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?
Beim Spielen auf der Bluesharp kommt aus der Lunge ein konstanter Luftstrom (Blaston) oder es fließt in die Lunge ein konstanter Luftstrom (Ziehton). Im Mundraum, in der Kanzelle und in der Umgebung dagegen schwingt die Luft (deswegen hören wir einen Ton). Und auch die Zungen im Instrument schwingen kräftig. Wie entstehen diese 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 Luftstrom und Zungen den konstanten Luftstrom aus der Lunge bzw. in die Lunge "selbst" in Schwingungen umwandeln.

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?
Diese Vorstellung ist aus verschiedenen Gründen falsch. Zur Begründung stellen wir uns vor, dass die Bluesharp mit voller Lautstärke klingt (dadurch wird alles übersichtlicher). Die Bluesharpzungen sollen also bereits kräftig schwingen.
1.Jede der beiden Zungen im Kanal schwingt fast von alleine. Dabei wechseln sich hauptsächlich die elastische Kraft und die Trägheit der Zungenmasse in ihrem Einfluss auf die Zungenbewegung ab: Wenn sich die Zunge einmal bewegt, "will" sie sich weiterbewegen. Sie hat "Schwung", mit dem sie gegen elastische Bremskräfte anlaufen kann.  
2. Wenn man die Bluesharp vom Mund wegnimmt, hört man die Zungen kurze Zeit nachschwingen. Wenn eine Zunge in Kanal #4 einer C-Harp eine halbe Sekunde weiterschwingt, hat sie sich ca. 250mal hin- und herbewegt - und zwar völlig ohne Einwirkung einer Druckkraft. Aus physikalischer Sicht schwingt die Zunge so lange nach, weil bei den Schwingungen nur geringe Energieverluste auftreten. Nur diese Energieverluste müssen durch die Druckkraft ersetzt werden.
3. Die elastische Kraft einer Zunge ist 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. Elastische Kraft und Druckkraft sind also keine gleich starken "Partner", die abwechseln drücken und ziehen.
4. Die wahre Rolle der Druckkraft ist es, die geringen Energieverluste der schwingenden Zungen auszugleichen. Eine Bluesharpzunge schwingt fast von selbst, aber nur "fast".
5. Den Einfluss der Druckkraft ("Bernoullikraft") auf die Zungenbewegung sollte man sich mehr als eine Art "Bilanz" vorstellen. Während eine Zunge einmal hin- und herschwingt, wird sie unter dem Strich von der Druckkraft mehr beschleunigt als gebremst. Oder, physikalisch korrekter: Die Druckkraft führt der Zungenbewegung durch Beschleunigen mehr Energie zu als sie durch Bremsen wieder wegnimmt. Die Energiebilanz ist positiv!
6. Da die Zunge nur wenig Energiezufuhr benötigt, genügt dabei eine vergleichsweise geringe Druckkraft.

 
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