1. September 2000 - Article, NZZ 9/2000 “Arbeiten am Wohlklang” (german)

Article published: NZZ 9/2000:

“Working on euphony – Percussion instrument making under scientific auspices” (translated with DeepL):

Sources:

https://panart.ch/files/documents/Zeitungsartikel/NZZ-2000_-Arbeiten-am-Wohlklang-Artikel.pdf

https://web.archive.org/web/20020811150616/http://www.hang.ch/firma/presse.html

German original (scroll down for en):

NZZ 9/2000

Arbeiten am Wohlklang

Schlaginstrumentenbau unter wissenschaftlichen Vorzeichen

Spe. Das Steelpan ist ein Schlaginstrument, das fest in der Tradition und Kultur Trinidads verwurzelt ist. Insofern verwundert es etwas, dass dieses Instrument in der Schweiz Fuss fassen konnte. Allein in der Deutschschweiz gibt es rund 150 Steelbands. Das ist mehr als in jedem anderen Land Europas mit Ausnahme von England, wo das Instrument vor allem von karibischen Einwanderern gespielt wird.

Steelpans werden traditionell aus Ölfässern hergestellt. Sie haben einen hellen, etwas verzerrten Klang, der Spieler wie Zuhörer bei festlichen oder kultischen Anlässen in Ekstase zu versetzen mag. Dieser Klang trifft allerdings nicht überall den Geschmack der Zuhörer. Wer an warme und harmonische Klänge gewohnt ist, empfindet das Steelpan oftmals als zu kalt und schrill. Seit 1993 versucht deshalb die in Bern ansässige Panart Steelpan Manufaktur, dem Blech neue Klangfarben abzugewinnen. Die Instrumentenbauer greifen dabei auf neueste Erkenntnisse aus der Akustik und der Metallurgie zurück. Das Ergebnis der Bemühungen ist ein Perkussionsinstrument mit orchesterreifen Klangeigenschaften.

Der Bau eines Steelpans beginnt üblicherweise damit, den Boden des Ölfasses in eine gewölbte Form zu bringen. In diese konkave Kuppel werden dann mit einem Hammer konvexe Schalen eingestimmt, die je nach Grösse und Form be stimmten Tönen entsprechen. Wegen der minderwertigen Qualität der Eisenbleche ist es um die Klangstabilität eines Steelpans allerdings nicht zum Besten bestellt. Mit der Zeit verstimmt es sich und muss von einem Experten in aufwendiger Arbeit nachgestimmt werden. Selbst Risse bleiben in den dünnen Schalen nicht aus. Am Anfang der Weiterentwicklung dieses Instruments stand deshalb die Suche nach einem besseren Blech.

In den letzten Jahren brachten die Instrumentenbauer aus Bern die verschiedensten Bleche zum Klingen, darunter Bleche von Kuhglocken, Bleche aus Kupfer, Messing und Chromstahl sowie die neuesten Hightechbleche der Stahlindustrie. Das Rennen machte schliesslich ein geschichtetes Stahlblech mit weichem Kern und harter Hülle. Das weiche Ausgangsmaterial wird durch einen maschinellen Prozess, der als Tiefziehen bezeichnet wird, zu einer Kuppel gezogen. Anschliessend wird die Oberfläche des Stahlblechs durch ein Gasnitrierverfahren gehärtet. Bei diesem Verfahren dringen Stickstoffatome eines Ammoniakgases unter einer Hitze von 580 ºC in die Oberfläche des Blechs ein und verbinden sich dort mit dem Eisen zu Eisennitriden. Bis zu welcher Tiefe des Materials sich diese harte Nitridschicht erstreckt, kann über die Dauer des Härtungsprozesses bestimmt werden.

Im Unterschied zu den von Hand gewölbten Ölfässern weist die maschinell hergestellte Rohform eine gleichmässige Dicke, eine höhere Zugfestigkeit und eine höhere Streckgrenze auf. Damit sind die Voraussetzungen für stabile Klangeigenschaften gegeben. Gleichzeitig eröffnen die verbesserten Materialeigenschaften des Blechs neue Möglichkeiten des Stimmens und damit der Klanggestaltung.

Schon zu Beginn des 19. Jahrhunderts hatte sich der deutsche Physiker Ernst Chladni mit der Frage beschäftigt, wie Platten unterschiedlichster Form und Zusammensetzung schwingen, wenn man sie zum Klingen bringt. Indem er Sand auf die Platten streute, konnte Chladni die Knotenlinien der verschiedenen Schwingungsmoden – also der Grundschwingung und der Oberschwin gungen – sichtbar machen. Auf das Steelpan lassen sich diese Erkenntnisse jedoch nicht direkt übertragen. Denn zum einen sind die in die Rohform gehauenen Schalen nicht flach, sondern gekrümmt; zum anderen stehen die Schalen unter Spannung. Mit holographischen und anderen Methoden lassen sich heute aber auch die Schwingungsmoden von solchen nichtlinearen Systemen visualisieren.

Aufbauend auf diesen Untersuchungen experimentierten die Instrumentenbauer aus Bern mit neuen Geometrien für die Klangschalen. Dabei stellten sie fest, dass der Klang eines Tons wärmer wird, wenn man ins Zentrum der relativ flach aufgewölbten Schalen eine Kuppel treibt. Dadurch werden die Schalen in ihrem Zentrum versteift. Diese Versteifung erleichtert es, die Schalen durch gezielte Hammerschläge so zu stimmen, dass der Grundton und die Obertöne in einem harmonischen Verhältnis zueinander stehen. Und auch der Energiefluss ändert sich durch die neue Geometrie. Regt man einen Ton durch einen Schlag auf die Kuppel an, so fliesst die Energie zuerst in den Grundton und von dort in die Obertöne. Daraus resultiert ein warmer Klang. Bei dem Steelpan hingegen fliesst ein Teil der Energie direkt in die Obertöne, was dem Instrument seinen charakteristischen schrillen Klang verleiht.

Ob die Steelbands in der Schweiz diesen neuen Klang zu schätzen wissen, muss sich erst noch zeigen. Zumindest im Mutterland des Steelpans zeigt man jedoch Interesse an der Entwicklung der Schweizer Instrumentenbauer. Zur ersten internationalen Konferenz über die Wissenschaft und die Technologie des Steelpans, die im Oktober auf Trinidad stattfindet, wurden sie jedenfalls eingeladen, ihr Instrument vorzustellen.

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Working on euphony

Percussion instrument making under scientific auspices

Spe. The steelpan is a percussion instrument that is firmly rooted in the tradition and culture of Trinidad. In this respect, it is somewhat surprising that this instrument has been able to gain a foothold in Switzerland. In German-speaking Switzerland alone, there are about 150 steel bands. That is more than in any other country in Europe with the exception of England, where the instrument is played mainly by Caribbean immigrants.

Steelpans are traditionally made from oil drums. They have a bright, somewhat distorted sound that may bring players and listeners alike to ecstasy on festive or ritual occasions. However, this sound does not meet the taste of listeners everywhere. Those who are used to warm and harmonic sounds often find the steelpan too cold and shrill. Since 1993, the Bern-based Panart Steelpan Manufaktur has been trying to find new timbres for the steelpan. The instrument makers draw on the latest findings in acoustics and metallurgy. The result of their efforts is a percussion instrument with orchestra-ready sound characteristics.

The construction of a steelpan usually begins by shaping the bottom of the oil drum into a concave shape. Convex shells are then tuned into this concave dome with a hammer, corresponding to certain tones depending on their size and shape. Due to the inferior quality of the iron sheets, however, the sound stability of a steelpan is not the best. Over time, it becomes out of tune and must be retuned by an expert in time-consuming work. Even cracks cannot be avoided in the thin shells. At the beginning of the further development of this instrument, therefore, was the search for better sheet metal.

In recent years, the instrument makers from Berne have tried out a wide variety of sheet metal, including sheet metal from cowbells, sheet metal made of copper, brass and chrome steel, as well as the latest high-tech sheet metal from the steel industry. In the end, the race was won by a layered steel sheet with a soft core and a hard shell. The soft starting material is drawn into a dome by a mechanical process known as deep drawing. Subsequently, the surface of the steel sheet is hardened by a gas nitriding process. In this process, nitrogen atoms of an ammonia gas penetrate the surface of the sheet under a heat of 580 ºC, where they combine with the iron to form iron nitrides. The depth to which this hard nitride layer extends can be determined by the duration of the hardening process.

In contrast to the hand-cambered oil barrels, the machine-made raw form has a uniform thickness, a higher tensile strength and a higher yield strength. This provides the prerequisites for stable sound properties. At the same time, the improved material properties of sheet metal open up new possibilities for tuning and thus for sound design.

As early as the beginning of the 19th century, the German physicist Ernst Chladni was concerned with the question of how plates of different shapes and compositions vibrate when they are made to sound. By sprinkling sand on the plates, Chladni was able to visualize the nodal lines of the various vibration modes, i.e. the fundamental and the harmonics. However, these findings cannot be directly applied to the steelpan. For one thing, the shells carved into the raw form are not flat but curved; for another, the shells are under tension. Using holographic and other methods, however, it is now possible to visualize the vibration modes of such nonlinear systems.

Based on these investigations, the instrument makers from Bern experimented with new geometries for the singing bowls. They found that the sound of a tone becomes warmer when a dome is driven into the center of the relatively flat bowls. This stiffens the bowls in their center. This stiffening makes it easier to tune the bowls by deliberate hammer blows so that the fundamental and the overtones are in a harmonious relationship to each other. And the flow of energy also changes as a result of the new geometry. If you excite a tone by hitting the dome, the energy flows first into the fundamental and from there into the overtones. This results in a warm sound. With the steelpan, on the other hand, part of the energy flows directly into the overtones, giving the instrument its characteristic shrill sound.

Whether the steelbands in Switzerland will appreciate this new sound remains to be seen. At least in the mother country of the steelpan, however, interest is being shown in the development of the Swiss instrument makers. At any rate, they have been invited to present their instrument at the first international conference on the science and technology of the steelpan, which will be held in Trinidad in October.

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