Spielerklavier: Akustische Tradition trifft automatisierte Präzision

Hintergrund

Das Spielerklavier (Player Piano) basiert auf einem Standard-Akustikklavier. Es besitzt eine Tastatur; beim Anschlag der Tasten schlagen Filzhämmer auf gestimmte Stahlseiten und erzeugen musikalische Töne. Das komplexe System aus Filzhämmern und Verbindungsstücken heißt „Klaviermechanik“. Diese kann vom Musiker per Finger bedient werden – oder, wenn das Klavier mit einem Spielersystem ausgestattet ist, wird die Klaviermechanik von der „Spielmechanik“ des Spielerklaviers betätigt.

Das traditionelle, rollenbetriebene Spielerklavier hat eine pneumatische (luftgetriebene) Spielmechanik, die die Klaviermechanik steuert. Jeder Taste ist ein Striker zugeordnet – ein Miniaturbalg. Wenn ein Striker pneumatisch zusammenfaltet, drückt er die zugehörige Taste nieder. Die Gesamtheit der Striker bildet die Spielmechanik. Die Spielmechanik „liest Musik“, indem sie codierte Perforationen in Papierrollen erkennt. Dies geschieht über ein System pneumatischer Röhren und Ventile; bei Erkennung der Perforationen signalisiert das Pneumatiksystem den Strikern, wann sie zusammenfallen sollen. Ein elektrischer Vakuummotor oder fußbetriebene Pedale liefern die Pneumatikkraft.

Das traditionelle Rollen-Spielerklavier hat Nachteile: Die Spielmechanik muss beim Bau integriert werden, nachträglicher Einbau ist unmöglich. Zudem drücken pneumatische Striker ihre Tasten nur auf einer Dynamikstufe – die Noten erklingen, aber ohne piano/forte-Abstufungen.

Das moderne Spielerklavier nutzt elektronisch gesteuerte Solenoide als Striker. Ein Solenoid ist eine Spule, die bei Stromdurchfluss wie ein Magnet wirkt. Die Solenoide reagieren auf Signale des Musical Instrument Digital Interface (MIDI) – der universellen elektronischen Sprache von Keyboards, Synthesizern und anderen E-Instrumenten. MIDI ist weitaus ausgereifter als das Rollensystem und spielt sowohl Noten als auch Dynamik so wieder, wie der Musiker sie eingespielt hat. Musikbibliotheken werden auf Disketten oder CDs gespeichert, sodass das Klaviervirtuell jedes Stück spielen kann. Mit entsprechender Software und Elektronik kann es auch gesungene Stimmen, Instrumente oder ein ganzes Sinfonieorchester wiedergeben. Dank der gemeinsamen MIDI-Sprache lässt es sich auch mit Sequenzern, Drum Machines, Synthesizern und Computern verbinden.

Geschichte

Als König Heinrich VIII. 1547 starb, wurden seine Musikinventare verzeichnet – darunter „ein Instrument, das mit einem Rad geht, ohne dass man darauf spielt“. Frühe Spielerklaviere baute der Klavierbauer Samuel Bidermann aus Augsburg. Er rüstete drei Spinette (kleine, aufrechte Klaviere) mit Stiftwalzen aus, ähnlich Spieluhren, zu seinen Lebzeiten 1540–1622.

Interesse an selbstspielenden Klavieren erwachte Ende der 1890er erneut. Verschiedene Mechanismen wurden entwickelt und verkauft, doch Papierrollen waren nicht austauschbar. Melville Clark, Erfinder und Klavierdesigner, entwickelte 1901 eine 88-Ton-standardisierte Rollengröße für die Branche und baute sein Apollo-Spielerklavier danach. 1908 hatten andere Hersteller seinen Standard übernommen. Rollen wurden per Stanzenmaschinen (Perforatoren) von einer Masterrolle dupliziert. Masterrollen wurden mühsam von Hand aus Notenblättern gestanzt. Um diese Produktionshürde zu umgehen, erfand Clark 1912 das „Markierklavier“. Sein Markierklavier stanzte die Masterrollendaten während der Musiker ein Stück vortrug. Das Markierklavier war von 1912 bis 1931 im Einsatz.

Historische Aufführungen zeitgenössischer Künstler wurden live aufgezeichnet, und das Markierklavier machte die „Roaring Twenties“ zur Blütezeit des Spielerklaviers – bis Schallplatten und Radio es überholten. 1926, dem Spitzenjahr, wurden über 10 Millionen Klavierrollen verkauft. Das Markierklavier wurde 1931 stillgelegt, 1971 restauriert, um weitere Künstleraufnahmen zu machen, und 1992 zum National Historic Mechanical Engineering Landmark erklärt. Nach Absatzttiefstständen in den 1950ern erlebten Rollen-Spielerklaviere in den 1970ern eine Renaissance; traditionelle Spielerklaviere und Papierrollen werden bis heute gefertigt und verkauft.

In den 1920ern begannen Experimente mit elektrischen oder elektromagnetischen Geräten statt Resonanzboden. E-Pianos, Keyboards, Synthesizer nutzen elektronische Schaltungen oder gestimmte Metallstücke statt Saiten. Einige erzeugen klanglich an akustische Klaviere heranreichende Töne, werden aber vor allem für elektronisch verfremdete Effekte geschätzt. Elektronische Anwendungen verschmolzen ab den 1970ern mit dem akustischen Klavier: akustische Klaviere (im Gegensatz zu E-Pianos) wurden mit Digitalkassettenlaufwerken oder Computern ausgestattet, um sie per elektronischem „Gehirn“ und Strom spielbar zu machen. Mehrere Großhersteller produzieren heute diskusbetriebene Spielerklaviere, und Systeme sowie Software werden als Bausätze zum Nachrüsten akustischer Klaviere angeboten. Das seit den Klavierstunden in der Schule ungenutzte Instrument wird so zum Entertainment-Center. Der Rest dieses Artikels fokussiert die Fertigung des diskusbetriebenen Klaviers.

Rohstoffe

Im Wesentlichen werden bei der Fertigung diskusbetriebener Spielerklaviere keine Rohstoffe direkt eingesetzt. Hersteller geben Spezifikationen an Zulieferer und kaufen benötigte Teile ein. Diese können werksgefertigte akustische Klaviere umfassen, in die die Spielersysteme eingebaut werden.

Design

Ingenieure entwerfen das Spielerklaviersystem und entwickeln Neuprodukte. Die Rechtsabteilung führt parallel gründliche Patentrecherchen durch, damit neue Ansätze keine bestehenden Patente verletzen, und eigene Konzepte zeitnah patentiert werden können. Prototypen werden handmontiert, getestet und auf Marktfähigkeit und Fertigbarkeit geprüft. Ingenieure liefern Designdetails und Spezifikationen für jede Komponente – elektrisch, elektronisch, mechanisch; Werkzeuge, Sonderbearbeitung, Montage; Anforderungen für Betrieb, Installation, Test, Wartung, Reparatur. Da wenige Teile vor Ort gefertigt werden, kann die Suche nach Zulieferern weltweit sein.

Softwareingenieure müssen die Programmierung liefern, damit Computerchips Noten und Daten musikalischen Ausdrucks in elektronische Signale umwandeln, die die Solenoide ansteuern. Über 1.000 Seiten Code können für diese komplexe Kommunikation nötig sein.

Für breite Marktattraktivität muss das Spielerklavier ein breites Repertoire abdecken, daher wurde eine große Musikbibliothek in Softwareform entwickelt und aktualisiert. „Codes“ traditioneller Klavierrollen lassen sich nicht einfach in MIDI übersetzen, aber tatsächliche Aufführungen eignen sich ideal für das digitale System, da sie interpretative Elemente transportieren. Hersteller unterhalten eigene Aufnahmestudios und verpflichten namhafte Pianisten. Musikeditoren prüfen Aufnahmen, korrigieren Fehler oder passen Aufführungen an Notenvorlagen an. Die Rechtsabteilung sichert Verträge, Freigaben, Lizenzen für Musik und Aufführungen.

Herstellungsprozess

Spielmechanik-Unterbaugruppe

• 1 Die Spielmechanik-Unterbaugruppe besteht aus 88 Solenoiden und Stößeln, die computergesteuert die Tasten bewegen. Sie wird aus vorgefertigten Teilen an einer Montagelinie aus Hand- und Automontage zusammengebaut. Die Elektronik – Netzteil, Steuerbox, Tastenaktivierungsgeräte, Verbindungen – wird von Komponenten auf einer Leiterplatte gesteuert. Leiterplatten in Panelform (mehrere gleiche Platten auf einem großen Panel, nach Bestückung getrennt) erleichtern automatisierte Montage, da Bauteile leicht bestückt werden können. Bauteile einer Art liegen in langen Bändern, die durch einen automatischen Sequenzer laufen. Der Sequenzer prüft jedes Teil auf Korrektheit, ordnet ein Array in die richtige Bestückungsreihenfolge. Einige Teile werden geformt, eingesetzt und per automatischem Tauchlöter bestückt, der auch die Eignung prüft. Andere Teile werden von Hand bestückt.
• 2 Die Bauteile werden durch Durchlaufen einer Wellenlötmaschine verlötet. Diese spült die Platine mit Flussmittel von Verunreinigungen, erhitzt Platine und Bauteile per Infrarot, um thermischen Schock beim Löten zu reduzieren, führt dann die Unterseite über eine Welle aus flüssigem Lot. Das Lot steigt per Kapillarwirkung an jedem Bauteil und jeder Bohrung zur Oberseite. Es kühlt aus, fixiert die Bauteile.
• 3 Fertige Leiterplatten werden in Steuerboxen eingebaut und als Qualitätsprüfung getestet. Software wird geladen, Steuerboxen durchlaufen einen zweitägigen Testzeitraum („Burn-in“), der den tatsächlichen Betrieb simuliert. Ausfälle werden erkannt und behoben.
• 4 An einem anderen Teil der Unterbaugruppenlinie werden Solenoide und Stößel gefertigt und auf einer Schiene oder Stütze montiert. Magnetdraht wird maschinell auf Solenoidbasen gewickelt und versiegelt. Kabelanschlüsse werden an jedes Solenoid angeschlossen, Stößelbaugruppen mit Solenoiden gepaart. Solenoide und Stößel werden auf Aluminiumschienen montiert. Je nach Hersteller variieren Konfigurationen, die Schiene kann ein- oder mehrteilig sein. Schienenhalterungen dienen später zur Montage unter der Klaviertastatur. Eine ähnliche Baugruppe aktiviert die Klavierspedale.

Aufnahmestreifen

• 5 Das Spielerklavier kann auch gespielte Musik aufnehmen, wenn ein Aufnahmestreifen installiert ist; dies erlaubt Schülern oder Künstlern, ihre Darbietung abzuspielen, und Komponisten beim Erstellen und Überarbeiten. Der Aufnahmestreifen besteht aus einer Montageschiene und winzigen elektronischen Folientastern in Kunststoffgehäuse. Pro Taste ein Taster; der Streifen erfasst angeschlagene Tasten, Haltezeit und Anschlagsdynamik (leise/laut). Er ist elektronisch mit dem Klaviercomputer verknüpft, wo Signale in MIDI-Nachrichten verarbeitet werden. Daten können auf analogen Medien (Kassettenrekorder, VCR) gespeichert oder an Diskettenlaufwerk geleitet werden. Wiedergabe erfolgt durch das Klavier oder andere MIDI-kompatible Instrumente.

Diskusplayer

• 6 Diskusplayer und weitere Geräte werden über die Steuerbox ans Spielerklavier angebunden. Es kann ein Diskettenlaufwerk, CD-Player oder beides sein; Spielerklaviere lassen sich auch mit VCRs in Kombination mit TV- oder Computermonitoren verbinden, damit Liedtexte für Singalongs oder programmierte Unterhaltung synchronisiert werden. Die meisten Hersteller kaufen diese Komponenten und Fernbedienungen von externen Zulieferern.

Begleitung und Lautsprecher

• 7 Als weiteres Feature kann das Klavier zu allerlei Aufnahmen begleiten: Gesang, Einzelinstrumente, Orchester. Die „Soundboxen“ dafür sind elektronische Lautsprecher, die als Zubehör geliefert und von Zulieferern bezogen werden. Software liefert die Zusatzklänge über das MIDI-System.

Klavierinstallation

• 8 Auf einer weiteren Montagelinie werden Spielmechanik-Unterbaugruppe und Aufnahmestreifen in ein Klavier eingebaut. Klaviere stammen aus eigener Klavierfertigung oder von externen Zulieferern. Ein Schlitz wird ins Holz unter der Tastatur gefräst, die strukturelle Integrität bleibt unberührt. Die Solenoidschiene(n) wird unter dem Klavier montiert, sodass die Stößel unter den Tastenenden sitzen. Der Aufnahmestreifen wird ähnlich installiert. Solenoidverbindungen zu den Pedalen werden angeschlossen, Steuerbox unter der Tastatur montiert, Netzteil an der Klavierunterseite befestigt. Die Klaviermechanik muss nun justiert werden. Tasten ruhen auf Filzpolstern, die sich bei Nutzung setzen, daher werden die Klaviere programmiert, über Nacht in einem weiteren Burn-in zu spielen. Nach einem 12-stündigen „Konzert“ hat sich der Filz gesetzt. Dann werden Komponenten geprüft und die Klaviermechanik an die Filzsetzung angepasst. Klaviere werden verpackt und versandt, sobald Installation abgeschlossen ist.

Bausatzmontage

• 9 Manche Hersteller liefern ihre diskusbetriebenen Systeme als Bausätze zum Nachrüsten Standardklaviere. Wenn fertige Unterbaugruppen, Steuerboxen, Netzteile, Aufnahmestreifen von den Linien laufen, werden sie verpackt und gelagert. Bausätze werden mit diesen Einheiten sowie Diskusplayern und Zubehör gepackt. Bausätze gehen an speziell geschulte Installateure für das jeweilige Herstellersystem. Installation dauert typischerweise bis zu zwei Tage, inklusive übernächtigem Burn-in, wonach Klaviermechanik justiert und Komponenten geprüft werden wie im Werk.

Qualitätssicherung

Qualitätssicherung ist in jedem Produktionsschritt essenziell. Eingehende Teile von Zulieferern weltweit werden auf Spezifikationskonformität und sonstige Engineering-Anforderungen geprüft. Entlang der Unterbaugruppenlinie führen Arbeiter Qualitätsprüfungen als Teil ihrer Verantwortung durch. Beispiel: Wenn Leiterplatten die Wellenlötmaschine verlassen, prüft der Bediener, ob Bauteile verlötet sind, keine Lötbrücken zwischen Bauteilen entstanden sind, die Platine nicht verzogen oder gerissen ist. Er überwacht auch Löttemperatur und Maschinenbetrieb. Elektronische Baugruppen müssen Underwriters Laboratories (UL)-Anforderungen genügen. UL-Vertreter besuchen Hersteller häufig und unangekündigt zur Prüfung auf Material-, Betriebs- und Sicherheitskonformität. Weitere Qualitätsprüfungen – Burn-ins von Steuerboxen und Klaviermechaniken – sind in den Fertigungsprozess integriert, wie beschrieben.

Zukunftsaussichten

Akustische Klaviere sind lang beliebte Instrumente, und ihre Zukunft ist durch das diskusbetriebene Spielerklavier gesichert, das Klänge und Unterhaltungswert bietet, ohne dass der Zuhörer zum Virtuosen werden muss. Diskusbetriebene Spielerklaviere haben signifikante Absatzsteigerungen bei Klavieren ausgelöst und gelten als Wachstumssegment der Branche. In der Zukunft streben Hersteller nach Reproduktion von Aufführungsnuancen. Weitere Technologieverschmelzung scheint wahrscheinlich, da professionelle Aufnahmestudios zur Musikeingabe genutzt werden und Wege gefunden werden, das Spielerklavier mit anderen elektronischen Medien zu verknüpfen.