Klavier-Aufbau — Die Geschichte

Den Start der Geschichte des Klaviers kann man an verschiedenen Zeitpunkten ansetzten. Ob bereits das Monochord im 6. Jahrhundert v. Chr. oder doch eher das Clavichord im 14. Jahrhundert als Urvater gilt, ist umstritten. Erster Entwickler des Hammer-Klaviers war 1700 Bartolomeo Christofori. Es ist als Christofori-Piano bekannt. Die Saiten wurden mit Hämmern angeschlagen, wie beim heutigen Klavier-Aufbau.

Christofori-Piano aus 1720. Foto: Wikimedia Commons (CC0)

Die Änderung der Mechanik vom zupfenden Cembalo oder dem mit Tangenten angeschlagenen Clavichord zu Hämmern muss für die Zeit als revolutionär angesehen werden, da alle vorherigen Spielmechaniken nur einen stark begrenzten Dynamikumfang vorwiesen. Das neu entwickelte Musikinstrument nannte sich „Il Pianoforte“, was direkt aus dem italienischen so viel bedeutet, wie „Das Leiselaut“. Dies liegt daran, dass es mit einem Tasteninstrument nun zum ersten Mal möglich war, sowohl sehr leise, als auch sehr laut zu spielen.

Das Christofori-Piano besaß beinahe alle Bestandteile eines heutigen Klaviers oder Flügels. Die einzelnen Bestandteile wurden jedoch über die nächsten zwei Jahrhunderte noch weiter entwickelt und verfeinert. Hierbei haben namhafte Erfinder und Hersteller, wie Gottfried Silbermann, Sébastien Érard, sowie Heinrich Steinweg und sein Sohn Henry Steinway mitgewirkt, um das Klavier zu dem zu machen, was es heute ist. Seit dem Ende des 19. Jahrhunderts haben sich Klavier und Flügel kaum noch verändert. Dabei wuchs beispielsweise der Tonumfang (Ambitus) des Instrumentes von circa 4 Oktaven (49 Tasten) auf die heutigen 7 1/3 Oktaven (88 Tasten).

Klaviatur mit 88 Tasten und Repetitionsmechanik im Hintergrund. Foto: Roman Stracke

Klavier-Aufbau — Die Bestandteile

Ein Klavier ist aus unzähligen Einzelteilen aufgebaut. Die wichtigsten Bestandteile, die sich daraus zusammensetzen, sind:

• Rahmen & Korpus
• Spielwerk
• Resonanzboden
• Gusseisenplatte

Der Korpus

Der Rahmen und der Korpus bilden die Hülle eines Klaviers oder Flügels. Aus akustischer Sicht sind sie eher zweitrangig für den Klang des Instrumentes (Giordano, 2010), bestehen aber fast immer aus einem Hartholz mit hoher Dichte. Durch die Verwendung von Hartholz soll mehr Schallenergie im Inneren des Klangkörpers bleiben und auf den Resonanzboden übergehen. An bestimmten Stellen ist der Korpus unterbrochen. Hier soll der Schall gebündelt austreten können. Bei einem Flügel oder Klavier ist das typischerweise der geöffnete Deckel. Beim Klavier kommt noch hinzu, dass die Rückseite häufig nur mit einem dünnen Stoff bespannt ist.

Das Spielwerk

Das Spielwerk setzt sich zusammen aus Klaviatur, Mechanik und Dämpfung. Beim Anspielen wird die Bewegung des Klavierspielers direkt von der Klaviatur an die Mechanik weitergegeben. Die Mechanik bringt über verschiedenste Hebelübersetzungen einen Hammer zum Schlagen gegen die Saiten. Zusätzlich ist die Klaviatur, über die Mechanik, mit der Dämpfung verbunden. Der Dämpfer geht beim Betätigen der Klaviatur von den Saiten weg und lässt sie frei schwingen. Wenn man die Taste loslässt, dann senkt sich der Dämpfer wieder auf die Saite und der Ton verstummt.

Die Hammermechanik eines Flügels. Viele Hebelmechaniken lassen den Hammer auf die Saite treffen. Foto: Wikimedia Commons (CC0)

Der Resonanzboden

Der Resonanzboden dient vorwiegend zur akustischen Verstärkung eines Klaviers. Da eine Saite, wenn man sie anschlägt, sehr leise klingt, wird die mechanische Schwingung der Saite über einen Steg auf den Resonanzboden übertragen. Der Resonanzboden hat viel mehr Fläche als eine Saite, um mit dieser dann die Luft in Schwingung zu versetzen. Der Resonanzboden ist einer der maßgeblichen Faktoren für den Klang des Klaviers.

Die Gusseisenplatte

Die Gusseisenplatte ist der Kraftklotz unter den Klavier-Einzelteilen. Sie sorgt für Stabilität in den Klavieren und Flügeln und hält die gesamte Zugkraft der Saiten aus. Bei einer durchschnittlichen Zugkraft von 600 Newton pro Saite und 230 Saiten in einem Klavier (Giordano, 2010) entsteht dabei eine Kraft von 138 000 Newton oder einem Gewicht von circa 14 Tonnen.

Klaviersaiten befestigt an der Gusseisenplatte: Das stärkste Glied im Klavier. Foto: Roman Stracke

Bei dem Christofori-Piano gab es noch keine Gusseisenplatte. Erst als sich über die Jahrhunderte die Spannung der Saiten durch die Entwickler immer weiter erhöht haben und auch noch mehr Saiten hinzukamen, kam die Gusseisenplatte hinzu. Die Erfinder mussten etwas Stabileres, als den Holzrahmen verwenden, um die Saiten auf Spannung zu halten, da der Holzrahmen diesen Kräften nicht standgehalten hätte. Obwohl sich viele Instrumentenbauer auf Tradition berufen, forschen Klavier-Bauer stets an Optimierungen, wie in unserer Forschungs-Kooperation mit Steinway & Sons, in der wir mit Hochleitungsrechnern vorhersagen, wie bauliche Änderungen den Klavierklang beeinflussen würden.

Wenn Sie mehr zu Musikinstrumenten herausfinden wollen, dann schauen Sie sich unseren Artikel zu ethnologischen Musikinstrumenten mit I an. Wenn Sie noch mehr zur Systematischen Musikwissenschaft erfahren wollen, dann schauen Sie sich den Artikel zu Musik studieren – Systematische Musikwissenschaft an, besuchen die Sammlung historischer Tasteninstrumente unseres Ehrenprofessors Andreas Beurmann, oder die Sonder-Ausstellung Musik und KI — beide im Museum für Kunst und Gewerbe Hamburg.

Quellen zum Klavier-Aufbau:

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Spektrogramm — was ist das?

Ein Spektrogramm zeiht Ihnen drei Dinge an, die wir Ihnen anhand des Videos genauer erklären:

1. Amplitude (physikalische Lautstärke)
2. Frequenz (die Tiefe oder Höhe des Tones bei einem Sinus)
3. Zeit

Wir wissen durch ein Spektrogramm, zu welchem Zeitpunkt welche Frequenz wie stark (Amplitude) vertreten ist. Über die x-Achse von links nach rechts läuft die Zeit. Auf der y-Achse sind die Frequenzen dargestellt. Über die Farben erkennen Sie, wie groß die Amplitude der einzelnen Frequenzen ist. Hierbei ist rot stärker und blau schwächer. Die höchsten Amplituden sind in einem weißen Glühen dargestellt. Sie sehen genau, wann die Stimme einsetzt, wie ihre Frequenzen erst stark variieren, und dann stetig bleiben, bis auf die kurze, hör- und sichtbare, Vertiefung.

Die parallelen Linien sind die einzelnen Partialtöne, aus denen sich die Gesangsstimme zusammensetzt. In unserem Weltmusikarchiv ERSA können Sie traditionelle Musik aus Indien und vielen weiteren Kulturen entdecken.

Spektrogramm erstellen — Frequenzanalyse

Ein Spektrogramm zu erstellen, ist mit dem richtigen Programm kinderleicht. Ein kostenloses und weitverbreitetes Programm für alle möglichen Audio-Anwendungen ist das Audio-Tool Audacity. Hier können Sie auch direkt die Aufnahmen machen, die Sie später analysieren wollen.

Wenn Sie ihre Audiospur in Audacity importiert haben, dann sehen Sie zuerst die Wellenform, wie in der Grafik dargestellt. Beim Namen ihrer Audiospur (rot markiert) fahren Sie ein Dropdown-Menü aus. Hier wechseln Sie die Ansicht von Wellenform zu Spektrogramm. Auch eine kombinierte Ansicht ist möglich. Wenn Sie nach dem Wechsel noch einmal dasselbe Dropdown-Menü aufrufen, können Sie unter Spektrogramm-Einstellungen Ihre eigenen Wünsche für die Darstellung wählen.

Ein Spektrogramm erstellen. Hier zu sehen ist die Wellenform und in Rot markiert der Name der Audiospur. Nach Erstellen des Spektrogramms können Sie in den Spektrogramm Einstellungen verschiedene Parameter verändern. Foto: Roman Stracke

Um die spektrale Verteilung zu beurteilen, bietet sich eine logarithmische Frequenzdarstellung an. Dann haben Oktaven immer den gleichen Abstand. Zusätzlich können Sie den gewünschten Frequenzbereich einstellen und etwas mit der Fenster-Größe für die Fourier-Transformation herumprobieren, bis Sie ein zufriedenstellendes Ergebnis bekommen. Ein großes Fenster verbessert die Frequenzauflösung, während eine kleine Fenster-Größe die Zeitauflösung verbessert. Der optimale Wert hängt vom Audiomaterial und Ihren Analyse-Zielen ab.

In der Systematischen Musikwissenschaft erforschen wir Musik oft mittels Spektralanalyse und künstlicher Intelligenz. Probieren Sie es in unserem musikethnologischen Archiv ESRA aus und erleben Sie computergestützte Musikanalyse in unserer Ausstellung im Museum für Kunst und Gewerbe.

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Schallabsorptionsgrad – Was sagt er aus?

Der Schallabsorptionsgrad sagt aus, wie viel der eintreffenden Schallleistung absorbiert wird, also in andere Energieformen umgewandelt. Einfacher ausgedrückt könnte man sagen, dass man absorbierten Schall nicht mehr hören kann und er daher geschluckt worden ist.

Dabei ist zu unterstreichen, dass es sich um eine Energiegröße und keine Feldgröße hält. Der Schallabsorptionsgrad ergibt sich nach Fuchs (2017) aus der Summe aller Schallleistungen, die den Schall fortleiten oder in andere Energieformen umwandeln, geteilt durch die gesamte Schallleistung. Alternativ berechnet man ihn auch anhand der Differenz aus gesamter Leistung und reflektierter Leistung, geteilt durch die gesamte Leistung:

\( \Large \alpha = \frac{P_a + P_t + P_f}{P_i} = \frac{P_i – P_r}{P_i} \)

Schallabsorption – Wie wird sie gemessen?

Es gibt zwei typische Methoden für die Messung des Schallabsorptionsgrades: Die Messung einer Probe im Impedanzrohr nach DIN EN ISO 10534 und die Messung im Hallraum nach DIN EN ISO 354. Ein Impedanzrohr ist ein Rohr, aus dem möglichst wenig Schall austreten kann. Im Foto können Sie es sehen. Die Messung im Impedanzrohr kann auf zwei Arten erfolgen (Brunnader; 2002):

• ISO 10534-1 Stehwellenverhältnis-Methode

  • Einsetzen der Probe im Impedanzrohr
  • Ein Lautsprecher gibt ein Sinussignal in das Rohr
  • Eine Mikrofonsonde wird durch das Rohr geführt
  • Ermitteln des Reflexionsgrades anhand der Verhältnisse der absoluten Schalldruckminima und Maxima
  • Der Reflexionsgrad wird in den Absorptionsgrad umgerechnet
  • Die Messung muss für alle Frequenzen wiederholt werden

Messung des Schallabsorptionsgrads einer Probe im Impedanzrohr im Freifeldraum. Foto: Tim Ziemer

• ISO 10534-2: Übertragungsfunktions-Methode

  • Im Impedanzrohr wird eine Probe eingesetzt
  • Ein Lautsprecher erzeugt breitbandiges weißes Rauschen im Rohr
  • Zwei feste Mikrofone nehmen die Signale im Rohr auf
  • Berechnung der komplexen Übertragungsfunktion aus den aufgenommenen Signalen
  • Berechnung der Reflexions- und Absorptionsgrade aus der Übertragungsfunktion
  • In einer Messung können für alle Frequenzen im Messbereich der Absorptionsgrad festgestellt werden

Hallraum — Schallabsorptionsgrad ermitteln

Die Messung im Hallraum ist aus mathematischer Sicht noch simpler gehalten. Anders als in einem schalltoten Raum ist hier der Raum besonders reflektierend. Die Messingenieur’innen messen in dem Hallraum mit einem Volumen zwischen 150 m³ und 500 m³ und einer hohen Diffusität, Nachhallzeiten. Zuerst mehrere in einem leeren Raum, dann im Raum mit zu untersuchender Probe. Durch den anschließenden Unterschied in der Nachhallzeit kann nach der empirischen Nachhallzeit Formel von W.C. Sabine auf die äquivalente Absorptionsfläche umgerechnet werden. Anschließend teilt man noch durch die tatsächliche Fläche der Probe und man erhält den Absorptionsgrad der Probe. Sabine’sche Formel und äquivalente Absorptionsfläche erklären wir in einem eigenen Artikel.

Der nach Norm messbare Frequenzbereich für die Hallraum-Methode liegt zwischen 100 Hz und 5000 Hz, wobei die Messdaten im tieferen Frequenzbereich, je nach Hallraum, bereits ungenau sein können (Zha, Fuchs, Späh; 1996). Die messbaren Frequenzen im Impedanzrohr hängen stark von der Geometrie des Rohres ab. Nach Norm sind hier bestimmte Vorgaben gegeben.

Tabelle – Welche Materialien absorbieren wie stark?

Nach der Theorie folgt nun die Frage: Was bedeutet das für die Praxis? Hier eine Auswahl an typischen Bau- und Haushaltsgegenständen und Barrieren mit ihrem Absorptionsgrad nach (Willems, Schild, Stricker; 2018). Vollständige Absorption ist hier mit einer 1 gekennzeichnet und keine Absorption mit einer 0:

Absorptionsgrad-Tabelle für typische Baumaterialien nach (Willems, Schild, Stricker; 2018)

Neben den alltäglichen Gegenständen und Barrieren, die Schall absorbieren, gibt es auch spezielle technische Absorber. Bei Produkten, die darauf ausgelegt sind, Schall gut zu absorbieren, bewerben die Hersteller den Absorptionsgrad geradezu. Hier eine Auswahl nach (Post, Schmidt; 2019):

Absorptionsgrad-Tabelle für technische Absorber nach (Post, Schmidt; 2019)

Mithilfe unserer Anleitung können Sie Absorber selber bauen. Das ist günstiger und in vielen Fällen sogar effektiver als industrielle Absorber. Falls Sie noch gar nicht wissen, ob Sie Ihren Raum akustisch optimieren wollen, dann lesen Sie sich auch unseren Artikel zum Thema Nachhallzeit berechnen durch.

Quellen zum Schallabsorptionsgrad

• Fuchs, H. V. (2017). Raum-Akustik und Lärm-Minderung (4. Auflage). Vieweg: Springer .
• Brunnader, R. (2002). Aufbau und Programmierung der 2p Messmethode im Impedanzrohr für die Messung akustischer Materialparameter. Technische Universität Graz: Diplomarbeit
• Zha, X., Fuchs, H. V. & Späh, M. (1996). Messung des effektiven Absorptionsgrades in kleinen Räumen. Rundfunktechnische Mitteilungen Jahrgang 40, Heft 3.
• Willems, W. M., Schild, K. & Stricker, D. (2018) Formeln und Tabellen Bauphysik: Wärmeschutz – Feuchteschutz – Klima – Akustik – Brandschutz. Vieweg: Springer
• Post, M., & Schmidt, P. (2019). Praktische Bauphysik. Springer.

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