Stimmgabel

Die Stimmgabel liefert mit zwei schwingenden Metallzinken einen Bezugston. Musiker und Akustiker vergleichen ihn mit einer Stimme oder einem Instrument; ein Resonanzkasten macht den Ton besser hörbar.

Was es ist

Eine Stimmgabel ist ein metallischer Resonator. Ihre beiden freien Zinken sind durch einen Bogen verbunden, der in einen Schaft übergeht. Nach einem leichten Anschlag klingt ein Ton, der als Bezug beim Stimmen oder beim Vergleich von Schwingungen dient. Der Musiker hört ihn ab und verändert dann die Spannung einer Saite oder die Einstellung seines Instruments, bis die Tonhöhe übereinstimmt.

Rudolph Koenig, Instrumentenbauer in Paris, fertigte Stimmgabeln auf hölzernen Resonanzkästen. Das Smithsonian bewahrt einen Satz von drei Stahlgabeln mit einem kleinen Hammer auf, Laborinstrumente, die es auf etwa 1870 bis 1900 datiert; die Kästen beschreibt es als Fichtenholz. Am Kenyon College haben Koenig-Gabeln auf Resonatoren Kästen mit einer Decke aus Fichte, wie bei einer Geige; Koenigs Katalog von 1889 bot die Gabel mit 128 Hz für 100 Francs an. Im Hood Museum of Art in Dartmouth besteht ein Koenig-Kasten, auf dem eine Gabel von Max Kohl aus der Zeit um 1900 sitzt, aus Kiefernholz.

Wie es funktioniert

Die Zinken biegen sich symmetrisch um ihre Ruhelage.

Beim Anschlagen werden die Zinken leicht verbogen. Ihre Elastizität zieht sie zur Ausgangslage zurück. Sie bewegen sich darüber hinaus und schwingen weiter: Die Enden nähern sich einander und entfernen sich wieder. Jeder Zinken biegt sich wie ein kleiner Balken, der unten eingespannt und am anderen Ende frei ist. In der üblicherweise genutzten Schwingungsform verlaufen beide Bewegungen spiegelbildlich.

Die Tonhöhe hängt von der Schwingungsfrequenz ab und damit von den Abmessungen, der Steifigkeit und der Dichte des Metalls. Bei sonst vergleichbarer Geometrie schwingen längere Zinken langsamer und klingen tiefer. Werden ihre Enden gekürzt, steigt die Tonhöhe. Auch ein anderes Metall kann bei gleichen Abmessungen eine andere Frequenz ergeben, denn Werkstoffe unterscheiden sich in Steifigkeit und Dichte.

Auf einen Tisch gesetzt, überträgt der Schaft seine Schwingung auf eine größere Fläche.

Die Schwingung versetzt die Luft in Bewegung. Wie laut der Ton wahrgenommen wird, hängt von der Hörrichtung ab. Ein Anschlag kann mehrere Schwingungsformen anregen; ein harter Gegenstand begünstigt insbesondere ein zusätzliches hohes Klirren. Nach dem Anschlag klingen die hohen Anteile ab, und der Hauptton tritt hervor. Auch der Schaft bewegt sich, allerdings nur sehr wenig. Berührt er einen Tisch oder einen Resonanzboden, überträgt er seine Schwingung auf eine größere Fläche. Bei Koenigs Geräten verstärkt die Kopplung mit dem Resonanzkasten den Klang.

Eine freie Stimmgabel hält man am Schaft, sodass die Zinken ungehindert schwingen können. Erklingt gleichzeitig ein zweiter Ton mit ähnlicher Höhe, wird der gemeinsame Klang regelmäßig lauter und leiser. Diese Schwebungen entstehen durch die Überlagerung beider Schwingungen. An ihrem Rhythmus lassen sich die Frequenzen vergleichen. Akustiker nutzten bekannte Stimmgabeln auf diese Weise zur Messung anderer Töne.

So geht’s

Das Abfeilen der Zinkenenden verkürzt sie und hebt den Ton; die fertige Gabel daneben dient als Vergleich.

In einer Werkstatt lässt sich die Gabel durch spanende Bearbeitung aus einem einzigen Stahlrohling formen, wie bei den vom Smithsonian beschriebenen Exemplaren Koenigs. Zwei parallele Zinken bleiben über einen gerundeten Grund verbunden, an den sich der Schaft anschließt. Die Bearbeitung muss gleichmäßige, symmetrische Zinken mit freien Enden ergeben. Ihre Länge und Dicke bestimmen das Schwingungsverhalten. Während der Abstimmung bleibt man beim gewählten Stahl, da ein Metallwechsel die Schwingungseigenschaften verändert.

Anschließend wird der Ton mit einer bekannten Referenz verglichen. Auf jede kleine Korrektur folgt ein erneuter Hörvergleich. Das Kürzen der Enden erhöht die Frequenz. Ein Materialabtrag an anderen Stellen ist damit nicht gleichzusetzen, denn auch Steifigkeit und Massenverteilung wirken sich aus. Wie bei Koenigs Instrumenten kann ein Holzkasten die Gabel tragen; eine mechanische Verbindung leitet die Schwingung weiter.

Den Rohling fest einspannen, eine Schutzbrille tragen und eine Feile mit Heft verwenden. Finger aus dem Werkzeugweg halten und Grate vor dem Anfassen entfernen. Arbeiten, die das Metall erhitzen, gehören in eine ausgerüstete Werkstatt. Das Werkstück vor dem Berühren abkühlen lassen. Klangproben behutsam und mit Abstand zu den Ohren beginnen; kräftige Schläge gegen harte Flächen vermeiden. Eine Werkstattanfertigung für Hörversuche darf weder zur medizinischen Diagnose dienen noch als kalibriertes medizinisches Instrument ausgegeben werden.

Geschichte und Entwicklung

Das Whipple Museum in Cambridge und das Smithsonian schreiben John Shore die Erfindung der Stimmgabel im Jahr 1711 zu. Shore war Musiker am englischen Hof. Seine Gabel lieferte den benötigten Bezugston zum Stimmen von Instrumenten. Zuvor verwendeten Musiker unter anderem hölzerne Stimmpfeifen, die auf Temperatur und Feuchtigkeit empfindlich reagierten.

Im 19. Jahrhundert machten verbesserte Fertigungsverfahren die Stimmgabel zum akustischen Messinstrument. Johann Scheibler stellte Gabelreihen zusammen, um Tonhöhen mithilfe von Schwebungen zu vergleichen. Rudolph Koenig baute später umfangreiche Sammlungen verschiedener Frequenzen auf und fertigte Geräte für Schallversuche. Die Resonanzkästen im Smithsonian gehören zu dieser Laborpraxis.

Stimmgabeln wurden auch bei der Vereinheitlichung der musikalischen Stimmhöhe eingesetzt. Der Bezugston hängt von der jeweiligen Vereinbarung und vom Instrument ab; historische Gabeln geben nicht alle denselben Ton an. Im 20. Jahrhundert ersetzte die Elektronik viele wissenschaftliche Anwendungen. Beim Stimmen von Musikinstrumenten und bei bestimmten medizinischen Untersuchungen blieb die schwingende Gabel in Gebrauch.