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Klangröhren

SchulversuchSchwingungen und WellenKlasse 10Standard

Worum geht es?

Klangröhren (Boomwhackers) sind beidseitig offene Rohre. Beim Anschlagen die Luftsäule darin auf ihrer Grundfrequenz f=c/(2L)f = c/(2L), einer stehenden mit Bäuchen an beiden Enden. Der Versuch vermisst einen Röhrensatz, prüft die Formel quantitativ (mit der bekannten Schallgeschwindigkeit!) und wendet sie an: eine Röhre auf Wunschton ablängen.

Warum macht man dieses Experiment?

Die Klangröhre verbindet drei Vorversuche zur Anwendung: stehende (Randbedingungen!), Schallgeschwindigkeit (als Eingangsgröße) und Frequenzmessung (als Prüfmittel). Und sie ist das Funktionsmodell aller offenen Pfeifen von der Orgel bis zur Querflöte. Dass am Ende ein selbst gestimmtes Instrument steht, macht die Formel zur Handwerkszeug-Erfahrung.

Die physikalische Idee

Jede Röhre wird angeschlagen (Handballen), ihr Ton per App gemessen und gegen c/(2L)c/(2L) gehalten. Die Gegenprobe: Einseitiges Zuhalten (gedackt!) muss den Ton um eine Oktave senken, denn aus λ=2L\lambda = 2L wird λ=4L\lambda = 4L. Zum Abschluss wird eine Rohlänge für einen Zielton berechnet, gesägt und nachgemessen.

Benötigtes Vorwissen

Für dieses Experiment hilft dir dieses Vorwissen. Du kannst es jederzeit nachschlagen — das Experiment bleibt auch so verständlich.

Wissenschaftliche Einordnung

Röhren gestaffelter Länge sind uralte Instrumente (Panflöten seit Jahrtausenden); die Pfeifenformeln klärte die Akustik des 18./19. Jahrhunderts (Bernoulli, Helmholtz). Boomwhackers (1995 patentiert) brachten die Physik der offenen Pfeife als Spielzeug in die Klassenzimmer.

Versuchsziel

Aktuelles Versuchsziel

Rohrlänge, Tonhöhe und die Pfeifenformel

Prüfe die Formel der offenen Pfeife f=c/(2L)f = c/(2L) am Röhrensatz, teste die Gedackt-Oktave durch Zuhalten und stimme eine eigene Röhre auf einen Zielton.

Gemessen

  • — Rohrlänge (in )

    Per Maßband je Röhre: die unabhängige Größe.

  • — Grundfrequenz (in )

    Per App je Röhre: die Antwortgröße.

Bekannt

  • — Schallgeschwindigkeit (in )

    343 m/s bei 20 °C (aus den c-Experimenten): macht die Formel vorhersagefähig.

Der Weg von der Messung zum Ergebnis:

Für diese Zielsetzung brauchst du:

  • Die geprüfte Pfeifenformel des offenen Rohrs; ihre Produktform f·2L = c ist die bequemste Prüfgröße.Zur Formelsammlung

Versuchsprotokoll

So ist ein physikalisches Versuchsprotokoll aufgebaut. Die Reihenfolge ist immer dieselbe — die Inhalte gehören zu deinem gewählten Versuchsziel.

1Aufgabenstellung

(a) Vier Röhren des Satzes vermessen (L und f) und die Produktprobe f⋅2Lf \cdot 2L gegen 343 m/s führen. (b) Eine Röhre einseitig zuhalten: Oktavsprung nach unten? (c) Aus HT-Rohr eine Röhre für a¹ = 440 Hz berechnen, sägen, nachmessen.

2Vorbetrachtung

Warum offene Enden Bäuche tragen: Am offenen Rohrende kann die Luft frei ein- und ausschwingen (Bewegungsbauch), der bleibt dort beim Außendruck (Druckknoten). Das ist die gespiegelte Randbedingung zur Saite (dort sitzen Bewegungsknoten an den festen Enden), aber mit identischer Folge: Das kürzeste Muster mit passenden Enden liegt bei λ=2L\lambda = 2L. Deshalb gilt dieselbe Formel wie am Monochord, nur dass hier das Medium selbst (die Luftsäule) singt und cc die Luft-Schallgeschwindigkeit ist. Die Röhrenserie wird zur c-Messreihe.

Die Zuhalte-Vorhersage: Die Handfläche auf einem Ende erzwingt dort einen Bewegungsknoten. Das Muster „Knoten-Bauch“ braucht λ=4L\lambda = 4L, also die halbe : die Oktave nach unten, per Handauflegen schaltbar. Ein scharfer Test der Randbedingungs-Logik.

Die Stimm-Rechnung für 440 Hz: L=c/(2f)=343/880≈0,39 mL = c/(2f) = 343/880 \approx 0{,}39\ \mathrm{m}, plus eine kleine Mündungskorrektur (die Röhre minimal kürzer sägen als gerechnet, denn die wirksame Länge ist etwas größer als die geometrische).

3Geräte / Stoffe

Röhren frei in der Luft anschlagen (nicht auf dem Tisch: der bedämpft); App dicht ans offene Ende.

  • Boomwhacker-Satz

    Kalibrierte offene Röhren: die Messreihe Länge gegen Tonhöhe.

  • Stimm-App

    Misst die Grundfrequenz jedes Röhrentons.

  • Maßband und Säge mit HT-Rohr

    Für die Anwendungs-Aufgabe: Wunschton nach Formel ablängen.

  • Handfläche / Oberschenkel

    Der Anschlag regt die Luftsäule breitbandig an; sie wählt ihre Eigenfrequenz selbst.

4Skizze des Versuchsaufbaus

Röhrensatz nach Länge geordnet mit Messtabelle; daneben die zwei Schwingungsbilder offen (Bauch-Bauch) und gedackt (Knoten-Bauch).

Nur was an beiden Enden einen Knoten hatEingespannte Saite, gleiche Länge.Grundtonf1. Oberton2 f2. Oberton3 fDie Mischung dieser Töne ist die Klangfarbe.Die Einspannung wählt die Frequenzen aus

Die Eigenschwingungen eingespannter Wellenträger: Bei der beidseitig offenen Röhre sitzen an beiden Enden Bewegungsbäuche (statt Knoten). Das kürzeste Muster ist wieder λ=2L\lambda = 2L: dieselbe Formel wie bei der Saite, aus gespiegelten Randbedingungen.

Aufbau: Boomwhacker-Satz (C-Dur, Längen ca. 30 bis 65 cm), Maßband, Stimm-App; zusätzlich ein HT-Rohr-Reststück und Säge für die Stimm-Aufgabe; Thermometer (c hängt an der ).

5Durchführung

Teil (a): Je Röhre: Länge messen, dreimal anschlagen, notieren, Produkt bilden.

Teil (b): Größte Röhre offen und mit aufgelegter Handfläche anschlagen: Frequenzen vergleichen.

Teil (c): Rohlänge berechnen, 5 mm kürzer sägen (Mündungskorrektur), messen; bei Bedarf millimeterweise nachkürzen (kürzen erhöht!).

6Beobachtung

Röhrenvermessung (ϑ=20 ∘C\vartheta = 20\ ^\circ\mathrm{C})
RöhreLL in m\mathrm{m}ff in Hz\mathrm{Hz}f⋅2Lf \cdot 2L in m/s\mathrm{m/s}
C (rot)0,63262330
E0,50330330
G0,42392329
C' (kurz)0,315523329

Beispieldaten zur Veranschaulichung — keine echten Messwerte.

Teil (b): offene C-Röhre 262 Hz, zugehalten 130 Hz, also eine Oktave tiefer. Teil (c): Die gesägte 385-mm-Röhre liefert 442 Hz, nach 2 mm Nachkürzung 440 Hz.

7Auswertung

Die Formel trägt, mit lehrreicher Feinheit. Das Produkt f⋅2Lf \cdot 2L ist über den ganzen Satz konstant. Die 1/L1/L-Abhängigkeit stimmt exakt: Halbe Länge (C → C') gibt die doppelte , die eingebaute Oktave. Der Produktwert liegt aber bei 330 m/s330\ \mathrm{m/s} statt 343343. Das ist kein Widerspruch, sondern die Mündungskorrektur in Zahlen. Die wirksame akustische Länge ist an jedem offenen Ende um etwa 0,6 Rohrradien größer als die geometrische; bei 4 cm Rohrdurchmesser sind das beidseits zusammen gut 2 cm, genau der Fehlbetrag. Die Physik prüft hier ihre eigene Näherung.

Die Gedackt-Oktave kommt präzise (262 → 130 Hz). Die Randbedingungs-Logik (2L2L gegen 4L4L) ist per Handauflegen bestätigt, nebenbei die Erklärung, warum gedackte Orgelpfeifen halb so lang gebaut werden.

Die Stimm-Aufgabe schließt den Kreis: Formel → Säge → 440 Hz. Die Pfeifenphysik ist praxistauglich, inklusive der Regel „lieber zu lang sägen, denn Kürzen stimmt nach oben“.

8Fazit

Die offene Röhre folgt f=c/(2L)f = c/(2L) (Produkt konstant, Oktave bei halber Länge); der konstante Produktwert 330 m/s statt 343 entlarvt quantitativ die Mündungskorrektur, das Zuhalten liefert die Gedackt-Oktave, und die Formel stimmt real Röhren auf den Zielton.

9Fehlerbetrachtung

Die Messreihe ist präzise; ihre Abweichung ist selbst Physik (Mündungskorrektur). Praktisch bleiben:

Mündungskorrektur als systematischer Anteileher systematisch

Ursache

Die schwingende Luftsäule ragt an offenen Enden etwas hinaus.

Auswirkung

f⋅2Lf \cdot 2L unterschreitet c um einige Prozent, radiusabhängig: kein Messfehler, sondern Modellgrenze.

Verbesserung

Mit wirksamer Länge L+2⋅0,6rL + 2 \cdot 0{,}6r auswerten: Dann trifft das Produkt 343 m/s.

Anschlag regt Obertöne aneher zufällig

Ursache

Harter Anschlag betont die Oberschwingungen der Säule.

Auswirkung

Die App springt gelegentlich auf die Oktave oder Duodezime.

Verbesserung

Weich anschlagen; Anzeige mit dem Gehör abgleichen.

Temperaturdrifteher systematisch

Ursache

c ändert sich mit der Raumtemperatur.

Auswirkung

Vormittags- und Nachmittagsmessungen differieren um Zehntelprozente.

Verbesserung

notieren und c entsprechend ansetzen.

Das Wichtigste

Die Formel

Offenes Rohr: f=c2Lf = \dfrac{c}{2L}. Länge macht Tonhöhe, halbe Länge die Oktave: dieselbe Mathematik wie bei der Saite.

Die Randbedingung

Beidseitig offen: Bäuche an beiden Enden (Druckknoten). Einseitig zugehalten (gedackt): λ = 4L, eine Oktave tiefer, hörbar per Handauflegen.

c steckt drin

Die Röhren „messen“ die Schallgeschwindigkeit mit: Aus f⋅2Lf \cdot 2L jeder Röhre fällt c heraus, eine Querkontrolle zu den c-Experimenten.

Instrumentenprinzip

Panflöte, Orgel, Marimba-Resonatoren: Röhrensätze gestaffelter Länge sind gebaute Tonleitern.

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