Δονητική Ακουστική Ανάλυση και Σύνθεση Ήχου Κρουστών Μουσικών Οργάνων

Περιγραφή

Τα κρουστά μουσικά όργανα, όπως τα πιατίνια και τα τύμπανα, παράγουν πολύπλοκους ήχους με πλούσιο φάσμα συχνοτήτων, που εξαρτώνται από πληθώρα παραγόντων: γεωμετρία, πάχος, υλικό, τρόπος κρούσης και προένταση (στις μεμβράνες). Η έρευνά μας επιδιώκει να αποκωδικοποιήσει αυτή την πολυπλοκότητα μέσω μιας ολοκληρωμένης προσέγγισης που συνδυάζει:

1. Υπολογιστικές Προσομοιώσεις:Αναπτύσσουμε μοντέλα FEM-BEM (π.χ., στο λογισμικό LS-DYNA) για τη μελέτη της δονητικής συμπεριφοράς και της εκπομπής ήχου. Διεξάγουμε:
   • • • Modal Analysis: Υπολογισμός ιδιοσυχνοτήτων και ιδιομορφών.
       • Ανάλυση FRF (Frequency Response Function):Μελέτη της απόκρισης του οργάνου σε αρμονική διέγερση.
       • Ανάλυση στο Πεδίο του Χρόνου (Time Domain FEM–BEM):Προσομοίωση της χρονικής εξέλιξης του ήχου μετά από κρούση, λαμβάνοντας υπόψη πραγματικά δεδομένα κίνησης.
2. Πειραματική Καταγραφή:
   • • • Ηλεκτρονική Συμβολομετρία Ψηφίδων (ESPI):Οπτικοποιούμε τις ιδιομορφές δόνησης.
       • Καταγραφή Κίνησης (Motion Capture):Καταγράφουμε την πραγματική κίνηση του drumstick από επαγγελματίες ντράμερ (σε διάφορες δυναμικές, από piano έως fortissimo) και τη χρησιμοποιούμε ως δεδομένο εισόδου στις προσομοιώσεις, για ρεαλιστική μοντελοποίηση της διέγερσης.
       • Μετρήσεις Κρουστικής Απόκρισης:Χρησιμοποιούμε σφύρα κρούσης και επιταχυνσιόμετρα για τη μέτρηση των FRF και τον υπολογισμό του συντελεστή απόσβεσης.
3. Σύνθεση Ήχου και Ανάλυση Δεδομένων:Οι προσομοιώσεις μας επιτρέπουν να υπολογίσουμε την ηχητική πίεση σε οποιοδήποτε σημείο του χώρου και να δημιουργήσουμε αρχεία ήχου (wav). Συγκρίνουμε φασματογραφήματα ταχύτητας (πάνω στο όργανο) με φασματογραφήματα ηχητικής πίεσης (στον αέρα), αποκαλύπτοντας πώς η δόνηση της δομής μεταφράζεται σε ακουστό ήχο.
4. Βελτιστοποίηση Σχεδιασμού:Διερευνούμε παραμετρικά την επίδραση της γεωμετρίας (π.χ., χρήση τόξων έναντι ευθειών για την περιγραφή της καμπυλότητας ενός ιδιοφώνου), του πάχους, της προέντασης και των υλικών (π.χ., δέρμα, Mylar, Kevlar, κράματα MS63, B8, Β20) στην ακουστική συμπεριφορά.

Η μεθοδολογία μας θέτει τις βάσεις για τη μελλοντική σύνθεση ήχου βασισμένη σε φυσικές παραμέτρους και για τη δημιουργία εκτεταμένων βάσεων δεδομένων ήχου για εκπαίδευση μοντέλων μηχανικής μάθησης.

Δημοσιεύσεις

Brezas, S., Kaselouris, E., Orphanos, Y., Bakarezos, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V. (2025) On the Correlation of Cymbals’ Vibrational Behavior and Manufacturing Processes. Applied Sciences 15(3), 1425; https://doi.org/10.3390/app15031425

Brezas, S., Kaselouris, E., Orphanos, Y., Tatarakis, M., Bakarezos, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V. (2024). Vibrational Analysis of a Splash Cymbal by Experimental Measurements and Parametric CAD-FEM Simulations. Vibration, 7(1), 146-160. https://doi.org/10.3390/vibration7010008

Kaselouris, E., Paschalidou, S., Alexandraki, C., Dimitriou, V. (2023). FEM-BEM Vibroacoustic Simulations of Motion Driven Cymbal-Drumstick Interactions. Acoustics, 5(1), 165-176. https://doi.org/10.3390/acoustics5010010

Kaselouris, E., Alexandraki, C., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V. (2022). A detailed FEM Study on the Vibro-acoustic Behaviour of Crash and Splash Musical Cymbals. Int. J. Circuits Syst. Signal Process., 16, 948-955. https://doi.org/10.46300/9106.2022.16.116

Kaselouris, E., Alexandraki, C., Orphanos, Y., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V. (2021). Acoustic analysis of impact sound on vibrating circular membranes. INTER-NOISE 2021, Washington, DC, USA, 1-4 August 2021. https://doi.org/10.3397/IN-2021-2389