Synthese von Kolophonium und Untersuchung von dessen Auswirkungen auf das Obertonspektrum der Geige

 

Physik  |  Technik

 

Annika Wittmann, 2007 | Chur, GR

 

Kolophonium, insbesondere als Bogenharz für Streichinstrumente, ist für Musiker:innen unverzichtbar, jedoch bislang kaum wissenschaftlich untersucht. Ziel dieser Arbeit war es, den physikalischen Einfluss verschiedener Kolophoniumarten auf das Obertonspektrum der Geige zu untersuchen.
Dazu wurden im Labor drei Kolophoniumarten aus unterschiedlichen Ausgangsharzen hergestellt, auf einen Bogen aufgetragen und zusammen mit der Geige in eine Streichapparatur eingespannt. Die entstehenden Klänge wurden aufgezeichnet und Fourier-analysiert. Die Auswertung zeigte deutliche Unterschiede in der Spektralbreite und der Intensität einzelner Obertöne, besonders beim zweiten Oberton der A-Saite und der D-Saite. Die Ergebnisse bestätigen, dass verschiedene Kolophoniumarten hör- und messbare Klangunterschiede erzeugen, die punktuell im Obertonspektrum auftreten. Sie zeigen klar, dass das Ausgangsharz des Kolophoniums den Klang messbar beeinflusst, was eine solide Grundlage für weiterführende Untersuchungen bietet.

Fragestellung

Ausgehend von der Annahme, dass verschiedenes Kolophonium Unterschiede im Klang hervorrufen kann, wurde untersucht, inwiefern sich das Ausgangsharz des Kolophoniums auf das Obertonspektrum der Geige auswirkt. Dabei standen das Messen und Beschreiben der physikalischen Einflüsse im Vordergrund, während deren Zurückführung auf chemische Ursachen nicht Gegenstand dieser Arbeit war.

Methodik

Ein zentraler Bestandteil der Arbeit sind die zu vergleichenden Kolophoniumarten. Drei verschiedene Kolophoniumarten wurden im Labor hergestellt, indem jeweils ein Harz von Fichten, Kiefern oder Styrax-Bäumen über einen Zeitraum von fünf Stunden kontrolliert erhitzt und gerührt wurde.
Zur Messung der Obertonspektren wurde ein Mikrofon (Sound Sensor Cl-6506B, Pasco) über ein Pasco Universal Interface 550 mit einem MacBook verbunden. Die Messungen erfolgten an einer Geige und drei Bögen, die zuvor mit den jeweiligen Kolophoniumarten präpariert und gemeinsam mit der Geige in eine speziell angefertigte Streichapparatur eingespannt wurden. Diese Apparatur gewährleistete eine standardisierte und reproduzierbare Ausführung des Streichprozesses. Die aufgezeichneten Klänge wurden mit der Software Pasco Capstone ausgelesen und mittels Fourier-Transformation in Intensität-Frequenz-Diagrammen dargestellt. Die Messungen wurden sowohl auf der A-Saite als auch auf der D-Saite durchgeführt.

Ergebnisse

Die Auswertung der erhaltenen Obertonspektren und der direkte Vergleich zwischen den Kolophoniumarten zeigten deutliche Unterschiede. Diese betrafen sowohl die Intensitäten einzelner Obertöne als auch die Breite der Spektren. Besonders auffällig waren die Messungen auf der D-Saite: So wies der zweite Oberton mit Styrax-Kolophonium eine rund zwei- bis dreifach höhere Intensität auf als bei den anderen Kolophoniumarten. Auch variierte die Breite des Spektrums um bis zu zwei Obertöne, wobei das Styrax-Kolophonium das breiteste und das Fichtenkolophonium das schmalste Spektrum erzeugte.
Die Spektren der A-Saite zeigten ebenfalls Unterschiede: Während der zweite Oberton beim Fichtenkolophonium kaum im Gesamtklang präsent war, trat er bei den anderen Kolophoniumarten deutlicher hervor.

Diskussion

Obwohl die erhaltenen Resultate deutliche Hinweise darauf lieferten, dass die verschiedenen Kolophoniumarten messbare Klangunterschiede hervorrufen, mussten mögliche weitere Einflussfaktoren diskutiert werden. Dabei zeigte sich, dass zwei Parameter nicht konstant gehalten wurden: die Spannung der Bogenhaare sowie der Druck zwischen Saite und Bogen. Eine exakte Überprüfung der Bogenspannung war aufgrund der Bauweise des Bogens nicht möglich, während der Druck theoretisch durch das Legen einer Waage unter die Geige kontrolliert werden könnte. Dies wurde jedoch zu spät erkannt. Unter Berücksichtigung der Wirkung dieser beiden Faktoren kann dennoch angenommen werden, dass die beobachteten Unterschiede hauptsächlich auf das verwendete Kolophonium zurückzuführen sind, wobei Spannung und Druck die Unterschiede möglicherweise verstärken.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse und deren Diskussion bestätigen, dass messbare Unterschiede in den Obertonspektren tatsächlich auf das verwendete Ausgangsharz zurückgeführt werden können. Eine grössere Anzahl vergleichender Messungen und konstantere Messbedingungen, insbesondere bezüglich des Drucks zwischen Saite und Bogen, würden noch genauere Aussagen darüber ermöglichen, wie sich das Ausgangsharz des Kolophoniums auf das Obertonspektrum der Geige auswirkt. Insgesamt zeigen die Resultate jedoch eindeutig, dass unterschiedliche Kolophoniumarten hör- und messbare Klangunterschiede erzeugen.

 

 

Würdigung durch die Expertin

Evamaria Fuchs

Annika Wittman hat in dieser Arbeit ihre Kreativität und ihr grosses Talent für die Forschung unter Beweis gestellt. Selbst passionierte Geigerin, hat sie eine Wissenslücke erkannt und mit ihrer Arbeit einen Grundstein gelegt, um diese zu füllen. Wissenschaftliche Literatur gibt es in diesem Gebiet wenig, aber Annika hat die Herausforderung angenommen, erfolgreich Kolophonium produziert, ein Test-Setup geplant und gebaut. Die Qualität der Resultate ist zwar noch verbesserungswürdig, sie wurden aber sehr selbstkritisch diskutiert und können so trotzdem die Richtung für weitere Forschung weisen.

Prädikat:

Gold

Sonderpreis «European Union Contest for Young Scientists (EUCYS)» gestiftet von der Stiftung Aldo e Cele Daccò

 

 

 

Bündner Kantonsschule, Chur
Lehrer: Dr. Thomas Gilbert