Wie wird eigentlich der Schall im Saxophon erzeugt?

Ich versuche es mal noch einmal zu erklären, mit meinen Worten. Vielleicht kann es ein bisschen beitragen, die Verwirrungen um die Luftbewegung im Saxophon zu klären.

Also, fangen wir ganz am Anfang an, am Mundstück: Das Blatt macht eine Querbewegung zum Mundstück, dadurch macht es auf und zu (mehr oder weniger...) Wenn es 'auf' macht, drückt der Spieler ein kleines bisschen Luft in das Mundstück. Die Luftmoleküle werden also zusammengedrückt. Wenn es 'zu' macht, rutschen sie wieder zurück - weil ja in dem Moment nichts nachkommt und der Druck an der Vorderseite höher ist.
Wichtige Erkenntnis: Wir sprechen über eine Kompressionswelle, auch Longitudinalwelle genannt. Diese Druckschwingung breitet sich durch das Saxophon aus - das einzelne Luftmolekül zappelt aber im wesentlichen hin und her. Es ist also nicht so, dass ein einzelnem Molekül durch das ganze Horn geblasen wird.
Vergleicht es mit dem Strom aus der Steckdose: Es ist auch nicht so, dass ein einzelnes Elektron vom Kraftwerk den ganzen Weg zu eurer Steckdose zurücklegen muss. (und wieder zurück bei Wechselstrom ). Nein, das Elektron schubst einfach andere hin und her...
So schubsen die Luftmoleküle, die ihr gerade angeregt hab, die nächsten an, die auch die nächsten usw - bis die nächsten irgendwann gebremst werden. Warum gebremst? Ja, richtig, weil ein Klappe offen ist. Dadurch stehen die Luftmoleküle fest, es gibt einen 'Knotenpunkt'. Damit ist es die vielbeschworene 'Stehende Welle' - die eigentlich gar nicht steht, weil die Partikel in der Welle fleissig hin und her zappeln. Wenn euch die Luftmoleküle zu klein sind, stellt euch eine Menschenmenge vor. Die erste Reihe schubst die nächste (und schwingt dabei selbst wieder zurück)... und so weiter... bis die auf die letzte Reihe. Die steht vor einer Mauer und kann deshalb gar nicht hin und her schwingen. Es ist nicht so, dass ein einzelner die 100m bis zur Mauer läuft, trotzdem ergibt sich eine Welle mit einer Wellenlänge von 100m.
Die Bewegung der Luftelemente ist also an den Knotenpunkten am kleinsten, Am Wellenbauch am grössten und dazwischen eben räumlich zu- und abnehmend.
Die Longitudinalbewegung der Luftpartikel hat nicht direkt etwas mit der Wellenlänge und auch nicht mit der Schallgeschwindigkeit zu tun!!

Die Teilchen bewegen sich, bewegen sich mit einer Geschwindigkeit - aber diese Geschwindigkeit ist nicht die Schallgeschwindigkeit. Deshalb hat sie auch einen eigenen Namen und wird 'Schallschnelle' genannt (Besser eigentlich Schallschnelle-Amplitude, da das Ding ja wackelt).
In Zahlen: Die Schallgeschwindigkeit in Luft beträgt 340m/s - es ist aber nicht so, dass die Teilchen mit 340m/s durch euer Saxophon jagen, sondern die bewegen sich wesentlich langsamer hin und her!
Ja und wovon hängt die Geschwindigkeit der einzelnen Teilchen jetzt eigentlich ab?
Wir hatten es oben schon: es ist eine Kompressionswelle, auch Druckwelle. Na? Genau! Je höher die Geschwindigkeit der Moleküle, desto höher der Schalldruck!
Bei z.B. 80dB Schalldruckpegel ist die Schallschnelle 0,5m/s
https://sengpielaudio.com/Rechner-ak-ohm.htm

Damit kommen wir zum beliebten Thema Verwirbelungen:

Na gut, da bin ich jetzt eher im Bereich der Spekulation. Natürlich ist das ganze nicht so einfach, wie oben dargestellt, man muss sich das ganze 3-Dimensional im Rohr vorstellen, statt einfach Linear. Wobei dann auch die Grenzflächen sicher eine wesentliche Rolle spielen.
Wie gesagt, die Grundfrequenz wird durch eine offene Klappe bestimmt. Obertöne gerade durch Unregelmässigkeiten... ich denke, 0,5m/s ist nicht soo langsam, dass irgenwelche Ecken und Kanten da nicht zu 'Verwirbelungen' führen könnten - die dann wieder das Frequenzspektrum wesentlich beeinflussen können.
Das gilt wohl um so stärker, je näher die 'Unregelmässigkeiten' an der Quelle sind - eine Step-Baffle im Mundstück hat sicher mehr Einfluss als eine Delle im Knie. Aber da fehlt mir noch die theoretische Begründung. Vielleicht kann jemand die Theorie weiterentwickeln.

Grüße,

Wanze

 

Vielleicht ganz kurz der Hinweis, dass das Blatt nur schwingt, weil wir Luft durch das Mundstück hindurch blasen. Guckst Du Bernoulli-Effekt. Das "einzelne Molekül" muss sich also schon ganz ordentlich durch Mundstück und Neck bewegen, was uns bei der Betrachtung des Schalls aber doch nicht stören muss. Ein open-air-Konzert höre ich, egal aus welcher Richtung der Wind weht.
Nebenbei bemerkt ist auch unser Ausatmen, nix Anderes ist unserer Stütze, doch auch ein deutlich wahrnehmbarer Hinweis, dass sich die Luft hindurch bewegt.
Bitte nicht die Atemluftströmung und die Schallbewegung in einen Topf werfen.

 

Die Atemluftbewegung ist unentscheidend für die grundsätzliche Erzeugung des Tons. Siehe unter der Text mit dem Alphorn.

Ich versuche es mal mit anderen Worten, weil die ganze Sache ist nicht unkompliziert.

Erst einmal vorweg: Eine eindeutige Tonhöhe durch eine stehende Welle wird durch drei Faktoren bedingt.

- Durch die Länge des Saxophons bis zum ersten geöffneten Loch (Oktavlöcher ausgenommen).
- Durch die Länge des schwingenden Blättchens (diese ändert sich durch den Druck des Blattes auf die Bahn. Wenn der Druck nicht stimmt, stimmt die schwingende Länge nicht und es entsteht keine stehende Welle: falscher Ansatz, sagt man dann).
- Durch den zweiten Resonanzkörper, unseren Mund- und Rachenraum.

Das ganze System hat eine engste Stelle, nämlich die am Blatt. Deshalb beschleunigt die Luft hier stark und reißt mit dem entstehenden Unterdruck die Blattspitze mit. Man kennt das Phänomen, wenn man zwei Papiere so vor den Mund hängt, dass sie einen kleinen Abstand haben. Bläst man da hindurch, so klatschen die Papiere aneinander.
Genauso klatscht das Blättchen gegen die Rail und verschießt die Öffnung. Damit wird der Vorgang gestoppt und die Blattspitze schnellt wieder zurück. Dieses Hin- und Herschnellen bewirkt, dass die Luftmoleküle hinter und vor dem Blättchen in Schwingung versetzt werden. Diese Schwingung setzt sich fort, indem jeweils ein Molekül das nächste anstupst.

Das Gleiche könnte man auch erreichen, wenn man mittels eines Elektromotörchens und Exzenter das Blättchen in Schwingung versetzte. Dass man Luft durch das Instrument bläst, hat mit der Welle im Instrument gar nichts zu tun. Ein Luftstrom stört das Aneinanderstoßen der Luftmoleküle eher.
Und dass der Luftstrom nicht den Ton transportiert, kann man sich schnell klarmachen, wenn man mal in ein Alphorn bläst. Es dauert Sekunden, bis der gar nicht mehr spürbare Luftstrom vorne am Trichter ankommt. Der Spieler könnte damit gar nicht zeitgenau einen Ton produzieren. Nein, das gegenseitige Anstupsen der Moleküle geht sehr viel schneller vonstatten.

Zurück zu Welle, die nun durch das Instrument Richtung Trichter (wir spielen der Einfachheit halber mal ein tiefes Bb) läuft. Sie würde sang- und klanglos verpuffen, gäbe es nicht ein Phänomen: Sobald die Welle den Trichter erreicht, kehrt die Welle ihre Richtung um und läuft zurück Richtung Mundstück, also entgegen der Blasrichtung.
Aber auch das ergibt noch keinen rechten Ton, denn nur, wenn die hin- und die zurücklaufenden Druckunterschiede an der gleichen Stelle ihren Überdruck bzw. Unterdruckbereich haben, schwingt sich (wie bei einer Rückkopplung) das gesamte System auf. Das ist dann das, was wir "stehende Welle" nennen.

Nochmal zur Verdeutlichung: Wenn man einen Ton pfeift, dann kann man ihn genauso laut erzeugen, indem man die Luft beim Pfeifen einzieht. Das zeigt, dass die Blasrichtung mit dem Ton selbst nichts zu tun hat, sondern nur zur Erzeugung der Schwingung gebraucht wird. Die Blasrichtung ist für die stehende Welle quasi ohne Bedeutung, ja, die sethende Welle wäre sogar ungestörter, bliese da nicht einer ständig dazwischen.

 

Bei unserem Instrument und so wie wir es spielen, als Blasinstrument, ist die Atemluftbewegung selbstverständlich ganz entscheidend für eine Tonerzeugung.
Nimm Dein Horn nur an die Lippen, tu nichts weiter und genieße die Stille.
Bei Deiner Beschreibung des Bernoullieffekts weiter unter, sagst Du es doch auch selber.
Ob man dem Instrument auch über andere Hilfsmittel Töne entlocken kann, ist im Zusammenhang Saxophon<>Blasinstrument irrelevant.
(Die Bewegung im Motor ist für die Lokomotion eines KFZ auch unbedeutend. Ich könnte es auch schieben, ein Pferd vorspannen, es selber schieben. )
Ein weiterer Hinweis für die Relavanz der Atemluftströmung ist der Zusammenhang zwischen Luftstrom und Lautstärke.

 

Die Atemluft ist entscheidend für die Schwingung des Blattes, nicht für "die grundsätzliche Erzeugung des Tons". Ich habe das extra getrennt, weil 80% der Saxophonspieler denken, dass die Luft, die sie ins Instrument blasen, dann auch den Ton transportiert. Das ist das gängige Vorurteil. Dass dem nicht so ist, wollte ich deutlich machen und ich denke, du weißt auch um diesen Umstand.

Es könnte also auch durchaus eine in Schwingung versetzte Membran sein, die die stehende Welle bewirkt.

Aber richtig: für die Lautstärke ist die Amplitude des Blattes maßgebend und diese ist abhängig von der Menge der durchgeblasenen Luft.

 

Nein. Du könntest den selben Effekt wie bei einem hornlautsprecher über eine membran erzeugen, die den s-bogen abdichtet und iwi (magnetisch, mechanisch etc) extern bewegt wird.
Die luft "strömt mit wenigen cm/s, 0,0X m/s bzw km/h durch dein Instrument. Damit sind strömungseffekte irrelevant.
Nur der tongenerator, der am saxophon zufällig aus einer aerodynamisch angeregten feder besteht, braucht für den bernoulli-effekt eine gewisse Strömung.

 

Test:
Bogen, MPC mit Blatt. zusammenbauen.
Luft aus der Unterseite (Bogen) raussaugen.
Vorher Gehörschutz checken

 

Ich habe doch nicht bezweifelt, dass man ein (dann nicht mehr) Saxophon auf verschiedener Weisen zum Tönen bringen kann.
Wir benutzen unsere Hörner aber nun mal als das Blasinstrument Saxophon. Wenn wir diesen Kontext verlassen , verlieren wir uns in Beliebigkeit.
Nota bene!
Der Tongenerator ist beim Saxophon so zufällig wie die Glocke im Glockenturm.

 

Nein, mit dem Begriff Blasinstrument begibst du dich in die Beliebigkeit einer ganz Gattung von Instrumenten und bist eben nicht mehr bei der Schallerzeugung speziell beim Saxophon. Der Begriff Blasinstrument lässt eben an ein Instrument denken, dessen Ton durch das Instrument geblasen wird. Genau das ist aber nicht der Fall.
Es ist eine etwas pädagogisch angehauchte Erklärung, die eben nicht beliebig ist, sondern detailliert das Entstehen der stehenden Welle erklärt, die durch die Blattschwingung angeregt wird.

 

Na gut, ich habe Bernoulli nicht ausdrücklich erwähnt, aber natürlich ist das so, wie @quax und @ppue das sagen

Glaube ich weniger: Ich denke nicht, dass die Schwingung vom Blatt auf die Luft übertragen wird. (Die Luft kann keine Scherkräfte übertragen, daher Longitudinalwelle, keine Transversalwelle.) Wenn das Blatt nicht ganz zu macht, kommt das Rauschen ins Spiel. Ausserdem ist die Vorstellung 'Blatt bewegt sich starr auf und ab' auch nicht korrekt, das Blatt vollführt ziemlich interessante Bewegungen als Eigenschwingung... dazu hab ich vor Jahren schon mal ein paar Videos gepostet.

Ich vermute, Du denkst da an den Versuch mit einem Seil, wobei die 'laufende' Welle am festen Ende reflektiert wird. Ist imho hier nicht so. vor allem führt die 'Welle die durch das Saxophon läuft' auf die falsche Spur, dass irgend etwas durch das Saxophon gepustet werden würde. (Ich weiß schon, dass Du @ppue das weißt, will aber nochmal ausdrücklich darauf hinweisen: Die Luftmoleküle wackeln um ihre Ausgangslage herum, die Amplitude mit der sie wackeln bildet die Schallwelle.

Makroskopisch betrachtet stimmt die erste Hälfte der Aussage. Aber wie ich dargestellt habe:
Die Moleküle bewegen sich, nicht geradeaus, in diesem Sinn also keine Strömung. Aber es ist eine Bewegung der Moleküle da. Gar nicht soo langsam: 0,5m/s = 30m/min = 1,8km/h

Nach meinem Dafürhalten (ohne technischen Beweis) spielen Randeffekte etc. durchaus eine Rolle - auch wenn die laminare Strömung bei weitem nicht in eine turbulente übergeht. (Ok, der letzte Teil ist leicht zu beweisen)

Spoiler

Re << 2300

Interessante Diskussion

Wanze

 

Das ist Deine eigene etwas eigentümliche Definition. Gehe ich richtig in der Annahme, dass der Begriff Schlaginstrument daran denken lässt, dass der Ton durch das Unstrumengt geschlagen wird?
Ich spare mal ne Menge eigener Wörter und verweise
https://de.wikipedia.org/wiki/Blasinstrument

 

Ich denke schon (-:

Hat ja keiner geschrieben mit der starren Auf- und Abbewegung, aber bei den Obertönen sind wir noch nicht und erklären erst einmal das System recht vereinfacht. Da rauscht erstmal nichts und wir sprechen von einer Grundfrequenz.

Genau, eins stuppst das andere an und bewegt sich dann auch wieder zurück. Dennoch wird die "Welle am Ende reflektiert, denn ansonsten könnte es keine Kopplung geben. Das ist etwas schwer vorstellbar, dass an der Stelle, wo das Tonloch ist, die Welle reflektiert wird. Ist aber so.

Noch einmal zur Welle, sie besteht nur aus Druckschwankungen, nicht aus einem Wandern der Moleküle.

In diesem Artikel wird die Entstehung der stehenden Welle einfach ausgeklammert. Genau solche schlecht definierenden Artikel lassen den Laien denken, die durchgeblasene Luft mach den Ton.

Weißt du nicht, was gemeint ist, mit einer stehenden Welle?

 

Für strömungsmechanik ist das nichts. Ausserdem hast du nicht gesagt bei welchem querschnitt. Am ende des s-bogens bist da schon einiges langsamer, in der mitte des korpus noch einmal.

Trotzdem kannst du die Vorstellung der Strömung durch das Instrument vergessen.

 

Ich bin mit Wanze einer Meinung, dass der Ton im Wesentlichen nicht vom Blättchen auf die Luft übertragen wird. Das Mundstück mit Blatt funktioniert als ein Zerhacker, der einen Luftstrom unterbricht und damit Druckschwankungen bedingt. Man schaue sich die Tonerzeugung bei einer klassischen Sirene an.
Und nochmal: Dass es möglich ist, ein Blättchen irgendwie anders zu einer Schwingung anzuregen, ist im Zusammenhang hier Jacke wie Hose. Das macht hier standardmäßig keiner. Wir führen dann eine Scheindikussion.
Weiter denke ich, dass die Leute jetzt wohl in der Lage sein werden, zwischen der Bewegung der Luftströmung und der gleichzeitigen Bewegung in der Schallschwingung zu differenzieren.
Und für alle, die glauben, dass es keine wesentliche Luftströmung gibt:
Mundstück und Neck solo. Dann gegen eine Feuerzeugflamme tröten und beobachten.

Und noch mal extra für JES: Natürlich fließt da Luft durchs Instrument. Wir blasen da 3-5 L durch das MCP hinein und die verschwindet ja nicht im Nirwana. Sie strömt ein Stück weit durchs Instrument um es dann an diversen Stellen wieder zu verlassen. Die Vorstellung oder Unterstellung, dass da Luft durchs ganze Horn saust und am Trichter austritt ist allerdings etwas kindisch.

Das ist möglicherweise nicht das eigengtliche Thema dieses Beitrags.

 

Ist es wirklich so, dass die Öffnung zwischen Blatt und Mundstück beim Spielen immer wieder (vollständig) „verschlossen“ und wieder geöffnet wird? Ich kann mir das kaum vorstellen, weil ich denke, dass das Blatt zu starr ist, um die Öffnung komplett zu verschließen, wenn man nicht maximal reinpustet, und ich würde annehmen, dass so keine Welle zustande kommt, weil die Schwingung durch das Verschließen unterbrochen würde. Wenn ich einen Ton pfeife, bleibt mein Mund auch geöffnet und ein Verschließen beendet den Ton sofort. Ich nehme stattdessen an, dass das Blatt zwar schwingt und sich dabei entlang der Rails verbiegt, dass die Öffnung dabei aber nur enger wird, ohne verschlossen zu werden. Und die Öffnung wird wieder weiter, sobald sich das durch das Verbiegen gespannte Blatt wie eine Feder wieder in die Ausgangsform zurückbewegt und die nächste Schwingung beginnt. So stelle ich mir das Entstehen der Welle vor.

Es ist aber nur eine Vermutung, ich habe keine Ahnung, korrigiert mich bitte, wenn ich falsch liege.

 

“…
Indeed, if you blow hard enough, it closes completely, and the flow goes to zero.
…”
https://www.phys.unsw.edu.au/jw/saxacoustics.html#reed

Grüße
Roland

PS:
Wie oft muss man diesen Link noch in diesem Forum posten!?

 

Noch viel öfter.

 

"Die Luft wird durch einen schmalen Schlitz zwischen den beiden Rohrblattzungen beziehungsweise Rohrblatt und Schnabel geblasen, wobei sich dieser Schlitz durch die Rohrblattschwingungen abwechselnd öffnet und schließt."
Zitat aus "Physik der Musikinstrumente" ISBN 3-922508-49-9 Seite 24.

 

Ok. Es gibt die verschiedensten Arten, wie Schwingungen in die Luft gesetzt werden.
Bei Pfeifen, von Tin-Whistle bis Orgel trifft ein Luftstrom auf eine Unregelmässigkeit, z.B. eine Kante (Labium), dadurch entstehen Turbulenzen, welche wiederum die Luft zum Schwingen anregen. Da würde eine Unterbrechung des Luftstroms tatsächlich den Ton sofort beenden.
Aber beim Saxophon wird der Schall durch eine periodische Druckwelle erzeugt. Denk mal an einen Lautsprecher, der erzeugt Schall indem eine Membran hin- und her wackelt. (Edit: Das Beispiel mit der Loch-Sirene von @quax ist noch viel besser!) Beim Saxophon wird das hin und herwackeln durch schnelles Öffnen und Schliessen der Luftzufuhr erzeugt. Aber es ist nicht so, dass das Blatt seine Schwingungen auf die Luftsäule überträgt: Das Blatt schwingt quer zum Mundstück - und die Luft kann keine Querkräfte übertragen! Die Schwingung des Blattes dient tatsächlich mehr dazu, die Luftzufuhr zu öffnen und zu schliessen. Also wenn man das Blatt mit einem kleinen Elektromotor auf und ab wackelt, würde demnach immer noch Schall raus kommen, zumindest nicht so wie wir ihn gewohnt sind!
Aber ich denke, Du hast auch nicht ganz unrecht, es kann sein, dass das Blatt nicht in allen fällen die Öffnung komplett verschliesst. Das hört man öfters bei Anfänger, zu schweres Blatt und es kommt mehr Rauschen als Ton.

 

Danke schon mal! Das Zitierte verstehe ich noch nicht. Wenn ich die Öffnung schließen möchte, erreiche ich das, indem ich das Blatt mit dem Daumen von unten nach oben gegen das Mundstück drücke, also eine vertikale Bewegung. Eine Bewegung „quer“ also seitlich geht meiner Meinung nach nicht, weil das Blatt durch die Ligatur fixiert ist und seitlich nicht flexibel ist. Der Abstand zur Spitze würde sich bei einer Querverdrehung oder -Beugung auch nicht ändern. Oder meinst du, dass das Blatt sich axial verdreht, so dass mal die eine und mal die andere Seite sich der MPC-Spitze nähert? Dabei wäre ein Verschließen jedoch ausgeschlossen.