Im Physikunterricht zeigt die Lochsirene, wie ein Luftstrom einen Ton erzeugt. Eine Scheibe mit gleichmäßig angeordneten Löchern dreht sich, während ein Luftstrom auf eine Lochreihe trifft. Der Luftstrom gelangt kurz durch die Löcher und wird dazwischen unterbrochen; je öfter das pro Sekunde geschieht, desto höher klingt der Ton.
Frequenz bezeichnet die Zahl der Wiederholungen pro Sekunde und wird in Hertz (Hz) gemessen: 1 Hz entspricht einer Wiederholung pro Sekunde. Die Lochzahl und die Drehgeschwindigkeit ergeben die Frequenz. Der Ton macht hörbar, wenn sich die Frequenz verändert.
So entsteht der Ton
Wenn ein Loch an der Luftöffnung vorbeikommt, lässt es Luft durch. Dazwischen unterbricht die Scheibe den Luftstrom. Diese regelmäßigen Änderungen bringen die Luft zum Schwingen. Dabei steigt und sinkt der Luftdruck. Diese Druckänderungen breiten sich als Schall aus.
Eine vollständige Wiederholung des Vorgangs heißt Schwingung. Die Zahl der Schwingungen pro Sekunde ist die Frequenz. Dauert eine Schwingung länger, ist die Frequenz niedriger; dauert sie kürzer, ist sie höher. Die Frequenz ergibt sich, indem man 1 durch die Dauer einer Schwingung teilt.
Warum die Tonhöhe steigt
Die Tonhöhe beschreibt, wie hoch oder tief ein Ton klingt. Sie hängt wesentlich von der Frequenz ab: Schnellere Druckschwankungen nimmt das Ohr normalerweise als höheren Ton wahr, langsamere als tieferen. Frequenz ist dabei eine messbare Größe, Tonhöhe die Hörempfindung.
Bei der Lochsirene zählen zwei Dinge, wie oft der Luftstrom pro Sekunde unterbrochen wird: die Zahl der Löcher in der angeblasenen Reihe und die Drehzahl der Scheibe. Bei gleichmäßig verteilten Löchern gilt:
Tonfrequenz = Lochzahl × Umdrehungen pro Sekunde
Hat eine Reihe 12 Löcher und dreht sich die Scheibe 5-mal pro Sekunde, passieren 12 × 5 = 60 Löcher pro Sekunde die Luftöffnung. Die Frequenz beträgt dann 60 Hz. Bei gleicher Drehzahl erzeugt eine Reihe mit 24 Löchern rechnerisch 120 Hz. Der Ton ist entsprechend höher.
Lochsirene im Unterricht vorbereiten
Eine einfache Lochsirene lässt sich aus einer Pappscheibe mit gleichmäßig verteilten Löchern und einem dünnen Röhrchen zum Anblasen herstellen. Die Scheibe kann von Hand oder mit einem kleinen Motor gedreht werden. Der Luftstrom muss auf eine Lochreihe treffen, und die Scheibe muss gleichmäßig laufen.
Für einen klaren Vergleich verändert die Klasse jeweils nur eine Größe. Zuerst bleibt dieselbe Lochreihe im Einsatz, während die Scheibe schneller gedreht wird. Danach wird bei möglichst gleichbleibender Drehgeschwindigkeit eine Reihe mit mehr Löchern angeblasen. In beiden Fällen steigt die Frequenz und normalerweise auch die wahrgenommene Tonhöhe.
Anschließend zählen die Lernenden die Löcher in der Reihe und bestimmen oder schätzen, wie oft sich die Scheibe pro Sekunde dreht.
Lautstärke und Klangfarbe
Eine höhere Frequenz bedeutet eine höhere Tonhöhe, aber nicht automatisch einen lauteren Ton. Die Lautstärke hängt vor allem davon ab, wie stark die Luftdruckschwankungen sind. Auch die Klangfarbe spielt eine Rolle: Sie beschreibt, ob ein Ton etwa weich, schrill oder rau klingt. Die Form der Schwingung und weitere Schwingungen, die gleichzeitig auftreten, beeinflussen diese Klangfarbe.
Die Lochsirene eignet sich deshalb besonders gut, um Frequenz und Tonhöhe zu vergleichen. Für genaue Messungen ist eine einfache Vorführung weniger geeignet: Eine ungleichmäßige Drehung erschwert die Bestimmung der Frequenz, und Tonhöhen lassen sich nicht immer präzise nach Gehör vergleichen. Bei motorisierten Scheiben sollte die Lehrkraft außerdem auf einen sicheren Aufbau achten und Hände von der rotierenden Scheibe fernhalten.