Die Resonanzfrequenz sorgt für Schwung

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 das physikalische Prinzip dahinter, was Resonanzkatastrophen sind und wir erläutern, welche Rolle die Resonanz bei Lautsprechern spielt.

Alles schwingt, aber wie?

Das Schwingen eines Körpers ist immer Reaktion auf einen Energieimpuls. Die Hand kann ein Pendel ins Schwingen versetzen, der Wind einen Wolkenkratzer und Spule und Magnet die 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.

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.

An einer Schaukel können Sie selbst ausprobieren, wie die Resonanzfrequenz wirkt. Wenn Sie eine schwingende Schaukel an ihrem höchsten Punkt anstoßen, erfolgt die Energiezufuhr genau mit der Eigenfrequenz des Systems. Daher ist der Schwung, den Sie der Schaukel dabei geben, besonders groß. Erfolgen Ihre Stöße 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. Wenn die Stimmhöhe genau der Eigenfrequenz des Glases entspricht, 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 Sie es mit einem Gegenstand anschlagen.

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.

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.

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 wie jenem von einzelnen Bauteilen liegen, deutlich lauter wiedergegeben werden als andere. Hier kommt die Frequenzweiche zum Einsatz: Sie leitet bei Mehrkanalsystemen die Signale 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 kann das Gehäuse in Schwingung versetzen und so das Klangbild negativ beeinfluss. Um das zu verhindern, werden innerhalb des Lautsprechergehäuses Dämmer verbaut, welche die nach innen abgestrahlten 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.

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 Classic“ zum Thema.

Titelbild: ©Unsplash, Schaukel Bestimmte Rechte vorbehalten. Quelle: Pixabay.com

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Teufel Blog Redaktion

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