Technik:
Die Tonerzeugung der Hammond-Orgel beginnt im sogenannten Generator. Dabei rotieren stählerne Tonräder mit einem gewellten Rand vor elektromagnetischen Tonabnehmern (Permanentmagnete in Spulen). Durch die Wellenform entfernt und nähert sich der Rand des Rades periodisch dem Permanentmagneten. Dieses ändert den magnetischen Fluss, wodurch in der Spule eine Wechselspannung induziert wird. Auf Grund der Formgebung der Zähne ergibt sich eine sinusähnliche Schwingung. Diese wird durch eine Filterschaltung weiter geglättet, so dass eine fast ideale Sinusform entsteht. Die erzeugten Wechselspannungen in der Größenordnung von einigen Millivolt werden dann durch die Manuale, die Zugriegel und den Scanner (Vibrato- und Chorusschaltung) geleitet. Am Ende der Verarbeitungskette liegt eine Verstärkerstufe, die das Tonsignal so weit verstärkt, dass ein Lautsprechersystem angesteuert werden kann.
Der Generator enthält zwischen 86 und 96 Tonräder unterschiedlicher Zähnezahl. Diese werden von einem Synchronmotor angetrieben, der zum Start mit einem Hilfsmotor auf ungefähre Synchrondrehzahl gebracht werden muss. Nach dem Hochlauf auf ungefähre Synchrondrehzahl ist die Drehzahl dieses Motors nur noch von seiner Polpaarzahl und der Netzfrequenz abhängig. Das kann sich als Nachteil erweisen, wenn bei einer Freiluftveranstaltung der Strom aus Generatoren nicht frequenzstabil ist. Der Antriebsmotor ist mit der Hauptwelle durch ein Schwungrad-Feder-System elastisch verbunden, um diese vom rauen Lauf (das Drehmoment ist über eine Motorumdrehung nicht konstant) zu entkoppeln. Zur Entkopplung mechanischer Geräusche sind beide im Gehäuse federnd aufgehängt.
Tonerzeugung:
In Modellen, die mit 60 Hz Netzfrequenz betrieben werden, läuft ein sechspoliger Motor mit 1200 Umdrehungen pro Minute (20 Hz), in 50-Hz-Modellen ein vierpoliger Motor mit 1500 Umdrehungen pro Minute (25 Hz). Die zur Tonerzeugung erforderlichen Drehzahlen werden durch Zahnradgetriebe mit zwölf unterschiedlichen Übersetzungen bereitgestellt. Die dabei entstehenden zwölf verschiedenen Drehzahlen, mit denen sich die Tonräder auf den Tonradwellen drehen, ergeben näherungsweise die zwölf gleichstufig gestimmten chromatischen Töne einer Oktave.
Am Beispiel einer Orgel, die mit 60 Hz Netzfrequenz betrieben wird sowie 96 Tonräder und 61 Tasten (C-c4) je Manual hat, sollen die Verhältnisse näher erläutert werden: Bei 60 Hz Netzfrequenz dreht sich die Motorwelle des sechspoligen Synchronmotors mit 20 Hz. Die nachfolgende Tabelle zeigt für diesen Fall die zwölf Übersetzungen der Zahnradgetriebe, die zugehörigen Töne der tiefsten Oktave der Orgel (Kontraoktave: Tasten C bis H bei gezogenem 16′-Riegel) mit ihren Frequenzen und die Abweichungen zur gleichstufigen Stimmung:
Definition Cent: 1 Cent = 1/1200 Oktave
Übersetzung Ton Frequenz Abweichung 85:104 Kontra-C 32,69 Hz −0,58 Cent 71:82 Kontra-Cis 34,63 Hz −0,68 Cent 67:73 Kontra-D 36,71 Hz +0,20 Cent 105:108 Kontra-Dis 38,89 Hz −0,09 Cent 103:100 Kontra-E 41,20 Hz −0,14 Cent 84:77 Kontra-F 43,64 Hz −0,68 Cent 74:64 Kontra-Fis 46,25 Hz +0,03 Cent 98:80 Kontra-G 49,00 Hz +0,02 Cent 96:74 Kontra-Gis 51,89 Hz −0,71 Cent 88:64 Kontra-A 55,00 Hz 0,00 Cent 67:46 Kontra-Ais 58,26 Hz −0,29 Cent 108:70 Kontra-H 61,71 Hz −0,59 Cent
Die Orgel ist auf den Kammerton a1 = 440 Hz gestimmt.
Pro Übersetzung dreht sich ein Satz von acht Tonrädern mit unterschiedlicher Zahnzahl auf vier Tonradwellen (je zwei Tonräder sitzen auf einer Welle, mit der sie elastisch gekoppelt sind) zur Erzeugung der verschiedenen Oktavlagen der Töne:
| Oktave | Zahnzahl |
|---|---|
| Kontraoktave | 2 |
| Große Oktave | 4 |
| Kleine Oktave | 8 |
| Eingestrichene Oktave | 16 |
| Zweigestrichene Oktave | 32 |
| Dreigestrichene Oktave | 64 |
| Viergestrichene Oktave | 128 |
| Fünfgestrichene Oktave bis fis5 | 192 |
Bei der fünfgestrichenen Oktave kommen aus fertigungstechnischen Gründen keine Tonräder mit 256 Zähnen zum Einsatz. Auf den Tonradwellen für die Töne C bis E befinden sich zahnlose Räder ohne Tonabnehmer, die nur aus mechanischen Gründen montiert sind. Daher hat eine Orgel mit 96 Tonrädern nur 91 Tonräder, die jeweils einen Ton erzeugen. Die Tonräder mit 192 Zähnen für die Töne c5 bis fis5 befinden sich auf den Tonradwellen für die Töne F bis H. Das Verhältnis 192:256 Zähne ist gleich 3:4, was einer reinen Quarte entspricht. Deshalb produziert das Tonrad mit 192 Zähnen auf der Tonradwelle für den Ton F die Unterquarte zum Ton f5, also den Ton c5. Da die reine Quarte aber von der gleichstufigen Quarte abweicht und zusätzlich andere Abweichungen durch die Übersetzungen hinzu kommen, ergeben sich für die Töne der fünfgestrichenen Oktave andere Abweichungen von der gleichstufigen Stimmung:
| Übersetzung | Tonradwelle | Ton | Frequenz | Abweichung |
|---|---|---|---|---|
| 84:77 | F | c5 | 4189 Hz | +1,27 Cent |
| 74:64 | Fis | cis5 | 4440 Hz | +1,98 Cent |
| 98:80 | G | d5 | 4704 Hz | +1,98 Cent |
| 96:74 | Gis | dis5 | 4982 Hz | +1,25 Cent |
| 88:64 | A | e5 | 5280 Hz | +1,96 Cent |
| 67:46 | Ais | f5 | 5593 Hz | +1,67 Cent |
| 108:70 | H | fis5 | 5925 Hz | +1,36 Cent |
Sämtliche hier beschriebenen Abweichungen von der gleichstufigen Stimmung liegen unter zwei Cent, was allgemein als Wahrnehmungsgrenze für Verstimmungen angesehen wird. Somit stellt die verwendete Kombination aus Zahnradgetrieben und Tonrädern eine für die musikalische Praxis hinreichend genaue Näherung der gleichstufigen Stimmung dar.
Durch die starre mechanische Vorgabe der Frequenzen über die unterschiedliche Zahnzahl der Räder kann sich die Orgel in sich nicht verstimmen, jedoch schwankt die Tonhöhe des Instrumentes im Ganzen mit de Netzfrequenz. Eine Hammond-Orgel lässt sich somit in keiner Weise stimmen; alle anderen Instrumente haben sich nach ihr zu richten. (Abhilfe kann hier ein nachgerüsteter Frequenzumrichter schaffen, der in Spezialgeschäften erhältlich ist.)
Etwa um 1975 beendete Hammond die Produktion der Orgeln mit elektromechanischer Tonerzeugung und stellte auf Orgeln mit elektronischer Tonerzeugung um. Diese Orgeln konnten den typischen Klang der elektromechanischen Orgeln jedoch anfangs nicht erreichen, so dass sie von professionellen Musikern nicht richtig akzeptiert wurden.
Klangformung
Die nachfolgenden Betrachtungen gelten für das bekannteste Modell B3, andere Modelle weisen Unterschiede dazu auf, ohne dass sich das Grundprinzip ändert.
Zugriegel und Fußlagen
Ein Ton der Orgel setzt sich aus neun verschiedenen Frequenzen zusammen, deren Lautstärkepegel über die so genannten Zugriegel (engl. Drawbars) eingestellt werden können (siehe auch additive Synthese). Man bezeichnet diese Orgel daher auch als neunchörig. Jeder Zugriegel hat neun verschiedene Lautheitsstufen ( von 0 bis 8 ). Daraus ergeben sich rechnerisch, da die Nullstellung aller Zugriegel keine klingende Kombination ergibt, 99-1=387.420.488 unterschiedliche Kombinationsmöglichkeiten.
Die Zugriegel sind aus ergonomischen Gründen so angeordnet, dass beim Spiel mit der rechten Hand auf dem Obermanual die Zugriegel links sitzen, weil sie mit der linken Hand bedient werden. Für das Untermanual sind die Zugriegel auf der rechten Seite angebracht.
Die Zugriegel werden nach ihrer Tonhöhe bezeichnet, ausgedrückt durch die sogenannte Fußlage. Diese Einteilung wurde von den Registern der Pfeifenorgel übernommen. Die Fußlagen sind (in der Einheit Fuss, 16′, 51/3′, 8′, 4′, 22/3′, 2′, 13/5′, 11/3′, 1′. Sie entsprechen den folgenden Intervalen beziehungsweise Obertönen bezogen auf die Basis 8′ (Äquallage):
| 16′ | eine Oktave tiefer ( Unterton zu 8′ ) |
| 51/3′ | eine Quinte höher ( 3. Harmonische zu 16′ ) |
| 8′ | Äquallage |
| 4′ | eine Oktave höher ( 2. Harmonische zu 8′ ) |
| 22/3′ | eine Oktave und eine Quinte höher ( 3. Harmonische zu 8′ ) |
| 2′ | zwei Oktaven höher ( 4. Harmonische zu 8′ ) |
| 13/5′ | zwei Oktaven und eine große Terz höher ( 5. Harmonische zu 8′ ) |
| 11/3′ | zwei Oktaven und eine Quinte höher ( 6. Harmonische zu 8′ ) |
| 1′ | drei Oktaven höher ( 8. Harmonische zu 8′ ) |
Man unterscheidet zwischen dem Grundton und seinen Oktaven (Fußlagen 8′, 4′, 2′, 1′; weiße Zugriegel), und den zwischen den Oktaven liegenden Obertönen (Fußlagen 22/3′, 13/5′, 11/3′; schwarze Zugriegel). Weiter gibt es Subtöne (Fußlagen 16′, 51/3′; braune Zugriegel). Die Subtöne gehören nicht zu den harmonischen Obertönen eines 8-Fuß-Registers.
In einer Pfeifenorgel sind alle Obertonregister stets rein, also mit Frequenzen, die ein ganzzahliges Vielfaches zur Grundtonfrequenz bilden, ausgeführt. Bei der Hammondorgel gilt dieses nur für die Oktavlagen ( 8′, 4′, 2′, 1′; bezogen auf 16′ ). Um die Quinten ( 51/3′, 22/3′, 11/3′ ) und die Terz ( 13/5′ ) derart zu bauen, wären für die Quinten Tonräder mit ( 6; 12; 24 ) Zähnen und für die Terz Tonräder mit ( 20; 40; 80; )Zähnen erforderlich, die jedoch nicht vorhanden sind. Die Quinten und die Terz müssen aus den vorhandenen Tönen gewonnen werden, die aber näherungsweise gleichstufig gestimmt sind. Diese Art der Fußlagengewinnung stellt den Extremfall einer Multiplexorgel dar. Alle Fußlagen ( „Register“ ) werden aus einer einzigen Reihe Tonerzeuger gewonnen. Nachfolgende Tabelle stellt die Töne und deren Abweichungen von den rein gestimmten Obertönen für die Zugriegel 22/3′ ( Quinte, 3. Teilton ) und 13/5′ ( Terz, 5. Teilton ) dar:
| 8′ Ton ( Grundton ) | 22/3′ Ton | Abweichung | 13/5′ Ton | Abweichung |
|---|---|---|---|---|
| C | g0 | −1,9 Cent | e1 | +13,5 Cent |
| Cis | gis0 | −2,7 Cent | f1 | +13,0 Cent |
| D | a0 | −2,0 Cent | fis1 | +13,7 Cent |
| Dis | ais0 | −2,2 Cent | g1 | +13,7 Cent |
| E | h0 | −2,5 Cent | gis1 | +13,0 Cent |
| F | c1 | −2,5 Cent | a1 | +13,7 Cent |
| Fis | cis1 | −2,6 Cent | ais1 | +13,4 Cent |
| G | d1 | −1,8 Cent | h1 | +13,1 Cent |
| Gis | dis1 | −2,0 Cent | c2 | +13,1 Cent |
| A | e1 | −2,1 Cent | cis2 | +13,0 Cent |
| Ais | f1 | −2,6 Cent | d2 | +13,9 Cent |
| H | fis1 | −1,9 Cent | dis2 | +13,6 Cent |
Hinweis: Da das Cent ein relatives Maß für den Abstand zweier Töne beziehungsweise Frequenzen ist, gelten die Werte der Abweichungen beim 22/3′ auch für die Zugriegel 51/3′ und 11/3′.
Während die Abweichungen bei den Quinten noch im Bereich der Wahrnehmungsgrenze für Verstimmungen liegen, so sind die Abweichungen bei der Terz deutlich als Abweichungen zur rein gestimmten großen Terz (5. Teilton) wahrnehmbar, was Pfeifenorgelspieler als sehr störend empfinden können. Andererseits trägt diese eigenartige Art der Fußlagengewinnung zum typischen Klang der Orgel bei.
Als Notation von Registereinstellungen werden in Noten oder einschlägiger Fachliteratur die Positionen der einzelnen Register durch neun Ziffern dargestellt. So bedeutet die Darstellung 888888888 etwa, dass alle Register maximal gezogen sind. Bei 500008000 klingen nur die 16′- und 2′-Register. Oft werden die Ziffern auch nach dem Schema 2-4-3 gruppiert, so dass einige Organisten 88 8888 888 beziehungsweise 50 0008 000 für die oben genannten Beispiele notieren.
Harmonic Foldback
Die 91 Frequenzen des Generators reichen nicht aus, um alle Tasten mit den kompletten Obertönen zu versorgen. Dazu wären 121 Frequenzen (Kontra-C bis c8) notwendig, einige hohe Töne fehlen. Wenn man nun einen hohen Ton spielte, erklängen dessen höhere Obertöne nicht, weshalb er leiser und dünner klänge. Das sogenannte Harmonic Foldback wirkt diesem Effekt entgegen. Wenn ein Oberton außerhalb des Frequenzumfangs des Generators liegt, erklingt er eine Oktave tiefer. Das Harmonic Foldback wird ab dem Ton g5 erforderlich, da der höchste verfügbare Ton der Orgel fis5 ist. Dadurch ändert sich die Frequenzcharakteristik der hohen Töne maßgeblich. Das Harmonic Foldback ist der Grund, warum eine B3 in den hohen Lagen so schreit. Für das Harmonic Foldback ergibt sich folgende Situation:
| Zugriegel | Tastenbereich:Fußlage | ||
|---|---|---|---|
| 16′ | C–c4: 16′ | ||
| 8′ | C–c4: 8′ | ||
| 51/3′ | C–c4: 51/3′ | ||
| 4′ | C–c4: 4′ | ||
| 22/3′ | C–h3: 22/3′ | c4: 51/3′ | |
| 2′ | C–fis3: 2′ | g3–c4: 4′ | |
| 13/5′ | C–d3: 13/5′ | dis3–c4: 31/5′ | |
| 11/3′ | C–h2: 11/3′ | c3–h3: 22/3′ | c4: 51/3′ |
| 1′ | C–fis2: 1′ | g2–fis3: 2′ | g3–c4: 4′ |
Funktional entspricht das Harmonic Foldback einer Oktavenrepetition in einem Pfeifenorgelregister. Es gibt jedoch einen signifikanten Unterschied zur Pfeifenorgel. Repetiert bei einer Pfeifenorgel ein 2′-Register auf der Taste g3 in die 4′-Lage, so sind auch für die höchsten Tasten eigene Pfeifen vorhanden. Zusammen mit einem 4′-Register erklingen also 4′ + 2′ und ab der Taste g3 4′ + 4′, also zwei Töne gleichzeitig auf jeder Taste. Da bei der Hammond-Orgel keine Tonräder doppelt vorhanden sind, erklingen nur bis zur Taste fis3 zwei unterschiedliche Töne gleichzeitig, nämlich 4′ + 2′, ab der Taste g3 erklingt jedoch nur noch ein Ton, der 4′ - allerdings wird auch hier dieser eine Ton dann doppelt zur Verfügung gestellt, woraus sich in der Mischung (zumindest theoretisch) ein Lautstärkezuwachs ergibt. Besonders bei der Kombination 4′ + 2′ + 1′ wird der Ton in den hohen Lagen aber zunehmend dünner. Das Harmonic Foldback löst das Problem des in der Höhe dünner werdenden Klangs daher nicht vollständig.
Chorus und Vibrato
Ein Choruseffekt ist prinzipiell nichts anderes als eine Schwebung. Diese entsteht gewöhnlich dann, wenn zwei Töne mit ganz leicht unterschiedlichen Frequenzen erklingen. Um 1940 erreichte man das bei Hammond-Orgeln noch, indem man einen zweiten Tongenerator, den sogenannten Chorus-Generator, einbaute, der gegenüber dem Hauptgenerator ganz leicht verstimmt war. Die Frequenzen dieses zusätzlichen Generators wurden mit denen des Hauptgenerators überlagert, wodurch sich ein Choruseffekt ergab. Da die so ausgestatteten Orgeln übermäßig schwer waren, ging man später dazu über, ein sogenanntes Scanner-Vibrato einzubauen:
Die Vibrato-Einheit besteht aus einer analogen Verzögerungsleitung (oder Phasenschieberschaltung → hintereinandergeschaltete LC- und LRC-Filterschaltungen) mit 16 Ausgängen, an denen das von Stufe zu Stufe zunehmend verzögerte Tonsignal abgegriffen und dem Vibrato-Scanner zugeführt wird. Bei diesem handelt es sich um eine Art kontaktlosen Drehschalter (technisch ähnlich einem Drehkondensator mit 16 Statorpaketen und einem Rotorpaket).
Das an den Statorpaketen anliegende, jeweils unterschiedlich stark verzögerte Signal wird vom Rotor abgegriffen und weitergeleitet.
Die phasenverschobenen Signale sind mit auf- und absteigender Verzögerung (entsprechend dem Muster 1-2-3-4-5-6-7-8-7-6-5-4-3-2-1 ) auf die Statorpakete gelegt. Über den an die Motorachse gekoppelten umlaufenden Rotor wird somit ein periodisch unterschiedlich stark verzögertes Signal zur weiteren Verstärkung gegeben. Daraus resultiert zunächst eine Tonhöhenschwankung (Vibrato) des Orgeltons. Mischt man dieses Vibrato-Signal mit dem unveränderten Signal, was über den Effektstärke-Drehschalter geschieht, ergibt sich ein spezieller Chorus- Effekt der von unzähligen Hammond-Aufnahmen bekannt ist.
Percussion
Das Percussion-Register ist nur auf dem Obermanual verfügbar, und auch nur auf einem der zwei Zugriegelsätze. Das Erklingen und schnelle Abklingen einer Fußlage ergibt den Percussion-Effekt. Die Percussion erklingt nicht bei jedem Tastendruck, sondern nur, wenn davor alle Tasten losgelassen wurden. Die Fußlagen 4′ und 22/3′ sind als Percussion-Register schaltbar, wobei eine kurze (etwa 200 Millisekunden) und eine lange (eine knappe Sekunde) Ausklingzeit gewählt werden kann. Zusätzlich ist die Lautstärke zwischen Normal und Soft schaltbar. Für die Steuerung der Percussion wird der 1′ Tastenkontakt verwendet, der 1′ Zugriegel ist bei eingeschalteter Percussion also stumm.
Effekte
Weitere Effekte, die zur Klangveränderung eingesetzt werden, sind Phaser, Ringmodulator und Flanger.
Presets
Ergänzend zu den Zugriegeln bieten einige Modelle so genannte Presets an, mit denen vom Hersteller definierte Registrierungen per Tastendruck abgerufen werden können. Größere Orgeln wie die B3 bieten auf beiden Manualen eine ganze Oktave an invertiert-kolorierten Tasten an, mit denen die Presets angewählt werden können. Es kann jeweils nur ein Preset zu einem Zeitpunkt angewählt sein, die Taste arretiert dann in der gedrückten Position. Die Zugriegel verstellen sich dabei nicht automatisch, da es an einer Motorisierung fehlt, die Presets sind vielmehr intern verdrahtet.
Andere Modelle bieten Kippschalter als Presets an. Dazu gehören die M-100 und die L-100 Serie von Hammond.
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