu einem periodischen Wechsel zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz. Es gibt also Momente, in denen sich die Signale „in Phase“ verstärken oder „gegenphasig“ auslöschen. Wir nehmen dies als Lautstärkenschwankung wahr. Wenn sich also ein 400Hz-Signal und ein 405Hz-Signal überlagern, beträgt die Schwebungsfrequenz 5 Hz.

Eine praktische Anwendung findet die Schwebung beim Stimmen einer Gitarre. Hier kann man die Stimmung der Saiten vergleichen: Wenn man beide Saiten im verstimmten Zustand anschlägt ist die Schwebungsfrequenz hoch, man hört eine schnelle Lautstärkenschwankung. Je näher sich beim Stimmen der Saiten deren Stimmungen angleichen, desto langsamer werden die Schwankungen, da die Schwebungsfrequenz abnimmt.

Komplexe Schwingungen

Komplexe Schwingungen entstehen durch die Überlagerung von Wellen unterschiedlicher Frequenz, die somit keinen Phasenbezug zueinander aufweisen und als inkoheränt oder nicht-korrelierend bezeichnet werden (anders als Interferenzen und Schwebungen, die Wellen betreffen, die einen konkreten Phasenbezug zueinander haben). Bei Addierung der einzelnen Auslenkungen kommt es nicht zu Interferenzen, sondern zu einer komplexen Wellenform. Weil jedes Schallereignis eine Überlagerung vieler Sinusschwingungen unterschiedlicher Frequenz, Phase und Amplitude ist, kann eine Schwingung in ihre einzelnen Sinusschwingungen zerlegt werden. Dies geschieht mit der diskreten Fourier-Transformation, die als Ergebnis Aufschluss über das Frequenzspektrum und damit über die Klangfarbe gibt. Als einfache Beispiele lassen sich hier schrille oder scharfe Klangfarben nennen, die also viele hohe Frequenzen aufweisen, oder eine dumpfe Klangfarbe, die auf wenige hohe Frequenzen hinweist.

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Unterschied zwischen Tonhöhe und Klangfarbe

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Nicht nur bei einer Sinusschwingung, sondern auch bei einer sich wiederholenden, also periodisch auftretenden komplexen Schwingung gibt die Periodendauer die Zeit an, die die Schwingung benötigt, bevor sie sich wiederholt, und der Kehrwert daraus ist die als Tonhöhe wahrgenommene Grundfrequenz der komplexen Schwingung. Die anderen Einzelfrequenzen bilden die Obertöne, die die Klangfarbe bestimmen. Bei einer nicht-periodischen Schwingung mit einer sehr unregelmäßigen Wellenform (z.B. ein Beckenschlag) kann es also vorkommen, dass keine Tonhöhe wahrnehmbar, sondern nur die durch die Oberfrequenzen entstehende Klangfarbe definierbar ist.

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Unterschied zwischen Klang und Geräusch

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Der Unterschied zwischen Klang und Geräusch liegt darin, dass ein Klang aus einer periodischen Schwingung besteht, sodass eine Grundfrequenz erfasst werden kann und ihm damit eine Tonhöhe zugeordnet werden kann. Die Frequenzen der einzelnen Sinusschwingungen sind bei einem Klang ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz - die Sinustöne bilden also eine harmonische Teiltonreihe. In der Praxis sind bei einem Klang die Sinusfrequenzen unterschiedlich stark ausgeprägt. Im Frequenzspektrum enthalten die Bereiche zwischen diesen harmonischen Teiltönen nicht selten geräuschartige Frequenzanteile mit kontinuierlichem Spektrum, z.B. Anschlaggeräusche eines Musikinstruments.

Im Gegensatz zu Klängen sind Geräusche nicht-periodische Schwingungen, denen mangels Grundfrequenz oft keine Tonhöhe zugeordnet werden kann. Die Schwingung besteht aus Frequenzen in einem kontinuierlichem Spektrum, zwischen denen kein mathematischer Zusammenhang besteht, sodass sich keine Teiltonreihe aus den einzelnen Frequenzen ergibt.