Superheuler - wissenschaft.de
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Superheuler

Musik aus dem Schlauch. Schleudert man gewellte Plastikrohre im Kreis herum, entstehen saubere Töne, zum Beispiel ein Dreiklang. Die Wandrippen spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Anfang der siebziger Jahre tauchten sie in den Spielwarenläden auf und eroberten rasch die großen Einkaufsmärkte: wellige Rohre oder Schläuche von knapp einem Meter Länge bei einem mittleren Durchmesser von drei Zentimetern. Mit ihren kurzen regelmäßigen Wandwellen von etwa einem halben Zentimeter Wellenlänge ähnelten sie den Rohren, die man beim Hausbau in den Wänden unter Putz verlegt, um später nach Bedarf elektrische Leitungen durchzuziehen.

Erstaunlich an den Schläuchen war ein Effekt, der ihren Marktwert beträchtlich steigerte und ein Stück einfaches Plastikrohr zu dem horrenden Preis von mehreren Mark verkäuflich machte: Wenn man den Schlauch um den Kopf herumwirbelte, ließ er klare, reine Töne hören. Das Spielzeug war bald allenthalben lautstark auf den Straßen zu vernehmen. Meine ersten Musikrohre habe ich damals als sogenannte „Superheuler“ erworben, doch dieser Name ist nicht sachgemäß. Heultöne erwartet man von Sirenen. Wirbelt man aber das wellige Rohr rascher und rascher durch die Luft, steigt sein Ton nicht sirenenartig an, sondern die Tonhöhe springt in Intervallen, die man als Quinte, Quarte, große Terz und so weiter, also als natürliche Obertöne wie bei einer Flöte, einem Jagdhorn oder einer Fanfare erkennt. Der Grundton dieser Reihe ist nicht hörbar, er liegt nochmal eine Oktave tiefer als der hörbare. Obwohl dem Rohr wichtige Teile des Blasinstruments fehlen – etwa das Mundstück, mit dem ein Musiker die Töne anregt -, verhält sich das Rohr ähnlich und tönt nur, wenn es durchströmt wird. Stopft man die Öffnung oder hält sie beim Schwingen des Rohres mit der Hand zu, entsteht kein Ton, sondern nur das leise Summen der sich außen vom Rohr ablösenden Wirbel, mit denen der Sturmwind Telefonleitungen und Saiten von Äolsharfen zum Klingen bringt. Doch wozu schleudert man das Rohr mehr oder weniger heftig im Kreis herum? Damit es als Zentrifugalpumpe die nötige Luft fördert. Dieselben Töne kann man erzeugen, wenn man das Rohr aus dem fahrenden Auto hält – die Töne sind dann eine Art Geschwindigkeitsanzeige. Einige Töne bekommt man auch durch Anpusten mit dem Gebläse eines Föns oder Staubsaugers. Die Lungenkraft eines normalen Menschen reicht aber für den Luftbedarf des Rohres nicht aus. Physik und Musik: Die Beobachtungen bei freihändigen Versuchen bestätigten wir am Institut durch genauere Experimente, überließen das Herum-schleudern einem Motor, um die Drehzahl kontrollieren zu können, und maßen die Schallfrequenzen.

In früheren Arbeiten über die Heuler blieb eine grundlegende Frage unbeantwortet, die vor allem die Physiker beunruhigte – die nach der Rolle der gewellten Rohrwand bei der Erzeugung der Töne. Glatte Rohre bleiben stumm, wenn sie in gleicher Weise herumgeschleudert werden. Ein geübter Bläser, etwa ein Hornist, kann zwar Töne sogar aus einem hinreichend langen Gartenschlauch hervorlocken, muß dann aber mit seinen Lippen die Schwingungen anregen – genau so, wie er es mit dem Mundstück seines Horns tut.

Wie die wellige Wand die im Rohr strömende Luft zwingt, die Schallschwingung im Rohr zu verstärken, konnte erst Paul Taylor in seiner Dissertation „The Singing of Corrugated Pipes“ (Cambridge, 1979) klären: Der Schall entsteht durch einen aerodynamischen Mechanismus ähnlich dem, der den Düsenlärm in den Triebwerken von Verkehrsflugzeugen macht.

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Das Rohr tönt mit den Frequenzen der Längsschwingungen seiner Luftsäule. Von kleinen Abweichungen abgesehen, sind Ein- und Ausgang des Rohres „Knoten“ der Druckverteilung der stehenden Wellen, die sich aus den mit der Strömung und den ihr entgegenlaufenden Wellen zusammensetzen. Der Schall breitet sich hundertmal schneller aus als die Luft strömt, die also für die Welle stillzustehen scheint.

Flötentöne: In ein offenes Rohr der Länge l paßt eine beliebige Anzahl von halben Wellen der Länge ln, als Formel: l = nλn/2 (n = 1, 2, 3, …). Da Schallwellen mit der Schallgeschwindigkeit c laufen (in Luft unter Normalbedingungen mit c = 340 m/s), hängen Frequenz und Wellenlänge durch λnfn = c zusammen. Wäre diese Beschreibung vollständig, müßte das Rohr mit den Frequenzen fn = nc/2l tönen. Nach unseren Beobachtungen liegen die Töne der Musikrohre etwa acht Prozent (einen Dreiviertelton) tiefer als der so berechnete Wert, was wohl auf den Einfluß der Wandwellen und die Rückwirkung der beiden Öffnungen auf die Strömung im Rohr zurückgeht. Damit ein Rohr einen gewünschten Ton singt, machen wir es deshalb etwa acht Prozent kürzer als errechnet. Das Rohr liefert zu seinem nicht hörbaren Grundton (n = 1) eine Reihe rein gestimmter Obertöne. Die Oktave (n = 2) tönt meist nur schwach. Kräftig Musik machen kann man mit der Quinte (n = 3), die vom Grundton aus die Duodezime darstellt, und mit der darüberliegenden Quarte (n = 4), der zweiten Oktave über dem Grundton. Je höher die Ordnung n, desto kleiner wird der relative Abstand der Frequenzen aufeinanderfolgender Obertöne und desto weniger harmonisch klingen ihre Intervalle. Oberhalb der kleinen Terz mit dem Frequenzverhältnis 6 : 5 sind sie dissonant, zum Beispiel die beiden „reinen“ Ganztöne oder Sekunden 9 : 8 und 10 : 9. Ein auf g gestimmtes Musikrohr, das als zweiten Oberton (n = 3) das zweigestrichene d mit der Frequenz d“ = 587 Hertz (in „gleichschwebender Stimmung“, bezogen auf den Kammerton a bei 440 Hertz, siehe bild der wissenschaft 7/1996, „Töne und Zahlen“) hören läßt, hat daher die Länge l=0,92Ÿ3c/2d² =80 Zentimeter.

Das einen gleichschwebenden Ganzton tiefer auf c²=523Hertz als zweiten Oberton gestimmte Rohr ist 10 Zentimeter länger: l=90Zentimeter; der Ganzton macht also rund elf Prozent der Rohrlänge aus.

Wer mit den Rohren Musik machen will, kommt mit diesen beiden noch nicht aus, insbesondere nicht bei den tieferen Tönen, wo die Intervalle wesentlich größer sind als einen Ganztonschritt. Er könnte in der zweigestrichenen Oktave nur die Töne c, d, g und a erzeugen. Vom c“‘ an hätte er allerdings die komplette Tonleiter zur Verfügung. Zum ernsthaften Musizieren mit den Musikrohren brauchte man also noch zwei weitere Schläuche (mit den Grundtönen e‘ und f‘) und noch zusätzliche, wenn man nicht auf Halbtöne verzichten will.

Resonanz: Würde das Rohr reibungsfrei durchströmt, ließe sich die Strömungsgeschwindigkeit U im Rohr auf einfache Weise auf die Kreisfrequenz Ω zurückführen, mit der das Rohr herumgeschleudert wird: U=Ω.r2²-r1². r1 und r2 sind die Abstände der Rohröffnungen von der Drehachse.

Das gilt aber nicht für ein langes und außerdem welliges Musikrohr, das erheblichen Strömungswiderstand hat. Frank Crawford dachte sich deshalb schon 1974 („Singing Corrugated Pipes“ im American Journal of Physics) ein Experiment aus, durch das er die Abhängigkeit der Frequenzen fn, mit denen ein Rohr singt, von der Geschwindigkeit U des Luftstroms im Rohr direkt messen konnte, und erfand damit gleichzeitig eine wohltönende Wasserflöte: Er montierte das Rohr in den Boden eines zylindrischen Plastikpapierkorbs, den er mit der Öffnung in einen großen Wasserbottich drückte. Aus der Absenkung des Korbs läßt sich unter Berücksichtigung der Querschnitte von Korb und Rohr die Strömungsgeschwindigkeit bestimmen.

Das Ergebnis bestätigte die Hypothese. Ein Musikrohr mit Wandwellen der Länge a singt bei der Frequenz fn seines (n-1)ten Obertons, wenn die Strömungsgeschwindigkeit U in einer kleinen Umgebung von afn liegt, mit anderen Worten: U = afn sind die Resonanzstellen, wobei a die Länge der Wandwellen ist. Macht man die Strömungsgeschwindigkeit deutlich kleiner oder größer, springt der Ton zum nächsttieferen beziehungsweise nächsthöheren Oberton. Da U/a die Frequenz ist, mit der ein am Eingang des Rohres entstandener Luftwirbel, während er mit der Geschwindigkeit U durch das Rohr driftet, von den Wandwellen zum Schwingen angeregt wird, läßt sich die Resonanz geometrisch verstehen.

Musik vom „Schleuderhorn“: Für Musikrohre der gleichen Wandwellenlänge – meine haben sämtlich a = 6 Millimeter – wachsen die zum Anstimmen der Töne erforderlichen Geschwindigkeiten nach der Resonanzbedingung proportional zu den Frequenzen der Obertöne. Da einer allein kaum mehrere Rohre mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gleichzeitig herumschleudern kann, braucht man für einen Dreiklang drei Leute. Um mit den Rohren richtig Musik zu machen, müßte man also ganze Heerscharen musikbegeisterter Spieler mobilisieren.

Das haben seit der Erfindung dieses Musikinstruments bis Anfang der neunziger Jahre Klaus und Till Harlan in großem Stil getan, die Söhne des Instrumentenbauers Peter Harlan. Sie nannten das wellige Rohr „Schleuderhorn“. Viele Schulklassen kamen von weither zu ihnen auf die Burg Sternberg im Westfälischen, um bei Musikfesten mit Schleuderhörnern zu musizieren. Jeder Mitspieler vertrat eine Orgelpfeife oder mehrere. Gelegentlich spielte ein überlanges Rohr mit, das der Melodie einen Bordunton unterlegte.

Seit dem Tod der Harlan-Brüder schlummert die Tradition. Ich habe mich auf Sternberg umgehört: Es gibt keine Berichte über die Musikfeste und auch keine Aufzeichnungen über die Musik, die sie gemacht haben.

Wolfgang Bürger

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