Eine näher kommende Schallquelle schickt die Verdichtungen der Luft in engeren Abständen zu uns. Pro Sekunde kommen mehr an: Der Ton klingt höher. Entfernt sich die Quelle, kommen weniger pro Sekunde an, und der Ton klingt tiefer. Das heißt Doppler-Effekt.
Das Titelbild ist eine Illustration. Für die Erklärung stellen wir uns einen gleichbleibenden Sirenenton, ruhende Luft und eine stillstehende zuhörende Person vor. Das Fahrzeug bleibt langsamer als der Schall.
Tonhöhe ist ein Takt
Schall läuft als Druckschwankung durch die Luft. Dabei wechseln sich etwas dichtere und dünnere Bereiche ab.
Wie viele Schwingungen pro Sekunde am Ohr ankommen, nennen wir Frequenz. Mehr Schwingungen pro Sekunde bedeuten bei einem einfachen Ton eine höhere Tonhöhe.
Die Quelle rückt weiter
Eine stillstehende Quelle mit gleichbleibendem Takt erzeugt gleichmäßig verteilte Wellenfronten. Jede neue Verdichtung startet am selben Ort.
Eine fahrende Quelle sendet die nächste Verdichtung von einem neuen Ort aus. In Fahrtrichtung liegen die Verdichtungen dadurch enger zusammen, dahinter weiter auseinander. Bereits ausgesandter Schall breitet sich von seinem jeweiligen Entstehungsort aus.
Am Ohr kommt ein anderer Takt an
Nähert sich die Quelle, treffen bei der stillstehenden Person mehr Verdichtungen pro Sekunde ein. Entfernt sie sich, treffen weniger ein. Der ausgesendete Ton muss sich dafür nicht ändern.
Der Schall wird durch das Fahrzeug nicht einfach schneller. Unter denselben Luftbedingungen bleibt seine Ausbreitungsgeschwindigkeit gleich. Anders sind die Abstände zwischen den Verdichtungen und damit ihr Ankunftstakt.
Höher ist etwas anderes als lauter
Ein nahes Fahrzeug kann auch lauter klingen. Lautstärke und Tonhöhe sind aber verschiedene Eigenschaften. Der Doppler-Effekt erklärt hier den veränderten Takt.
Echte Sirenen wechseln oft schon selbst zwischen Tonhöhen. Das kommt zur Bewegung hinzu. Deshalb beweist nicht jedes Auf und Ab einer Sirene einen Doppler-Effekt. Unsere Zeichnungen betrachten absichtlich nur einen gleichbleibenden Ausgangston.
Gleiche Zeit, andere Zahl: ein Papiermodell
- Zeichnet mit einem Erwachsenen drei waagerechte, je 20 cm lange Linien untereinander. Anfang und Ende stehen in allen Zeilen für denselben gewählten Zeitraum, nicht für eine Strecke im Straßenverkehr. Schreibt dazu: „ohne Bewegung“, „Quelle kommt näher“ und „Quelle entfernt sich“.
- Setzt in der ersten Zeile bei 2, 4, 6 bis 18 cm kurze Striche. In der zweiten setzt ihr bei jedem ganzen Zentimeter von 1 bis 19 einen Strich. In der dritten nur bei 3, 6, 9, 12, 15 und 18 cm. Alle Striche sind gleich hoch. Zählt und notiert: 9, 19 und 6. Welche Zeile zeigt mehr Ankünfte in derselben Zeit?
- Vergleicht eure Zeilen mit der zweiten Erklärungsgrafik. Die engeren Striche stehen für einen höheren Ankunftstakt. Ihre Höhe steht nicht für Lautstärke. Das selbst gewählte Papiermodell erzeugt keinen Schall und enthält keine gemessenen Frequenzen oder Fahrzeuggeschwindigkeiten. Prüft zusätzlich im ersten Wellenbild, auf welcher Seite der fahrenden Quelle die Abstände kleiner sind.
Die Aktivität bleibt mit Papier, Lineal und Stift am Tisch. Dafür keine Sirenen abspielen, Geräte schwingen, Fahrzeuge verfolgen oder am Straßenrand warten. Es ist kein Hörtest; die Zeichnungen lassen sich auch ohne Hören vergleichen.
Zum Mitnehmen
Bei gleichbleibendem Ausgangston verändert Bewegung den Takt am Ohr: Annäherung klingt höher, Entfernung tiefer. Das ist der Doppler-Effekt. Eine echte Sirene kann zusätzlich ihre eigene Tonhöhe wechseln.
Warum klingt eine gleichmäßig tönende, näher kommende Quelle für eine stillstehende Person höher?
Quellen & Weiterlesen
OpenStax / Rice University · University Physics Volume 1: The Doppler Effect ↗NASA Glenn Research Center · Doppler Effect ↗NASA Space Math · Electromagnetic Math: Doppler Shifts and Sound Waves (PDF, S. 77 / PDF 172) ↗NOAA / National Weather Service · How Radar Works: Doppler Shift ↗Unsere Texte erklären die Grundidee in eigenen Worten. Bilder und Modelle vereinfachen die Wirklichkeit; sie sind nicht maßstabsgetreu.
