Obertöne einfach erklärt – warum Instrumente unterschiedlich klingen

Professor Pegel und das geheimnisvolle zweite Konzert. Professor Pegel saß entspannt vor seinem Mischpult, als sein Assistent plötzlich mit großen Augen hereinstürmte. „Professor! Ich habe gerade etwas Merkwürdiges entdeckt!“ Professor Pegel blickte neugierig auf. „Dann erzähl mal.“ „Ich habe auf dem Synthesizer nur einen einzigen Ton gespielt. Trotzdem zeigt mein Spektrumanalysator plötzlich ganz viele weitere Frequenzen an.“

Professor Pegel lächelte. „Sehr gut beobachtet.“ „Aber ich habe doch nur einen Ton gespielt!“ Professor Pegel nickte. „Genau das glauben fast alle.“ Er öffnete den Spektrumanalysator und spielte erneut dieselbe Note. Sofort erschienen zahlreiche schmale Linien oberhalb der eigentlichen Grundfrequenz.

Der Assistent runzelte die Stirn. „Wo kommen die denn alle her?“ Professor Pegel grinste. „Willkommen in der faszinierenden Welt der Obertöne. Jeder Ton veranstaltet heimlich ein kleines Konzert – und der Grundton ist dabei nur der Dirigent.„

Was sind Obertöne überhaupt?

Wenn ein Instrument einen Ton erzeugt, entsteht fast nie nur eine einzige Frequenz. Tatsächlich erklingt gleichzeitig eine ganze Familie weiterer Frequenzen. Die tiefste Frequenz nennt man Grundton. Alle darüberliegenden Frequenzen bezeichnet man als Obertöne. Gemeinsam bilden sie das sogenannte Frequenzspektrum eines Klanges.

Genau dieses Spektrum entscheidet darüber, wie ein Instrument klingt. Denn obwohl ein Klavier, eine Trompete und eine Gitarre denselben Grundton spielen können, besitzt jedes Instrument ein völlig anderes Obertonspektrum. Unser Gehör erkennt deshalb sofort den Unterschied.

Der Grundton ist nur der Anfang

Professor Pegel zeichnete eine große Linie auf das Whiteboard. „Stell dir den Grundton wie den Stamm eines Baumes vor.“ Dann ergänzte er zahlreiche Äste. „Die Obertöne sind seine Äste.“ Er spielte ein tiefes A mit einer Frequenz von 110 Hertz. „Das ist unser Grundton.“ Anschließend zeigte der Spektrumanalysator weitere Spitzen.

• 220 Hertz.
• 330 Hertz.
• 440 Hertz.
• 550 Hertz.
• 660 Hertz.

„Das sind bereits die ersten Obertöne.“ Der Assistent staunte. „Also spielt das Instrument tatsächlich mehrere Frequenzen gleichzeitig?“ „Ganz genau.„

Warum entstehen Obertöne?

Der Grund liegt in der Physik schwingender Körper. Eine Gitarrensaite schwingt beispielsweise nicht nur über ihre gesamte Länge. Gleichzeitig entstehen zahlreiche kleinere Teilschwingungen. Dasselbe gilt für Klaviersaiten. Oder für Luftsäulen in einer Flöte. Oder für eine Trompetenröhre. Und sogar für die menschlichen Stimmbänder.

Alle diese Schwingungen erzeugen zusätzliche Frequenzen. Je nach Instrument unterscheiden sich Anzahl und Stärke dieser Obertöne erheblich. Genau dadurch erhält jedes Instrument seinen charakteristischen Klang.

Warum klingt eine Flöte anders als eine Geige?

Professor Pegel spielte dieselbe Note zunächst auf einem virtuellen Klavier und anschließend auf einer Flöte. „Beide Instrumente spielen exakt dieselbe Tonhöhe.“ Der Assistent nickte. „Aber sie klingen völlig unterschiedlich.“ „Richtig.“ Der Grundton ist nahezu identisch.

Das Obertonspektrum dagegen unterscheidet sich deutlich. Eine Flöte besitzt vergleichsweise wenige starke Obertöne. Deshalb wirkt ihr Klang weich und rund. Eine Geige erzeugt wesentlich mehr hochfrequente Obertöne. Dadurch klingt sie brillanter und durchsetzungsfähiger. Unser Gehirn nutzt genau diese Unterschiede, um Instrumente voneinander zu unterscheiden.

Die Klangfarbe entsteht durch Obertöne

In der Akustik spricht man hierbei von der Klangfarbe oder dem Timbre. Sie beschreibt den individuellen Charakter eines Klanges. Ohne Obertöne würden nahezu alle Instrumente gleich klingen. Eine reine Sinuswelle enthält etwa ausschließlich den Grundton. Sie klingt deshalb sehr sauber, aber auch erstaunlich langweilig. Erst die zusätzlichen Obertöne verleihen einem Instrument Leben, Wärme und Persönlichkeit.

Harmonische Obertöne

Die meisten Musikinstrumente erzeugen sogenannte harmonische Obertöne. Dabei handelt es sich um Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache des Grundtons darstellen. Spielt eine Saite einen Grundton von 100 Hertz, entstehen zusätzlich häufig Frequenzen bei 200, 300, 400 oder 500 Hertz. Diese harmonischen Beziehungen empfindet unser Gehör als besonders angenehm. Deshalb klingen natürliche Instrumente meist ausgewogen und musikalisch.

Nicht alle Obertöne sind gleich laut

Professor Pegel zeigte auf den Spektrumanalysator. „Siehst du diese unterschiedlich hohen Balken?“ Der Assistent nickte. „Manche Obertöne sind viel stärker als andere.“ „Genau.“ Jedes Instrument besitzt seine ganz persönliche Verteilung der Obertonstärken. Diese Verteilung nennt man Spektralverlauf. Selbst zwei Gitarren desselben Herstellers können sich darin leicht unterscheiden. Holzart, Bauweise, Saitenmaterial, Anschlag und Spieltechnik beeinflussen das Obertonspektrum ständig. Deshalb klingt kein Instrument exakt wie ein anderes.

Obertöne bestimmen auch unsere Stimme

Nicht nur Instrumente besitzen Obertöne. Auch jede menschliche Stimme erzeugt ein komplexes Obertonspektrum. Der eigentliche Grundton entsteht an den Stimmbändern. Erst Mundhöhle, Zunge, Lippen, Rachen und Nasenraum formen daraus den individuellen Klang einer Stimme. Genau deshalb erkennt man vertraute Personen oft bereits nach wenigen gesprochenen Worten. Die Tonhöhe allein genügt dafür nämlich nicht. Entscheidend ist die einzigartige Verteilung ihrer Obertöne.

Warum interessieren sich Produzenten für Obertöne?

Hier wird das Thema für die Musikproduktion besonders spannend. Nahezu jeder Equalizer, jede Bandsättigung, jeder Exciter, jede Röhrenschaltung und jede Distortion verändert das Obertonspektrum eines Signals. Manchmal geschieht dies nur sehr subtil. Manchmal entstehen Hunderte neuer Obertöne.

Genau deshalb sprechen Produzenten häufig von Begriffen wie:

• „wärmer“
• „brillanter“
• „fetter“
• „griffiger“
• „präsenter“

In Wirklichkeit beschreiben all diese Begriffe lediglich Veränderungen im Obertonspektrum. Professor Pegel lehnte sich zufrieden zurück. „Jetzt weißt du, warum ein einzelner Ton niemals wirklich allein ist.“ Der Assistent grinste. „Eigentlich spielt also immer ein ganzes Orchester mit.“ Professor Pegel nickte. „Ganz genau.„

„Und was passiert, wenn wir diese Obertöne absichtlich verändern?“ Professor Pegel lächelte. „Dann kommen wir zu Equalizern, Distortion, Excitern, Synthesizern und sogar zur Raumakustik.“ Er klappte den Laptop zu. „Aber darum kümmern wir uns jetzt.„

Was passiert, wenn wir Obertöne verändern?

Professor Pegel öffnete ein neues Projekt in seiner DAW und spielte denselben Klavierton zweimal hintereinander ab. „Klingt identisch„, sagte der Assistent. Professor Pegel aktivierte einen Exciter. Der Ton wirkte plötzlich deutlich brillanter. Anschließend schaltete er den Exciter wieder aus und fügte stattdessen eine leichte Bandsättigung hinzu. Jetzt klang derselbe Ton wärmer und voller.

Der Assistent schaute verwundert auf den Bildschirm. „Aber der Grundton ist doch immer derselbe geblieben.“ Professor Pegel nickte zufrieden. „Ganz genau. Wir haben lediglich die Obertöne verändert.“ Genau hier beginnt ein großer Teil moderner Klanggestaltung.

Equalizer und Obertöne

Ein Equalizer verändert keine neuen Frequenzen. Er verstärkt oder reduziert lediglich bereits vorhandene Frequenzanteile. Dadurch verändert sich automatisch auch das Verhältnis zwischen Grundton und Obertönen. Hebt man etwa den Bereich oberhalb von etwa 5 kHz an, treten viele hochfrequente Obertöne stärker hervor.

Das Ergebnis wirkt oft luftiger, brillanter oder präsenter. Werden dagegen die Mitten abgesenkt oder tiefe Obertöne verstärkt, verändert sich die Klangfarbe ebenfalls – obwohl der eigentliche Grundton unverändert bleibt. Daher gehören Equalizer zu den wichtigsten Werkzeugen bei der Bearbeitung von Obertönen.

Exciter – neue Obertöne auf Knopfdruck

„Und was macht eigentlich ein Exciter?„, fragte der Assistent. Professor Pegel grinste. „Er ist so etwas wie ein Oberton-Erfinder.“ Im Gegensatz zum Equalizer hebt ein Exciter vorhandene Frequenzen nicht einfach nur an. Er erzeugt durch gezielte harmonische Verzerrungen zusätzliche Obertöne. Dadurch wirken Stimmen verständlicher, Gitarren lebendiger oder Schlagzeuge brillanter.

Gerade bei älteren oder etwas dumpf klingenden Aufnahmen kann ein Exciter erstaunliche Verbesserungen erzielen. Allerdings gilt auch hier: Weniger ist meist mehr. Zu viele künstliche Obertöne lassen einen Mix schnell scharf oder anstrengend wirken.

Distortion und Saturation

Wie bereits im vorherigen Professor-Pegel-Artikel beschrieben, gehören Distortion und Saturation zu den wichtigsten Quellen neuer Obertöne. Eine leichte Bandsättigung erzeugt überwiegend angenehme, harmonische Obertöne. Röhrenverstärker entwickeln einen warmen und musikalischen Charakter. Stärkere Verzerrungen produzieren immer mehr zusätzliche Frequenzen.

Dadurch verändert sich nicht nur die Klangfarbe. Auch die wahrgenommene Lautheit steigt häufig an. Genau deshalb setzen viele Produzenten gezielt subtile Saturation ein, um Instrumenten mehr Präsenz und Durchsetzungskraft zu verleihen.

Synthesizer und das Obertonspektrum

Kaum ein Bereich arbeitet so intensiv mit Obertönen wie die Klangsynthese. Professor Pegel öffnete einen virtuellen Synthesizer. „Schau dir diese vier Wellenformen an.„

• Eine Sinuswelle.
• Eine Dreieckswelle.
• Eine Sägezahnwelle.
• Eine Rechteckwelle.

Obwohl alle denselben Grundton spielten, klangen sie völlig unterschiedlich. Der Grund liegt ausschließlich im Obertonspektrum. Eine Sinuswelle enthält praktisch keine Obertöne. Eine Dreieckswelle besitzt überwiegend schwächere ungerade Harmonische.

Die Rechteckwelle enthält deutlich mehr Obertöne. Die Sägezahnwelle besitzt schließlich ein besonders reichhaltiges harmonisches Spektrum und bildet deshalb die Grundlage unzähliger Synthesizerklänge. Im Grunde besteht ein großer Teil der subtraktiven Synthese darin, Obertöne gezielt hinzuzufügen oder wieder zu entfernen.

Warum klingt ein alter Flügel anders als ein neuer?

Nicht nur elektronische Geräte beeinflussen Obertöne. Auch jedes akustische Instrument verändert sein Spektrum im Laufe der Jahre. Holz altert. Saiten verschleißen. Lackierungen verändern ihre Eigenschaften. Selbst kleinste Materialunterschiede wirken sich auf das Schwingungsverhalten aus. Deshalb besitzt ein jahrzehntealter Konzertflügel häufig einen völlig anderen Charakter als ein fabrikneues Instrument. Beide spielen dieselben Noten. Aber ihre Obertöne erzählen unterschiedliche Geschichten.

Raumakustik verändert ebenfalls Obertöne

Viele Produzenten unterschätzen den Einfluss des Aufnahmeraumes. Ein schallharter Raum reflektiert hohe Frequenzen besonders stark. Dadurch wirken viele Obertöne brillanter. Ein stark bedämpfter Raum absorbiert dagegen große Teile dieser Frequenzen. Die Aufnahme klingt wärmer, aber häufig auch weniger luftig. Deshalb besitzt nicht nur jedes Instrument sein eigenes Obertonspektrum. Auch jeder Raum hinterlässt seine ganz persönliche klangliche Handschrift.

Obertöne im Mixing

Beim Mischen geht es häufig gar nicht darum, Instrumente lauter zu machen. Oft genügt es, ihre Obertöne geschickt zu bearbeiten. Ein Bass mit zusätzlichen harmonischen Anteilen bleibt selbst auf kleinen Lautsprechern besser hörbar. Eine Gesangsstimme setzt sich leichter gegen dichte Arrangements durch. Eine Snare gewinnt an Präsenz. Eine Akustikgitarre erhält mehr Transparenz. Erfahrene Toningenieure hören deshalb nicht nur auf die Lautstärke eines Signals. Sie achten vor allem darauf, wie sich dessen Obertonspektrum im Gesamtmix verhält.

Typische Fehler

Der Assistent drehte den Exciter-Regler fast bis zum Anschlag. Der Gesang klang zunächst spektakulär. Nach wenigen Sekunden wirkte er jedoch unangenehm scharf. Professor Pegel lächelte. „Das passiert häufiger, als man denkt.“ Zu viele Obertöne können einen Mix schnell überladen. Besonders im Hochtonbereich entstehen dann Härten und Zischlaute.

Auch mehrere hintereinander geschaltete Saturation- oder Distortion-Plugins erzeugen oft mehr Obertöne als eigentlich sinnvoll sind. Deshalb lohnt es sich, Obertöne stets im Zusammenhang des gesamten Mixes zu beurteilen. Nicht jeder Klang muss maximal brillant sein. Manchmal entsteht gerade durch Zurückhaltung die ausgewogenste Mischung.

Faszinierende Welt der Obertongesänge

Zum Abschluss holte Professor Pegel noch eine besondere Aufnahme hervor. Ein Sänger erzeugte scheinbar zwei Töne gleichzeitig. Der Assistent staunte. „Wie macht der das?“ Professor Pegel lächelte. „Er verändert gezielt die Resonanzen seines Mund- und Rachenraumes.“ Beim sogenannten Obertongesang werden einzelne Obertöne so stark hervorgehoben, dass sie als eigenständige Melodie wahrgenommen werden.

Der Grundton bleibt dabei unverändert bestehen. Diese jahrhundertealte Gesangstechnik zeigt eindrucksvoll, dass Obertöne keineswegs nur theoretische Physik sind. Sie können selbst zum eigentlichen musikalischen Ausdruck werden.

Fazit von Professor Pegel

Professor Pegel schaltete den Spektrumanalysator noch einmal ein. „Siehst du diese vielen kleinen Linien?“ Der Assistent nickte. „Vor einer Stunde hätte ich gedacht, das seien einfach irgendwelche zusätzlichen Frequenzen.“ Professor Pegel grinste. „Jetzt weißt du, dass genau dort der Charakter eines Klanges entsteht.“

Der Assistent lächelte. „Eigentlich spielt also nie nur ein einziger Ton.“ „Ganz genau.“ Professor Pegel klappte den Laptop zu. „Der Grundton liefert die Tonhöhe.“ Er deutete auf den Spektrumanalysator. „Aber die Obertöne erzählen die eigentliche Geschichte.„