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Wissenschaft im Alltag: Die Physik des Blues

Zwei Metallplatten mit Schlitzen und Stimmzungen, dazwischen ein Holz- oder Kunststoffkörper, der den Luftstrom kanalisiert, zwei schützende Deckel und fertig ist die Mundharmonika. Ein simples Instrument, kein Vergleich mit dem großen Verwandten Akkordeon. So ist verständlich, dass sich nur selten Wissenschaftler damit befassen, oder?
Der Grundaufbau einer Mundharmonika
Dass die Mundharmonika für mehr geeignet ist als für Wanderlieder, beweisen virtuos gespielte Bach-Sonaten, Jazzskalen oder schwermütige Bluesballaden. Und wer ihre physikalische Seite als einfach erachtet, der irrt gewaltig.

Irrtum Nr. 1: Was wir hören, ist lediglich die Vibration der Stimmzungen.
Tatsächlich erzeugen deren Schwingungen Luftdruckschwankungen, also Töne, indem sie den durch die Schlitze streichenden "Spielwind" periodisch unterbrechen. Länge, Masse und Steifigkeit einer Zunge bestimmen aber die Frequenz ihrer Schwingung und damit ziemlich genau die der resultierenden Tonstufe.

Der Grundaufbau einer Mundharmonika | Der Grundaufbau einer Mundharmonika scheint einfach: Kanzelle, Schlitze und Stimmzungen bilden jeweils die Klang erzeugende Einheit. Die durch Blasen angespielten Zungen sitzen auf der oberen Stimmplatte, die für Zug auf der unteren. Beim chromatischen Instrument kommen zwei Stimmplatten und ein Schieber hinzu, der die Luft umlenkt.
Irrtum Nr. 2: Hineinblasen in eine "Kanzelle" (siehe Grafik) erhöht dort den Druck und der lenkt die Stimmzunge aus, beim Ziehen gilt Analoges.
Die Wahrheit ist komplexer. Die als Lösabstand bezeichnete geringe Distanz zwischen Metallplatte und Zunge wirkt wie eine Düse: Die Luft wird darin beschleunigt, es entsteht ein Sog, der die Stimmzunge auslenkt. Die resultierende Schwingung würde rasch gedämpft. Doch erneut kommt die Aerodynamik ins Spiel und bringt Druckdifferenzen hervor, die in Richtung des Spielwinds größer ausfallen. So kann die Zunge immer wieder Energie aufnehmen. Instrumentenbauer ersannen zwei Grundtypen der Mundharmonika: chromatische und diatonische. Erstere bieten alle zwölf Töne einer chromatischen Tonleiter mit Hilfe eines Schiebers, der den Luftstrom zwischen den entsprechenden Zungen in vier Kanzellen umschaltet. Diese Mundharmonika eignet sich vor allem für das Solospiel, üblich sind drei Oktaven. Verbreiteter ist die diatonische Variante, die zunächst nur die Grundtöne einer Tonart bietet. Die als Richterstimmung bezeichnete Tonanordnung auf zehn Kanzellen erlaubt mehr Akkorde und prädestiniert dieses Instrument deshalb eigentlich für das Begleitspiel (siehe Grafik Richter-Harmonika in C). Doch Bluesmusiker entdeckten um 1900 Unglaubliches: Durch eine Veränderung des Mund-Rachen-Raums senkten sie einen Ton um einen, im Extremfall um drei Halbtonschritte. Ihre »Blue notes« eroberten dem Instrument einen neuen Platz als Bluesharp.

Richter-Harmonika in C | Bei der Bluesharp sind die Töne nach der Richterstimmung angeordnet. Nur die mittleren vier Kanzellen liefern eine vollständige Oktave. Durch Veränderung des Mund-Rachen- Raums kann ein Spieler zusätzliche Halbtöne hervorbringen Bending und Overbending). Um Einzeltöne zu spielen, verschließen Musiker Kanäle mit der Zunge oder formen ihre Lippen wie beim Pfeifen.
Irrtum Nr. 3: Pro Ton schwingt immer nur eine Zunge.
Nur wenige Forscher sind diesem »Bending« genannten Phänomen bislang auf den Grund gegangen. Und sie widerlegten diese so nahe liegende Einschätzung. Tatsächlich bilden Blas- und Ziehzungen mit der Luftsäule des Mund-Rachen- Raums ein gekoppeltes Schwingungssystem. Beim Blasen wird deshalb auch das Pendant angeregt, allerdings nur schwach (das Gleiche gilt bei Zug). Verändert der Musiker den Mundraum und verlängert durch Zwerchfellatmung die Luftsäule, so verändert er die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems.

WUSSTEN SIE SCHON?

Das Prinzip der frei schwingenden Stimmzunge wurde vor etwa 5000 Jahren in China entdeckt. Eines der in Südostasien verbreiteten Instrumente, das Sheng, gelangte 1776 nach Europa und inspirierte die Instrumentenbauer. Christian Friedrich Buschmann erfand 1821 eine "Mundorgel", der böhmische Instrumentenbauer Joseph Richter 1825 die Anordnung von zwanzig Tönen auf zehn Kanzellen.
Beiden Zungen wird nun eine Schwingung aufgezwungen: Je niedriger ihre Frequenz, desto stärker ist die tiefer klingende Stimmzunge beteiligt. Im Extrem schwingt sie etwa einen Halbton über ihrer Grundfrequenz und trägt den Hauptteil zum Klang bei. Neben dem Bending gibt es auch noch ein »Overbending« beim Blasen oder Ziehen. Es erzeugt Töne, die etwa einen Halbton höher liegen als zu erwarten. Dazu ein Beispiel: In einer Kanzelle, die auf Blasen G und auf Ziehen A hervorbringt, lässt sich mit "Overblowing" ein B spielen.
Der Begriff Overblowing, von dem Virtuosen Howard Levy aus dem Saxophon-Spiel übernommen, suggeriert einen

Irrtum Nr. 4: Overbending beruht auf höherem Krafteinsatz.
In Wahrheit verändert der Musiker wieder die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems durch seinen Mund-Rachen-Raum. Allerdings muss er das schwierige Kunststück fertig bringen, die Stimmzunge, die normalerweise schwingen sollte, nicht anzuregen oder zu stoppen. Sie verschließt dann den Schlitz in der Stimmplatte und der Spielwind sucht sich den Ausgang auf der gegenüberliegenden Seite. Im obigem Beispiel schwingt also nur die Ziehzunge und bringt ein B hervor, bei einem "Overdrawing" vibriert die Blaszunge mit höherer Frequenz. Weil dieser Zustand der beiden Zungen sehr instabil ist, meistern nur wenige Virtuosen diese Technik.



"Wissenschaft im Alltag" ist eine regelmäßige Rubrik in Spektrum der Wissenschaft. Eine Sammlung besonders schöner Artikel dieser Rubrik ist soeben als Dossier erschienen.

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