An der Fachhochschule Ostfriesland Emden (Dr. György
Paál, Prof. Dr. Walter Garen) wurden 1997 in
Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Bauphysik
(Dr. Judit Angster, Prof. Dr. András Miklós)
Visualisierungen, lasergestützte Strömungsmessungen
(LDA) und akustische Messungen an der Luftströmung von
klingenden Orgelpfeifen betrieben. Die Firma Firma Freiburger Orgelbau Hartwig
Späth und der Verfasser waren daran als Kooperationspartner
beteiligt.
Bei dem Forschungsvorhaben wurde der Einfluss von Kernstichen
untersucht. Ausgangspunkt für das Projekt bildete ein neues
Messverfahren, mit dem es möglich ist, Luftströmungen
berührungslos hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit und
Richtung zu messen. Eine solche Messeinrichtung befindet sich in
der Fachhochschule Emden und wird von Herrn Dr. György
Paál unter der Leitung von Prof. Dr. Walter Garen
eingesetzt. Neben der wissenschaftlich exakten Analyse des
Luftblattes wurde dieses außerdem mit Hilfe der
Schlierentechnik sichtbar gemacht. Zudem wurden die Pfeifen
gleichzeitig akustisch im Fraunhofer Institut für Bauphysik
durch Dr. Judit Angster und Prof. Dr. András Miklós
vermessen und durch den Verfasser subjektiv beurteilt. Diese
Maßnahmen wurden an ganz gewöhnlichen Orgelpfeifen
durchgeführt und nicht an Modellen, wie es bislang
üblich war. Nur so ist eine wissenschaftliche Aussage
möglich, die in die Praxis übertragen werden kann.
Als "Orgel" diente ein Modell einer Windlade mit
durchschnittlicher Kanzellenlänge von 70 cm. Die Pfeifen (4'
G) wurden über ein großzügig dimensioniertes
Flexrohr an die Kanzelle angeschlossen und stehend auf einem
Brett mit Oberraster montiert. Die Windversorgung erfolge durch
ein Gebläse mit Regulatorbalg. Ein Magnet öffnete das
Schwanzventil unterhalb der Windstube am Abzugsdraht.
Anspracheverhalten und stationärer Ton waren in jeder
Hinsicht mit Verhältnissen in einer Orgel mittlerer
Größe vergleichbar.
Visualisierung
Um das Luftblatt
sichtbar zu machen, wurde eine präparierte Pfeife (Abb. 1)
mit CO2 angeblasen.
Weil dieses Gas eine höhere Dichte und damit andere optische
Eigenschaften hat als Luft, sinkt die Schallgeschwindigkeit und
die Pfeife klingt somit tiefer. Auf die Klangfarbe und das
Anspracheverhalten hatte dies aber keinen wahrnehmbaren
Einfluss.
Die Versuchsanordnung
(Abb. 2 u. 3) ähnelte dem Prinzip eines Diaprojektors, wobei
die Pfeife das „Dia" war. Als Lichtquelle diente ein
gepulster Laser, der mit Lichtblitzen in der gleichen Frequenz
wie der Grundton der Pfeife diese seitlich durchleuchtete und mit
einem Mikrofon synchronisiert wurde. Eine Optik, in diesem Fall
ein Hohlspiegel, projizierte den Bereich der Kernspalte auf eine
weiße Wand.
Für eine
kontrastreiche Darstellung musste der projizierte Lichtstrahl
noch von der Kante einer Klinge berührt werden. Ansonsten
sähe das Bild aus wie heiße aufsteigende Luft.
Die Projektion des Luftblattes (Abb. 4 u. 5), die auf dem Kopf
stand, wurde von einer Videokamera an einen PC weitergeleitet und
dort in vorgegebenen Zeitabschnitten abgespeichert. Durch
leichtes Verändern der Frequenz des Laserblitzes, wie beim
Stroboskopprinzip des Plattentellers, entstand dabei eine
flüssige Bewegung des Luftblattes.
Der zweite Teil der
Untersuchungen analysierte, im Gegensatz zu der Visualisierung,
bei der das Luftblatt über die gesamte Labienbreite
betrachtet wurde, nur einen Ausschnitt, quasi eine
hauchdünne Scheibe dieser Ansicht. Dabei wurde ein genaues
Strömungsprofil erstellt, das Auskunft über die
Geschwindigkeit und Richtung von diesem Teil des Luftblattes
gibt. Damit die Luftströmung und auch der Klang der Pfeife
unbeeinflusst blieben, wurde das Verfahren der
Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) verwendet (Abb. 6).
Dabei sind zwei
Laserstrahlen so ausgerichtet, dass sie sich im Messbereich des
Luftblattes kreuzen. Ein Photodetektor, der auf diesen
Schnittpunkt ausgerichtet ist (Abb. 9), misst Richtung und
Geschwindigkeit winzigster Wassertröpfchen, die der Luft
durch ein in der Medizin verwendetes Gerät beigemischt
sind.
Nach und nach tastet der Laser ein Raster von Messpunkten in
Höhe und Tiefe ab (Abb. 7 u. 8). Abb. 8a zeigt ein aus
diesen Daten erstelltes Vektordiagramm. Es gibt Auskunft
über die Geschwindigkeit und Richtung des Luftblattes mit
den umgebenden Stromlinien.
Zur Begleitung der Strömungsanalyse wurden die untersuchten Pfeifen während der LDA-Messungen im reflexionsarmen Raum mit einem Messmikrofon digital aufgezeichnet (Abb. 10) und durch den Verfasser subjektiv beurteilt. Die Auswertung der Aufnahmen erfolgte später im Institut für Bauphysik in Stuttgart. Dort wurden dann zusätzlich Klanganalysen an Duplikaten der in Emden untersuchten Pfeifen unter optimalen akustischen Bedingungen durchgeführt.
Zur grafischen Darstellung des Pfeifentones mit allen seinen harmonischen und unharmonischen Klanganteilen wird bei diesen Untersuchungen zunächst eine Spektralanalyse durchgeführt (Abb. 11). Danach misst ein Programm den zeitlichen Verlauf der Einschwingvorgänge der ersten 10 Teiltöne und stellt sie in Form von Scheibendiagrammen dar (Abb. 12). Zum Schluss wird der Klang noch subjektiv durch einen Intonateur beschrieben.
Aus messtechnischen
Gründen konnten nur Pfeifen mit maximal 200 Hz verwendet
werden. Die hier benutzten Pfeifen gaben einen Ton der etwa einem
G bzw. F eines 4'-Registers entspricht.
Die Intonation erfolgte in der Werkstatttradition der Firma
Freiburger Orgelbau. Wichtig ist dabei anzumerken, dass die
Kernspalten absolut gratfrei und glatt, nicht jedoch abgerundet
waren (Abb. 13). Die Kerne hatten alle eine leichte Gegenfase,
die vom Verfasser vor dem Zusammenbau nach Erfahrung eingerichtet
wurde (Abb. 14).
Die später zugefügten Kernstiche wurden mit einem
doppelseitig angeschliffenen Kernstecher (ähnlich einem
Schwert) ausgeführt. Er hinterlässt Abdrücke, die
mit denen eines Messers, auch im Unterlabium, vergleichbar sind
(Abb. 15 u. 16). Die Oberlabienkanten hatten keine Fase.
Nach der Intonation wurden die Glasfenster (Objektträger
für das Mikroskopieren) mit Weißleim absolut dicht
eingeklebt. Eine klangliche Veränderung konnte nicht
beobachtet werden. Bei der gedeckten Pfeife dienten die
Glasscheiben gleichzeitig als Seitenbart.
Gedeckte Pfeife bei 60 mm Ws
Tonhöhe : 183 Hz, (F 4')
Legierung : 20 %
Materialdicke : 0 ,8 mm
Durchmesser innen : 50 mm
Körperlänge : 460 mm
Fußlänge : 180 mm
Labienbreite : 43 ,5 mm
Aufschnitthöhe : 19 ,7 mm
Kernspaltenweite : 0 ,6 mm
Fußlochdurchmesser : 7 ,3 mm
Kerndicke : 2 mm
Kernfase : 70 °
Gegenfase : 1 mm
Offene Pfeife bei
60 mm Ws
Tonhöhe : 200 Hz, (G 4')
Legierung : 70 %
Materialdicke : 0 ,8 mm
Durchmesser innen : 70 mm
Körperlänge : 900 mm
Fußlänge : 200 mm
Labienbreite : 55 mm
Aufschnitthöhe : 14 ,1 mm
Kernspaltenweite : 0 ,7 mm
Fußlochdurchmesser : 8 mm
Kerndicke : 4 mm
Kernfase : 60 °
Gegenfase : 0 ,5 mm
Visualisierung
Unterschiede im Verhalten des Luftblattes mit und ohne Kernstiche waren bei der Visualisierung nicht sofort zu erkennen. Bei längerer Betrachtung während der Untersuchungen und auch anschließend bei der Auswertung der Videoaufnahmen entstand der Eindruck, dass sich das Luftblatt mit Kernstichen symmetrischer und weiter ausschwingend bewegte als ohne Kernstiche (Abb. 17). Es war ferner nicht so turbulent. Interessant sind auch die Unterschiede im Einschwingverhalten. Die Kernströmung scheint mit Kernstichen anfangs zwar weicher und diffuser, auf die Länge gesehen aber geschlossener und weitreichender zu sein (Abb. 18).
Dieses Luftblatt der gedeckten Pfeife als Animationsfilm
Diesen Einschwingvorgang der gedeckten Pfeife als Animationsfilm
Diese Fotos als Animationsfilm
Die Analyse der
LDA-Messungen ergab, dass im Bereich des Kernstichs die
Strömungsgeschwindigkeit deutlich niedriger und beruhigter
war als im übrigen Bereich der Kernspalte. Auch die
Transversalschwingungen waren niedriger. Dies sind
Wellenbewegungen, die sich quer zur Bewegungsrichtung des
Luftblattes ausbreiten und dieses stören.
Deutlich zu erkennen ist bei der gedeckten Pfeife ein
zusätzliches Pulsieren des Luftblattes in
Strömungsrichtung. Immer dann wenn der Luftstrom nach
außen schwingt, strömt die Luft über eine
längere Strecke mit hoher Geschwindigkeit aus der Kernspalte
als in dem Moment, in dem das Blatt nach innen fließt (Abb.
19). In der Grafik erkennt man diesen Effekt an einer
längeren roten Färbung des Luftblattes oberhalb der
Kernspalte.
Dieses Geschwindigkeitsprofil einer gedeckten Pfeife als animierte Grafik
Die deutlichsten
Änderungen durch das Anbringen von Kernstichen waren bei der
akustischen Untersuchung zu sehen. Beim Klangspektrum fällt
besonders stark die enorme Reduzierung des Hintergrundrauschens
auf. Gleichzeitig werden aber auch die unharmonischen
Eigenresonanzen des Pfeifenkörpers reduziert. Sie entstehen
in jedem Rohr, wenn es durch ein Rauschen angeregt wird. Beim
ersten Teilton sind Eigenresonanz und Grundton einer klingenden
Pfeife noch identisch. Mit jedem weiteren Teilton verschieben
sich die Teiltöne der Eigenresonanz um so mehr
gegenüber den harmonischen, je weiter das Rohr ist. Im
Klangspektrum sind sie als kleine Nebenspitzen zu erkennen. Sie
sind auch dafür verantwortlich, dass weite Pfeifen nie so
vokal und sonor klingen wie enge (Abb. 20).
Interessanterweise tritt eine Obertondämpfung durch die
Kernstiche erst ab dem elften Teilton auf. Die anderen
werden durch die Stiche teilweise sogar verstärkt (Abb. 21
u. 23).
Die Analyse des Einschwingvorgangs in Form von Scheibendiagrammen
zeigt einen gleichmäßigeren und ruhigeren
Teiltonaufbau mit Kernstichen (Abb. 22). Bei genauer Betrachtung
ist er, verglichen mit dem kernstichlosen Zustand, ganz leicht
verzögert. Die Stärke der stationären
Teiltöne ist mit Kernstichen jedoch deutlich
gleichmäßiger (Abb. 24).
Die Messergebnisse
stimmen mit der subjektiven Beurteilung überein. Der
stationäre Ton klingt mit Kernstichen klarer, wärmer
und sauberer als ohne. Die Ansprache ist nicht mehr so hart, und
das Rauschen und Kratzen ist deutlich reduziert. Der
Obertonaufbau scheint gleichmäßiger und vokaler. Dabei
ist allerdings zu berücksichtigen, dass es sich hier um eine
relativ große Pfeife mit weiter und gratfreier Kernspalte
handelt. Bei aufgerauten und engeren Spalten oder stärkeren
und zahlreicheren Stichen wäre die Reduktion von
höheren Teiltönen deutlich stärker.
Die Bilder und die
Beschäftigung mit der Physik der Pfeife haben meine
Vorstellung davon neu geprägt. Sie lenken meine Gedanken in
eine andere Richtung als vorher und haben daher indirekten
Einfluss auf meine Arbeit. Dass die Luft im Bereich des
Kernstichs langsamer und beruhigter strömt, dadurch das
Luftblatt beruhigt und mit einer Art Rippen stabilisiert, ist
für mich das wichtigste Ergebnis dieses Forschungsprojektes.
Dadurch erklären sich einige Phänomene aus der Praxis.
Dass z.B. nur große Stiche einen unruhigen Ton
stabilisieren können, kommt meiner Meinung nach aus der
Reduktion der Transversalschwingungen, die bei ihrer Bewegung
quer zum Luftblatt immer wieder auf die beruhigten und stabilen
Zonen der Kernstiche treffen. Damit wird ihre Intensität
reduziert. Auch die Beobachtung, dass eine Pfeife mit Kernstichen
wärmer und nicht unbedingt obertonärmer klingt, wird
durch das Verschwinden der unharmonischen Eigenresonanzen und der
Verstärkung einzelner Teiltöne bestätigt.
Der größte Erfolg dieses Forschungsprojektes wäre
es jedoch, wenn viele Orgelbauer dadurch angeregt würden,
sich offen über ihre Erfahrungen bei der Intonation
auszutauschen und sie mit den wissenschaftlichen Ergebnissen zu
vergleichen.
Reiner Janke
Intonateur
www.orgel-info.de
1. G. Paál, J. Angster, A. Miklós and W. Garen: Laseroptische Strömungsmessungen in Orgelpfeifen. 5. Fachtagung "Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik", TU Berlin 57.1-57.2 (1996)
2. G. Paál, J. Angster, W. Garen und A. Miklós : Geschwindigkeitsmessungen in tönenden Orgelpfeifen. Fortschritte der Akustik, DAGA 97, Kiel, Bad Honnef: DPG-GmbH, 313 - 314 (1997).
3. G. Paál, J. Angster, W. Garen und A. Miklós : Application of laser techniques to flows in flue organ pipes. Laser Anemometry, Advances and Applications. Proc. Of the 7th Int. Conf. Univ. Karlsruhe, Germany, 151-157 (1997)
4. G. Paál, J. Angster, W. Garen und A. Miklós: Sound and flow at the mouth of flue organ pipes. Part I. Fully developed state. Proceedings Institute of Acoustics, Vol. 19, Part 5, Book 2 (ISMA '97, Edinburgh), Institute of Acoustics, St Albans, UK, 295 -301 (1997)
5. G. Paál, J. Angster, W. Garen und A. Miklós: Sound and flow at the mouth of flue organ pipes. Part II. Transient state. Proceedings Institute of Acoustics, Vol. 19, Part 5, Book 2 (ISMA '97, Edinburgh), Institute of Acoustics, St Albans, UK, 333 - 338 (1997)
6. J. Angster, G. Paál, W. Garen und A. Miklós: Effect of voicing steps on the stationary spectrum and attack transient of a flue organ pipe. Proceedings Institute of Acoustics, Vol. 19, Part 5, Book 2 (ISMA '97, Edinburgh), Institute of Acoustics, St Albans, UK, 285 - 294 (1997)
7. Paál, G., Angster, J., Pitsch, S., Miklós, A., Janke, R.: Orgeln: Die Begegnung von Physik, Kunst und Handwerk. Videofilm. Filmstudio Fachhochschule Ostfriesland, Emden 1999
8.A. Miklós and J. Angster: Sound production of flue organ pipes. 137th Meeting of the Acoust. Soc. Amer and 2nd Convention of European Acoust. Assoc. Acustica united with Acta Acustica. Vol. 85. 1999, (12-13)
9. J. Angster and A. Miklós: Intensive training on acoustics of pipe organs for organ builders and organists. Acustica united with Acta Acustica. Vol. 85. 1999, (12-13)
Danksagung: Das Forschungsprojekt wurde vom Ministerium
für Wissenschaft und Kultur in Niedersachsen finanziert.