2.1 Die Orchesterinstrumente Von Gregor Widholm

Musikinstrumente sind mechanische Gebilde und funktionieren ausschließlich nach den bekannten physikalischen Gesetzen. Allerdings wird dies oft verges- sen – auch von professionellen MusikerInnen, die durch die tagtägliche inten- sive Beschäftigung mit ihrem Instrument zu diesem zwangsläufig eine emotio- nale Beziehung aufbauen. Zusätzlich bilden Instrument und MusikerIn einen Regelkreis, innerhalb dessen sie sich gegenseitig beeinflussen. Im Fall von Problemen ist daher auf den ersten Blick nicht immer klar, ob beim Instru- ment oder der Spieltechnik des Menschen anzusetzen ist. Das Funktionsprinzip ist bei allen Musikinstrumenten dasselbe: der Mensch führt dem Instrument Energie zu und erzeugt damit in einem zentra- len Teil des Instrumentes eine stehende Welle [‰ 1.3.4] mit bestimmten, von den mechanischen Eigenschaften dieses Teils abhängigen Frequenzen. Bei Sai- teninstrumenten ist dieser Teil die Saite, bei Blasinstrumenten ist es die vom Rohr umschlossene Luftsäule. Da Saiten transversal [‰1.3.2] schwingen, ist bei diesen Instrumenten noch ein Teil notwendig, der diese Schwingung in Longitudinalschwingen [‰ 1.3.2] umsetzt, sodass sie im Medium Luft trans- portiert werden können und für uns hörbar sind. Diese Funktion erfüllt der »Korpus« des Instrumentes. Bei Blasinstrumenten entfällt dieser Teil, da von Beginn an bereits das Medium Luft in Schwingung versetzt wird.

2.1.1 Blechblasinstrumente Blechblasinstrumente bestehen in der Regel aus einem Messingrohr, das eine Länge von 1,20 m (C-Trompete) bis zu 5,60 m (B-Tuba) aufweisen kann und über seinen Verlauf einen unterschiedlichen Querschnitt (»Mensur«) besitzt. Das Mundstück zu Beginn dient der Ankopplung der Lippen an das Instru- ment, danach folgt meist ein mehr oder weniger langer zylindrischer Teil, in dem die Ventile untergebracht sind, und anschließend ein leicht konischer Teil, der nahtlos in den hyperbolisch geformten Schalltrichter übergeht.

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Abb. 1: Schematische Darstellung eines Blechblasinstrumentes (nicht maßstabsgetreu)

Die Tonerzeugung Der schwingende Teil der Lippen wird durch den Mundstückrand begrenzt. Zu Beginn sind die Lippen bereits leicht geöffnet und bilden einen Spalt (z.B. 9 mm x 1,5 mm beim Horn). Der Spalt ist mit der Zungenspitze luftdicht ver- schlossen. In der Mundhöhle wird ein Überdruck aufgebaut. Durch abruptes Zurückziehen der Zunge strömt Luft in das Mundstück und erzeugt dort ei- nen Überdruckimpuls. Im Lippenspalt selbst (= Engstelle) kommt durch das Strömen der Luft die »Bernoulli-Kraft« [‰ 2.1.2] zum Tragen und veranlasst die Lippen, beginnend mit der Schleimhaut der inneren Lippe, sich zu schlie- ßen. Dadurch gibt es keine Bernoulli-Kraft mehr, der Druck in der Mundhöh- le steigt und die Lippen öffnen sich wieder. Luft strömt in das Mundstück -> Bernoulli-Kraft wirkt -> Lippen schließen, usw.

Abb. 2: Lippenschwingung (Screenshots eines Slow Motion Videos von Dean Ayers und Patrick Mullen).

Wie schnell das vor sich geht (= Frequenz, Tonhöhe), hängt von der Span- nung der Lippen und ihrer Masse innerhalb des Mundstückrandes ab. Die Lippen öffnen und schließen sich also periodisch wie ein Ventil, zum Beispiel 440 mal pro Sekunde bei einem a1 und bis zu 1.000 mal pro Sekunde bei ei- nem c3 auf der Trompete.

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Funktionsprinzip und Naturtöne Die solcherart in das Mundstück eingebrachten Überdruckimpulse pflanzen sich in Richtung Schalltrichter fort, werden an dessen Ende größtenteils re- flektiert und laufen mit umgekehrtem Vorzeichen zurück zum Mundstück. Nur ca. 5–10% der Energie wird in den Raum abgestrahlt und ist als »Klang« des Instrumentes hörbar.1 So bildet sich im Instrument innerhalb weniger Mil- lisekunden eine stehende Welle [‰ 1.3.4]. Allerdings nur dann, wenn eine Pe- riode des Öffnen und Schließens der Lippen exakt der »Rundreisezeit« der Schallwelle vom Mundstück zum Schalltrichter-Ende und wieder zurück ent- spricht. Oder wenn eine Periode des Lippenventils die Hälfte, ein Drittel, ein Viertel usw. der Rundreisezeit beträgt. Ist die Periode des Öffnens und Schlie- ßens der Lippen länger oder kürzer als die Rundreisezeit oder eines ganzzahli- gen Teils davon, so heben sich die Originalwelle und die zurücklaufende Wel- le teilweise oder gänzlich auf und kein Ton ist spielbar.2 Das eben beschriebene Faktum kann auch anders ausgedrückt werden: Die Luftsäule im Instrument besitzt aufgrund ihrer Länge und Form bestimmte Resonanzfrequenzen. Damit sich im Instrument eine stabile stehende Welle bildet, muss die Anregungsfrequenz einer dieser Resonanzfrequenzen entspre- chen. Daraus folgt: ● Es sind nur jene Töne spielbar, welche der tiefsten Resonanzfrequenz oder einem ganzzahligen Vielfachen dieser Frequenz entsprechen. ● Die unterschiedlichen Anregungs-Frequenzen (= Tonhöhen) werden durch unterschiedliche Lippenspannung erzeugt. ● Der Lippenspalt öffnet und schließt sich periodisch, aber individuell un- terschiedlich und nicht gleichförmig. Daher wird keine Sinuswelle, sondern eine Schallwelle, welche aus vielen Sinuswellen mit unterschiedlichen Ampli- tuden besteht, erzeugt [‰ 1.3]. Darin enthaltene nichtharmonische Frequen- zen heben sich mehr oder weniger auf und sind innerhalb kürzester Zeit nicht mehr in der stehenden Welle und damit im abgestrahlten »Klang« des Instru- mentes enthalten. ● Die stehende Welle beeinflusst auch die Lippenschwingung. Nach dem Einschwingvorgang treten Synchronisationsprozesse auf, bei denen eine ge- ringfügig falsche Lippenspannung und daher geringfügig zu lange oder kurze Perioden der Lippenöffnung durch die stehende Welle korrigiert werden.

1 A.H. Benade / D.J. Gans (1968), Sound production in wind instruments. 2 Th.D. Rossing / R.F. Moore / P.A. Wheelder (2002), The Science of sound, S. 65.

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● Die Klangfarbe wird maßgeblich (aber nicht ausschließlich) von der Be- schaffenheit der Lippen bestimmt. Eine größere Lippenmasse verstärkt den Anteil tieferer Frequenzen im Anregungsspektrum, eine geringe Lippenmasse erzeugt eine mehr rechteckige, sägezahnartige Wellenform und erhöht damit den Anteil und die Amplituden höherer Frequenzen. ● Wird z.B. der zweite Naturton gespielt, so besitzt die stehende Welle über die Gesamtlänge des Instrumentes zwei Druckbäuche und zwei Druck- knoten, beim fünften Naturton fünf Druckbäuche und fünf Druckknoten, usw. Am Mundstückbeginn befindet sich immer ein Druckbauch, am Schall- trichterende immer ein Druckknoten.

Abb. 3: Stehende Welle im Instrument. Verteilung der Druckbäuche und -knoten beim Spiel des 4. Naturtones.

Das Mundstück Man unterscheidet drei Bauformen: kesselförmige (Trompeten, Posaunen), trichterförmige (Horninstrumente) und eine Mischform dieser beiden Arten bei Tuben.

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Abb. 4: Mundstückformen, v.l.n.r.: Horn, Trompete, Posaune und Tuba3

Es gibt eine schier unendliche Zahl von Variationen, die nachfolgend be- schriebenen Auswirkungen von Änderungen beziehen sich immer auf die in- ternational üblichen Standardmodelle. Die Form des Mundstückrandes sollte ausschließlich auf die individuelle Physiologie der Lippen abgestimmt werden. Der Kessel, die Bohrung und der Schaft sind hingegen akustisch ein Teil des Instrumentes und müssen auf die- ses abgestimmt sein. Der Kessel beeinflusst die Intonation, die Klangfarbe und die Ansprache. Wird das Kesselvolumen vergrößert, so wird die Grundstimmung des gesam- ten Instrumentes tiefer und umgekehrt. Ein größeres Kesselvolumen fördert die tieffrequenten Anteile im Anregungsspektrum, bezüglich der Ansprache gewinnt man den Eindruck, das Instrument reagiere langsamer. Ein »flacher« Kessel mit einem geringeren Volumen wird hingegen als »spricht leichter an« empfunden. Eine Vergrößerung der Bohrung hingegen erhöht die Grund- stimmung des Instrumentes geringfügig und umgekehrt. Änderungen am Mundstückschaft haben nur auf die Intonation im tiefen und hohen Register des Instrumentes einen Einfluss. Die Mittellage bleibt davon unberührt. Ein stark konischer Schaft erhöht das tiefe Register, die Töne in der hohen Lage werden tiefer. Ein stark bauchiger Schaft hingegen senkt die Tonhöhe der tie- fen Töne etwas ab und hebt das hohe Register an.4

3 K. Nödl (1970), Metallblasinstrumentenbau, Tafel 4-9. 4 http://iwk.mdw.ac.at/?page_id=86&sprache=1 Mundstückforschung, [letzter Zugriff 12.12. 2012].

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Die Mensur Unter Mensur versteht man bei Blechblasinstrumenten den Innendurchmesser der Instrumentenröhre. Da dieser an verschiedenen Stellen des Instrumentes unterschiedliche Werte besitzt, wird meist der Durchmesser im zylindrischen Mittelteil des Instrumentes als Richtwert angegeben. Die Mensur beeinflusst die Gesamtstimmung, die Stimmung jedes einzelnen Tones und geringfügig die Lautstärke und die Ansprache. Schallwellen breiten sich kugelförmig aus. Dies ist innerhalb einer Röhre nicht möglich. Luftteilchen, deren Schwingrichtung von der Rohrachse ab- weicht, stoßen an die Innenwand der Instrumentenröhre, werden dort reflek- tiert und behindern die Schwingung der anderen Luftteilchen.5 Das führt zu einem Energieverlust und zu einer geringfügigen Verminderung der Schallge- schwindigkeit. Diese Effekte treten in einem unmittelbar an die Innenwand angrenzenden, konstant 0,2 mm breiten Bereich auf. Das hat Auswirkungen auf die Gesamtstimmung und die Lautstärke des Instrumentes. Die Stimmung eng mensurierter Instrumente ist durch die geringfügig niedrigere Schallge- schwindigkeit etwas tiefer als die von weit mensurierten Instrumenten. Da der Anteil des Randbereichs an der gesamten Querschnittsfläche bei eng mensu- rierten Instrumenten höher ist, ist auch der Energieverlust der stehenden Wel- le größer und damit bei gleicher Anregung der abgegebene Schall etwas gerin- ger: das Instrument klingt leiser. Der höhere Energieverlust bei eng mensurierten Instrumenten entspricht einer stärkeren Dämpfung der stehenden Welle. Da stark gedämpfte Systeme schneller einschwingen als schwach gedämpfte Systeme [‰ 1.3], haben Musi- kerInnen bei eng mensurierten Instrumenten den Eindruck, dass sie »leichter ansprechen«. Für jeden gespielten Ton gibt es entsprechend seiner Ordnungszahl innerhalb des Instrumentes gleich viele Druckbäuche und Druckknoten (siehe Abb. 3). Wenn man nun die Mensur an der Stelle, an der sich für einen bestimmten Ton ein Druckbauch befindet, enger macht, so wird dieser Ton höher. Erwei- tert man den Durchmesser an dieser Stelle, so wird der gespielte Ton tiefer. Das eröffnet die Möglichkeit, gezielt die Intonation einzelner Töne zu korri- gieren.6 Da aber z.B. für den 4. und 8. Naturton jede zweite Position der Druckbäuche identisch ist, beeinflusst eine Korrektur des 4. Naturtones auch die Intonation des 8. Naturtones. Zusätzliche Probleme schaffen die Ventile,

5 N.H. Fletcher / T.D. Rossing (1991), The physics of musical instruments, S. 190ff. 6 R. Smith (1988), It’s all in the bore.

94 ______Die Orchesterinstrumente die bei deren Betätigung die Position der Druckbäuche und –knoten ab der Mitte des Instrumentes auf der Längsachse verschieben. Für zielgerichtete In- tonationskorrekturen werden heutzutage daher spezielle Software Pakete ein- gesetzt.7

Abb. 5: Normale stehende Welle versus gedämpfte stehende Welle. Vergleich einer Impedanzspitze.

Die Ventile Um innerhalb des Spielbereiches alle Töne erzeugen zu können, wird die Län- ge des Instrumentes verändert. Bei einer Verlängerung der Instrumentenröhre um ca. 6% sinkt die Gesamtstimmung um einen Halbton. Erfahrungsgemäß reichen im Normalfall drei unterschiedliche Längen aus: ein Halbton tiefer, ein Ganzton tiefer und eineinhalb Töne tiefer. Bei Tuben und Posaunen kommt noch ein »Quartventil« (fünf Halbtöne tiefer) dazu. Durch die Kom- bination der einzelnen Verlängerungen erschließt sich das gesamte chromati- sche Tonmaterial. Die Verlängerung der Instrumente wurde seit dem 18. Jahrhundert durch so genannte »Setzstücke« bewerkstelligt, welche zwischen das Mundstück und den Instrumentenkorpus gesteckt wurden. Seit Mitte des 19. Jahrhudnerts gibt es

7 http://artim.at/?page_id=9&sprache=1 »Optimierer« [letzter Zugriff 12.12. 2012]

95 Gregor Widholm ______brauchbare Formen von Ventilen, die im zylindrischen Teil der Instrumente positioniert, ein Rohrstück bestimmter Länge hinzu schalten. Heute sind zwei Arten von Ventilen gebräuchlich (Abb. 6), das Drehventil und das Pumpen- ventil. Das »Wiener Ventil« oder »Doppelpumpenventil« wird aus Gewichts- gründen nur mehr bei Wiener Hörnern eingesetzt (Abb. 7).

Abb. 6: Ventilarten. Oben: Drehventil, unten Pumpen oder Perinetventil. Rechts je- weils im gedrückten Zustand in dem ein Rohrstück zwecks Verlängerung dazu ge- schaltet wird.

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Abb. 7: Ventilarten. Wiener Doppelpumpenventil nach Leopold Uhlmann. Rechts im gedrückten Zustand.

Blechbläser teilen die Erfahrung, dass die Art des verwendeten Ventils ei- nen Einfluss auf die Mikrostruktur einer Bindung hat. So wissen Hornisten zum Beispiel, dass man im Gegensatz zu Drehventilen, mit dem Doppelpum- penventil des Wiener Horns weichere Bindungen erreichen kann,8 bei welchen die Töne glissandoartig ineinander übergehen.

8 G. Widholm (2012), – Fakten und Hintergrundinformation am Beispiel der Wiener Philharmoniker, S. 15–27.

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Abb. 8: Wasserfallspektrum einer Oktavbindung (klingend b – b1) mit dem Wiener Doppelpumpenventil (oben) und einem Drehventil (unten). Frequenz: von links nach rechts, Amplitude in dB: von unten nach oben, Zeit in ms: von vorne nach hinten. Deutlich ist beim Wiener Horn das für eine »weiche« Bindung typische glissando- artige Ineinanderfließen der beiden Töne erkennbar. Beim Doppelhorn mit Drehventi- len sind die beiden Töne durch ein 10 – 15 ms dauerndes Geräuschband klar getrennt.

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Für deutsche und österreichische Trompeter ist es ein Faktum, dass im Ge- gensatz zu den Pumpenventilen bei ihrem Instrument mit Drehventilen wei- chere Bindungen bewerkstelligt werden können.9 Untersuchungen10 haben gezeigt, dass nicht die Art des Ventils, sondern der Ort, an dem es innerhalb der Instrumentenröhre positioniert ist, darüber entscheidet, ob eine Bindung »weich« oder »abrupt« ausfällt. Befindet sich das Ventil für den gespielten Ton gerade an einem Druckbauch, so wird die Bindung »abrupt« ausfallen, befindet sich das Ventil hingegen an einem Druckknoten, so sorgt es für eine »weiche« Bindung.

Der Schalltrichter Der Schalltrichter dient aus akustischer Sicht zur Ankopplung des Instrumen- tes an den Raum. Er übt einen Einfluss auf die Lautstärke und die Klangfarbe aus: Ein Instrument mit großem Schalltrichter wird bei gleicher Anregung ei- nerseits einen höheren Schallpegel abgeben (mehr durchlassen = abstrahlen) als eines mit einem kleineren Schalltrichter, andererseits wird es aber auch mehr Energiezufuhr benötigen, da ja durch die erhöhte Abstrahlung der Schallwellen in den Raum weniger Energie im Instrument selbst verbleibt, um das System der stehenden Wellen aufrecht zu erhalten. Instrumente mit einem größeren Schalltrichter-Durchmesser sind anstrengender zu spielen. Die akustischen Vorgänge am Ende des Schalltrichters sind hochkomplex und können hier nur stark vereinfacht und beispielhaft wiedergegeben wer- den. Die Tatsache, ob und in welchem Ausmaß eine Schallwelle am Ende ei- nes Rohres reflektiert wird, hängt überwiegend vom Verhältnis des Rohr- durchmessers zur Wellenlänge λ ab. Ist λ im Verhältnis zum Schalltrichter- durchmesser groß, dann wird die Schallwelle größtenteils reflektiert, ist λ gleich oder kleiner als der Schalltrichterdurchmesser, so wird die Schallwelle größtenteils durchgelassen. Der Schalltrichter behandelt daher jeden einzelnen Teilton des stehenden Wellensystems, was seine Abstrahlung betrifft, unter- schiedlich.

9 St. Campidell (1995), Die Mikrostruktur von Ventilbindungen bei Trompeten. 10 G. Widholm (1997), The influence of valve mechanisms on the microstructure of slurs played with brass wind instruments, S. 407–412.

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Die Wandstärke Die Wandstärke übt einen erheblichen Einfluss auf die erzielbare Lautstärke, die Ansprache11 und indirekt auf die Klangfarbe aus.12 Wie durch leichte Be- rührung der Instrumentenröhre feststellbar ist, vibriert die Instrumentenwand geringfügig an jenen Stellen an denen die stehende Welle [‰ 1.3.4] im In- strument Druckbäuche aufweist. Die Größenordnung bewegt sich im Mikro- meter-Bereich. Die Instrumentenwand »schwingt mit« und entzieht dadurch der stehenden Welle etwas Energie.13 Folgerichtig wird auch weniger abge- strahlt und die erzielte Lautstärke ist geringer als sie sein könnte. Gleichzeitig bedeutet der Energieentzug auch eine stärkere Dämpfung (siehe Kapitel Men- sur), der Einschwingvorgang erfolgt geringfügig schneller und MusikerInnen haben den Eindruck »das Instrument spricht leichter an«. Den Effekt der »leichten Ansprache« kann man alternativ auch durch die Wahl eines flachen Mundstückkessels erreichen. Eine stärkere Dämpfung vergrößert auch den Ziehbereich. Darunter ver- steht man, wie weit die Lippenspannung und damit die Frequenz von der vom Instrument vorgegebenen Frequenz abweichen darf, sodass noch ausreichend Energie über das Lippenventil zugeführt werden kann, um ein stabiles, ste- hendes Wellensystem aufrecht zu erhalten. Für die Spielpraxis bedeutet dies, dass man bei einer stärker »gedämpften« stehenden Welle die Intonation [‰ 2.2] einzelner Töne leichter korrigieren kann.

11 W. Kausel / V. Chatziioannou / Th. Moore (2011), More on the structural mechanics of brass bells, S. 527–532. 12 W. Kausel / D. Zietlow / Th. Moore (2010), Influence of wall vibrations on the sound of brass wind instruments, S. 3161–3174. 13 V. Chatziioannou / W. Kausel / Th. Moore (2012), The effect of wall vibrations on the air column inside trumpet bells, S. 2243–2248.

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Abb. 9: Ziehbereich. Übliche Impedanzspitze der stehenden Welle (schwarz) und Impe- danzspitze einer stark bedämpften stehenden Welle (grau). f1 = vom Instrument angebo- tene Tonhöhe, f2 = etwas höher gespielter Ton. Klar ist daraus erkennbar, dass der Ener- gieverlust durch die phasenverschoben zurücklaufende Schallwelle bei der stark be- dämpften stehenden Welle wesentlich geringer und daher der Ziehbereich größer ist.

Die Oberfläche Durch die vielen Bearbeitungsvorgänge kann die Oberfläche der Innenseite des Rohres unterschiedlich ausfallen. Ist die Oberfläche rau, treten hohe Rei- bungsverluste auf, die eine geringere Lautstärke, eine etwas dumpfere Klang- farbe (die hochfrequenten Anteile im Klangspektrum mit geringen Amplitu- den fallen unter die Hörschwelle) und eine schnellere Ansprache zur Folge haben. Aufgrund der Verunreinigung der Atemluft und dem Kondensationseffekt an der kälteren Instrumenteninnenwand setzt sich bei allen Blechblasinstru- menten innerhalb der ersten 20–30 cm nach dem Mundstück ein elastischer, feuchter »Film« fest, der eine allfällige Rauigkeit der Oberfläche vermindert. Unabhängig davon kann dieser Film die wirksame Mensur verringern und damit die Instrumenteneigenschaften verändern, falls das Instrument nicht re- gelmäßig gereinigt wird. Eine perfekt glatte Innenoberfläche ist allerdings nicht ideal. Das Instru- ment wirkt steif und Intonationskorrekturen sind nahezu unmöglich. Eine gewisse Dämpfung der stehenden Welle durch eine geringfügig raue Innen- Oberfläche ist für eine als gut empfunden Ansprache notwendig.

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Das Material Im Blechblasinstrumentenbau werden im Allgemeinen drei Legierungen ver- wendet: Messing (70% Kupfer, 30% Zink), Goldmessing (85% Kupfer, 15% Zink), Neusilber (50% Kupfer, 20% Nickel, 30% Zink). Musiker/innen nei- gen dazu, der Legierung eine große Bedeutung beizumessen. Tatsächlich ist der Einfluss der Legierung auf den Klang und die Ansprache jedoch sehr ge- ring.14 Messungen an Posaunen zeigten, dass Unterschiede im Klang nur bei staccato-Tönen im fortissimo zwischen 3 und 5 kHz sowie bei 10 kHz auftre- ten und weniger als 3 dB betragen. Dieser Unterschied ist fallweise für die MusikerInnen selbst wahrnehmbar, aber nicht für das Publikum.15 Einen Einfluss auf Klang und Ansprache wird auch der Lackierung zuge- sprochen. Dies ist falsch und ein Mythos. Wird der Lack fachgerecht aufge- tragen und eingebrannt, führt das zu keiner Änderung der Eigenschaften. Al- lerdings treten im Zuge der Bearbeitung einige temporäre Effekte auf, die Mu- sikerInnen zu der oben angeführten Einschätzung verleiten. Manche Instru- mentenbauer reinigen das Instrument vor der Lackierung mit Ultraschall. Die gründliche Entfernung aller Verunreinigungen der Innenwand ändert die An- sprache- und Klangeigenschaften (glatte Innen-Oberfläche, das Instrument wirkt steif). Es dauert ein bis zwei Wochen, bis der übliche Film an der In- nenwand wieder aufgebaut ist und sich das Instrument für die MusikerInnen durch die gewohnte Dämpfung wieder so anfühlt wie vorher. Wird das In- strument vor der Lackierung nicht gereinigt, so trocknet der ursprünglich feuchte und elastische, an der Innenwand liegende Verunreinigungsfilm im Zuge des Einbrennprozesses plötzlich aus, bekommt Risse, blättert teilweise ab und erzeugt so eine extrem raue Oberfläche. Die stehende Welle wird da- durch extrem stark bedämpft, das Instrument ist daher leiser als üblich und die Klangfarbe wirkt durch die geringen Amplituden der höheren Klanganteile etwas »stumpf«. Nach ca. einer Woche wird durch die feuchte Atemluft der Film wieder glatt und elastisch. Das Instrument reagiert wieder so wie vor der Lackierung. Seit einigen Jahren wird mit alternativen Materialien, vorwiegend auf Carbonfaser basierenden Materialien, experimentiert. Einerseits, um gezielt und reproduzierbar bestimmte Eigenschaften eines Instrumentes zu erhalten und andererseits aus ökonomischen Gründen. Seit 2011 werden z.B. in der

14 K. Wogram (1976), Einfluss von Material und Oberflächen auf den Klang von Blechblasin- strumenten. 15 K. Wogram (1989), Akustische Auswahlkriterien bei Blechblasinstrumenten, S. 119–136.

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Schweiz erfolgreich im Klassik-Bereich Trompeten mit Schallstücken aus Car- bonfaser produziert und verkauft.16

2.1.2 Holzblasinstrumente Bei Holzblasinstrumenten wird ebenfalls die von der Instrumentenwand um- schlossene Luftsäule in Schwingung versetzt. Zentrales Element der Toner- zeugung ist entweder ein elastisches »Rohrblatt« (, Englischhorn, Klari- nette, Saxophon, Fagott) oder der auf eine Kante gerichteter Luftstrahl (alle Flöteninstrumente).

Der Zungenton (am Beispiel der Klarinette) Die Mundstückbahn, an der das Rohrblatt anliegt, ist gegen Ende des Mund- stücks etwas gekrümmt, so dass das Blatt die Öffnung nicht vollständig ver- schließt, sondern einen 0,7–1,2 mm breiten Spalt offen lässt.

Abb. 10: Zungenton bei Rohrblattinstrumenten

16 H. Vereecke / W. Kausel (2012), Carbon fiber reinforced polymer, an alternative to brass? S. 41–43.

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Wird nun über diesen Spalt Luft in das Mundstück geblasen, so entsteht in dem Spalt zwischen dem Rohrblatt und dem Mundstück durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit ein Unterdruck (Bernoulli-Kraft), und das elasti- sche, an seiner Spitze sehr dünne Blatt wird in Richtung Mundstückbahn ge- zogen und verschließt die Öffnung. Es kann keine Luft mehr in das Mund- stück strömen, daher wirkt auch keine Bernoulli-Kraft mehr, das Rohrblatt kehrt in seine ursprüngliche Ruhelage zurück und gibt damit den Spalt wieder frei. Luft strömt ein, die Bernoulli-Kraft zieht das Blatt wieder in Richtung Mundstückbahn, der Spalt wird verschlossen, usw. Wie die Lippen bei Blechblasinstrumenten, so wirkt das Blatt bei Holzblas- instrumenten wie ein Ventil, das sich periodisch schließt und öffnet und sol- cherart Überdruckimpulse in das Instrument einbringt. Allerdings ist das Rohrblatt aufgrund seiner geringeren Masse in seiner Schwingung viel stärker von der schwingenden Luftsäule im Instrument abhängig als z.B. die mensch- lichen Lippen. Durch den Druck der Lippen auf das Rohrblatt wird dessen Resonanz, die für Klarinettenblätter bei ca. 2.500–3.000 Hz liegt, stark gedämpft und be- langlos. In Kombination mit unterschiedlichen Ansatzpunkten der Lippen kann die Steifigkeit des Rohrblattes verändert werden. Dadurch werden un- terschiedliche Anregungsfrequenzen erreicht. Auch hier muss die Anregungs- frequenz mit einer der Resonanzfrequenzen der Luftsäule übereinstimmen, um einen Ton spielen zu können. Gleiches gilt für die »Doppelrohrblätter« bei Oboen und Fagotten. In diesen Fällen ist anstelle der unbeweglichen Mund- stückbahn eben ein zweites gegenüberliegendes Rohrblatt vorhanden.

Einfluss des Rohrblattes auf die Stimmung, den Ziehbereich und die Klangfarbe17 MusikerInnen unterscheiden zwischen »leichten« und »schweren« Blättern. Leichte Blätter sind generell, insbesonders aber an der Blattspitze dünner (»stärker geschabt«) und besitzen weniger Masse sowie an der Blattspitze eine geringere Steifigkeit als schwere Blätter. Stimmung: Die Gesamtstimmung des Instrumentes hängt von der Masse und Steifigkeit des Rohrblattes ab. Mit einem »schweren Blatt« steigt die die Gesamtstimmung einer B-Klarinette um bis zu 25 Cent.

17 J. Meyer (1966), Akustik der Holzblasinstrumente in Einzeldarstellungen.

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Ziehbereich: Als Ziehbereich bezeichnet man jenen Frequenzbereich, in- nerhalb dessen der gespielte Ton vom Musiker erhöht oder vertieft werden kann. Er wird in Cent [‰ 2.2.1] angegeben. Bei der Verwendung eines leich- ten Blattes ist der Ziehbereich und damit die Möglichkeit der Intonationskor- rektur durch den Menschen größer. Klangfarbe: Auf »leichte« (also dünn geschabte) Rohrblätter wirkt die Bernoulli-Kraft stärker als auf schwere Blätter, gleichzeitig ist die Rückstell- kraft des leichten Rohrblattes geringer. Nachdem die Dauer einer Periode des Öffnens und Schließens für beide Blattarten gleich lang sein muss (es wird ja derselbe Ton gespielt), das Öffnen und Schließen beim leichten Rohrblatt durch die geringere Steifigkeit aber schneller vor sich geht, muss es notge- drungen länger offen und länger geschlossen bleiben. Die Kurvenform der Bewegung eines leichten Blattes ist daher einer »Rechteck-Kurve« sehr ähn- lich. Rechteckkurven enthalten aber (genauso wie Sägezahnkurven) viele Teil- töne, daher der hellere Klang gegenüber dem schweren Blatt.

Der Kantenton Aus einem Spalt wird der Luftstrom auf einen asymmetrisch zur Mitte des Luftstrahls angeordneten Keil (Kante) geblasen.

Abb. 11: Schematische Darstellung des Kantentones

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Dadurch entsteht an einer Seite des Keils eine größere Ansammlung von Luftteilchen (=Überdruck). Die nachfolgenden Luftteilchen nehmen den Weg des geringeren Widerstandes auf die andere Seite des Keiles und verursachen in der Folge dort einen Überdruckimpuls, danach strömen sie wiederum zur anderen Seite, usw. So werden an beiden Seiten des Keiles (bzw. außerhalb und innerhalb des Flötenrohres) abwechselnd und periodisch Überdruckim- pulse erzeugt.18

Abb. 12: Airjet Simulation mittels Lattice Boltzmann Methode (Helmut Kühnelt, Wien). Links: Luftstrom geht nach außen, rechts: Luftstrom bewegt sich nach innen.

Die Tonhöhe hängt von der Strömungsgeschwindigkeit sowie vom Ab- stand des Spaltes von der Kante ab. Mit höherer Luftgeschwindigkeit steigt auch die Frequenz des Tones. Das erklärt die steigende Tonhöhe bei Blockflö- ten für forte- und fortissimo-Töne. Der Effekt kann durch stärkeres Abdecken des Daumenlochs und/oder anderer beteiligter Tonlöcher kompensiert werden (siehe Kapitel »Die Tonlöcher«). Die Form des Strahls und des Winkels, mit dem dieser auf die Kante trifft, beeinflussen die Klangfarbe und die Intona- tion.19 Die bei modernen Böhmflöten auf das Mundloch aufgesetzte Mundplatte verbessert das Strömungsverhalten des Luftstrahls und damit die Ansprache und Klangfarbe.20

18 D. Hall (2002), Musical Acoustics, S. 240. 19 J. Meyer (2004), Akustik und musikalische Aufführungspraxis. 20 I. Bork / J. Meyer (1989), Zum Einfluss der Form des Mundloches auf die Tonerzeugung bei den Querflöten, S. 358–368.

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Die Funktionsweise Unabhängig von der Art der Tonerzeugung gilt für alle Holzblasinstrumente, dass die erzeugten Überdruckimpulse sich im Inneren des Instrumentes in Richtung Ende des Instrumentes fortpflanzen und beim ersten offenen Ton- loch größtenteils reflektiert werden. Dadurch bildet sich bei passender Anre- gungsfrequenz eine stehende Welle. Im Gegensatz zu den Blechblasinstrumenten wird die Chromatik nicht durch Verlängern des Rohres, sondern durch das Verkürzen mit Hilfe von Tonlöchern erzielt. Bei Blechblasinstrumenten wird der gewünschte Ton aus einer Menge von bis zu 16 Resonanzfrequenzen (=Impedanzspitzen) ausge- wählt, bei Holzblasinstrumenten werden nur die ersten drei Resonanzen be- nutzt. Am Beispiel der Blockflöte lässt sich dies gut aufzeigen: Wird eine Ton- leiter vom tiefsten bis zum höchsten Ton gespielt, so wird mit der ersten Re- sonanz und der vollständig geschlossenen Tonlochreihe begonnen. Danach wird das jeweils unterste Tonloch geöffnet, um das Instrument sukzessive zu verkürzen. Sind alle Tonlöcher geöffnet, so wird wieder mit dem geschlosse- nen Instrument begonnen und die Strömungsgeschwindigkeit erhöht, so dass die zweite Resonanzspitze angeregt und die gleiche Prozedur des »Tonloch Öffnens« weitergeführt wird. Bei Rohrblattinstrumenten wird der Lippen- druck auf das Rohrblatt verändert und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft erhöht, so dass das Rohrblatt mit der doppelten Frequenz (= zweite Re- sonanz) schwingt, usw. Dieser Vorgang wird Überblasen genannt. Darüber hinaus wird der hörbare Klang des Instrumentes primär von den offenen Ton- löchern und nicht vom Schalltrichter abgestrahlt. Generell besitzt die Mensur bei Holzblasinstrumenten den gleichen Ein- fluss wie bei Blechblasinstrumenten, er kommt aber durch den wesentlich stärkeren Einfluss der Tonlochparameter und des Rohrblattes bzw. der Mundloch- oder Keilbeschaffenheit bei Flöteninstrumenten fast nicht zum Tragen.

Die Tonlöcher Bohrte man z.B. in der Mitte eines Rohres ein Tonloch, das den gleichen Durchmesser besitzt wie das Rohr selbst, dann wäre das Rohr an dieser Stelle zu Ende. Es wäre halb so lang, und alle erzeugbaren Töne besäßen daher die doppelte Frequenz (= eine Oktave höher). Dies ist in der Praxis nicht sinnvoll

107 Gregor Widholm ______und auch nicht möglich.21 Der Tonlochdurchmesser beträgt zwischen 20% (Oboen) und 54% (Querflöten) des Innendurchmessers. Daher tritt beim Ton- loch kein völliger Druckausgleich ein, die stehende Welle endet erst einige Millimeter bis Zentimeter später. Demzufolge gilt: je kleiner der Tonloch- durchmesser, desto größer die wirksame Länge des Instrumentes und desto tiefer der erzeugte Ton. Vergrößert man den Tonlochdurchmesser, so wird der gespielte Ton höher. Ein größeres Tonloch strahlt auch mehr Energie ab, die Lautstärke steigt, und die Klangfarbe ist etwas heller. Ein schräg gebohrtes Tonloch und eine größere Wandstärke (tritt teilweise bei Oboen und Fagotten auf) haben denselben Effekt wie ein geringerer Ton- lochdurchmesser. Sie vertiefen den gespielten Ton. Oboen, Saxophone und Fagotte besitzen so genannte Oktav- oder Über- blaslöcher. Sie erleichtern das Spiel im mittleren Register (zweite Resonanz) und im hohen Register (dritte Resonanz). Um die gewünschte Anregungsfre- quenz zu erreichen, müssen die Lippen auf ein Zehntel Millimeter genau an der richtigen Stelle des Rohrblattes und mit dem richtigen Druck ansetzen. Gelingt das nicht, so kippt das Schwingverhalten des Rohrblattes aufgrund des Synchronisationseffektes der stehenden Welle im Instrument in die nächst höhere oder tiefere Resonanzfrequenz. Um das zu vermeiden, befinden sich an der Stelle des Instrumentes, an der für das mittlere bzw. hohe Register Druck- bäuche liegen, Tonlöcher mit geringem Durchmesser.

Abb. 13: Wiener Oboe: Impedanzkurve für das d1 mit und ohne gedrückter Oktav- klappe.

21 A.H. Benade (1988), Holzblasinstrumente.

108 ______Die Orchesterinstrumente

Dadurch wird die stehende Welle für diese Register stark geschwächt und das Kippen in unerwünschte Frequenzen infolge des Synchronisationseffektes verhindert. Bei Klarinetten und Querflöten werden bereits bestehende Tonlö- cher als Überblaslöcher benutzt.

Die Klappen Sind die Tonlöcher so positioniert, dass sie nur schwer mit den Fingern er- reichbar sind, oder ist der Durchmesser so groß, dass sie mit Fingern nicht verschlossen werden können (z.B. beim Saxophon), werden als mechanisches Hilfsmittel Klappen benutzt. Das Material der Klappen und der innen liegen- den Dichtungen (»Polster«) beeinflussen die Klangfarbe. Ebenso wird die Tonhöhe beeinflusst: sie hängt vom Abstand des Klappendeckels zum Ton- loch im geöffneten Zustand ab. Je näher der Deckel bei der Tonlochöffnung ist, desto tiefer wird die Tonhöhe. Ist der Tonlochdurchmesser nur geringfü- gig zu groß, um mit der Fingerkuppe vollständig abgedeckt werden zu kön- nen, benutzt man so genannte Ringklappen (Querflöte, Klarinette).

Das Material Bei Holzblasinstrumenten besitzt das Material auf das Spielverhalten und den Klang einen zu vernachlässigenden Einfluss. Bei Oboen, Klarinetten und Fa- gotten ist die Wandstärke des Holzkorpus so groß, dass es zu keinem nen- nenswerten Mitschwingen der Instrumentenwand kommt. Bei Querflöten und Saxophonen neigt die dünne Wand zum Mitschwingen ähnlich den Blechblas- instrumenten. Dies wird aber durch den massiven Aufbau des Klappengestän- ges weitgehend verhindert. Die Art und Weise der Klappenmechanik sowie deren Gewicht, Material und Befestigungspunkte am Korpus üben einen we- sentlich größeren Einfluss auf die Ansprache und teilweise den Klang aus.

109 Gregor Widholm ______

2.1.3 Streichinstrumente Streichinstrumente sind komplexer aufgebaut als Blasinstrumente.

Abb. 14: Teile einer Violine.22

Die Anzahl der Teile des Instrumentes, welche einen Einfluss auf die Klangfarbe und die Spielbarkeit besitzen, ist im Vergleich zu Blasinstrumenten wesentlich höher. Die Tatsache, dass im Instrument Transversalwellen [‰ 1.3.2] erzeugt werden, die dann durch den Korpus erst in für uns hörbare Schallwellen [‰ 1.3.2] umgewandelt werden, erhöht die Anzahl der klang- gestaltenden Teile zusätzlich.

Die Funktionsweise Mit dem Bogen oder dem Finger (pizzicato) wird die Saite zum Schwingen angeregt. Da die Saite an beiden Enden fix eingespannt ist, werden die Schwingungen dort reflektiert, und es bildet sich eine stehende Welle [‰ 1.3.4] innerhalb der Saite.23 Die Schwingungsenergie der stehenden Welle wird auf den Steg und von dort direkt auf die Decke und über den Stimmstock auf

22 C.M. Hutchins (1988), Violinen, S. 66–67. 23 T.D. Rossing (2010), The science of string instruments, S. 11 und 197ff.

110 ______Die Orchesterinstrumente den Boden übertragen. Der solchermaßen zum Schwingen angeregte gesamte Korpus überträgt die Schwingungen auf die ihn umgebende Luft, deren Schwingungen als der Klang des Instrumentes wahrgenommen werden. Daraus ergibt sich, dass die Tonhöhe allein von der Saite bestimmt wird, der Klang und die Spielbarkeit des Instrumentes aber von der Form und Beschaf- fenheit der Decke, des Bodens, der Zargen, des Steges, des Stimmstocks, des Saitenhalters, ja sogar von eventuell vorhandenen Feinstimmern, dem Griffbrett und seiner Position, dem Hals und seiner Beschaffenheit, dem Stachel beim Cello und selbstverständlich von der Beschaffenheit der Saite selbst abhängt.

Die Saitenschwingung Wenn die Saite an einer Stelle angezupft wird, d.h. an dieser Stelle von der Ruhelage in eine andere Position gebracht wird, so bewegt sich diese »Stö- rung« der Ruhelage in beide Richtungen innerhalb der Saite mit einer be- stimmten Geschwindigkeit weiter und wird an den Enden der Saite (an denen sie fix eingespannt ist) reflektiert. Die originale und die reflektierte Bewegung (=Welle) überlagern sich, und es kommt zu einer stehenden Welle.24 Die Ausbreitungsgeschwindigkeit V von Transversalwellen in einer Saite ist durch das Newtonsche Gesetz gegeben:

T V= √ /d in m/sec T = die Spannung, d = Masse pro Längeneinheit in kg/m

Wird T (Spannung) erhöht, so wird die Geschwindigkeit höher; die Folge ist ein höherer Ton. Wird d (Masse) erhöht, so erkennt man aus der Formel, dass der Betrag für die Geschwindigkeit kleiner wird, die Folge ist ein tieferer Ton. Welche Schwingungsformen in einer an beiden Endpunkten fixierten Saite möglich sind, gibt die folgende Formel an:

n T fn= /2l⋅√ /d in Hz n = 1, 2, 3, 4, 5, . . . l = Länge der Saite

Daraus ergibt sich: Die Tonhöhe hängt primär von der Länge l der Saite ab. Sie wird aber auch von der Masse d und der Spannung T beeinflusst. Für

24 W. Güth (1980), Zur Frage der »Ansprache« von Streichinstrumenten, S. 260.

111 Gregor Widholm ______eine Saite mit einer bestimmten Länge, Masse und Spannung sind viele Schwingungsformen möglich, deren Frequenzen fn jedoch ein ganzzahlig Viel- faches der tiefstmöglichen Frequenz sein müssen. Das typische Kennzeichen eines musikalischen Klanges findet man daher schon in den Schwingungsfor- men der Saite.

Die Tonerzeugung Die Bogenhaare – Schwanzhaare von speziell für diesen Zweck gezüchteten Pferden – werden mit Kolophonium, einer Naturharzmischung mit sehr nied- rigem Schmelzpunkt, eingerieben.

Abb. 15: Bogenhaar ohne (links) und mit Kolophonium (rechts) in 200facher und 800facher Vergrößerung. Rasterelektronen-Mikroskopie von Heide Halbritter.

Streicht man mit dem Bogen die Saite, so wird das Kolophonium durch die Reibungswärme zähflüssig. Die Saite bleibt an den Haaren haften und wird so weit mitgenommen, bis die Rückstellkraft der elastischen Saite größer ist als die Haftkraft. Sie schnellt dann in die ursprüngliche Ruhelage zurück. Dort ist die Rückstellkraft wieder +/– Null und die Haftkraft sorgt für die nächste

112 ______Die Orchesterinstrumente

Auslenkung, usw. Die Saite wird zu einer Art Sägezahnschwingung mit einer längeren Haftphase und einer kurzen Gleitphase angeregt.25

Abb. 16: Bewegung (Auslenkung von der Ruhelage) der Saite an der Stelle des Kon- takts mit dem Bogen über die Zeit. Haft- und Gleitphase bilden zusammen eine Perio- de der Grundschwingung einer Saite.

Ähnliches gilt auch für das Anzupfen einer Saite, das »Pizzicato« bei Streichinstrumenten, das bei Harfen und Gitarren der üblichen Anregungsart entspricht, nur ist in diesem Fall die Sägezahnform nicht so stark ausgeprägt, der Klang ist weniger teiltonreich. Drei Parameter können bei der Anregung mit dem Bogen verändert wer- den und beeinflussen massiv die Klangqualität. Die Bogengeschwindigkeit beeinflusst ausschließlich die Lautstärke: Eine höhere Bogengeschwindigkeit bewirkt eine größere Amplitude der Saiten- schwingung und dadurch eine größere Lautstärke. Die Kontaktstelle verändert die Klangfarbe und die Lautstärke: Wird die Saite bei gleich bleibender Bogengeschwindigkeit näher beim Steg angeregt, so steigt die Lautstärke.

25 H. Kuttruff (2004), Akustik – eine Einführung, S. 210.

113 Gregor Widholm ______

Abb. 17: Einfluss der Kontaktstelle auf die Lautstärke. Wird die Kontaktstelle bei glei- cher Bogengeschwindigkeit näher zum Steg verlegt (in der Abbildung unten), so ergibt sich aus der Tatsache, dass die Saite aufgrund der Haftkraft ähnlich gleich weit ausge- lenkt wird, eine moderat größere Schwingweite (= Amplitude).

Gleichzeitig wird der Klang teiltonreicher. Dies deshalb, weil an der Kon- taktstelle Saite-Bogen durch die Bogenbewegung ein Schwingungsbauch er- zwungen wird. Alle Teilschwingungen, die an dieser Stelle einen Schwin- gungsknoten hätten, kommen in der Saitenschwingung nicht vor.

114 ______Die Orchesterinstrumente

Abb. 18: Einfluss der Kontaktstelle auf die Klangfarbe bzw. die Anzahl der im Klang enthaltenen Teiltöne. Bogenposition bei 1/2, 1/3, 1/5 und 1/10 der Saitenlänge und die dazugehörigen Klangspektren. Bei 1/2 fehlt jeder zweite Teilton, bei 1/3 jeder 3. Teil- ton, bei 1/10 nur mehr jeder 10. Teilton usw.

Der Bogendruck als dritter Parameter kann nicht völlig frei gewählt wer- den, er hängt von der gewählten Bogengeschwindigkeit und der Kontaktstelle ab und dient der Energiezufuhr zur Aufrechterhaltung der stehenden Welle in der Saite.

115 Gregor Widholm ______

Abb. 19: Die Abbildung zeigt den minimal erforderlichen und maximal zulässigen Bo- gendruck in Abhängigkeit von der Kontaktstelle nach J. Meyer und J.C. Schelleng.26

Dies ist notwendig, da an vielen Stellen des Instrumentes Energieverluste auftreten: z.B. innerhalb der Saite selbst durch Reibung zwischen dem Kern und der Umspinnung. Der wesentlichste Energieverlust tritt jedoch durch die Abstrahlung des Korpus auf.

Der Steg Die Saiten liegen in Kerben am Stegkopf auf, wodurch die transversale Saiten- schwingung direkt auf diesen übertragen wird. Der Steg schwingt primär in der gleichen Richtung, wobei die Stegfüße um 180° phasenverschoben auf die Decke drücken.

26 J.C. Schelleng in: J. Meyer (2004), Akustik und musikalische Aufführungspraxis, S. 76.

116 ______Die Orchesterinstrumente

Abb. 20: Schwingrichtungen des Steges bei Streichinstrumenten: a) Stegfüße um 180° phasenverschoben, b) senkrecht zur Decke, c) Torsionsschwingung des Stegkopfes.

Zusätzlich existieren auch Schwingbewegungen senkrecht zur Decke sowie Torsionsschwingungen des Stegkopfes. Der Steg überträgt solcherart das ge- samte Schwingungsspektrum der Saite auf die Decke.27 Wie jeder Körper besitzt der Steg aufgrund seiner Masse und Form Reso- nanzbereiche. Diese liegen beim Violinsteg bei ca. 3 kHz und 6 kHz sowie schwächer bei 9 kHz (Cellosteg: ca. 1 kHz, 1,5 kHz und 2,1 kHz). In diesen Frequenzbereichen wird die Saitenschwingung bis zu 20 dB verstärkt auf die Decke übertragen. Die von der Stegresonanz verursachte Verstärkung der Teiltöne im Klangspektrum von Violinen im Bereich von 3 kHz ist wesentlich für die »Brillanz« des typischen Geigenklanges. Wird die Masse des Stegs nur um wenige Gramm erhöht (z.B. durch das Aufstecken eines Dämpfers auf den Stegkopf), so verschiebt sich der primäre Resonanzbereich auf ca. 1,5–2 kHz, das Instrument klingt näselnd, und durch die nun schwachen Teiltöne im Be- reich um 3 kHz entsteht der Eindruck geringerer Lautstärke. Da sich nahe dem rechten Stegfuß (an der Diskantseite) der Stimmstock befindet, ist die Bewegungsfreiheit dieses Stegfußes stark eingeschränkt. Die tieferen Frequenzen (bis ca. 900 Hz) mit ihren großen Amplituden werden daher primär über den linken Stegfuß auf die Decke übertragen, die hohen Frequenzanteile mit den geringeren Amplituden über den rechten Stegfuß.

27 Siehe auch W. Güth / F. Danckwerth (1997), Die Streichinstrumente – Physik, Musik, Mys- tik, S. 99ff.; L. Cremer (1981), Physik der Geige, S. 171ff.

117 Gregor Widholm ______

Die Korpusmoden Die Decke (aus Fichtenholz und gegen den Rand hin dünner werdend), Boden und Zargen (beide meist aus Ahorn) besitzen äußerst komplexe Formen, sind zum Teil gewölbt, manuell aus vollem Material heraus gearbeitet und an un- terschiedlichen Stellen unterschiedlich dick. Darüber hinaus werden die Schwingungseigenschaften noch von den klimatischen Bedingungen während des Wuchses und der anschließenden Lagerung beeinflusst. Als »Moden« werden charakteristische Schwingungsformen von einzelnen Teilen oder des gesamten Korpus bei bestimmten Frequenzen bezeichnet.28 An manchen Stellen bilden sich Knotenlinien (dieser Teil schwingt nicht), an an- deren Stellen Schwingungsbäuche mit einer maximalen Bewegung. Zwischen diesen Resonanzfrequenzen schwingt der Korpus nach Anregung des Steges zwar ebenfalls, aber deutlich schwächer ausgeprägt.

Abb. 21: Korpusmoden einer Violine nach C. Hutchins. Oben: Decke, unten: Boden. Die Zahlen geben die Frequenz in Hertz an, bei der die jeweilige Mode auftritt.29

28 E. Jansson / N. Molin / H. Saldner (1994), On eigenmodes of the violin – Electronic hologra- phy and admittance measurements, S. 1100–1105. 29 C.M. Hutchins / K.A. Stetson / P.A. Taylor (1971), Clarification of »free plate tap tones« by holographic interferometry, S. 15.

118 ______Die Orchesterinstrumente

Die Abbildung 21 zeigt mittels Laser-Holografie gemessene typische Moden von Decke und Boden einer Violine (hell=Schwingungsknotenlinien, dunkel = Schwingungsbäuche), Abbildung 22 zeigt das Resultat dieser Schwingungsmoden: die »Admittanzkurve« einer Stradivari-Violine (Ex Ben- venuti 1727). Diese gibt an, wie viel Schall bei jeder Frequenz an die Umge- bung abgegeben wird.

Abb. 22: Admittanzkurve der Stradivari Ex-Benvenuti 1727. Solche Kurven geben an, wie viel Schall das Instrument bei jeder Frequenz abstrahlt. Ein »akustischer Fingerab- druck«, der alle klanglichen Eigenschaften dieser Violine beinhaltet.

Einzelne charakteristische Spitzen der Admittanzkurve treten in unter- schiedlicher Ausprägung bei allen Violinen auf und können bestimmten Teilen des Korpus zugewiesen werden. Mechanische Änderungen an diesen Teilen haben eine Verschiebung der Spitze auf der Frequenzachse und/oder eine Än- derung der Amplitude zur Folge. Die Saite liefert sozusagen das teiltonreiche Rohmaterial an Schwingungs- formen, der Steg verstärkt bestimmte Frequenzbereiche und der Korpus agiert als »aktiver« Filter. Das heißt, er verstärkt oder vermindert aufgrund seiner Schwingungseigenschaften verschiedene Frequenzanteile im Gesamtspektrum und überträgt die Plattenschwingungen in das Medium Luft, in dem sie als Longitudinalschwingungen [‰1.3.2] vom Menschen als Klang des Instrumen- tes wahrgenommen werden. Der Korpus ist daher der wichtigste klangbe- stimmende Teil eines Streichinstrumentes.

Der Stimmstock Der Stimmstock ist ein simpler, zylinderförmiger Stab aus Fichtenholz, der in der Nähe des rechten Stegfußes zwischen Decke und Boden geklemmt wird. Er hat drei Funktionen: Einerseits verhindert er, dass die Decke aufgrund des über den Steg ausgeübten Drucks der Saiten (zwischen 24 kp und 80 kp, je nach Beschaffenheit der Saiten) einbricht, andererseits überträgt er die höhe-

119 Gregor Widholm ______ren Frequenzanteile der Stegschwingung direkt auf den Boden, und darüber hinaus beeinflusst er durch seine Position massiv das abgestrahlte Klangbild des Instrumentes. Wird er näher als üblich zum Stegfuß gesetzt, dann überwiegen die hohen Teiltöne im Frequenzspektrum, wird er vom Stegfuß weiter entfernt gesetzt, dann gewinnen die Deckenmoden einen überproportionalen Einfluss: Fre- quenzanteile des Klangspektrums, welche den Deckenmoden entsprechen, werden extrem stark abgestrahlt, alle anderen relativ schwach. Die Abstrah- lung hoher Frequenzen nimmt ab. Das Instrument klingt unausgeglichen, manche gespielte Töne klingen unmotiviert laut, andere wiederum fallen durch eine seltsame Klangqualität auf oder sind einfach zu leise.

Der Bassbalken Der Bassbalken (ein Stab aus Fichtenholz) ist fest mit der Decke verleimt und bewirkt dadurch eine Versteifung und Asymmetrie in der Längsrichtung. Bei Frequenzen unter 900 Hz sorgt er dafür, dass die gesamte linke Decke meist phasenverschoben zur rechten Seite schwingt. Bei höheren Frequenzen nimmt diese Wirkung ab. In der Nähe des Bassbalkens bilden sich eher Knotenlinien.

Die F-Löcher und die Hohlraumresonanz Die F-Löcher vermindern im Bereich der Stegfüße die Steifigkeit der Decke in Querrichtung und erhöhen damit ihre Beweglichkeit. Gleichzeitig wirken sie als zusätzliche Schallquelle bei bestimmten Frequenzen. Der vom Korpus gebildete Hohlraum besitzt aufgrund seines Luftvolu- mens Resonanzstellen. Die erste Resonanzfrequenz (»Helmholtz-Resonanz«) liegt für Violinen je nach Bauart zwischen 250–280 Hz und verstärkt dadurch den Klang der G-Saite. Je nach Bauart schwingen bei diesen Frequenzen ent- weder Decke und Boden um 180° phasenverschoben, oder die Decke schwingt aufgrund des Bassbalkens um ihre Längsachse. Dadurch wird das Luftvolumen periodisch verringert und vergrößert, die F-Löcher wirken bei solchen Frequenzen als zusätzliche, den Klang beeinflussende Schallquelle. Die Form der F-Löcher ist historisch gewachsen und primär von ästhetischen Überlegungen geprägt.30

30 W. Güth / F. Danckwerth (1997), Die Streichinstrumente – Physik, Musik, Mystik, S. 91–91.

120 ______Die Orchesterinstrumente

Der Lack Der Lack, meist in mehreren dünnen Schichten aufgetragen, bewirkt grund- sätzlich eine starke Dämpfung des Korpus. Unlackierte Instrumente klingen wesentlich lauter, viele meinen auch »besser«. Darüber hinaus erhöht die La- ckierung die Masse insgesamt, bewirkt eine Erhöhung des kristallinen Anteils in den obersten Fasern des Holzes und damit eine größere Steifigkeit und vermindert den Einfluss der Luftfeuchtigkeit. Kurzfristig (in den ersten 2–3 Jahren) verursacht die Lackierung oft nicht kalkulierbare klangliche Veränderungen, langfristig hilft eine Lackierung je- doch, die Eigenschaften des Instrumentes möglichst konstant zu halten. Vor dem Lackieren wird auf den rohen Korpus meist eine Grundierung aufge- bracht, die aus individuell zusammengestellten Komponenten (Öle, Pottasche, etc.) besteht. Lack und Grundierungen werden traditionell von den Instru- mentenbauern selbst zusammengestellt und bieten dadurch ein weites Feld für Spekulationen, Fantasien und Mythen. Wissenschaftliche Untersuchungen an Instrumenten Stradivaris und Amatis31 ergaben, dass keine Geheimrezepte an- gewandt wurden, vielmehr wurde ausgiebig experimentiert und es wurden meist Stoffe verwendet, die gerade zur Verfügung standen.

2.1.4 Schlaginstrumente (Pauken) Im klassischen Orchester existiert eine große Vielfalt an akustisch sehr unter- schiedlichen Schlaginstrumenten. Sie reicht von den Pauken und Trommeln über verschiedene Arten von Stabspielen (Xylophon, Marimbaphon, etc.), Be- cken, Röhrenglocken, Pfeifen und Gongs bis hin zu Effektgeräten wie Wind- maschinen, Peitschen, etc. Eine Behandlung ihrer sehr unterschiedlichen Funk- tionsweisen und akustischen Eigenschaften würde diesen Artikel bei weitem sprengen.32 Daher wird hier nur auf die Akustik der Pauke als wichtigste Ver- treterin der Schlaginstrumente im klassischen Orchester näher eingegangen.

31 C. Barlow / J. Woodhouse (1997), Microscopy of wood finishes, S. 913–919. 32 Weiterführende Literatur zur Akustik der Schlaginstrumente und zur Instrumentenakustik allgemein z.B.: T. Tarnoczy (1991), Einführung in die musikalische Akustik; D. Hall (1997) Musikalische Akustik; Th.D. Rossing / R.F. Moore / P.A. Wheeler (2002), The science of sound; J. Meyer (2004), Akustik und musikalische Aufführungspraxis; Th.D. Rossing (2007), Springer handbook of acoustics; Th.D. Rossing (2008), Science of percussion instruments.

121 Gregor Widholm ______

Das Paukenfell Das zentrale Element einer Pauke ist das Paukenfell. Es entspricht einerseits den Saiten eines Streichinstrumentes oder der schwingenden Luftsäule in ei- nem Blasinstrument, erfüllt gleichzeitig aber auch die Aufgabe der Schallab- strahlung wie z.B. der Korpus der Saiteninstrumente. Überwiegend finden synthetische Felle aus verschiedenen Kunststoffen Verwendung, fallweise verwenden Spitzenorchester für Werke der Wiener Klassik und Romantik auch Naturfelle (Kalbsfell). Nur in Wien verwenden die Orchester ausschließlich Ziegenfelle (Wiener Pauke). Grund für den Sie- geszug der synthetischen Felle ist die extreme Abhängigkeit der akustischen Eigenschaften der Naturfelle von Luftfeuchtigkeit und Temperatur. Anmer- kung eines philharmonischen Paukers der Wiener Staatsoper: »Wenige Se- kunden nach dem Öffnen des Bühnenvorhanges muss ich schon zum ersten Mal die Pauken nachstimmen«.

Schwingungsmoden Paukenfelle schwingen wie Saiten transversal. Im Gegensatz zu einer Saite die nur eine Länge besitzt und daher als »eindimensional« angesehen werden kann, ist ein Paukenfell mit seiner Fläche ein zweidimensionaler Körper, in- folgedessen existieren auch zwei unterschiedliche Schwingungsformen die sich über ihre Knotenlinien definieren: radiale und zirkuläre Schwingungen33 (Abb. 23 und 24)[‰ 1.2]. Beide Schwingungsformen treten in unterschiedlicher Kombination gleichzeitig auf, haben aber sehr unterschiedliche Wirkung auf den Paukenklang:

Abb 23: 3D-Darstellung der Paukenfellmoden nach Dan Russell, PennState University, USA

33 Th.D. Rossing (2008), Science of percussion instruments, S. 6.

122 ______Die Orchesterinstrumente

Radiale Moden klingen langsam ab, besitzen also eine lange Ausklingzeit und ihre Frequenz entspricht meist annähernd einem ganzzahligen Verhältnis zu einer (in den tatsächlichen Fellschwingungen nicht immer enthaltenen) tiefsten Frequenz. Sie sind für den harmonischen Anteil des Paukenklanges verantwortlich. Zirkuläre Moden klingen sehr schnell ab, denn sie werden im Gegensatz zu den radialen Moden durch das vom Kessel umschlossene Luftvolumen in ihrer Bewegung eingebremst. Die Frequenzen, bei denen sie auftreten, haben keinerlei Ähnlichkeit mit ganzzahligen Frequenzverhältnissen, sie prägen den perkussiven, geräuschhaften Anteil des Paukenklanges. Untersuchungen haben gezeigt, dass bei synthetischen Fellen der Anteil und die Amplituden der zirkulären Moden größer als bei Naturfellen sind.34 Grund dafür ist die unterschiedliche Fellstruktur: während synthetische Felle eine gleichmäßige Stärke, Dichte und Struktur aufweisen, besitzen Naturfelle im Bereich des Rückgrats eine im Vergleich zu den Bauchbereichen unter- schiedliche Zellstruktur, welche wie eine Versteifung wirkt und quer (radial!) im gespannten Paukenfell verläuft.

Klangstruktur Die Abbildung 25 zeigt den gleichen Ton auf einer Pauke mit Naturfell (links) und Kunststoff-Fell (rechts) gespielt. Deutlich ist daraus erkennbar, dass die Moden 11, 21, 31 und 41, welche für den »tonalen« Charakter des Paukenklanges verantwortlich sind, bei der Pauke mit dem Naturfell wesentlich deutlicher ausgeprägt sind, während beim Kunststoff-Fell die radialen Moden etwas schwächer ausfallen und sich da- zwischen noch zusätzlich starke zirkuläre Moden schieben. Generell zeigt sich bei allen Paukenklängen, dass die Moden 21, 31 und 41 zur Mode 11 in etwa ein Frequenzverhältnis von 1:1,5, 1:2 und 1:2,5 aufweisen. Dies entspricht einem musikalischen Klang dessen Grundton zur Mode 11 das Frequenzver- hältnis von 1:0,5 besäße. Wenn man einem Paukenklang eine Tonhöhe zu- ordnen kann, dann ist dies meist eine »virtuelle« Tonhöhe35 [‰ 2.5.2]. In manchen Fällen liegt die Mode 01 nahe einer solchen Grundfrequenz. Die Abbildung 25 zeigt die exakten Frequenzverhältnisse und realen Frequenzen für die gespielten Töne D, A und d.

34 H. Fleischer (2005), Vibroakustische Untersuchungen an Paukenfellen. 35 Th.D. Rossing (2008), Science of percussion instruments, S. 10.

123 Gregor Widholm ______

Abb. 25: Wasserfallspektren einer Wiener Pauke mit Ziegenfell (links) und einer inter- national gebräuchlichen Pedalpauke mit Kunststofffell (rechts).

Neben diesen grundsätzlichen Gegebenheiten wird der Klang wesentlich von der Anschlagstelle beeinflusst.36 Mit der Wahl der Anschlagstelle ent- scheiden MusikerInnen welche Moden bevorzugt angeregt beziehungsweise ausgeblendet werden. Alle Moden welche am Anschlagsort eine Knotenlinie besitzen, sind im Klang der Pauke nicht enthalten. Darüber hinaus kann der Klang durch die Verwendung unterschiedlicher Schlägelarten verändert werden. Es sind zahlreiche Schlägelkopfmaterialien von extrem weich bis extrem hart erhältlich.

Der Kessel Der Paukenkessel – selbst von PaukistInnen oftmals irrtümlich als Klang- abstrahler angesehen – besitzt zwar Resonanzfrequenzen, er trägt aber nichts aktiv zum Klang der Pauke bei. Seine Schwingungen sind parasitäre Schwin- gungen und entziehen im Falle eines Zusammentreffens mit den Frequenzen von Fellmoden, diesen eine beachtliche Menge an Energie. Darüber hinaus dämpft das vom Kessel umschlossene Luftvolumen massiv die zirkulären Mo- den. Kesselform, -material und-volumen tragen zwar nichts zum Klang der Pauken bei, verändern diesen aber indirekt über den Weg einer frequenzselek- tiven Dämpfung der Fellschwingungen. Ähnliche Wirkung geht auch von an- deren mechanischen Teilen einer Pauke, wie zum Beispiel den oft massiven Sicherheitsringen, der Spannvorrichtung oder dem Gestänge aus. Abhängig von der Konstruktion, dem Design und den verwendeten Materialien können

36 Th.D. Rossing (1988), Die Pauke, S. 134.

124 ______Die Orchesterinstrumente diese Komponenten unter Umständen einen signifikanten und oftmals uner- wünschten Einfluss auf den Klang ausüben.

125 Literaturverzeichnis

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