III) Basis des akustisches Systems: Violine und Gitarre
Gemeinsamkeiten und Verschiedenheiten
Die Schwingende Saite: Theorie und Praxis
Zupf- oder Streichanregung
Es wurden allgemeine Auskünfte zur Lehrveranstaltung bekannt gegeben. Der nächste Termin wurde mit Genehmigung der anwesenden Teilnehmer am 17. April, um 9.30 Uhr festgelegt.
Ein Vortrag über wichtige Forscher der Streichinstrumentenakustik und historische und zeitgenössische Messmethoden wurde gehalten.
Gute Links zu Grundlagen der Instrumentalakustik:
Eine
geniale Einführung von Joe Wolfe, University of New South Wales, Australia:
Eine
geniales Werk für die praktische Anwendung für Geigen- und Gitarrenbauer,
von Erik Jansson, KTH Stockholm, Schweden:
Es wurden Grundkonzepte erklärt wie periodische- und nichtperiodische Schwingungen, deren Fortpflanzung durch Medien wie Luft, Wasser, Holz und Stahl, Resonanzen, natürliche Schwingungsformen von Objekten wie Stäbe und Trommelfelle.
Es wurde im zweiten Teil der Echt-Zeit Spektralanalysator vorgeführt mit Hilfe des Kollegen Baumgartner auf der Violine. Zwei Eingang-Admittanzmessmethoden wurden vorgezeigt: mit dem VIAS Messgerät und mit einem Hammer-Impuls mit dem freundlichen und zeremoniellen Opfer der Niel'sche Violine (Spaß).
Notizen: Es wird empfohlen, das Skriptum des Pflichtfachs "Musikalische Akustik" von Prof. Widholm zu besorgen.
Ich freue mich wenn Teilnehmer Ihre Instrumenten mitbringen!
Es wurde der Stoff von Session II kurz gefasst und wiederholt.
Es wurden Eigenschaften der theoretische und reale Streich- und Zupfsaite präsentiert mittels Powerpoint. Ein extrem verlangsamtes Video von einer gestrichenen- und einer gezupften Saite wurde gezeigt. Die Helmholtzwelle einer gestrichenen Violinensaite wurde mit dem Stroboskop beobachtet. Der Einfluss eines Dämpfers wurde durch Echt-Zeit Spektralanalyse beobachtet. Der Holzdämpfer machte einen leichten hörbaren und sichtbaren Unterschied. Der Hoteldämpfer aus stahl hat den Klang Extrem reduziert!
So finden Sie zum Technischen Museum Wien: www.tmw.at
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geniale Einführung von Joe Wolfe, University of New South Wales, Australia:
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geniales Werk für die praktische Anwendung für Geigen- und Gitarrenbauer,
von Erik Jansson, KTH Stockholm, Schweden:
Es wurde Eingangsadmittanzmessungen mit dem Impulsehammer (eingangsignal) und Beschleunigungsaufnehmer (Ausgangssignal) an einem Banjo und einer Laute durchgeführt. Die Messungen an der Laute, normal zur Decke auf der Diskant- und Bass-Seite des Steges, zeigten, dass eine Decken-Hauptresonanz bei ca. 100 Hz vorhanden ist. Die Messungen haben auch angedeutet, dass ein Knotenpunkt an der Schlagstelle der Bass-Seite des Steges vorhanden ist.
Die Abstrahlung des 5-Saitigen Banjos wurde im Schalltoten Raum mit seiner hinteren Abdeckung (siehe Bild) und ohne Abdeckung durch eine Frequency-Response Messung getestet. Das Banjo wurde am Hals beim Wirbelstock gehalten, mit einem Sinus-Sweep senkrecht zum Steg mittels einem Shaker angeregt und die Abstrahlung mit einem AKG C414 Mikrofon mit 100 cm Entfernung aufgenommen. Nach der RMS-Analyse der Signalenergie wurde bei Vergleich beider Kurven einen energiestärkeren Bereich beim Abgedeckten Banjo vorgefunden. Die Hypothese, dass tiefe Frequenzen beim Abgedeckten Banjo stärker vertreten sind wurde also bewiesen.
Schließlich wurde ein Kontrabass beim Streichen und Zupfen mit dem Stroboskop beobachtet. Wenn die Frequenz des Stroboskops FAST der Frequenz der Saitenschwingung gleicht (oder verdoppelt), kann man die Form der (imperfekten) Helmholtz-Schwingung am Bass ausgezeichnet beobachten. Auch die Schwingungen des Saitenhalters und des Ohren eines F-Loches waren beim zupfen der tiefen E-Saite wirklich gut zu sehen.
Protokoll:
Nach pünktlichen Eintreffen bei der Kassa um 10.15 Uhr (danke an alle!) ist die Gruppe zum ausgestellten Laser Vibrometer im 2. Stock geführt worden. Nach einer kurzen Einführung in die Doppler-Laservibrometrie, wurde es Versucht eine Messung durchzuführen. Die nicht-reibungslose Vorbereitung des Geräts (Stromausfall, Fehlendes Passwort, fremde Eistellungen) führte zu Problemen die nur während einer längeren Pause (Kaffe für die Teilnehmer!) erfolgreich gelöst werden konnten.
Die Deck- und Bodenplatten einer nicht spielfertigen, weißen Violine wurden angeklopft, um die Hauptresonanzen zu erkennen und die Vibrometrie Messung vorherzusagen. Die Hauptresonanz der Decke wurde als Klingendes "G" gehört und daher um ca. 200 oder 400 Hz geschätzt. Nach einer erfolgreichen Messung wurde die erste Deckenresonanz (T1) tatsächlich um 400 Hz gefunden (Bild links unten). Die weitere Schwingungsformen der Decke wurden auch am Bildschirm durch verschiedene Darstellungsmöglichkeiten beobachtet.
Eine ähnliche Vorhersage wurde bei der Bodenplatte versucht. Der Hauptklopfton (in der Mitte der Platte) wurde auch als G geschätzt, also wieder ca. 400 Hz (Bild mitte oben). Ein zweiter Ton wurde angeregt beim klopfen im unteren Bereich der Bodenplatte, und zwar mit einem tonlichen Abstand von einer kleinen Terz höher. Dafür verantwortlich: die Resonanz um 475 Hz (Bild rechts oben). Es wurde also deutlich gezeigt, dass der Laservibrometer werwendet werden kann, um Schwingungsmuster (Modi) und ihre Frequenzen zu messen und anzeigen. Natürlich haben wir in dieser kurzen Vorführung nur ein Bruchteil der Analysemöglichkeiten des Laservibrometers verwendet.
Die Resonanzen des hier beobachteten Instrumentenkorpus können wesentlich zur Frequenzresponse der Violine und zur Abstrahlung beitragen. Der Geigenbauer steuert die Frequenzen und Getaltung von den Schwingungsmodi, um eine erwünschte, d.h. "Gute-Violine-ähnliche" Resonanzkurve zu erzielen. Die übliche Methode in der Geschichte des Geigenbaus ist die Vewendung von Klopftöne, kombiniert mit tranierten Ohren, und wie wir gesehen haben, funktioniert es auch tadellos!
Die Decke und Boden einer Laute des Kollegen Hadnagy wurde dann auch gemessen. Die tiefe erste Resonanz der Deckplatte, die bei 110 Hz im Bereich des Kontrabasses liegt, lässt sich leicht erklären: obwohl die Fläche bei der Kontrabassdecke viel größer ist, ist die Stärke der Lautendecke viel dünner. D.h., die Decke des Basses ist pro Einheit Fläche viel steifer. Die Position und Resonanzen der Unterstüzungsbalken der Laute hat man durch die Laservibrometrie gut beobachten können (Bild unten). Es hat sich wie erwartet erwiesen, dass die Schwingungen des gewölbten Bodens wegen des schwachen Signals und der schwachen Kopplung zur Decke nicht besonders gut zu beobachten waren.
Die zwei Diagramme zeigen den Unterschied um ca. 525 Hz: die an der Bass-Seite des Steges gemessene Kurve weist in der Admittanz eine Spitze auf, die auf der Diskant-Seite nicht vorhanden ist. Weiter unten sind die Laseranalysen von den Resonanzen des Stegbereichs an der Decke. Der ganze Steg schwingt in Phase normal (senkrecht) zur Decke bei 250 Hz, daher die gleiche Spitzen in der Admittanzkurve. Bei 525 Hz befindet sich ein Knotenlinie durch den Steg. Die zwei Hälften Schwingen also gegenphasig normal zur Decke und verursachen den unterschiedlichen Spitzen in der Admittanzkurve.
Bilder: die mechanische Admittanz des Steges, gemessen mit dem Impulshammer und Beschleunigungsaufnehmer an der Bass-Seite (oben) und auf der Diskant-Seite (unten) des Steges.
Oben: Die Deckenschwingung einer Laute bei ca. 250 Hz, und unten: die Deckenschwingung bei ca. 525 Hz.
Dieses Messsystem ist nur eine von vielen Möglichkeiten, das eigene Resonanzverhalten eines Saiteninstruments zu quantifizieren. Messmethoden beeinflussen oft das Resonanzverhalten des Messobjekts, aber dieser Einfluss kann so gering wie möglich gehalten und in den Messergebnisse berücksichtigt werden. Im Falle der Laute, z. B., stellt der Shaker (mechanische Anregung) am Steg der Laute eine zusätzliche Masse dar. Daher werden gewisse Resonanzen dedämpft oder ihre Frequenzen leicht verschoben. Die Laute ist auch auf einem Stativ montiert, das auch die Schwingungen des Halses im tiefen Frequenzbereich stört (allerdings werden diese auch in der Praxis von den Musiker/ der Musikerin auf anderer Art und Weise gedämpft!). Mit der Verwendung des Shakers kann man aber das genaue Eingangssignal mitmessen, Phaseninformation gewinnen und Störungen wegrechnen um die Eigenschaften des Objekts viel akkurrater zu erfassen. Für unsere einfache Messung ist eine Annahme notwendig: dass Störungen minimal sind und, dass wichtige Informationen der Messung trotzdem enthalten sind.
Die Violine wurde widerum mit einem Lautsprecher angeregt (akustische Anregung). Während die Halsresonanzen durch die Aufhängung gedämpft wurden, sind die Korpusresonanzen berührungslos angeregt und abgetastet gewesen. Wir haben verzichtet auf quantitative Phasendaten, haben dafür (fast) völlig ungedämpte Schfwingungsformen und Frequenzen am Korpus. In der Praxis müssen also die Vor- und Nachteile von der jenigen Methode abgewogen werden um die beste Lösung zu einem spezifischen Problem finden zu können. Eine Batterie von verschiedene Methoden ist wahrscheinlich der beste weg um die tatsächliche Eigenschaften eines Saiteninstruments zu erfassen.
Notizen:
Danke nochmals an Mag. Donhauser und Frau Prucha des TMW für die Möglichkeit das Gerät zu benutzen und den ermäßigten Eintritt zu ermöglichen! Und danke auch an den Teilnehmer und meinem Assistenten, Andreas!
Themenvorschläge zum referieren und schreiben:
Eine Zusammenfassung von wichtigen Arbeiten in der Literatur zu den Klangeigenschaften von Holz.
Eine Zusammenfassung von traditionellen und nicht-traditionellen Bauweisen der Gitarre.
Ein akustischer Vergleich der Violine und Gitarre.
Durführung und Dokumentation von einem eigenen Versuch, bezogen auf ein Instrument, ein Material, oder ein spieltechniches Problem.
Ein Vorschlag für ein neues Forschungsprojekt zur akustik eines Streich- oder Zupfinstruments, mit einer detailierten Zielsetzung und Experimentenplanung.
Vorführung einer Messmethode die nicht vom Lehrveranstaltungsleiter gezeigt wurde.
Vorführung einer Klanganalyse des eigenen Instruments, die mehr als eine Tonabnahmesystem verwendet (z.B. Mikrofon, Beschleunigungsaufnemer, Piezotonabnehmer, magnetischer Tonabnehmer, oder andere).
Ein Referat über die Schwierigkeiten und Pardoxen von Instrumentalakustikforschung, bzgl. Raumakustik, Musiker, usw.
Die Erklärung und Vorführung von Phänomäne der Musikakustik die beim Musizieren vorkommen.
Literaturquellen (Auswahl):
Benade,
A. (1990). Fundamentals of Musical Acoustics, 2nd ed., Dover
Publications, New York.
Campbell,
M. and C. Greated (1987). The Musician’s Guide to Musical Acoustics.
Oxford Univ. Press, Oxford.
Dünnwald,
H. (1988).
Ableitung objektiver Qualitätsmerkmale aus Messungen an alten und neuen
Violinen. In Qualitätsaspekte bei Musikinstrumenten, pp. 77-85. Meyer,
J. (ed.), Moeck Verlag, Celle.
Hall,
D. (1991). Musical Acoustics, 2nd ed. Brooks/Cole Pub. Co., Belmont,
California.
Helmholz,
H. v. (1877). On the
Sensations of Tone,
4th ed. Translated by A.J. Ellis, Dover, New York, 1954.
Jansson,
E. V. (1995). Admittance
Measurements of 25 High Quality Violins. Acustica,
83,
337-341.
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Bochinsky, Frankfurt/M.
Roederer,
J. G. (1975). Physikalische und Psychoakustische Grundlagen der Musik.
Springer-Verlag, New York.
Rossing,
T. D. and N. H. Fletcher (1998). The Physics of Musical Instruments.
Springer, New York.
Sundberg,
J. (1989). The Science of Musical Sound, 3rd ed. English translation
by the Academic Press, San Diego (2001).
Gute Links zu Grundlagen der Instrumentalakustik:
Eine
geniale Einführung von Joe Wolfe, University of New South Wales, Australia:
Eine
geniales Werk für die praktische Anwendung für Geigen- und Gitarrenbauer,
von Erik Jansson, KTH Stockholm, Schweden:
(Update 05.06.04)