Was bringt die Zungen zum Schwingen - Teil 1

Direkt zum Seiteninhalt

Hauptmenü:

Was bringt die Zungen zum Schwingen?



1. Fragen an die Physik


Harmonikazungen sind aus Metall.
Um auf der Bluesharp zu spielen genügt sanftes Ein- oder Ausatmen.

Kann sanftes Atmen tatsächlich Metall bewegen?

Und wie kann Atmen in eine Richtung die Zunge zum Hin- und Herschwingen zu bringen?
Die folgende Abbildung zeigt maßstabsgetreu eine schwingende Zunge. Die Zunge ist 0,1mm dick. Die maximale Auslenkung aus der Ruhelage beträgt 1,5mm. Die Stimmplatte (schwarz schraffiert) ist 1,0mm dick.
Harpzungen stehen etwas von der Stimmplatte ab. Der Lösabstand ist der Abstand der Zungenspitze in der Ruheposition (blau eingezeichnet) zur Unterkante der Stimmplatte (grün gestrichelt).

Der konstante Atemdruck (Überdruck beim Blasen, Unterdruck beim Ziehen) bewirkt nur eine kleine, konstante  Auslenkung der Zunge. Diese Position (orange) unterscheidet sich wenig von der Ruheposition (blau).

Wie entstehen dann aber die vergleichsweise großen Schwingungen der Zunge?
2. Zungen schwingen fast von selbst

2.1 Eine Zunge anzupfen

Wir überzeugen uns zunächst davon, dass Harmonikazungen fast von selbst schwingen. Dazu zupfen wir eine Zunge an und messen ihre Bewegung mit Hilfe eines Gitarrenpickups. Das Ergebnis kann man hören und sehen. Die folgende Abbildung zeigt, wie die Schwingung innerhalb der ersten 0,5 Sekunden schwächer wird.


Nimmt die Schwingung wenig oder viel ab? Für die Antwort muss man wissen, wie oft die Zunge in diesen 0,5 Sekunden hin- und herschwingt. In der Abbildung wird die D-Zunge in Kanal #4 einer C-Harp angezupft, die mit einer Frequenz von ziemlich genau 600Hz schwingt. Das heißt: Die Zunge schwingt pro Sekunde 600mal, die Abbildung zeigt also 300 Schwingungen.

Wir blenden uns jetzt nach 0,1 Sekunden ein und sehen die folgenden 20 Schwingungen "in Zeitlupe". Die Schwingung nimmt offenbar nur ganz allmählich ab.

Anders ausgedrückt: Wir müssen nur wenig dazu tun, dass die Zungen in der Bluesharp schwingen. Die Zungen erledigen dies nahezu von selbst!

2.2 Das Ausklinggeräusch

Wenn man am Ende eines Tons die Bluesharp abrupt vom Mund wegnimmt kann man hören, wie der Ton leise nachklingt. Was man dabei hört, ist die abklingende Zungenschwingung.

Mit der in James Antaki's TurboHarp ELX  eingebauten Elektronik lässt sich die Zungenbewegung ebenfalls direkt hörbar und sichtbar machen (was man mit der TurboHarp sonst noch alles anstellen kann erfährt man auf der Website von turboharp.com oder auf YouTube).

In der Abbildung entsteht ein Ton (Ziehton auf Kanal #4 einer C-Harp), der ungefähr eine halbe Sekunde lang angehalten wird. Dann wird das Instrument vom Mund wegbewegt und der Ton klingt ca. eine halbe Sekunde lang aus.
 
Darunter sind "Zeitlupenaufnahmen" der abklingenden Zungenschwingung nach 0,1 Sekunden und (im selben Maßstab) nach 0,3 Sekunden zu sehen.

Wieder wird deutlich, wie gering die Energieverluste der Zunge sind, die beim Spielen eines anhaltenden Tons ersetzt werden müssen.

3. Physikalische Sichtweisen

3.1  Energie

In der Zunge wandeln sich fortlaufend zwei Energieformen ineinander um: Bewegungsenergie und Verformungsenergie. Die Schwingung wird geringfügig schwächer, weil zusätzlich weitere Energieformen auftreten: Die Feder erwärmt sich minimal (Wärmeenergie), die umgebende Luft wird bewegt (Bewegungsenergie der Luft), beim Spielen auf der Bluesharp werden Töne erzeugt (Schallenergie). Diese Energieformen werden fortlaufend von der Summe aus Bewegungs- und Verformungsenergie abgezweigt und nur diese Energie muss vom Spieler nachgeliefert werden, wenn ein länger anhaltender Ton gespielt werden soll.

3.2  Kraft und Trägheit

In der Zunge findet fortlaufend ein Wechselspiel zwischen der Trägheit der Zungenmasse und der in ihr wirkenden elastischen Kraft statt. Solange sich die Zungenmasse bewegt, "möchte" sie sich weiterbewegen. Ein verformter elastischer Körper "will" die Verformung mit Hilfe einer Kraft rückgängig machen. Die Schwingung wird geringfügig schwächer, weil zusätzlich Bremskräfte wirken. Nur diese Bremskräfte muss der Spieler durch eine von außen auf die Zunge wirkende Kraft neutralisieren, wenn ein länger anhaltender Ton gespielt werden soll.


3.3 Veranschaulichung

Die Abbildung zeigt in orange die Schwingung einer angezupften Harmonikazunge als Säulendiagramm: Die Zeit läuft von links nach rechts, und in regelmäßigen Abständen wird die Auslenkung der Zunge als Säulenhöhe dargestellt.
Darunter veranschaulichen die roten Säulen die Bewegungsenergie und die blauen Säulen die Verformungsenergie. Es wurde der Idealfall einer Schwingung ohne Energieverluste dargestellt: Die Summe aus Bewegungsenergie und Verformungsenergie ist in jedem Augenblick gleich. Die Zunge würde auch ohne unser Zutun unendlich lange schwingen.

Die beiden physikalischen Sichtweisen sind gleichwertig: Je größer die Bewegungsenergie, desto mehr spielt die Massenträgheit eine Rolle. Je größer die Verformungsenergie, desto größer sind die elastischen Kräfte.

4. Der Einschwingvorgang

Die Abbildung zeigt den Einschwingvorgang des mit der TurboHarp aufgenommenen Ziehtons "in Zeitlupe". Diese und viele andere Aufnahmen zeigen, dass sich die Zungenschwingung stets allmählich aufbaut.

Die Energie wird dabei "häppchenweise" zugeführt. Die einmal an die Zunge übertragene Energie bleibt großteils darin gespeichert, so dass die Gesamtenergie immer mehr anwächst.

Schließlich kommt man in einen Sättigungsbereich, der Mechanismus für die Energiezufuhr funktioniert dort nicht mehr, die maximale Lautstärke bei gegebenem Anblas- bzw. Saugdruck ist erreicht.
5. Stationäre Schwingungen

Die Abbildung zeigt eine "Zeitlupenaufnahme" der Zungenschwingung für einen länger anhaltenden Ton gleichbleibender Lautstärke.

Von außen müssen nur die vergleichsweise geringen Energieverluste der schwingenden Zunge ersetzt werden. Die Zunge schwingt fast von selbst.

6. Konstante Kraft

Wie kann durch konstantes Blasen oder Ziehen eine Schwingung angeregt werden?

Das Video zeigt das Modell einer Bluesharpzunge: Ein Metallstreifen, der an einem Ende eingeklemmt ist.

Die Rolle eines konstanten Über- oder Unterdrucks beim Blasen oder Ziehen übernimmt ein Gewicht, das auf das freie Ende des Metallstreifens aufgelegt wird.

Ein konstantes Gewicht bewirkt letztlich nur, dass der Streifen verbogen wird. Eine anfangs angeregte Schwingung klingt allmählich ab und verschwindet schließlich ganz.
Vorsicht: Im Video ist die Biegung des Metallstreifens maßlos übertrieben (damit man sie deutlich sehen kann). Tatsächlich würde ein konstanter Atemdruck eine Bluesharpzunge nur ganz wenig verbiegen: In einer maßstabsgetreuen Zeichnung lassen sich die Ruheposition (blau) und die Auslenkung durch unseren konstanten Atemdruck (orange) fast nicht unterscheiden.
Maßlos übertrieben ist im Video auch das abrupte Einsetzen des Atemdrucks. Tatsächlich baut sich der Druck von Null ausgehend kontinuierlich auf. Aber auch dies ändert nichts am grundsätzlichen Ergebnis: Eine anfängliche Schwingung klingt aus, übrig bleibt eine konstante Biegung.
Anschaulich: Eine konstante Kraft kann die Bluesharpzunge einmalig durch "Anschubsen" zum Schwingen bringen, diese Schwingung verschwindet aber wieder.

Wie kommt es trotzdem zu einer anhaltenden, kräftigen Schwingung der Zunge? Die Antwort wird heißen: Rückkopplung!
7. Die Schlitze

Entscheidend für das Zustandekommen einer anhaltenden Schwingung sind die Schlitze zwischen Zunge und Stimmplatte. Je näher die Zunge an der Stimmplatte ist, desto weniger Platz bleibt für die Luft, die sich durch die Schlitze zwängen muss. Dies wiederum beeinflusst den Druck, der letztlich an der Zungenoberfläche herrscht. (Warum staut sich die Luft vor den verengten Schlitzen nicht und wartet dort einfach, bis sich die Schlitze wieder öffnen? Die Begründung ist schwierig. Tatsache ist jedenfalls, dass stattdessen der Druckunterschied anwächst und die Luft beschleunigt durch die Verengung gedrückt wird.)

Wir können also vielleicht in unserer Lunge einen konstanten Druck erzeugen, an den Stimmzungen herrscht aber ein zeitlich veränderlicher Druck. Dies kann funktionieren, weil man immer Druck und Luftstrom gleichzeitig sehen muss: Bei einem Blaston herrscht in den Lungenbläschen konstanter Überdruck und es wird ein konstanter Luftstrom erzeugt. Auf dem Weg über Luftröhre, Mundraum, Kanzelle und Schlitze fangen Druck und Luftstrom im gleichen Rhythmus an zu schwanken.

Genauer gesagt: Die Schwankungen von Luftstrom und Druck haben gleiche Frequenz, sind aber zeitlich versetzt. Ursache für dieses "Delay" sind die Trägheit der Luftmasse und die Resonanzeigenschaften des Vokaltrakts (der Vokaltrakt ist der Mund- und Rachenraum). Warum das so ist und warum das Delay wichtig ist, lässt sich nicht in einer Zeile erklären. Geplant ist ein eigener Aufsatz zu diesem Thema ...


8. Rückkopplung

Die Zunge wird vom Blas- oder Saugdruck in der Kanzelle mehr oder weniger aus ihrer Ruhelage ausgelenkt: Der Druck beeinflusst die Auslenkung.

Die Auslenkung der Zunge wirkt sich auf die Größe der Schlitze aus. Dadurch ändern sich die Druckverhältnisse: Die Auslenkung beeinflusst den Druck.

Auslenkung beeinflusst Druck - Druck beeinflusst Auslenkung - Auslenkung beeinflusst Druck ...   

Wenn alles gut geht, führt diese wechselseitige Beeinflussung dazu, dass sich die Zungenschwingungen und die Druckschwankungen gegenseitig hochschaukeln. Dies bezeichnet man als Rückkopplung (Feedback).


Das gefürchtete Rückkopplungspfeifen auf der Bühne ist ein  Musterbeispiel dafür, wie sich winzige Ursachen in ihrer Wirkung  aufschaukeln können: Irgendein Geräusch wird vom Mikrofon aufgenommen, kommt verstärkt aus dem Lautsprecher, wird vom Mikrofon aufgenommen, kommt verstärkt aus dem Lautsprecher ...

Warnung vor einer Verständnisfalle: Das Rückkopplungspfeifen auf  der Bühne schaukelt sich hoch, weil der Mikrofonschall verstärkt wird.  Eine entscheidende Rolle spielt also der Verstärker (der Amp).
Dass sich die Schwingungen der Zunge und die Druckschwankungen an der Zunge gegenseitig beeinflussen, heißt noch lange nicht, dass sie sich hochschaukeln. Und einen Verstärker in der Bluesharp gibt es dabei nicht. Also: Hochschaukeln ohne Verstärker!
(Wie das funktioniert? Der Grund ist das bereits angesprochene Delay, siehe oben...)

9. Länger andauernde Töne

Wenn ein Ton länger andauert blasen oder saugen wir gerade so stark, dass wir die Energieverluste in den schwingenden Zungen ausgleichen. Möglich ist dies wieder, weil sich Zungenschwingungen und Druckschwankungen gegenseitig beeinflussen und weil es eine Verzögerung (Delay) zwischen beiden gibt.

Ebenso wie das lästige Rückkopplungspfeifen auf der Bühne schaukeln sich die Zungenschwingungen nicht beliebig hoch. Dies liegt unter anderem daran, dass sich die Zungen nicht beliebig verbiegen lassen.

10. Die Antwort - Zusammenfassung

  • Ganz zu Beginn "schubsen" wir die Zungen durch Blasen oder Ziehen ein winziges Stückchen an.
  • Durch Rückkopplung wachsen die anfänglich winzigen Schwingungen schnell an, wobei den Zungen "häppchenweise" Energie aus unserem Körper zugeführt wird.
  • Zungen schwingen fast von selbst, wobei sich fortlaufend Verformungsenergie und Bewegungsenergie ineinander umwandeln.
  • Bei einem länger anhaltenden Ton müssen wir nur immer wieder die sehr kleinen Energieverluste in den Zungen ersetzen.
 
Copyright 2016. All rights reserved.
Zurück zum Seiteninhalt | Zurück zum Hauptmenü