Klang-Spektrum

Warum eine Flöte anders klingt als eine Geige — bei genau demselben Ton

Spielt eine Flöte das eingestrichene A und eine Geige denselben Ton, schwingen beide 440-mal pro Sekunde. Die Tonhöhe ist identisch, messbar identisch. Trotzdem erkennt jeder Mensch nach einem Viertel einer Sekunde, welches Instrument gerade spielt. Der Unterschied liegt nicht in der Tonhöhe, sondern darin, was oberhalb davon mitklingt.

Eine schwingende Saite oder Luftsäule schwingt nämlich nie nur als Ganzes. Sie schwingt gleichzeitig in Hälften, Dritteln, Vierteln und so weiter. Jede dieser Teilschwingungen erzeugt einen eigenen Ton: die Hälfte mit der doppelten Frequenz, das Drittel mit der dreifachen. Diese Töne heißen Teiltöne oder Obertöne, und ihre Frequenzen sind immer ganzzahlige Vielfache des Grundtons. Bei einem Grundton von 110 Hz liegen sie bei 220, 330, 440, 550, 660 Hz und so fort.

Bemerkenswert ist, was diese Reihe musikalisch ergibt. Der zweite Teilton liegt eine Oktave über dem Grundton, der dritte eine Quinte darüber, der vierte wieder eine Oktave, der fünfte eine große Terz. Der Dur-Dreiklang steckt also physikalisch in jedem einzelnen Ton, den ein Instrument hervorbringt. Das ist kein Zufall der westlichen Musik, sondern eine Eigenschaft schwingender Körper — und der Grund, warum Dur über Kulturgrenzen hinweg als stabil und ruhig empfunden wird.

Das Spektrum lesen

Ein Klangspektrum zeigt genau diese Teiltöne als Balken: waagerecht die Frequenz, senkrecht die Stärke. Der linke Balken ist der Grundton, die folgenden sind seine Obertöne. Die Tonhöhe steckt im Abstand der Balken, die Klangfarbe in ihren Höhen.

Die Flöte hat ein auffällig armes Spektrum. Der Grundton dominiert, der zweite Teilton liegt bei etwa einem Fünftel seiner Stärke, alles darüber verschwindet fast. Physikalisch ist eine Flöte nah an einer reinen Sinusschwingung — weshalb sie weich, rund und ein wenig hohl klingt. Die Geige dagegen hat ein dichtes Spektrum: Der fünfte Teilton ist noch halb so stark wie der Grundton, der achte deutlich hörbar. Diese hohen Teiltöne geben ihr das Brillante und Schneidende, mit dem sie sich in einem Orchester durchsetzt.

Daraus folgt eine Regel, die man beim Instrumentieren tatsächlich anwenden kann: Obertonarme Klänge mischen sich gut und treten in den Hintergrund, obertonreiche setzen sich durch und vertragen sich schlecht miteinander. Zwei Flöten im Unisono klingen wie ein Instrument, zwei Oboen bleiben zwei Oboen.

Formanten — warum man ein „A“ von einem „I“ unterscheidet

Bei der Singstimme kommt ein zweiter Mechanismus dazu. Die Stimmlippen erzeugen einen obertonreichen Grundklang; Rachen, Mund und Nase formen darüber einen Resonanzraum, der bestimmte Frequenzbereiche verstärkt und andere dämpft. Diese verstärkten Bereiche heißen Formanten, und ihre Lage entscheidet, welchen Vokal wir hören.

Die Zahlen dazu sind erstaunlich stabil. Beim „A“ liegt der erste Formant bei ungefähr 700 Hz und der zweite bei 1200 Hz; beim „I“ liegt der erste tief bei rund 300 Hz, der zweite dagegen hoch bei etwa 2500 Hz. Beim „U“ liegen beide tief. Entscheidend ist: Diese Werte bleiben ungefähr gleich, egal auf welcher Tonhöhe gesungen wird. Deshalb erkennt man den Vokal unabhängig vom Ton — der Grundton wandert, die Formanten bleiben.

Genau hier stößt Gesang an eine Grenze, die Sängerinnen praktisch kennen: Steigt der Grundton über den ersten Formanten eines Vokals, lässt sich dieser Vokal nicht mehr sauber bilden. Sopranistinnen modifizieren deshalb in hoher Lage die Vokale, ein „I“ wird dort näher an ein „Ü“ oder „A“ geführt. Das ist keine Nachlässigkeit, sondern Akustik.

Der sogenannte Sängerformant ist ein verwandtes Phänomen: Geschulte Opernstimmen bündeln zusätzliche Energie bei etwa 2800 bis 3200 Hz. In genau diesem Bereich ist ein Orchester vergleichsweise leise und das menschliche Ohr besonders empfindlich. Eine Stimme ohne Mikrofon trägt über ein volles Orchester hinweg nicht, weil sie lauter wäre, sondern weil sie in einer Lücke sitzt.

Was man damit im Unterricht anfangen kann

Die überzeugendste Demonstration braucht kein Gerät: Man greift am Klavier stumm den Akkord c–g–c¹–e¹ im Diskant, hält die Tasten unten, und schlägt dann das große C kräftig an. Nach dem Loslassen klingen die stumm gehaltenen Saiten weiter — sie sind durch die Obertöne des angeschlagenen Tons in Schwingung versetzt worden. Kinder hören dabei zum ersten Mal, dass ein einzelner Ton Töne enthält.

Auf der Gitarre geht dasselbe über Flageoletts. Ein Finger, der die Saite über dem zwölften Bund nur berührt statt niederdrückt, erzwingt einen Schwingungsknoten in der Mitte und lässt den zweiten Teilton erklingen, eine Oktave höher. Über dem siebten Bund kommt der dritte Teilton, die Quinte darüber, über dem fünften der vierte. Die Bundpositionen sind damit direkt ablesbare Teilungsverhältnisse der Saite: 1/2, 1/3, 1/4.

Ein dritter Zugang ist das Obertonsingen, das mit Jugendlichen überraschend oft gelingt. Man singt ein tiefes, gleichbleibendes „U“ und verändert dann langsam die Mundform in Richtung „Ü“, „Ö“, „A“, „E“, „I“. Bei geduldiger Ausführung löst sich ein hoher, flötenartiger Ton aus dem Klang — ein einzelner Oberton, den die veränderte Mundstellung hervorhebt. Genau das ist der Formant, hörbar gemacht.