Faszination

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Faszination der Physik der Bluesharp
Alfred Förtsch
März 2021

 
Das "Mississippi Saxophon", wie die Bluesharp früher manchmal genannt wurde, ist ein unauffälliges, kleines Instrument mit großer Ausdruckskraft. Der Sound der Bluesharp hat ein reiches Obertonspektrum, welches mit entsprechenden Konfigurationen des Vokaltrakts beeinflusst werden kann. Auch das Spielen über einen Verstärker (Amp), bei dem das Mikrofon mit beiden Händen so gut wie möglich abgedeckt wird, verändert das Obertonspektrum.

Auf der Bluesharp lassen sich drei Arten von Tönen erzeugen, nämlich normale Töne, Bends und Overbends. Mit entspannter Mundstellung (Embouchure) klingt ein normaler  Blas- oder Ziehton mit einer Spielfrequenz knapp unterhalb der Eigenfrequenz der Blas- bzw. Ziehzunge. Mit Mundstellungen ähnlich wie bei der Aussprache der Vokale [i:] oder [u:] lassen sich gebendete Töne erzeugen (Ziehbends auf den unteren und Blasbends auf den oberen Kanälen der Harp) sowie Overbends (Overblows auf den unteren Kanälen und Overdraws auf den oberen Kanälen). Normale Töne auf den unteren Kanälen können dabei kontinuierlich nach unten gebendet werden, während man bei Overbends das Gefühl hat, sie würden nach oben "ploppen".

Physikalisch gesehen bilden Spieler*in und Instrument ein komplexes interaktives System mit den gespielten Tönen als kollektive Moden von Luftstrom und Instrument. Wie in der Physik immer wieder praktiziert wird dieses System in voneinander abgegrenzte, interagierende Teilsysteme zerlegt.

Das vergleichsweise "leicht" zu beherrschende Teilsystem sind die zwei durchschlagenden Zungen (free reeds) in der Kanzelle, die sich jeweils als einseitig eingespannter dünner Balken behandeln lassen, der in seiner ersten transversalen Mode schwingt. Schwierig zu modellieren ist auf der anderen Seite der Luftstrom von der Lunge durch Vokaltrakt und Instrument in die Umgebung (für Blastöne) oder umgekehrt (für Ziehtöne), wobei Körperinneres, Instrument und Umgebung Randbedingungen festlegen. Für den Luftstrom im Vokaltrakt gibt es eine Hierarchie von Modellen, die für die Sprachanalyse und für die künstliche Sprachsynthese entwickelt wurden, angefangen bei der Formantenuntersuchung mit Hilfe stehender Wellen bis in zu den numnerischen Methoden der Strömungsmechanik. Bei der Schallabstrahlung dagegen unterscheiden sich Bluesharp und Sprechen grundsätzlich. Der Schall der Bluesharp wird von den fluktuierenden Luftjets durch die Spalte zwischen Zungen und Stimmplatte erzeugt. Der Einfluss der beiden schwingenden Zungen in der Kanzelle wiederum kann in keiner Weise verglichen werden mit der Rolle, welche die Stimmbänder bei der Spracherzeugung spielen.

Gibt es Hoffnung, die Physik der Bluesharp zumindest teilweise intuitiv zu verstehen, oder ist man auf blindes Vertrauen in nummerische Simulationen auf der Grundlage der Navier-Stokes Gleichungen angewiesen?

Ein intuitives Argument ist die Annahme selbsterregter Schwingungen aufgrund eines Rückkopplungsprozesses zwischen dem Luftstrom durch die Spalte zwischen Zungen und Stimmplatte, den Druckunterschieden zwischen den jeweiligen Zungenoberflächen und den Bewegungen der zwei Zungen im Kanal.

Bei normalen Blastönen auf den Kanälen #1 bis #6 scheint nur die schließende Blaszunge am Rückkopplungsprozess beteiligt zu sein. Bei Vernachlässigung von Resonanzerscheinungen im Vokaltrakt (normale Noten werden mit entspannter Embouchure gespielt) könnte man diese durchschlagende Zunge mit einer Akkordeonzunge vergleichen. Akkordeons klingen aufgrund eines Rückkopplungsprozesses zwischen Zungenbewegung und Luftstrom, wobei die Trägheit der auf die Zunge zuströmenden Luft eine entscheidende Rolle spielt (Ricot, Caussé, Misariis).

Bei Overblows auf den Kanälen #1 bis #6 scheint nur die öffnende Zunge am Rückkopplungsprozess beteiligt zu sein. Davon ausgehend, dass bei entsprechender Embouchure ausgeprägte Resonanzeigenschaften im Vokaltrakt erzeugt werden, könnte das Spiel von Overblows verglichen werden mit der Tonerzeugung auf Asiatischen Mundorgeln (Sheng, Khaen, Bawu). Dort koppelt eine durchschlagende Zunge an einen Resonanzkörper. Asiatische Mundorgeln lassen sich intuitiv verstehen als einfaches Generator-Resonator-Model ähnlich wie Holzblasinstrumente wie die Klarinette oder das Saxophon (Cottingham, Dieckman).

Bei gebendeten Tönen sind beide Zungen aktiv am Rückkopplungsprozess beteiligt. Es ist vergleichsweise einfach, normale Ziehtöne auf den Kanälen #1 bis #6 kontinuierlich nach unten zu benden. Es sollte daher für normale Ziehtöne und für Ziehbends ein übergreifendes Modell geben. Tiefere, gutklingende Blowbends sind auf den Kanälen #1 bis #6 nicht machbar. Beim Versuch, einen solchen Blowbend zu spielen, "ploppt" auf einem guten Instrument stattdessen ein Overblow hoch. Ein gutes physikalisches Modell für die Bluesharp sollte einerseits alle spielbaren Töne erklären, andererseits sollte daraus hervorgehen, weshalb auf den unteren Kanälen der Overblow stets gegen den Blowbend "gewinnt". Ein einfaches Resonatormodell (Johnston) schafft das nicht (bei normalen Tönen existiert kein Resonator, und Blowbend und Overblow existieren bei Johnston als gleichwertige Optionen).

Laurent Millot bietet ein übergreifendes Modell für das Spiel auf der Bluesharp, wobei er von einem nichtlinearen Ansatz für die akustischen Eigenschaften von Vokaltrakt und Instrument ausgeht (siehe sein Projekt "Physics of free reeds instruments: from modeling to numerical simulation" auf ResearchGate).

Von einem professionellen Musiker (David Barrett) wurden MRT-Aufnahmen beim Spielen verschiedener Töne auf der Bluesharp erstellt. Auf der Grundlage dieser Aufnahmen wurden 3D-Drucke des Vokaltrakts beim Spielen von Bendings gefertigt. Mit den 3D-Drucken konnten auf einer Bluesharp die originalen Spielfrequenzen reproduziert werden (Granzow, Rossing, Egbert). Derartige Modelle könnten weitere Experimente ermöglichen (beispielsweise Visualisierungen des Luftstroms) oder dabei helfen, theoretische Modelle zu evaluieren (Resonatormodell, verschiedene strömungsdynamische Näherungsansätze).

Zusammenfassung: Verglichen mit dem Saxophon bietet eine physikalische Erklärung der Tonerzeugung beim  "Mississippi Saxaphone" eine Reihe von Herausforderungen. Es gibt zwei Zungen (anstelle einer einzigen), die an den Luftstrom durch einen hochkomplexen Resonator gekoppelt sind, der abgestrahlte Ton wird von Jets durch die spaltförmigen Öffnungen an den Zungen erzeugt, wobei der Luftstrom auch noch vom Raum zwischen Kanzellenkörper und Deckel beeinflusst werden kann. Die zwei Zungen funktionieren verschieden (als schließende und als öffnende Zunge), wobei entweder eine Zunge dominiert oder beide Zungen am Rückkopplungsprozess beteiligt sind. Der Vokaltrakt wirkt bei der Tonerzeugung auf eine Weise mit, die mehr oder weniger mit der Erzeugung von Vokalen vergleichbar ist. Seine Geometrie und seine physikalischen Eigenschaften (z. B. die Viskosität) beeinflussen Spielfrequenz und Tonqualität. Eigenschaften des Instruments wie Größe des Kanals, Zungenform und (sehr wichtig) der Lösabstand zwischen Zungen und Stimmplatte ebenso wie Materialeigenschaften der Zungen werden in quantitative Berechnungen eingehen müssen. Wenn das Instrument akustisch gespielt wird, nimmt das Publikum das Fernfeld des emittierten Schalls war. Wenn die Bluesharp verstärkt gespielt wird, wird das Nahfeld zwischen Instrument, den abdeckenden Händen und der Mikrophonmembran zu hören sein.

Trotz aller Komplexität kann man wohl darauf hoffen, dass sich physikalische Modelle der Bluesharp zumindest in Teilaspekten intuitiv erfassen lassen. Ein Ziel dieser Webseite ist es, solche intuitiven Erklärungen vorzustellen.

 
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