Klangerzeugung Lippenorgelpfeifen

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).

Für diese numerische Simulation wurden eine Kernspaltenbreite von 1.59 mm, eine parabolische Anfangsgeschwindigkeitsverteilung mit einer Maximalgeschwindigkeit von 10 m/s und eine Frequenz von 500 Hz festgelegt. Die Farben in der Animation stellen den Betrag der Strömungsgeschwindigkeit dar. Die wellenförmige Bewegung des Strahls ist gut ersichtlich.

Bild 4

Bei dieser numerischen Simulation wurden eine Kernspaltenbreite von 0.6 mm und eine Aufschnitthöhe von 4 mm gewählt. Die Anfangsgeschwindigkeit weist wiederum eine parabolische Verteilung mit einer Maximalgeschwindigkeit von 6 m/s auf. Die Frequenz des erzeugten Schneidentons beträgt 400 Hz.

Bild 5

Bild 4 zeigt den Film eines oszillierenden Luftstrahls während der Tonerzeugung. Den Film eines osziliierenden Luftstrahls bei einem typischen Schneidentonaufbau stellt Bild 5 dar.

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)