Klaus Rohwer 

Welche Schwingungsformen nimmt eine Stimmzunge tatsächlich an?

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Es ist mir mit einer speziellen Apparatur gelungen, Stimmzungen beim Schwingen zu "filmen". Diese Filme möchte ich den Mundharmonikafreunden nicht vorenthalten. Zum Abspielen der Filme bitte auf die Bilder unten klicken!

Schwingende Ziehzunge (421 KB)	Schwingende Blaszunge (ohne Ventil; 359 KB)	Schwingende Blaszunge (mit Ventil; 461 KB)	Torsionsschwingung einer Ziehzunge (503 KB)

Wie auch in meinem Beitrag "Welche Schwingungsformen kann eine Stimmzunge (theoretisch) annehmen?" beschrieben, kann ein physikalisches System wie eine Stimmzunge prinzipiell drei Arten von Schwingungen ausführen:

• Longitudinale (Längs-),
• transversale (Quer-) und
• Torsions(Dreh-)schwingungen.

Von den transversalen Schwingungen gibt es zwei Arten: horizontale (waagerechte) und vertikale (senkrechte). Die normale Art zu schwingen ist transversal-vertikal, und die erste Transversalmode ist auch die Grundschwingung der Stimmzunge. Diese Art Schwingung ist in den ersten drei Filmchen zu sehen. Es handelt sich um eine Ziehzunge, eine Blaszunge sowie um eine Blaszunge mit Ventil.

Torsionsschwingungen sollen eigentlich nicht auftreten, tun es aber manchmal dennoch und machen sich als "Quietschen" oder "Klingeln" bemerkbar. Die erste Torsionsmode ist im vierten Filmchen zu sehen. Dass das "Quietschen" der Stimmzunge nicht zu hören ist liegt daran, dass seine Frequenz offenbar oberhalb der Bandbreite des Mikrofons meiner Kamera lag. Andere Schwingungsmoden als die erste Transversalmode und die erste Torsionsmode habe ich bisher nicht beobachtet.

Die ersten beiden Filmchen sind mit einer (alten) Seydel Bandmaster chromatic entstanden, weil bei dieser die Stimmzungen von der Spitze her angeströmt werden und weil das Instrument keine Ventile hat. Dadurch kann man die Schwingungen besser beobachten. Das dritte und vierte Filmchen wurde mit einer Hohner Chromonica 270/48 DeLuxe aufgenommen, die (außer für die hohen Töne) Ventile besitzt und wo die Stimmzungen über den Stiefel angeströmt werden -- wie mittlerweile bei allen(?) Hohner-Instrumenten. Hier sieht man zwar die Schwingung der Blaszunge selbst nicht so gut, aber die Bewegung des Ventils. Für die Erregung der Torsionschwingung im vierten Filmchen musste ich die Mundstellung anders als gewöhnlich wählen, damit nicht die normale (transversale) Schwingung angeregt wird.

Der eigentliche Nutzen meiner Apparatur liegt aber gar nicht darin, solche Filme erzeugen zu können, sondern die Bewegungen der Stimmzungen zu beliebigen Zeitpunkten (scheinbar) "einfrieren" und diese Zeitpunkte mit den Drucksignalen eines Mikrofons korrelieren zu können. Die folgenden Bilder zeigen jeweils links eine Aufnahme einer "eingefrorenen" Stimmzunge und rechts ein Oszillogramm (aufgenommen mit der Soundkarte meines Computers) mit jeweils zwei Perioden des zugehörigen Druckverlaufs am Ort des Mikrofons. Im jeweiligen Oszillogramm ist der derjenige Punkt markiert, der zum Bild links gehört. Es wurden nur jeweils vier besonders charakteristische Punkte herausgegriffen: die Stellen maximalen und minimalen Drucks und die Stellen der weitesten Auslenkung der Stimmzungen aus der Ruhelage sowohl nach unten als auch nach oben. Das "Gezappel" zwischen diesen Punkten hängt übrigens sehr stark von der Mundstellung des Spielers ab.

Ziehzunge
		Ziehzunge D4 kurz vor dem Schließen des Schlitzes. Dies bewirkt offenbar einen Unterdruckimpuls am Ort des Mikrofons.
		Ziehzunge D4 am unteren Umkehrpunkt (maximale Auslenkung nach unten)
		Ziehzunge D4 kurz nach dem Öffnen des Schlitzes. Dies bewirkt offenbar den maximalen Druck am Ort des Mikrofons.
		Ziehzunge D4 am oberen Umkehrpunkt (maximale Auslenkung nach oben)
Blaszunge
		Blaszunge E4 auf dem Weg nach oben kurz vor dem Schließen des Schlitzes. Dies bewirkt offenbar einen Druckimpuls am Ort des Mikrofons.
		Blaszunge E4 am oberen Umkehrpunkt (maximale Auslenkung nach oben). Offenbar erhebt sich die Blaszunge nur wenig über die Oberseite der Stimmplatte.
		Blaszunge E4 auf dem Weg nach unten kurz nach dem Öffnen des Schlitzes. Dies bewirkt offenbar den minimalen Druck am Ort des Mikrofons.
		Blaszunge E4 am unteren Umkehrpunkt (maximale Auslenkung nach unten).

Interessanterweise hängt die Amplitude der mechanischen Schwingungen der Stimmzungen kaum von der Lautstärke ab, mit der man das Instrument spielt. Die hörbaren Lautstärkeunterschiede werden offenbar fast ausschließlich durch die mehr oder weniger große Menge an Luft erzeugt, die durch die Stimmzungenschlitze hindurchgeht und von der Stimmzunge zerhackt wird. Das erklärt auch den Dynamik-Kompressionseffekt, den ich bei meiner elektrischen Mundharmonika beobachte, bei der ich ja nur die mechanische Schwingung der Stimmzungen abtaste. Leider kann ich über die absoluten Druckwerte keine Aussage machen. Falls aber mal jemand eine numerische Simulation einer schwingenden Stimmzunge einschließlich der Luftströmung machen sollte, müssten die relativen Druckänderungen während einer Schwingungsperiode so herauskommen wie gemessen.

Apparatur

Meine Appartur zur Beobachtung schwingender Stimmzungen ist -- das werden Sie sich sicher schon gedacht haben -- ein Stroboskop, also ein Blitzlicht, das immer nur für ganz kurze Zeit, aber oft hintereinander aufleuchtet. Durch Synchronisation mit den Signalen eines Mikrofons (in den Bildern und Filmen als schwarzer Punkt im Vordergrund zu sehen) gelingt es, die Blitze in jeder Schwingungsperiode auszulösen, wobei die Phasenbeziehung zum Eingangssignal eingestellt werden kann. Als Mikrofon habe ich ein Elektret-Kondensator-Messmikrofon verwendet, das sich durch einen linearen Frequenzgang auszeichnet. Ich habe es in eine Holzleiste so eingelassen, dass es mit seiner Schallöffnung mit der Holzoberfläche abschließt und auf diese Weise ein sogenanntes Grenzflächenmikrofon bildet.

Die Blitzlampen werden von drei sehr hellen weißen Leuchtdioden (LEDs) gebildet. Diese sitzen zusammen mit einem Schalttransistor, einem Speicherkondensator und etwas Elektronik in einem kleinen Gehäuse, das ich oberhalb des Mikrofons befestigt habe (im Bild rechts am oberen Rand links der Mitte zu erkennen). Dieser "Blitzkopf" wird über ein BNC-Kabel mit Strom und den Steuerimpulsen versorgt. Die übrige Elektronik habe ich in ein etwas größeres Gehäuse eingebaut (im Bild am unteren Rand). Sie ist teils analog (Signalaufbereitung), teils digital (Phasenverzögerung und Impulserzeugung) aufgebaut. Eigentlich wäre solch ein Projekt prädestiniert für den Einsatz eines Microcontrollers, aber damit habe ich wenig Erfahrung und hätte mich erst wieder in das Thema einarbeiten müssen (vielleicht mache ich das später noch). Des Weiteren sind im Bild noch zu erkennen: die Kamera (Mitte oben), mit der die Bild- und Filmaufnahmen gemacht wurden, sowie rechts oben im Hintergrund ein Zweikanal-Oszilloskop. Um fortlaufende Schwingungsbewegungen darzustellen und zu filmen ist noch etwas zusätzliche Elektronik nötig, die nicht im Bild gezeigt ist. Aber dafür ist ja -- wie gesagt -- meine Apparatur auch eigentlich nicht gedacht.

Die Mundharmonika im Bild ist meine alte Seydel Bandmaster Chromatic (eine von den "Zwillingen"), natürlich ohne Deckel und -- wie bei mir üblich -- auf "Linksverkehr" umgebaut. Die Apparatur funktioniert natürlich auch mit anderen Mundharmonikas einschließlich Bluesharps.

Dieser Beitrag ist (redaktionell bearbeitet) in der Zeitschrift Intermusik 18. Jahrgang / Nr. 4 (April 2009), Seite 5, erschienen.

Die Inhalte meiner Kleinen Mundharmonikaphysik finden sich auch - ausführlicher und aktualisiert - in meinem 2022 erschienenen Mundharmonikabuch. Für die Schwingungen der Stimmzungen verweise ich dort allerdings auf diese Seite.

Liste meiner (nicht nur musikalischen) Veröffentlichungen.