VENTILE und die Microstruktur von Bindungen
Gregor Widholm, Stefan Campidell
Ventilstock zwischen Druckbauch und Druckknoten.
"Deutsche Konzerttrompete" versus Jazz-Trompete
Blechblasinstrumente bestehen im wesentlichen aus einer Röhre mit einem über die Länge variablen Durchmesser (Abbildung unten).
Die darin "eingeschlossene" Luftsäule fungiert als Oszillator, die Lage ihrer Resonanzfrequenzen entspricht im großen und ganzen dem bekannten harmonischen Raster (Abbildung unten). Daher kann auf so einem Instrument nur eine beschränkte Anzahl von "Tönen" erzeugt werden, nämlich solche, deren Frequenz mit einer der Resonanzfrequenzen identisch ist. Diese Töne werden "Naturtöne" genannt (Abbildung unten).
Resonanzen eines Horns. Die Spitzen der Kurve entsprechen den Frequenzen der spielbaren Naturtöne.
Die Naturtöne eines Blechblasinstrumentes.
Der Notenwert stellt einen Indikator der Übereinstimmung mit der temperierten Stimmung dar. Je kürzer der Notenwert, desto schlechter stiimmt der Naturton mit der musikalischen Stimmung überein.
Um das gesamte chromatische Tonmaterial nutzen zu können, werden bei Blechblasinstrumenten Ventile verwendet, mit deren Hilfe zylindrische Röhren zugeschaltet und damit die akustisch wirksame Länge des Instrumentes um einen Ganzton (1. Ventil), einen Halbton (2. Ventil) und 1 1/2 Töne (3. Ventil) vertieft wird.
Die Erfahrung professioneller Musiker zeigt, daß Ventile massiv die Transienten einer musikalischen Bindung beeinflussen. Den historisch gewachsenen, unterschiedlichen Ventiltypen werden daher allgemein bestimmte klangliche Eigenschaften zugeschrieben. Weltweit werden derzeit meist zwei Typen von Ventilen eingesetzt: das Drehventil und das Pumpenventil. Das bei den Wiener Hörnern verwendete "Wiener Doppel-Pumpenventil" ist eine Sonderform der Pumpenventile. Seine Funktionsweise ist der untenstehenden Abbildung zu entnehmen.
Die klangliche Charakteristik unterschiedlicher Ventiltypen wurde erstmals in den 80er Jahren im Rahmen des FWF-Projektes über die Besonderheiten der Wiener Hörner dokumentiert. Im Zuge der Untersuchungen zeigte sich, daß eine Reihe von Bindungen auf den mit "Wiener Ventilen" ausgestatteten Instrumenten viel "weicher" klingen als auf den mit Drehventilen ausgestatteten Doppelhörnern.
Die Abbildungen unten zeigen deutlich, daß beim Wiener Horn die Töne ineinander übergehen, während beim Doppelhorn mit seinen Drehventilen während des Bin-dungsvorganges kurzzeitig (ca. 15 ms) ein die beiden aufeinanderfolgenden Töne trennendes Geräuschband auftritt.
Dieses Geräuschband wird vom Hörer nicht bewußt wahrgenommen, aufgrund der jahrelangen Hör-Erfahrung jedoch automatisch dem Klang eines bestimmten Instruments/Ventiltyps zugeordnet.
Abbildungen: Abgestrahlter Schall einer Oktavbindung f ' - f '' (links: Wiener Pumpenventil, rechts: Drehventil). Frequenz von links nach rechts, Zeit von vorne nach hinten.
Um das akustische Verhalten des Instrumentes während des Bindungsvorganges zu erfassen, wurde der mechanische Vorgang der Ventilbetätigung in 8 Stufen unterteilt und für jede Stufe eine Eingangsimpedanzmessung durchgeführt.
Aus den einzelnen Impedanzkurven wurde der relevante Frequenzbereich (von der Grundfrequenz des Ausgangstons bis zur Grundfrequenz des Zieltons) ausgeschnitten und hintereinander gesetzt zusammengefügt.
Die so erhaltenen Weg-Impedanz-Frequenz-Diagramme (Abbildungen unten) entsprechen den Wasserfallspektren des vom Instrument abgestrahlten Schalls (Abb. unten) und geben die Situation wieder, die die Lippen des Bläsers im Mundstück während des Bindungsvorganges vorfinden.
Ähnliche Messungen an Trompeten unterschiedlichen Ventiltyps ergaben allerdings völlig konträre Ergebnisse, teilweise war überhaupt kein sinnvoller Zusammenhang zwischen Ventiltyp und akustischer Charakteristik zu finden. Erst weitere Untersuchungen, die größtenteils im Rahmen der Diplomarbeit von Stefan Campidell durchgeführt wurden, brachten neue Erkenntnisse über die akustischen Vorgänge im Instrument während einer Bindung.
So konnte Campidell zeigen, daß unabhängig vom Ventiltyp, das Instrument bei halb gedrücktem Ventil (= Mittelstellung) an der Stelle, an der das betreffende Ventil sitzt, akustisch zu Ende zu sein scheint. Die Diagramme der Impulsmessungen zeigen keinerlei Unterschied zwischen dem gesamten Instrument mit halb gedrücktem Ventil und dem gleichen Instrument, bei dem die restliche Röhre nach dem Ventil einfach entfernt wurde (siehe untenstehende Abbildungen).
Oben: Impulsantwort des Instrumentes bei Mittenstellung, unten: Impulsantwort des Instrumentes wenn es nach dem ersten Ventil zuende ist. Deutlich ist zu sehen, daß akustisch keinerlei Unterschied besteht.
Das heißt: bei jedem Bindungsvorgang durchläuft das Instrument eine Phase während derer es am Ort des betätigten Ventils akustisch zu enden scheint!
Da bei Trompeten die beiden gängigen Ventiltypen an unterschiedlicher Stelle innerhalb des zylindrischen Teils der Röhre positioniert sind (Abbildung unten), lag es nahe, den Einfluß der Ventilposition auf die Charakteristik des gesamten Instrumentes zu überprüfen.
Ventilpositionen entlang der Instrumentenröhre.
Es wurden daher die Positionen der Dreh- und Perinetventile getauscht und dazwischen an zusätzlichen Positionen gemessen.
Das Resultat ist eindeutig: unabhängig von der Bauart zeigt jedes gemessene Ventil an der jeweiligen Position die gleiche akustische Charakteristik!
Die akustische Charakteristik eines Instrumentes während einer Bindung ist primär nicht von der Bauart eines Ventils, sondern von dessen Position auf der achse der Instrumentenröhre abhängig!
Da für jede Frequenz die Verteilung der Druckbäuche und -knoten im Instrument unterschiedlich ist, hat eine fixe Position des Ventilstockes, für die jeweils gespielten Töne, eine unterschiedliche Position innerhalb eines Druck-Bauchs oder Druck-Knotens zur Folge.
Beispiel für die Druckverteilung in der untersuchten Trompete für den 6. Naturton, e ''.
Neueste Untersuchungen haben gezeigt, daß es dann ein "Geräuschband" und damit den Eindruck einer "klaren" Bindung gibt, wenn das benützte Ventil sich für diese Töne im Bereich eines Druckbauchs befindet.
Impedanz während der Bindung c '' - b ' (Ventil im Druckbauch).
Der Bläser "wandert" von links vorne nach rechts hinten. Nach dem ersten Drittel der Bindung entsteht ein steiler Impedanz- graben, der im Klang ein Geräuschband und damit den Eindruck einer "Ton-Trennung" bewirkt.
Bei einer Position in einem Druckknoten werden hingegen "weiche" Bindungen begünstigt, gleich welcher Ventiltyp Anwendung findet (Abbildung unten). Bei einer Position des Ventilstockes zwischen Druckbäuchen und -knoten zeigt sich die akustische Charakteristik als Mischform beider Extrempositionen.
Gleich wie die vorige Abbildung, nur Ventil in Druckknoten positioniert. Ein breiter Impedanzrücken sorgt für einen kontinuierlichen Übergang zwischen den zwei Tönen.
Die folgenden drei Abbildungen zeigen, wie groß der Einfluß der Position des Ventils auf die klangliche Struktur der Bindung ist. Bindung c" - b" auf einer B-Trompete mit Drehventilen.
Ventilstock bei Druckbauch. Bindung mit Geräuschband.
Ventilstock bei Druckknoten. Bindung ohne Geräuschband (weich).
Ventilstock zwischen Druckbauch und Druckknoten. Mischform.
Das Bild unten zeigt die -extra für diesen Zweck von Romeo Adaci gebaute- Versuchstrompete mit dem angekoppelten BIAS-Meßkopf und dem verschiebbar eingebauten Drehventilstock. Rechts daneben sind die für die einzelnen Positionen notwendigen Zwischenstücke und der Perinet-Ventilstock zu sehen.
Bei Bindungen über größere Intervalle, z.B. g1 - f2 (ebenfalls auf der B-Trompete mit Drehventilen) zeigen sich zwar die charakteristischen Unterschiede, sie kommen in der Spielpraxis aber weniger stark zum Tragen, da der Spieler - wie aus den Diagrammen ersichtlich ist - im Zuge der Bindung mehrere Naturtöne (=Impedanzberge) überspringen muß.
Bindung g1 - f2 , Ventil bei Druckbauch.
Bindung g1 - f2 , Ventil bei Druckknoten.
"Deutsche Konzerttrompete" versus Jazz-Trompete
Die Tabelle zeigt deutlich, daß der in Wien und Teilen Deutschlands benützte Tropetentypus mit Drehventilen insegsamt mehr "weiche" Bindungen aufweist als das amerikanische Modell mit den Perinetventilen.
Ursache dafür: nicht der Ventiltypus, sondern die unterschiedliche Position des Ventilstockes!
Aufgrund dieser Erkenntnisse kann im Prinzip für jedes Instrument eine -je nach Geschmack des Musikers- optimale Position des Ventilstockes vorausberechnet werden, egal ob es sich um ein bestehendes, fiktives oder neu zu bauendes Instrument handelt.
Eine statistische Auswertung "weicher" und "klarer" Bindungen in Abhängigkeit von der Ventilstock-Position unter Berücksichtigung der musikalischen Wertigkeit und Häufigkeit bestimmter Bindungen für verschiedene Instrumente (Hörner, Posaunen, etc.) wird noch durchzuführen sein.
Für den Musiker und Instrumentenbauer bieten diese Erkenntnisse neue Perspektiven: da z.B. Trompeten in unzähligen Varianten hergestellt werden, muß der Profimusiker in Zukunft nicht mehr jahrelang Instrumente testen, um eines zu finden, das seinen Vorstellungen von "idealen Bindungen" am nächsten kommt.
Instrumentenerzeuger können in Hinkunft durch die gezielte Position der Ventile bewußt Instrumente mit bestimmten Eigenschaften anbieten.