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Geläute heute – Automatisch extrahierte Audiomerkmale zur Klangbeurteilung von läutenden Glocken
(2022)
Nach allgemeiner Auffassung zeichnet sich der Klang einer wohlklingenden Glocke durch eine weiche, volle, helle und klare Tongebung mit einem grundtönigen, geräuscharmen Klangspektrum aus, in dem ein leuchtend-klar ausgeprägter Schlagton mit möglichst wenig Nebenschlagtongeräuschen hörbar ist [1]. Mit Hilfe von signalanalytischen Methoden lassen sich Beschreibungen wie "weiche, volle, helle und klare Tongebung" in Form bestimmter Audiosignaleigenschaften erfassen, so dass anhand dieser Messwerte eine objektive Bewertung der Angenehmheit und Qualität von läutenden Glocken in eine greifbare Nähe rückt. Darüber hinaus können berechenbare Klangmerkmale Aufschluss über die bei einer klanglichen Optimierung von Glocken (bzw. deren Klöppel) verbundene Qualitätssteigerung geben. In einem Pilotexperiment bewerteten 11 Glockenexpert*innen und 26 Laien das Läuten von 40 lautheitsangeglichenen Glockenaufnahmen unter dem Aspekt von klanglicher Qualität, Angenehmheit, Grundtönigkeit, Klarheit und Weichheit des Anschlags. Via Signalanalyse wurden die Glockenklänge auf 127 berechenbare Audiomerkmale hin untersucht. Über Korrelations- und Regressionsanalysen wurden Zusammenhänge zwischen den Glockenklang-Bewertungen und den errechneten Audiomerkmalen ermittelt. Erste Auswertungen lassen darauf schließen, dass die empfundene Qualität vor allem mit der Ausgeprägtheit der kleinen Terz im Klang zusammenhängt sowie mit dem Anschlagstempo (je langsamer desto besser) und der Weichheit des Anschlags (je weicher desto besser). Ähnliches gilt für die empfundene Angenehmheit. Zu Bedenken ist dabei, dass sowohl innerhalb der Laien- als auch Sachverständigengruppe lediglich geringe Übereinstimmungen bei der Beurteilung der Klänge nach Qualität und Angenehmheit vorzufinden sind. Die mit einer Glockenoptimierung durch Veränderung des Klöppels einhergehenden Klangeigenschaften zeigen sich besonders in der klanglichen Helligkeit (Timbral Brightness), der Ausgeprägtheit tonaler Anteile im Spektrum (Harmonic Energy) und der Geräuschanteile (Spectral Flux). Durch die Veränderung des Klöppels lassen sich Glocken gezielt in ihrer Klangfarbe angenehmer gestalten. Mit zunehmendem Klöppelgewicht und kleinerem Läutewinkel erweisen sie sich klanglich als grundtöniger, mit stärkeren harmonischen Anteilen und ärmer an Nebengeräuschen. Je größer der Glockendurchmesser, die Schlagringdicke und die Glockenmasse, desto angenehmer wird der Klang empfunden. Ähnliches gilt für die Klöppeleigenschaften: Je größer die Klöppelmasse und der Klöppelballendurchmesser und je kleiner der Klöppel-Läutewinkel, desto angenehmer das empfundene Klangerlebnis.
According to guidelines for the evaluation of church bell chimes, the timbre of a well-sounding bell is characterized by a soft, full, bright and clear tone with a salient fundamental pitch in a low-noise sound spectrum, where a luminous, clearly pronounced striking tone can be heard with as little percussive noise as possible. In a pilot experiment, 11 bell experts and 26 laypersons evaluated the ringing of 40 loudness-matched bell recordings in terms of tonal quality, pleasantness, salience of the fundamental pitch, clarity and softness of the attack. Via signal analysis, the bell sounds were analyzed in regards to 127 audio features. Correlation and regression analyses were used to determine relationships between the bells' timbre ratings and the calculated audio features. Timbral changes resulting from an optimization of the bell clapper turned out to be particularly noticeable in respect to timbral brightness, the pronouncedness of the tonal components in the spectrum (harmonic energy) and the noise components (spectral flux above 1000 Hz). Specifically, by modifying the clapper, subjective pleasantness of the bells' timbre can be improved. With increasing clapper weight and decreasing ringing angle, the fundamental pitch of bells becomes morepronounced, with stronger harmonic components and less background noise.
Glocken werden beim Läuten hohen Beanspruchungen ausgesetzt, so dass Ermüdungsrisse entstehen können. Mit den gängigen Methoden der Werkstoffprüfung können diese im Allgemeinen erst dann festgestellt werden, wenn die Ausdehnung des Risses den Klang der Glocke bereits nachhaltig verändert oder sogar zerstört hat.
In der vorliegenden Arbeit werden Methoden aufgezeigt, wie Ermüdungsrisse an Glocken zuverlässig und derart frühzeitig festgestellt werden können, bevor sie zu hörbaren Klangveränderungen führen. Ausgangspunkt ist die Analyse des Glockenklangs, der aus dem komplexen Schwingverhalten der Struktur resultiert und im Wesentlichen durch die Eigenfrequenzen sowie Frequenzaufspaltungen, die sich aus dem schwingungsdynamischen Phänomen des Modensplittings ergeben, beschrieben wird.
Anhand von Simulationen und Messungen wird nachgewiesen, dass sich die durch Risse verursachten signifikanten Veränderungen im Schwingverhalten von Glocken aufgrund ihrer spezifischen Charakteristik eindeutig vom Einfluss anderer Fehlstellen und Schäden auf das Schwingverhalten unterscheiden lassen. Darüber hinaus wird ein Verfahren entwickelt, das eine zuverlässige Früherkennung von Rissen beschreibt, so dass durch Anwendung der vorhandenen Erkenntnisse für ein schonendes Läuten ein Weiterbetrieb vorgeschädigter Glocken möglich ist.
In Richtlinien zu Qualität und Bewertung von Glockenklängen werden seit den 1950er und 1960er Jahren akustische Merkmale wie klangliche Helligkeit, Teiltonstruktur, Grundtönigkeit sowie das Ein- und Ausschwingen des Glockenklangs als relevante Faktoren beschrieben. Der Wohlklang einer Glocke soll dabei vor allem durch eine weiche, volle, helle und klare Tongebung mit einem grundtönigen, geräuscharmen Klangspektrum erzielt werden, in dem ein leuchtend-klar ausgeprägter Schlagton mit möglichst wenig Nebenschlagtongeräuschen hörbar ist. In einem Hörversuch von Wolfgang Aures beschrieben 16 Versuchspersonen insgesamt 17 verschiedene Glockenklänge als wohlklingender, wenn die klangliche Schärfe abnahm, während die Rauigkeit bei Aures keinen Einfluss auf die Bewertung des Wohlklangs hatte. Als besonders ausschlaggebend für die Klangqualität erwies sich in einem 2021 von Andreas Rupp, Denis Spieß und Michael Plitzner vorgestellten Verfahren die Gestaltung des Klöppels. Sie zeigten, dass die Anteile der hohen Frequenzen im Spektrum durch die Klöppelmasse bestimmt werden (je geringer die Klöppelmasse, desto heller der Klang), wohingegen das Gewicht und die Anfluggeschwindigkeit des Klöppels vor allem die tiefen Anteile im Spektrum beeinflussen (je schwerer der Klöppel und je langsamer der Anflug, also je länger die Verweildauer des Klöppels an der Glocke, desto grundtöniger der Klang). Basierend auf diesen Erkenntnissen führten Christoph Reuter et al. 2022 einen Hörversuch durch, bei welchem sich eine geringe Ausprägung der großen Terz im Spektrum, eine geringe Inharmonizität und eine geringe Highest Peak Frequency als Prädiktoren für die empfundene Glockenqualität beobachten ließen. Glocken, bei denen gezielt durch die Änderung des Klöppels eine Verbesserung der empfundenen Klangqualität angestrebt wurde, wiesen weniger Geräuschanteile, stärker ausgeprägte harmonische Spektralanteile sowie eine geringere Helligkeit auf und wurden signifikant besser bewertet. Allerdings war die Varianzaufklärung in den Urteilen der Versuchspersonen nur akzeptabel (besonders unter den Expert:innen herrschte Uneinigkeit), was nahelegt, dass ein objektives Qualitätsurteil wenig Validität sowie Reliabilität aufweisen würde und vielmehr die Einflussfaktoren auf individuelle Präferenz als Ursache der hohen Streuung in den Fokus gerückt werden sollten.
Seit den 1950er Jahren gibt es erste moderne Regelwerke zur Bewertung von Glockenklängen [1][2][3][4], in denen besonders ‒ meist nur verbal beschreibend ‒ auf die klangliche Helligkeit, die Teiltonzusammensetzung, die Grundtönigkeit und das Ein- und Ausschwingen des Glockenklangs eingegangen wird. Nach allgemeiner Auffassung zeichnet sich der Klang einer wohlklingenden Glocke durch eine weiche, volle, helle und klare Tongebung mit einem grundtönigen, geräuscharmen Klangspektrum aus, in dem ein leuchtend-klar ausgeprägter Schlagton mit möglichst wenig Nebenschlagtongeräuschen hörbar ist [5]. Zum Wohlklang von läutenden Glocke gibt es bislang noch so gut wie keine psychoakustischen Ansätze. Lediglich zum Klang einzelner Glockenklänge unternahm Wolfgang Aures [6] einen Hörversuch mit 16 Versuchspersonen, die 17 Glockenklänge auf ihren Wohlklang hin bewerten sollten und konnte zeigen, dass der empfundene Wohlklang mit abnehmender klanglicher Schärfe zunahm, während die ebenfalls erhobene klangliche Rauhigkeit so gut wie nichts zur Wohlklangsempfindung beitrug. 2021 stellten Andreas Rupp, Denis Spieß und Michael Plitzner ein Verfahren vor, mit dem der Einfluss der Klöppelgestaltung auf den Klang von läutenden Glocken simuliert werden konnte [7], wodurch gezielt ein ausgewogener Glockenklang erreicht werden kann: Während die Anteile der hohen Frequenzen im Spektrum durch die Klöppelmasse bestimmt werden (je geringer die Klöppelmasse desto heller der Klang), werden die tiefen Anteile im Spektrum vor allem durch das Gewicht und die Anfluggeschwindigkeit des Klöppels bestimmt (je schwerer der Klöppel und je langsamer der Anflug = je länger die Verweildauer des Klöppels an der Glocke, desto grundtöniger der Klang).
Der Klang einer läutenden Glocke wird neben ihrem eigenen Klangvermögen durch eine Vielzahl von Parametern beeinflusst. Äußere Parameter wie Läutewinkel, Glockenstube und Schalläden beeinflussen den Glockenklang außerhalb des Turmes. Die Abstimmung des dynamischen Systems Glocke mit Joch und Klöppelmaterial, -gewicht und -form sind bestimmend für die Lautstärke und die Anregung zum Schwingen. Die klangliche Wirkung des Klöppelanschlags selbst wird deutlich durch die Dauer des Anschlags beeinflusst, da sie einen direkten Einfluss auf die in der Glockenstruktur angeregten Schwingungsfrequenzen hat. Geräusche und Klänge, deren spektrale Anteile sich überwiegend im Bereich hoher Frequenzen befinden, werden vom menschlichen Gehör als „scharf“ oder „schrill“ empfunden. Schärfe korreliert häufig mit der Lästigkeit, d.h. je größer die Schärfe, desto schlechter die Geräusch- bzw. Klangqualität. Für eine ausgewogene Anregung der hohen und tiefen Teiltöne einer Glocke ist im Allgemeinen eine gute Anregung der niederfrequenten Töne und eine in Maßen abgeschwächte Anregung der höheren Töne vorteilhaft. Für eine Optimierung des Klangverhaltens einer läutenden Glocke rückt damit die Betrachtung die Anschlagdauer immer mehr in den Fokus. Der Zusammenhang zwischen Kontaktdauer von Klöppel und Glocke und der Klanganregung wurde mittels Computersimulationen untersucht. Da Glockenklang ein zutiefst subjektives Klangempfinden auslöst, wurden erste Beschreibungsversuche mit Psychoakustischen Methoden vorgenommen. Es konnte nachgewiesen werden, dass ein Klöppel durch einen gedrungenen Vorschwung als vorteilhaft hinsichtlich hoher Lebensdauer und grundtönigem Klang ausgelegt werden kann.
Der musikalische Fingerabdruck hat sich in den vergangenen Jahren als Mittel zur Zustandsanalyse von Glocken in Bezug auf mögliche vorhandene Risse im Klangkörper von Glocken etabliert, über 500 Glocken wurden bereits untersucht. Auf Basis der umfangreichen Datenlage konnte das Verfahren weiter verfeinert werden, so dass unter anderem bisher unentdeckte Risse in der Glockenflanke identifiziert werden konnten. Dieser bisher weitgehend unberücksichtigte Schadenstyp erfordert eine Anpassung der Klangaufnahme, um die Zuverlässigkeit der Analysemethode zu erhöhen. Um Ermüdungsrisse jedoch in einem derart frühen Stadium zu erkennen, dass sie noch keinen hörbaren Einfluss auf das Klangverhalten der Glocke haben, ist eine dauerhafte Überwachung erforderlich. Mithilfe eines allgemein zugänglichen Glockenatlasses bzw. durch eine Vernetzung aller Initiativen, die bereits auf dem Gebiet der Glockenarchivierung tätig sind, können Glockenschäden zuverlässig und frühzeitig erkannt werden.
Glocken sind an der Glockenkrone an einem Holz- oder Stahljoch befestigt und werden in unserem Kulturraum schwingend geläutet. Der Glockenkörper wird mittels Spannelementen an den Kronenbügeln und bei historischen Glocken auch am Kronenstock gehalten. Bei Glocken mit Mittelbohrung wird im Allgemeinen eine Mittelschraube zur Befestigung hinzugefügt, die gleichzeitig als Klöppelhalterung in der Glocke genutzt wird. Aufgrund des Klöppelanschlags ist das Läuten von Glocken mit hohen Belastungen im Klangkörper der Glocke aber kaum im Bereich des Glockendeckels und der Krone verbunden. Zusätzlich wird die Glocke durch das bloße Schwingen belastet, wodurch in der Regel geringe Beanspruchungen im Bereich der Krone entstehen. Gleichzeitig wird immer wieder über Schäden an der Krone von Glocken berichtet, die an gekröpften Jochen aufgehängt sind. Dieser Beitrag untersucht die physikalischen Hintergründe zu den beim Läuten an der Krone entstehenden Beanspruchungen in Abhängigkeit der Verkröpfung und des Läutewinkels.
Ein Läuteantrieb bestehend aus hochwertigen Steuer- und Regelkomponenten wurde entwickelt, um systematisch die Einflüsse des Antriebs auf das Läuten zu untersuchen. Die Steuerung erlaubt eine detaillierte Parametrisierung des Antriebsverlaufs, die Stellgröße ist das parametrisierte Motormoment für den für jede Seite einstellbaren Läutewinkel. Läuteversuche wurden an einer Glocke mit unterschiedlichen Klöppel unter Variation wesentlicher Parameter vorgenommen. Mit den Ergebnissen wird der Einfluss des Antriebs auf den erreichten Läutewinkel, die Symmetrie der Antriebsmomente, die erforderliche Antriebsenergie, die Rhythmik der Anschläge und die Anschlagsintensität sowie Schädigung für unterschiedliche Läutewinkel gezeigt.