Der Ton macht die Physik

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Dominik Schuster
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1 Charles Taylor Der Ton macht die Physik Die Wissenschaft von Klangen und Instrumenten

2 Der Horsaal cler Royal Institution unmittelbar nach einer Vorlesung

3 Charles Taylor Der Ton Dlacht die Physik Die Wissenschaft von KHingen und Instrumenten Aus dem Englischen iibersetzt von Brigitte Dobert II Vleweg

4 Copyright 1992 for lop Publishing Ldt Originally published in English by lop Publishing Ltd, Techno House, Redcliffe Way, Bristol BS1 6NX, England First published 1992 Dbersetzung: Dr. Brigitte Dobert Alle Rechte vorbehalten Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbh, Braunschweig/Wiesbaden, 1994 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1994 Der Verlag Vieweg ist ein Unternehmen der Bertelsmann Fachinformation GmbH. Das Werk einschlieblich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschiitzt. Jede Verwertung auberhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulassig und strafbar. Das gilt insbesondere fiir Vervielfaltigungen, Dbersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Umschlaggestaltung: Schrimpf und Partner, Wiesbaden Gedruckt auf saurefreiem Papier ISBN-13: e-isbn-13: DOl: /

5 Vorwort Seit 1826 Hidt die Royal Institution jedes J ahr bedeutende Wissenschaftler ein, zur Weihnachtszeit eine Vortragsreihe zu halten. Nach dem Willen von Michael Faraday, der diese Tradition begrtindet hat, sol1 ihr Stil einem jugendlichen Publikum angemessen sein. In der Praxis heibt das, dab der Vortragende mit einem enthusiastischen und kritischen Publikum konfrontiert wird, das von unter 10 bis tiber 80 Jahre alt ist und des sen wissenschaftlicher Bildungsgrad von unverbildeten Kindern bis hin zu gestandenen Hochschulprofessoren, ehrwtirdigen Fellows der Royal Society und einigen Nobelpreistragern reicht. Und alle erwarten, dab der Vortrag sie interessiert. Das gegenwartige Buch ist die erweiterte Fassung des sen, was Professor Charles Tay lor in der auberst erfolgreichen Vortragsreihe der Weihnachtssaison 1989/90 aus- und vorfuhrte. Er ist insofern eine Ausnahme unter den Wissenschaftlern, als er - wie er bescheiden sagt - "eine Art von Musik" aus mehr als 20 Instrumenten herausholen kann. Abgesehen davon, dab er ein anerkannter Kristallphysiker und Spektroskopiker ist, versteht er sich auf die Kunst, Herz und Geist junger Menschen anzuregen. Er hat vie11eicht mehr Vortrage fur Kinder gehalten als irgend jemand sonst in Europa. Wahrend der letzten zwanzig Jahre wandte er sich in der Royal Institution regelmabig an ungefahr tausend der rund Kinder, die sichjedes Jahr in deren Auditorium drangen, urn inspiriert, belehrt und unterhalten zu werden in einer Art, die Faraday gefallen hatte. Wahrend seiner Zeit als Physikprofessor an der Universitat von Wales in Cardiff wandte er sich an Kinder und Erwachsene im ganzen Ftirstentum und dartiber hinaus. Das Fernsehpublikum der beiden Weihnachtsvorlesungsreihen, die das BBC tibertragen hat, lag bei etwa 20 Millionen! Direkt hat er sicher zu tiber Zuhorern gesprochen. Professor Charles Taylor hat eine einmalige Art, die magische und die wissenschaftliche Seite der Musik so darzuste11en, dab er jung und alt mit seiner Freude und seinem Verstandnis mitreibt. Dies mitzuerleben wird dem Leser des vorliegenden Buches nicht das geringste Vergntigen sein. Sir John Thomas, F. R. S. Fullerian-Professor fur Chemie an der Royal Institution und Vizekanzler der Universitat von Wales v

6 Inhaltsverzeichnis 1 Einfiihrung 2 Was ist Musik? 2.1 Einftihrung Was ist Schall? Schallwellen in festen Korpern und FHissigkeiten 2.4 Wann ist Schall Musik? 2.5 Tonhohe und Frequenz. 2.6 Ultraschall. 2.7 Reine Tone Klangholzer Die erste Familie von Musikinstrumenten 2.10 Das Ohr Der Horbereich Zurtick zur Natur der Musik 2.13 Musik und Information Informationstrager Harmonie und Dissonanz Schwebungen und DifferenztCine Psycho-akustische Komplikationen 2.18 Mehr tiber den Beitrag des Gehirns 2.19 Zusammenfassung Prinzipielles iiber Instrumente 3.1 Einftihrung Einen Ton erzeugen Eigenfrequenzen Einen Ton aufrechterhalten. 3.5 Wie wird der Ton laut genug? Instrumente der ersten Familie Wie wird der Ton laut genug? Instrumente der zweiten Familie Nebenwirkungen des Gebrauchs von Kasten Luftschwingungen in einer Rohre VII

7 3.9 SchneidentOne Harmonische Oberschwingungen: Instrumente der dritten Familie Rohrblattinstrumente Die Analyse musikalischer Klange Warum erzeugen Rohrblattinstrumente so viele Obertone Wie nehmen wir Mischungen von ObertOne wahr? ObertOne von Saiten Saitenschwingungen aufrechterhalten Ein zeitgenossisches mechanisches Instrument Tone im Zeitverlauf Die tiberragende Bedeutung des Einschwingvorgangs Mehr tiber den Einschwingvorgang Zusammenfassung Sandmuster, Saiten und Sinfonien Einflihrung Schwingungsmuster von Platten Schwingungsmuster von Luft in Hohlraumen Der Korpus von Saiteninstrumenten Streichinstrumente Der Geigenbau Wissenschaftliche Qualitatstests flir Geigen Wissenschaftliche Qualitatstests: Musikinstrumente im Konzertsaal WOlfe Die Catgut Acoustical Society Zupfinstrumente Angerissene Saiten in Tasteninstrumenten Angeschlagene Saiten in Tasteninstrumenten Das Pianoforte Der Klavieranschlag Zusammenfassung Technik, Trompeten und Tone Einleitung Was passiert am Ende einer Rohre? Schwingungen in beidseitig offenen Rohren Schwingungen in einer einseitig verschlossenen Rohre Privilegierte Frequenzen Schwingungen in konischen Rohren VIII

8 5.7 Obertonspektren der Holzblasinstrumente 5.8 Schneidentoninstrumente Windkapselinstrumente Die Oboen- und die Klarinettenfamilie Die Funktion der TonHicher Die Schallabstrahlung Schwingungen aufrechterhalten 5.14 Die Funktion der Klappen Eine andere Sicht von Schwingungen in Rohren 5.16 Instrumente des Ubergangs Wie aus einer Rohre eine Trompete wird Ventile und Ziige Obertonspektren der Blechblasinstrumente Orgelpfeifen Der Orgelmechanismus 5.22 Die Stimme Zusammenfassung... 6 Stimmuugen, Synthesizer und Schallaufnahmen 6.1 Einftihrung Sinn und Zweck von Tonleitern 6.3 Gleichschwebende Temperatur. 6.4 Folgen des Temperierens. 6.5 Elektronische Synthese. 6.6 Analoge Synthese. 6.7 Samplen Digitale Techniken. 6.9 Computer-Synthese 6.10 Digitale Synthesizer 6.11 Die Idee von MIDI Warum iiberhaupt Synthesizer? 6.13 Mechanische Instrumente und ihre Nachfolger SchluBbemerkung Akustik, Ablenkung und Auffiihrungspraxis 7.1 Einftihrung Jeder mub irgendwo sein Lautstarke gegen Verstandlichkeit. 7.4 Die Forschungen von W. C. Sabine IX

9 7.5 We1che Nachhallzeit ist,richtig'? Wo soli schalldiimpfendes Material angebracht werden? Streuung der Reflexionen Nachteile von Reflexionen Einige subjektive Probleme Methoden akustischen Entwerfens Nachbesserungen der Akustik Symphony Hall, Birmingham Uirm in Gebauden SchluBbemerkung A Holographische Interferometrie A.1 Einfiihrung B Tonhohe und Frequenz B.1 Einftihrung B.2 Notationssysteme.... B.3 Die Verhaltnisse in der reinen diatonischen Tonleiter B.4 Der Gebrauch von Cents als FrequenzmaB. C Danksagungen C.1 Bildnachweise Literaturverzeichnis Index x

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