Musikinstrumente

Dieser Artikel ist ein Auszug aus "The Audio Expert" von Ethan Winer. Sie können mehr über dieses Buch auf Ethans Website lesen: http://ethanwiner.com/book.htm

Bei Streichinstrumenten wie Geigen und Celli wird die Klangqualität oder der Klangfarbton davon beeinflusst, wo auf der Saite der Bogen angesetzt wird, wie stark er gegen die Saite gedrückt wird und wie schnell er über die Saite gestrichen wird. Diese drei Parameter variieren die Klangfarbe über das gesamte Spektrum ihrer Möglichkeiten hinweg. Hier beschreibt die Klangfarbe die relativen Lautstärken des Grundtons und seiner vielen harmonischen Vielfachen.

Bei Holzblasinstrumenten bestimmen die Form Ihrer Lippen und Ihres Mundes sowie der Druck, mit dem Sie blasen, die Klangfarbe. Stärker zu blasen erzeugt Harmonien, die lauter sind als beim Blasen mit geringerem Druck. Dasselbe gilt für gezupfte Instrumente wie Gitarre oder Banjo – das kräftigere Schlagen der Saite oder das Schlagen in die Nähe eines Endes erzeugt stärkeren harmonischen Gehalt. Dasselbe Prinzip gilt für akustische Instrumente. Je fester Sie in eine Trompete oder Oboe blasen oder eine Trommel schlagen, desto heller wird der Klang sein. Die Obertonfrequenzen von Trommeln variieren ebenfalls in ihrem Niveau, abhängig davon, wo und wie stark Sie sie schlagen. Das Schlagen einer Trommel nahe am Rand macht die Obertöne im Vergleich zum Grundton lauter als das Schlagen in der Nähe der Mitte. Das gilt für pretty much jede andere akustische Schallquelle, die in der Natur vorkommt.

Viele Menschen sind sich nicht bewusst, dass das Erlernen der Kontrolle über den Bogen der schwierigste Teil des Spiels auf der Geige oder dem Cello ist. Der Bogen ist die Stimme des Instruments, und alles andere ist untergeordnet. Sicher, es dauert Jahre, die Feinmotorik zu entwickeln, die nötig ist, um die Finger genau an die richtige Stelle auf dem Griffbrett zu setzen – nur wenige Millimeter abzuweichen kann einen Ton erheblich verstimmen. Aber die Kontrolle über den Bogen ist noch schwieriger. Bei geblasenen Instrumenten wie Saxophon und Oboe ist es ähnlich. Nach ein oder zwei Jahren kann ein engagierter Schüler lernen, die Noten auf der gedruckten Seite automatisch den entsprechenden Griffen zuzuordnen, ohne darüber nachzudenken. Aber die Entwicklung der notwendigen Atem- und Mundkontrolle ist viel schwieriger und erfordert Tausende von Übungsstunden über viele Jahre, um sie wirklich zu meistern.

Instrumententypen

Es gibt zwei grundlegende Arten von Musikinstrumenten: Schlaginstrumente, bei denen der Klang einmal erzeugt wird und dann von selbst verklingt, wie bei einem Klavier oder einem Becken, und Sustain-Instrumente, bei denen der Spieler die Kontrolle über Dauer, Lautstärke, Klangfarbe und Vibrato hat, wie bei einer Geige oder einer Posaune. Zum Beispiel kann ein Geiger eine Note sanft beginnen, indem er mit langsamer Bogenführung spielt, dann die Lautstärke erhöhen, indem er den Bogen schneller zieht, dann die Helligkeit des Tons erhöhen, indem er den Bogen näher zur Brücke bewegt, und schließlich ein Vibrato hinzufügen, das allmählich schneller wird. Diese Variation über die Zeit macht Musik ausdrucksvoller und somit interessanter zu hören.

Schlaginstrumente können auch auf eine ausdrucksvolle, anhaltende Weise gespielt werden, wie zum Beispiel ein Roll auf einer Snare- oder Pauke, bei dem die Trommel wiederholt geschlagen wird. Ein Trommelroll kann auch im Laufe der Zeit die Klangfarbe ändern, indem er variiert, wie stark Sie die Trommel schlagen und wo, sowie die Geschwindigkeit der Wiederholung des Rolls. Ebenso erzeugen Mandolinenspieler ein anhaltendes Tremolo, indem sie denselben Ton schnell wiederholt anspielen, um den Ton unbegrenzt fortzusetzen. Aber meines Erachtens fallen Instrumente in diese beiden grundlegenden Kategorien – Schlag- und Sustain-Instrumente.

Zusätzlich zur Kontrolle der Klangfarbe durch die Spieltechnik ist ein weiterer Faktor, der den Klang eines Instruments beeinflusst, wie er von einem Publikum oder einem Mikrofon wahrgenommen wird, seine Direktivität. Wie bei Lautsprechern strahlen die vibrierenden Holzplatten einer Geige bei hohen Frequenzen richtungsbezogen. Unter etwa 400 Hz strahlen Geigen nahezu omnidirektional, aber bei 4 oder 5 kHz geht fast der gesamte Klang in einem schmalen Strahl nach oben, wobei sehr wenig Energie nach vorne gesendet wird. Rohrblasinstrumente wie die Klarinette und das Saxophon strahlen ebenfalls in verschiedene Richtungen bei unterschiedlichen Frequenzen und auch von verschiedenen Teilen des Instruments, je nachdem, welche Tasten gedrückt werden. In einem Konzertsaal erreicht das gesamte Klangspektrum das Publikum zu einem großen Teil über Reflexionen von der Bühnenwand hinter den Darstellern und von der gewölbten Decke und den schrägen Seitenwänden.

Frühere Kapitel haben erklärt, dass ein FFT-Analyzer die Energiemenge bei unterschiedlichen Frequenzen in einer Aufnahme anzeigen kann, und dieses Werkzeug kann auch den Output von Musikinstrumenten analysieren. Das Verständnis des Spektrums von Instrumenten hilft einem, ein besserer Synthesizer-Programmierer, Mixing-Ingenieur, Orchesterarrangeur oder einfach ein sachkundigerer und aufmerksamerer Zuhörer zu sein. Zum Beispiel hat ein E-Bass oft weniger Energie bei der Grundfrequenz als bei den ersten paar Harmonischen, je nachdem, wo entlang seiner Länge die Saite gezupft wird. Ein großer Teil der Fülle von Basso-Instrumenten wird durch das Niveau der zweiten Harmonischen bestimmt, sodass das Herausarbeiten dieser mit EQ einen Mix solide klingen lassen kann, ohne auf sehr tiefe Frequenzen angewiesen zu sein, die für viele Lautsprecher bei hohen Lautstärken schwer zu reproduzieren sind.

Abbildung 1 zeigt das Spektrum meines Fender Precision-E-Basses, der einen tiefen A-Ton spielt, wenn er mit einem Finger direkt über dem Tonabnehmer gezupft wird. Sie können sehen, dass die zweite und dritte harmonische Komponente lauter sind als der Grundton. Wenn die Saite jedoch weiter weg von der Brücke, näher zur Mitte der Saite, gezupft wird, entsteht ein milderer Klang mit mehr Grundton und weicheren Harmonischen. Das Zupfen einer Saite mit weniger Kraft vermindert auch den harmonischen Gehalt.

Abbildung 1: Je nachdem, wo Sie eine Saite zupfen und wie stark, kann die Grundfrequenz weicher sein als einige der Harmonischen. Diese FFT zeigt das Spektrum eines tiefen A-Tons auf einem Fender Precision Bass, wenn er mit einem Finger gezupft wird, ohne EQ-Anpassung. Sie können sehen, dass die zweite Harmonische bei 110 Hz etwa 7 dB lauter ist als der Grundton bei 55 Hz, und die dritte Harmonische bei 165 Hz ist ungefähr 3 dB lauter als die zweite Harmonische.

Abbildung 2 zeigt eine FFT des gleichen tiefen A-Tons, der von einem Yamaha-Flügel aufgenommen wurde. Auch hier ist die Grundfrequenz leiser als die zweite Harmonische, die wiederum leiser ist als die dritte Harmonische. Allerdings klingt ein Klavier heller als ein E-Bass, der mit den Fingern gespielt wird (im Gegensatz zu einem Plektrum), was sich darin widerspiegelt, dass die höheren Harmonischen viel weniger schnell abfallen als bei einem E-Bass.

Abbildung 2: Tiefe Töne auf einem Klavier haben oft weniger Energie bei der Grundfrequenz als bei den ersten paar Harmonischen, obwohl die höheren Harmonischen weniger schnell abfallen als bei einem E-Bass.

Die harmonische Serie ist verstimmt

Vibrierende Saiten auf einer Geige oder Gitarre sowie vibrierende Luft in Holz- und Blechblasinstrumenten erzeugen Harmonien, auch Obertöne genannt, die einer bestimmten mathematischen Reihe folgen. Die niedrigste Frequenz ist der Grundton, und jede harmonische Frequenz ist ein ganzzahliges Vielfaches dieser Frequenz. Obertöne von statischen Wellen wie Sägezahn und Puls folgen ebenfalls derselben Reihe. Tabelle 1 zeigt die harmonische Serie eines tiefen A-Tons, dessen Grundfrequenz 55 Hz beträgt, wobei jede Harmonische 55 Hz höher ist als die vorherige.

Tabelle 1: Die harmonische Reihe der meisten Musikinstrumente folgt dieser grundlegenden Folge und wird bei einigen höheren Frequenzen verstimmt. Diese Tabelle zeigt die ersten 15 Frequenzen, die durch einen tiefen A-Ton erzeugt werden, und Sie können sehen, dass der Ton der fünften Harmonischen um nahezu ein Prozent abweicht. Bei der 11. Harmonischen, die auf einem hell klingenden Instrument, das einen tiefen Ton spielt, hörbar sein kann, liegt die Frequenz um drei Prozent daneben. Der musikalische Abstand zwischen zwei benachbarten Tönen beträgt etwa sechs Prozent, daher ist drei Prozent ernsthaft verstimmt!

Harmonische werden in der Regel leiser, je höher sie sind, sodass ein einzelner Ton nicht unbedingt verstimmt klingt. Obwohl die 11. Harmonische um drei Prozent abweicht, was bei einem halben musikalischen Intervall viel ist, ist sie auf diesem bestimmten Klavier und bei dieser Mikrofonplatzierung 11 dB leiser als der Grundton. Außerdem wird sie teilweise von all den anderen Harmonischen maskiert, die im Einklang sind.

Die verfügbaren Grundnoten auf Blechblasinstrumenten folgen ebenfalls der in Tabelle 1 gezeigten harmonischen Reihe. Betrachten Sie das Waldhorn, das ähnlich einem Trompete ist, aber keine Ventile hat, um die Röhrenlänge zu variieren. Waldhörner können nur Töne in der harmonischen Reihe spielen, die der Spieler auswählt, indem er die Form seines Mundes und seiner Lippen anpasst, die zusammen als Ansatz bezeichnet werden. Es gibt viele bekannte „Standards“ in der Hornliteratur, wie Taps und Reveille. Alle Hornmelodien enthalten nur den gleichen begrenzten Satz von Noten – im Wesentlichen die Harmonie-Töne einer Dur-Tonart. Wenn ein Horn höhere Töne spielt, sind die Grundfrequenzen von Natur aus verstimmt, was es erforderlich macht, dass der Spieler seine Ansatzstimme anpasst und härter oder weicher bläst, um den richtigen Ton zu erzwingen. Wenn ein Spieler den Ton auf diese Weise anpasst, nennt man das das Anstoßen des Tons.

Kleiner Einschub: Ein einzelner Ton, der auf einer Gitarre gespielt wird, kann verstimmt klingen, wenn die Saiten alt sind. Saiten dehnen sich oft ungleichmäßig, was eine oder mehrere dünnere Stellen schafft. Je nachdem, wo die dünnen Stellen entlang der Länge der Saite auftreten, können einige der ausgeprägten unteren Harmonischen verstimmt zum Grundton klingen. Es ist sehr schwierig, eine Gitarre mit alten Saiten zu stimmen!

So wie hier verwendet, bezieht sich der Begriff „harmonisch“ auf die natürliche Obertonreihe einer vibrierenden Saite oder der vibrierenden Luftsäule in einem Blasinstrument. Eine andere Art von Harmonik wird künstlich bei Saiteninstrumenten erzeugt, indem ein Finger leicht auf die Saite an bestimmten Stellen gelegt wird, während gezupft oder gestrichen wird. Wenn Sie eine Saite an einem Punkt, der in der Mitte ihrer Länge liegt, leicht berühren, entsteht ein Ton, der eine Oktave höher als die offene Saite ist. Drückt man die Saite fest gegen das Griffbrett, entsteht ein Ton mit den üblichen Obertönen, aber diese Art von Harmonik ist näher an einer reinen Sinuswelle. Andere Positionen entlang des Halses tun dasselbe – übliche Positionen sind 1/3 und 1/4 der Länge, aber auch andere ganzzahlige Teilungen funktionieren. Tatsächlich erzeugt das Tun an 1/7 der Länge des Halses denselben verstimmten musikalischen 7. (plus zwei Oktaven) wie der Oberton, der auf natürliche Weise innerhalb eines einzelnen Tons vorkommt.

Gleichschwebende Stimmung

Die gleichschwebende Stimmung ist eine Methode der Stimmung, die einen festen Abstand zwischen benachbarten Tönen verwendet, anstatt der natürlich vorkommenden harmonischen Reihe zu folgen. Die gleichschwebende Stimmung unterteilt eine Oktave in zwölf gleichmäßig verteilte Intervalle, die musikalischen Halbschritten genannt werden. Das genaue Verhältnis zwischen einem Ton und dem nächsthöheren Ton beträgt 1,0595 zu 1, wobei 1,0595 die 12. Wurzel aus 2 ist. Die Bünde auf einem Gitarrenhals sind in diesem Verhältnis angeordnet, und alle modernen Instrumentenstimmgeräte verwenden diese Methode, um anzuzeigen, ob der Ton zu hoch oder zu niedrig ist.

Vor Hunderten von Jahren hatten Blechblasinstrumente keine Ventile. Wie ein Horn konnten frühe Hörner und Trompeten nur eine begrenzte Anzahl spezifischer Töne erzeugen. Auch wenn ein F-Horn ohne Ventile ein hohes C spielen kann, ist dieser Ton verstimmt, was das Horn für das Spielen von Musik in der Tonart C ungeeignet macht. Die Spieler mussten also entweder mehrere Instrumente besitzen, die jeweils für eine andere Tonart ausgelegt waren, oder sie setzten austauschbare Rohre – kurze Röhrenteile – ein, um die Gesamtlänge der Röhren zu variieren. Ein Wechsel der Rohre während einer Aufführung braucht Zeit, weshalb um 1815 Ventile zu Trompeten und Waldhörnern hinzugefügt wurden. Dies ermöglichte es den Musikern auch, Töne in der gleichschwebenden Skala zu spielen, anstatt nur Töne in der harmonischen Reihe.

Das Konzept der gleichschwebenden Stimmung geht tausende von Jahren zurück, aber J.S. Bach hat es gefördert und zu einer modernen Realität gemacht. Sein 1722 veröffentlichtes "Wohltemperierte Klavier" ist eine Reihe von 24 Stücken – eines in jeder Dur- und Molltonart – die für die Tasteninstrumente seiner Zeit geschrieben wurden. Dies hatte sowohl musikalisch als auch technisch große Auswirkungen, denn es erlaubte musikalischen Kompositionen, zu fernen Tonarten zu modulieren, ohne dass einige Instrumente verstimmt klangen.

Eine weitere Stimmungsmethode, die als justierte Intonation bezeichnet wird, stimmt die Quinten auf exakte harmonische Frequenzen. In diesem Fall würde der tiefste E-Ton in Tabelle 1 auf 165 Hz anstatt auf 164,8 Hz gestimmt. Saitenspieler stimmen ihre Instrumente oft auf diese Weise, indem sie benachbarte offene Saiten spielen und auf die Schlagtöne hören – eine langsame Lautstärke- undulierung, die auftritt, wenn zwei Töne perfekten Einklang erreichen. Sie spielen beide Töne gleichzeitig und passen die Stimmung einer Saite an, bis das Pulsieren langsamer wird und stoppt. Es gibt keinen Unterschied, ob Sie zwei Töne gleichzeitig mit leicht unterschiedlichen Tonhöhen spielen oder einen Ton, der durch einen langsamen Tremolo-Effekt amplitudenmoduliert wird. Der resultierende Klang, die Wellenform und das Spektrum sind identisch.

Eine weitere Stimmungstechnik verwendet Harmoniken, um einen perfekten Einklang zu erreichen. Wenn man mit dem Finger leicht auf den A-Saiten-Bund spielt, entsteht ein E-Ton, der eineinhalb Oktaven höher ist als die offene Saite. Wenn man die E-Saite unter dem A an ihrem fünften Bund leicht berührt, entsteht derselbe E-Ton. Daher können Sie beide Harmoniken nacheinander spielen, beide weiter läuten lassen und eine der Saiten stimmen, bis das Schlagen langsamer wird und stoppt. Das Stimmen über Harmoniken ist besonders nützlich für Bässe, da unser Tonhöhenempfinden bei tiefen Frequenzen schlecht ist.

Viele Musiker spielen absichtlich Töne leicht scharf oder flach für Ausdruck oder Effekt. Falls nicht für die gesamte Dauer des Tons, können sie auf einen Ton von einer tieferen Tonhöhe gleiten. Ein leicht flach gespielter Ton kann ein Gefühl von Ruhe vermitteln, während ein leicht scharf gespielter Ton Spannung hinzufügt. Wieder spreche ich von äußerst kleinen Mengen, im Bereich von fünf oder zehn Cents – 1/100stel eines musikalischen Halbschrittes. Absichtliches Spielen von verstimmten Tönen ist bei bundlosen Instrumenten wie Geige oder Cello einfach, und Blasinstrumentenspieler tun dies, indem sie ihren Ansatz variieren. Gitarrenspieler ändern die Tonhöhe in großen oder kleinen Mengen, indem sie die Saiten biegen, was ein Grund dafür ist, dass sich ihre Saiten unregelmäßig dehnen können, wie bereits erwähnt. Musiker können auch leicht hinter dem Beat spielen oder etwas voraus – sagen wir, 10 bis 30 Millisekunden – um ein Gefühl von Ruhe oder Spannung hinzuzufügen.

„Holzkasten“-Instrumente

Wie bei Hörsälen haben auch Instrumente, die aus einem hohlen Holz „Kasten“ bestehen, resonante Modi, deren Frequenzen mit den Abmessungen des Kastens in Beziehung stehen. Um zu vermeiden, dass modale Resonanzen einige Töne viel lauter machen als andere, sind Geigen, Gitarren und andere Holzboxinstrumente mit einer unregelmäßigen, kurvigen Form gestaltet. Diese Instrumente haben zwar immer noch Modi, aber die kontinuierlichen Kurven entlang der Seiten minimieren eine starke Ansammlung an Einzel-Frequenzen und deren Vielfachen.

Ähnlich wie bei Räumen, wenn ein resonanter Modus nahe, aber nicht genau bei einer gespielten Frequenz ist, resultiert dies in einem verstimmten Schwingungsfrequenzunterschied, der als Wolfston bekannt ist. Dies ist in Celli und akustischen Bässen ausgeprägter als bei kleineren Holzboxinstrumenten. Bei vielen Celli tritt eine starke Resonanz irgendwo zwischen dem E bei 164,8 Hz und dem F# bei 185 Hz auf. Ob die Resonanz genau im Einklang mit einer Standardtonfrequenz ist oder nicht, dieser eine Ton wird lauter als die anderen klingen und es wird schwieriger für den Spieler, ihn mit dem Bogen zu kontrollieren. Selbst sehr gute Celli können Wolfstöne haben, und es gibt verschiedene Vorrichtungen, die am Cellokorpus oder an einer tiefen Saite befestigt werden können, um den Effekt zu vermindern.

Holzboxinstrumente haben auch ein oder mehrere Löcher in der Vorderseite, um tiefere Frequenzen entweichen zu lassen. Akustische Gitarren haben typischerweise ein einzelnes rundes Loch mit einem Durchmesser von etwa vier Zoll, und Instrumente der Geigenfamilie haben zwei Löcher, die wie kleine kursive „f“ geformt sind und daher auch als F-Löcher bezeichnet werden. Alle Holzboxinstrumente erzeugen Klang, indem sie dasselbe grundlegende Prinzip wie das Cello verwenden, das in Abbildung 3 gezeigt wird. Vier oder mehr Saiten werden straff über das Griffbrett gezogen, wobei beide Enden fest durch die Stimmwirbel und das Saitenende verankert sind. Die aktive vibrierende Länge der Saiten befindet sich zwischen dem Sattel an einem Ende bei den Stimmwirbeln und der Brücke, die auf dem Korpus liegt. Diese halten die Saiten auch von Seite zu Seite an Ort und Stelle. Dieselben Namen werden für verwandte Teile bei akustischen Gitarren und Banjos verwendet, obwohl bei diesen Instrumenten die Brücke und das Saitenende eine Einheit bilden, die als Sattel bezeichnet wird. Der hier gezeigte Cellodämpfer ist ein kleiner Gummiklotz, der auf die Brücke gelegt wird, um deren Vibration teilweise zu dämpfen.