Die Seele einer Spieluhr – Der Kamm

Die Seele einer Spieluhr – Der Kamm (Schwingplatte)
AKTUALISIERT: 2024/09

Die Seele der Spieluhr liegt im Kamm, da Material, Dicke, Form und Verarbeitungsmethoden die Klangqualität beeinflussen, die bei der Wiedergabe letztlich entsteht.

Dieser Artikel gibt einen tieferen Einblick in den Zusammenhang zwischen den melodischen Eigenschaften von Spieluhren und der Konstruktion des Dämpfers sowie in unseren experimentellen Prozess zur Optimierung der Haltbarkeit und Klangqualität des Kamms. Von der 2018 entwickelten N20-Spieluhr mit zwanzig Tönen bis zur 2023 entwickelten N40-Spieluhr mit vierzig Tönen wurde die Konstruktion des Kamms weiterentwickelt, um den Erwartungen professioneller Musiker und führender Sammler von Spieluhren gerecht zu werden.

Die Eigenschaften und Grenzen einer Spieluhr

Haben Sie sich schon einmal gefragt, warum Spieldosen stets langsame Melodien spielen? Liegt es daran, dass langsame Melodien romantischer klingen, oder einfach an den Grenzen ihrer mechanischen Konstruktion?

Ich denke, der eigentliche Grund liegt darin, dass der Stimmkamm einer Spieldose in seiner mechanischen Konstruktion Grenzen hat: Er eignet sich nicht für schnelle Melodien, bei denen dieselben Töne wiederholt angeschlagen werden, wodurch ein scharfes Klickgeräusch entsteht. Wenn in einer Melodie derselbe Ton häufig angeschlagen werden muss, muss ihr Tempo daher verlangsamt werden, damit sie angenehm klingt.

Im folgenden Video haben wir beispielsweise einen Test durchgeführt, bei dem die Spieluhr fortlaufend denselben Ton anschlägt. Obwohl das Tempo der Melodie im Video nicht hoch ist, sind im Test ohne Dämpfer bereits deutliche Geräusche zu hören, die wir als Dauergeräusch bezeichnen.

Der Zweck des Dämpfers

Das anhaltende Geräusch in der Spieluhr entsteht dadurch, dass der Metallstift des nächsten Tons den schwingenden Kamm berührt und ein metallisch schepperndes Geräusch erzeugt.

Die Funktion des Dämpfers am Kamm besteht darin, als Polster zu wirken und das Geräusch zu verringern, das durch den Aufprall des Stifts auf den schwingenden Kammzahn entsteht.

Bei anderen Musikinstrumenten übernimmt beispielsweise beim Klavier ein eigenes Dämpferpedal eine ähnliche Funktion. Es ist für das Ausklingen eines Tons zuständig und sorgt für einen weichen Klang.

Da eine Spieluhr jedoch kleiner und einfacher gebaut ist, gibt es für ihre Dämpferkonstruktion bislang keine perfekte Lösung. Wenn Sie mehr darüber erfahren möchten, wie ein Dämpfer im Klavier funktioniert, um den nachklingenden Klang zu erhalten, sehen Sie sich bitte dieses Video an:

Die Grenzen des Dämpfers

Warum spielen Spieluhren noch immer langsame Melodien, wenn der Dämpfer das Problem des Klickgeräusches löst? Das liegt daran, dass der Dämpfer das Problem lediglich abmildert. Beispielsweise kann ein Dämpfer den kürzesten Zeitabstand, in dem ein Ton wiederholt werden kann, von 2 Sekunden auf 1 Sekunde verkürzen; für die Anforderungen eines Komponisten reicht dies jedoch noch nicht aus.

Der Dämpfer unterliegt Verschleiß. Der empfindlichste Bestandteil der Spieluhr ist der Dämpfer. Eine Papierstreifen-Spieluhr der Marke Sankyo hat eine offizielle Lebensdauer von 400 Stunden, weil der Dämpfer zu verschleißen beginnt. Sobald dieser Verschleiß einsetzt, lässt die Klangqualität nach.

Das folgende Bild zeigt eine Nahaufnahme des Dämpfers einer Spieluhr der Marke „NICOLE FRÈRES“. Der Metalldraht an der Spitze des Kammes ist der Dämpfer. Auf dem Foto ist zu erkennen, dass viele der Dämpfer beschädigt sind. Die Haltbarkeit stellt bei der Konstruktion von Dämpfern für Spieluhren eine große Herausforderung dar.

Lässt sich das Problem ohne Dämpfer lösen?

Nun, wenn der Dämpfer ein Problem darstellt, gibt es dann andere Lösungen, die stattdessen eingesetzt werden können? Meines Erachtens lautet die Antwort Ja. Wenn beispielsweise die Produktionskosten keine Rolle spielen, sind die größeren und teureren Spieldosen mit einer Doppelscheiben- bzw. Doppelkammkonstruktion ausgestattet; ich denke, diese zielt auf genau das Problem ab, das wir hier erörtern. Um eine Spieldose mit mehreren Kämmen im Einsatz zu sehen, schauen Sie sich bitte das folgende Video an: https://youtu.be/AUmz4GnxuB4

Es liegt nahe anzunehmen, dass eine Verdopplung des Kamms die Lautstärke verdoppeln könne; die tatsächlichen Vorteile reichen jedoch weit darüber hinaus. Nach meinem Verständnis verfolgen mehrere Kämme vor allem zwei Zwecke: aufeinanderfolgende Noten und Sublime Harmony.

Dies steht im Zusammenhang mit aufeinanderfolgenden Noten, da die nachfolgende Note von einem anderen Stift/Kamm gezupft werden kann; dadurch wird vermieden, dass die nachfolgenden Stifte mit dem noch schwingenden Metallzahn kollidieren.

Die Muro Box ist konstruktiv in der Lage, dieses Design zu nutzen; letztlich wurde es jedoch nicht übernommen. Der einfache Grund dafür sind die Kosten. Wir haben in der Tat zahlreiche Kundenanfragen zu dieser Entwicklung erhalten, und sollte sich künftig eine Gelegenheit ergeben, werden wir sie umsetzen. Bleiben Sie gespannt.

Sublime Harmony

Sublime Harmony hingegen soll besondere Klangeffekte verstärken. Die luxuriöse Spieluhr vermittelte das Gefühl einer „Vibration“ der im Raum schwingenden Töne. Das liegt nicht nur an dem hochwertigeren Holzgehäuse, sondern vor allem an der Verwendung zweier Zungen, die nicht exakt auf dieselbe Frequenz gestimmt sind, sondern leicht verstimmt sind.

Genauer gesagt unterscheiden sich zwei Zähne um genau 14 Cent (100 Cent = 1 Halbton). Wenn Sie sich für dieses Thema interessieren, sehen Sie sich bitte das folgende Video an. Unsere N40 Sublime Spieluhr setzt diese Technik bei der Konstruktion des Kamms ein. (Unser Dank gilt Siegfried Pattyn für diesen großartigen Vorschlag. Wenn Sie sich dafür interessieren, warum er uns in Fragen der mechanischen Konstruktion so fachkundig beraten kann, lesen Sie gerneSiegfrieds Geschichte.)

Muro Box verwendet eine kundenspezifische Ausführung des Kamms.

Der in der Muro Box verwendete Kamm basiert tatsächlich auf dem Kamm der 20-Ton-Papierrollen-Spieluhr der Marke Sankyo, die von Kyooh Precision Industry Co., Ltd. hergestellt wird. Wir haben deren Kämme angepasst und für die Spieluhren von Muro Box weiterentwickelt. Die wichtigsten Verbesserungen betreffen zwei Aspekte: den Dämpfer, der das Problem der anhaltenden Anschlagsgeräusche lösen soll, sowie die Messing-Stimmgewichte, die für die N40-Stimmung relevant sind.

Wir haben mehrere Jahre und erheblichen Aufwand in die Entwicklung des Kamms investiert. Dieser Artikel dokumentiert die verschiedenen Entwicklungen rund um diesen kleinen Kamm.

(Hinweis: Dieser Artikel wurde im September 2024 aktualisiert und umfasst Änderungen am Stimmkamm, die im Zuge der Produktentwicklung der N40-Musikboxen vorgenommen wurden.)

Der Entwicklungsprozess des Stimmkamms (der Schwingungsplatte) der Muro Box

Was die Geschwindigkeitsgrenzen bei fortlaufenden Anschlägen in Spieluhren betrifft, haben wir uns in der frühen Entwurfsphase mit Arrangeuren beraten und einen Standard von vier aufeinanderfolgenden Anschlägen pro Sekunde für einen einzelnen Ton festgelegt. Diese Geschwindigkeit reicht zwar nicht aus, um Heavy-Metal-Rock zu spielen, ist für die meisten Pop-Songs jedoch mehr als ausreichend.

Tatsächlich haben wir zahlreiche Anfragen von Kundinnen und Kunden erhalten, die kontinuierlichen Anschläge derselben Töne dahingehend zu ermöglichen, dass mehr als vier Anschläge pro Sekunde erreicht werden. Bereits vier Anschläge pro Sekunde ohne Geräusche zu realisieren, stellt eine erhebliche Herausforderung dar. Anfangs war uns die Schwierigkeit, diesen Standard zu erfüllen, nicht vollständig bewusst; andernfalls hätten wir für die Produktentwicklung eine niedrigere Geschwindigkeitsgrenze festgelegt, damit sie reibungsloser verlaufen wäre.

Es gibt kein Zurück; wir müssen weitergehen. Da das Störgeräusch bei aufeinanderfolgenden Tönen das Hörerlebnis erheblich beeinträchtigt, haben Leute in den Kommentaren unter unserem YouTube-Video gefragt, ob die Spieluhr aufgrund dieses Geräuschs defekt sei.

Der folgende Videoclip zeigt unseren früheren Prototyp der N20-Spieluhr mit einem Stimmkamm von Sankyo, jedoch noch ohne den von uns neu entwickelten Dämpfer, der das Störgeräusch bei aufeinanderfolgenden Tönen reduzieren soll.

Anfangs gingen wir fälschlich davon aus, dass die Ursache des Geräusches in nicht näher bekannten Defekten des Elektromagneten liege, und nahmen an, es werde von selbst verschwinden, nachdem wir die Struktur des Zylinders optimiert hätten. Leider trat das Problem schließlich in der letzten Phase unserer Serienproduktion auf und verzögerte die Auslieferung des Produkts erheblich.

Das war ein schwerer Schlag für unser Team. Wir haben jahrelang daran gearbeitet, einen programmierbaren Zylinder für die Muro Box zu fertigen – und nun müssen wir auch noch den Stimmkamm selbst herstellen? Lässt sich das Problem nicht lösen, müssen wir die maximale Abspielgeschwindigkeit der Melodie reduzieren; dann unterscheidet sich diese Spieluhr nicht von einem Modell, das vor 100 Jahren gebaut wurde. Was sollen wir tun?

Wie Muro Box das Problem löst

Da unsere Schwingplatte ursprünglich auf Basis der Papierstreifen-Spieluhr von Sankyo entwickelt wurde, war uns von Anfang an bewusst, dass die ursprüngliche Dämpferkonstruktion von Sankyo unseren Anforderungen nicht genügte. Zunächst versuchten wir, Form und Dicke des Kunststoffdämpfers geringfügig zu verändern, um seine stoßdämpfende Wirkung zu verbessern. Wir erkannten jedoch schnell, dass dieser Ansatz nicht gangbar war. Hätte sich das Problem durch eine bloße Änderung der Form lösen lassen, so hätte der ursprüngliche Konstrukteur dies bereits umgesetzt.

Anschließend haben wir das Material des Dämpfers noch einmal überdacht. Der ursprüngliche Dämpfer besteht aus PET. Wie wäre es, das Material durch eines mit besserer Schwingungsabsorption zu ersetzen? Die Änderung des Tastenmaterials brachte außerdem mit sich, dass wir Zeit dafür aufwenden mussten, einen neuen Lieferanten zu finden und weitere Muster zu testen.

Mit Unterstützung eines Stanzbetriebs haben wir eine neue Stanzform konstruiert und begonnen, verschiedene Kunststoffe zu testen. PVC, Mylar, PC, PEEK … – wir haben in ihrem Werk alles geprüft und getestet, doch nichts funktionierte. Bruch, Verschleiß, Verformung und schwache Haftung – Probleme aller Art traten auf, mehr, als man sich vorstellen kann. Wir haben alle Möglichkeiten ausgeschöpft, und das Ergebnis ist schlechter als beim ursprünglichen PET. Wir müssen der Weisheit des ursprünglichen Designers vertrauen, dass dieser bereits die beste Lösung gefunden hat. Wir müssen weiterhin PET verwenden.

Der erste große Fehlschlag

Nach endlosem Hin und Her mit Problemen aller Art erreichte die Muro Box endlich ihren ersten offiziellen Versandtermin. (Dabei handelte es sich um unser erstes ZecZec-Crowdfunding in Taiwan im Jahr 2018, vor der Indiegogo-Kampagne von 2020.) Nur wenige Tage später brachte der erste Bericht unseres Kunden die schlechte Nachricht: Der Dämpfer fiel vom Zahn des Stimmkamms ab. Unser UV-Harz (der Klebstoff, mit dem das PET befestigt wird) hält dem erweiterten Betrieb beim Spielen von Musik in der Muro Box nicht stand.

Wir haben den Produktversand unverzüglich gestoppt und die Muro Box wieder auf den Belastungsprüfstand gestellt, um das Qualitätsproblem zu beheben. Unser neuer Standard für den Belastungstest sieht vor, die Muro Box 16 Tage lang täglich 24 Stunden spielen zu lassen. Diese Dauer des Belastungstests wurde von Kyooh vorgeschlagen.

Wir begannen, mit den verschiedensten industriellen Klebstoffen zu experimentieren. Von Sekundenkleber über Epoxidharz bis hin zu UV-Harz testeten wir jede nur erhältliche Klebstoffart. Die Betriebsbedingungen des Dämpfers sind jedoch äußerst anspruchsvoll. Es treten vielfältige extreme Bedingungen auf: winzige Kontaktflächen für den Klebstoff, eine übermäßig lange Schwingungsdauer des Kamms und Reibung durch die Stifte des Zylinders. Die größte Schwierigkeit besteht in der Verbindung der ungleichen Materialien Kunststoff und Metall. Alle Methoden sind gescheitert.

Unser gesamtes Team ist demoralisiert. Es ist wirklich schwer, die endlosen Herausforderungen und Rückschläge in der Produktentwicklung über die Jahre hinweg zu ertragen, und wir hätten nie erwartet, dass uns dieses große Hindernis noch im letzten Moment vor dem Versand nicht loslässt.

Den Metalldämpfer von Grund auf neu entwerfen

Wir hatten bereits mehrere Monate in den Dämpfer investiert. Ausgehend vom ursprünglichen Entwurf des Sankyo-Dämpfers haben wir verschiedene Materialien eingesetzt und dabei leider nach wie vor nicht unseren Qualitätsstandard erreicht. Schließlich wurde uns klar, dass wir unkonventionell denken müssen, um diesen Albtraum zu überwinden. Wir entschieden uns, die bestehende Konstruktion aufzugeben und ein neues Design von Grund auf zu entwickeln.

Da wir die bisherige Dämpferkonstruktion vollständig aufgegeben haben, gibt es keine Referenzunterlagen, an denen wir uns orientieren könnten; uns bleibt nur, zu testen, zu testen und nochmals zu testen. Ich habe mit verschiedensten Materialien verrückte Experimente durchgeführt: Edelstahl, Kohlenstoffstahl, Messing, Kupfer, Bronze, Berylliumkupfer, Titanlegierung und sogar verschiedene Kombinationen galvanischer Beschichtungen. Ich denke oft, dass meine Forschungsausbildung während meiner Promotion vielleicht genau für diesen Moment bestimmt war.

Ich weiß, dass andere mich zunehmend befremdet ansehen; sie verstehen den Zusammenhang zwischen einem kleinen Dämpfer und einer Spieluhr nicht. Sie sehen nur jemanden, der seit sechs Monaten hier sitzt, umgeben von Bergen von Metallschrott und ohne klare Vorstellung davon, was ich zu erreichen versuche.

Unvollkommen, aber genug, um mich voranzubringen

Sechs Monate sind vergangen, und obwohl die Ausschussquote noch immer sehr hoch ist, haben wir endlich eine Kombination aus Dämpfermaterialien und Montageverfahren identifiziert, die es ermöglicht, andauernde Anschlaggeräusche zu beseitigen und dabei eine ausreichende Haltbarkeit zu gewährleisten. Zwar erzeugt der Kamm aus bislang unbekannten Gründen nach wie vor gelegentlich Störgeräusche, doch ist es uns gelungen, fehlerhafte Produkte auszusortieren und damit einen Kompromiss zwischen Qualität und Ausbeute zu erreichen.

Wieder ganz von vorn beginnen

Die Zeit führt uns zurück an den Anfang des Jahres 2024. Als wir während der Entwicklung des N40 Anpassungen am Stimmkamm vornahmen, sahen wir uns unerwartet mit einem erneuten Auftreten von Problemen mit dem Dämpfer konfrontiert. Zuvor konnten wir die hohe Fehlerquote durch selektive Sortierung beheben; nun jedoch veränderte die neue Ausführung der Messing-Stimmgewichte beim Modell N40 die Gewichtsverteilung. Da eine Spieluhr des Modells N40 Standard zwei Stimmkämme und eine des Modells N40 Sublime vier Stimmkämme enthält, stieg die Gesamtfehlerquote bei der Montage deutlich an, sodass Nacharbeit keine Lösung mehr darstellte.

Die eigentliche Ursache des Problems war unser mangelndes Verständnis für die Konstruktion des Stimmkamms. Erst durch jahrelanges Kundenfeedback begannen wir zu begreifen, wie guter Klang beschaffen sein sollte; dieses Verständnis wurde uns erst zuteil, nachdem die N40-Musikboxen an eine kleine Gruppe von Unterstützern ausgeliefert worden waren. Da der Verkaufspreis der N40 keine Kompromisse bei der Klangqualität zuließ, gerieten wir in eine missliche Lage: Die Qualität der Klangplatten war minderwertig, die Nacharbeit nahm kein Ende, und wir konnten keine Produkte ausliefern.

Die Konstruktion des Dämpfers neu betrachtet

Aus Verzweiflung kehrte ich an die vorderste Front der Produktion zurück. Drei Monate lang montierte und demontierte ich die Dämpfer unablässig, in der Hoffnung, dem Muster hinter dem Geräusch auf die Spur zu kommen.

Wir konnten uns das Problem nicht erklären: Warum erzeugte ausgerechnet dieser Kamm ein Geräusch, obwohl er mit den anderen identisch zu sein schien? Uns blieb nichts anderes übrig, als den Montagevorgang zu wiederholen und zu hoffen, verborgene Hinweise auf die Ursache des Geräusches zu finden.
Die Unfähigkeit, Produkte zeitnah auszuliefern, hatte ein solches Ausmaß angenommen, dass sie demoralisierend wirkte. Die Mitarbeitenden hatten eine unausgesprochene Übereinkunft entwickelt, Lieferprobleme nicht anzusprechen. Sie wussten, dass ich mehrere Nächte im Büro geschlafen und nicht nach Hause gegangen war, und wollten mich nicht zusätzlich unter Druck setzen.

Obwohl wir das Problem nicht lösen konnten, erwog ich, unsere Standards zu senken, um sie früher auszuliefern, da die meisten Menschen in Blindtests das Geräuschproblem nicht wahrnehmen konnten. Solange wir es nicht erwähnten, bestand eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass keine Probleme auftreten würden. Zu meiner Überraschung zeigten die Mitarbeiter unserer Qualitätskontrolle Rückgrat und verweigerten uns die Freigabe für die Auslieferung; ihr Beharren amüsierte und verärgerte mich zugleich. So blieb mir nichts anderes übrig, als weiter nach neuen Lösungen zu suchen.

Erläuterung der Dämpferprobleme

Bei der Dämpferproblematik stehen wir vor einem Dilemma: Einerseits möchten wir die Stoßdämpfung verstärken, andererseits kann der Dämpfer selbst auch Geräusche verursachen. Umgekehrt ist die Stoßdämpfung nicht ausreichend stark, wenn die vom Dämpfer erzeugten Geräusche verringert werden sollen.

Unsere Konstruktion verwendet eine Metallfeder als Puffer für den Kontakt zwischen dem Kamm und den anschlagenden flexiblen Stiften, wobei das Ausmaß der „Stoßdämpfungsfähigkeit“ von der Größe der vorderen Öffnung abhängt. Eine größere Öffnung ermöglicht eine stärkere Verformung der Feder, wodurch sie mehr Stoßkraft aufnimmt. Ist die Öffnung jedoch zu groß, lässt sich die relative Position von Feder und vorderem Ende des Kamms nur schwer kontrollieren, was zu Geräuschen führen kann.

Einfach ausgedrückt: Steht der Dämpfer zu weit hervor, wird der Kamm zu weit ausgelenkt, wodurch der Klang lauter wird. Dieses Problem ist vergleichsweise geringfügig, da der Klang lediglich lauter wird und nicht das Niveau eines Störgeräusches erreicht. Ist die Position hingegen zu flach, trifft der Anschlagstift zunächst auf den Dämpfer und schlägt, nachdem er sich von ihm gelöst hat, ein zweites Mal auf den Kamm; dadurch entsteht ein deutlich hörbares, nicht akzeptables Störgeräusch.

All dies spielt sich in einem Bereich von 0,1 mm am vorderen Ende des Kamms ab, und selbst ein geringes Maß an Störgeräuschen sollte nicht unterschätzt werden. Das menschliche Ohr ist deutlich empfindlicher als das Auge, und dieser Abstand von 0,1 mm ist mit Sicherheit wahrnehmbar.

Bisherige Lösungsversuche

Wir haben lange damit gerungen, wie sich die Position des Dämpfers exakt auf den optimalen Punkt einstellen lässt. Jeder N40 Sublime verfügt über 44 Dämpfer, einen für jeden der 44 Töne. Selbst wenn die Fehlerrate für einen einzelnen Ton nur bei 1 von 10 liegt, beträgt die Wahrscheinlichkeit, alle Dämpfer in einem einzigen Durchgang korrekt zu montieren, nur (9/10)^44 = 0,00969. Das entspricht einer Erfolgswahrscheinlichkeit von weniger als 1 %. Dieser Wert ist außerordentlich niedrig und hat uns in einen Kreislauf endloser Nacharbeit geführt; darin bestand unsere bisherige missliche Lage.

Hinweis: Das Modell N40 Sublime verwendet vier Sätze zu je 20 Tönen, insgesamt 80 Stimmgabeln. Jede Stimmgabel bietet nur in der tieferen Oktave Platz für Dämpfer; dort lassen sich Dämpfer für 11 Töne montieren. In der höheren Oktave werden daher keine Dämpfer eingebaut, sodass jedes Modell N40 Sublime insgesamt 44 Dämpfer aufweist.

Die endgültige Lösung für den Dämpfer

Der Schlüssel liegt darin, die bisherige Fixierung auf die Positionierung aufzugeben. Da wir bei der Kontrolle der Position an die Grenzen gestoßen sind, beschlossen wir, diesen Ansatz zu verwerfen. Stattdessen konzentrierten wir uns auf eine andere Ursache des Geräusches: die beiden Anschlaggeräusche.

Wenn es sich bei dem Problem um den doppelten Anschlag handelt, müssen wir lediglich einen Weg finden, daraus einen einzigen Anschlag zu machen. Indem wir die Form des Dämpfers ändern, können wir sicherstellen, dass er den Tonkamm ‚nicht‘ erneut treffen kann.

Vereinfacht gesagt haben wir das vordere Ende des Dämpfers angehoben, sodass es das vordere Ende der Schwingplatte „umschließt“. Auf diese Weise kann die Schwingplatte nicht mit dem Schlagstift in Berührung kommen; die Berührung erfolgt stets über den Dämpfer.

Der Prozess der Lösungsfindung

Es mag logisch erscheinen, dass wir ausgehend von den Problemen, mit denen wir konfrontiert waren, Schritt für Schritt zu dieser Lösung gelangt sind. Das war jedoch nicht der Fall; diese Lösung wurde durch Zufall entdeckt.

Tatsächlich erlebten wir wiederholte Fehlschläge und endlose Nacharbeit, wodurch das Produktionsteam an den Rand des Zusammenbruchs geriet. Zu diesem Zeitpunkt schlug Herr Wang vom Metallstanzunternehmen Airwise vor, dass wir das Problem grundlegend angehen müssten. Daraufhin begannen wir, die Form des Dämpfers zu modifizieren, um neue Tests durchzuführen. Das erste Design, das wir testeten, war – wie in der untenstehenden Abbildung dargestellt – der Konstruktion mit gebogenem Stahldraht klassischer Spieluhren nachempfunden. Dieses Design scheiterte daran, dass der Dämpfer nach dem Aufprall nachschwang und Geräusche erzeugte, und dass man sich allein auf das MetallDie Dämpfungswirkung des Stücks war unzureichend.

Nachdem ich das Scheitern des Tests gemeldet hatte, erkannte ich, dass unser ursprünglicher Entwurf dem Erfolg tatsächlich näher stand. Ich schlug eine Lösung vor, bei der das vordere Ende auf Grundlage des ursprünglichen Entwurfs um einen kleinen Winkel gebogen wird, sodass der Anschlagstift entlang des Dämpfers bis zur Schwingplatte „sanft gleiten“ kann und dadurch das Geräusch des zweiten Aufpralls verringert wird.

Doch zu meiner Überraschung missverstand Herr Wang (Inhaber und CTO von Airewise Ltd., einem Metallpresswerk) meine Beschreibung und bog das Bauteil in die entgegengesetzte Richtung, sodass ein nahezu vertikaler Winkel entstand und der Anschlagstift direkt auf die Schwingplatte traf. Wie erwartet fielen die Ergebnisse schlechter aus als zuvor; das Aufprallgeräusch übertönte die Musik nahezu, sodass sie völlig unhörbar war.

Dieser Test erforderte eine erhebliche Investition in den Formenbau, und das Ergebnis ließ mich fassungslos zurück. Ein einzelner Fehlschlag durfte den Prozess nicht einfach beenden – ich musste Herrn Wang eine Erklärung liefern. Entschlossen, eine Lösung zu finden, nahm ich das neue Muster zur Hand und überlegte, ob es noch andere Wege gab, das Dilemma zu überwinden. Schließlich erinnerte ich mich an einen Grundsatz, der sich auf unserem Weg immer wieder bestätigt hatte: „Lösungen verbergen sich oft in unmöglichen Methoden.“ Da wir die seltsame Form des Dämpfers nicht ändern können, warum ihn nicht einfach ein wenig verlängern?Etwas mehr, um die Schwingungsplatte vollständig zu umfassen?

Zu meiner Überraschung eröffnete dieser falsche Biegewinkel eine völlig andere Denkweise. Letztlich wurde die Lösung, den Dämpfer die Schwingungsplatte umschließen zu lassen, zufällig entdeckt; sie ging aus dem gescheiterten Entwurf hervor.

Designänderungen an der Vibrationsplatte des neuen N40-Modells

Die konstruktiven Änderungen am Kamm des N40 betreffen hauptsächlich zwei Aspekte: die Auswahl der Tonleitern und das Anbringen von Messinggewichten.

Bei der Auswahl der Tonleitern haben wir nicht kontinuierliche Tonleitern gewählt, damit traditionelle Musikboxen für 30-Ton-Papierstreifen direkt mit dem N40 verwendet werden können. Zusätzlich haben wir Gewichte an den Kammzähnen angebracht, um den Bassklang zu verbessern.

Der größte Unterschied zwischen der N40 Sublime und der N40 Standard besteht darin, dass beide über 40 Tonstufen verfügen, die Sublime jedoch über 80; dadurch entsteht beim Spielen ein erhabener Klangeffekt. Welches Prinzip steckt dahinter?

Im Folgenden legen wir den Entwicklungsprozess der speziellen Konstruktion der Schwingungsplatte des N40 offen.

Hören Sie den einzigartigen Effekt „Sublime Harmony“ in mechanischen Spieluhren.

Im folgenden Video wird dieselbe Melodie „My Grandfather’s Clock“ auf drei verschiedenen Modellen der Muro Box gespielt.

0:00 N40 Sublime
1:07 N40 Standard
2:15 N20 Standard

Weitere Einzelheiten zu den Unterschieden zwischen den drei Modellen finden Sie unter „Welche Spieluhr passt zu mir?“.

Sollte für den N40 ein neuer Kamm (Schwingungsplatte) entwickelt werden?

Zunächst möchten wir Herrn Siegfried Pattyn dafür danken, dass er uns das Konzept der „Sublime Harmony“ vorgestellt hat. Vereinfacht gesagt besteht das Prinzip von Sublime Harmony darin, zwei Kammzähne mit leicht versetzten Frequenzen anzupfen. Da sich Schallwellen aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften addieren und gegenseitig auslöschen, schwankt die Lautstärke der Obertöne je nach Frequenzdifferenz, wodurch die Illusion eines Klangs entsteht, der zu vibrieren scheint.

Als wir erstmals davon hörten, waren wir tatsächlich ziemlich verwirrt und verstanden nicht, wie es funktionierte, insbesondere nicht, warum eine Abweichung von −14 Cent einen vibrierenden Klang erzeugen sollte. Daher behielten wir dieses Konzept zunächst im Hinterkopf, ohne es umzusetzen.

Der ursprüngliche Plan für den N40 sah vor, Kyooh Precision Industry Co., Ltd. mit der Entwicklung eines neuen, 12 Zentimeter langen Kamms zu beauftragen, der 40 verschiedene Tonhöhen abdecken sollte. Selbstverständlich hätte auch der Zylinder neu entwickelt werden müssen.

Nach sorgfältiger Überlegung wurde uns jedoch plötzlich bewusst, dass das aktuelle Design des N20-Zylinders den vorhandenen Stimmkamm und Zylindermechanismus direkt nutzen könnte, indem zwei Schwingplatten umgekehrt eingebaut werden, um so die Konfiguration für Sublime Harmony zu erreichen. Diese Erkenntnis zeigte, dass ein 12-Zentimeter-Stimmkamm nicht neu entwickelt werden musste.

Wird eine Weiterentwicklung des Kamms (Schwingplatte) zu einer besseren Klangqualität führen?

Welche Klangunterschiede ergeben sich aus der Länge der Schwingplatte? Wäre eine 12 cm lange Schwingplatte besser als zwei 6 cm lange Schwingplatten? Meine Schlussfolgerung ist, dass die Gesamtbreite des Kamms selbst nicht der entscheidende Faktor für den Klang ist; entscheidend für die Klangeigenschaften ist vielmehr die Form der Zähne jedes einzelnen Tons.

Der in der Muro Box verwendete Kamm stammt aus den 20-Ton-Papierstreifen-Spieldosen von Sankyo. Dadurch erhält die Muro Box einen vergleichsweise dichten Klangcharakter:

1. Der Kammzahn ist breiter ausgeführt (3 mm), damit seine Breite der Lochbreite des Lochpapiers entspricht.
2. Die ursprüngliche Konstruktion sah keine zusätzlichen Gewichte vor; daher sind die Kammzähne bewusst dicker gestaltet, um ihr Eigengewicht zu erhöhen, während die Wurzelbereiche dünner ausgeführt sind.

Hochwertige Spieluhren der Marke Sankyo mit mehr Tönen unterliegen jedoch nicht diesen Einschränkungen; daher sind ihre Kammzähne üblicherweise schmaler und ihre Basen dicker, was einen durchdringenderen Klangcharakter zur Folge hat.

Nachdem ich die Prinzipien der Klangeigenschaften des Kamms endlich verstanden hatte, bestand ich nicht mehr darauf, eine 12 cm lange Schwingungsplatte mit 40 Tönen neu zu entwickeln. Aufgrund unserer strukturellen Einschränkungen ist der Abstand der einzelnen Töne zueinander auf 3 mm festgelegt und lässt sich nicht ändern; zudem können wir derzeit keine Gewichte am Kamm verwenden. Daher wird sich die Dicke der Zähne nicht wesentlich verändern. Solange diese beiden Punkte unverändert bleiben, wird die Klangwirkung zweier kürzerer Kämme der eines einzelnen längeren Kamms ähnlich sein.

Endgültige Entscheidung: Die Mehrkamm-Lösung

Da Spieluhren mit mehreren Kämmen selten sind, galt unsere erste Überlegung der Frage, warum bestehende Spieluhrmodelle diese Bauweise nicht übernehmen.
Konfigurationen mit mehreren Kämmen sind tatsächlich recht verbreitet, doch wegen des höheren Stückpreises sind sie in geringerer Stückzahl im Umlauf und daher auf dem Markt weniger sichtbar. Die untenstehende Abbildung zeigt beispielsweise eine Spieluhr, die im Modern Music Box Museum in Taichung ausgestellt ist. Sie besteht aus zwei Einheiten mit jeweils 50 Tönen und ergibt so eine Spieluhr mit 100 Tönen. Diese Ausführung ist eindeutig für Sublime Harmony konzipiert. Der Preis für diese Spieluhr beträgt 110.000 NT$ (rund 3.419 US-Dollar).
Nach Abwägung der Entwicklungsherausforderungen und -risiken haben wir entschieden, die vorhandene Schwingplatte der N20-Spieluhr als Ausgangspunkt zu nehmen und das neue Modell N40 zu konzipieren, bei dem Sublime Harmony im Mittelpunkt steht.

Das Tonleiterkonzept des N40 Standard: diskontinuierlich von F3 bis C7

Während der Designphase haben wir verschiedene Tonleiteroptionen vorgeschlagen, wie in der untenstehenden Abbildung dargestellt, die den Kunden zur Abstimmung vorgelegt wurde.

Ursprünglich hatten wir erwogen, Muro Box-N40(0) für die Tonleiterauswahl zu verwenden. Nachdem wir jedoch berücksichtigt hatten, dass bestehende Stücke für Spieluhren mit 30 Tönen unterstützt werden müssen (wobei Music Box Maniacs die größte Bibliothek für Spieluhrmelodien ist), haben wir unseren Plan schließlich auf Muro Box-N40(1) umgestellt.

Die Tonleiter weist einen durchgehenden Tonumfang von D4 bis C7 auf und umfasst alle Ganz- und Halbtonschritte; der Bassbereich von F3 bis C4 ist dagegen nicht durchgehend und lässt bestimmte Halbtonschritte aus.

Dank ihres großen Halbtonumfangs kann die 40-Ton-Spieluhr vollständige Stücke genauer wiedergeben und bietet mehr Möglichkeiten für eigene Kompositionen. Die Verwendung von Melodien und Harmonien erweitert die nutzbaren Töne. Die 40 Töne unterliegen jedoch weiterhin Einschränkungen; deshalb haben wir C-Dur und a-Moll als die beiden Tonarten gewählt, die sich für Arrangements für die Spieluhr am besten eignen. Diese beiden Tonarten werden in der einfachen Notenschrift am häufigsten verwendet und sind zugleich am anfängerfreundlichsten.

Selbstverständlich können Sie mit der 40-Ton-Spieluhr weiterhin Stücke in anderen Tonarten erstellen. Töne, die im Bassbereich nicht verfügbar sind, finden sich in anderen Oktaven.

Die 40 Töne auf den Kämmen einer N40-Spieluhr sind in einem alternierenden Muster angeordnet und nicht in fortlaufender Reihenfolge.

Wussten Sie, dass die zwei Kämme des N40 Standard oder die vier Kämme des Sublime ineinandergreifend angeordnet sind? Auf der linken Seite beginnt die Anordnung mit dem tiefen Fa; die nächste Note – das tiefe Sol – liegt auf dem Kamm auf der rechten Seite, und so weiter. Die 40 Töne des N40 sind ineinandergreifend angeordnet und nicht – wie bei herkömmlichen Tasteninstrumenten – der Reihe nach.

Diese Anordnung ist keine zwingende Vorgabe, sondern die für die Stimmung am besten geeignete Methode und damit die optimale Anordnung für die Fertigung.

Bitte sehen Sie sich die folgende Animation an, die die „verschränkte Tonleiteranordnung“ veranschaulicht:

Note	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	24	26	28	30	32	34	36	38	40
Note Name	G2	B2	D3	E3	F#3	G#3	A#3	C4	D4	E4	F#4	G#4	A#4	C5	D5	E5	F#5	G#5	A#5	C6
Original Frequency	196.0	247.0	293.7	329.6	370.0	415.3	466.2	523.3	587.3	659.3	740.0	830.6	932.3	1046.5	1174.7	1318.5	1480.0	1661.2	1864.7	2093.0
-14 cent Frequency	194.4	245.0	291.3	326.9	367.0	412.0	462.4	519.1	582.6	654.0	734.0	823.9	924.8	1038.1	1165.2	1307.9	1468.1	1647.8	1849.7	2076.1

Note	1	3	5	7	9	11	13	15	17	19	21	23	25	27	29	31	33	35	37	39
Note Name	F2	A2	C3	D#3	F3	G3	A3	B3	C#4	D#4	F4	G4	A4	B4	C#5	D#5	F5	G5	A5	B5
Original Frequency	174.6	220.0	261.6	311.1	349.2	392.0	440.0	493.9	554.4	622.3	698.5	784.0	880.0	987.8	1108.7	1244.5	1396.9	1568.0	1760.0	1975.5
-14 cent Frequency	173.2	218.2	259.5	308.6	346.4	388.8	436.5	489.9	549.9	617.3	692.9	777.7	872.9	979.8	1099.8	1234.5	1385.6	1555.4	1745.8	1959.6

Entwicklungsdetails zu den Messinggewichten

Da die Zähne des Kamms bei den tieferen Tönen des N40 nicht über ausreichend Masse verfügen, würden sie bei einer direkten Stimmung ohne zusätzliche Gewichte zu dünne Zahnwurzeln erhalten; dies hätte eine unzureichende Festigkeit und eine erhöhte Verformungsanfälligkeit zur Folge. Zudem wäre der Bassklang schwächer. Daher beabsichtigen wir, an den beiden tiefsten Tönen des Kamms Stimmgewichte aus Messing anzubringen.

Dieses Vorgehen wirft zwei Fragen auf:

(1) Warum Messing?
(2) Wie werden die Gewichte an den Zähnen befestigt?

Der Hauptgrund für die Verwendung von Messing besteht darin, dass Blei verboten ist.

Der Grund für die Verwendung von Messing ist, dass keine bleihaltigen Verfahren eingesetzt werden können; daher kann Blei nicht verwendet werden. Messing wird häufig verwendet, da es ein dichteres, gut verfügbares Material mit stabilen Verarbeitungseigenschaften ist. Der Verzicht auf Blei wirkt sich jedoch auf die Befestigungsmethode aus. Traditionell werden die Gewichte entweder mit Epoxidklebstoff oder durch Löten mit den Kammzähnen verbunden.

Das Klebeverfahren können wir nicht akzeptieren, da es lediglich eine vorübergehende Befestigung und keine stabile Lösung für die Serienfertigung darstellt.

Auch herkömmliche Lötverfahren können wir nicht einsetzen. Der Grund dafür ist, dass die Zähne einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um ihre Härte zu erhöhen; übermäßige Erwärmung kann zum Glühen führen, wodurch das Material erweicht und der Klang beeinträchtigt wird. Der herkömmliche Einsatz von Blei ist möglich, weil sein Schmelzpunkt (327 °C) unter der Glühtemperatur der Zähne (400 °C) liegt. Solange die Temperatur kontrolliert wird, kann mit halbgeschmolzenem Blei gelötet werden, ohne dass es zu einem Glühen der Zähne kommt. Messing hingegen hat einen Schmelzpunkt von über 900 °C, weshalb es nicht möglich ist, die Kupferstücke unterhalb derGlühtemperatur. Darüber hinaus weist eine ausschließlich mit Zinnlot gesicherte Verbindung keine ausreichende Festigkeit auf; die Verbindungsstellen halten wiederholten Schwingungen nicht stand und können sich lösen.

Um dies zu erreichen, haben wir ein neues Verfahren zur Befestigung des Messinggewichts mittels einer Zapfenverbindung vorgeschlagen. Dabei wird an den vorderen Enden der Kammzähne ein Loch gebohrt, sodass das Messing eingeführt und direkt an den Zähnen arretiert werden kann.

Epilog

Wir haben das Glück, von vielen Menschen Ermutigung und Unterstützung sowie die unermüdliche Unterstützung unserer wichtigsten Zulieferer zu erhalten. Wir haben das Herstellungsverfahren und das Material des Dämpfers neu definiert, sodass er leistungsfähiger ist als die bisherige Ausführung. Für die neue Dämpferkonstruktion besitzen wir Patente in der Republik China (Taiwan) (M594783) und in China (202020038579.1).

Obwohl hier nur ein Teil des Entwicklungsprozesses des Dämpfers dokumentiert ist, sind wir überzeugt, dass Sie nachvollziehen können, wie viel Aufwand erforderlich ist, um einen guten Dämpfer zu konstruieren, der die Störgeräusche bei aufeinanderfolgenden Tönen beseitigt.

Aus diesem Grund ist die Muro Box ein derart kostbarer Besitz. Sie ist ein Geschenk, das dem unermüdlichen Einsatz so vieler Menschen zu verdanken ist, und erwacht erst zum Leben, nachdem unzählige Wunder geschehen sind.