Dokumentation

Sechzehn Schülerinnen aus dem ostbayerischen Raum starteten am 05. April in den Räumen der OTH das Projekt "Musik und Kommunikation". Nach den Grußworten der Dekane Prof. Michael Niemetz (OTH) und Prof. Tilo Wettig (UR) sowie der Frauenbeautragten Prof. Christine Süß-Gebahrd (OTH) und Prof. Susanne Modrow (UR) erzählte Julia Roigk, MINT-Girl 2014 und heute Studentin in Computational Science, über ihren Werdegang und die Beeinflussung durch die Teilnahme bei den MINT-Girls.

Die Projektleiter Armin Gardeia (OTH) und Dr. Stephan Giglberger (UR) stellten die geplanten Veranstaltungen vor, die die MINT-Girls in diesem Jahr erwartet. Eine große Besonderheit ist, dass hier zum ertsen mal alle drei Regensburger Hochschule gemeinsam an einem Projekt arbeiten: neben Universität und OTH ist diesmal auch die Hochschule für Katholische Kirchenmusik HfKM beteiligt.

28.04.17 - Die Physik der Musik

In der ersten Veranstaltung untersuchen die MINT-Girls die Physik hinter der Musik. Kern der Tonerzeugung von Musikinstrumenten sind Stehende Wellen: bei Saiteninstrumenten sind das Transversalwellen, d.h. die Schwingungsrichtung steht senkrecht zur Wellenausbreitung; bei Blasinstrumenten sind es stehende Longitudinalwellen.

Die Grundschwingung (Frequenz, Tonhöhe) ist primär von der Saitenlänge bzw. der Länge der Luftsäule im Blasinstrument abhängig. Durch Überblasen bzw. Greifen von Flageoletts entstehend die sog. Harmonischen (Oktave, Quint, Quart,...).

 

Interferenzen, also die Überlagerung mehrerer Wellen, führen zu vielen faszinierenden Phänomenen, beispielsweise zu den Regenbogenfarben auf einer Seifenblase oder einem Ölfilm. Destruktive Interferenz ist der Effekt, auf dem die Hintergrundgeräusch-Unterdrückung bei vielen Smartphones beruht.

Stehende Wellen entstehen, wenn sich gegeneinander laufende Wellen konstruktiv überlagern. Die MINT-Girls untersuchen zweidimensionale Stehende Wellen auf schwingenden Stahlblechen mit unter-schiedlicher Geometrie - sog. Chladnische Klangfiguren.

Begrifflichkeiten wie Amplitude, Phase, Signalform, Schwebung oder Klang lassen sich am besten beim Ausprobieren verstehen: die sechzehn Teilnehmerinnen spielen am Theremin und sehen gleichzeitig das Signal am Oszilloskop.

Durch Fourieranalyse lassen sich die beteiligten Frequenzen eines Klangs bestimmen, mit Fouriersynthese lassen sich Klänge gezielt erzeugen - das ist die Grundlage des Synthesizers.

12./13. Mai 2017 - Teambuilding-Wochenende

Burg Regeldorff in Zeitlarn - eine Jugendfreizeitstätte der Pfadfinder St. Wolfgang e.V. - ist der ideale Ort, um sich genauer kennenzulernen. Die Teilnehmerinnen planen das Abendessen für 20 Personen, gehen einkaufen und kochen gemeinsam. Das Wetter ist hervorragend - wir können draußen vor den alten Gemäuern der Burg essen.

Nachdem die Projektleiter Stephan und Armin zurück nach Regensburg gefahren sind übernehmen Michelle und Caroline: soziometrische Reihen und Interviews, Kennenlernspiele und Teamübungen mit viel Lachen und viel Spaß.

Gleich am nächsten Morgen ging es weiter: Frühstück machen, essen, abspülen - und ab in die nächste Runde. Mit "Psychiatern" und "Roboter parken". Der "Gordische Knoten" konnte rechtzeitig vor der Abreise am Mittag gelöst werden :-)

19.05.17 - Kommunikation bei Tieren

Prof. Bernd Kramer (UR) hielt einen sehr spannenden und anspruchsvollen Vortrag über die Echoortung und die Kommunikation von Fledermäusen. In Abhängigkeit der Fledermausfamilie, aber auch ihrer Jagdreviere unterscheiden sich die Rufe bzw. die Modulation des Echos. Man unterscheidet

  • CF: konstantfrequenter Ruf
  • FM: frequenzmodulierter Ruf - die Frequenz des Echos variiert hin und her, beispielsweise aufgrund der auf- und ab schwingenden Flügel eines Beutetiers (Dopplereffekt)
  • AM: amlitudenmodulierter Ruf - die Lautstärke des Echos variiert, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Größen der Beutetiere und ihrer Entfernung

Die Laute werden in unterschiedlicher Darstellung betrachtet - so ist es z.B. sinnvoll, nicht den zeitlichen Verlauf der Amplitude zu betrachten, sondern die Frequenz über der Zeit (die dafür notwendige mathematische Grundlage ist die Fouriertransformation

26.05.17 - Musik in Spielen

 

Die MINT-Girls bei der Fa. Spin AG im Schloß Emeram - Gastgeber Geschäftsführer Fabian Rott (5.v.r.)

23.06.17 - Mathematik

Prof. Martin Weiss (OTH Regensburg) veranstaltete einen Workshop zum Thema "Das Tonwahlverfahren - Sinusschwingungen verbinden die Welt": die Teilnehmerinnen erfahren, dass beim Tonwahlverfahren (auch Mehrfrequenzwahlverfahren) ein Druck auf die Tasten eines Telefon zwei sich überlagernde Sinusschwingungen erzeugt.

 

Die MINT-Girls programmieren unter Mathlab selbst ihre Rufnummernwahl

 

Prof. Georg Illies (OTH Regensburg, Bild oben) hält seinen Workshop zum Thema "Zahlenschlösser - wie man sich vertraulich in aller Öffentlichkeit unterhalten kann". In eineinhalb Stunden lernen die MINT-Girls, dass es tatsächlich möglich ist, mit einen privaten und einen öffentlichen Schüssel eine Kommunikation aufzubauen, die nur Sender und Empfänger lesen können. Es ist dabei nicht nötig, zuvor im Geheimen Schlüssel auszutauschen.

Die MINT-Girls lernen, dass die Modulo-Rechnung a ≡ b (mod n) bedeutet, dass die beiden ganzen Zahlen a und b bei Division durch n den gleichen Rest haben ("a ist kongruent zu b Modulo n").

Mithilfe dieser Rechenoperation und dem Algebra-Programm Magma programmieren die MINT-Girls ihre eigenen RSA-Verschlüsselungen und unterhalten sich geheim "in aller Öffentlichkeit" (in diesem Fall auf einem freigegebenen Netzwerklaufwerk).

01.07.17 - Workshop BAT-Detektor

Um diese possierlichen Tiere geht es: Fledermäuse. Robert Mayer vom Landesbund für Vogelschutz (der im übrigen später die Fledermausexkursion leiten wird) besuchte unseren Workshop und hat einen kleinen gast mitgebracht: eine 3 Wochen alte männliche Langohrfledermaus. Diese - und hoffentlich noch viele andere Arten von Fledermäusen - wollen wir mit unserem selbstgebauten Detektor in freier Wildbahn finden.

Um Ultraschallsignale hörbar zu machen gibt es unterschiedliche Methoden:

  • Frequenzteiler: hier wird das Eingangssignal durch einen festen Faktor geteilt - so wird beispielsweise ein Fledermausruf mit 40 kHz zu einem hörbaren Signal von 4 kHz. Großer Nachteil: es geht viel Information über die Amplitude verloren, daher eignet sich diese Methode nur, um die prinzipielle Anwesenheit von Fledermäusen zu detektieren.
  • Zeitdehnungsverfahren: hier wird der Fledermausruf aufgezeichnet und langsam wieder abgespielt. Diese Methode ist technisch recht aufwändig, erlaubt aber eine präzise Auswertung der aufgenommenen Rufe.
  • Frequenzmischer: das eingehende Signal wird mit der Frequenz eines Oszillators gemischt. Das resultierende Signal ist die Differenz (und Summe) der beiden Signale. Bsp: ein 41 kHz-Fledermausruf wird mit einem 40 kHz-Signal gemischt - die 1 kHz-Differenz ist gut hörbar. Nach diesem Verfahren arbeitet auch das Radio.

Der MGR-Bat-Detektor arbeitet nach dem Frequenzmischer-prinzip. Es ist als Arduino-Shield ausgelegt und ist dadurch beliebig erweiterbar und programmierbar. In der Grundversion erzeugt der Arduino die Oszillatorfrequenz und zeigt die detektierte Frequenz auf einer Siebensegment-Anzeige an.

Funktionsweise der Schaltung (ein Klick öffnet die Schaltung in einem neuen Fenster):

Das Mikrofon nimmt den Ultraschall auf und erzeugt eine elektrische Wechselspannung. Der Kondensator C1 blockt den Gleichspannungsanteil des Signals, das von der Versorgungsspannung überlagert ist. Der Spannungsteiler R2 und R3 hält die Basis des Transistors Q1 am Arbeitspunkt.

Q1 und Q2 bilden einen zweistufigen Vorverstärker für das Signal: die erste Stufe dient wegen C10 auch als Hochpass, dämpft also niederfrequente Störungen; die zweite Stufe puffert das Signal und liefert das zweiphasige Signal für den nachfolgenden Mischer.

Der Baustein SA612 ist der Frequenzmischer: die Differenz aus Oszillatorfrequenz (Pin 6) und Ultraschallfrequenz (Pin 1, 2) steht am Ausgang (Pin 5) bereit. Von hier geht das nun hörbare Signal einerseits zur Frequenzanzeige des Arduino, und andererseits über den Lautstärkeregler (Potentiometer R13) in den Audioverstärker LM386, an dessen Ausgang (Pin 5) schließlich Lautsprecher bzw. Kopfhörer angeschlossen sind.

07.07.17 - Kepler und die Sterne

 

Ein sehr spannender Nachmittag erwartete uns heute:

Der Historiker, Gästeführer, Texter und Autor Matthias Freitag führte uns durch das document Kepler (Keplermuseum) in der Regensburger Altstadt) und erzählte über die damalige Weltanschauung, den Glauben und die Wissenschaft. Besonders ein kleiner Ausschnitt aus dem Dritten Buch von Johannes Kepler, der bekanntlich in Regensburg verstarb, interessierte die MINT-Girls besonders: die harmonices mundi.

 

Weiter ging's auf der Sternwarte Regensburg, bei der bereits drei ehemalige MINT-Girls "hängen geblieben" sind, d.h. sie arbeiten heute ehrenamtlich bei der Sternwarte mit und halten Vorträge und leiten Führungen.

Auf der Kuppel zeigten zwei der Vorstände, Fritz Ginglseder und Gottfried Meissner, den MINT-Girls die Teleskope und die verwendeten Filter, damit die Teilnehmerinnen anschließend selbst Sonnenbeobachtungen durchführen konnten. Trotz der immer wieder durchziehenden Wolken konnten wir die Sonnenflecken und Flares gut erkennen.

 

Die promovierte Chemikerin Dr. Christine Thoms ist seit einigen Jahren aktives Mitglied der Sternwarte. Sie erklärte den mathematischen Hintergrund der harmonices mundi: die Bewegungen der Planetenbahnen nach Kepler.

Der Astronom und Naturphilosoph Johannes Kepler erkannte in den 1620er Jahren in den Bewegungen der Planeten drei Gesetzmäßigkeiten:

  1. die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht
  2. ein von der Sonne zum Planeten gezogener Fahrstrahl überstreicht in gleicher Zeit gleiche Flächen
  3. die Quadrate der Umlaufzeiten zweier Planeten verhalten sich wie die dritten Potenzen der großen Bahnhalbachsen

Die damalige Welt war geprägt von der Überzeugung, es gebe eine göttliche Ordnung der Welt: den Kosmos (griechisch κόσμος für "Ordnung, Weltordnung). Die Wissenschaft unterschied noch nicht zwischen Astronomie und Astrologie, bis vor Kurzem galt noch das geozentrische Weltbild des Aristoteles bzw. Ptolemaeus, dem zufolge sieben Planeten (Mond, Merkur, Venus, Sonne, Mars, Jupiter, Saturn) die Erde auf kreisförmigen Bahnen umkreisten und den Wochentagen zu ihren Namen verhalfen.

Kopernikus, Galilei und Kepler revolutionierten das Weltbild durch die Erkenntnis, dass der Mond die Erde und alle Planeten die Sonne umkreisten. Kepler war bemüht, dennoch eine göttliche Ordnung in all dem zu erkennen, und beschrieb die Welt in den fünf Büchern der Harmonices Mundi.

Von großer Bedeutung innerhalb der Harmonices Mundi war für die MINT-Girls dabei das am 15. Mai 1618 nach Kepler benannte Dritte Gesetz: T 2 : d 3 (also das Verhältnis der Quadrate der Umlaufzeit des Planeten in Erdjahren geteilt durch die dritte Potenz der Länge der großen Halbachse des Planeten) ist für alle Planeten gleich. Bezogen auf die Erde mit T=1 und d=1 entstehen damit für die Planeten Zahlenverhältnisse, die den Zahlenverhältnissen von musikalischen Intervallen entsprechen.

Dr. Michael Braun, Musikwissenschaftler an der Universität Regensburg, erklärt den MINT-Girls die Bedeutung, die diese Zahlenverhältnisse in der Musik haben:

Weitere Intervalle "versteckten" sich in den Geschwindigkeitsunterschieden zwischen Perihel und Aphel der Planeten, also an den Punkten der sonnennächsten und sonnenfernsten Stellen ihrer Umlaufbahn. Diese Intervalle, durch Oktavverdoppelung in den hörbaren Bereich transponiert, ergeben beispielsweise die Töne

Saturn: D2
Jupiter: F#1
Mars: d11
Sonne: c#2
Venus: a2
...

22.07.17 - Fledermausexkursion

 

 

Robert Mayer (Bund für Vogelschutz Bayern) führte die MINT-Girls nach Donaustauf zur Fledermaus-Exkursion. Kurz unterhalb der Burgruine gingen wir leise ins Dach der Kirche St. Michael, wo sich eine größere Population Fledermäuse befindet.

Dieser Bereich ist normalerweise nicht zugänglich und geschützt - mit unserem Fledermausexperten aber war es möglich, die Elterntiere mit ihren Jungen zu beobachten und ihren Lauten zuzuhören.

Die MINT-Girls erprobten ihre Detektoren und versuchten, die Laute den jeweiligen Fledermausarten zuzuordnen. Während die Soziallaute zumeist im für Menschen hörbaren Bereich sind, hören wir die Radar-Rufe im Ultraschallbereich nicht ohne Frequenzumsetzer.

15.09.17 - Workshop Präsentation

 

Von der "Gesprochenen Sprache" zur "Mündlichen Kommunikation" - so vieles ist dabei beteiligt, und der zu transportierende Inhalt, der Text, ist nur ein kleiner Teil davon.

In Vorbereitung auf ihre Präsentationsaufgaben - Vorträge, Moderationen, Poster - lernen die Teilnehmerinnen heute den unterschied zwischen visuellen, taktilen und auditiven Bereich der Gesprochenen Sprache.

 

Mimik und Gestik ("Körpersprache") sind ebenso wichtig bei einem Vortrag wie Körperorientierung oder Distanzverhalten ("Räumliches Verhalten"). In den auditiven Bereich fallen Stimme, Artikulation und Intonation.

Die MINT-Girls erarbeiten sich die Themen in kleinen praktischen Übungen und halten Speed-Referate. In den Herbstferien wird das Thema Schriftliche Präsentation mit dem Workshop "Postersession" fortgesetzt.

22.09.30 - Großer Workshop

 

Die Teilnehmerinnen teilen sich in drei Gruppen auf: die erste Gruppe arbeitet sich in das Thema der MIDI-Technik ein: Music Instrument Digital Interface. Musik wird zunächst (z.B. von einer MIDI-Tastatur) als Datenpaket in Form von Befehlsfolgen generiert. Die Befehle

NOTE ON; C4; NOTE OFF

entsprächen demnach dem Druck einer Taste am Klavier, um den Ton c der viergestrichenen Oktave zu erzeugen. Ein anderes Gerät, z.B. ein Synthesizer, erzeugt aus dieser digitalen Befehlsfolge dann erst den tatsächlichen Klang.

Der analoge Synthesizer Dark Energy II [Anleitung] besitzt einen Oszillator (VCO), der die passende Frequenz erzeugt. Der Ton kann über weitere langsame Oszillatoren (LFO) in Frequenz (FM) und Amplitude (AM) moduliert werden, um beispielsweise einen Vibratoeffekt zu erzeugen. Über ein Filtersystem (VCF) kann die Klangfarbe weiter eingestellt werden. Die Envelope des Signals (die "Anschlagsdynamik") kann über die Regler Attack, Decay, Sustain und Release beeinflusst werden.

 

Die Übertragung von Daten - beispielsweise die generierten MIDI-Daten - muss nicht zwangsweise kabelgebunden erfolgen. Neben Funkverfahren wie Bluetooth oder WLAN ist auch eine optische Datenübertragung möglich. Ein Sender nutzt hierbei das zu übertragende Signal, um damit eine Lichtquelle (z.B. LED oder Laser) zu modulieren.

Auf der Empfängerseite nimmt eine Photodiode das einfallende Licht auf und erzeugt daraus eine Spannung, die dem ursprünglichen Datensignal entspricht.

Optische Datenübertragung findet man im hochpreisigen HiFi-Bereich zwischen den einzelnen Komponenten oder beispielsweise in der Glasfasertechnik zur schnellen Übertragung des Internet.

 

MIDI-Daten können vielfältig generiert werden - beispielsweise mit einem MIDI-Keyboard. Genauso gut kann dafür die Unterbrechung einer Lichtschranke oder die Reflexion eines Lichtstrahls zu einem solchen digitalen MIDI-Signal führen.

Um beispielsweise eine Laserharfe zu ihren Tönen zu verhelfen, müssen zunächst Lichtstrahlen detektiert werden. Über eine Software werden anschließend aus diesem Lichtsignal MIDI-Befehlsfolgen erzeugt. Hierfür erlernen die Teilnehmerinnen der dritten Gruppe das Programmieren der Physical Computing Plattform Arduino.

06.10.2017 - Probe des Keplersextett


Das Kepler-Sextett der MINT-Girls hat heute seine erste Probe. Unter der Leitung von Dr. Michael Braun, der das Stück nach Keplers Vorgaben komponierte, spielten Emma-Maria, Jelena, Ann-Kristin, Hannah, Mia, Kaja und Lilli.

Merkur - Violine
Erde - Trompete und Klarinette
Venus - Querflöte
Mars - Saxophon
Saturn - Gitarre
Jupiter - Cello