Von der Pfeife zur Hammond TeilII

HammondWie ein Geräusch zum Klang wird habe ich schon in Teil I beschrieben. Die notwendigen Geräusche aber zu erzeugen ist nochmal eine Herausforderung. Die Idee ist es, möglichst perfekte Sinusklänge für die Additive Synthese zu generieren - mit den Mitteln der Elektromechanik ist das gar nicht so einfach. Für jeden Ton einen herkömmlichen Oszillatorschaltung, etwa mit LC-Schwingkreisen, einzubauen ist nicht praktikabel. Darum hat sich eine einfache wie auch geniale Lösung durchgesetzt.

Die Erzeugung des Klangs

Lautsprecher jeglicher Art werden mit Signalen in Form von fließendem Strom betrieben. Für den benötigten Sinusklang braucht man also eine periodische Sinus-Wechselspannung. Und um die induzieren werden gezackte Metallräder vor einem Tonabnehmer (Pickup) zum Rotieren gebracht. Wegen den Zacken nähert und entfernt sich das Eisenrad vom Ferritkern des Tonabnehmers. Durch elektromagnetische Induktion entsteht zumindest angenähert eine Sinusspannung. Schickt man sie dann noch durch ein paar Filter, erhält man eine nahezu perfekt glatte Sinuswellenform.
Tonewheel
Allerdings wird natürlich für jede Tonhöhe ein eigenes Rad benötigt. Folglich drehen sich also bis zu 96 Tonräder nebeneinander auf einer Achse. Die Drehfrequenz der Achse beträgt 20 Hz. Für den tiefsten Ton mit 40 Hz hat das Rad also 2 Zacken. Für den Kammerton a’ mit 440 Hz braucht man ein Rad mit 440/20 = 22 Zacken. Wie das Diagramm zeigt wächst die Frequenz mit der wahrgenommenen Tonhöhe exponentiell. Es werden also ziemlich schnell recht viele Zacken auf dem Rad.
Für die wohltemperierte Stimmung ergibt sich mit diesem Mechanismus aber auch das Problem, dass irrationale Frequenzen nur rational angenähert werden können. In den tieferen Lagen ist die Stimmung also nicht optimal. Zudem kann man die Orgeltöne nicht unabhängig von einanander stimmen. Eine Varianz bekommt man nur, wenn man die Rotationsfrequenz der Achse ändert. Dummerweise tut das eine amerikanische Hammond auch ganz von alleine, wenn man sie an das europäische Stromnetz anschließt.
Tonhöhe

Raus mit dem Ton!

Nach der Klangerzeugung wird das Signal durch durch die Zugriegel und die ganzen Effekte (Chorus/Vibrato, je nach Modell auch Reverb). Auf diesem Weg formt sich der Klang weiter. An den Zugriegeln wird der Klang aus den Naturtönen gemischt (siehe Teil I), danach erledigen die Effekte ihre Arbeit. Am Ende wird das Signal, das bisher nur im mV-Bereich war zur endgültigen Ausgabe verstärkt. Doch den eigentlich charakteristischen Klang erzeugt erst der obligatorische Lautsprecher: das Leslie-Cabinet. Zum einen sorgt die Röhrenbauweise schon für einen besonders weichen und warmen Klang, besondere Eigenart ist aber das so genannte Rotary.
Durch (echtes mechanisches) Drehen des Schalltrichters wird ein Dopplereffekt erzeugt. Die Schallquelle entfernt und nähert sich relativ zum Betrachter. Durch die Überlagerung der vom Dopplereffekt resultierenden Phasenverschiebung entsteht ein Chorus-Effekt. Zusätzlich wirft der Rotor den Klang aber auch noch dreidimensional in den Raum. So entsteht noch eine ziemlich einzigartige Mischung aus Panorama-Wha-Wha und Vibrato. Wenn man mal in einem Musikgeschäft ist, sollte man einen echten Leslie unbedingt mal antesten. Mit ein paar Dirty Tricks lässt sich der Lautsprecher dank der verbauten Röhren auch ohne einen vorgesehenen Drive zum Übersteuern bringen.
Das wohl wichtigste Stilmittel für Hammond-Organisten ist aber das An- und Abstellen des Leslie-Rotors. Und netterweise hat jemand eine Demo-Aufnahme davon freigegeben:
[OGG/VORBIS] von Langsam zu Schnell zu Langsam
[OGG/VORBIS] Effekt in der Praxis

Echte und virtuelle Klone

Da sich nicht jeder eine Hammond kaufen (und vor allem transportieren) kann, gibt es inzwischen einige Klone davon. Hier eine Auswahl der besten:

Echte Keyboards:

  • Hammond-Suzuki X(L)K 3: Ein Klon ist das Gerät trotz seines “originalen” Namens. Hammondorgeln werden nicht mehr hergestellt, die japanische Firma Suzuki hält aber das Namensrecht und vertreibt Nachbauten der großen Originale. Dank echter Röhren und Waterfall-Tastatur sind die Geräte ziemlich nah am Original. Auch ein 11poliger Leslie-Rundstecker kann angeschlossen werden. Die Drawbars sind echt und lassen sich intuitiv bedienen, das Case ist aus Holz. Ein Erweiterungsboard für das zweimanualige Spiel ist erhältlich. Weniger nett ist der Preis: 3000€ nur für ein Board, das nur nach Orgel klingt ist ziemlich viel. Ein Rotary ist zwar eingebaut, vorgesehen ist aber das Anschluss an einen Leslie, der ebenfalls noch einiges kostet.
  • Clavia “Nord Elektro” oder “Nord Stage”: Beide Instrumente benutzen die gleiche Algorithmen für die Klangsynthese und haben das selbe Konzept. LEDs anstatt echten Drawbars machen vollständiges Total-Recall möglich. Somit hat man immer eine verlässliche Info, wie die Orgel gerade registriert ist. Das Nord Stage hat zusätzlich noch die Möglichkeit zum Morphen der Drawbars. So kann man etwa das Mod-Wheel zum simultanen Steuern mehrerer Drawbars programmieren.
  • Roland VK-**: Roland bietet echte Drawbars, aber eher mäßigen Klang. Dafür ist das VK-8 das einzig erhältliche Soundmodul.
  • Software:

  • Native Instruments B4 II (Win/Mac; VST): Der Pionier unter den Emulatoren. Als VST und Standalone für Mac und PC bietet die Software nicht nur eine B4, sondern auch eine Farfisa und Vox Continental. Zum Aufnehmen ist es sicher eine gute Wahl, mit 300€ aber auch eine teure. Im Live-Einsatz braucht man wohl einen Laptop, für die stilechte Ansteuerung hat aber die Firma Doepfer die passende Lösung.
  • Beatrix (Linux; OSS): Beatrix kann zwar weder Alsa noch Jack, klingt aber ganz vernünftig. Keine GUI, steuern muss man das Ding mit MIDI-Signalen. Alles in allem also eher was für Bastler.
  • Horgand (Linux; Alsa, Jack): Horgand kann zwar Jack, ist aber kein direkter Hammond-Emulator sondern eher ein Orgel-Synthesizer. Wenn die Versionsnummer mal etwas höher ist taugt das Programm bestimmt was.
  • 4 Antworten auf “Von der Pfeife zur Hammond TeilII”

    1. beza1e1 meint:

      Also gegen Ende vom Text bin ich dann doch ausgestiegen. Das WhaWha irgendein Effekt ist, hab ich mal in der Schule gelernt. Aber was sind nu Drawbars?

    2. d135-1r43 meint:

      :-)

      Wha-Wha ist ein Effekt, der so klingt wie das Wort.

      Drawbar ist die englische Bezeichnung für Zugriegel - also die Register. Und du hast recht: das ist wohl nicht ganz konsitent. Darum hab ich es geändert.

    3. Funktion des Hammond Tonewheelgenerators - Seite 9 - Musiker-Board meint:

      [...] Auf ein Neues? @Johannes: Ich melde mich hier nicht, um den Streit erneut anzufachen. Wenn das Thema in der Plauderecke stehen würde, wäre es mir auch vollkommen egal. Einziger Grund ist, zu verhindern, dass in Deiner Facharbeit Dinge stehen, die den Regeln der Physik vorsichtig ausgedrückt „nicht so ganz entsprechen“. Vielleicht ist ja eine sachliche Diskussion diesmal möglich, ohne gleich wieder beschimpft zu werden? Die Regeln in Mathematik und Physik sind zum Glück so eindeutig, dass Missverständnisse ausgeschlossen sind, wenn ein Modell korrekt ist bzw. korrekt beschrieben wird. Der Umkehrschluss gilt allerdings auch. Und das ist das Problem. F(x) steht in der Mathematik für den Wert der Funktion F an der Stelle x und B(d) entsprechend in der Physik für den Wert der Flussdichte B einer Quelle, im Abstand d zu dieser Quelle. Interpretationsspielraum gibt es dabei definitiv nicht. Wer eigentlich etwas Anderes meint, muss ganz einfach auch etwas Anderes schreiben. Ein Modell, das auf einer falschen Darstellung basiert, ist schon aus diesem Grund physikalisch und mathematisch falsch. Wenn man mit B(d), wie in der „aktuellen Modellbeschreibung“ eigentlich ein B an einer festen Stelle (Spule bzw. dem Magnet darin) in Abhängigkeit von einem Störer im Abstand d meint, wird es leider nicht besser. Denn dann ist nicht nur die Darstellung falsch. Durch einen ferromagnetischen Störer (Tonewheel) wird zwar das Feld verzerrt (Änderung der Feldlinienverteilung), der integrale Wert von B, und genau der steht ja da, bleibt aber unverändert. Man bezeichnet diesen Wert übrigens auch als Remanenz (Dauermagnet - Wikipedia). Und genau weil sich dieser Wert eben nicht ändert, nennt man den Magneten in der Pickup-Spule ja auch „PERMANENTMAGNET“ oder „Dauermagnet“. Ein B(d), wie in dem Modell berechnet, wäre also eindeutig physikalischer Unsinn. Was eigentlich gemeint ist, so lese ich das aus den Beiträgen, ist nicht die Flussdichte B(d), sondern vielmehr der Fluss PHI(d) durch einen bestimmten Raumwinkel bzw. durch eine definierte Fläche. Das muss man dann aber auch richtig schreiben. Und diese Größe ist weder ~ d, noch ~1/d, noch ~ 1/d². Sie ist einfach ~ sin(wt). Die d-Abhängigkeit steckt implizit in der Frequenz, die von der Nocken- oder Zahnzahl und der Drehzahl der Welle abhängt. Genauer natürlich mit einer gewissen Phasenverschiebung, aber die kann man zunächst vernachlässigen. Also genau das, was die Spule "sieht" und was man folglich auch hört. Ein mit der Physik vereinbares (und damit korrektes) Modell wäre also viel einfacher als der umstrittene Vorschlag hier. Nur kann man daraus eben nicht die Geometrie der Tonewheels berechnen. Das wiederum ist schon deshalb gut, weil kein echtes Tonewheel der aus dem (falschen) Modell berechneten Geometrie entspricht. Nicht nur die ComplexWheels, auch die „Vielzähner“ sehen ganz anders aus (beste Abbildung hier: d135-1r43 » Blog Archive » Von der Pfeife zur Hammond TeilII), 192 runde Nocken waren in den 30er Jahren schon fertigungstechnisch nicht möglich. Und selbst bei den wenigen runderen „Nockenrädern“ wäre der Hub, der sich aus der Modellrechnung ergibt, falsch. Also auch der einfache Vergleich mit dem Original und damit der Realität widerlegt das Modell. Eindeutiger und klarer geht es nun wirklich nicht. Dass die Sinusformung mehr durch die Schwingkreiskomponenten als durch die Tonewheelform erfolgt, ist hoffentlich unstrittig. Und natürlich auch elementare Physik. Dass Phasenverschiebungen für den Klang einer Hammond essentiell sind, hoffentlich auch (wer einmal nachgeschaut und verstanden hat, wie der Scanner funktioniert und was C1-3 oder V1-3 sind, wird das bestätigen, z.B. hier: Hammond-Orgel - Wikipedia, im Abschnitt zu Chorus und Vibrato). Und ob die zeitliche Variation der Phasenlage beim Spiel nun als Einbildung angesehen wird oder nicht, oder warum man bei den TopClones die „leakage“ der einzelnen Tonewheels einstellen und hören kann (es hört sich deutlich „echter“ an), ist mir dann ehrlich egal. Mir gefällt es ganz einfach, ob eingebildet oder nicht! Vielleicht kannst Du aus der Diskussion hier lernen, dass man in der Physik komplizierte Dinge in aller Regel mit einfach(st)en Ansätzen beschreiben kann. Hinter komplizierte(re)n Ansätzen und Formeln steckt in aller Regel kein besseres Verständnis. Und so etwas sollte man in keinem Fall ehrfurchtsvoll und unkritisch übernehmen, sondern ganz einfach sehr kritisch und mit normalem Verstand hinterfragen! Die Fragen zum Richtungshören kann man mit dem Rechner auf der angegebenen Seite ganz einfach erschlagen (Phasenwinkel-Berechnung Phasendifferenz aus der Laufzeitdifferenz (Delay) und der Frequenz Zusammenhang Phasenverschiebung - sengpielaudio). Der Autor ist Tonmeister, bekannt von unzähligen Klassikaufnahmen, anerkannter Experte und Dozent an der FU Berlin. Wer sich für „Hören“ generell interessiert, sollte einfach mal nach Psychoakustik suchen. Niemand hört „mathematisch“. Ein link zum Einlesen (wenn man nicht harte Fachliteratur lesen möchte): ars auditus [...]

    4. asdf meint:

      hm. wie sieht denn dann der Rand des Tonrades aus??? Ist er auch Sinusförmig, oder annähernd sinusförmig und wenn ja, warum??

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    M. Herhoffer