Forskere måler og syntetiserer den musikalske akustik i en 5-strenget banjo

Musikinstrumenter bringer glæde til både spillere og lyttere. At skabe stemmen – eller karakteristisk stil og tone – af et instrument er en udsøgt balance mellem fysik og håndværk. Til dato, der har været ringe analyse af akustikken, der er ansvarlig for forskellige plukkede strengeinstrumenters forskellige stemmer.

Nu, et hold ledet af Jim Woodhouse, en emeritus professor ved Cambridge University's Department of Engineering, Storbritannien, har studeret de fysiske egenskaber, der er ansvarlige for en 5-strengs banjos stemme. De sammenligner resultaterne med en stålstrengsguitar.

Studiet, udgivet i Acta Acustica , er medforfatter af David Politzer, en nobelprisvindende fysiker med base hos CalTech i USA og akustikspecialist Hossein Mansour. Mansour arbejdede på det tidspunkt med det franske teknologifirma Dassault Systèmes.

Open access-artiklen indeholder indlejrede lydklip, der bringer forskningen til live.

Konstruktion og fysik for stemme

For at undersøge akustikken, der er ansvarlig for banjoens umiddelbart genkendelige stemme, forskerne målte instrumentets vibrationsrespons og undersøgte, hvordan lyden, det laver, påvirkes af konstruktionsparametre.

"I banjoen, usædvanligt blandt strengeinstrumenter, mange af disse parametre kan justeres af producenten eller spilleren, så det er nyttigt at forstå, hvordan sådanne justeringer fungerer, " siger Woodhouse.

Holdet brugte fysisk modelleringssyntese til at undersøge akustikken. Matematiske modeller blev beregnet, testet og kalibreret i laboratoriet og brugt til at syntetisere lydeksempler. Forskerne viste, at modellerne kunne producere "overbevisende banjo-lignende" lyde.

Disse syntetiserede lyde var centrale i arbejdet, så de er blevet indlejret som lydklip i artiklen. Traditionelt, sådanne klip vil være tilgængelige som supplerende materiale, der kan downloades. "De indlejrede filer giver læseren en meget nemmere tid og tillader et meget mere øjeblikkeligt svar, " siger Woodhouse.

Kontraster og opdagelser

Strukturen af ​​en banjo adskiller sig fra den af ​​en guitar. Banjoer har en tromme-lignende strakt membran frem for en træplade til en klangbund, og det påvirker akustikken.

"Strengene kobler sig meget stærkere til lydpladens vibration. Resultatet er, at toner på en banjo er højere end tilsvarende toner på en guitar, og forfalde hurtigere, " forklarer Woodhouse.

Gennem analyse af modellerne, holdet gjorde også en mere overraskende opdagelse. I modsætning til tidligere arbejde på violiner og guitarer, Banjostudiet viser, hvordan lyd påvirkes af akustiske strukturer kaldet formanter.

"Underliggende den fine struktur af individuelle resonanser, der kan være formanter, større strukturer, forme frekvensfordelingen af ​​lyd, der udstråles af instrumentet, " siger Woodhouse.

Strukturelle justeringer af banjoen kan bruges til at styre formanterne og dermed justere instrumentets tone.

"Banjoen giver et ekstremt tilfælde af mode/formant-kontrasten:ændringer, der påvirker individuelle resonanser, synes at være meget mindre vigtige, med hensyn til lyd, end ændringer, der påvirker formanterne."

At arbejde inden for musikalsk akustik - hvor fysik kombineres med menneskelig opfattelse og dømmekraft - kræver en usædvanlig tilgang til forskning, siger Woodhouse.

"Med musikalske problemer, fysikspørgsmålene skal pirres af interaktion med instrumentskabere og spillere. Du kommer til at møde en masse interessante mennesker, der udfører denne form for arbejde!"