Inharmonizität

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Harmonizität, eine Teiltonreihe

Harmonizität, Inharmonizität oder Teiltonverstimmung bezeichnet ein Phänomen schwingender Saiten. Aber es ist auch generell ein Merkmal von akustischen Signalen monophoner, polyphoner oder komplexer Natur.

Harmonizität a_\mathrm{H} beschreibt, wie genau die Frequenzen f_\mathrm{H} der Harmonischen \mathrm{H} eines Klangs auf den Vielfachen der Grundfrequenz h \cdot f_0 liegen. Ist die Harmonizität groß, so klingt das akustische Signal sehr rein und statisch, bei geringerer Harmonizität enthält der Klang mehr Schwebung und Lebendigkeit.

Eng damit verbunden ist die Inharmonizität a_\mathrm{IH}, die sich direkt aus der Harmoniziät berechnen lässt. Harmonizität und Inharmonizität geben eine gute Auskunft über die innere Struktur der Harmonischen – das gilt für Klänge allgemein. Für die Identifikation von Musikinstrumenten lässt sich dieses Merkmal gut verwenden. Eng damit verbunden ist die Rauschartigkeit.[1]

Physikalische Entstehung[Bearbeiten]

Schwingende Saite[Bearbeiten]

Bringt man eine Saite zum Schwingen, so kommt es zu einer sehr komplexen Bewegung der Saite: Sie schwingt sowohl in ihrer gesamten Länge als auch in Abschnitten und zwar in ihrer halben Länge, in ihrer drittel Länge, in ihrer viertel Länge u.s.w. Diese Abschnitte schwingen schneller als die ganze Saite und zwar doppelt so schnell, dreifach so schnell, 4-fach so schnell, usw. Die Schwingung ihrer gesamten Länge erzeugt den Grundton oder 1. Teilton, die jeweiligen Abschnitte die Obertöne, das heißt den 2. Teilton, den 3. Teilton, den 4. Teilton usw.

Die Frequenzen der Teiltöne verhalten sich somit wie die ganzen Zahlen, also 1 : 2 : 3 : 4 ...

In der Praxis trifft man jedoch auf das Phänomen, dass die Obertöne schneller schwingen und damit höher klingen, als sie theoretisch sollten. Dieses Phänomen, das man Inharmonizität oder Teiltonverstimmung nennt, wurde Ende des 19. Jahrhunderts bekannt.

Die Inharmonizität ist abhängig vom Durchmesser, der Länge, der Frequenz und dem Elastizitätsmodul des Saitenmaterials. Ihr Wert verhält sich proportional zum Quadrat des Durchmessers der Saite, umgekehrt proportional zur 4. Potenz der Längenveränderung und umgekehrt proportional zum Quadrat der Frequenzänderung.

Für die Praxis bedeutet dies, dass der Inharmonizitätswert steigt, je kürzer, dicker und schwächer gespannt die Saite ist, je „steifer“ sie ist. Ein hoher Wert für die Inharmonizität bedeutet, dass die Saite in sich „falsch“ oder zumindest „schlecht“ klingt. Klaviersaiten weisen vor allem im Bass und Diskant deutliche Inharmonizitätswerte auf. Die Tatsache, dass die tiefsten Basstöne eines niedrigen Pianos – mit relativ kurzen, dafür aber dicken Basssaiten – auch für den Laien hörbar „schlechter“ klingen als bei einem langen Konzertflügel, findet seine Begründung ganz wesentlich in der Inharmonizität.

Schwingende Körper allgemein[Bearbeiten]

Die Akustische Resonanzanalyse von schwingenden Körpern zeigt, dass jeder Körper sein eigenes Schwingungsmuster erzeugt, das im einfachsten Fall hauptsächlich von einer Grundschwingung oder Eigenschwingung dominiert wird. Körper können zu unterschiedlichen Eigenschwingungen angeregt werden, wobei das Verhältnis der Schwingungen zueinander individuell von der Beschaffenheit des schwingenden Körpers bestimmt ist. Normalerweise stehen diese Eigenschwingungen in keinem ganzzahligen Verhältnis zueinander.[2] Das Klangmuster besteht in diesen Fall meist aus einer hauptsächlich wahrnehmbaren Schwingung der Grundschwingung und aus vielen weiteren Schwingungen, die auch als Obertöne betrachtet werden können, obwohl diese nicht in einem harmonischen Zusammenhang mit dem Grundton stehen müssen. Jede Eigenschwingung hat für sich jedoch wieder ein individuelles Obertonspektrum, was zu einem komplexen Schallabbild führt.

Musikalische Bedeutung[Bearbeiten]

Bis zu einem gewissen Maße ist die Inharmonizität aber auch für die Lebendigkeit des Klavierklanges verantwortlich. Ein günstiger Verlauf der Inharmonizität kann durch die entsprechende Konstruktion bzw. die optimale rechnerische Ermittlung der Mensur (Längen, Durchmesser und Spannung der einzelnen Saiten) erreicht werden. Der Klavierstimmer muss in der Lage sein, die Inharmonizität eines Klavieres gehörsmäßig so weit zu beurteilen, dass trotz dieser „falschen Teiltöne“ das Instrument schließlich gut klingt. Aus dem bisher Gesagten ergibt sich auch, dass ein hundertprozentig exaktes Zusammenstimmen zweier nicht baugleicher Klaviere nicht möglich ist.

Einfache elektronisch erzeugte Töne haben keine Inharmonizität und klingen deshalb unnatürlich. Dieser Höreindruck kann durch zusätzlich erzeugte inharmonische Frequenzen deutlich verbessert werden.

Modenkopplung[Bearbeiten]

Bei Streichinstrumenten weisen im Pizzicato die gezupften Saiten starke Inharmonizität auf. Diese verschwindet bei gestrichenen Saiten, denn die Bogenbewegung und der nichtlineare Haftgleiteffekt induzieren auf der Saite eine Modenkopplung, die Saitenbewegung ist praktisch exakt periodisch. Modenkopplung gibt es auch bei Rohrblattinstrumenten wie der Klarinette. Zur Beschreibung des Obertonspektrums reicht daher im Normalfall ein einfaches Modell mit Obertönen in exakt ganzzahligen Verhältnissen zueinander.

Mathematische Beschreibung[Bearbeiten]

Ein abgegrenzter Zeitbereich von H Harmonischen m. Amplitude der h-ten von H Harmonischen A_m(h). K ist die Gesamtzahl der Filterbänder und k der Index auf ein einzelnes Band an Frequenzen, die durch Kurzzeit-Fourier-Transformation gewonnen und als korrelierte Abtastwerte erkannt wurden. Bereits die Gewinnung dieser Bänder erfordert jedoch äußerst komplexe Verfahren.

Harmonizität:

a_\mathrm{H}(m) = 1 - {\frac {2} {f_0}} \left(\frac {{\sum_{k=0}^{K}} {\vert f_k - k \cdot f_0 \vert \cdot A_m ^2 (k)}} {{\sum_{k=0}^{K}} A_m^2(k)}\right)\,

Inharmonizität:

a_\mathrm{IH}(m) = 1 - a_\mathrm{H}(m)\,

Der Bereich, der durch Harmonizität abgedeckt wird ist kleiner 0,1.

f_a - k \cdot f_0 \leq f_a\,

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Identifikation und Klassifikation von Musikinstrumentenklängen in monophoner und polyphoner Musik, Gunnar Eisenberg, 2008, ISBN 3867278253, Online
  2. „“  Thomas Görne: Tontechnik: Hören, Schallwandler, Impulsantwort und Faltung, digitale Signale, Mehrkanaltechnik, tontechnische Praxis, Seite 54. 2014, ISBN 3446441492 (Vorschau in der Google-Buchsuche).

Siehe auch[Bearbeiten]