Technik der Hammond Orgel

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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

Zugriegel einer Hammondorgel

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′ Cc4: 16′    
8′ Cc4: 8′    
51/3 Cc4: 51/3    
4′ Cc4: 4′    
22/3 Ch3: 22/3 c4: 51/3  
2′ Cfis3: 2′ g3c4: 4′  
13/5 Cd3: 13/5 dis3c4: 31/5  
11/3 Ch2: 11/3 c3h3: 22/3 c4: 51/3
1′ Cfis2: 1′ g2fis3: 2′ g3c4: 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

Hammond-Orgeln wurden vielfach mit einem Federhall ausgestattet, um dem Klang mehr Räumlichkeit zu verleihen. Zudem ist der Klang der Hammond für viele untrennbar mit dem Leslie verbunden. Dieses sogenannte Motion Sound System beruht auf dem Klang rotierender Lautsprecher (Doppeleffekt), der das bekannte Jammern des Klanges verursacht. Kurioserweise wurden Hammond-Orgeln nicht ab Werk mit einem Leslie-Anschluss ausgestattet, da Laurens Hammond den Klang des Leslies nicht mochte. Dieser musste vielmehr mit einem Leslie Connector Kit nachgerüstet werden. Allerdings wurden ab 1967 verkleinerte Leslie-Lautsprecher in die T- und M-Modelle eingebaut.
Im Hardrock war und ist es üblich, Hammond-Orgeln über Gitarrenverstärker zu verstärken. Modelle der Firma Marschall sind beliebt und verbreitet. John Lord  prägte in den 70er-Jahren diesen Klangstil.

Weitere Effekte, die zur Klangveränderung eingesetzt werden, sind Phaser, Ringmodulator und Flanger.

Presets

Presets an einer B3, invertiert-kolorierte Oktave an beiden Manualen

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.