Einstürzende Brücken, zerbrochenes Glas, schaukelnde Kinder, satte Bässe – wer denkt, dass diese Dinge nichts miteinander zu tun hätten, liegt falsch. Sie werden alle durch Schwingungen verursacht, und besonders starke Schwingungen entstehen bei Resonanzfrequenz. Wir erklären, welches physikalische Prinzip dahintersteckt, was Resonanzkatastrophen sind und welche Rolle die Resonanz bei Lautsprechern spielt.
Alles schwingt, aber wie?
Das Schwingen eines Körpers ist immer eine Reaktion auf einen Energieimpuls. Die Hand kann ein Pendel ins Schwingen versetzen, der Wind einen Wolkenkratzer und die Spule mit Magnet eine Lautsprechermembran. Wie stark etwas schwingt, hängt zum einen von der eingesetzten Kraft sowie den Material- und Konstruktionseigenschaften des schwingenden Systems ab. Zum anderen ist die Frequenz, mit der die Energieimpulse wirken, von großer Bedeutung. Denn wenn die Frequenz der zugeführten Energie mit der Eigenfrequenz des Körpers übereinstimmt, schwingt dieser mit besonders großer Amplitude. Die Amplitude bezeichnet die maximale Entfernung eines schwingenden Körpers von seiner Ruheposition. Soweit, so theoretisch.
Wie das Phänomen der Resonanzfrequenz in der Praxis aussieht, lässt sich anhand eines Pendels nachvollziehen: Wenn einem Federpendel periodisch, also in regelmäßigen Abständen, Energie zugeführt wird, die der Eigenfrequenz des Pendels entspricht, ist die Auslenkung der Pendelschwingung am größten. Wenn die Energieimpulse mit einer niedrigeren oder höheren Frequenz als die Eigenfrequenz erfolgen, wird die Auslenkung des Pendels geringer.
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An einer Schaukel kannst du selbst ausprobieren, wie die Resonanzfrequenz wirkt. Wenn du eine schwingende Schaukel an ihrem höchsten Punkt anstößt, erfolgt die Energiezufuhr genau mit der Eigenfrequenz des Systems. Daher ist der Schwung, den du der Schaukel dabei gibst, besonders groß. Stößt du, bevor oder nachdem die Schaukel den höchsten Punkt erreicht, wird die Kraft weniger effizient übertragen oder geht sogar ins Leere.
Von guten und schlechten Resonanzfrequenzen
Der Korpus einer akustischen Gitarre, eine Schaukel, ein Glas oder eine Brücke können mit ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz schwingen. Nur ist das nicht überall erwünscht und kann sogar großen Schaden anrichten. Denn Systeme können so heftig schwingen, dass die Konstruktion den Belastungen nicht standhält.
Das Phänomen kann man beobachten, wenn eine Person aus kurzer Distanz ihre Stimme auf ein Weinglas richtet. Entspricht die Stimmhöhe genau der Eigenfrequenz des Glases, zerbricht dieses nach relativ kurzer Zeit – es tritt die sogenannte Resonanzkatastrophe ein. Bringen die Stimmbänder die Luftmoleküle in einer höheren oder einer tieferen Frequenz zum Schwingen, bleibt das Glas heil. Die Eigenfrequenz des Glases ist hörbar, wenn du es mit einem Gegenstand anschlägst.
Eine der berühmtesten Resonanzkatastrophen ereignete sich 1940 in den USA, als der Wind die Tacoma Narrows Bridge so stark in Schwingung versetzte, dass sie zusammenbrach.
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Um Resonanzkatastrophen zu vermeiden, untersagt die Straßenverkehrsordnung es Personengruppen wie Militärverbänden, im Gleichschritt über Brücken zu marschieren.
Bei Musikinstrumenten ist Resonanz dagegen ein gewollter Effekt, um die Lautstärke von Tönen zu verstärken. Bei einer Akustik-Gitarre wirkt der Korpus als mechanischer Verstärker von Schallwellen, die von den Saiten angestoßen werden. Der Gitarren-Korpus ist so konstruiert, dass auch bei unterschiedlichen Tonhöhen die Resonanzfrequenz eintritt.
Lautsprecher von Teufel
Resonanzeffekte bei Lautsprechern unerwünscht – mit einer Ausnahme
Bei Lautsprechern ist die Resonanzfrequenz nicht gern gesehen. Die Lautsprecher sind so aufgebaut, dass die verschiedenen Bauteile nicht in ihrer Resonanzfrequenz ins Schwingen geraten. Denn das würde zur Folge haben, dass Töne, die im selben Frequenzbereich liegen wie dem einzelner Bauteile, deutlich lauter wiedergegeben werden als andere. Hier kommt die Frequenzweiche zum Einsatz: Sie leitet die Signale bei Mehrkanalsystemen ihrer Frequenz entsprechend zu den Lautsprechern.
Auch beim Lautsprechergehäuse sollen Resonanzeffekte nicht auftreten. Diese können entstehen, wenn die Membran auf ihrer Rückseite Schall ins Innere des Lautsprechers abstrahlt. Dieser Schall kann das Gehäuse in Schwingung versetzen und so das Klangbild negativ beeinflussen. Um das zu verhindern, werden innerhalb des Lautsprechergehäuses Dämmer verbaut, die nach innen abgestrahlte Schallwellen absorbieren.
Die Ausnahme von der Regel sind Bassreflex-Boxen. In deren Gehäusen ist eine rohrförmige Öffnung eingelassen, durch die der nach innen abgestrahlte Schall – in bestimmten tiefen Frequenzen – in den Raum entweichen kann. Das funktioniert nach dem Prinzip des Helmholtz-Resonators, das wir in unserem Text zu Subwoofern erläutert haben.
Lesetipp: Wie entsteht eigentlich Klang? Erfahre mehr über die Physik der Schallwellen.
Wir brauchen Bass: Teufel Subwoofer für die tiefen Schwingungen
▶ Aktiv-Subwoofer S 6000 SW: Dieser High-End-Subwoofer bietet trotz seiner kompakten Größe einen kräftigen Bass, ohne störende Strömungsgeräusche und weniger Verzerrungen im Grenzbereich. Das schafft er mit zwei Bassreflexrohren.
▶ Ultima 40/20 „2.0>5.1 Ausbau-Set Surround“: Die HiFi-Lautsprecher Ultima 40/20 sind echte Teufel Klassiker für den Heimbereich. Mit diesem Set erweiterst du deine Stereo-Anlage zum 5.1-Surround-Sound. Ein T 10 Subwoofer sorgt dabei für reichlich Resonanz im Tiefenbereich.
Weitere Produkte aus dem Teufel Shop
Fazit: Die Resonanzfrequenz ist nützlich
- Bei Resonanzfrequenz stimmt die Eigenfrequenz eines schwingenden Systems mit der Frequenz der zugeführten Energie überein.
- Im Resonanzfall wird die Auslenkung der Schwingung größer.
- In der Akustik bedeutet eine höhere Amplitude von Schallwellen einen höheren Schalldruck und damit eine größere Lautstärke.
- Resonanzfrequenzen sind bei Lautsprechern in der Regel nicht erwünscht.
- Ausnahme sind Bassreflex-Boxen. Diese verstärken nach dem Prinzip des Helmholtz-Resonators die tiefen Frequenzen.
Zum Abschluss noch ein „Bugs Bunny“-Klassiker zum Thema:
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Titelbild: ©Jeremy Bishop. Unsplash. Unsplash License
Michael 3R
01. Dez. 2020, 9:58
Hi Otto,
das geht schon (Skalieren!) aber ist völlig überflüssig. Das Bassreflexprinzip ist nur deshalb sinnvoll, weil Basslautsprecher für niedrige Frequenz sehr niedrigen Resonanzfrequenzen haben müssen und so sehr gross werden. Bei Frequenzen im Mitteltonbereich gibt es diese Problemstellung garnicht.
Otto Graf
04. Nov. 2017, 23:34
Hat jemand eine Idee wie man Lautsprecher bauen könnte, die wie Bassreflexboxen funktionieren würden aber andere Frequenzen im mittleren und oberen Bereich?