INSTITUT FÜR MUSIKALISCHE AKUSTIK
WIENER KLANGSTIL (IWK)
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Automatisches Messsystem zur Bestimmung der Richtcharakteristik von Musikinstrumenten


Wie wird der Schall eines Musikinstruments in den Raum abgestrahlt?
Dies wird durch die Richtwirkung, oder auch Richtcharakteristik genannt, der einzelnen Musikinstrumente bestimmt. Sie beschreibt, wie ein Musikinstrument den Schall in Abhängigkeit von Ort und Frequenz abstrahlt. Zur Ermittlung dieser Eigenschaft wurde ein automatisches Messsystem am Institut für Wiener Klangstil entwickelt, das es ermöglicht, ein Musikinstrument anzuregen und den abgestrahlten Schalldruck für verschiedene Winkel zu messen. Realisiert wurde dies durch ein automatisierten Drehtischsystem. Zudem ist es durch einen überwachenden PC fernsteuerbar.

Turntablesystem with tuba in b

Drehtellersystem zur Ermittlung der Richtcharakteristik (Cerveny B-Tuba)

Die Messung erfolgen im "reflexionsarmen Raum" des IWK. Dadurch kann der akustische Einfluss des Raumes (wie z.B. Reflexionen an den Wänden) größtenteils vermieden werden. Nur so gelingt es die Richtcharakteristik des Instruments eindeutig zu bestimmen.

Aufbau des Messsystems

Das System besteht grundsätzlich aus folgenden Komponenten:

  • Stabiler Drehteller mit spezieller Halterung für das individuelle Instrument
  • Motor (hier: 2x Schrittmotoren), der die gesamte Plattform dreht
  • Motorkontroller, der den/die Motor/en kontrolliert und mit der Außenwelt des Raumes kommunizieren kann
  • Messapparaturen wie:
    • Anregesystem für das Instrument (Shaker für Saiteninstrumente oder Artificial Mouth für Balsinstrumente)
    • Aufnahmemikrofon im Fernfeld
    • Vorverstärker, Verkabelung, Leistungsverstärker
    • Analysecomputer

In folgender Abbildung wird die Steuerelektronik des Drehtellerantriebs gezeigt. Die Elemente dieser Platine werden mittels einem Arduino Mini Mikrocontroller angesprochen. Ein Teil davon sind die beiden Schrittmotortreiber, die die beiden Motoren mit Energie und der passenden Taktrate versorgen. Die Kommunikation mit der Außenwelt des reflexionsarmen Raums wird mit einer seriellen Schnittstelle (RS-232) realisiert. Das 7-Segmentdisplay ermöglicht eine einfache Statusüberwachung der Steuerelektronik, Taster bieten dem Anwender eine manuelle Kontrolle des Drehtischsystems. Über die Hall Sensor Inputs können wichtige Schaltimpulse getriggert werden. Diese beinhalten das Erreichen der Ursprungsposition oder eine Fehlererkennung bei blockiertem Drehtisch.

SMC

Step Motor Controller(SMC): Automatisierte Steuerung des Drehtellers

High Air Pressure Artificial Mouth - HAPAM

High Air Pressure Artificial Mouth (HAPAM): Anregungssystem für Blechblasinstrumente mit hoher Ausgangsleistung

Das HAPAM Erregersystem besteht aus einem Holzkorpus, in dem ein 5,25" Tiefmitteltöner mit nominalen 50 Watt eingebaut ist. Ein über der Lautsprechermembrane platzierter Kunststoffkonus fokussiert die Schallenergie in den Kessel des Mundstückes. Um eine Schallabstrahlung des HAPAMs in andere Richtungen weitgehend zu unterbinden, wurde die Box mit Dämmmaterial schallgedämmt. Ein Referenzmikrofon welches in der Ebene des Mundstückrandes des Blechblasinstruments platziert wird, dient zur Ermittlung des tatsächlichen im Mundstück auftretenden Schalldrucks.

Ablauf der Messung der Richtcharakteristik

Die Messung läuft, wie im Flussdiagramm (siehe weiter unten) dargestellt, so ab:

  1. Initialisierung: der Drehtisch wird bis zu seiner Ursprungsposition gefahren bzw. die separaten Einstellungen für die Messung können getätigt werden.
  2. Kalibrierung: hier kann die Position des Drehtisches noch beliebig eingestellt werden. Wird mit OK (Taster oder Kommunikationsbefehl) bestätigt, beginnt die Messung von dieser Position aus.
  3. Erste Messung: danach beginnt die erste akustische Messung. Diese analysiert das Übertragungsverhalten von Ausgangsschalldruck am Messmikrofon zu Eingangsschalldruck im Mundstück (Referenzmikrofon) über einen definierten Frequenzbereich. Die Anregung des Systems (HAPAM am Instrument) erfolgt als logarithmischer Sinussweep (logarithmic stepped sine).
  4. Drehung des Instruments: das Instrument wird durch eine Drehung des Drehtisches weiter bewegt. Dies ändert den relativen Winkel des Instruments zum Messmikrofon. Die Drehung erfolgt in einem zuvor bestimmten Winkel. Das System kann auf 1 Grad genau eingestellt werden!
  5. Warten: der Analyse-Computer wartet bis die erwünschte Position des Drehtisches erreicht ist. Die Signalisierung erfolgt mit dem Kommando RDY über die serielle Schnittstelle.
  6. Weitere Messung: eine weitere Übertragungsmessung erfolgt. Dieser Vorgang (inkl. Punkt 4 und 5) wird so lange wiederholt, bis die gewünschte Endposition des Drehtellers erreicht ist (meistens 180° oder 360°).
  7. Datenverarbeitung: am Ende werden die aufgenommenen Daten des Messsystems analysiert und nachbearbeitet. Danach wird die gewonnene Information in verschiedene Ausgangsformate aufbereitet. Diese Dateien sind: WAVE-Files (= Rohdaten der Messungen), VIAS-Files (= enthalten Frequenzgang mit Amplitude, Phase, Real- und Imaginärteil) und zu guter letzt eine graphische Darstellung als Polardiagramm im SVG-Format.

Flussdiagramm der Messung der Richtcharakteristik

Resultat

Aus automatischer Messung berechnete Abstrahlcharakteristik Tuba:
Darstellung in Frequenzbändern Dynamische Darstellung

Aus automatischer Messung berechnete Abstrahlcharakteristik "Cigarbox Guitar":
  Dynamische Darstellung
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