Tonhöhenänderung durch Gegenwind

[heckelmeyer]

Hallo in die Runde und eine Frage an die Praktiker:
Verändert sich die Tonhöhe einer Trompete, wenn man im Gegenwind bläst?
Das ist keine Scherzfrage!!!
Die Physik-These dazu:
- Die Tonhöhe ändert sich bei Temperaturwechsel: 1° rauf --> 3 cent rauf (und umgekehrt)
- normalerweise ändert der Luftdruckwechsel von Meereshöhe auf Bergeshöhe (zB 2000m üNN) nicht die Tonhöhe

Jedoch spreche ich von einer Windgeschwindigkeit von ca. 70 km/h!
Da werden doch ordentlich Luftmoleküle in die Trompete vorne reingedrückt. Und der (Trichter rsp. ges. Mensur) ist doch nicht zufällig so, wie er ist.
Ändert sich am Ende auch die Intonation des Instrumentes bei 70km/h Gegenwind?

Könnte sich bitte jemand bei Herbststurm mal auf die Bergeshöhe stellen und das für mich testen und alles genau dokumentieren?
Oder hat jemand einen Windkanal zur Hand?

[lurchi]

Ich kann es gerade nicht testen, aber an Sich hast du die Antwort schon selbst gegeben: der Druck hat keinen Einfluss auf die Tonhöhe. Im Übrigen würde ich annehmen dass die vorbeiströmende Luft eine Druckverminderung verursacht (Bernoulli-Effekt). Der Effekt würde dann sicher sehr stark von der Richtung abhängen in die man die Trompete hält.
Die Schallgeschwindigkeit hat was mit der mittleren Fluggeschwindigkeit der Gasmoleküle zu tun, und nichts mit der mittleren freien Weglänge. Also wenn ein Molekül mit einem anderen kollidiert übernimmt dieses den Impuls, die "Information" wird einfach weitergegeben.

[heckelmeyer]

Auch das mit dem Bernoulli-Effekt ist mir bewußt, das käme wohl zum tragen, wenn die TRompete seitlich aus dem Auto rausgehalten wird.
Was aber ist mit dem Staudruck, der die Luft in den Trompetentrichter preßt? Der Trompeten-Innendruck ist doch da viel höher als der Umgebungsluftdruck
mehr Moleküle entspräche einer Mensurvergrößerung. Trompete klingt dann wie Flügelhorn? Oder werde nur die tiefen Naturtöne höher?
Die Tonhöhenverschiebung beim Dopplereffekt hört man doch auch erst, wenn sich die Schallquelle schnell genug bewegt, oder?
Ich warte mal auf die ersten Praxistests...und bitte mit Videos belegen

[lurchi]

Wenn es dir wichtig ist wirst du es selber machen müssen. Du kannst gerne versuchen zu fordern dass es jemand für dich erledigt, aber das wird wohl nicht geschehen.

[heckelmeyer]

Danke für den Tip des Selbermachens, da wär ich gar nicht drauf gekommen...
Das wird dann nächsten Sommer an historischer Stelle zwischen Utrecht und Maarsen sein, aber mit meinem Motorrad und diversen Diktiergeräten...

Die Grundlage zu allem ist dieser Text des Journalilsten Reto Schneider / Wissenschaftjournalist bei NZZ:

Es hätte ein Konzert für Dadaisten sein können: An der Lokomotive, die am 3. Juni 1845 auf den Geleisen zwischen Utrecht und Maarsen in Holland hin und her fuhr, hing ein einziger offener Wagen, auf dem drei Männer standen. Einer notierte auf einem Formular Zahlen, ein zweiter spielte auf seiner Trompete ein G, sobald ihm der dritte das Zeichen dazu gab.
Neben dem Heizer im Führerstand der Lokomotive blickte Christoph Buys Ballot in den Himmel und hoffte, das Wetter schlage nicht um. Den ersten Versuch hatte der 28-jährige Physiker im Februar abbrechen müssen. Den Musikern blies der Schnee ins Gesicht, und die Kälte verstimmte ihre Instrumente. Doch dieser Dienstag war ein milder Sommertag, und Buys Ballot hatte gute Chancen, sein Experiment durchzuführen. Ein Experiment, das mit Hilfe von sechs Trompetern, zwei Uhren und einer Lokomotive überprüfen sollte, was ein unbekannter österreichischer Professor 1842 über die Farbe von Sternen geschrieben hatte.
Drei Jahre waren vergangen, seit Buys Ballot ein «Schriftchen des Hrn. Doppler» in die Hände gekommen war. In der Arbeit mit dem Titel «Ueber das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels» postulierte Doppler, dass einer, der sich mit hoher Geschwindigkeit einer Lichtquelle näherte oder sich von ihr entfernte, sie in anderen Farben sähe, als wenn er sich nicht bewegte. Im Alltag lasse sich dieses Phänomen nicht beobachten, weil es erst bei sehr hohen Geschwindigkeiten auftrete. Doch Doppler war überzeugt, dass bloss in die Sterne zu blicken brauchte, wer nach einer Bestätigung seiner Theorie suchte.
Dort hatten Astronomen die Sterne in zwei Kategorien eingeteilt: weisse und farbige. Die weissen waren Einzelsterne, die sich nicht zu bewegen schienen, während die farbigen oft zu Doppelsternen gehörten: zwei Sterne, die einander umkreisen. Doppler glaubte, dass die Farbe der Doppelsterne damit zu tun hatte, dass sie sich abwechslungsweise von der Erde entfernten und sich ihr näherten. Die Theorie, die er dazu aufstellte, ging als Dopplereffekt in die Geschichte der Physik ein.
Nach verschiedenen Auseinandersetzungen um die Natur des Lichts war man sich zur Zeit Dopplers weitgehend einig, dass sich Licht wie eine Welle ausbreitet und die verschiedenen Farben zustande kommen, weil Lichtwellen unterschiedlich schnell schwingen: violettes Licht am schnellsten, rotes am langsamsten, dazwischen wie im Regenbogen blaues, grünes, gelbes und oranges.
Ob einer Rot oder Blau sieht, hängt davon ab, wie rasch aufeinander die «Wellenschläge» des Lichts in seinen Augen eintreffen. Zu Dopplers Überraschung hatte zuvor niemand gemerkt, dass dabei auch die Bewegung der Lichtquelle und die des Beobachters eine Rolle spielt. Wer sich auf ein Licht zubewegt, geht der Welle entgegen und trifft die Wellenschläge des Lichts in rascherer Folge, als wenn er ruht. Wer sich hingegen vom Licht entfernt, flieht vor den Wellenschlägen, die jetzt mehr Zeit brauchen, um ihn einzuholen, also in langsamerer Folge bei ihm ankommen. Dasselbe gilt auch im umgekehrten Fall, wenn der Beobachter in Ruhe ist und sich das Licht bewegt.
Doppler veranschaulichte den Effekt an einem Schiff, das den Wellen entgegensteuerte und «in derselben Zeit eine grössere Anzahl und viel heftigere Wellenschläge zu erleiden hat wie eines, das ruhet oder gar sich in der Richtung der Wellen mit ihnen fortbewegt».
Er rechnete in seiner Arbeit auch aus, welche Geschwindigkeit nötig wäre, um den Effekt von blossem Auge zu sehen: «33 Meilen in der Sekunde». Ein Wert, der jedem noch so optimistischen Forscher den Mut nahm, den Dopplereffekt in einem Experiment nachzuweisen.
Doch es gab einen Ausweg, der auch Doppler nicht entgangen war: Wie Licht breitet sich auch Schall als Welle aus, bloss viel langsamer als Licht, und so würde der postulierte Effekt «auch vollkommen strenge» für Schallwellen gelten. Schall ist eine Welle aus schnellen kleinen Veränderungen des Luftdrucks, die unser Ohr wahrnehmen kann. Wie beim Schiff, das den Wellen entgegenfährt, treffen die Wellenschläge des Schalls das Ohr in rascherer Folge, wenn man sich auf die Quelle zubewegt, was den Ton höher erscheinen lässt, als er von der Quelle abgegeben wird. Doppler berechnete, dass sich eine Tonquelle dem Beobachter mit einer Geschwindigkeit von 68 Fuss pro Sekunde (70 Kilometer pro Stunde) nähern müsste, damit aus einem H das einen Halbton höhere C würde.
70 Kilometer pro Stunde, das war eine Geschwindigkeit, die seit der Erfindung der Dampflokomotive im vorigen Jahrhundert in Reichweite lag. Buys Ballot wandte sich an den Direktor der Rhein-Eisenbahn, der beim Minister des Innern die Erlaubnis zur «kostenfreien Benutzung einer Locomotive auswirkte».
Als Tonquelle wollte Buys Ballot zuerst die Pfeife der Lokomotive benutzen. Sie war laut und deshalb über weite Distanzen hörbar. Doch bei Vorversuchen stellte er fest, dass ihr Ton zu wenig rein war, als dass ein Musiker seine Höhe genau hätte bestimmen können. Also erweiterte Buys Ballot die Schar seiner Helfer um eine Handvoll der besten Trompeter, die er in Utrecht finden konnte. Einer davon fuhr mit zwei Helfern auf dem Bahnwagen mit, die anderen warteten, auf drei Gruppen verteilt, am Geleise in Abständen von 400 Metern.
Auf dem Hinweg spielte der Trompeter auf dem Wagen ein G im Dienste der Wissenschaft, und die Musiker an den Geleisen notierten sich den Tonunterschied. Auf dem Rückweg wurden die Rollen getauscht: Jetzt spielten die Trompeter an den Geleisen, und der Musiker auf dem Wagen versuchte, die Tonhöhe zu bestimmen.
So einfach sich Buys Ballot das Experiment vorstellte, so tückisch war seine Durchführung. Um einen möglichst grossen Tonunterschied zu verursachen, hätte die Lokomotive so schnell wie möglich fahren müssen, doch je schneller sie fuhr, desto schlechter konnte man in ihrem Lärm die Trompeten hören. Zudem war die Lok schnell weit weg und damit der Ton nur kurz hörbar. Fuhr die Lok jedoch langsam, wurde der Tonunterschied unmerklich klein. Buys Ballot wählte schliesslich Geschwindigkeiten zwischen 18 und 72 Kilometern pro Stunde, die er mit zwei Uhren bestimmte. Zu seinem Ärger schaffte es der Heizer allerdings nicht, die Geschwindigkeiten konstant zu halten.
Buys Ballots grösstes Problem schien jedoch nicht technischer, sondern menschlicher Natur gewesen zu sein. Trotz einem präzisen Einsatzplan waren die Musiker nicht imstande, zu den genau vereinbarten Zeiten zu spielen. Einmal vergass einer sein G, ein andermal spielten plötzlich zwei Trompeter gleichzeitig. In «Poggendorff’s Annalen der Physik und Chemie» riet Buys Ballot Nachahmern, die Versuche mit «disciplinirteren Personen» zu wiederholen.
Nachdem Buys Ballot die Versuche mit Ventiltrompeten vom 3. Juni am 5. Juni mit lauteren Signaltrompeten wiederholt hatte, konnte er Dopplers Theorie trotz einigen «Unregelmässigkeiten» bestätigen. Die Musiker waren sich einig, dass der Ton höher war, wenn sich der Trompetenspieler näherte als wenn er sich entfernte. Dass dieser Effekt beim Geräusch einer vorüberfahrenden Kutsche nicht zu hören war, wie einige Musiker vor dem Experiment einwandten, konnte Buys Ballot einfach erklären. Die Kutsche gab keinen reinen Ton ab, sondern ein Gemisch von verschieden hohen Tönen. Darin die Verschiebung auszumachen, war selbst für ein Musikgehör unmöglich.
Aus einem ähnlichen Grund glaubte Buys Ballot auch, dass sich Doppler irrte: Seine Theorie war zwar zweifellos richtig, aber sie war nicht die Erklärung für die Farbe der Sterne. Auch das Licht der Sterne war ein Gemisch: aus verschiedenen Farben. Wenn durch den Dopplereffekt alle miteinander nach oben verschoben wurden, hätte ihm eigentlich die unterste Frequenz, also das Rot, fehlen müssen.
Doppler glaubte, diese Farbveränderung sei bei Doppelsternen sichtbar, doch er übersah, dass Sterne auch im unsichtbaren infraroten Bereich strahlten. Infrarote Lichtwellen waren noch etwas langsamer als rote und würden durch den Dopplereffekt ganz einfach in den sichtbaren Bereich gerückt. Für die Wahrnehmung durch das menschliche Auge ändert sich deshalb praktisch nichts. Doppler hatte für den Titel seiner Arbeit ausgerechnet jenes Phänomen ausgewählt - die Farbe der Doppelsterne -, das gerade nicht durch einen Dopplereffekt zustande kommt. Sterne geben von Anfang an farbiges Licht ab.
Heute würde Doppler wahrscheinlich nicht mehr Doppelsterne, sondern die Ambulanz als Beleg für seine Theorie anführen. Jedes Kind weiss, dass die Sirene höher klingt, wenn sich der Krankenwagen nähert, und tiefer, wenn er sich entfernt.
Auf dem Dopplereffekt basieren heute unzählige technische Anwendungen in Astronomie, Chemie und Medizin. Navigationssysteme von Flugzeugen arbeiten damit, die Urknalltheorie hätte ohne sie nicht aufgestellt werden können, und die Radarfalle benutzt den Dopplereffekt.
So weit blickte Buys Ballot nicht in die Zukunft. Die einzige praktische Anwendung des Dopplereffekts sah er darin, dass «vielleicht irgendwann bessere Musikinstrumente gebaut werden können».

[bemi]

Servus,


ich weiss mal eine Beerdigung bei Sturm. Da gab es ordentlich Tonhöhenänderungen. Das liegt aber m.E. eher daran, dass man, wenn eine Böe in den Trichter bläst, ziemlich "nachjustieren" muss. D.h. die Luftsäule bricht einfach ab und man muss mehr Luft nachschieben. Bei mir ging der Ton auch manchmal einfach aus. Will sagen: es liegt mehr an bläserischem Unvermögen als an der Physik.


VG bemi

[Haudraufjupp]

Die Schallgeschwindigkeit hat was mit der mittleren Fluggeschwindigkeit der Gasmoleküle zu tun, und nichts mit der mittleren freien Weglänge. Also wenn ein Molekül mit einem anderen kollidiert übernimmt dieses den Impuls, die "Information" wird einfach weitergegeben.

Hmm.. so einfach glaube ich das erstmal nicht.. Auch ohne 'Fluggeschwindigkeit der Molekuele' hast du ja eine Schallgeschwindigkeit..

Erstmal eine kleine Thermodynamische Betrachtung:
Das Quadrat der Schallgeschwindigkeit ist ja erstmal der Kompressionsmodul geteilt durch die Dichte. Dummerweise haengt beides vom Druck ab. Der Kompressionsmudl K ist definiert als K = -V dp/dV. Nimmt man die Ideale Gasgleichung pV = NkT ist p=NkT/V und damit dp/dV = -NkT/V^2. Die Dichte ist N/V = p/kT und damit ist c^2 = (NkT/V)/(p/kT) = N(kT)^2/(pV). Von oben wissen wir aber das die Dichte N/V = p/kT ist. Einsetzen ergibt c^2 = kT * (N/V)/(N/V) und damit c = Wurzel(kT).
Oder hab ich mich irgendwo grob verrechnet? Das Ganze gilt natuerlich nur unter der Bedingung, dass man ein Gas hat und keine einzelnen Teilchen, N muss also gross genug sein, damit die ideale Gasgleichung als Naeherung gilt.
Achja, N ist die Teilchenzahl, p der Druck, T die Temperatur, k die Boltzmannkonstante, V das Volumen und K der Kompressionsmodul.

Tl;DR: Im Endeffekt kuerzt sich der Druck halt raus.

Das Problem ist, dass hier ein Quasistatisches System angenommen werden muss. Welche Korrekturen unter dynamischen Bedingungen dazukommen bin ich gerade zu faul nachzuschlagen... Wuerde mich aber nicht wundern, wenn der Druck dann doch wieder reinkaeme..

[Singvögelchen]

Ich durfte/musste mal mit einem Blechbläserquartett aus einem Turmfenster bei ziemlich starkem Sturm spielen. Als erstes haben die Posaunisten gestreikt, weil der Luftdruck durch die große Stürze und das weiter gebohrte Mundstück die Tonerzeugung unmöglich machten. Auf die Tonhöhe zu achten war bei diesen Gegebenheiten nicht möglich.

Aber toller Zeitungsartikel...danke Interessantes Thema.

[lurchi]

Welche Korrekturen unter dynamischen Bedingungen dazukommen bin ich gerade zu faul nachzuschlagen... Wuerde mich aber nicht wundern, wenn der Druck dann doch wieder reinkaeme..

Das ist das Problem mit diesen postfaktischen Zeiten, da wird eine Behauptung aufgestellt die zu belegen man zu faul ist. Und viele sind zu faul es zu überprüfen und meinen: "endlich sagt es mal einer wie es ist!"

[lurchi]

Was die Schallausbreitung in Luft angeht finde ich den Wikipedia-Artikel recht gelunglen:https://de.wikipedia.org/wiki/Schallgeschwindigkeit.
Hier insbesondere den Abschnitt über Schallgeschwindigkeit im idealen Gas. Da sieht man recht schön dass der Druck hier rausfällt, da er im Kompressionsmodul direkt enthalten ist, und somit für die Schallgeschwindigkeit raus dividiert wird. Es bleibt nur kappa ( beinhaltet die Freiheitsgrade der Moleküle auf die sich die Bewegungsenergie verteilt), die Gaskonstante, die molare Masse der Teilchen und die Temperatur übrig.
Für uns Trompeter noch relevant ist der letzte Satz des Abschnitts: "Wegen der damit verbundenen Temperaturschwankungen gilt die obige Formel für Luft nur im Grenzfall kleiner Amplituden, wobei für T die Durchschnittstemperatur einzusetzen ist. Tatsächlich machen sich bei großen Amplituden, z. B. nach einer Detonation, nichtlineare Effekte dadurch bemerkbar, dass die Wellenberge – Wellenfronten mit maximaler Dichte – schneller laufen als die Wellentäler, was zu steileren Wellenformen und zur Ausbildung von Stoßwellen führt."
Dieser Effekt führt zum charakteristischen Klang bei hohen Innenschalldrücken im Instrument, also wenn das Instrument stark Schall reflektiert. Aber das haben wir ja schon an anderer Stelle diskutiert.

[heckelmeyer]

Herzlichen Dank den Praktikern von ihren Friedhofs- & Turm-Sturmblas-Erfahrungen.
Nicht so recht komme ich mit den Theoretikern klar:
Haudraufjupp schriebt: "Das Problem ist, dass hier ein Quasistatisches System angenommen werden muss. "
Lurchi schreibt: Hier insbesondere den Abschnitt über Schallgeschwindigkeit im idealen Gas.

Das ist vermutlich das eigentliche Problem: Der Theoretiker kommt nur mit quasistatischen und somit also idealen Voraussetzungen klar. Aber daß ein horizontal gehaltenes Posaunenschallstück (wie ist das erst beim Sousaphone?) und ein vertikales Tenorhornschallstück (oder Tuba?) anders auf Winddruck reagieren, könnte ja jedes Kind erkennen, wenn es feststellt, daß man diese kleinen Windrädchen nicht blos quer halten, sondern hoch "in den Wind" halten muß, damit sich da was dreht. So ein Windrad ist doch theoretisch blos ausweichende feste Materie vor bewegtem Gas.

Ich glaube, daß der Innendruck -und damit seine Änderungen!-der Luftröhrenluftsäule mit der Schwingung der Instrumentenluftsäule korreliert.
Kleine Praxisübung: Atmet mal Helium (aus den Heliuballons) ein und blast danach Trompete...da kommt man in ungeahnte Höhen!
Der Gegensatz: Ich hatte mal in 10m Tiefe unter Wasser mit einer Trompete in einen umgekehrten luftgefüllten Eimer geblasen, das ging irgendwie nicht so richtig los: Ich hatte 0 bar (0 kPa) Luft intus, der Umgebungsluftdruck 10m unter Wasser ist 1 bar (100kPa).
Das Experiment hakte aber an andere Stelle (fiel mir erst hinterher ein), weil im Abtauchen bereits Wasser in die Trompete kam, was ich unten erst mal "rauspusten" mußte. Das ging nicht so richtig: Die Wasserklappe war leider defekt...

Also Leute: Mehr Praxis hier, weniger Theorie!

In dem Sinne: Gut tut tut gut!

[Haudraufjupp]

Das ist das Problem mit diesen postfaktischen Zeiten, da wird eine Behauptung aufgestellt die zu belegen man zu faul ist.

Die Aussage verstehe ich hier jetzt nicht.. Die Herleiteung des Kompressionsmodul hatte ich doch extra hingeschrieben..

Der Theoretiker kommt nur mit quasistatischen und somit also idealen Voraussetzungen klar.

Das stimmt ganz eindeutig nicht. Nur Sonntagsabends mal eben schnell vielleicht .
Das ganze kann man schon genauer machen, koennte nur in beliebig viel Arbeit enden.

[lurchi]

Also Leute: Mehr Praxis hier, weniger Theorie!

In dem Sinne: Gut tut tut gut!

Na, dann mach mal.

[lurchi]

Das ist das Problem mit diesen postfaktischen Zeiten, da wird eine Behauptung aufgestellt die zu belegen man zu faul ist.

Die Aussage verstehe ich hier jetzt nicht.. Die Herleiteung des Kompressionsmodul hatte ich doch extra hingeschrieben..

Ja, aber du meintest dass für den dynamischen Fall der luftdruck wieder eine Rolle für die Schallgeschwindigkeit spielen dürfte, du aber zu faul bist dies nachzusehen.

[lurchi]

Ich glaube, daß der Innendruck -und damit seine Änderungen!-der Luftröhrenluftsäule mit der Schwingung der Instrumentenluftsäule korreliert.
Kleine Praxisübung: Atmet mal Helium (aus den Heliuballons) ein und blast danach Trompete...da kommt man in ungeahnte Höhen!

Das mit dem Helium stand in meiner Antwort schon drin, die Molmasse sinkt. Trotzdem sollte man sich nicht täuschen, ide Wirkung ist wie bei einer Piccolo. Wer nicht in der Lage ist hoch zu spielen schafft es auch mit Helium nicht.

Der Gegensatz: Ich hatte mal in 10m Tiefe unter Wasser mit einer Trompete in einen umgekehrten luftgefüllten Eimer geblasen, das ging irgendwie nicht so richtig los: Ich hatte 0 bar (0 kPa) Luft intus, der Umgebungsluftdruck 10m unter Wasser ist 1 bar (100kPa).

Da irrt der Praktiker, denn sein Innendruck steigt mit der Wassertiefe ebenso an. Lediglich das Lungenvolumen wird halbiert.