Holz in der Akustik: Unsterbliches Klangwunder

Holz in der Akustik

Musikfreunde aufgepasst: Trotz einer seit Jahrtausenden währenden klanglichen Nutzung kann das ursprünglichste aller Naturmaterialien – das Holz – nach wie vor überraschen. Unser Redakteur zeigt Ihnen, wie und wo Holz in der Musik Einsatz findet – und warum es noch heute mit innovativen Einsatzmöglichkeiten überrascht.

Eigentlich sollte man glauben, dass ein Material, das seit Jahrtausenden in Gebrauch und seit Jahrhunderten bestens erforscht ist, keine Überraschungen mehr liefert. Doch selbst in den beginnenden 2020ern vermag Holz diesen Glauben immer wieder auszuhebeln. Zuletzt, als ein Bremer Philharmonie-Kontrabassist zusammen mit einem ortsansässigen Tischler ein hölzernes Podest entwickelte. Wenig mehr als einige geometrisch simple Bauteile und optisch verdächtig nah an einem zeitgenössischen Design-Wohnzimmertisch.

Doch einmal mehr stellte dieses bemerkenswerte Konstrukt [1] aufs Deutlichste heraus, dass der Mensch dem Holz noch längst nicht alle Klanggeheimnisse entlocken konnte – denn das Podest verbessert für die Ohren von Laien wie Fachleuten den Klang nachhaltig, wurde zu einem globalen Verkaufsschlager in Konzerthäusern, vermag es sogar, „schwierigen“ Räumlichkeiten einen besseren Klang zu verleihen. Der Grund ist einmal mehr die bemerkenswerte akustische Fähigkeit verschiedenster Hölzer.

Vom Wald in den Musiker-Schoß

Holz im GitarrenbauSchallwellen sind der wichtigste Grund dafür, warum Holz ein derart vielfältiges Klangmaterial ist.

Nehmen wir die akustische Gitarre. Hier kommt für den Deckel, also jenen Korpusbereich, der zu den Saiten hinweist, vornehmlich ein einziges Material [2] zum Einsatz, Fichtenholz. Der Grund dafür: die Fichte (inklusive ihrer Unterarten) hat ein leichtes, recht weiches Holz. Exakt das, was man für gute Schwingungen benötigt. Durch seine Eigenschaften schwingt Fichte auf eine Weise, die die Obertöne moduliert. Diese Teiltöne sind unvermeidbares und wichtiges Beiwerk jedes Grundtons [3]. Sie können jedoch durch eine falsche Materialwahl unsauber, und/oder überprominent klingen und somit den eigentlich gespielten Grundton verzerren, weniger gut klingen lassen.

Damit wird hier die Fichte – sowie generell im Instrumentenbau andere Hölzer – durch ihre klanglichen Materialeigenschaften zu einem Filter: Die „guten“, also erwünschten Klangfrequenzen können passieren, andere werden abgeschwächt.

Und jedes Holz hat unterschiedliche Klangeigenschaften, die sich aus vielen Faktoren ergeben:

  • Die generelle Materialdichte der Holzsorte.
  • Die Wachstumsbedingungen des einzelnen Baumes.
  • Die Dicke des Bauteils.
  • Die Lagerungsdauer bzw. das Alter des Holzes.
  • Die Oberflächenstruktur innen und außen.
  • Der Wassergehalt.
  • Die Art und Eindringtiefe der Oberflächenbehandlung – ein beispielsweise nur oberflächlich geöltes Holz klingt anders als eines, das bis in den Kern geölt ist.

Diese Vielfältigkeit geht sogar so weit, dass gezielt verpilzte Hölzer [4] ausgesucht werden, weil diese so veränderte Klangeigenschaften aufweisen, dass sie wie Stücke des berühmten Instrumentenbauers Stradivari klingen – von dem immer noch nicht vollständig bekannt ist, wie er seine Hölzer behandelte, um ihren unnachahmlichen Klang zu produzieren.

Daraus ergibt sich ein wichtiger Punkt: Dadurch, dass Holz so vielfältig ist und so vielfältig nachbearbeitet werden kann, ist es ein nahezu perfektes Material für gezielte Akustik. Selbst die moderne Materialwissenschaft mit High-Tech-Werkstoffen vermag es nicht, diese akustischen Eigenschaften gänzlich zu reproduzieren – und selbst wenn, dann nicht zu einem so unschlagbaren Preis und regenerativem Wachstum.
Doch letztendlich basiert ein zentraler Bestandteil des „hölzernen“ Klangs auf einer einzigartigen biologischen Materialeigenschaft:

Das Geheimnis der Fasern

Einmal angenommen, man würde mit einem Hammer auf eine frei im Raum hängende Stahlplatte schlagen: Würde der davon erzeugte singende Klang sich anders anhören, je nachdem, wo genau man sein Ohr an die Platte hält? Nein, keineswegs. Denn der Stahl ist ein homogenes Material, das in allen drei Ebenen gleich aufgebaut ist.

Nicht jedoch Holz. Das ist – zumindest in naturgewachsener Form, nicht etwa in Form von Pressspan – heterogen. Ein aus Milliarden von Längsfasern gewachsenes Gebilde. Und dazwischen befinden sich nicht weniger Hohlräume [5].

Das bedeutet für den Klang zwei absolut wichtige Dinge:

  1. Längs der Faser ist Holz eine Aneinanderreihung von gleichmäßig dichtem Material. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung kann hier zwischen 3500 und 5000 Meter pro Sekunde betragen, je nach Holzart.
  2. Quer zur Faser wird Holz immer wieder durch Hohlräume unterbrochen. Das bremst die Schallausbreitung stark ein, auf 2000 bis 3500 Meter pro Sekunde.

Das heißt, nicht nur, dass man durch die jeweilige Holzart und die weiteren genannten Faktoren einen Klang entscheidend beeinflussen kann. Auch durch die Ausrichtung zweier ansonsten identischer Holzbauteile zur Schallquelle bzw. zum Zuhörer kann eine weitere feine Klangsteuerung erfolgen, kann Schall wahlweise gedämpft oder gezielt weitergeleitet werden – wichtiges Grundwissen nicht nur für Instrumentenbauer, sondern für sämtliche Experten in Sachen Schalltechnik.

Absorbieren und reflektieren

Als die Hamburger Elbphilharmonie errichtet wurde, gab es sowohl in der Fachwelt wie unter Laien eine laute Debatte – denn der große Konzertsaal kommt gänzlich ohne Holz aus, ist mit einer speziell entwickelten, enorm komplexen Oberflächenverkleidung [6] ausgekleidet. Sie soll durch gezielte Reflektion und Absorption von Schallwellen dafür sorgen, dass der Klang auf jedem einzelnen Sitzplatz völlig gleich ist.

Ein ambitioniertes Ziel, das viel Lob bekam – aber auch Kritik [7], die nicht nur mit den Kosten des Gebäudes zusammenhängt. Die mathematisch präzise Oberfläche sorgt bei bestimmten Orchester-Konstellationen dafür, dass diese sich besonders einstellen müssen.

Umgekehrt gibt es einen Grund, warum viele Konzertsäle der nahen und fernen Vergangenheit zumindest teilweise in Holz verkleidet sind. Es hat abermals mit den Materialeigenschaften zu tun und vor allem, dass das Naturmaterial sowohl Schall schlucken, also absorbieren kann, wie es in der Lage ist, diesen zu reflektieren:

  • Bei einer Verwendung als Reflektor kommt dem Holz zupass, dass es im Bereich der mittleren und hohen Töne generell eine sehr geringe Absorptionsrate im Bereich weniger Prozent aufweist. Das bedeutet, Schallwellen aus diesen Frequenzen, die auf ein Holzbauteil treffen, werden nur zu einem geringen Grad geschluckt. Der große Rest wird gemäß dem Prinzip von Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel wieder abgestrahlt. Zudem kann der Absorptionsgrad der tiefen Töne durch die Wahl einer mehr oder weniger dichten Holzsorte ganz gezielt beeinflusst werden.
  • Bei einer Verwendung als Absorber tritt für die tiefen Töne abermals die Holzsorte auf den Plan – indem ein möglichst dichtes Holz gewählt wird, zudem die Faserrichtung einbezogen wird, kann hier ein hoher Absorptionsgrad erreicht werden. Zudem kann durch gezielte Abstände und dadurch entstehende Hohlräume eine noch bessere Absorption erzielt werden – etwa in Form des sogenannten Helmholtz-Absorbers. Für die mittleren und höheren Töne dagegen wird Holz in der Regel mit anderen Materialien zu einem Sandwichbauteil kombiniert. Hierbei wird die Holzoberfläche gelocht oder eingeschlitzt, sodass der Schall besser in diese Schicht geleitet wird bzw. der Rest durch Reflexion und Gegenreflexion nicht mehr zum Zuhörer geleitet wird.

Abermals sorgt hier die hölzerne Vielfalt dafür, dass es vergleichsweise einfach ist, mit viel Materialkenntnis zu einem relativ geringen Preis einen überragenden, sehr gezielten Klang zu erschaffen. Damit schließt sich dann auch wieder der Kreis zu den Philharmonien und Konzertsälen: Ganz aus Holz bestehen zwar die wenigsten. Bei den meisten spielt das Naturmaterial jedoch eine zentrale Rolle.

Der Sound des Waldes

Wald als KlangwunderNatürlich dürfte es angesichts dieser Tatsachen auch nicht verwundern, dass der Klang eines Waldes einige Rückschlüsse über dessen Zustand zulässt. Allerdings ist diese wissenschaftliche Disziplin vergleichsweise jung, besteht erst seit wenigen Jahren.

Stark vereinfacht ausgedrückt: Der Klang des Ökosystems Wald lässt sich messen, aufzeichnen, verstärken und filtern. Dadurch lässt sich herausfinden, wie es um die generelle Gesundheit, die Wasserversorgung und viele weitere Faktoren bestellt ist. Ein für diesen natürlichen Raum ungewohnt technisches Forschungsgebiet, denn einzelne Bäume müssen umfangreich mit Ultraschall-Messgeräten „verkabelt“ werden; auch der Waldboden muss mit Erdsonden einbezogen werden.

Wird diese „Öko-Akustik“ genannte Disziplin [8] mit weiteren Messwerten zu Wetter, UV-Einstrahlung, Abgasbelastung usw. kombiniert, bietet sich den Forschern ein sehr aufschlussreiches Bild – wichtig sowohl für den gesundheitlichen Ist-Zustand der Wälder wie zur Entwicklung von Abwehrstrategien gegen den Klimawandel.
Und da diese Forschung wie erwähnt noch am Anfang steht, dürfte abzusehen sein, dass der Klang des Holzes noch weiterhin für viel wissenschaftliche Arbeit sorgen wird.

Recherchequellen

[1] https://www.wfb-bremen.de/de/page/stories/bremer-erfolgsgeschichten/holzpodest-resonanzio
[2] https://www.kirstein.de/blog/gitarrendecke-fichte/
[3] http://www.lehrklaenge.de/PHP/Tonsystem/ObertoeneEntstehung.php
[4] https://www.scinexx.de/news/technik/pilz-verleiht-violinen-alten-klang/
[5] https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Fichtenholz.jpg
[6] https://www.elbphilharmonie.de/de/blog/die-akustik-in-der-elbphilharmonie/221
[7] https://www.br-klassik.de/elbphilharmonie-akustik-kritik-mischke-joachim-100.html
[8] https://www.daserste.de/information/wissen-kultur/w-wie-wissen/oekoakustik-100.html


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