Leiser Antrieb für dynamische Klänge

Über 140 Jahre wurde an der Klaviermechanik kaum etwas verändert. Das Konzept galt als ausgereift. Nun macht sich ein Forscherteam daran mit einer assistierten Mechanik, Pianisten eine höhere Dynamik zwischen lauten und leisen Tönen zu ermöglichen und damit größere Konzertsäle zu bespielen. Bild: LPNHE – CNRS/ Antoine Letessier Selvon
Kleinstantriebe leisten heute in den unterschiedlichsten Anwendungen beachtliches. Klein, drehmomentstark, dynamisch bei präziser Ansteuerung und möglichst geräuschlosem Lauf sind aber nicht nur Anforderungen, die viele industrielle Anwendungen an die Antriebe stellen. Auch bei der Entwicklung eines innovativen Klavier-Konzepts, das den gehobenen Ansprüchen moderner Konzertpianisten gerecht wird, waren diese Eigenschaften wichtig.

„Never change a running system“ gilt bekanntlich für viele Bereiche. Wenn sich die Gegebenheiten jedoch ändern und ein bewährtes System den veränderten Anforderungen nicht mehr gerecht wird, ist Weiterentwicklung nötig. Das gilt auch für Klaviere. Hier gab es im 18. und 19. Jahrhundert zahlreiche innovative Veränderungen. Vor circa 140 Jahren galten Klaviere dann als vollständig entwickelt. Heute stehen Musiker und Komponisten allerdings wieder vor einem ähnlichen Problem wie bei der aufkommenden Romantik: Mehr Kraft, Lautstärke und Dynamik sind gefragt, denn umfassten zu Beethoven und Mozarts Zeiten Konzertsäle nur einige hundert Besucher, sind es heute teilweise mehrere tausend.

Dynamik unterliegt physikalischen Beschränkungen

Tonerzeugung bei einem Konzertklavier. Bild: LPNHE – CNRS/ Antoine Letessier Selvon
Tonerzeugung bei einem Konzertklavier.
Bild: LPNHE – CNRS/ Antoine Letessier Selvon

Wie beim Klavier ein Ton entsteht, ist den meisten bekannt: Drückt der Pianist eine Taste, wird über eine Mechanik ein Hammer gegen Saiten geschlagen, die dann einen Ton erzeugen. Drückt er fest auf die Taste, entsteht ein lauter Ton, bei schwächerem Druck ist der Ton leiser. Welches Spektrum ein Pianist zwischen leisen und lauten Tönen abdecken kann, ist abhängig von seiner Fingerkraft. Hinzu kommen dann noch die konstruktiven Eigenheiten des Klaviers: der Anschlagweg der Taste, das Hebelverhältnis, mit dem dieser Weg in die Bewegung des Hammers übersetzt wird und schließlich das Gewicht des Hammers selbst. An diesen Parametern gilt es zu arbeiten, wenn man die Klangdynamik optimieren möchte. Allerdings: Der Anschlag wurde mit der Zeit schon verlängert, von etwa sieben auf zehn Millimeter. Je schnellere Passagen man spielen möchte, desto problematischer wird ein höherer Abstand. Die Praxis zeigt, dass noch größere Abstände ungeeignet sind. Das Hebelverhältnis von fünf Millimetern lässt sich – aus konstruktiven Gründen – ebenfalls kaum verändern. Und auch der Hammer sollte nicht schwerer werden als seine aktuellen zehn bis zwölf Gramm, denn mit mehr Gewicht würde seine Trägheit das Spiel behindern. Ist also die Grenze des Möglichen bereits erreicht?

Das Herz des Klavier-Assistenten

Der Linearmotor LM 1247 (Durchmesser 12,5 mm, Länge 49,4 mm, Drehmoment 19 mNm) ist das Herzstück des assistierten Klaviers. Bild: FAULHABER
Der Linearmotor LM 1247 (Durchmesser 12,5 mm, Länge 49,4 mm, Drehmoment 19 mNm) ist das Herzstück des assistierten Klaviers.
Bild: FAULHABER

Der Physiker und Amateurpianist Dr. Antoine Letessier-Selvon machte sich daran, dennoch eine Lösung zu finden und zwar zusammen mit Laurent Bessières, dem Klavierstimmer der Pariser Philharmonie, und dem Klavierbauer Stephen Pauello, der für außergewöhnliche Entwicklungen in seinem Fach bekannt ist. Die Grundidee bestand darin, die Erzeugung des Klangs ganz vom Anschlag zu trennen und eine maschinelle Kraftquelle einzufügen. Von einem dafür geeigneten Antrieb war einiges gefordert: kompakt, robust, drehmomentstark, dynamisch bei präziser Ansteuerung sollte er sein und möglichst geräuschlos laufen. Eine passende Lösung fanden die Klavierforscher bei den Experten für Kleinstantriebe von FAULHABER aus Schönaich. Letessier-Selvon berichtet: „Nachdem wir diverse ungeeignete Antriebsmodelle aussortiert hatten, wurden wir mit dem Linearmotor LM 1247 schließlich fündig. Dieser hat eine hohe Leistungsdichte und zudem genau die richtige Größe. Er ist exakt so breit wie eine Klaviertaste! Es würde zwar auch mit einem Millimeter mehr oder weniger funktionieren, aber dieses Detail verstärkte das Gefühl, dass hier alles perfekt zusammenpasst.“

Wie funktioniert es technisch?

Letessier-Selvon und seinen Kollegen war wichtig, kein selbstspielendes mechanisches Klavier zu bauen, sondern eines, das den Pianisten unterstützt und ihm neue Möglichkeiten eröffnet. Letessier-Selvon erläutert, wie das Klavier künftig technisch funktionieren soll: „Wir befestigen einen Beschleunigungssensor am Hammerstiel, der mit dem Druck auf die Klaviertaste bewegt wird. Er erfasst die Bewegung des Anschlags sehr präzise in Stärke und Tempo. Sein Signal wird von einer elektronischen Steuerung, dem Controller an den Linearmotor übermittelt. Dieser übersetzt es sehr präzise in eine Bewegung des Hammers. Der Hammer sitzt auf der Achse des Motors, an derselben Stelle unter der Saite wie bei der herkömmlichen Mechanik.“ Damit sich ein Motor für einen solchen Einsatz eignet, war seine kompakte Baugröße von 12,5 mm Durchmesser und 49,4 mm Länge natürlich ein wesentliches Entscheidungskriterium. Daneben überzeugen die linearen DC-Servomotoren mit einem ausgezeichneten Leistungs-/ Volumenverhältnis, ihrer robusten Konstruktion sowie einfachem Einbau und leichter Inbetriebnahme. Sie benötigen zudem keine Schmierung. Dank fehlender statischer Rastmomente sind diese Antriebe besonders ideal für solche Mikro-Positionieraufgaben. Letessier-Selvon betont die Wichtigkeit des Antriebs für die gesamte Lösung: „Ohne ihn hätten wir erst gar nicht beginnen können. Noch vor einigen Jahren gab es keinen Motor mit den Leistungsmerkmalen, die wir benötigen. Erst die Fortschritte der letzten Jahre, etwa bei den Neodym-Permanentmagneten, haben einen solchen Motor möglich gemacht, und natürlich auch die Entwicklungsarbeit von FAULHABER.“

Unveränderbares verändern

Durch den Einsatz einer externen Antriebsquelle konnten die Klavierforscher nun zwei entscheidende Parameter verändern. Sie können das Gewicht des Hammers problemlos auf 50 g oder sogar mehr erhöhen und damit ein größeres Klangvolumen erreichen. Der größere Hammer regt dazu durch eine größere Krafteinwirkung ein breiteres Spektrum von Obertönen an. Auch das Hebelverhältnis zwischen Anschlag und Hammerweg lässt sich nun dynamisch anpassen. Dazu wäre es denkbar ein viertes Pedal einzuführen, das die Kraft des Hebelarms während des Spiels variiert. Das bringt dem Pianisten gerade dann Vorteile, wenn er sehr schnelle Passagen besonders leise oder laut spielen will. Zudem lässt sich der Tastenweg sehr einfach nach den Vorlieben des Pianisten einstellen. Innerhalb von circa zehn Minuten kann der Klavierstimmer alle Hämmer austauschen und so genau an die Bedürfnisse des Musikers anpassen. Bei einer herkömmlichen Mechanik erfordert eine solche Anpassung viele Stunden Arbeit.

Keine Verzögerungen

Ein weiteres gewichtiges Argument für den Einsatz der gewählten Antriebe war ihre hohe Dynamik. Während Kritiker befürchten könnten, dass durch die zwischengeschaltete Sensorik, Elektronik und Aktorik eine Verzögerung zwischen Anschlag und Tonerzeugung entstehen, die den Pianisten beeinträchtigt, ist genau das Gegenteil der Fall. Die klassische Klaviermechanik besitzt nämlich eine beträchtliche Trägheit, die dadurch beeinflusst wird, ob der Pianist leise oder laut spielt. So bewegt sich der Hammer beim Fortissimo beispielsweise ca. zehnmal schneller als beim leisen Spiel. Ähnliches gilt für den Tastenanschlag, der beim sehr schnellen Spiel ca. zehn Millisekunden benötigt. Letessier-Selvon ergänzt: „Die Reaktionszeit des Antriebs liegt wohl eher unter einer Millisekunde. Unsere Elektronik reagiert ebenfalls im Millisekundenbereich. FAULHABER hat das längste Intervall im System gemessen, den Zeitverzug zwischen der Stromgabe des Controllers und der Stromaufnahme des Motors. Er liegt im Bereich weniger hundert Mikrosekunden, also deutlich unter einer Millisekunde. Ich bin sicher, dass der Pianist keine Verzögerung spüren wird.“

Bis zum ersten Konzert

Aktuell wurde bereits die technische Machbarkeit des Konzepts getestet mit einem Monochord, also einer einzelnen Saite. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass der eingesetzte Beschleunigungssensor und auch der Motor nicht nur auf dem Papier geeignet sind, sondern auch in der Praxis funktionieren. Die Antriebsspezialisten aus Schönaich haben zu diesem Zweck extra für diesen Anwendungsfall eine beschleunigungsorientierte Steuerung entwickelt, die besser zum Instrument passt als die übliche Geschwindigkeitssteuerung mit dem Speed Controller. Derzeit verfeinern Letessier-Selvon und sein Team die assistierte Mechanik im Detail und wollen bald eine Oktave beherrschen. „Wenn das erreicht ist, werden wir den ganzen Flügel mit der assistierten Mechanik ausstatten“, erklärt Letessier-Selvon. „Im nächsten Jahr würden wir gern das erste Konzert veranstalten.“

Über Faulhaber
FAULHABER ist spezialisiert auf Entwicklung, Produktion und Einsatz von hochpräzisen Klein- und Kleinstantriebssystemen, Servokomponenten und Steuerungen bis zu etwa 250 Watt Abgabeleistung. Dazu zählt die Realisierung von kundenspezifischen Komplettlösungen ebenso wie ein umfangreiches Programm an Standardprodukten wie bürstenlose Motoren, DC-Kleinstmotoren, Encoder und Motion Controller. Die Marke FAULHABER gilt weltweit als Zeichen für hohe Qualität und Zuverlässigkeit in komplexen und anspruchsvollen Anwendungsgebieten wie Medizintechnik, Fabrikautomation, Präzisionsoptik, Telekommunikation, Luft- und Raumfahrt sowie Robotik. Vom leistungsstarken DC-Motor mit 224 mNm Dauerdrehmoment bis zum filigranen Mikroantrieb mit 1,9 Millimetern Außendurchmesser umfasst das FAULHABER Standardportfolio mehr als 25 Millionen Möglichkeiten, ein optimales Antriebssystem für eine Anwendung zusammenzustellen. Dieser Technologiebaukasten ist zugleich die Basis für Modifikationen, um auf besondere Kundenwünsche für Sonderausführungen eingehen zu können.

Titelbild: LPNHE – CNRS/ Antoine Letessier Selvon

Nora Crocoll

Studium Technische Redaktion, Praxis in der Elektronik-Industrie. Diplomarbeit in der Softwareentwicklung (XML-basierte Arbeitsumgebung für Redaktionsleitfaden). Seit 2005 als Autorin beim Redaktionsbüro Stutensee.

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