Experimental study of organ pipe behavior using optical measurement techniques

Een toonaangevend onderzoek...

Muziek heeft altijd al een belangrijke rol gespeeld in het menselijk leven. Elke cultuur heeft zijn eigen muziek en muziekinstrumenten, en of je nu houdt van klassiek, hiphop of jazz, muziek spreekt iets unieks aan in ieder van ons. Maar hoe wordt muziek nu eigenlijk gegenereerd? Waar haalt een instrument zijn unieke klank vandaan? En hoe kan deze klank worden geoptimaliseerd? Ondanks het lange bestaan van muziekinstrumenten zijn hier nog steeds veel onduidelijkheden over. Zo zijn kenners het er bijvoorbeeld nog altijd niet over eens, wat het geheim is achter de sublieme klank van de geroemde Stradivarius violen. Nog steeds is het vervaardigen van muziekinstrumenten hoofdzakelijk gebaseerd op traditie en ervaring, waardoor vaak een langdurig en iteratief proces nodig is om een instrument met een optimale klank te bekomen. Om op een efficiëntere manier te werk te kunnen gaan, is het belangrijk een beter inzicht te krijgen in de fysische processen gerelateerd aan de geluidsproductie, en dus bovenstaande vragen te beantwoorden. Welke meettechnieken hiervoor kunnen worden gebruikt en op welke aspecten ze elk kunnen bijdragen tot het ophelderen van dit vraagstuk, werd onderzocht in dit eindwerk.

Elk instrument genereert zijn eigen, specifieke klank op een verschillende manier. Ze hebben echter allemaal iets met elkaar gemeen: elk instrument bevat een trillend onderdeel, dat de oscillator wordt genoemd. Geluid wordt immers veroorzaakt wanneer lucht wordt geëxciteerd door een trillend voorwerp. Wanneer we bijvoorbeeld op een trom slaan, zal het tromvel heen en weer trillen. Hierdoor wordt de omliggende lucht achtereenvolgens gecomprimeerd en geëxpandeerd, waardoor een aaneenschakeling van luchtdrukvariaties wordt gegenereerd. Deze variaties planten zich voort door de lucht als een golf. Wanneer zo’n geluidsgolf het trommelvlies van een mens bereikt, zal dit aan het trillen worden gebracht, wat vervolgens door de hersenen wordt geïnterpreteerd als geluid. Het exciteren van de lucht kan gebeuren op verschillende manieren, wat de verscheidenheid aan muziekinstrumenten verklaart. Onder de akoestische instrumenten kunnen vier basisvormen van excitatie worden onderscheiden: blazen, strijken, tokkelen en slaan. De excitatie zal de oscillator van het instrument in trilling brengen. Voor een strijk- en tokkelinstrument zal de oscillator meestal bestaan uit snaren, bij slaginstrumenten zijn dit de aanwezige tromvellen, buizen of platen. De frequentie waarmee de oscillator trilt, en dus de frequentie van de geïnduceerde luchtdrukvariaties, bepaalt de  toonhoogte van het geluid; hoe sneller de trilling, hoe hoger de toon. Wanneer een snaar bijvoorbeeld 440 keer trilt per seconde, zal de toon worden herkend als een la, meer bepaald de stemtoonhoogte. Trilt de snaar dubbel zo snel dan klinkt de toon een octaaf hoger; de hoge la. Het gegenereerde geluid zal echter niet enkel bestaan uit deze ene frequentie; het geluid zal harmonisch zijn. Dit wil zeggen, dat het geluid bovenop de grondtoon, dus de toon die je waarneemt en herkent als één van de noten uit de toonladder, ook frequentiecomponenten zal bevatten die een veelvoud zijn van de grondtoonfrequentie. De mate waarin deze zogenaamde harmonischen voorkomen zal bepalend zijn voor de klankkleur en maakt dat we de klank van verschillende muziekinstrumenten kunnen onderscheiden. Zo produceert een viool bijvoorbeeld een geluid met een hoog aantal sterk vertegenwoordigde harmonischen, in vergelijking met een dwarsfluit, die naast de grondtoon enkel een sterke tweede harmonische genereert.

Het orgel bezit de unieke eigenschap om het geluid van verschillende instrumenten na te bootsen, door in te spelen op de verdeling van de harmonischen die worden geproduceerd. De geluidsproductie in een orgelpijp gebeurt op gelijkaardige wijze als in een blok- of dwarsfluit. In tegenstelling tot deze blaasinstrumenten, bevat een orgelpijp geen gaatjes, en dus levert één pijp één enkele toon. Bij het indrukken van een toets op het klavier van het orgel zal de corresponderende pijp van lucht worden voorzien. Deze luchtstroom kan op zichzelf geen tonaal geluid veroorzaken; probeer maar eens een toon te herkennen in het geluid dat wordt gegenereerd als je gewoon blaast. Daarom wordt de luchtstraal gericht op een wig, die het labium wordt genoemd. In tegenstelling tot wat je misschien zou denken, zal de luchtstraal zich niet splitsen en tegelijk over de boven en onderkant van het labium stromen; de luchtstraal zal daarentegen beginnen heen en weer bewegen rond de rand. Deze oscillerende beweging zal gebeuren met een welbepaalde frequentie, waardoor een geluid met de corresponderende toon, de zogenaamde edge-tone, wordt gegenereerd. Dit principe is de reden waarom je soms elektriciteitskabels kan horen ‘zingen’ in de wind, en waardoor het mogelijk is om op een grassprietje te fluiten. De oscillatiefrequentie, en dus de geproduceerde toon, zal afhankelijk zijn van de geometrische kenmerken van het edge-systeem. In een blaasinstrument zal dit edge-systeem zijn gekoppeld met een luchtkolom, die tevens dienst doet als resonator. De lengte van deze resonator is bepalend voor de toonhoogte van het gegenereerde geluid: hoe langer de resonator, hoe lager de toon zal klinken. Maar aangezien het edge-systeem zelf ook een voorkeursfrequentie oplegt, zullen om een goede toon te bekomen, de geometrische eigenschappen van het edge-systeem goed moeten worden gekozen in functie van de lengte van de resonator. Verder zal het feit of het uiteinde van de pijp al dan niet gesloten is, en de diameter van de pijp bepalend zijn voor de klankkleur. Zo zal bijvoorbeeld een smalle pijp veel harmonischen produceren, waardoor de pijp klinkt als een strijkinstrument, terwijl bij wijdere pijpen het aantal harmonischen schaars is, wat doet denken aan de klank van een fluit.

Maar hoe kan de invloed van de geometrie op het geproduceerde geluid nu wetenschappelijk worden onderzocht? Enerzijds kunnen akoestische metingen worden uitgevoerd, waarbij wordt gemeten welke harmonischen aanwezig zijn in het geluidssignaal, en in welke mate. Dit laat toe om kwantitatief de invloed van de geometrie op de klankkleur na te gaan. Anderzijds kunnen optische metingen de normaal onzichtbare luchtstroom onthullen, waardoor het stromingsgedrag kwalitatief kan worden bestudeerd. In deze thesis werd, naast de gebruikelijke technieken voor het onderzoeken van dit probleem, een nieuwe meetmethode gebruikt die veelbelovende resultaten opleverde.

De gecombineerde resultaten van dergelijke metingen kunnen leiden tot het ontrafelen van de nog verhulde mysteries achter de precieze geluidsopwekking in orgelpijpen, en blaasinstrumenten met labium in het algemeen. Dit zou instrumentenbouwers toelaten op een systematischere en efficiëntere manier een instrument met bepaalde toon en klankkleur te vervaardigen.