Teilthema: Tonintervalle
Einführende
Informationen
Bei Saiteninstrumenten
wie z.B. der Gitarre oder der Geige ändert man die Tonhöhe, indem man durch
Auflegen eines Fingers dafür sorgt, dass die Länge des schwingenden Teils der
Saite variiert. Ist der schwingende Teil kürzer, so wird der Ton höher. Im Prinzip
gibt es unendlich viele Saitenlängen und damit auch unendlich viele Tonhöhen.
In der Musik treten aber nur wenige ausgezeichnete Töne auf. Stimmt man die
nicht verkürzte Saite auf den Ton c, so sind dies (bei einer Dur-Tonleiter)
c, d, e, f, g, a, h und c'. Die Frage ist nun, wie man die Saite verkürzen
soll, um diese Töne zu bekommen. Für Pythagoras (der nicht nur auf
dem Gebiet der rechtwinkligen Dreiecke tätig war, sondern eine Schule gegründet
hatte, die sich mit allen Fragen der Mathematik beschäftigte) kamen - aufgrund
seiner philosophischen Überzeugung, dass einfache Zahlenverhältnisse
die Grundlage der Welt sind - für die Verkürzung nur Kombinationen
aus möglichst einfachen Brüchen in Frage. Die einfachsten Brüche
sind: 1/2, 2/3 und 3/4. Pythagoras baute nun mit Hilfe dieser Brüche die
Tonleiter auf: Die Hälfte der Saitenlänge ergibt den Ton c' (Oktave),
2/3 der Saitenlänge den Ton g (Quint), 3/4 der Saitenlänge den Ton
f (Quart). Die zu den anderen Tönen gehörenden Brüche findet
man, indem man - von der unverkürzten Saite ausgehend - immer wieder auf
2/3 der übrigbleibenden Saite verkürzt und anschließend die
Saitenlänge so oft verdoppelt (entspricht Oktavsprüngen), bis sie
im Bereich zwischen 1/2 und 1 liegt. Zum Beispiel gehört zu a der Bruch
(2/3)·(2/3)·(2/3)·2 = 16/27 (Sext). Der Reihe nach ergeben
sich folgende Brüche: 1 (Prim), 8/9 (Sekund), 64/81 (Terz), 3/4 (Quart),
2/3 (Quint), 16/27 (Sext), 128/243 (Sept), 2 (Oktave).
Außer der
pythagoreischen gibt es weitere Stimmungen. Die wichtigsten sind die
(quint-terz-)reine und die temperierte Stimmung. In den Aufgaben
1 und 2 soll aber die pythagoreische Stimmung zugrundegelegt werden.
Ihre Aufgabe in
diesem Teilthema ist es, die Saitenlängen bei pythagoreischer Stimmung
nachzuprüfen sowie einen Zusammenhang mit den Tonfrequenzen herzustellen.
Aufgaben
- Rechnen Sie
die angegebenen Brüche für Sekund, Terz und Sept nach!
- Die folgenden
Messungen können Sie mit einem Monochord durchführen. Ein solches Instrument
ist evt. in der Physiksammlung vorhanden. Falls nicht, können Sie eines nach
der beigefügten
Anleitung bauen. Sollte auch das nicht möglich sein, können Sie eine Gitarre
benutzen. Sie ist aber nicht pythagoreisch, sondern temperiert gestimmt. Man
macht daher einen kleinen prinzipiellen Fehler, der aber wenig ins Gewicht
fällt.
- Falls Sie
ein Monochord benutzen: Überprüfen Sie die Aussage von Pythagoras, indem
Sie den Tonintervallen entsprechende "Bünde" einzeichnen, bei denen man
die Saite eindrückt. Man muss nun auf dem Monochord eine richtig klingende
Tonleiter spielen können. Auch einfache Melodien ("Alle meine Entlein",
"Hänschen klein") müssen sich spielen lassen.
- Falls Sie
eine Gitarre benutzen: Messen Sie die Länge der unverkürzten Saite und rechnen
Sie aus, bei welchen Saitenlängen sich die den Tonintervallen entsprechenden
Bünde befinden müssen. Messen Sie nach, ob die Bünde tatsächlich an den
berechneten Stellen sind.
- Nun sollen auf
dem Saiteninstrument die Töne der Dur-Tonleiter gepielt und die dazugehörigen
Grundfrequenzen gemessen werden. (Die Saite erzeugt auch noch Obertöne, uns
interessiert hier aber nur die Grundschwingung.) Im Prinzip können Sie
die Töne des Monochords oder der Gitarre direkt aufnehmen. Besser ist eine
elektrische oder elektroakustische Gitarre, die man direkt an den Eingang
der Soundkarte anschließt. Falls Sie keine Instrumente zur Verfügung haben,
können Sie auch die beigefügte Datei
tonleiter.mp3 benutzen (sie wurde mit einer elektroakustischen Gitarre
aufgenommen). Führen Sie an der von Ihnen aufgenommen Datei oder an tonleiter.wav
eine Frequenzanalyse durch, indem Sie das Fenster Analyze -> Frequency
Analysis öffnet und für jeden Ton die zugehörige Grundfrequenz messen.
Das Messbeispiel zeigt,
wie man das Analysefenster benutzt. Es sollte "FFT-Size" auf dem größtmöglichen
Wert stehen, und "Linear View" sollte abgeschaltet sein. Gibt es für die Frequenzen
einen einfachen Zusammenhang, der der pythagoräischen Aussage über die Saitenlängen
entspricht? (Tipp: Welches Intervall gehört zur doppelten Frequenz? Welches
zum (3/2)-fachen der Grundfrequenz? Welches zum (4/3)-fachen? Und so weiter
... )
- Die Frequenzverhältnisse
aufeinanderfolgender Töne sind bei der Pythagoras-Tonleiter nicht alle gleich.
Das hat z.B. zur Folge, dass man Melodien nicht einfach "transponieren" (in
eine andere Tonart bringen) kann. Um diesen Nachteil zu vermeiden, hat man
im 17. Jahrhundert die temperierte Stimmung erfunden. Informieren Sie sich
darüber, wie die Tonintervalle bei temperierter Stimmung festgelegt werden.
Welche Vor- und Nachteile hat diese Stimmung? Berechnen Sie zu einem Tonintervall
(z.B. der Sext, hier ist der Unterschied am größten) die Frequenz bei pythagoreischer
und bei temperierter Stimmung. Erzeugen Sie mit CoolEdit entsprechende Sinustöne.
Kann man den Unterschied hören?