Musikalische Akustik

Die Klangqualität der Orgelpfeifen ist die Signatur des Orgelbauers. Allerdings reichen die im letzten Jahrhundert festgelegten Mensuierungsregeln und Intonationsmethoden nicht aus.

Forschung und Entwicklung in der Musikalischen Akustik

Europäische CRAFT-Projekte

EU-Flagge
SEVENTH FRAMEWORK PROGRAMME - Programme

Musikinstrumente sind allen Regionen der Welt tief in den kulturellen Traditionen verwurzelt. Sie sind Teil  des Kulturerbes, ihre Erhaltung und Weiterentwicklung verdient unsere höchste Aufmerksamkeit. Das Fraunhofer IBP widmet sich seit vielen Jahren der Erforschung europäischer Musikinstrumente, insbesondere der Orgel. Die Bewahrung ihres Klangs, die Begleitung des Instrumentenbaus und Weiterentwicklung mittels Integration moderner Technologien stehen im Fokus der Verbundforschung mit anderen Forschungseinrichtungen und einer Vielzahl europäischer Orgelbauer. Für die Vertiefung und Verbreitung des hier gewonnenen Klangwissens, aber auch für die Verknüpfung von Tradition und Innovation konnte ein umfangreiches Instrumentarium entwickelt werden.

Die Musikalische Akustik bearbeitet u.a. von der EU unterstützte Forschungsprojekte zum Nutzen kleiner und mittelständischer Orgelbauunternehmen.

Klangauslegung bei Zungenpfeifen mit innovativen Werkzeugen - REEDDESIGN

SIEBTES RAHMENPROGRAMM  »Kapazitäten« - Forschung zum Nutzen der Kleinen und Mittleren Unternehmen Genehmigungsvertrag Nr.: 286539

Das Projektziel besteht in der Lösung praktischer Probleme bei der Dimensionierung und Intonation von Zungenpfeifen, mit denen kleine und mittlere Orgelbauerunternehmen (KMU, kleine und mittlere Unternehmen) konfrontiert sind. Um die Klangauslegung und Intonationsanpassung zu erleichtern, werden innovative Verfahren, Werkzeuge und Software sowie neue Pfeifenarten entwickelt. Am Projekt sind acht KMUs aus sieben Ländern beteiligt, die ein großes Interesse an dieser Forschung vereint. Zugleich sorgen sie für die Verbreitung der Forschungsergebnisse in ihren Ländern mit unterschiedlicher Tradition im Orgelbau sowohl in kultureller als auch in technischer Hinsicht. Zur Entwicklung innovativer Instrumente zur Klangauslegung, Dimensionierung und Intonation von Pfeifen ist mehr Wissen erforderlich. Welche Rolle spielen die Kehle und der Becher von Zungenpfeifen? Welche Bedeutung haben die Intonationsschritte für den Einschwingvorgang und die Klangfarbe der Zungenpfeifen? Um diese Fragen zu beantworten, werden die Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Pfeifenteilen und Intonationsschritten mit dem Pfeifenklang durch gezielte Experimente und Computersimulationen erforscht.

Die wichtigsten Teilziele des Projektes sind:

  • Neue Dimensionierungsverfahren, die auf neuen Erkenntnissen über die Dimensionierung von Zungenpfeifen beruhen.
  • Auslegungssoftware für die Dimensionierung von Zungenpfeifen, um einen besseren Klang sowie eine schnelle und zuverlässige Dimensionierung von Zungenpfeifen zu erreichen.
  • Entwicklung eines Demonstrationsmodells zur In-situ-Qualitätskontrolle der Elastizität und Härte des Zungenmaterials.
  • Entwicklung eines Demonstrationsmodells zur In-situ-Kontrolle der Krümmung der Zunge, die hauptsächlich die Klangqualität bestimmt.

Sie lassen sich nur durch gezielte, gemeinschaftliche Forschung der Projektpartner erreichen. Der Beitrag  der Partnerunternehmen besteht in der Herstellung und Modifikation von Zungen, Kehlen, Becher und kompletten Zungenpfeifen sowie in der Bereitstellung von Intonateuren für die Laborexperimente. Darüber hinaus validieren sie die Ergebnisse in ihren Werkstätten. Die Unternehmen erwarten einen Wettbewerbsvorteil aufgrund einer Kostensenkung um ca. 15 % und einer besseren Klangqualität der Orgelpfeifen eine insgesamt bessere Position auf dem internationalen Markt.

Partner

KMU-Partner

  • Oficina e Escola de Organasia Ltd., Esmoriz (Porto), Portugal
  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Deutschland
  • Manufacture d'Orgues Muhleisen, Strasbourg, Frankreich
  • Flentrop Orgelbouw B.V., Zaandam, Niederlanden
  • Orgelbau Schumacher, Baelen, Belgien
  • Blancafort, orgueners de Montserrat S. L., Collbato, Spanien
  • Fratelli Ruffatti Pipe organ builders, Padova, Italien
  • Johannes Klais Orgelbau, Bonn, Deutschland
  • Pécsi Orgonaépitö Manufaktúra KFT, Pécs, Ungarn

Partner für Forschung und technologischen Fortschritt

  • Steinbeis GmbH & Co. für Technologietransfer / Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Akustik, Stuttgart, Deutschland
  • Economics, Budapest, Hungaryt, Ungarn

Forschungsorgel - Ort der Ideen 2012

Forschungsorgel des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik
© Foto Fraunhofer IBP

Forschungsorgel des IBP

© Foto Fraunhofer IBP

Klaviatur der Forschungsorgel

Erstmalig steht den Wissenschaftlern des Fraunhofer IBP nun auch ein musikalisches Forschungsinstrument zur Verfügung, die neue Forschungsorgel. Ihr transparenter und einzigartiger Gestaltungsspielraum ermöglicht die Demonstration von Forschungsergebnissen, die Untersuchung technischer und klanglicher Fragen des Orgelbaus sowie die hörbare Erprobung von Klangideen. So ist die Windlade eines Manuals austauschbar, um Ventile und Pfeifenanordnungen zu erproben.

Die Klaviatur ist für den Einbau von elektrischen Kontakten für neuartige elektrische Ventile vorbereitet.  Auch die Pfeifenstöcke sind modifiziert und erlauben den Austausch und die Untersuchung neuartiger Pfeifenformen, wie in Bild 3 zu sehen ist. Eine besondere Variabilität bringt ein adaptives Windsystem mit sich, da es zwischen traditioneller und innovativer Ausführung ohne Balg umgeschaltet werden kann. Die Dynamik der Forschungsorgel wird durch das neu entwickelte Schwellwerk mit symmetrischen Jalousien hörbar. Es können direkte Messungen an der Forschungsorgel einfach an Ort und Stelle durchgeführt werden.  

All diese großen und kleinen Details sind Ergebnisse vieler Projekte der Orgelforscher des Fraunhofer IBP in den vergangenen Jahren. Eine 20-jährige Tradition findet mit der Forschungsorgel ihren vorläufigen Höhepunkt, der auch die Juroren der gemeinsamen Initiative von Wirtschaft und Bundesregierung »Deutschland - Land der Ideen« überzeugte. Sie kürten dieses einzigartige Instrument als »Ort der Ideen 2012«. Die Erfolgsgeschichte geht aber weiter, mit der Forschungsorgel wird sich das Klangwissen erweitern und sie ist offen für neue Verbindungen von Kunst und Wissenschaft, von Musik und Physik.

Partner

  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Deutschland

Innovative Verfahren und Werkzeuge zur Klanggestaltung und Dimensionierung von Orgelpfeifen

Das wichtigste Ziel ist es, die praktischen Probleme im Hinblick auf die Intonation von Lippenorgelpfeifen zu lösen und innovative Verfahren und Werkzeuge zu entwickeln, die die Intonationsanpassungen und die Aufgabe der Klanggestaltung der kleinen und mittleren Orgelbauer-Unternehmen unterstützen. Das Projekt basiert auf dem Wissen, das zuvor aus dem erfolgreich abgeschlossenen »DEMORGPIPE« CRAFT Projekt (G1ST-CT-2002-50267) gewonnen wurde, das zu einer wissenschaftlichen Erklärung der Mensurierungsregeln der Lippenorgelpfeifen und anderer Interessensgebiete der kleinen und mittleren Orgelbauer-Unternehmen führte. Deshalb haben sich auch neue kleine und mittlere Unternehmen dem gegenwärtigen Projektvorschlag angeschlossen. Dadurch wird ein hohes Maß an Wissenstransfer unter Ländern mit verschiedener technischer und kultureller Tradition im Orgelbau erreicht. Ein besseres wissenschaftliches Verständnis der Intonationsschritte beim Einschwingvorgang und der Klangqualität von Lippenorgelpfeifen wäre erforderlich, um innovative Werkzeuge zu entwickeln, die die Intonateure bei ihrer Arbeit unterstützen, doch es gibt noch kein wissenschaftliches Modell der Intonationsanpassungen. Dieses Ziel wird durch wissenschaftliche Untersuchungen der Auswirkungen der Intonationsschritte auf den Pfeifenklang anhand von experimentellen Laboruntersuchungen und wissenschaftlichen Analysen erreicht. Die wichtigsten Ziele sind:

  • Bessere Klangqualität der Lippenpfeifenregister von Pfeifenorgeln mit Optimierung der Intonationsverfahren und Intonationsschritte,
  • Kostenreduzierung bei Intonationsanpassungen durch wissenschaftlich fundierte Optimierung des Intonationsvorgangs und
  • Kostenreduzierung bei der Pfeifenherstellung durch innovative Verfahren und Werkzeuge: anwenderfreundliche Auslegungs- und Gestaltungssoftware auf der Grundlage einer wissenschaftlichen Klanggestaltungsmethode.

Diese Ziele werden durch gezielte Forschung erreicht, die von den Projektpartnern für Forschung und Entwicklung durchgeführt wird. Die Partner von kleinen und mittelständischen Unternehmen leisten ihren Projektbeitrag durch die Auslegung der Pfeifen nach den Untersuchungen, indem Orgelpfeifen und Intonateure für die Laborexperimente zur Verfügung gestellt werden, und indem die Ergebnisse in ihren Werkstätten ausgewertet werden. Eine Kostenreduzierung von ca. 15 - 20 % und eine Verbesserung der Klangqualität der Pfeifenorgeln sind zu erwarten.

Partner

KMU-Partner

  • Oficina e Escola de Organasia Ltd., Esmoriz (Porto), Portugal
  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Germany
  • Manufacture d'Orgues Muhleisen, Strasbourg, France
  • Flentrop Orgelbouw B.V., Zaandam, The Netherlands
  • Orgelbau Schumacher, Baelen, Belgium
  • Blancafort, orgueners de Montserrat S. L., Collbato, Spain
  • Fratelli Ruffatti Pipe organ builders, Padova, Italy
  • Johannes Klais Orgelbau, Bonn, Germany
  • Pécsi Orgonaépitö Manufaktúra KFT, Pécs, Hungary
  • Orgelmakerij Boogaard, Niederlande

 

Partner für Forschung und technologischen Fortschritt

  • Steinbeis GmbH & Co. für Technologietransfer / Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Akustik, Stuttgart, Germany
  • Budapest University of Technology and Economics, Budapest, Hungary

Numerische und experimentelle Studie über die Klangerzeugung in Lippenorgelpfeifen

Die wichtigsten Teile einer Lippenorgelpfeife

Bild 1

Blockdiagramm des Klangmechanismus.

Bild 2

Numerische Simulation eines vom Klang abgelenkten Luftstrahls.

Bild 3

European Marie Curie Incoming International Fellowship

 

Das Projekt wurde am Fraunhofer IBP gestartet, um eine Studie über den Klangmechanismus der Lippenorgelpfeife auszuarbeiten. Der Ansatz in diesem Projekt ist interdisziplinär: Zusätzlich zu den neuesten experimentellen Verfahren wie z. B. hochauflösende akustische Messungen [1-8], werden auch die Strömungsvisualisierung [9] sowie LDA-Verfahren [10-11] und das Verfahren der numerischen Strömungssimulation (CFD) auf dem neuesten Stand der Technik [12-13] angewandt. Das Projektziel ist es, den gegenwärtigen Kenntnisstand zu erweitern und ein Klangerzeugungsmodell zu schaffen, mit welchem die tatsächliche Lippenpfeife so genau wie möglich simuliert werden kann. Dabei geht es insbesondere darum, den Schallpegel und die Pfeifenfußdrücke, bei denen Modenübergänge auftreten, zu reproduzieren, sowie die Auswirkung von Intonationsanpassungen auf den Klang, ein Hauptanliegen der Orgelbauer, darzustellen.

Die Forschung an Lippenorgelpfeifen hat eine lange Tradition. Seit Lord Rayleigh in seinem Buch [14] die Instabilität eines Luftstrahls erörterte, ist die Bewegung des Strahls, der von einem akustischen Feld umgelenkt wird, in verschiedener Weise modelliert und für den Klangmechanismus verwendet worden. Heutzutage können wir mit Hilfe der physikalischen Modellierungsmethode das grundlegende Verhalten der Lippenpfeife simulieren, wie z. B. den Modenübergang und die Erhöhung der Tonlage bei zunehmendem Pfeifenfußdruck [15-16]. Wir sind auf einem guten Weg, doch wissen wir noch lange nicht alles. Das simulierte Verhalten unterscheidet sich von den Messungen an einer realen Pfeife in verschiedenen Punkten [17]. So wird z. B. die Klangamplitude bei der Simulation im Vergleich zu den gemessenen Amplituden um 10 bis 20 dB höher dargestellt. Die Modelle können somit noch nicht jedes Detail der Intonationsanpassung beschreiben.

Die wichtigsten Teile einer Lippenorgelpfeife werden in Bild 1 gezeigt. Ein Luftstrahl tritt aus dem Schlitz (Kernspalte) aus, strömt durch eine Öffnung (Pfeifenmund) und prallt auf die Kante (Labium) über dem Pfeifenmund. Ein Teil der Luft, die in die Pfeife eintritt, regt den Klang an. Andererseits lenkt der Klang den Luftstrahl um und erzeugt eine laterale Schwingung (Querschwingung) des Luftstrahls. Die Schwingung wird zusätzlich durch die strömungstechnische Rückführung vom Labium angeregt.

Der Klangmechanismus kann also als selbst angeregte Schwingung, wie in Bild 2 dargestellt, betrachtet werden. Die akustische Anregung aufgrund des Luftstrahls und die Luftstrahlumlenkung aufgrund des Klangs und der Luftströmung erzeugen eine Rückkopplungsschleife. Wenn die Schleife eine positive Verstärkung hat und verschiedene Verluste aufgrund der Viskosität, Wärmeleitung und Schallabstrahlung übersteigt, beginnt die Pfeife zu klingen. Ob der Klang erzeugt wird oder nicht, hängt von den Parametern ab. So werden z. B. durch die Veränderung der Luftdruckzufuhr in die Pfeife (Pfeifenfußdruck) verschiedene Schwingungs- oder Nichtschwingungszustände erreicht.

Die Forschung ist aufgrund von nicht linearen Kennwerten der Strömungsmechanik schwierig. Dieses Hindernis hielt Lord Rayleigh und andere davon ab, den Klangmechanismus im Detail zu untersuchen. Es ist in der Tat nicht einfach, die Bewegung des Luftstrahls analytisch vorherzusagen. In jüngster Zeit hat sich die Situation in hohem Maße aufgrund der raschen Entwicklung von Computer-Hardware und Computer-Software verbessert. So ist es heutzutage nicht mehr unmöglich, die Strahlbewegung mit Hilfe des modernsten Software-Codes und ausreichenden Computer-Ressourcen numerisch zu simulieren (vgl. Bild 3).

            Film eines oszillierenden Luftstrahls während der Tonerzeugung.

        Film eines osziliierenden Luftstrahls bei einem typischen Schneidentonaufbau

 

Um Ergebnisse zu erlangen, die nicht nur der Forschung dienen, sondern auch für die Orgelbauer von Nutzen sind, wird in diesem Projekt auf die Übereinstimmung von Theorie und Praxis besonders Wert gelegt. Deshalb werden in der Forschung die Simulationsergebnisse sorgfältig mit den Ergebnissen von akustischen und strömungstechnischen Experimenten an tatsächlichen Orgelpfeifen verglichen.

Der Einfluss eines jeden Details der Instrumentenform wie z. B. die Kernspaltenmaße, der Kernstich am Kernspaltenausgang und die Abstimmschärfe des Labiums bis hin zum erzeugten Klang, kann erfolgreich durch das physikalische Modell erklärt werden. Diese Forschungsergebnisse können die Hersteller von Musikinstrumenten dabei unterstützen, die Qualität der Instrumente zu verbessern und neue Arten von Klangfarben zu erzeugen

Vertrags-Nr. 21505 für Dr. Sc. Seiji Adachi aus Japan

Literatur

 [1] A. Miklos, J. Angster: Properties of the Sound of Flue Organ Pipes. Acustica united with Acta Acustica. Vol. 86. 2000, (611-622)
 [2] T. Wik: Einschwingvorganganalyse von Orgel- und Gitarrenklängen mit modernen Messtechniken, 1. Physikalisches Institut, Universität Stuttgart (2004)
 [3] Ch. Täsch, T. Wik, J. Angster, A. Miklós: Einschwingvorgang-Analyse von Lippenorgelpfeifen mit unterschiedlicher Aufschnitthöhe. IBP Mitteilung 442, 2004
 [4] Ch. Täsch, T. Wik, J. Angster, A. Miklós: Attack transient Analysis of flue organ pipes with different cut-up height. CFA/DAGA '04, Strasbourg, CD1, article 590., 2004
 [5] J. Angster, Wik, T., Ch. Täsch, Y. Sakamoto, A. Miklós: The influence of pipe scaling parameters on the sound of flue organ pipes. J. Acoust. Soc. Am, Vol. 116, No. 4, Pt.2, 2513, 2004
 [6] Y. Sakamoto, S. Yoshikawa, J. Angster: The influence of pipe scaling parameters on the sound of flue organ pipes. J. Acoust. Soc. Am, Vol. 116, No. 4, Pt.2, 2512, 2004
 [7] J. Angster, T. Wik, Ch. Taesch, A. Miklós and Y. Sakamoto: Experiments on the influence of pipe scaling parameters on the sound of flue organ pipes. Forum Acusticum, Budapest, CD, Article 128_0, 603-609, 2005
 [8] Y. Sakamoto, J. Angster, S. Yoshikawa: Acoustical investigations on the ears of flue organ pipes. Forum Acusticum, CD, Article 545_0, 647-651 Budapest, 2005
 [9] S. Pitsch: Schneidentonuntersuchungen an einem Orgelpfeifenfußmodell mittels Wasserkanal- und akustischen Messungen, Universität Stuttgart (1996)
[10] G. Paal, J. Angster, W. Garen,; A. Miklós: A combined LDA and flow-visualization study on flue organ pipes. Experiments in Fluids, electronic publication is accessible for authorized users: DOI 10.1007/s00348-006-0114-0, (2006).
[11] G. Paál, J. Angster, W. Garen & A. Miklós: A combined LDA and flow-visualization study on flue organ pipes. Experiments in Fluids. 40, H.6: 825-835 (2006)
[12] S. Adachi: CFD analysis of air jet deflection --- Comparison with Nolle's measurement. Proc. of Stockholm Music Acoustics Conference 2003, 313-316 (2003)
[13] S. Adachi: Numerical Analysis of an air jet: Toward understanding sounding of air-jet driven instruments. Special Issue of the Revista de Acustica XXXIII, Forum Acusticum, MUS-04-002-IP (2002)
[14] Lord Rayleigh: The theory of sound. Volume 2. Macmillan, New York. Reprinted by Dover, New York, 1945 (1896)
[15] S. Adachi: Dynamical modeling of jet deflection mechanism in organ flue pipes. Proc. of Int. Symposium on Musical Acoustics, 317-320 (2001)
[16] S. Adachi: Time-domain modeling and computer simulation of an organ flue pipe. Int. Symposium on Musical Acoustics, Proceedings of the Institute of Acoustics, Vol. 19 251-260 (1997)
[17] S. Adachi: Principles of sound production in wind instruments. Acoust. Sci. Tech. Vol. 25(6) 400-405 (2004)

Innovative Bemessungsverfahren zur Anpassung der Pfeifenorgel an die Akustik

Europäisches CRAFT-Projekt (Co-operative Research Action For Technology)

 

Die Herstellung von Pfeifenorgeln ist in Europa ein traditioneller Industriezweig. Ein wesentlicher Einflussfaktor für die Wettbewerbsfähigkeit kleiner und mittelständischer Unternehmen im Bereich des Orgelbaus ist die Qualität der Pfeifenorgeln. Der vielleicht wichtigste Aspekt in Bezug auf die Qualität ist dabei die Anpassung der Pfeifenorgel an die akustischen Eigenschaften einer Kirche oder eines Konzertsaales. Das heißt, die Qualität des Instruments kann nicht unabhängig vom Raum beurteilt werden. Der Klang, den der Zuhörer wahrnimmt, wird sowohl von der Pfeifenorgel als auch von der Raumakustik bestimmt. Die Klangqualität ist ein wesentlicher Faktor, weil sie die Handschrift des Orgelbauers trägt und seinen Ruf ausmacht. Orgelbau ist ein traditionelles Handwerk, das Teil des europäischen Kulturerbes ist, das es zu erhalten gilt. Dennoch können heutzutage innovative Bemessungsverfahren und Technologien in der täglichen Praxis angewandt werden, ohne dass dabei wertvolle Traditionen gefährdet werden. Dieses Projekt unterstützt die gesellschaftliche und politische Zielsetzung der Europäischen Kommission.

Raumakustische Verfahren, die auf dem neuesten Stand der Technik sind, werden von den Orgelbauern im Bereich der kleinen und mittelständischen Unternehmen nicht angewandt. Ein Grund dafür ist die völlig verschiedene Denkweise und Terminologie von Akustikern und Orgelbauern. Deshalb kann der Orgelbauer seine Anforderungen an die akustischen Eigenschaften eines Raumes nicht so formulieren, dass sie der Akustiker versteht. Andererseits kann der Orgelbauer die Ergebnisse raumakustischer Untersuchungen aber auch nicht direkt bei der Bemessung der Mensurierung seiner Orgelpfeifen verwenden. Ein Ziel des Projektes ist es deshalb, einen wesentlichen Beitrag zum besseren Verständnis zwischen Raumakustik und Orgelbau zu leisten.

Neben den bereits erwähnten, mehr oder weniger subjektiven Problemen des gegenseitigen Verstehens gibt es auch objektive Schwierigkeiten bei der Anwendung raumakustischer Verfahren zur Bemessung von Pfeifenorgeln. Diese Probleme können in die folgenden drei Themenbereiche unterteilt werden:

  • Unzulänglichkeit der standardisierten Verfahren der Raumakustik für die Pfeifenorgel
  • Fehlende Informationen über die emittierte Schallleistung der Orgelpfeifen
  • Spezifische Anforderungen von Orgelbauern an die Akustik eines Raumes

Bei der Durchführung des Forschungsprojektes wird versucht werden, Lösungen für die oben genannten Probleme zu finden. Zum ersten Mal in der langen Tradition des Orgelbaus wird eine wissenschaftliche Grundlage für die Bemessung und Anpassung von Pfeifenorgeln an die akustischen Eigenschaften einer Kirche oder eines Konzertsaales geschaffen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Erkenntnisse der Raumakustik, die Akustik der Orgelpfeifen und die Tradition des Orgelbaus mit der neuen, innovativen Bemessungsmethode verbunden.

Vertrags-Nr. COOP-CT-2005-017712

Partner

KMU-Partner

  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Germany
  • Manufacture d'Orgues Muhleisen, Strasbourg, France 
  • Flentrop Orgelbouw B.V., Zaandam, The Netherlands
  • Orgelbau Schumacher, Baelen, Belgium
  • Blancafort, orgueners de Montserrat S. L., Collbato, Spain
  • Oficina e Escola de Organasia Ltd., Esmoriz (Porto), Portugal
  • Fratelli Ruffatti Pipe organ builders, Padova, Italy
  • Johannes Klais Orgelbau, Bonn, Germany
  • Pécsi Orgonaépitö Manufaktúra KFT, Pécs, Hungary
  • Orgelmakerij Boogaard, Niederlande

Partner für Forschung und technologischen Fortschritt

  • Steinbeis GmbH & Co. für Technologietransfer / Steinbeis-Transferzentrum Angewandte Akustik, Stuttgart, Germany
  • AFT Acoustics Ltd., Budapest, Ungarn
    heute: Arató Akusztika Kft

Entwicklung einer innovativen Orgelpfeifen-Konstruktionsmethode

Fraunhofer IBP

Europäisches CRAFT-Projekt (Co-operative Research Action For Technology)

 

Die Herstellung von Orgelpfeifen ist ein traditioneller Industriezweig in Europa. Dabei ist für die kleinen und mittleren Unternehmen der Orgelbauer die Qualität der Orgelpfeifen von entscheidender Bedeutung für ihre Konkurrenzfähigkeit. Wir unterscheiden zwei Qualitätsaspekte, zum einen die technische Qualität, womit die Qualität der Orgel als technisches Produkt gemeint ist, und zum anderen die ästhetische Qualität, die die Klangqualität der Orgel bezeichnet. Die Klangqualität ist insofern ein wesentlicher Faktor, als sie die Handschrift des Orgelbauers trägt und seinen guten Ruf begründet. Die Klangqualität der Pfeifenreihen (Register) ist abhängig von der Dimensionierung (Mensuration) sowie von der Intonation der Pfeifen. Das Ziel von Mensuration und Intonation ist es, die geforderte Qualität des wahrgenommenen Klangs zu garantieren, indem die geometrischen Parameter der Pfeife richtig ausgewählt und angeglichen werden.

Bis heute wird die Dimensionierung von Orgelpfeifen nach den Mensurationsregeln, die im vergangenen Jahrhundert festgelegt wurden, ausgeführt. Pfeifenreihen (Register), die nach diesen Regeln dimensioniert sind, können im Allgemeinen nicht die geforderte Qualität in bestimmten Tonhöhenbereichen erreichen, weil durch die Intonation einzelner Register sich regelmäßig ein Bereich ergibt (eine Oktave oder mehr), in dem der gewünschte Klangcharakter der Pfeifen nicht erzielt werden kann. In diesem Fall muss ein kleines oder mittleres Unternehmen viel Arbeit in den Versuch investieren, den gewünschten Klang zu erreichen, was, wie sich letztlich herausstellen wird, physikalisch nicht möglich ist, weil die Dimensionierung der Pfeifen nicht adäquat ist.

Der Orgelbau ist ein traditionelles Handwerk, das erhalten werden sollte. Dennoch sollten innovative Planungsverfahren und Technologien in der täglichen Praxis angewandt werden, ohne dass dabei die wertvollen Traditionen gefährdet werden. Die teilnehmenden kleinen und mittleren Unternehmen sind überzeugt, dass neue und zuverlässigere Mensurations- und Intonationsverfahren im Orgelbau gebraucht werden, um eine hohe Klangqualität zu garantieren und die Kosten für Pfeifenorgeln zu reduzieren.

Die Ziele des Forschungsprojekts sind:

Anwendung der neuesten Ergebnisse der subjektiven Akustik und der Forschungsergebnisse zur Orgelpfeifenakustik zur Bestimmung der Interdependenz von Klangqualität, geometrischen Dimensionen und Form der Labialorgelpfeifen. Dieses Wissen wird zur Entwicklung einer wissenschaftlichen Mensurationsmethode genutzt werden.

  • Eine Mensurationsmethode auf der Grundlage von subjektiven und objektiven Gesetzen der Akustik zur Dimensionierung von Labialorgelpfeifen.
  • Eine Software zur Planung der Orgelpfeifendimensionierung für die wichtigsten Pfeifenreihen (Register).
  • Ein Instrument zur Messung und Aufzeichnung des Einschwingvorgangs (der Ansprache) des Pfeifenklangs. Dieses Instrument kann auch für die Ausbildung von jungen Intonateuren verwendet werden.


Vertrags-Nr. G1ST-CT-2002-50267

Partner

KMU-Partner

  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Bundesrepublik Deutschland (Projektkoordinator)
  • Manufacture d'Orgues Muhleisen, Strasbourg, Frankreich
  • Christian Scheffler Orgelwerkstatt, Sieversdorf (Frankfurt/Oder), Deutschland
  • Orgelbau Schumacher, Baelen, Belgien
  • Blancafort, orgueners de Montserrat S. L., Collbato, Spanien
  • Oficina e Escola de Organasia, Ltd., Esmoriz (Porto), Portugal
  • Fratelli Ruffatti Pipe organ builders, Padova, Italien
  • Marc Garnier Orgues, Les Fins, Frankreich
  • Pécsi Orgonaépitö Manufaktúra KFT, Pécs,Ungarn
  • Mander Organs, London, Großbritannien
  • Orgelmakerij Boogaard, Niederlande

Partner für Forschung und technologische Entwicklung

  • Academy of Performing Arts, Prague, Tschechische Republik
  • Hochschule für Musik und Darstellende Kunst, Stuttgart, Deutschland

Ein Auslegungsprogramm für neuartige Windsysteme in Pfeifenorgeln

Software
Orgel

Europäisches CRAFT-Projekt (Co-operative Research Action For Technology)

Ziel ist eine zuverlässigere und qualitativ höherwertigere Planung und Herstellung von Windsystemen für Pfeifenorgeln und damit auch deren Kostenreduzierung. Die Schwerpunkte des Projekts liegen in der Optimierung der neuartigen offenen Windsysteme, ihrer Anpassung an praktische Anforderungen und der Entwicklung von Prototypen für den Orgelbau. Es hat sich in einem Vorgängerprojekt gezeigt, dass; die neuartigen Konstruktionen eine bessere Regulierung sowie kontrollierbarere Abklingzeiten des Druckes ermöglichen, als dies beim herkömmlichen Windsystem der Fall ist. Die neuen Konstruktionen sind jedoch noch nicht optimiert worden, da den Orgelbauern für die Planung solcher Windsysteme keine geeignete Konstruktionsmethode zur Verfügung steht. Deshalb sollen die neuartigen Windsysteme in Laborversuchen optimiert werden mit dem Ziel, fünf Prototypen zu entwickeln. Für Balg, Auslaßventile und mechanische Druckregulierungen sollen einheitliche Standards festgelegt sowie eine Konstruktionssoftware entwickelt werden, mit der die neuartigen Windsysteme praxisnah dimensioniert werden können. Schließlich werden die oben erwähnten Prototypen der neuartigen Windsysteme angefertigt und in je eine neue Kirchenorgel eingebaut. Diese Pfeifenorgeln werden mit offenen Windsystemen versehen, die auf den Laborprototypen basieren.

Dieses Projekt erfordert die Sach- und Fachkunde vieler erfahrener Orgelbauer; daher arbeiten die Projektpartner in Teams zusammen.

Vertrags-Nr. G1ST-CT2001-50139

Partner

Projektpartner

  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Deutschland
  • Manufacture d'Orgues Muhleisen, Strasbourg, Frankreich
  • Orgelbau Wegscheider, Dresden, Deutschland
  • Christian Scheffler Orgelwerkstatt Sieversdorf (Frankfurt/Oder), Deutschland
  • Marcussen & Son, Orgelbyggeri A/S, Aabenraa, Dänemark
  • Orgelbau Schumacher, Baelen, Belgien
  • Pels-d'Hondt Orgelbouw BVBA, Herselt, Belgien
  • Fratelli Ruffatti Pipe organ builders, Padova, Italien
  • Gerhard Grenzing, Papiol (Barcelona), Spanien

Projektpartner

  • Oficina e Escola de Organaria, Ltd., Esmoriz (Porto), Portugal
    Didier Grassin, London, Großbritannien
  • Pécsi Orgonaépitö Manufaktúra KFT, Pécs, Ungarn

Partner für Forschung und technologischen Fortschritt

  • Universität Siegen, Institut für Fluid- und Thermodynamik (IFT), Siegen, Deutschland
  • University of Edinburgh, Edinburgh, Großbritannien

Entwicklung und Modernisierung des Windsystems von Pfeifenorgeln

© Foto Fraunhofer IBP

Bild 1

Typisches Klangbild einer Orgelpfeife bei Druckschwankungen im Windsystem. Die Lautstärke steht in unmittelbarem Zusammenhang mit dem Druck in der Kanzelle (1Millimeter Wassersäule [mmWS]

Bild 2

© Foto Fraunhofer IBP

Bild 3

Europäisches CRAFT-Projekt (Co-operative Research Action For Technology)

Ende 2000 wurde ein von der EU unterstütztes Forschungsprojekt von zwölf Orgelbaufirmen aus neun europäischen Ländern in Zusammenarbeit mit der Fachhochschule Ostfriesland und der University of Edinburgh mit Erfolg abgeschlossen.

Das Windsystem ist ein Teil der Orgel, das ihren Klang nachhaltig beeinflusst. Unterliegt der Winddruck starken Schwankungen oder liegt eine »Windstößigkeit« vor, bewirkt dies zwangsläufig Änderungen bei der Lautstärke und der Frequenz des Pfeifenwerks. Im Laufe dieses Projekts sollte den Ursachen dieser Schwankungen auf den Grund gegangen werden, um dann für solche Probleme Abhilfe schaffen zu können. Ziel des Projekts war es, ein neues Windsystem zu entwickeln, das entweder durch eine verbesserte mechanische Regulierungseinrichtung oder ein elektronisches Steuerungssystem einen störungsfreien Betrieb der Orgel gewährleistet. An einem speziell für Demonstrationszwecke entworfenen Windsystem konnten sich die Projektpartner von der Funktionstüchtigkeit der neuen Regulierungen überzeugen. Obendrein stand die Entwicklung einer Computer-Software für eine sicherere und schnellere Planung des traditionellen Windsystems auf dem Programm.

Zunächst wurden in fünf Ländern neun Pfeifenorgeln vor Ort systematisch untersucht, um die Ursachen der Winddruckschwankungen bei verschiedenen Windsystemen herauszufinden (Bild 1). Da manche Messungen an einem so komplexen System wie einer Kirchenorgel nicht möglich sind, wurden im Labor des Fraunhofer IBP die wichtigsten Elemente eines Windsystems, d.h. verschiedene Balgtypen, Rollventile, Tonventile, und Gebläse einzeln auf ihre strömungstechnischen und auch akustischen Eigenschaften untersucht. Die so gewonnenen Messdaten dienten als Grundlage für alle weiteren Entwicklungsschritte. Für den Windverbrauch von großen Orgeln und den Druckverlust sowohl an einzelnen Elementen des Windsystems als auch an unterschiedlichen Pfeifen standen zum Beispiel bisher keine verlässlichen Daten zur Verfügung.

Mit Hilfe dieser Messergebnisse (Bild 2) konnte die Auslegungssoftware entwickelt werden. Sie ermöglicht es den Orgelbauern, den maximal zu erwartenden Windverbrauch einer Orgel, sowie die Abmessungen des Balges, des Rollventils und der Windkanäle zu berechnen. Kern der Software ist ein physikalisches Modell, das die strömungstechnischen Vorgänge im Windsystem und das Zusammenspiel der einzelnen Komponenten (z.B. Balg und Rollventil) beschrieben werden. Außerdem können mit dem Programm gezielt die gewünschte Stärke der Druckschwankungen und deren Abklingzeit eingestellt und danach die Dimensionierung von Balg und Rollventil vorgenommen werden. Für die Strömungsgeschwindigkeit in den Windkanälen ist ein Grenzwert vorgesehen, der zu große Druckverluste und Strömungsgeräusche verhindert. Mit Hilfe dieses Programmes können viele Probleme beim Entwurf von neuen Windsystemen von vornherein vermieden, bzw. bei schon bestehenden Windsystemen schnell ausfindig gemacht und beseitigt werden.

Im Laufe des Projekts entstanden drei neue Regulierungen für Windsysteme:
Zum einen handelt es sich dabei um zwei neuartige mechanische Regulierungen bzw. Auslassventile, die entweder am Balg oder an der Windlade montiert werden. Ihre Aufgabe ist es, für einen ständigen Ausfluss zu sorgen, der die auftretenden Druckschwingungen dämpft und den Betriebsdruck der Orgel gleichzeitig möglichst konstant hält. Zum anderen wurde ein elektronisch gesteuertes Auslassventil entwickelt. Es erfüllt die gleichen Aufgaben wie die mechanischen Regulierungen und kann darüber hinaus so eingestellt werden, dass das Winddruckverhalten ganz den Wünschen des Orgelbauers entspricht. Diese drei Steuerungen wurden an einem Demonstrationswindsystem im Labor des Fraunhofer IBP getestet und haben ihre Funktionstüchtigkeit bewiesen. Um sie auch in der Praxis zuverlässig einsetzen zu können, ist aber noch weitere Forschung notwendig.

Die am Projekt beteiligten Orgelbaufirmen wenden die Forschungsergebnisse schon jetzt bei ihrer praktischen Arbeit an. Mit Hilfe der Software konnten einige Probleme bei traditionellen Windsystemen lokalisiert und beseitigt werden. Das neue Computerprogramm ist ein sehr gutes Werkzeug, mit dem - in Verbindung mit den neu entwickelten Druckregulierungen - die Produktionskosten neuer Orgeln verringert werden können. In einem Folgeprojekt werden auf Anregung einiger Projektpartner hin die vielversprechenden Ergebnisse weiterentwickelt und für den ständigen Einsatz in der Praxis tauglich gemacht.

Diese Forschungsinitiative wurde von der Europäischen Gemeinschaft im Rahmen eines CRAFT-Projekts(Cooperative Research Action for Technology) unterstützt. Die nachfolgend genannten Firmen haben am Projekt teilgenommen.

Vertrags-Nr. BRST-CT98-5247

Partner

Projektpartner

  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Deutschland
  • Manufacture d'Orgues Muhleisen, Strasbourg, Frankreich
  • Orgelbau Wegscheider, Dresden, Deutschland
  • Christian Scheffler Orgelwerkstatt Sieversdorf (Frankfurt/Oder),Deutschland
  • Marcussen & Son, Orgelbyggeri A/S, Aabenraa, Dänemark
  • Orgelbau Schumacher, Baelen, Belgien
  • Pels-d'Hondt Orgelbouw BVBA, Herselt, Belgien
  • Fratelli Ruffatti Pipe organ builders, Padova, Italien
  • Gerhard Grenzing, Papiol (Barcelona), Spanien

Projektpartner

  • Oficina e Escola de Organaria, Ltd., Esmoriz (Porto), Portugal
    Didier Grassin, London, U.K.
  • Pécsi Orgonaépitö Manufaktúra KFT, Pécs, Ungarn

Partner für Forschung und technologischen Fortschritt

  • FH Ostfriesland, Emden, Deutschland
  • University of Edinburgh, Edinburgh, Großbritannien

Entwicklung eines innovativen Verfahrens zur Planung von Orgelpfeifen

© Foto Fraunhofer IBP

Die Herstellung von Orgelpfeifen ist ein traditioneller Industriezweig in Europa. Dabei ist für die kleinen und mittleren Unternehmen der Orgelbauer die Qualität der Orgelpfeifen von entscheidender Bedeutung für ihre Konkurrenzfähigkeit. Wir unterscheiden zwei Qualitätsaspekte, zum einen die technische Qualität, womit die Qualität der Orgel als technisches Produkt gemeint ist, und zum anderen die ästhetische Qualität, die die Klangqualität der Orgel bezeichnet. Die Klangqualität ist insofern ein wesentlicher Faktor, als sie die Handschrift des Orgelbauers trägt und seinen guten Ruf begründet. Die Klangqualität der Pfeifenreihen (Register) ist abhängig von der Dimensionierung (Mensuration) sowie von der Intonation der Pfeifen. Das Ziel von Mensuration und Intonation ist es, die geforderte Qualität des wahrgenommenen Klangs zu garantieren, indem die geometrischen Parameter der Pfeife richtig ausgewählt und angeglichen werden.

Bis heute wird die Dimensionierung von Orgelpfeifen nach den Mensurationsregeln, die im vergangenen Jahrhundert festgelegt wurden, ausgeführt. Pfeifenreihen (Register), die nach diesen Regeln dimensioniert sind, können im Allgemeinen nicht die geforderte Qualität in bestimmten Tonhöhenbereichen erreichen, weil durch die Intonation einzelner Register sich regelmäßig ein Bereich ergibt (eine Oktave oder mehr), in dem der gewünschte Klangcharakter der Pfeifen nicht erzielt werden kann. In diesem Fall muss ein kleines oder mittleres Unternehmen viel Arbeit in den Versuch investieren, den gewünschten Klang zu erreichen, was, wie sich letztlich herausstellen wird, physikalisch nicht möglich ist, weil die Dimensionierung der Pfeifen nicht adäquat ist.
Der Orgelbau ist ein traditionelles Handwerk, das erhalten werden sollte. Dennoch sollten innovative Planungsverfahren und Technologien in der täglichen Praxis angewandt werden, ohne dass dabei die wertvollen Traditionen gefährdet werden. Die teilnehmenden kleinen und mittleren Unternehmen sind überzeugt, dass neue und zuverlässigere Mensurations- und Intonationsverfahren im Orgelbau gebraucht werden, um eine hohe Klangqualität zu garantieren und die Kosten für Pfeifenorgeln zu reduzieren.

Die Ziele des Forschungsprojekts sind:

Anwendung der neuesten Ergebnisse der subjektiven Akustik und der Forschungsergebnisse zur Orgelpfeifenakustik zur Bestimmung der Interdependenz von Klangqualität, geometrischen Dimensionen und Form der Labialorgelpfeifen. Dieses Wissen wird zur Entwicklung einer wissenschaftlichen Mensurationsmethode genutzt werden.

  • Eine Mensurationsmethode auf der Grundlage von subjektiven und objektiven Gesetzen der Akustik zur Dimensionierung von Labialorgelpfeifen.
  • Eine Software zur Planung der Orgelpfeifendimensionierung für die wichtigsten Pfeifenreihen (Register).
  • Ein Instrument zur Messung und Aufzeichnung des Einschwingvorgangs (der Ansprache) des Pfeifenklangs. Dieses Instrument kann auch für die Ausbildung von jungen Intonateuren verwendet werden.

Partner

Projektpartner

  • Werkstätte für Orgelbau Mühleisen GmbH, Leonberg, Bundesrepublik Deutschland (Projektkoordinator)
  • Manufacture d'Orgues Muhleisen, Strasbourg, Frankreich
  • Christian Scheffler Orgelwerkstatt, Sieversdorf (Frankfurt/Oder), Bundesrepublik Deutschland
  • Orgelbau Schumacher, Baelen, Belgien
  • Blancafort, orgueners de Montserrat S. L., Collbato, Spanien
  • Oficina e Escola de Organasia, Ltd., Esmoriz (Porto), Portugal
  • Fratelli Ruffatti Pipe organ builders, Padova, Italien
  • Marc Garnier Orgues, Les Fins, France

Projektpartner

  • Pécsi Orgonaépitö Manufaktúra KFT, Pécs,Ungarn
  • Mander Organs, London, U.K.
  • Orgelmakerij Boogaard, NL

Partner für Forschung und technologische Entwicklung

  • Fraunhofer-Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart, Bundesrepublik Deutschland
  • Academy of Performing Arts, Prague
  • Hochschule für Musik und Darstellende Kunst, Stuttgart, Bundesrepublik Deutschland

Orgelzink - Material für optimalen Klang

Feinkorrekturen an der Aufschnitthöhe der Labialpfeife
Scanning-Laser-Doppler-Vibrometer-Messköpfe, gleichseitig vor dem Messobjekt positioniert

Während in den USA viele Pfeifen von zahlreichen Orgelbaufirmen aus Zink bestehen, werden sie in Deutschland fast ausschließlich aus dem traditionell so genannten Orgelmetall, einer Zinn-Blei-Legierung, gefertigt. In der langen Orgelbautradition wurde zeitweilig auch hierzulande Zink im Pfeifenbau verwendet. Zink stellte jedoch die Orgelbauer vor das Problem, dass die aus Zink hergestellten Pfeifen anders ertönen, als jene aus Orgelmetall. Auch die Intonateure der Pfeifen, die das härtere Zink mit der Hand bearbeiten mussten, kamen damit nur schwer zurecht. Mit dem Schritt zurück zum Orgelmetall blieb dann die Frage offen, ob und wie Zink als sinnvolle Materialalternative zu bewerten sei.

Unter Nutzung der aktuellen Kenntnisse und Methoden der Orgelakustik am Fraunhofer IBP wurde diese Frage aufgegriffen. Zunächst ließ sich im Austausch mit Herstellern und Verarbeitern von Zink feststellen, dass Zink heute in einer deutlich höheren Qualität zur Verfügung steht. Die Chancen für den Intonateur, auch mit diesem Material gut umgehen zu können, haben sich also verbessert. Bleibt noch die Klangfrage, inwieweit sich die Wandschwingungen der Pfeifen bei der Verwendung von Zink ändern und wie groß der Einfluss auf den Klang ist.

In Zusammenarbeit mit der Werkstätte für Orgelbau Mühleisen in Leonberg wurden unterschiedliche, aus Orgelmetall und Zink angefertigte  Pfeifenpaare sowohl schwingungstechnisch als auch akustisch untersucht. Die Wanddicke der entworfenen und in diesem Projekt verwendeten Experimentalpfeifen aus Zink geträgt etwa 90 Prozent der normalen Orgelmetall-Pfeifen. Der beteiligte Intonateur musste die Aufgabe lösen, die stofflich unterschiedlichen Pfeifenpaare auf einen nach seinem Gehör gleichen Klang einzustellen.

Die Ergebnisse der vibroakustischen Experimente zeigen deutliche Unterschiede zwischen den frequenzabhängigen Wandschwingungen der aus den beiden Materialien gefertigten Lippenorgelpfeifen. Zur »störungsfreien« Schwingungsanalyse kamen drei Laser-Vibrometer auf einmal zum Einsatz, um synchron eine dreidimensionale Analyse der Pfeifen zu erreichen. Die anschließenden akustischen Messungen ergaben jedoch, dass die Pfeifen offenbar trotzdem auf denselben Klang intoniert werden können. Dies beweist sowohl die Analyse der Stationärspektren als auch die der Einschwingvorgänge (Ansprache der Pfeifen). Zur Untermauerung dienten simultan durchgeführte Aufnahmen mit einem Mikrofon-Array, mit dessen Hilfe das von der Orgelpfeife ausgehende, komplexe Schallfeld sozusagen auf einen Blick erfasst und dargestellt werden kann.

Das Forschungsergebnis ist klar: Das in mancher Hinsicht vorteilhafte Zink stellt auch klanglich eine echte Alternative dar. Für den praktischen Gebrauch gilt es nun, die Materialstärken so zu optimieren, dass sowohl Klang als auch Bearbeitung des Materials passen. Mit geeigneten Werkzeugen können dann die robusten Zinkpfeifen problemlos intoniert werden. 

Orgelwind Workshop

und Einführung in die Software "Windsy"
 
Der Kurs fand im Oktober 2015 statt. Sobald neue Termine feststehen, finden Sie diese hier auf unserer Webseite
 

Für Orgelbauer und Orgelfachleute bietet der Kurs folgende Schwerpunkte:

  • Eigenschaften des traditionellen Windsystems und neue Forschungsergebnisse
  • Folgerungen für die Praxis (mit Vorführungen)
  • Vorstellung innovativer Windsysteme (mit Vorführungen)
  • Auslegungsmethode des traditionellen und der innovativen Windsysteme
  • Training: Auslegungssoftware und ihre Anwendungen

 

 

Rechtlicher Hinweis

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