Physikalische Betrachtung des Flötenspiels

Töne/Klänge

Physikalisch betrachtet bestehen Töne aus Schwingungen. Die Tonhöhe wird durch die Frequenz, die Lautstärke durch die Amplitude bestimmt. Was der Musiker jedoch als Ton bezeichnet, ist für den Physiker ein Klang. Physikalisch betrachtet ist ein Ton nämlich eine einzelne Schwingung, wohingegen sich ein Klang aus mehreren Teiltönen zusammensetzt.

Der Unterschied von Ton/Klang zu Geräusch ist in der Regelmässigkeit der Schwingung zu finden. Bei einem Geräusch ist die Schwingbewegung der Luft sehr ungleichmässig, bei Tönen dagegen handelt es sich um immer wiederkehrende gleichförmige Luftbewegungen.

Die Töne aus denen sich ein Instrumentalklang zusammensetzt heißen Ober-, Teil- oder Partialtöne. Jeder Ton der Obertonreihe hat als Frequenz das ganzzahlige Vielfache der Frequenz des Grundtons. Die Mischung dieser Obertöne und die unterschiedliche Dominanz der verschiedenen Frequenzen erzeugen den jeweils für ein Instrument charakteristischen Klang.

Die verschiedenen Obertöne überlagern sich und bei Betrachtung der Schwingung ergibt sich ein unregelmäßes Bild mit Buckeln und Kurven. Man bezeichnet diese Schwingungsform dann auch als die Hüllkurve.

Die Flöte wird als eher arm an Obertönen bezeichnet, da hier ca. 80% der Energie im Grundton eingesetzt sind.

Schallausbreitung

Damit der Schall von seiner Quelle (z. B. der Flöte) zu einem Empfänger (z. B. dem Hörer) gelangen kann, benötigt er ein Medium. Im Vakuum ist keine Schallausbreitung möglich.

Die Geschwindigkeit, mit der sich Schall bewegt, hängt von eben diesem Medium ab. Für Luft bei 20°C beträgt die Schallgeschwindigkeit beispielsweise 343,8 m/s.

Die Beeinflussung der Schallgeschwindigkeit durch Temperatur und Luftzusammensetzung macht sich bei Blasinstrumenten in der ansteigenden Intonation des allmählich wärmer werdenden Instruments bemerkbar. Unabhängig von den Umgebungstemperaturen ergibt sich eine Erwärmung bereits durch den Atem des Spielers je länger er spielt. Dies zeigt sich besonders deutlich zum Beispiel in kalten Kirchen und bei längeren Pausen zwischen den gespielten Stücken. In solchen Fällen vermag der Atem nur den oberen Teil des Instruments zu erwärmen. Der Temperaturverlauf im Rohr führt zu Intonationsschwierigkeiten zwischen Tönen mit langem bzw. kurzem geschlossenen Rohr.

Quellen:

Resonanz

Jedes Musikinstrument wirkt als Resonanzkörper für die vom Musiker erzeugten Töne. Das bedeutet, daß das Schwingen des Instrumentenkörpers die Töne lauter erklingen läßt.

Bei Streichinstrumenten ist der Resonanzkörper dabei so angelegt, daß er den gesamten Tonumfang des jeweiligen Instruments zu verstärken vermag.

Blasinstrumente dagegen gehören zu den sogenannten Luftraumresonatoren, deren Konstruktion einen scharf begrenzten Wellenlängenbereich durch Resonanz verstärkt. Der jeweilige Tonumfang dieses Resonanzbereichs wird durch die Verlängerung bzw. Verkürzung des Resonanzkörpers mit Hilfe von Klappen, Zügen oder verschieden langen Pfeifen an den zu spielenden Ton angepaßt.

Tonbildung bei der Flöte

Bei der Flöte wird der Ton durch das Schwingen der im Instrument befindlichen Luftsäule erzeugt. Die Luftteilchen im Flötenrohr werden durch die über die Schneide des Mundlochs geblasene Luft in Bewegung versetzt. Diese Bewegung pflanzt sich durch das ganze Rohr bis zum offenen Ende am Fuß fort, wo sie reflektiert wird. Die eigentliche Schwingung, entstehend an der Kante des Mundlochs wird so durch die Luft innerhalb der Flöte im Grunde nur verstärkt. Die Flöte ist sozusagen der Resonanzraum für die am Kopfstück vorliegende Luftschwingung.

Neben der Flöte bildet gleichzeitig aber auch der Mundraum des Flötisten einen Resonanzraum, der je nach Position der Zunge durch diese sogar noch in zwei Teilräume aufgeteilt wird. Damit bildet die Zungenstellung gleichzeitig auch eine Möglichkeit, die Klangfarbe des Tons zu verändern.

Einflußgrößen bei der Tonbildung sind damit Form und Größe des Lippenspaltes aus dem die anstoßende Luft strömt, die Geschwindigkeit dieser anblasenden Luft, der Anblaswinkel in dem die Luft auf die Schneide des Mundlochs auftrifft, die Menge der auftreffenden Luft und die Größe des offenen Mundlochbereichs am Kopfstück. In der Praxis werden für höhere Töne der Abstand von Lippenöffnung zu Mundlochkante verringert und die Lippenöffnung verkleinert. Das führt dann zu etwas mehr gespitzten Lippen als bei tieferen Tönen

Da die Schwingung in Richtung der Rohrachse erfolgt, spricht man von einer Longitudinalwelle. Durch die Reflektion bildet sich im Rohr eine stehende Welle aus, die sich durch Druckschwankungen innerhalb des Rohres bemerkbar macht. Jede Druckwelle durchläuft hierbei das Rohr einmal hin- und einmal rückwärts. Die Wellenlänge des offenen Rohres ist also gleich dessen doppelter Länge (Bernoullische Gesetze).

Was sich beim Schwingungsvorgang in einer Flöte bewegt ist aber nicht die Luft im Rohr sondern nur die Druckschwankung. Es handelt sich um eine stehende Welle und die geblasene Luft dient nur der Anregung. Innerhalb des Instruments wird keine Luftströmung ausgebildet.

Die Schallabgabe erfolgt bei der Flöte immer am Mundloch und gleichzeitig auch beim ersten geöffneten Griffloch. Dadurch entsteht per se immer ein Stereoeffekt, der je länger das Rohr umso stärker ausfällt. Das bedeutet auch, dass er schwächer bei einem Piccolo ist als bei einer Bassflöte und auch stärker bei einem tiefen C als bei einem mittleren oder hohen.

Intervalle

Die Intervalle ergeben sich aus ganzzahligen Verhältnissen der Frequenzen zueinander. Bei der temperierten Stimmung werden diese Quotienten nicht mehr exakt erfüllt.

Die Entdeckung dieser Zusammenhänge wird dem griechischen Mathematiker Pythagoras zugeschrieben. Es wäre allerdings auch denkbar, dass er hier einiges von den Babyloniern übernommen hat.

Energie/Leistung

Zunächst möchte ich einige Zahlenwerte zur energetischen Seite des Flötenspiels zitieren, um ein Gefühl für die Größenordnungen zu vermitteln.

Werner Richter hat in "Bewusste Flötentechnik" den physikalischen Wirkungsgrad (Nutzleistung/Verluste) aus Strömungsenergie und Energie des erzeugten Schalls für ein A (440 Hz) zu 0,08% angegeben. Als zweites Zahlenbeispiel soll die Schallleistung einer Querflöte in ihrer günstigsten Lage, der zweiten Oktave, dienen. Hier erzeugt der Spieler eine Leistung von maximal 0,013 Watt. Verglichen mit einer schwachen Glühbirne von etwa 40 Watt wird der Dimensionsunterschied deutlich.

Gleichzeitig zeigt die letzte Zahl, wie empfindlich unser Gehör ist, das derartig geringe Schallleistungen wahrnimmt.

Die Blasenergie, die beim Flötenspiel vom Musiker aufgewendet wird, liegt zwischen 0,1 und 2,1 Watt, abhängig von Lautstärke und Tonhöhe. Auch eine Tuba läßt sich mit Werten in dieser Größenordnung spielen, kann jedoch auch bis zum 9-fachen dieses Aufwandes aufnehmen.

Hören

Das menschliche Gehör erfasst einen Frequenzbereich von 20 Hz in der Tiefe bis 20.000 Hz in der Höhe. Dabei ist das Ohr so empfindlich, dass es bereits eine Schallleistung von nur 10-16 W/cm2 wahrnehmen kann. Wäre unser Ohr noch empfindlicher, so würden wir die Bewegung der Luftmoleküle hören.

Zwischen den leisesten vom menschlichen Ohr wahrnehmbaren Tönen und den lautesten, die noch keine Schmerzen verursachen, liegt eine Differenz von 12 Zehnerpotenzen. Die Reaktionszeit vom Eingang eines Klangs bis zur Meldung im Gehirn ist beim Hören ca. zwei bis drei Zehnerpotenzen kürzer als beim Sehen oder Riechen.

Im Alter schrumpft der hörbare Bereich, so dass ein Mensch mit 35 Jahren nur noch Frequenzen bis ca. 15 kHz und mit 60 Jahren nur noch bis ca. 5 kHz hören kann.

Die Form der Ohrmuschel erlaubt es, auch mit nur einem Ohr in einem gewissen Frequenzbereich die Richtung, aus der ein Ton kommt, zu erkennen. Beim Hören mit beiden Ohren dient der zeitliche Unterschied zwischen den beiden Ohren zusätzlich zur Ortung der Quelle. Die Konstruktion des Mittelohrs mit den Hörknöchelchen als Vermittler zum Innenohr, dient sowohl als Verstärker für leise Töne als auch als Dämpfer für laute, um das Innenohr zu schützen.

Quellen:
Autor: Claudia Haider; Stand 10.04.2013