Wie Musikinstrumente Klang erzeugen und ihren Ton prägen

Die Vibration ist der Anfang eines jeden Klangs

Nach Angaben der Music Acoustics group der University of New South Wales, geleitet vom Physiker Joe Wolfe, verlassen sich die meisten Instrumente auf Resonanz — die Fähigkeit eines physikalischen Systems, Energie in einer Vibration bei einer bestimmten Frequenz zu speichern. Eine gezupfte Saite, ein Rohrblatt, das in einem Luftstrom summt, oder eine Trommelhaut, die von einem Stock geschlagen wird, beginnen alle als vibrierendes Objekt, das Luftmoleküle hin und her drückt und so Druckwellen erzeugt, die zum Ohr eines Zuhörers als Schall gelangen.

Stehende Wellen bestimmen die Tonhöhe

Innerhalb einer Saite oder eines Rohrs eines Blasinstruments treffen, wie die UNSW-Gruppe erklärt, sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitende Wellen aufeinander und verbinden sich zu einem stehenden Wellenmuster, wobei feste Punkte, sogenannte Knoten, kaum beweglich sind, und andere Punkte, sogenannte Bäuche, weit schwingen. Da eine Saite oder Luftsäule nur auf diese Weise bei bestimmten festen Frequenzen vibrieren kann — bestimmt durch ihre Länge, Spannung oder Form — erzeugt das Instrument bestimmte, wiederholbare Tonhöhen statt zufälligem Rauschen.

Obertöne geben jedem Instrument seine Farbe

Eine vibrierende Saite oder Luftsäule erzeugt selten nur eine Frequenz. Die Music Acoustics-Materialien der UNSW zeigen, dass sie eine Grundfrequenz plus eine Reihe von Harmonischen erzeugt — ganzzahlige Vielfache dieser Grundfrequenz. Als Beispiel weist die Website darauf hin, dass bei der C-Saite einer Viola die 7. und 11. Harmonischen grob in der Mitte zwischen den Noten der standardmäßigen gleichschwebenden Temperatur fallen, was zeigt, dass echte Obertonreihen nicht perfekt auf die Musikskala abgestimmt sind, die Musiker tatsächlich verwenden.

Die spezifische Mischung dieser Obertöne — welche laut sind, welche schwach — ist das, was Akustiker Klangfarbe oder Tonfarbe nennen. Wie die Music Acoustics-Materialien der UNSW beschreiben, ist diese Mischung der Obertonintensitäten ein wesentlicher Teil dessen, was eine Flöte und eine Oboe, die die gleiche geschriebene Note spielen, dem Ohr deutlich unterschiedlich klingen lässt, obwohl die Klangfarbe auch davon abhängt, wie sich der Klang im Laufe der Zeit verändert, wie unten erörtert.

Was die Vibration tatsächlich auslöst

Stetige, musikalisch klingende Vibrationen entstehen nicht von selbst — sie benötigen das, was Akustikforscher einen nichtlinearen Antriebsmechanismus nennen. In einem Vortrag, den die Acoustical Society of America zusammengefasst hat, beschrieb der Physiker Thomas Rossing, wie die Reibung eines Bogens auf einer Violinsaite, der Luftstrom durch ein Klarinettenmundstück und die summenden Lippen eines Trompetenspielers einen stetigen Input — Bogenbewegung oder Atem — in die Hin- und Herbewegung umwandeln, die Schall erzeugt, statt ihn einfach linear zu verstärken.

Die Acoustical Society of America schreibt auch die alte Beobachtung, zurückverfolgt bis Pythagoras, dass Noten angenehm zusammen klingen, wenn ihre Saitenlängen — und damit ihre Frequenzen — in ganzzahligen Verhältnissen stehen. Echte Saiten und Rohre weichen leicht von diesem Ideal ab, aber der gleiche nichtlineare Mechanismus, der die Vibration auslöst, neigt auch dazu, die leicht fehlabgestimmten natürlichen Frequenzen eines Instruments in einen fast exakt harmonischen Klang zu ziehen.

Warum eine Glocke nicht wie eine Violine klingt

Nicht jedes Instrument erzeugt ordentliche harmonische Obertöne. Die Acoustical Society of America bemerkt, dass Glocken fast linear funktionieren, weil das Metall, aus dem sie gegossen werden, dick ist, daher sind ihre Obertöne keine einfachen ganzzahligen Vielfachen der Grundfrequenz — was genau die charakteristische ‚scheppernde' Qualität einer Glocke statt eines sauberen Musiktons ausmacht. Becken vibrieren nach demselben Bericht chaotisch wegen starker Nichtlinearität und erzeugen ihr schimmerndes, rauschartiges Rauschen, während große Gongs sich auf nichtlineare Frequenzmultiplikation verlassen, um ihren dichten, komplexen Klang zu erzeugen.

Wie sich der Tonumfang zwischen Instrumentenfamilien unterscheidet

Das Instrumentendesign bestimmt auch den Bereich der Grundtonhöhen, die ein Instrument erreichen kann, und wie weit seine Obertöne nach oben reichen. Referenzdaten, die vom Mikrofonspezialist DPA Microphones für Tontechniker zusammengestellt wurden, listet die folgenden Grundtonhöhenbereiche und die ungefähren Obergrenzen des harmonischen Inhalts für mehrere gängige Instrumente auf.

Die Tabelle zeigt, warum ein Klavier und eine Violine sich überlappende Tonumfänge teilen können, aber dennoch unterschiedlich klingen: Über die geschriebene Note hinaus fügt jedes Instrument seine eigene charakteristische Ausbreitung höherfrequenziger harmonischer Energie hinzu.

Resonanzkörper machen den Klang laut genug zum Hören

Eine vibrierende Saite oder ein Rohrblatt allein bewegt sehr wenig Luft und wäre kaum von selbst zu hören. Die Music Acoustics-Materialien der UNSW erklären, dass der Körper eines Instruments — die Rückplatte einer Violine, die Decke einer Gitarre oder die Luftsäule in einem Blasinstrumentrohr — ihre eigenen Resonanzfrequenzen hat, die die Vibration verstärken und formen und sie als hörbarer Klang in den Raum ausstrahlen. Dieselbe Quelle vermerkt, dass beim Menschen die Stimmlippen vibrieren, um den rohen Ton zu erzeugen, während die Resonanzen des Vokaltrakts, Formanten genannt, bestimmte Frequenzbänder selektiv verstärken, um Vokallaute und Stimmklangfarbe zu prägen.

Klangfarbe ist nicht nur eine Liste von Frequenzen

Die Music Acoustics-Gruppe der UNSW fügt hinzu, dass Klangfarbe stark davon abhängt, wie sich eine Note im Laufe der Zeit verändert, nicht nur von ihrem Frequenzspektrum in einem einzelnen Moment. Die Hülle eines Klangs — wie schnell er volle Lautstärke erreicht, nachdem die Saite gezupft oder die Taste angeschlagen wird, wie er sich hält und wie er verblasst — ist Teil dessen, was es Zuhörern ermöglicht, ein Instrument zu erkennen, auch wenn ein isolierter Frequenzinhalt allein auf dem Papier ähnlich aussehen könnte.