Jugend forscht 2009 Wenn man in einer Cappuccinotasse mit einem Löffel auf den Tassenboden klopft, ändert sich der Ton mit jedem Klopfen. Nach dem Umrühren kommt man wieder zum Ausgangston. Ich will herausbekommen warum es so ist. Dafür werde ich die Frequenzen messen. Die Temperaturen verändern. Andere Flüssigkeiten testen. Verschiedene Gefäße und Klopfgegenstände testen. Damit will ich herausbekommen was die Ursache ist.

1. Warum verändert Cappuccino sein Ton
Schüler Experimentieren 2009
Finn Süberkrüb(12)

2. Inhaltsverzeichnis
1. Versuchsaufbau 1
1.1 Auswahl der Messgeräte
1.2 Versuchsaufbau
1.3 Messungen
1.4 Ergebnisse
2. Versuchsaufbau 2
2.1 Auswahl der Messgeräte
2.2 Versuchsaufbau
2.3 Messungen
2.4 Ergebnisse
3. Versuchsaufbau 3
3.1.1 Auswahl der Messgeräte
3.1.2. Prüfung der Messgeräte (Mikro und Verarbeitung im PC prüfen)
3.1.3 Das Programm Audacity 1.2.6
3.2. Versuchsaufbau
3.2.2. Nebengeräusche
3.3.1 Messungen 1
4. Weitere Versuche und Messungen
4.1 Messungen 1 (Ton abhängig vom Füllstand)
4.2.Messungen 2 (Cappuccino lange stehen lassen)
4.3. Messung wie viel Luft in Cappuccion ist
4.4. Andere Flüssigkeiten
4.5 Gefäße
5. Ergebnisse
Kurzfassung
Wenn man in einer Cappuccinotasse mit einem Löffel auf den Tassenboden klopft,
ändert sich der Ton mit jedem Klopfen. Nach dem Umrühren kommt man wieder zum
Ausgangston. Ich will herausbekommen warum es so ist. Dafür werde ich die
Frequenzen messen. Die Temperaturen verändern. Andere Flüssigkeiten testen.
Verschiedene Gefäße und Klopfgegenstände testen. Damit will ich herausbekommen
was die Ursache ist.

3. 1. Versuchsaufbau 1
1.1 Auswahl der Messgeräte
Digitales Oszilloskop
Ausgebautes Mikrofon aus einem Headset und Batterie.
1.2 Versuchsaufbau
Mikrofon in die Nähe der Tasse gehalten. Mit einem Löffel in der Tasse mit Cappuccino
geklopft. Die Tasse in der Hand gehalten.
1.3 Messungen
Ich habe verschiedene Messungen gestartet. Es kam zu keinen verwertbaren Ergebnissen.
Das Problem war das speichern der Werte. Für die Auswertung brauche ich mindestens 10
Klopf töne in engem zeitlichen abstand.
So schnell kann man die Werte nicht abschreiben. Und die Kurven auf dem Oszilloskop
waren ein wirres durcheinander.
1.4 Ergebnisse
So komme ich zu keinem Resultat. Muss es anders versuchen.
Also habe ich den Versuchsaufbau überarbeitet.
2. Versuchsaufbau 2
2.1 Auswahl der Messgeräte
Als neues Mikrofon mein normales Headset genutzt. Das war möglich, da ich die Messung
nun über den PC machen wollte. Dafür hatte ich mir im Internet die Software „Scope
Soundkarten Oszillograph“ von Christian Zeitnitz heruntergeladen.
Mit dem Programm kann man ein Signal auf dem Audioeingang wie mit einem Oszilloskop
betrachten. Man kann mit der Software auch eine Frequenzanalyse machen.
2.2 Versuchsaufbau
-Tasse an ein Stativ gehängt
- Klopfen mit Löffel und mit einem Klopfroboter den ich auf der Basis von Lego RCX gebaut
habe.

4. -Das Mikrofon hat das Geräusch im Bereich des Tassenboden aufgenommen.
2.3 Messungen
In einem Fenster von „Scope“ konnte man den eigentlichen Ton sehen, im anderen das
Spektrogramm.
Im Spektogramm konnte man aber nur die Summe aller töne erkennen, jeder neue Ton
wurde dazu addiert.
2.4 Ergebnisse
Man konnte gut sehen, dass sich der Ton verändert hat weil die Frequenzen sich verändert
haben. Aber man konnte nicht erkenne in welche Richtung der Ton sich geändert hat weil die
Frequenzen immer an unterschiedlichen Stellen im Spektrogramm gestiegen sind. Ich
konnte die Spektrogramme von den einzelnen Tönen nicht speichern. Dabei habe ich auch
unterschiedliche Klopftechniken ausprobiert. Mit der Hand. Mit dem Roboter. Von außen, von
innen, gegen die Seitenwand und mit verschiedenen Gegenständen. Das beste Geräusch ist
zu hören, wenn man auf den Tassenboden von innen klopft.
Aber um weiter zu kommen, brauchte ich nun ein anderes Programm. Ich musste mir ein
Weg suchen, wie ich die einzelnen Klopftöne trennen und dann analysieren kann.
3. Versuchsaufbau 3
3.1.1 Auswahl der Messgeräte
Ich suchte ein Programm mit dem man Töne aufnehmen zerschneiden analysieren und die
Ergebnisse speichern konnte. Nun bin ich auf das Programm „MI“ gestoßen. Allerdings gibt
es das nur für Geld oder als eine Testversion für 21 Tagen. Da ich aber auch nicht mehr sehr
viel Zeit hatte, sollte das bis zum Abgabetermin reichen.
Das Programm hatte aber immer noch ein Problem. Ich konnte damit keine Audiodateien
aufnehmen. Dafür habe ich dann mir noch ein Audioprogramm heruntergeladen, mit dem
man Signale aufnehmen, und auch zerschneiden kann. Es ist das Programm „Audacity“. Mit
dem konnte ich Aufnehmen und zerschneiden und die Signale dann exportieren, damit ich
sie mit „MI“ analysieren kann.
3.1.2. Prüfung der Messgeräte (Mikro und Verarbeitung im PC prüfen)
Bei den Versuchen sind anfangs immer nur sehr wirre Spektrogramme herausgekommen.
Von daher habe ich dann vor dem dritten Versuchsaufbau geprüft, ob das Mikrofon mit dem
PC und der Software überhaupt brauchbare Resultate liefert. Den eigentlich hatte ich eine
schöne „Cappuccino-Tonleiter erwartet. Also habe ich mit einem Xylophon die Tonleiter
aufgenommen um zu prüfen ob mein Versuchsaufbau korrekt ist. Ich habe die Frequenzen
die die Töne haben sollen mit dem Verglichen, was theoretisch herauskommen soll (aus

5. http://www.flutepage.de/deutsch/goodies/frequenz.shtml) . Ich stellte fest, dass ich maximal
6,37 HZ daneben lag.
Ton Gemessen Laut Internet
C2 526,3HZ 523,25 HZ
D2 593,7HZ 587,33 HZ
E2 658,4 HZ 659,26 HZ
F2 701,8 HZ 698,46 HZ
G2 784,9 HZ 783,99 HZ
A2 883,1 HZ 880,00 HZ
H2 992,1 HZ 987,77 HZ
C3 1049,4 HZ 1046,50 HZ
D3 1172,7 HZ 1174,66 HZ
E3 1314,8 HZ 1318,51 HZ
Beispiel der Kurve vom Ton A2
Also funktioniert das Mikrofon und der Aufbau korrekt.
3.1.3 Das Programm Audacity 1.2.6
Man kann hier Tonsignale aufnehmen und die Bereiche die einen dann interessieren in zum
Beispiel dem Dateiformat .wav exportieren. Dieses Programm habe ich zum Schneiden der

6. Tonsignale genommen. Als Beispiel zwei Tonsignale in dem Programm.
3.2. Versuchsaufbau
3.2.1. Ich habe die Tasse wieder in das Stativ gespannt
und mit dem Löffel geklopft. Jetzt ist aber die Frage aufgekommen, ob ich nicht durch das
Klopfen mit der Hand das ganze beeinflussen kann. Auch waren die Signale immer noch
recht wirr. Da ich keine deutlich erkennbaren Frequenzen sehen konnte habe ich den
Versuchsaufbau in dem Punkt noch geändert. Im folgenden ein Beispiel für ein Ton den ich
mit dem Klopfen mit dem Löffel erzeugt habe.

7. Also habe ich mir für das Klopfen einen Roboter auf der Basis von einem Lego NXT gebaut.
Ich habe dann auch kein Löffel mehr genommen, sondern einen einfachen Metallstab. Er hat
noch eine Parallelführung bekommen, damit er immer an der gleichen Stelle aufschlägt. Der
Motor und der Klopfer waren entkoppelt so das der Stab nicht auf den Boden gedrückt wurde
sondern frei gefallen ist. Damit das Klopfen gleichmäßig erfolgt, habe ich mir folgendes
einfaches Programm geschrieben:
Wenn tastsensor1 gedrückt, Motor A an und ständig wiederholen solange gedrückt,
Wenn Tastsensor 1 losgelassen, Motor A aus. (Lego Mindstroms Software).
Das Mikrofon habe ich unter die Tasse gelegt.

8. 3.2.2. Nebengeräusche
Der Motor hatte nun aber auch ein Geräusch. Und auch der Ventilator von meinem PC. Also
habe ich die Nebengeräusche auch noch mal mit analysiert. Tonsignal mit Neben- und
Hautpgeräusch.
Nur das Geräusch von Motor und anderes im Raum.

9. Nur das Signal.
Die Nebengeräusche sind also nicht so wichtig.
3.3.1 Messungen 1
Nun kamen das erste mal vernünftige Spektrogramme heraus. Man sieht deutlich drei
Spitzen. Bei den Vergleichen ist zu beachten, dass die Skala immer auf 1 normiert ist.
Spitze 1 bei 1000 HZ
Spitze 2 bei 4300 HZ
Spitze 3 bei 6500 HZ
Bei den nächsten Klopfern hat sich:
Spitze 1 unregelmäßig verändert
Spitze 2 sinkt
Spitze 3 steigt
Im folgenden die Spektrogramme von 7x Klopfen hintereinander:

11. 4. Weitere Versuche und Messungen
4.1 Messungen 1 (Ton abhängig vom Füllstand)
Um herauszubekommen was die Ursache für die Tonveränderung ist, habe ich nun einen
weiteren Versuch durchgeführt, und gemessen wie sich der Ton mit Wasser bei sich
änderndem Füllstand verhält. Ich habe während des Klopfens die Tasse mit Wasser gefüllt.
Es gibt immer eine Frequenzspitze die mit dem Füllstand sinkt. Aber nie die Doppelspitzen.
Als Beispiel zwei Kurven. Füllstand kann ein Grund für die allgemeine Höhe des Tons sein.
Aber nicht für die Veränderung nach dem Umrühren. Den die Füllhöhe ändert sich nur
gering, wenn man den Cappuccino länger stehen läst.
Füllhöhe 1

12. Füllhöhe 8
Der Ton sinkt also mit der Füllhöhe. Es ist ein tieferer Ton. Am Anfang war die Tasse leer.
Am Ende randvoll.
4.2.Messungen 2 (Cappuccino lange stehen lassen)
Jetzt habe ich ausprobiert, was passiert wenn man den Cappuccion lange stehen läst. Es
sind zwei Spektren abgebildet. Als er noch frisch war (1.Spektrum)
Und dann am nächsten Morgen.
Nach der Nacht verhält sich der Cappuccion nur noch wie Wasser. Auch umrühren hat nicht
geholfen. Erst wenn man den Cappuccino wieder richtig aufgeschäumt hat (mit einem
Schäumer).

13. Damit war mir auch klar, dass es keine Teilchen sein könnten, die im Cappuccino sind. Denn
nach langem Stehen reicht das Umrühren nicht mehr. Und das sollte aber normalerweise
Teilchen die sich absetzen wieder aufwirbeln.
4.3. Messung wie viel Luft in Cappuccino ist
Aufgrund dieser Ergebnisse habe ich nun einen weiteren Versuch gemacht, um zu ermitteln
ob und wie viel Luft im Cappuccino ist. Denn meine Überlegung ist, dass der Cappuccino
durch die Luft ähnlich wie eine Luftsäule in meiner Trompete oder einer Orgelpfeife
schwingen kann. Die Luft kann zusammengedrückt werden, und sich wieder ausdehen.
Wasser kann man nur mit sehr hohem Druck zusammendrücken. Der Cappuccino könnte
dann unabhängig vom Glas schwingen. Dazu muss aber Luft drin sein.
Also habe ich ein Glas mit Cappuccino gefüllt bis es übergelaufen ist und kein Schaum mehr
drauf stand. Ein Papier drauf und es schnell mit einem Teller drauf herumgedreht und dann
Wasser auf den Teller gegeben, damit der Cappuccino nicht auslaufen kann. Am Anfang war
nur Cappuccino im Glas. Nach kurzer Zeit stand oben im Glas Schaum. Nach einer Weile
war es nur noch ein Luftraum. Es war ca. 1cm Luftraum. Das Glas ist 10cm hoch. Also etwa
10% bei ganz frischem Cappuccino.
4.4. Andere Flüssigkeiten
Ergänzend habe ich das mit den Tönen noch bei andere Flüssigkeiten probiert. Denn da ich
in Kakao den gleichen Effekt erkannte habe, wollte ich wissen, ob es auch mit anderem geht.
Wasser + Öl gemischt -> keine Unterschiede zu hören
Nur Spülmittelschaum -> kein Effekt
Sprudelwasser -> kein Effekt
Wasser + Spülmittelschaum -> Leichter Effekt
Geschäumte Milch + Kakao -> Leichter Effekt
Fertigcappuccino + Wasser -> Guter Effekt
Milch Schaum + Milch -> Leichter Effekt

14. 4.5 Gefäße
Ich habe es auch mal mit verschiedenen Gefäßen ausprobiert. Der Effekt tritt bei jedem Glas
auf. Ein Weinglas klingt zwar schöner wenn es leer oder auch voll ist. Aber für die
Tonveränderung beim Cappuccino hat das keine Auswirkung.
5. Ergebnisse
Der hohe Ton der nach langem Klopfen entsteht, ist der der auch mit normalem Wasser
entstehen würde.
Dieser Ton ist über die ganze Zeit fast unverändert.
Aber am Anfang kommt dazu noch der tiefe Ton, der von der Luft in der Flüssigkeit
abhängig ist. Aufgrund der Versuche denke ich, dass die Flüssigkeit mit der Luft vergleichbar
wie eine Luftsäule in der Trompete schwingt und diese Schwingung auf die Tasse
übertragen wird. Und sobald keine Luft mehr drin ist, dieser Ton verschwindet.
Ich habe nun noch Versuche mit unterschiedlichen Füllhöhen von Cappuccino in einem
Becherglas gestartet. Aber die Resultate waren noch nicht verwertbar. Wenn der Metallstab
nicht sauber klopft, sonder zu tief sitzt oder federt und noch mal aufschlägt, kommt eine
Welle mit allen möglichen Frequenzen heraus. Ich will bis zur Präsentation die Messung aber
noch hinbekommen.

15. Hier die ersten Bilder von meinen jetzt noch laufenden Experimenten.
Was habe ich benutzt und wer hat mir geholfen:
Programme Internetseiten habe ich in der Arbeit angegeben. Die Idee mit dem Schneiden
der Töne hatte mein Onkel aus Hamburg beigetragen (Ingmar Süberkrüb).
Word und mein Vater haben die Rechtschreibfehler gesucht.