Die gestrichene Saite

Die komplexe Funktion von Musikinstrumenten hat WissenschaftlerInnen und Ingenieure bzw. Ingenieurinnen schon immer fasziniert. Dieses hohe Interesse führte zu einer eigenen Wissenschaftsdisziplin, der sogenannten musikalischen Akustik. Die Klangerzeugung durch Musikinstrumente stellt eines der Hauptthemen dar. In diesem Projekt liegt der Fokus auf die durch einen Bogen zum Schwingen angeregte Saite eines Streichinstruments (wie z. B. Geige, Bratsche oder Cello). Seit Jahrzehnten wird an der Wechselwirkungen zwischen dem vom Musizierenden gehaltenen Bogen und der Saite eines Streichinstrumentes, sowie über Schwingungsanregung des Resonanzkörpers und Rückkoppeleffekte zur musizierenden Person, erforscht. Doch bestehen noch immer offene Fragen über die Interaktion von Bogen und Saite. Um mehr Klarheit in diese Wechselwirkung zu bringen, werden Experimente in drei Hauptkategorien durchgeführt: (i) die Spielweise echter MusikerInnen wird mit Hilfe von Bewegungs-Sensorik aufgenommen und analysiert (ähnlich der Motion-Capture-Technologie, welche für Animation digitaler Figurenmodelle in der Computeranimation verwendet wird); (ii) ein Roboterarm wird angewiesen, in ähnlicher Weise zu spielen wie die menschlichen MusikerInnen. Auf diese Weise können Experimente über längere Zeiträume durchgeführt werden, während gleichzeitig sichergestellt wird, dass der Roboter das Instrument höchst reproduzierbar anregt, was in der Praxis für menschliche SpielerInnen unmöglich ist; (iii) die durch diese beiden Messverfahren gesammelten Informationen sollen zu einem Computer-Algorithmus führen, der auf der Grundlage physikalischer Prinzipien in der Lage sein wird, synthetische Klänge zu erzeugen. Diese sollen denen von Menschen gespielten Tönen ähneln. Ein so genanntes physikalisches Modell eines Musikinstruments, welches die Aktionen der musizierenden Person berücksichtigt und durch experimentelle Messungen validiert wurde, ermöglicht eine systematische Untersuchung der Auswirkungen jedes Teils des Systems (in diesem Fall des Systems SpielerIn-Bogen-Saiten-Instrument) auf den erzeugten Klang. Die in dieser Studie gewonnenen Erkenntnisse werden nicht nur unser Verständnis für die Funktion von Streichinstrumenten verbessern, sondern auch Studierenden und Lehrkräften Klangbeispiele liefern, die sich aus ganz bestimmten Streichbewegungen ergeben. Außerdem werden Ergebnisse erwartet, in denen die Rolle bestimmter Instrumententeile an der Klangerzeugung bestimmt werden. Dies ist vor allem für den Instrumentenbau von Interesse. Die Resultate werden auch wertvolle Forschungswerkzeuge für künftige Studien im Bereich der musikalischen Akustik liefern. Schließlich können die daraus resultierenden Algorithmen für die künstliche Klangerzeugung in der zeitgenössischen elektroakustischen Komposition und im Sounddesign verwendet werden.

Dieses Projekt untersuchte die Wechselwirkung zwischen dem Bogen der Musiker*innen und der Saite eines gestrichenen Saiteninstruments. Diese Wechselwirkung ist aufgrund der komplexen physikalischen Phänomene im Zusammenhang mit den Reibungskräften zwischen Bogen und Saite noch immer nicht vollständig verstanden. Um das Problem zu vereinfachen, wurde das betrachtete System auf einen Monochord reduziert: eine Saite mit festen Randbedingungen, die durch einen Bogen angeregt wird. Die Analyse erfolgte anhand experimenteller Messungen und physikalischer Modellierung. Die Experimente bestanden aus einem Bogen, der von einem Roboterarm geführt wurde, während die Schwingungen der Saite durch die Messung der Saitenkräfte an ihren Enden überwacht wurden. Analysen zeigten das resultierende Schwingungsregime in Abhängigkeit von den Steuerparametern (Bogenposition, -geschwindigkeit, -beschleunigung und -kraft), den Zusammenhang zwischen Saitengeschwindigkeit und Bogenkraft, sowie deren Variation in Abhängigkeit von den Saiteneigenschaften. Es wurde ein umfangreicher Datensatz erzeugt und auf Zenodo veröffentlicht, der für weiterführende Forschung in den Bereichen Musikalische Akustik und Maschinenbau wertvoll sein kann. Die physikalische Modellierung zielte darauf ab, zeitliche Wellenformen zu replizieren, die experimentell gemessen wurden. Hierzu wurde ein elasto-plastisches Reibungsmodell eingesetzt, dessen Parameter optimiert wurden, um die experimentellen Messungen möglichst genau abzubilden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Modellparameter fein abgestimmt werden müssen, um die unter unterschiedlichen Steuerparametern erzeugten Wellenformen zu reproduzieren. Dies führte zu einer Modellverfeinerung, bei der die reibungsbezogenen Parameter von der relativen Geschwindigkeit zwischen Bogen und Saite - und damit auch von Temperaturschwankungen - abhängen. Klangsynthese wurde ebenfalls durchgeführt, wobei die Wirkung des Instrumentenkorpus berücksichtigt wurde. Obwohl eine Verbesserung des Modells beobachtet wurde, sind weitere Messungen anderer Art, insbesondere mit Fokus auf Temperaturvariationen, notwendig, um die neu entwickelten Modelle zu validieren.