Die Grundplatte gehört zu den drei wichtigsten Bestandteilen einer Spieluhr (dem Kamm, der Grundplatte und dem Holzgehäuse), wird jedoch häufig übersehen und in ihrer Bedeutung unterschätzt. In diesem Artikel teilen wir unsere Erfahrungen aus der Konstruktion der Muro Box und erläutern, wie eine hochwertige Grundplatte für eine Spieluhr konstruiert wird.
Der entscheidende Faktor für die Klangqualität – die Metallbasis
Die Schwingungsübertragung bestimmt die Klangeigenschaften
Die Funktion der Metallbasis bei der Muro Box besteht darin, die Schwingungen des Stimmkamms auf das Holzgehäuse zu übertragen. Sie ähnelt dem „Steg“ einer Gitarre oder Violine, der die Schwingungen der Saiten auf den hohlen Holzkorpus überträgt, um einen schönen Klang zu erzeugen. Die „Übertragung“ ist der entscheidende Faktor für die Klangqualität; daher wurden Material, Größe, Form und Dicke der Metallbasis in einer Reihe von Experimenten untersucht.
Im Folgenden erläutern wir, wie diese Eigenschaften den Klang beeinflussen.
Muss der Sockel einer Spieluhr aus Metall sein?
Haben Sie sich jemals gefragt, warum selbst die günstigsten Spieluhrwerke stets eine Metallgrundplatte besitzen? Wäre Kunststoff nicht kostengünstiger? Wie steht es mit 3D-gedrucktem Kunststoff? Oder mit 3D-gedrucktem Metall? Ist jede Art von Metall geeignet?
Diese scheinbar einfachen Fragen sind tatsächlich recht schwierig zu beantworten. Wenn es nur darum geht, mit der Spieluhr einen Ton zu erzeugen, eignet sich jedes Material. Wenn es jedoch darum geht, die Spieluhr angenehm klingen zu lassen – mit jener schönen, lange nachklingenden Resonanz, die wir alle lieben –, dann sind die Möglichkeiten deutlich eingeschränkter.
Der Zusammenhang zwischen „Nachklingen“ und dem Gewicht des Sockels
Wenn wir von „Nachklang“ sprechen, meinen wir damit konkret die Dauer, in der der Kamm nach dem Anschlagen weiter schwingt. Im Allgemeinen bevorzugen wir einen längeren Nachklang, das heißt, der Ton bleibt länger hörbar. Dies wird bei der Spieluhr häufig als bessere „Resonanz“ beschrieben.
Ein wesentlicher Faktor für den Nachhall ist die Gesamtmasse der Spieluhr. Moderne Spieluhren haben aufgrund ihrer geringeren Größe und der Tatsache, dass sie häufig in Kunststoffgehäusen untergebracht sind, tendenziell eine geringere Gesamtmasse. Dadurch entsteht bei kleineren Spieluhren im Vergleich zu klassischen größeren Modellen der Eindruck, dass sie zwar lauter sind, aber einen kürzeren Nachhall aufweisen. Der Klang wirkt abgehackt und endet schnell, wobei die Töne weniger deutlich nachklingen.
Zur Erklärung dieses Phänomens lässt sich die Analogie eines Stausees heranziehen, aus dem Hochwasser abgelassen wird, um das Verhältnis von Masse und Klang zu veranschaulichen.
Ein Sockel mit höherer Masse gleicht einem größeren Reservoir: Er kann mehr Wasser aufnehmen – oder in diesem Fall mehr Schwingungsenergie des Kamms – und diese anschließend langsam wieder abgeben, was eine länger nachhallende Resonanz zur Folge hat. Ein Sockel mit geringerer Masse gleicht hingegen einem kleineren Reservoir. Wenn die Schwingungsamplitude des Kamms hoch ist oder mehr Energie vorliegt, kann das kleinere Reservoir schnell überlastet werden und überlaufen. Im Klang äußert sich dies in übermäßiger Lautstärke sowie in dem, was wir als „knackendes“ oder gebrochenes Geräusch bezeichnen. Darüber hinaus leert sich ein kleineres Reservoir schneller,was einen kürzeren Nachhall bedeutet.
Nachklingende Resonanz und die Wahl des Grundmaterials
Auf der Grundlage unseres Verständnisses des Nachklingens können wir nun das Material für die Basis bewerten.
Um das Nachklingen zu verlängern, ist es unerlässlich, die Masse zu erhöhen. Kunststoff ist daher nicht geeignet, da er zu einem kurzen, bruchstückhaften Klang führt. Dieses Problem ist unabhängig vom Fertigungsverfahren; weder Kunststoffspritzguss noch 3D-Druck können das gewünschte Ergebnis erzielen.
Während der ersten Entwicklungsphase von Muro Box nutzten wir den 3D-Druck für die Prototypenfertigung. Nachdem Geschäftsführer Huang unsere Prototypen gesehen hatte, erzählte er uns folgende Geschichte.
In der Vergangenheit trat das Institut für Materialchemie des Industrial Technology Research Institute an Kyooh heran, um die Metallbasis durch neue Polymermaterialien zu ersetzen. Trotz des Rates des Geschäftsführers, davon abzusehen, setzten sie die Entwicklung fort. Leider war die Resonanz schlecht, und die Produktionskosten verdoppelten sich, was zur Einstellung des Projekts führte.
Zwar fehlt Kunststoff das erforderliche Gewicht, doch auch nicht jedes Metall ist geeignet. Aluminium ist mit etwa 2,7 g/cm³ beispielsweise noch zu leicht. Geschäftsführer Huang berichtete zudem, man habe Gusseisen für den Sockel erprobt, der Versuch sei jedoch letztlich gescheitert. Obwohl Gusseisen schwer genug war, führte seine Härte zu unerwünschten Klangeigenschaften. Folglich ist auch die Härte zu berücksichtigen; es gilt nicht pauschal: je schwerer, desto besser.
Das verdeutlicht den Einsatz von Messing in klassischen Spieldosen: 1. Messing hat eine hohe Dichte und zählt damit zu den dichteren leicht verfügbaren Metallen (etwa 8,5 g/cm³). 2. Es besitzt eine mittlere Härte und ermöglicht dadurch eine angenehme Klangqualität. Seine Nachteile sind jedoch ebenso offensichtlich: Es ist zu teuer.
Die Kosten für Messing sind sowohl hinsichtlich des Materials als auch der Verarbeitung hoch, zudem korrodiert es leicht; deshalb sind Spieldosen aus Messing heute nur noch selten zu finden.
Darüber hinaus lassen sich mit dem Metall-3D-Druck zwar Sockel für Spieluhren herstellen, doch sind die Kosten für die Serienfertigung unverhältnismäßig hoch. In der Praxis ist das CNC-Fräsen effektiver; dieses Verfahren wird für den Messingsockel des N40 Sublime eingesetzt.
Geschichte der Zinklegierung
Im Laufe von mehr als einem Jahrzehnt der Weiterentwicklung wurde das Material für die Metallgrundplatte einer Spieluhr kontinuierlich verändert. In den vergangenen Jahren wurden immer wieder Versuche mit verschiedenen Materialien unternommen, darunter Kupfer, Aluminium, Gusseisen und andere makromolekulare Werkstoffe.
Doch unabhängig davon, wie viele Versuche unternommen wurden, reichte kein Werkstoff in seiner Gesamtleistung an eine Zinklegierung heran. Die heutige Wahl der Zinklegierung ist das Ergebnis umfangreicher Tests durch Vorgänger.
Nach umfangreichen Tests und Versuchsreihen erwies sich Zinklegierung als beste Lösung. Ein weiterer entscheidender Vorteil der Zinklegierung war die einfache Herstellung mit Formen; daher wird sie auch häufig für Produkte wie Wasserhähne, Schlösser, Türknäufe, Fahrzeugembleme und Korkenzieher verwendet. Obwohl der Preis für Zinklegierung in den letzten Jahren deutlich gestiegen ist, bestehen die meisten Hersteller von Spieluhren weiterhin darauf, sie zu verwenden.
Interview mit einem Formenbauer
Das schwarze Grundmaterial für Muro Box N20 und N40 Standard ist eine Zinklegierung. Um die Qualität zu sichern, haben wir mit einem Zinklegierung verarbeitenden Betrieb in Changhua zusammengearbeitet, der seit über 30 Jahren in Betrieb ist und seit mehr als 25 Jahren mit Kyooh kooperiert.
Wir haben ein Interview mit Herrn Guo geführt, dem Formenbauer für den Zinklegierungs-Sockel der Muro Box. Dabei wurde deutlich, dass die Formen nahe an den Präzisionsgrenzen der Zinklegierungsverarbeitung gefertigt werden. Um dies zu erreichen, wird ein modularer Konstruktionsansatz verfolgt: Zunächst werden Vorlagen mit Kupferformen hergestellt und anschließend zusammengesetzt, um präzise Abmessungen sicherzustellen, bevor die endgültigen Formen gefertigt werden. Mit jeder Form lassen sich mindestens 500.000 Sockel herstellen.
Sehen Sie, wie die Metallbasis gefertigt wurde.
Zunächst wird das Zinklegierungsstück in einen Metallofen bei 435 °C gegeben, um es zu schmelzen. Anschließend wird es mit einer Druckgussmaschine und der sorgfältig konstruierten Gussform unter Druck in die präzise Form gepresst.
Nach dem Abkühlen werden die überschüssigen Materialreste nacheinander von den Bauteilen entfernt und in den Ofen zurückgeführt. Anschließend werden die Grate mit Schleifpapier sorgfältig von Hand abgeschliffen. Sobald die Abmessungen der Bauteile bestätigt sind, werden die Bauteile gewaschen, damit Fett und andere Verunreinigungen nicht dazu führen, dass die Lackierung abplatzt. Auf der Oberseite des Sockels ist ein von Kyooh Precision Industry Co., Ltd. entworfener Aufkleber angebracht, der den direkten Kontakt zwischen Kamm und Sockel sicherstellt und verhindert, dass das Lackmaterial die Schallübertragung auf den Sockel aus Zinklegierung beeinträchtigt, wodurch eineHeller Klang.
Die Gestaltung der Metallbasis
Die Gestaltung der Metallbasis orientiert sich an einer traditionellen Spieldose. Unser Designprinzip lautet „Weniger ist mehr“, und jedes Bauteil erfüllt eine eigene praktische Funktion.
Im Folgenden möchte ich einige weniger bekannte, jedoch zentrale Aspekte des Basisdesigns vorstellen.
Warum weist der Sockel Löcher und Vertiefungen auf?
Haben Sie schon einmal die Konstruktion eines Spieluhrwerks genau betrachtet und sich gefragt, warum sie Vertiefungen und Öffnungen aufweist? Dient diese Gestaltung der Verbesserung der Klangqualität?
Tatsächlich ist das Gegenteil der Fall. Diese Konstruktionsmerkmale dienen in erster Linie der Kostensenkung: Je dünner die Grundplatte, desto weniger Metall wird benötigt, wodurch die Produktionskosten sinken.
Wenn die Basis jedoch zu dünn ist, fehlt es an Gewicht, was sich negativ auf den Nachklang auswirkt. Die eigentliche Herausforderung besteht darin, die Metallmenge zu reduzieren und dabei die Klangqualität auf demselben Niveau zu halten. Dies ist eine zentrale Stärke von Kyooh in Taichung und verdeutlicht den grundlegenden Unterschied zwischen in Taiwan und in China hergestellten Spieluhren.
Was die Sockel der Muro Box betrifft, müssen wir angesichts der unterschiedlichen Preisgestaltung an dieser Stelle keine Kosten einsparen. Ob es sich um den Sockel aus Zinklegierung oder den aus Messing handelt: Der gesamte Sockel ist massiv und benötigt weder Öffnungen noch Vertiefungen.
Bedeutet ein schwererer Sockel eine bessere Leistung?
Wir haben bereits erwähnt, dass die Basis wie ein Reservoir wirkt. Manche mögen sich fragen, ob eine unendlich schwere Basis nicht noch besser wäre. Die Antwort lautet: Nein, sie wäre nicht besser. Reicht die Kraft der Schwingungen des Stimmkamms nicht aus, um die gesamte Spieluhr anzutreiben, so wäre die Folge ein sehr leiser Klang.
Die Lautstärke des Klangs entspricht der Amplitude der Schallwellen. Ist der Sockel zu schwer, kann dies dazu führen, dass die Schwingungen der Spieluhr zu schwach ausfallen. Dadurch wird wiederum die Amplitude der Schallwellen zu klein, was einen leiseren Klang zur Folge hat. Zum Beispiel wäre der Klang des N40 Sublime tatsächlich schwächer als beim N40 Standard, wenn sein Messingsockel nicht mit einem Doppelkamm ausgestattet wäre. Tatsächlich ist die N20 unter allen unseren Modellen am lautesten.
Aus diesem Grund klingen hochwertige Spieldosen häufig leiser. Sie verfügen in der Regel über schwerere Sockel, die die Lautstärke dämpfen. Kleinere Spieldosen klingen dagegen oft lauter; da ihre Schwingungen größer sind, verbrauchen sie jedoch schneller Energie, was zu einer kürzeren Resonanz führt.
Das Gewicht des Sockels einer Spieldose muss daher auf die jeweils verwendete Resonanzplatte abgestimmt sein – schwerer ist nicht automatisch besser. Dies ist außerdem einer der wichtigen Gründe dafür, den Kamm mit einem Dämpfer zu versehen.
Die Positionierung des Stimmkamms
Haben Sie sich schon einmal gefragt, wie der Kamm einer Spieluhr mit der Walze zusammenwirkt? Intuitiv möchte man meinen, der Kamm sei senkrecht ausgerichtet und in der Mitte der Walze angeordnet. Die optimale Position des Kamms entspricht jedoch nicht ganz dieser Vorstellung.
Beim Design des N40 Sublime beträgt der Winkel zwischen Kamm und Zylinder 85 Grad. Anfangs kannten wir den Grund für diesen Winkel nicht und wollten lediglich den Konstruktionswinkel Schweizer Spieldosen nachahmen. Nach Abschluss des Designs des N40 Sublime sind mir die Vor- und Nachteile dieses Winkels jedoch klar geworden.
Der Hauptgrund für dieses Design besteht darin, die Wirkung des Dämpfers zu verbessern. Durch diesen Winkel verlängert sich die Kontaktzeit zwischen den Stiften des Zylinders und dem Dämpfer, wodurch sich die Stoßdämpfungseigenschaften des Dämpfers verbessern.
Darüber hinaus erleichtert dieser Winkel die Montage des Kamms. Bei gleicher Teilung wird der geneigte Kamm von den Stiften der Walze weniger stark angehoben, wodurch sich die Lautstärke hoher und tiefer Töne bei der Montage leichter ausgleichen lässt.
Diese Konstruktion hat jedoch auch Nachteile. Da die Schraublöcher für den Kamm nicht senkrecht zur Grundplatte ausgerichtet sind, führt dies zu erheblichen Herausforderungen in der Fertigung. Für die Serienproduktion würde dieser Konstruktionswinkel wohl als Erstes verworfen.
Wie wirkt sich die Form des Sockels auf den Klang aus?
Nach meiner Beobachtung wirkt sich die Form des Sockels tatsächlich auf den Klang aus, doch dieser Zusammenhang ist nicht besonders intuitiv. Das Bild zeigt beispielsweise ein Entwicklungsmuster eines Sockels, das während der Entwicklung von Muro Box entstanden ist. Der Pfeil weist auf die Öffnungen in der Zinklegierung. Das dreieckige Loch imitiert die Öffnungen traditioneller Spieluhren. Damals verstanden wir die Klangprinzipien noch nicht; die Öffnung diente daher rein dekorativen Zwecken. Das rechteckige Loch war dagegen für die Steuersignalleitungen des Zylinders vorgesehen.
Das Problem bei dieser Konstruktion besteht darin, dass sich die Schallwellen gegenseitig auslöschen, wenn sie entlang des Umfangs der Öffnung in der Zinklegierung verlaufen und dieser Weg zufällig einem ganzzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge (λ) entspricht. Dadurch kann es klingen, als würden bestimmte Töne „fehlen“. Dies ist ein häufiges Problem in der Instrumentenkonstruktion, das vermieden werden muss.
Nachdem uns dieses Problem aufgefallen war, entschieden wir uns, die dreieckige Öffnung in der endgültigen Ausführung des Zinklegierungssockels zu entfernen. Leider ist die Öffnung für die Signalkabel des Zylinders notwendig und kann nicht entfallen. Durch den dickeren Kupfersockel wird der Klangweg im Inneren jedoch komplexer, sodass diese Öffnung nicht mehr vermieden werden muss.
Fazit: Die Messingbasis der N40-Sublime-Version behält diese dreieckige Öffnung bei, um Raum für die Schwingung des Messinggewichts zu schaffen. Im Gegensatz dazu wurde die dreieckige Öffnung bei den Basen aus Zinklegierung der beiden Standardversionen N20 und N40 entfernt, um die Klangübertragung nicht zu beeinträchtigen.
Fazit
Aufgrund der hohen Entwicklungskosten des Metallsockels werden nach der Bestätigung Designänderungen nicht ohne Weiteres vorgenommen. Daher gibt es weltweit tatsächlich nur sehr wenige Personen, die jemals wirklich Sockel für Spieluhren entworfen haben, und entsprechende Konstruktionsunterlagen sind äußerst rar. An dieser Stelle möchten wir die Probleme darlegen, auf die wir beim Entwurf des Sockels der Muro Box gestoßen sind, damit künftige Konstrukteure schneller bessere Entwürfe erstellen können. Dies darf als ein kleiner Beitrag zur Spieluhr-Community verstanden werden.