Stimmzunge

Die durchschlagende Zunge (auch Durchschlagzunge) ist in der Musik ein Streifen Material, meist Metall, der an einem seiner Enden auf einem eng passenden Rahmen befestigt (meist genietet) wird. Der frei bewegliche Teil überdeckt im Ruhezustand mittig die Öffnung des Rahmens, im gespielten Zustand schwingt er durch den Rahmen hindurch und erzeugt dadurch den Ton.

Bei Harmonikainstrumenten werden die durchschlagenden Zungen auch als Stimmzungen bezeichnet.

Stimmplatte mit durchschlagender Zunge

Funktion

Hochgeschwindigkeitsaufnahme einer Stimmplatte mit durchschlagender Zunge

Wenn Luft gegen die Zunge geblasen wird, biegt sich diese durch die Öffnung des Rahmens hindurch. Die Luft kann durch die entstehende Öffnung entweichen, der Luftdruck auf die Zunge lässt nach. Durch die Elastizität des Materials schnellt die Zunge zurück, verschließt wieder die Öffnung und unterbricht den Luftstrom, der dann wieder Druck auf die Zunge ausübt, der Vorgang beginnt von vorn. Diese sehr schnellen Unterbrechungen des Luftstromes erzeugen eine Schwingung in der umgebenden Luft und somit eine Schallwelle.

Der entstehende Schall stammt nur zu einem geringen Teil direkt von der schwingenden Zunge. Der Großteil der Schallwellen stammt von der angeregten umgebenden Luft. Im wesentlichen schwingt die Stimmzunge nur mit ihrer Grundfrequenz, die im Schall enthaltenen harmonischen Oberwellen formen sich dagegen in der umgebenden Luft aus. Das gesamte typische Klangspektrum ist aber wesentlich komplexer und wird auch vom Aufbau des restlichen Instrumentes beeinflusst.

Die Stimmzunge braucht eine geringe Aufbiegung in Ruhelage, damit sie beim Einsetzen des Luftstroms anschwingen kann, siehe Bernoulli-Effekt. Dazu ist eine gewisse Asymmetrie des Aufbaus notwendig. Die übliche Durchschlagzunge kann somit nur in eine Richtung funktionieren.

Es gibt aber Patente für Stimmplatten, die auch bidirektional funktionieren. Manche wurden in der Vergangenheit mit Erfolg verwendet, heute erzeugt aber kein Stimmplattenhersteller derartige Stimmplatten. Vereinfacht beschrieben bestehen derartige Stimmplatten aus zwei Rahmen mit einer Stimmzunge dazwischen. Damit aber in beide Richtungen für den Luftstrom wieder die erforderliche Asymmetrie entsteht, müssen zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden. Dies kann durch zusätzliche Luftführungsschlitze oder durch eine y-förmige Erweiterung der Stimmzunge an ihrem beweglichen Ende erfolgen.

Aufschlagende Stimmzungen sind ähnlich aufgebaut, nur ist die Stimmzunge größer als der Schlitz im Rahmen. Aufschlagende Stimmzungen werden heute in Orgeln für Zungenstimmen verwendet. Ein ähnliches Prinzip verwenden die Doppelrohrblattzungen (gegenschlagende Stimmzungen), wie sie in Holzblasinstrumenten Verwendung finden.

Selten wird das Wort Lamelle anstelle von durchschlagende Zunge verwendet.

Physik der Stimmzunge

Stimmplatte Zeichnung Schnitt

Die Höhe des entstehenden Tones hängt von den geometrischen Abmessungen und der Masseverteilung in der Zunge ab. Siehe: Berechnung weiter unten in diesem Artikel. Im Instrument wird eine Zunge folgendermaßen gestimmt: Der Ton wird höher, wenn man am freischwingenden Ende ein wenig Metall abnimmt (Stimmzungenende verliert Trägheit); tiefer wird er, indem man in der Mitte Material wegnimmt (Stimmzunge verliert Elastizität - bricht dann aber auch leichter!).

Die Tonhöhe hängt von weiteren Faktoren nur wenig ab: Die Stimmplatte wird von der sie umgebenden Tonkammer, den mechanischen Bauteilen wie den Klappen und dem restlichen Instrument sehr geringfügig beeinflusst. Auch die Lufttemperatur wirkt sich theoretisch (praktisch aber vernachlässigbar) auf die Tonhöhe aus.

Die baulichen Wechselwirkungen müssen nur in der Fertigung und beim Stimmen berücksichtigt werden.

Der Luftdruck, der auf die Stimmzunge wirkt, führt ebenfalls zu einer geringen Tonhöhenverschiebung (Overblow). Höherer Spieldruck führt zum Absenken der Tonhöhe. Je nach Stimmplattenkonstruktion kann die Tonhöhenabsenkung bei erhöhtem Spieldruck unterschiedlich groß sein. Die Verschiebung der Tonhöhe liegt aber meist innerhalb weniger Cent und wird daher auch bei großen Dynamikwechseln kaum wahrgenommen.

Exaktes Ausstimmen kann sehr zeitaufwendig sein (bis zu plus-minus 8 Cent werden je nach Güte des Instruments toleriert).

Hauptvorteil der Stimmplatten gegenüber Orgelpfeifen und Saiteninstrumenten ist, dass die Tonhöhe über extrem lange Zeiträume unabhängig von der Umgebungstemperatur fast konstant bleibt.

Bending

Mundharmonikas nutzen ähnliche Effekte. Dazu werden die Stimmzungen dieser Mundharmonikas etwas anders gefertigt. Möglichst dünne Rahmen und etwas weniger Federkraft mit mehr Flexibilität der Zunge. Physikalisch wird Rachen, Mundraum und der restliche Resonanzraum des menschlichen Körpers in seinen Resonanzverhältnissen verändert, wie dies beim Bilden von Lauten geschieht. Der Spieler, der diese Technik nutzt, spricht praktisch durch die Mundharmonika, vergleichbar mit dem Maultrommelspiel, der Effekt ist jedoch eine tatsächliche Absenkung oder Anhebung der Tonhöhe und nicht nur eine Klangfarbenänderung wie bei der Maultrommel.

An der entstehenden Tonhöhe sind somit der Resonanzraum (im Wesentlichen die Mundhöhle), die eigentliche Stimmzunge und beim Bending auch noch die zweite tiefere Stimmzunge, die sich im selben Luftkanal befindet, beteiligt.

Man sieht also, dass die resultierende Tonhöhe nicht nur von der eigentlichen Stimmzunge bestimmt wird, obwohl diese den hauptsächlichen Beitrag leistet.

Tonqualität der Stimmplatte

Schwingungskurve einer durchschlagenden Zunge:
oben: Auslenkung der Zunge
unten: Oszilloskopbild des erzeugen Tones

•  Hörbeispiel, Ton einer Stimmplatte am Stimmtisch^?/i

• Maximal erzielbare Lautstärke bei möglichst geringer Tonhöhenschwankung.

Die maximal erzielbare Lautstärke bei gleichen Bedingungen und maximalem Druck, der auf die Stimmzunge wirkt, hängt in erster Linie von der wirksamen Fläche der Stimmzunge ab. Nachdem die Breite der Stimmzunge nicht in die Tonhöheberechnung (Siehe Berechnung) eingeht, kann durch Verbreiterung der Stimmzunge eine höhere Lautstärke erzielt werden. Nachdem die am wesentlichsten beteiligte Fläche in Richtung des bewegten Endes ist, sind Stimmzungen mit in Richtung bewegtes Ende stark verjüngend zulaufenden Zungen leiser als breitere Ausführungen. Die erzielbaren Lautstärkedifferenzen bewegen sich innerhalb 10 dB, da die Breite der Stimmzunge aus Gründen der möglichen Torsionsschwingungen nicht endlos erhöht werden kann. Des weiteren spielt auch noch die Dicke der Stimmplatte eine Rolle, je länger sich die Stimmzunge im Kanal bewegt, umso länger kann Energie zugeführt werden. Dies gilt nicht bei hohen Tönen. Die Montage der Stimmzunge und die Masse, an der diese befestigt ist, wirkt sich ebenfalls aus. So hat auch eine massivere Ausführung des Zungenfußes einen gewissen Einfluss sowohl auf die Lautstärke wie auch auf die weiteren Aspekte der Tonqualität einer Stimmplatte, es besteht immer eine gewisse Wechselwirkung. Insgesamt sind aber alle Auswirkungen, die von der Befestigung und der Masse abhängen, äußerst gering und dürfen nicht überbewertet werden, da sie auch nicht in weiten Bereichen verändert werden können. Sie sollen aber verdeutlichen, in welcher Richtung eine positive Veränderung erzielt werden kann.

• Der Dynamikbereich der Stimmplatte hängt bereits stark mit dem gerade Erwähnten zusammen, die maximale Lautstärke wird jetzt als gegeben vorausgesetzt.

Der Dynamikbereich erstreckt sich aber vom leisesten erzielbaren Ton bis zur maximalen Lautstärke (ca. 40–90 dB). Die Ansprechschwelle mit dem geringst möglichen Luftdruck hängt neben einer optimal justierten Aufbiegung der Stimmzunge in erster Linie von der Steifigkeit und der Passgenauigkeit der Stimmzunge zum Rahmen ab. Die Steifigkeit einer Stimmzunge kann nicht wesentlich reduziert werden, da ansonsten die Tonhaltigkeit bei maximalem Spieldruck leidet. Bei einer hohen Güte von Stimmplatten sind Erfahrungswerte in Verwendung, die einen sehr guten Kompromiss darstellen. Billigere Stimmplatten sind oft besonders bei höheren Töne etwas steifer und brauchen mehr Spieldruck. Dünnere, hohe Stimmzungen sind eben aufwändiger zu bearbeiten als etwas dickere. Die Fertigungstoleranz wirkt sich unmittelbar auf ein optimales Ansprechvermögen einer Stimmzunge aus. Schlechtere Stimmplatten brauchen auch meist etwas mehr Zungenaufbiegung, was ebenfalls die Dynamik vermindert. Bei der Fertigung von Maschinenstimmplatten wird heute üblicherweise für Stimmplatten im unteren und mittleren Tonbereich die Steifigkeit etwas herabgesetzt, damit trotz geringerer Genauigkeit und eines höhern Luftverbrauchs die Stimmplatte gut anspricht. Was aber wieder eine Reduktion der maximal erzielbaren Lautstärke zu Folge hat und damit den Dynamikbereich weiter einengt. Zusätzlich sei noch erwähnt, nicht jeder Musiker spielt mit dem gleichen maximalen Spieldruck, somit sollten die besten Instrumente auf den Spieler abgestimmt sein. Um aber zu vermeiden, dass Stimmplatten blockieren, wenn mit zu viel Druck gespielt wird, wird meist eine etwas größere Aufbiegung der Stimmzunge gewählt, als vielleicht für den jeweiligen Spieler erforderlich wäre. Die Fertigungstoleranz wirkt sich auch auf den Luftverbrauch aus. Bessere Stimmplatten haben weniger Luftverbrauch.

• Der Klang wird vom Obertongehalt der Stimmplatte beeinflusst und ist somit die Zusammensetzung des Tonspektrums.

Auf die klangliche Komponente einer Stimmplatte wirken alle bereits besprochenen Faktoren, daher mag es sein, dass aus klanglichen Gründen eher eine niedrige Qualität von Stimmplatten vorgezogen wird. Über Umwege gehen alle Proportionen der Stimmplatte in das Klangspektrum ein. Die Stimmzunge selbst schwingt mit nahezu sinusförmiger Bewegung. Die Stimmplatte wirkt aber als eine Art Impulsgenerator für die umgebende Luft. Da sie beim Eintreten in den Luftkanal den Luftstrom relativ abrupt unterbricht, entsteht in dieser Phase der Schwingung eine mehr oder weniger steile Flanke im erzeugten akustischen Ton, was vereinfacht bedeutet, dass Obertöne entstehen. Je schärfer die Flanke, desto mehr Obertöne werden erzeugt, präzisere Stimmplatten erzeugen hellere, schärfere Klangbilder. Dazu kommt aber noch, dass die Stimmzunge beim Eintritt in den Luftkanal den Kanal nicht linear verschließt, da sie profiliert ist und selbst ebenfalls Bewegungen ausführt, die eben nicht nur der vereinfachten Sinusbewegung entsprechen. Dadurch entstehen zusätzliche nicht harmonische Obertonanteile. Unter bestimmten Bedingungen kann eine Stimmzunge auch bevorzugt zu Schwingungen höherer Modi angeregt werden. Diese Schwingungen höherer Modi sind aber eher als unangenehm zu bewerten, liegen um ein Vielfaches höher als die Grundschwingung und stehen zu ihr üblicher Weise nicht in einem geradzahligen Verhältnis. Beim normalen Spiel sind diese Schwingungen in ihrer Amplitude sehr klein und bilden somit nur eine klangliche Komponente, die bewusst nicht wahrnehmbar ist. Bei Glocken und Gongs sind diese nicht geradzahligen Oberschwingungen, die direkt vom Schallerzeuger abgegeben werden, wesentlich kräftiger ausgeprägt. Bei Glocken ist es üblich, diese „Obertöne“ ebenfalls abzustimmen, damit die Glocke in sich einen sauberen, möglichst reinen Klang ergibt. Bei Stimmzungen wird dies nicht durchgeführt, jedoch bestimmen Form und Feilkontur nicht unwesentlich auch das Klangbild einer Stimmzunge. Das Verhalten der höheren Schwingungen zur eigentlichen Grundschwingung ist nur theoretisch bekannt, da es von den Formverhältnissen der Stimmzunge bestimmt wird. Am Einfachsten lässt es sich nur für Balken mit gleichen Abmessungen über die gesamte Länge der Stimmzunge vorausberechnen. Praktisch ist dies aber nie der Fall. Stimmzungen aus unterschiedlichen Fertigungen klingen daher auch immer geringfügig anders, auch wenn sie exakt gleich gestimmt sind! Es macht auch einen Unterschied, ob eine Stimmzunge über die gesamte Länge gleich breit ist oder ob sie konisch zuläuft. Die Feilkurve (Profilierung) und die Gewichtsverteilung, über die Länge der Zunge gesehen, wirken sich ebenfalls auf das Klangbild aus. Weiters besteht eine starke Wechselwirkung mit der Tonkammer, auf der die Stimmplatte montiert ist. Die Zusammenhänge sind äußerst komplex und sind auch bei weitem nicht in allen Details erforscht. Deutlich werden sollte aber, dass es sehr wohl eine Rolle spielt, wie die Stimmplatte beschaffen ist und dass diese nicht so ohne weiteres mit einer gleichwertigen ersetzt werden kann. Es gibt somit eine Menge Faktoren, die das Klangbild einer Stimmplatte beeinflussen. Da aber kaum Angaben verfügbar sind, bleibt ein intensiver Vergleich und die Berücksichtigung des eigenen Geschmacks nicht aus. Es bleibt in weiten Bereichen eine subjektive Beurteilung, da immer ein gewisser Kompromiss notwendig ist.

• Ansprache und Nachklang

Mit Ansprache bezeichnet man die Reaktionszeit, die vergeht, bis der akustische Ton nach Öffnen einer Klappe erklingt. Dem gegenüber steht der Nachklang einer Stimmzunge, nachdem die Klappe bereits geschlossen ist. In diesen transienten Bereichen des Tons liegt auch eine wesentliche dynamische Klangkomponente, die vom Menschen sehr intensiv wahrgenommen wird. Das Tonspektrum ist gerade in diesen Übergangsbereichen sehr reich an Obertönen, die viele Klanginformationen enthalten. Besonders der Nachklang von sehr tiefen Tönen wird oft als störend empfunden, da der Nachklang eher einem Klirren als einem sauberen Ton entspricht. Von der technischen Seite ist, wie bereits im Vorangegangen erwähnt, ein rasches Ansprechen der Stimmzunge erwünscht. Vom Fertigungsprozess her sind passgenau gearbeitete Stimmplatten auch in der Ansprache verbessert. Es muss aber die Steifigkeit der Stimmzunge zusätzlich optimiert werden, wie auch die Aufbiegung der Stimmzunge. Es besteht somit eine sehr starke Wechselwirkung zwischen Masse, Steifigkeit, Passgenauigkeit und Aufbiegung. Grundsätzlich kann gesagt werden, Stimmplatten mit mehr Masse haben eine längere Ansprechzeit und schwingen auch länger nach. Es ist daher eine Tatsache, dass tiefere Töne immer mehr Ansprechzeit haben als gleichwertige höhere Töne. Aus fertigungstechnischen Gründen und den gegeben Platzverhältnissen im Akkordeon sind Töne über den C1 üblicherweise länger als erforderlich, Töne unter dem a meistens zu kurz, als für optimale Bedingungen wünschenswert wäre. Um dies auszugleichen, werden Feilkurven (Profile) und Gewichte eingesetzt. Es bestehen somit rein physikalisch bestimmte Grenzen. Jedoch gibt es einen kleinen Bereich, in dem Stimmzungen mit der gleichen Tonhöhe durch Verändern des Verhältnisses Masse zu Steifigkeit optimiert werden können, ohne dass dabei andere Gesichtspunkte der Tonqualität zu sehr beeinträchtigt werden. Bei gleichwertigen Stimmplatten mit derselben Präzision führt mehr Masse und höhere Steifigkeit zu einer Erhöhung der Ansprechzeit und des Nachklangs bei gleichzeitig erhöhter Tonkonstanz über den gesamten Dynamikbereich. Umgekehrt führt weniger Masse und verringerte Steifigkeit zu einer Verringerung der Ansprechzeit und des Nachklangs bei gleichzeitig erniedrigter Tonkonstanz über den gesamten Dynamikbereich. Je größer die wirksame Angriffsfläche für den Luftstrom ist, desto rascher spricht die Stimmzunge an. Als wirksame Angriffsfläche ist der bewegte Teil der Stimmzunge zu sehen. Die Wirkung ist im Bereich der größten Auslenkung auch am größten. Ist der hintere Teil in Richtung Niete relativ starr, wie dies bei hohen Tönen der Fall ist, ist dieser Teil auch äußerst gering an der wirksamen Fläche mitbeteiligt. Außerdem spielt auch hier die Aufbiegung der Stimmzunge mit, wenn das vordere Ende zu weit absteht, wird dieses von der Luft umströmt und geht somit nicht mehr vollständig in die wirksame Fläche ein. Zusätzlich sei noch erwähnt, dass eine zu knapp oder zu weit eingestellte Aufbiegung der Stimmzunge die Ansprechzeit ebenfalls erhöht oder sogar verhindert, dass die Stimmzunge zu schwingen beginnt. Außerdem besteht gerade in Bezug auf Ansprache und Nachklang eine sehr starke Wechselwirkung mit den Resonanzbedingungen der Tonkammer und zu einen gewissen Teil auch mit dem restlichen Instrument. Es kommt daher nicht selten vor, dass bestimmte Stimmplatten in den verschiedenen Instrumenten unterschiedlich harmonieren. Fehlerhafte Stimmzungen fallen oft durch eine sehr schlechte Ansprache und auffällig geringes Nachklingen auf. Fehlerhafte Zungenbefestigung oder Materialfehler in der Stimmzunge führen zu einer erhöhten inneren Dämpfung. Oft entstehen in der Stimmzunge, bevor sie endgültig bricht, winzige kleine Risse, diese führen zu einer Verstimmung und Dämpfung der Schwingung. Auch eine ungenügende Befestigung der Stimmplatte und des Stimmstockes führt zu einer Verschlechterung der Ansprache.

• Paradoxon der Passgenauigkeit.

Die Beschaffenheit des Tonkanals in Zusammenhang mit der Passgenauigkeit einer Stimmzunge hat ebenfalls einen Einfluss auf die Tonqualität. Bei den meisten Stimmplatten werden aus fertigungstechnischen Gründen Tonschlitze mit parallelen Seitenwänden verwendet. Dies ist normalerweise kein Nachteil, bedarf aber einer äußerst sauberen Justierung und Befestigung der Stimmzunge, je enger die Fertigungstoleranzen sind. Stimmzungen führen speziell in der Einschwingphase Torsionsschwingungen aus, und zwar mehr, je breiter und dünner sie sind. Die Stimmzunge verwindet sich dabei ein gewisses Maß und schlägt unter Umständen an den Kanalwänden an, wenn sie tief in den Luftkanal eintaucht. Auch steigt bei extrem knappen Toleranzen unter 0,015 mm die Ansprechzeit wieder an, da es zu mehr Luftreibungswiderstand beim Bewegen der Zunge im Kanal zwischen Kanalwand und Zungenkante kommt. Dem wird entgegengewirkt, indem der Tonkanal nach hinten konisch etwas erweitert wird. Zuviel Erweiterung ist jedoch wieder zu vermeiden, üblicherweise sind bei professionellen italienischen Stimmplatten im mittleren Tonbereich die Tonkanäle um etwa 0,02 mm nach hinten erweitert. Dadurch wird erreicht, dass es wieder einfacher wird, die Stimmzunge zu justieren und dass die Dynamik auch mit höchster Passgenauigkeit der Stimmzunge ein Maximum erreicht. Ähnliches kann erzielt werden, wenn Stimmplatten mit größeren Toleranzen mittels Stemmtechnik nachbearbeitet werden, wie dies früher bei deutschen Stimmplatten oft angewendet wurde und heute noch zum Teil bei Schwyzerörgelis zum Einsatz kommt. Eine Zusatzbemerkung: Stimmplatte und Stimmzunge unterliegen nicht den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, da diese meistens aus verschiedenen Metallen bestehen. Werden präzise Stimmplatten in einer kälteren Umgebung betrieben als Zimmertemperatur, ist es normal, dass Stimmzungen kratzen. Je höher die Qualität eines Akkordeons ist, umso mehr Zeit sollte für die Anpassung an die Raumtemperatur vorgesehen werden, bevor damit musiziert wird.

Güte

Es gibt somit auch heute eine Unzahl von Faktoren, welche die Güte von Stimmplatten bestimmen, die jedoch mit heutigen Mitteln nicht in Tabellen erfasst werden können.

Andererseits gäbe es einige wenige Daten, die in Tabellen von Herstellern bereitgestellt werden könnten, wie Tonhöhe der Stimmplatte, Abmessungen der Stimmzunge, Dicke der Stimmplatte, Passgenauigkeit der Stimmzunge, Art der Schlitzausformung, Steifigkeit der Stimmzunge, genaue Angaben über die verwendeten Materialien. Leider stellen die europäischen Stimmplattenhersteller kaum Daten bereit. Somit sind die Instrumentenbauer auf eigene Tests und auf ihre Erfahrungen angewiesen.

Material und Fertigung

Einzelteile der Stimmplatte

Die Zungen für Handharmonikas wurden früher aus Bronze oder Messing angefertigt, heute sind sie vor allem aus Stahl. Die Stimmzungen für Mundharmonikas werden auch heute noch aus speziellen Messinglegierungen angefertigt. Der Grund dafür ist in erster Line darin zu suchen, dass die Atemluft zum Anrosten der Stahlzungen führen würde. (Ausnahme: Kindermundharmonikas aus Plastik haben meist Plastikstimmzungen.) Aber auch andere Materialien für Stimmzungen sind denkbar, zum Beispiel wurden Prototypen aus Titan angefertigt.

Die Stimmplatte besteht zusätzlich noch aus dem Rahmen, auf den die Stimmzunge aufgenietet oder aufgeschraubt ist. Dieser Rahmen kann eine oder einen ganzen Satz von Stimmzungen beherbergen. Einzelne Stimmzungen pro Rahmen finden beim Harmonium Verwendung, aber auch die englische Konzertina verwendet einzelne Stimmplatten, die Flutina und manche anderen Instrumente. Die Mundharmonika, das russische Bajan, das Bandoneon und auch ältere, kleinere Akkordeon-Instrumente verwenden bevorzugt ganze Stimmzungensätze pro Grundplatte. Pro Stimmzunge ist im Rahmen ein Schlitz vorgesehen, dieser ist an allen Seiten um etwa 0,02 mm größer als die Stimmzunge. Idealerweise sollte er möglichst eng sein, denn je enger die Fertigungstoleranzen sind, desto weniger Luftverbrauch entsteht beim Spielen.

Teurere Akkordeon-Stimmplatten haben einen Schlitz, der nach hinten etwas konisch erweitert ist. Im Fertigungsprozess werden dazu die Schlitze der Stimmplatten maschinell in einem weiteren Arbeitsgang nachgefeilt. Durch diese konische Erweiterung können die Stimmzungen passgenauer montiert werden. Bei hohem Spieldruck (Lautstärke) schwingt die Stimmzunge auch etwas seitlich und würde somit nicht frei durch den Schlitz pendeln. Eine Stimmzunge führt nämlich nicht nur die einfache Grundschwingung aus, sondern es werden auch Torsionsbewegungen mit geringerer Amplitude ausgeführt. Besitzt ein Schlitz diese konische Erweiterung nicht, muss der Schlitz größer sein.

Ein Bandoneon klingt wesentlich anders als ein Akkordeon. Dass hat hauptsächlich drei Gründe:

1. Es werden lange und dicke gemeinsame Stimmplatten aus Zink verwendet.
2. Der Schlitz für die Stimmzungen ist nicht konisch.
3. Die Tonkammer ist etwas anders gestaltet.

Die Dicke der Stimmplatte ist auch ein wesentliches Qualitätsmerkmal; je dicker der Rahmen ist, desto höher ist die maximal erzielbare Lautstärke bei nahezu konstanter Tonhöhe. Teurere Stimmplattensätze sind daher auch schwerer.

Bei sehr hohen Tönen ist jedoch eine stark reduzierte Dicke der Stimmplatte erforderlich, um befriedigende Ergebnisse zu erzielen. Dies ist einer der Gründe, warum für Piccolo-Stimmplatten Messingrahmen verwendet werden. Ansonsten kommt heute meist Duraluminium für die Rahmen zum Einsatz. Früher wurde sehr oft Zink als Rahmenmaterial verwendet.

Die Fertigung wird heute hauptsächlich maschinell durchgeführt. In Europa gibt es zur Zeit nur vier Firmen, die Stimmplatten erzeugen. Zwei davon sind in Italien, eine in Tschechien und eine in Deutschland. Die deutsche Firma stellt allerdings nur mittlere Qualität und niedrige Mengen her. Die italienischen Firmen bieten Stimmplatten in unterschiedlicher Qualität an. „A mano“ (handgemacht, bedeutet aber nicht, dass die Stimmplatten tatsächlich handgemacht sind) ist die höchste Qualität (professionell).

Manche Sublieferanten bieten handgenietete Stimmplatten an. Die nächste Qualität ist „Typo a mano“, was „wie handgemacht“ bedeutet. Objektive Kriterien sind aber kaum vorhanden. Teurere Stimmungen sind mit einen größeren Zungenfuß versehen.

Die Stimmzungen sind unter Umständen der Länge nach aus Bandstahl gestanzt worden. Die tschechische Firma bietet Stimmplattenrahmen an, die mit Elektroerodiermaschinen gefertigt werden. Stimmplatten für Mundharmonikas werden in Europa nur noch von der Firma Hohner in Trossingen sowie von der Firma Seydel in Klingenthal hergestellt.

Ventilleder

Ventilleder werden an den meisten Stimmplatten verwendet, um den Luftstrom zu unterbinden, wenn abwechselnd die Balgdruckrichtung geändert wird. Würden keine Ventile verwendet, oder die Ventile sind bereits fast funktionslos, ist trotzdem eine Tonerzeugung mit dem Akkordeon möglich. Als Folge wird jedoch beim Spielen mehr Luft verbraucht. Es ergibt sich aber auch eine geringe Veränderung der Tonhöhe. Wird ein Instrument nachgestimmt, so ist immer zuerst sicherzustellen, dass die Ventile sauber funktionieren. Sehr häufig wird heute anstatt des Leders eine Kunststofffolie verwendet, die meist in mehreren Schichten abgestuft übereinander geklebt sind. Auch die Kombination von Leder und Kunststoff oder Leder mit aufliegender Metallfolie oder einer Metallfeder sind in Verwendung. Die Kunststofffolien sind billiger und einfacher zu verarbeiten, sind aber speziell für größere Stimmzungenabdeckungen fast ungeeignet daher kommen meist bei den tieferen Tönen Lederventile zum Einsatz. Lederventile sind, wenn sie gut ausgewählt wurden, in den meisten Fällen besser und erzeugen weniger Verschlussgeräusche. Besonders bei Pianopassagen ist ein Unterschied deutlich wahrnehmbar. Andererseits sind Kunststoffventile besonders bei hohen Tönen und kleinen Ventilen vorzuziehen, da diese sauberer aufliegen und flexibler ausgeführt werden können als die kleinsten Lederventile. Die Auswahl des passenden Ventils für die jeweilige Tonhöhe bedarf einer gewissen Erfahrung. Die Ventile werden heute mit dauerelastischem Klebstoff wie Pattex befestigt. Früher wurde Baumwachs oder Schellack zum Befestigen verwendet, was besonders bei Lederventilen auch heute gut eingesetzt werden kann. Für hochwertige Instrumente mit qualitativ sehr guten Stimmplatten ist somit eine optimale Auswahl von Ventilen ein wesentlicher Beitrag zur Tonqualität und zum Spielkomfort.

Alterung an Ventilen tritt sowohl an Leder- wie auch an Kunststoffventilen auf. Auch wenn Ventile an älteren Instrumenten gut aussehen, muss eine einwandfreie Funktion nicht mehr gegeben sein. Sowohl Leder- wie Kunststoffventile werden mit der Alterung steifer, besonders wenn Instrumente wenig verwendet werden. Ein geringfügiges Aufbiegen der freien Enden bei Lederventilen ist aber meist noch kein Zeichen für Probleme. Kunststoffventile schließen in Ruhelage meist besser, doch die eigentliche korrekte Funktion kann nur durch eine aktive Prüfung festgestellt werden.

Geschichte der Stimmzunge

Einzelstimmplatte eines Harmoniums mit Zinkrahmen und Bronzezunge

In Ägypten und anderen alten Kulturen war dieses Schallerzeugungsprinzip bereits bekannt. Im Altertum wurde die durchschlagende Zunge erstmals in China in der Mundorgel „Sheng“ verwendet. Chinesischen Quellen zufolge wurden die Metallzungen etwa 2800 v. Chr. von Kaiser Huang Tei erfunden. In Europa begann man erst Versuche mit durchschlagenden Zungen, nachdem 1776 der französische Jesuit und Missionar Père Amiot mehrere Shengs von China nach Paris gesandt hatte.

Die erste Person, die in Europa mit durchschlagenden Zungen Versuche anstellte, war, soweit bekannt, der Kopenhagener Professor Christian Gottlieb Kratzenstein (1723-1795). Er verwendete die Zungen in seiner Sprachmaschine, bei der sich durch angeschlossene Resonanzröhren Vokale künstlich erzeugen ließen. Die Königliche Akademie in St. Petersburg hat Kratzenstein für seine Erfindung im Jahr 1780 einen Preis verliehen. Später wurde diese Maschine von Wolfgang von Kempelen weiterentwickelt, dem es als erstem gelang, mit ihr Wörter und kürzere Sätze hervorzubringen. Im 19. Jahrhundert entwickelte auch Charles Wheatstone diese Maschine weiter.

Auch in Kirchenorgeln fanden durchschlagende Zungen Verwendung. Abbè Vogler (1749-1814) baute in zwei seiner Orgeln durchschlagende Zungen ein. Johann Nepomuk Mälzel (1772-1838) ^[1] baute 1805 durchschlagende Zungen in sein Orchestrion ein, für das Ludwig van Beethoven 1813 den zweiten Teil von „Wellingtons Sieg oder die Schlacht bei Vitoria“ (op. 91) komponierte (Kastner, Emerich / Kapp, Julius: Ludwig vun Beethoven: Sämtliche Briefe, Leipzig 1923 (Repr. Tutzig 1975), S. 274: „Ich hatte Maelzel auf eigenen Antrib ein Stück Schlachtsymphonie für seine Panharmonika ohne Geld geschrieben“.)

Lange Stimmplatte eines alten diatonischen Akkordeons

Die Aeoline wurde um 1810 von Bernhard Eschenbach zusammen mit seinem Cousin Johann Caspar Schlimbach entwickelt, wobei sie sich von der Maultrommel anregen ließen. Die Physharmonika wurde 1821 in Wien von Anton Haeckl patentiert. 1824 bekam Anton Reinlein in Wien ein Patent für eine Verbesserung der Handharmonika.

Als erstes flötenartiges Durchschlagzungeninstrument wurde 1828 das Psallmelodikon von Johannes Weinrich, einem Schuhmacher und Schriftsteller aus Heiligenstadt, patentiert. Es bestand aus einer Messingröhre von etwa 30 cm Länge. Es hatte Stimmzungen aus einer Silberlegierung, 20 Klappen und sechs Fingeröffnungen sowie einen Tonumfang von über zwei Oktaven.

Ein verwandtes Instrument war auch die Blas-Aeoline mit Klappen. In einer deutschen Aeolinen-Schule aus dem Jahr 1830 lesen wir: „Diese (...) war eigentlich ein Blasakkordeon. Der beste Musikant, der dieses Instrument spielt, ist Herr Cittadini, der es in seinen Jahreskonzert im Jahr 1829 präsentierte“.

Lange Stimmplatte einer alten beschädigten Mundharmonika

Es gab aber bereits vor dieser Zeit andere Instrumente wie Regale oder Orgeln, die Register mit durchschlagenden Zungen verwendeten, siehe Geschichte des Harmoniums. Cyrill Demian behauptet sogar in einem Patent von 1828, dass derartige Stimmzungen schon über 200 Jahre in Orgelregistern Verwendung fänden. Weiteres siehe auch in Geschichte der Harmonika. Auch die Maultrommel verwendet ein ähnliches Prinzip. Klar ist aber, dass erst mit dem Beginn des 19. Jahrhunderts in Mitteleuropa mehr Interesse an diesem Tonerzeugungsprinzip entstand.

Moderne Durchschlagzungeninstrumente sind die Mundharmonika, die Handzuginstrumente, die Melodica (Blas-Akkordeon) und das Harmonium.

Berechnung der Tonhöhe

Stimmzunge

Gesucht ist die Frequenz f, Einheit: Hz, mit der die Stimmzunge schwingt.

Bekannt sein müssen:

1. Der Elastizitätsmodul E-Modul, Einheit: kN/mm²: Der Elastizitätsmodul E als physikalische Eigenschaft, gemessen bei Raumtemperatur, beschreibt die Steifigkeit des Werkstoffes. Er ergibt sich aus der Steigung der Spannungs-Dehnungskurve im elastischen Bereich beim Zugversuch $E=\frac{\mathrm{d}\sigma}{\mathrm{d}\epsilon}$ mit der Dehnung ε, Einheit: % und der Zugspannung σ, Einheit: N/mm². Der Elastizitätsmodul ist die Proportionalitätskonstante im Hookeschen Gesetz. Die Materialkonstante für Stahl beträgt etwa 200 kN/mm²
2. Die Dichte ρ, Einheit: kg/m³: die Materialkonstante für Stahl beträgt etwa 7850 kg/m³
3. Die Abmessungen: Länge L, Breite b und Dicke (Höhe) h, Einheit: m

Unter der Annahme, dass die Stimmzunge die Form eines Quaders hat, lässt sich über das Volumen V die Masse m der Stimmzunge bestimmen:

$m = \rho \cdot V = \rho \cdot h\cdot b\cdot L$

Auf die Stimmzunge wirkt nur ein bestimmter Luftdruck p, Einheit: N/m², mit dem die Zunge zum Schwingen angeregt wird. Das freie Ende der Zunge ist dabei mehr an der bewegten Masse m beteiligt als der Teil, der in der Nähe der Niete ist. Die Zungenform hat Einfluss auf die Massenverteilung. Die Kraft F, Einheit: N, welche auf die Stimmzunge wirkt, ergibt sich wie folgt:

$F = b \cdot L \cdot p$

Das Flächenträgheitsmoment I, Einheit: cm⁴, der Stimmzunge ergibt sich des Weiteren mit:

$I = {b \cdot {h}^3\over {12}}$

Und dies wiederum führt zu einer bestimmten Auslenkung der Stimmzunge (Auslenkungsweg am beweglichen Ende). Von der Theorie „Biegung eines Balkens“ kann man den allgemeinen Zusammenhang zwischen der wirkenden Kraft F und der Auslenkung s, Einheit: m, ableiten. Er lautet:

$s = \frac{F \cdot {L}^3}{3 \cdot E \cdot I }$

Daraus lässt sich die Steifigkeit c der Stimmzunge, Einheit: N/m, ableiten:

$c = \frac{F}{s} = \frac{3 \cdot E \cdot I}{L^3} = \frac{E \cdot b \cdot h^3}{4 \cdot L^3}$

Man beachte, dass die Steifigkeit proportional zum Elastizitätsmodul abnimmt. Bei Erhöhung der Dicke h oder bei Verkürzung der Länge L wird die Steifigkeit beachtlich höher, da sie sich potenziert.

Die Konstante für die tiefste erreichbare Grundschwingung, die γ-Konstante wird durch mathematische Näherung hergeleitet und bezieht sich auf den einseitig eingespannten Balken. Sie beträgt γ₁ = 1,875. Eine Stimmzunge kann aber auch zu Schwingungen angeregt werden, denen eine andere Konstante zugrunde liegt, diese Schwingungen bezeichnet man als Eigenschwingungen höherer Modes. γ₂ = 4,6941, γ₃ = 7,8548, etc. Diese Werte gelten nur bei absolut rechteckigen Abmessungen. Werden Breite oder Dicke der Zunge profiliert, verändern sich auch diese Faktoren. Eine Schwingungsberechnung für komplexere Abmessungen, die näher an die realen Abmessungen von Stimmzungen herankommen, ist nur mit der Finite-Elemente-Methode möglich. Die Ergebnisse, die mit der folgenden Berechnung erzielt werden können, sind aber bei profilierten Stimmzungen näherungsweise durchaus brauchbar.

Für die Kreisfrequenz der Stimmzunge ergibt sich:

$\omega ={\gamma^2 \over { \sqrt{3}}} \sdot \sqrt{c \over {m}}$

mit ω = 2πf folgt daraus die Frequenz f:

$f = {\gamma^2 \over {2 \pi \cdot \sqrt{3}}} \cdot \sqrt {c \over {m}}$

Setzt man für c und m die entsprechenden basierenden Formeln ein, kann die Formel durch Umformen und Kürzen in die folgenden Formen gebracht werden.

$f = {\gamma^2 \cdot h \over {4 \pi \cdot {L}^2}} \cdot \sqrt{E \over {3 \rho} }$

Nach dem Umstellen dieser Gleichung nach L ergibt sich die Länge einer bestimmten Stimmzunge für eine gewünschte Frequenz f:

$L = \sqrt {{\gamma^2 \cdot h \over {4 \pi \cdot f }} \cdot \sqrt{E \over {3 \rho} }}$

Das Ergebnis ist nur noch von den Materialparametern abhängig.

Siehe auch

• Helikonstimmplatten, Tonkanzelle

Quellenangaben

1. ↑ F. K. Bartl, Nachrichten von der Harmonika 1796; F. K. Bartl, Abhandlung von der Tastenharmonika 1798;

Weblinks

• Erzeuger von Stimmplatten
• Java-Applet-Simulation
• Stimmen erklärt
• Englischer Text zur Geschichte der Durchschlagzungen
• Englischer Text zur Aeolina mit Bildern
• PDF-Datei mit Angaben zu DIX und Harmoniumstimmzungen - Vortrag von Joachim Weischet 1996