Δονητική Ακουστική Ανάλυση και Βελτιστοποίηση Σχεδιασμού Εγχόρδων Μουσικών Οργάνων

Περιγραφή

Η παραδοσιακή κατασκευή μουσικών οργάνων βασίζεται στο ξύλο, ένα υλικό με μοναδικές ακουστικές ιδιότητες αλλά και σημαντικά μειονεκτήματα: ευαισθησία στην υγρασία και τη θερμοκρασία, σπανιότητα ορισμένων ειδών και περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η ερευνητική μας ομάδα διερευνά τη δυνατότητα αντικατάστασης ή συνδυασμού του ξύλου με σύγχρονα υλικά, όπως ανθρακονήματα και πολυμερή 3D εκτύπωσης (π.χ. PETG), διατηρώντας ή και βελτιώνοντας τα ακουστικά χαρακτηριστικά των παραδοσιακών οργάνων.

Για το σκοπό αυτό, αναπτύσσουμε μια ολοκληρωμένη μεθοδολογία που περιλαμβάνει:

1. Πειραματικές μέθοδοι:  Χρησιμοποιούμε:
   • • Ηλεκτρονική Συμβολομετρία Ψηφίδων (ESPI): Μια οπτική τεχνική που απεικονίζει με ακρίβεια νανομέτρου τα σχήματα των ιδιομορφών δόνησης της επιφάνειας του οργάνου.
     • Μετρήσεις FRF (Frequency Response Function):Χρησιμοποιώντας τη μέθοδο (roving hammer) και επιταχυνσιόμετρα, καταγράφουμε την απόκριση του οργάνου σε ένα εύρος συχνοτήτων.
2. Μοντελοποίηση και Προσομοίωση:Δημιουργούμε τρισδιάστατα μοντέλα CAD με ακρίβεια (συχνά μέσω τρισδιάστατης σάρωσης) και εκτελούμε προσομοιώσεις με τη Μέθοδο Πεπερασμένων Στοιχείων (FEM) χρησιμοποιώντας λογισμικό όπως το LS-DYNA. Αυτές οι προσομοιώσεις υπολογίζουν τις ιδιομορφές, τις ιδιοσυχνότητες και την ακουστική απόκριση των οργάνων.
3. Αξιολόγηση με Ψυχοακουστικά Τεστ:Για να συνδέσουμε τις φυσικές μετρήσεις με την ανθρώπινη αντίληψη, διεξάγουμε ψυχοακουστικά πειράματα. Μουσικοί και ακροατές αξιολογούν τον ήχο και την παικτικότητα των οργάνων, βαθμολογώντας παραμέτρους όπως η “ζεστασιά”, η “φωτεινότητα”, η “ισορροπία” και η “ευκολία παιξίματος”.
4. Μηχανική Μάθηση για Βελτιστοποίηση: Τα δεδομένα που συλλέγονται (προσομοιώσεις, μετρήσεις, ψυχοακουστική) χρησιμοποιούνται για την εκπαίδευση μοντέλων μηχανικής μάθησης. Στόχος είναι η δημιουργία μοντέλων που θα μπορούν να προβλέπουν τα ακουστικά χαρακτηριστικά ενός οργάνου με βάση τις παραμέτρους σχεδιασμού του (π.χ. πάχος καπακιού, είδος υλικού, προένταση χορδών) και, αντίστροφα, να προτείνουν τις βέλτιστες παραμέτρους για την επίτευξη ενός επιθυμητού ηχοχρώματος.

Η μεθοδολογία αυτή έχει ήδη εφαρμοστεί με επιτυχία στη μελέτη ενός μπουζουκιού από ανθρακονήματα (σε σύγκριση με ένα παραδοσιακό ξύλινο) και στη διερεύνηση 3D εκτυπωμένων καπακιών για τζουρά. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα σύγχρονα υλικά μπορούν να προσεγγίσουν, και σε ορισμένες περιπτώσεις να βελτιώσουν, συγκεκριμένα ακουστικά χαρακτηριστικά, ανοίγοντας νέους δρόμους στην οργανοποιία.

Δημοσιεύσεις

Brezas, S., Papadaki H., Katsipis, M., Grigoriou, D. et al. (2024). Investigation of the vibrational characteristics of tzouras 3D printed top plates. Materials Research Proceedings, Vol. 46, pp 82-89. https://doi.org/10.21741/9781644903377-11

Brezas, S., Katsipis, M., Kaleris, K., Papadaki, H., Katerelos, D.T.G., Papadogiannis, N.A., Bakarezos, M., Dimitriou, V., Kaselouris, E. (2024). Review of Manufacturing Processes and Vibro-Acoustic Assessments of Composite and Alternative Materials for Musical Instruments. Applied Sciences, 14(6), 2293. https://doi.org/10.3390/app14062293

Brezas, S., Katsipis, M., Orphanos, Y., et al. (2023). An Integrated Method for the Vibroacoustic Evaluation of a Carbon Fiber Bouzouki. Applied Sciences, 13(7), 4585.  https://doi.org/10.3390/app13074585

Kaselouris, E., Dimitriou, V. (2023). Vibro-acoustics time domain FEM-BEM analysis of a Titian Stradivari violin: the role of the bridge. Journal of Physics: Conference Series, 2458, 012009. https://doi.org/10.1088/1742-6596/2458/1/012009

Kaselouris, E., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V. (2022). A Review of Finite Element Studies in String Musical Instruments. Acoustics, 4(1), 183-202. https://doi.org/10.3390/acoustics4010012

Kaselouris, E., Orphanos, Y., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V. (2021). Influence of the plate thickness and material properties on the violin top plate modes. INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, InterNoise21, Washington, D.C., USA, pp. 3369-3377. https://doi.org/10.3397/IN-2021-2387

Bakarezos, E., Orphanos, Y., Kaselouris, E., Dimitriou, V., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A. (2019). Laser-Based Interferometric Techniques for the Study of Musical Instruments. In: Bader, R. (eds) Computational Phonogram Archiving. Current Research in Systematic Musicology, vol 5. Springer, Cham. pp. 251-268. https://doi.org/10.1007/978-3-030-02695-0_12

Bakarezos, E., Vathis, V., Brezas, S., Orphanos, Y., Papadogiannis, N.A. (2012). Acoustics of the Chelys – An ancient Greek tortoise-shell lyre. Applied Acoustics, 73(5), 478-483. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2011.11.010