FAQ

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Fragen zur Physik der Bluesharp

Gibt es praktische Anwendungen für den Instrumentenbau?
Es gibt wenig, was Hersteller oder Customizer nicht längst und viel besser aus praktischer handwerklicher Erfahrung wissen. Die Spieleigenschaften einer Bluesharp kommen physikalisch gesehen von den Zungen und vom Luftstrom, der durch die Konstruktion der Bluesharp beeinflusst wird. Zungeneigenschaften, insbesondere ihre Eigenfrequenz, die man beim Anzupfen hören kann, lassen sich tatsächlich mit Hilfe physikalischer Formeln berechnen. Ob Hersteller das wirklich so machen, weiß ich nicht. Der Luftstrom durch die Bluesharp ist so kompliziert, dass er mit heutigen Computern noch nicht simuliert werden kann. Man hat zwar Gleichungen (die Navier-Stokes-Gleichungen), kann sie aber nicht lösen.  Ein systematisches Probieren am PC (beispielsweise die Kanzellenform oder die Zungenform gezielt verändern), wie es in anderen Industriezweigen praktiziert wird, dürfte noch lange Zukunftsmusik sein.

Was sind selbsterregte Schwingungen?
In der Bluesharp beeinflussen sich der fluktuierende Luftstrom und die schwingenden Zungen gegenseitig: Luftstrom wirkt auf Zungen ein, Zungen wirken auf Luftstrom ein. Dadurch können sich die Druckschwankungen im Luftstrom und die Zungenschwingungen gegenseitig hochschaukeln. Die Bezeichnung "selbsterregte Schwingungen" für diesen Vorgang bedeutet, dass nichts von außen eingreift, also beispielsweise kein winziges Motörchen, dass die Zungen hin- und herbewegt. Luftstrom und Zungen bewirkten ihre Schwingungen ohne fremde Hilfe, also "von selbst".

Gibt es in der Bluesharp Bernoullikräfte?
Bernoullikräfte spielen in der Regel dann eine Rolle, wenn ein Luftstrom beschleunigt an einer Fläche entlangstreicht. Ein Beispiel dafür ist ein Luftstrom, der durch ein sich verengendes Rohr fließt. Falls die Geschwindigkeiten im Rohr kleiner als ca. 30%  der Schallgeschwindigkeit sind, staut sich die Luft dabei nicht an und muss folglich an der Verengung schneller fließen. Dies läuft darauf hinaus, dass an der Verengung der Druck fällt. Statischer Druck und Geschwindigkeit vor der Verengung und in der Verengung hängen über eine Bernoulligleichung  miteinander zusammen. Wenn der Druck auf die Wand in der Verengungung geringer ist als der von außen auf die Wand wirkende Druck, übt die strömende Luft eine Sogwirkung senkrecht zur Wand aus. In diesem Zusammenhang spricht man von einer Bernoullikraft.
Man weiß seit längerem, dass an den Oberflächen der Bluesharpzungen praktisch keine Luft entlangströmt. Die Wahrheit ist, dass die Luft aus oder in die Kanzelle (beim Blasen oder Ziehen) mehr oder weniger senkrecht durch die Schlitze zwischen Zungen und Stimmplatte fließt. Um es noch einmal zu betonen: An den Oberflächen streicht kein Luftstrom entlang, in diesem Sinn kann es also auch keine Bernoullikräfte geben.
Andererseits wird der Luftstrom beim Übergang von der Kanzelle in die Schlitze (oder umgekehrt) tatsächlich kräftig beschleunigt, und man kann eine Bernoulligleichung anwenden, woraus sich eine Druckkraft auf den Luftstrom durch die Schlitze ergibt.
Die gegenwärtig vorhandenen physikalischen Modelle für die Bluesharp gehen davon aus, dass in der Kanzelle ein einheitlicher Druck herrscht. Wenn also an den Schlitzen eine Druckkraft auf den Luftstrom wirkt, dann wirkt diese Druckkraft in der ganzen Kanzelle und damit auch auf die Zungen. Auf die Zungen wirkt also eine Druckkraft, die man mit Hilfe einer Bernoulligleichung berechnet. In diesem Sinn könnte man wieder von "Bernoullikraft" reden, allerdings streicht der Luftstrom nicht an den Flächen der Zungen, sondern an ihren Seitenkanten entlang. Der Luftstrom selbst übt seine Sogwirkung auf die Seitenkanten (!) der Zungen aus, wobei sich die Sogwirkungen auf die zwei Seitenkanten gegenseitig aufheben.  
Übrigens ist die Druckkraft auf den Luftstrom und auf die Zungenoberflächen auch nichts, was innerhalb der Bluesharp auf "magische Weise" entsteht. Ursache dieser Kraft ist letztlich, dass wir beim Spielen blasen oder ziehen.
Fazit: Die Druckkraft auf die Oberflächen der Zungen kommt in einer Bernoulligleichung vor, sollte aber nicht als "Bernoullikraft" bezeichnet werden.

Die Bernoullikraft schiebt hin, die elastische Kraft zieht zurück - stimmt das?
"Bernoullikraft" ist eine Bezeichnung für die Druckkraft, die auf die Zungen einwirkt. Die elastische Kraft ist eine Kraft, mit der sich die Zunge gegen eine Verformung "wehrt".
Schiebt die Druckkraft die Zunge hin zur Stimmplatte, und die elastische Kraft zieht sie wieder zurück?
Da beide Kräfte grundsätzlich gleichzeitig und zusammen wirken, kann man die Frage umformulieren: Überwiegt auf dem Hinweg die Druckkraft und auf dem Rückweg die elastische Kraft?
Wenn die Bluesharp mit voller Lautstärke klingt (im "eingeschwungenen Zustand"), ist die elastische Kraft bei einem normalen Ziehton ca. 30mal so groß ist wie die Druckkraft (die "Bernoullikraft"). Bei einem Ziehbend ist sie immer noch ca. 10mal so groß. Und zwar dauernd, also hinwärts und rückwärts. Die Kräfte wechseln sich dabei nicht ab, sondern die elastische Kraft dominiert. Wie schafft dann die Zunge den Weg hin zur Stimmplatte (und darüber hinaus)?
Wenn die Zunge auf ihrem Weg zur Stimmplatte durch die Mittellage schwingt, ist sie schnell (sie wurde vorher von der elastischen Kraft beschleunigt). Sie kommt deswegen zur Stimmplatte, weil sie "Schwung" hat. Die Zunge hat Masse, und die Masse "will" sich weiterbewegen - auch, wenn die elastischen Kräfte immer mehr bremsen. Schließlich ist die Zunge tatsächlich abgebremst, wird von der elastischen Kraft jetzt Richtung Mittellage beschleunigt, bewegt sich durch die Mittellage, und das Spiel wiederholt sich auf der anderen Seite mit umgekehrten Vorzeichen.
Die Rolle der Druckkraft ist in Wirklichkeit viel subtiler. Sie wirkt nicht ganz genau synchron zur elastischen Kraft, sondern leicht versetzt. Die Zungenbewegung hat - im Vergleich zur Druckkraft - eine leichte Latenz. Latenz kennen alle, die schon mal versucht haben, per Internet miteinander zu musizieren. Latenz bedeutet: kommt später, hinkt hinterher. Dadurch kann die Druckkraft dem schwingenden System aus Zungen und Luftstrom Energie zuführen. Da Bluesharpzungen fast von selbst schwingen, braucht man pro Schwingung nur sehr wenig Energiezufuhr, und dafür reichen die Schwankungen der Druckkraft aus.
 
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