Toonhoogte meten: geluid zichtbaar maken met je smartphone

Niveauaanduiding: VMBO-T, leerjaar 2 — passend bij het onderdeel Geluid (toonhoogte, frequentie, trilling).

Inleiding

Geluid is trilling. Een stemvork, een gitaarsnaar, een trillende liniaal — ze zetten allemaal luchtmoleculen in trilling, en die trilling bereikt uw oor. De toonhoogte die u hoort, hangt af van hoe snel de bron trilt: meer trillingen per seconde betekent een hogere toon. Met de Phyphox-app kunt u die trillingen zichtbaar maken als een golfpatroon op uw scherm.

Leerdoelen

Na afloop van dit practicum kunt u:

• uitleggen wat frequentie is en hoe deze samenhangt met de toonhoogte;
• het verschil beschrijven tussen een hoge en lage toon aan de hand van een oscilloscoopgrafiek;
• de frequentie van een geluidsbron aflezen uit de Phyphox-app;
• het verband leggen tussen de lengte van een trillend voorwerp en de frequentie van het geluid.

Achtergrondinformatie

De frequentie f van een trilling geeft aan hoeveel trillingen er per seconde plaatsvinden. De eenheid is Hertz (Hz). Een toon van 262 Hz (de muzikale do) trilt 262 keer per seconde. De menselijke stem ligt globaal tussen 80 en 1100 Hz; de pianotoetsen bestrijken een bereik van 27 Hz tot 4186 Hz.

Een trillend voorwerp straalt geluid uit met diezelfde frequentie. Hoe korter of strakker de trillende bron, hoe sneller hij trilt en hoe hoger de toon. Denk aan een gitaarsnaar die u korter inzet met uw vinger: de klinkt hoger dan de open snaar.

De Phyphox-app heeft twee nuttige modules voor geluidsmetingen:

• Audio Scope: toont het geluidssignaal als golfvorm op een tijdas — een soort oscilloscoop.
• Audio Spectrum: berekent de frequenties die in het signaal aanwezig zijn en geeft de sterkste frequentie aan.

Benodigde laboratoriumapparatuur

• smartphone met Phyphox-app;
• een of meer van de volgende geluidsbronnen: stemvork (bijv. 440 Hz), gitaar of ukulele, plastic liniaal, glazen beker of wijnglas;
• een tafel voor de liniaal-proef;
• water voor het zingend-glas-experiment (optioneel).

Veiligheid

Geen gevaren. Houd het volume van uw telefoon normaal. Sla de stemvork niet hard tegen scherpe voorwerpen — gebruik een knieschijf of een rubber hamer om hem aan het trillen te brengen.

Werkwijze

Deel 1 — Stemvork of instrument

1. Open Phyphox en kies Audio Spectrum.
2. Breng de stemvork aan het trillen door hem zacht tegen uw knie te tikken. Houd hem vlak bij de microfoon van de telefoon.
3. Lees de piekfrequentie af die de app weergeeft. Noteer.
4. Vergelijk met de aanduiding op de stemvork (bijv. 440 Hz = la).

Deel 2 — Trillende liniaal

1. Klem een plastic liniaal met een stuk plakband of uw hand stevig op een tafelrand, zodat 15 cm vrij uitsteekt.
2. Open Audio Scope in Phyphox. Start de meting.
3. Buig het vrije uiteinde naar beneden en laat los. U hoort en ziet de trilling.
4. Lees de frequentie af in Audio Spectrum.
5. Maak de vrije lengte korter (10 cm, dan 7 cm) en herhaal. Wat verandert er aan de toon?

Deel 3 — Oscilloscoopvergelijking

1. Open Audio Scope.
2. Zing of fluit een lage toon. Bekijk het golfpatroon. Noteer hoe ver de golven uit elkaar liggen.
3. Zing of fluit een hoge toon. Bekijk het patroon opnieuw.
4. Maak een schets van beide golfpatronen in uw schrift.

Verwerkingsvragen

1. Wat is de eenheid van frequentie en wat betekent 1 Hz?
2. U hoort een hogere toon als u de liniaal korter maakt. Hoe verandert de frequentie dan?
3. Hoe ziet een hoge toon eruit in de Audio Scope-grafiek vergeleken met een lage toon?
4. Een stemvork heeft de aanduiding 256 Hz. Hoeveel trillingen maakt hij per seconde?
5. Noem twee geluidsbronnen uit het dagelijks leven en schat hun frequentie: hoog of laag?

Uitwerkingen

1. Eenheid frequentie:
   De eenheid is Hertz (Hz). 1 Hz betekent één trilling per seconde.
2. Kortere liniaal:
   Bij een kortere vrije lengte trilt de liniaal sneller: de frequentie stijgt en de toon wordt hoger.
3. Hoge vs lage toon in Audio Scope:
   Een hoge toon heeft meer golven per tijdseenheid: de golven liggen dichter op elkaar (kortere golfperiode). Een lage toon heeft bredere golven (langere periode).
4. Stemvork 256 Hz:
   256 trillingen per seconde. Dit is de muzikale do (midden-do in de lage octaaf).
5. Voorbeelden:
   Een menselijke spreekstem: 100–300 Hz (betrekkelijk laag). Een fluitend vogeltje: 2000–8000 Hz (hoog). Een grote kerkklok: 50–200 Hz (laag). Een muziekdriehoek: 2000–5000 Hz (hoog).

Achtergrond

Het menselijk oor neemt frequenties waar tussen ruwweg 20 Hz en 20 000 Hz. De gevoeligste frequentie ligt bij circa 3000–4000 Hz, precies het bereik van de menselijke stem. Honden en katten kunnen hogere frequenties horen; vleermuizen gebruiken ultrasone geluidspulsen boven 20 000 Hz voor echolocatie.

De Phyphox-app toont in Audio Scope een stukje van de tijdreeks van het microfoon-signaal. Met de triggerinstelling op een vaste drempelwaarde staat de golfvorm stabiel, net als bij een echte oscilloscoop. In Audio Spectrum worden de frequentiecomponenten berekend via een FFT (Fast Fourier Transform): een algoritme dat het tijdsignaal ontbindt in alle afzonderlijke frequenties.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert materialen voor in het laboratorium en practicum.

Bekijk het assortiment practicum artikelen of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.