Constructie van piano en vleugel

Gietijzeren (pantser) raam

In de loop der jaren, sinds de ontwikkeling van de piano, zijn de orkesten steeds groter geworden. De huiskamer is vervangen door kleine zaaltjes, kerken en later door concertzale. Mede hierdoor kwam er vraag naar meer toonvolume. Om dat volume te bereiken kon men de snaren echter geen hogere spanning geven; de lichte houten constructie zou dit niet verdragen. De aanhangstiften, waaraan het uiteinde van de snaren vast zit, zouden uit het hout getrokken worden. Omstreeks 1770/1780 gebruikten diverse bouwers al metalen uithouders ter versteviging (dit zijn losse stangen tussen stemblok en zangbodem). In 1799 kreeg de Engelsman Smith patent op metalen verstevigingen tussen het stemblok en het houten gedeelte waar de aanhangstiften in zaten. In 1820 ontwierpen twee werknemers van Stodart het zogenaamde Compensatieframe; in 1821 ontwierp een werknemer bij Broadwood een ijzeren plaat waar de aanhangstiften konden worden ingezet. Dit werd aanvankelijk gebruikt in tafelpiano’s en in combinatie  met vaste stangen. Later werd het ook in vleugels gebruikt.
Dankzij de ver gevorderde giettechniek in Amerika was het een Amerikaan (John Isaac Hawkins) die het eerste gietijzeren raam ontwierp. Alpheus Babcock kreeg in 1825 patent op het massief gietijzeren raam voor tafelpiano’s. Pas in 1854 werd, door de Amerikaan Jonas Chickering, een gietijzeren raam  in een vleugel gebruikt. In 1858 volgde Steinway. 
Het gietijzeren raam wordt ook bij piano’s toegepast. Tegenwoordig onderscheiden we drie modellen pantserraam:
Het "Halve pantserraam”, dat beneden het stemblok blijft en tot ± 1910 werd gebruikt. 
Het "Hele pantserraam”, dat ook het stemblok bedekt, maar waar men bij het stemblok zogenaamde "open velden” heeft. Dit raam is in gebruik sinds ongeveer 1900.
Momenteel heeft vrijwel geen pantserraam nog een open veld. Bij een moderne piano worden op de plaats van de stempen eerst gaten in het pantserraam geboord. Deze gaten worden dan opgevuld met een stukje hout, waardoor de stempen meer stevigheid krijgt. Enkele Steinway, Bechstein en Klima modellen prefereren een open veld bij het stemblok.

Het dubbele repetitiemechaniek van Erard

Door de vraag naar meer toon moesten de snaren steeds dikker worden, de spanning op de snaren hoger en dientengevolge de hamerkoppen dikker. De afstand van hamer tot snaar moest vergroot worden, zodat de hamer met meer kracht de zwaardere massa (de dikkere snaren dus) in trilling kon brengen. Bij de instrumenten die omstreeks 1820 in Engeland en Frankrijk gebouwd werden moest men de toets ± 10 mm. omhoog laten komen, alvorens deze opnieuw kon worden aangeslagen. Dit kwam de repetitie natuurlijk niet ten goede. De Weense mechaniekjes uit de tweede helft van de achttiende eeuw liepen wat dat betreft beter; dankzij de geringe diepgang en lichte speelaard kon men er toch nog vrij redelijk een triller op maken.
Natuurlijk hadden diverse bouwers verbeteringen aangebracht aan het Engelse mechaniek. Erard  had al een « Mécanisme à échappement » en een « Mécanisme à échappement simple et trier » uitgevonden. Het "Mécanisme à double échappement” bleek echter dé grote uitvinding te zijn. Nu kon men ook  virtuoze muziek op een Engels mechaniek te spelen.
Door het gebruik van een extra tussenhefboompje, de repetitiebrug, die de hamer omhoog houdt als men na de aanslag de toets iets op laat komen, krijgt de opstoter kans terug te keren in zijn uitgangspositie, onder de zogenaamde roulette. Daardoor is de toets klaar voor een volgende aanslag. Het hedendaagse vleugelmechaniek werkt in principe exact hetzelfde als Erards mechaniek, waarmee wel het grote belang van deze uitvinding is aangetoond. In Nederland wordt dit het "Dubbel repetitiemechaniek van Erard” genoemd. Christo Lelie gaat in zijn boek "Van piano tot forte” uitgebreid op dit mechaniek in.

Sustain of Forte pedaal

Het sustain pedaal is het rechterpedaal bij een piano of vleugel. Het zorgt er voor dat alle dempers van de snaren worden gelicht. Daardoor klinken de aangeslagen snaren lang door en verkrijgt men een rijk palet aan boventonen. Dit pedaal is hoogstwaarschijnlijk uitgevonden door Silbermann. Goede pedaalwisseling (er zijn vele manieren om het te gebruiken!) vergt de nodige oefening. Men noemt het sustainpedaal wel de "adem” van de piano. U begrijpt: zonder een goede ademhaling is het moeilijk leven!

Piano pedaal

Het linkerpedaal zorgt ervoor dat alle hamers dichter naar de snaar toe bewegen. Zo kan men "piano” of wel "zachter” spelen. De afstand waarin men "toon” kan maken wordt hierdoor namelijk kleiner. Te vergelijken met de werkmanshamer die richting spijker zwaait. Houd je de hamer te dicht bij de spijker, dan heeft hij geen slagkracht meer. Een nadeel is - bij gebruik van dit pedaal - dat de verbinding tussen toets en mechaniek verbroken wordt. Je brengt als het ware kunstmatig "lucht” (ruimte) tussen de toets en het mechaniek. Teveel gebruik is dan ook af te raden.
Bij een vleugel werkt het anders. Hier verschuift het hele mechaniek bij gebruik van het linker pedaal. Deze "Verschiebung” werd in 1794 uitgevonden door (alweer) Sebastian Erard. Doordat het mechaniek verschuift worden de snaren aangeslagen door een zachter deel van de hamerkop. Bovendien worden er in de discant 2 i.p.v. 3 snaren aangeslagen. Dit heeft veel meer effect dan het linker pedaal bij een piano. Aan het gebruik van het linker pedaal bij een vleugel zijn dan ook geen nadelen verbonden. Men verkrijgt zo een natuurlijk pianissimo. Enkele oudere piano’s kenden ook een dergelijk systeem, waarbij de mechaniekbalk verschoof in de mechanieksteunen. Van dit systeem stapte men echter al snel weer af, omdat het mechaniek hierdoor instabiel werd.

Sostenuto pedaal

Het sostenuto-pedaal is het middelste pedaal bij een vleugel. Dit pedaal zorgt er voor dat bepaalde tonen (akkoorden) afzonderlijk kunnen doorklinken, bijvoorbeeld orgelpuntachtige tonen (o.a. voorkomend in de impressionistische pianomuziek van Debussy). Drukt men vlak na, of tegelijk met het aanslaan van bepaalde toetsen, dit pedaal in, dan zullen de tonen die voortgebracht worden blijven doorklinken terwijl men volgende toetsen aanslaat. Het werd in 1844 uitgevonden door Boiselet en in 1874 verbeterd door Steinway. Het is ook verkrijgbaar als optie op enkele piano’s.

Moderator, ook wel studiepedaal

Velen denken dat het studiepedaal een moderne uitvinding is, maar in oude Weense vleugels en Tsjechische piano’s van voor de Tweede Wereldoorlog werd het al op grote schaal toegepast. Bij een piano is dit het middelste pedaal. Er kan zich ook een hendel bevinden onder de piano of op een bakstuk naast de toetsen. Bij gebruik van het studiepedaal schuift er een strook vilt tussen de snaren en de hamers. Hierdoor wordt het geluid veel zachter.

Agraffen en drukstang

De snaren in het discantgedeelte zijn heel erg kort. Uiteraard is het moeilijk om een behoorlijke toon uit zo’n klein snaartje te krijgen. Het was weer Erard die in 1808 ook daarin een enorme verbetering teweeg bracht. Hij bereikte dit door het stemblok omhoog te brengen, boven het niveau van de klinkende snaar, waarbij de snaar over een "talud” van vilt geleid werd. Aan het begin van het klinkend gedeelte van de snaar plaatste hij een messing blokje (agraf) met een, twee of drie gaatjes, waar de snaren doorheen geleid werden. Hierdoor ontstaat een uitstekende afbakening van het klinkend gedeelte van de snaar en mede daardoor een veel betere toon en minder bijgeluiden in het discant gedeelte.
De Capo tastro, oftewel drukstang (een metalen stang vlak onder de stempennen), heeft in combinatie met de "Sylië”  (een gedeelte van het pantserraam) hetzelfde effect.

Rechtsnarig en kruissnarig

De snaren liepen tot 1835 in de piano (pianino, enz.), in de tafelpiano’s en in de vleugels evenwijdig. Wel was de hoogste snaar, net als nu, veel dunner dan de laagste snaar.
Het was de in de buurt van Hannover geboren Franse pianobouwer Johann Heinrich Pape die de bassnaren diagonaal door de rechthoekige piano liet lopen. De bassnaren kruisten daarbij de niet omwonden discantsnaren. Op deze manier kon hij een piano bouwen met een redelijke toon, die slechts 98 cm. hoog was, maar waarbij de grootste snaarlengte 133cm (!) bedroeg. Bij de vleugel, waar men niet op de lengte hoefde te letten, duurde het tot 1860 voordat Steinway als eerste vleugelbouwer het kruissnarige systeem toepaste. Het kruissnarige systeem heeft als bijkomend voordeel dat de enorme spanning (± 15000 kg. bij een piano, oplopend tot ± 25000 kg. bij een concertvleugel) beter verdeeld wordt, omdat de spanning door een driehoeksvorm wordt opgevangen. 

Demping

De instrumenten van Cristofori waren al van dempers voorzien. Gottfried Silbermann bouwde waarschijnlijk het eerste fortepedaal in een fortepiano.
Bij de eerste piano’s zaten de dempers boven in het mechaniek. De demper werd als het ware "opgetild” bij elke aanslag. Deze "bovendemper” zat dus helemaal aan het einde van de snaar; hierdoor werd de demping nogal bemoeilijkt. Er was nog geen veer, dus moest de demper alleen d.m.v. het eigen gewicht haar werk doen. De demper werd daarom ook nog eens met lood verzwaard, Dit allemaal resulteerde in een "houterige” speelaard en een slechte demping.
In 1848 vond de Franse pianobouwer Joseph Gaveau de onderdemping uit. Hierbij bevindt de demper zich onder de hamerkop en dus meer naar het midden van de snaar. Bovendien zit er een demperveer op, die de demper stevig tegen de snaren drukt. Deze veer is in de bas dikker dan in het discantgedeelte en kan door de stemmer nog strakker of slapper afgesteld worden. Het resultaat is dan ook een veel betere afdemping en een meer verfijnde speelaard.

Zangbodem, klanktafel of resonansbodem

De zangbodem wordt wel het hart van een piano of vleugel genoemd. De snaar zelf geeft immers te weinig geluid. Via de kam (waarvan de bovenkant iets hoger ligt dan de twee uiteinden van de snaar) wordt het geluid doorgegeven aan de zangbodem waardoor men meer toonvolume krijgt. Vroeger was de zangbodem een holle kast met een onder- en een bovenblad. De belangrijkste uitvinding van Joh. Baptist Streicher was het "weglaten” van de bodem van deze (klank)kast, waarmee in principe de huidige zangbodem werd geboren.
De zangbodem staat altijd iets bol, waardoor er "druk” op de bodem komt. Als de piano of vleugel te droog gestookt wordt kan de zangbodem gaan scheuren. Dit gebeurt vooral tijdens vorstperiodes. Uiteraard is de bolling van de zangbodem dan verdwenen en is er geen druk meer op de bodem. Dit gaat ten koste van de glans van de toon. 
De zangbodem is gemaakt van hout, afkomstig van naaldbomen die groeien op de noordelijke hellingen van bergen in Roemenië, Hongarije, Italië, Europese Alpen, Scandinavië en Canada. Omdat deze hellingen weinig zonlicht krijgen groeien de bomen heel langzaam, waardoor een fijne en rechtaardige nerf ontstaat. In vakkringen wordt dit "Fichtenhout” genoemd. Een mijns inziens juiste benaming, alhoewel het natuurlijk een Germanisme is. Grenen, dennen en vurenhout hebben een veel grovere structuur.
De huidige zangbodems zijn dikker dan die van de oude Weense instrumenten. Hierdoor spreekt de toon minder snel aan (er moet immers meer massa in beweging worden gebracht), maar de sustain (uitsterftijd) is langer.

Duplex Scale

Een patent uit 1872 van Steinway, waarbij de uiteinden van de snaar niet worden afgedempt, zodat deze op toonhoogte kunnen mee resoneren. Op het pantserraam bevinden zich kleine metalen kammetjes, die de pianotechnicus bij een nieuwe besnaring exact op de juiste plek moet leggen, zodat de via tokkelen uitgeprobeerde snaar precies één van de boventonen van de "moedersnaar” weergeeft. Momenteel wordt dit bij veel vleugels toegepast;  in 1996 zagen we het zelfs (éénmalig) bij een Deense piano op de Frankfurter Messe. Schimmel past het  "Duplex-Scale” momenteel bij de duurdere (concert)piano’s toe.
Mensuur: besnaring en calculatie
Door een slag van de hamer tegen de snaar zwaait deze als het ware naar achteren en veert terug. Hoe harder er op de toets geslagen wordt, des te sterker zal de aanslag zijn en des te groter de "amplitude” (oftewel de uitzwaai van de snaar). Des te krachtiger ook de toon.
De frequentie (aantal trillingen per seconde) wordt weergegeven in Hertz. Meestal is de A eengestreept 440 Hz. (aantal trillingen per seconde);  A tweegestreept, welke dus een octaaf hoger ligt, heeft 880 Hz. (trillingen per seconde). Het aantal trillingen per seconde (en dus de toonhoogte) is afhankelijk van de lengte, dikte en spanning van de snaar.
Als er een toets wordt aangeslagen hoort het geoefende oor, behalve een grondtoon, gelijktijdig een aantal boventonen. Al deze boventonen hebben hun eigen buik (het gedeelte waar de amplitude het grootst is) en een eigen knoop (het gedeelte waar de amplitude eindigt). Bij het aanslaan van de snaar kunnen boventonen wegvallen, omdat het aanslagpunt een millimeter te hoog of te laag is, of omdat de hamerkop teveel is ingespeeld, c.q. te plat is geworden. Dit is één van de redenen waarom onderhoud, naast het stemmen zo belangrijk is. Vooral in het discantgedeelte met zijn korte snaren speelt dit een grote rol. Een mooi model hamerkop en een juist ingesteld aanslagpunt zijn vooral in het discantgedeelte dan ook van wezenlijk belang. Dat de hamerkoppen vooral in het discantgedeelte horizontaal op één lijn behoren te staan spreekt voor zich, omdat er anders te veel karakterverschil kan ontstaan.
Een snaar klinkt het mooist als hij tegen het breekpunt aan zit. Dat wil zeggen, als de snaar nog iets hoger gedraaid wordt zou deze moeten springen. Daarom klinkt een oude piano die een paar tonen te laag staat ook heel dof en doods. Het discant- en het middengedeelte hebben 3 staalsnaren per toon, ook wel "koor” genoemd. In het basgedeelte zijn dat meestal 2 snaren. Bij de laagste bastonen slechts één snaar. 
Temperatuurverschil doet de snaren uitzetten en/of krimpen. Bovendien verdwijnt de elasticiteit langzaam uit een snaar. Een snaar die door uitzetten een lagere toon voortbrengt, zal bij het krimpen de oude toonhoogte daarom niet terugkrijgen, maar daar heel iets onder blijven. Dit is een natuurwet. Als een piano/vleugel niet regelmatig gestemd wordt, zal de toonhoogte dus steeds lager worden.
Door verschil in vochtigheidsgraad (dus geen temperatuurverschil!) gaat de zangbodem krimpen of uitzetten. Een snaar die aan de rand van de zangbodem over de kam loopt zal hierop anders reageren dan een snaar uit het middenregister. Ook een koper omwonden bassnaar zal anders reageren dan een niet-omwonden staalsnaar uit het middengedeelte of de discant. Door al deze verschillende reacties ontstemt een piano of vleugel binnen een bepaalde tijd. Vandaar dat met enige regelmaat een vakman het instrument weer op stemming moet brengen.

Hamerkoppen

De hamerkop moet de snaar in trilling brengen. Om een dikke bassnaar in trilling te brengen is meer energie nodig dan het in trilling brengen van een korte en veel dunnere discantsnaar. De hamerkoppen aan baszijde zijn daarom veel dikker dan die aan discantzijde. Neem maar eens een kijkje in uw eigen piano of vleugel. De hamerkoppen van een grote concertvleugel zijn veel groter en zwaarder dan die van een oude fortepiano. De grootste hamer uit een fortepiano van omstreeks 1790 weegt 1,2 gram. De grootste kop van een Steinway concertvleugel weegt 12 gram. Tien maal zo veel! Een grote concertvleugel speelt dan ook heel wat zwaarder dan zo’n fortepiano uit 1790, maar ook zwaarder dan de huidige piano.
Door de aanslag tegen de snaren blijven er kleine "nerven” achter in de voorkant van de hamerkoppen. Deze kunnen met een onderhoudsbeurt aan het mechaniek weer weggehaald worden waarbij een schil van de hamerkop wordt afgeschuurd. Hoe langer dit wordt uitgesteld, hoe groter de schil en eerder de hamerkop "op” is. Hoewel iemand die veel (fortissimo) speelt binnen de enkele jaren een set hamerkoppen kan verslijten kunnen we stellen dat bij normaal gebruik een set hamerkoppen zo’n 40 tot 60 jaar meegaat. Wel is  na een jaar of 30 de "glans” van de toon er vaak af. Bij een hoge luchtvochtigheid zuigt de hamer zich vol, bij een lage luchtvochtigheid zal hij dit vocht weer afgeven. Ook hierdoor wordt op den duur de spanning in de kop minder, waardoor de toon minder zal stralen.

Het Mechaniek

In het mechaniek van een piano of vleugel zitten diverse hefboompjes die in kleine asjes draaien. De kunst is om alles optimaal afgeregeld te krijgen. Daarvoor is een goede (praktijk)opleiding en jaren ervaring nodig. De meeste DDR-piano’s bijvoorbeeld werden in de fabriek slecht afgeregeld. De hamerbaan (afstand hamer-snaar) was te klein, de afval (terugval hamer vlak voor de snaar) te groot en de diepgang van de toets te klein. Als een goede technicus één dag besteedt aan het beter afregelen van zo’n piano kent men het instrument niet terug.
Het mechaniek heeft zo nu en dan groot onderhoud nodig. Bepaalde delen worden opnieuw van grafiet voorzien, asjes worden (gedeeltelijk) vernieuwd; en natuurlijk wordt een en ander opnieuw afgeregeld. Alleen al over mechanieken is een compleet boek te schrijven. De Duitse pianobouwer Walter Pfeiffer deed dit. Zijn boek "Von Hammer” is een standaardboek, dat iedere technicus behoort te kennen.

Stemming

De toonhoogte heeft in de loop der eeuwen nogal eens gewisseld. Momenteel wordt voor A eengestreept 440Hz aangehouden. Veel orkesten zijn echter inmiddels overgegaan op 443 Hz. omdat de toon dan iets meer straalt. Sommigen gaan zelfs tot 444 en 445 Hz. Een gevaarlijke ontwikkeling, omdat oudere instrumenten (vaak strijkinstrumenten) daar niet op gebouwd zijn. Bij een strijkinstrument kan men natuurlijk eenvoudig dunnere snaren gaan gebruiken, maar bij een piano of concertvleugel is dat een dure aangelegenheid.
Een piano kan nooit "zuiver” klinken. Pythagoras ontdekte dit al. De kunst is om deze onzuiverheid mooi te verdelen, zodat alle tonen een heel klein beetje vals zijn ten opzichte van elkaar. In de loop der jaren zijn er diverse stemmingen geweest, maar momenteel wordt gewoonlijk de gelijkzwevende temperatuur "gehanteerd”.

Pianola en Diskklavier

De pianola is een gewone piano waarin zich een afspeelmechaniek bevindt waarmee reeds eerder ingespeelde muziek gereproduceerd kan worden. Dit gebeurt d.m.v. pneumatiek en papierrollen met gaatjes. Over het algemeen werden hiervoor de beste piano’s en vleugels gebruikt, omdat het pianolagedeelte duurder was dan het piano- of vleugeldeel. De kasten zijn erg diep en de toetsen lang, met als gevolg een lompe indruk en een slechte speelaard. Kort voor en na de Tweede Wereldoorlog zijn diverse pianola’s "ingekort”, maar de laatste 30 jaar is dat niet meer gebeurd. De kosten stonden in geen verhouding tot het behaalde resultaat.
In de negentiger jaren kwam Yamaha met het Diskklavier. Ongeveer gelijktijdig kwam PianoDisk met een vergelijkbaar product. Beide zijn een "moderne pianola” met enorm veel mogelijkheden, die helaas niet genoeg zijn benut door de verschillende muziekinstellingen. Men kan zelf muziek inspelen, maar ook downloaden. Zo kan men met twee handen toch vierhandig spelen en is het mogelijk professioneel ingespeelde muziek thuis af te spelen. Wat weer een natuurlijker resultaat oplevert dan via de audio installatie.