RIAM (Reed Instrument Artificial Mouth)

(von Ing. DI (fh) Alex. Mayer )

RIAM wurde entwickelt, um Rohrblattinstrumente reproduzierbar anzuregen, und die Rohrblattschwingung sichtbar zu machen.
Weiters bietet RIAM die Möglichkeit, Instrumente oder Rohrblätter objektiv miteinander zu vergleichen.

RIAM ist ein computerunterstütztes System. Es besteht aus Hardware und Software. Im Gegensatz zum künstlichen Bläser für Blechblasinstrumente wird bei RIAM der schwingungserzeugende Anregungsmechanismus (Rohrblatt) des Instrumentes ausgenützt.
Wie die Lippen eines Musikers übt RIAM über künstliche Lippen durch Ansatzposition und Ansatzdruck eine dämpfende Wirkung aus, um die Resonanzfrequenz des Rohrblattes auf die Impedanz des Instrumentes für den jeweiligen Ton abzustimmen. An Stelle der Lungen des Musikers wird das Anregungssystem von einem Druckbehälter mit Luft versorgt. Wird die Anregung gestartet sorgt die Software für die Einstellung und Regelung der gewünschten Ansatzparameter.
Der künstliche Bläser ist bei Holzblasinstrumenten für mehrere, zum Teil sehr unterschiedliche Untersuchungen geeignet:

a) objektive Klangvergleiche zwischen einzelnen Instrumenten
b) objektive Klangvergleiche zwischen unterschiedlichen Rohrblättern
c) objektive Ansatzvergleiche zwischen einzelnen Instrumenten
d) objektive Ansatzvergleiche zwischen unterschiedlichen Rohrblättern
e) Untersuchungen der Schwingungsformen und -eigenschaften von Rohrblättern mittels Stroboskoptechnik

Hard- und Softwarekonzepte

RIAM kann grundsätzlich in drei Teile gegliedert werden:

a) Anblasvorrichtung (mechanischer Aufbau und Sensoren)
b) Daten - Interface
c) PC - Programm

ad a) Anblasvorrichtung ("künstlicher Mund")
Das Herzstück des Systems stellt der mechanische Teil dar (siehe Bild). Dieser besteht aus einer Acrylglasbox ("künstliche Mundhöhle") in der das Mundstück luftdicht eingespannt ist. Im inneren befinden sich "künstliche Lippen".
Über Schrittmotoren kann deren Position am Mundstück (bzw. Rohrblatt) variiert werden, was eine Änderung der Blattresonanz bewirkt. Über ein elektronisches Feindruckregelventil wird das Luftdruckniveau im Inneren der Box erhöht. Dies bewirkt einen Luftstrom durch das Instrument, welcher das Rohrblatt zur Schwingung anregt.
Um Reproduzierbarkeit zu gewährleisten und Informationen über Ansatzparameter zu erhalten, müssen folgende Meßgeräte in das System eingebunden sein:

- Kraftaufnehmer, zur Kontrolle des Lippenanpreßdruckes,
- Drucksensor, zur Bestimmung des Luftdruckes innerhalb des Gehäuses,
- Positionsmelder für die künstlichen Lippen am Mundstück.

ad b) Daten Interface
Neben der Anblaseinrichtung, ist ein "intelligentes Interface" notwendig, welches Meßwerte der Anblaseinheit umsetzt und an das PC-Programm übermittelt. Um geringsten Meßwertverlust zu gewährleisten, sind die Meßverstärker direkt unter der Anblaseinheit untergebracht.
Diese elektrischen Größen werden von einer National Instruments-DAQ-Karte in digitale Signale umgesetzt und an den PC weitergeleitet. Mittels einer mit LabView programmierten Software, erfolgt die weitere Verarbeitung der Sensordaten, wie Regelung der Lippenanpresskraft und des Luftdrucks, und die Ausgabe von Steuersignalen.

ad c) PC-Software
Das PC-Programm stellt in erster Linie ein "Userinterface" zwischen Meßsystem und Benützer dar.
Über grafische Schieberegler oder Eingabefelder können Position der Lippen, Lippenanpreßkraft und Luftdruck vorgegeben werden, die vom Daten Interface erfaßten Daten (Luftdruck, Anpreßkraft) werden am Monitor ausgegeben.
Weiters sorgt die Software dafür, dass diese eingestellten Werte während des Anregevorganges konstant gehalten werden. Durch diese Regelung können Rückwirkung des Anregungsmechanismus des Instrumentes auf den "künstlichen Mund" ausgeglichen werden.
Alle veränderbaren Werte können abgespeichert werden, und können so, zu einem späteren Zeitpunkt exakt die gleichen Einstellungen des "künstlichen Mundes" wiederherstellen.

Der "Anblasvorgang"

Nach dem "Start" des Systems, befindet sich die Anregeeinheit in einer "Warteposition". Nun kann das Mundstück in den "künstlichen Mund" eingesetzt, und mit einem Dichtring am "Faß" des Instrumentes luftdicht fixiert werden. Ist dies geschehen, steckt man das Instrument an das "Faß". Über einen grafischen Taster teilt man der Software mit, daß ein Instrument "eingespannt" ist.
Da die Mundstücke und "Fässer" durchaus unterschiedlich aufgebaut sind, erfolgt nun eine Initialisierungsroutine, bei der das Anblassystem die Position des Mundstückes in der "künstlichen Mundhöhle" abtastet. Durch diese Selbstjustierung ist Reproduzierbarkeit bei der Einspannung des Instrumentes gegeben.
Sind dem System die Lagekoordinaten des Mundstückes bekannt, kann der "User" die gewünschte "Lippenposition", den "Anblasluftdruck" und die "Lippenanpreßkraft" vorgeben. Übliche Eingabewerte bei einer B - Klarinette (Wiener Bauart) hierfür währen:

Lippenposition ca. 15 - 16mm (vom Mundstückanfang gesehen)
Anblasluftdruck ca. 30 - 40 mBar
Lippenanpreßkraft ca. 0,3 - 5 N

Allerdings sind diese Werte vor allem von der "Stärke" des Rohrblattes und dem "angeregtem Ton" abhängig.
Nachdem das System die vorgegebenen Werte eingestellt hat, kann die Anregung beginnen. Zumeist müssen die Parameter während des Anblasvorganges noch verändert werden, bis der richtige Ansatz gefunden ist.

Detailansicht von vorne

Detailansicht von schräg oben

Einsatzbereiche

a) Ermittlung von Ansatzparametern
Ansatzparameter können nach erfolgter Anregung direkt am Monitor abgelesen werden.

b) Optische Untersuchungen (Videoaufzeichnung)
Um die Rohrblattschwingung sinnvoll mit Video aufzeichnen zu können, muß das Anblassystem mit einem Stroboskop und einer speziellen Synchronisationseinheit erweitert werden.
Mittels dieser Synchronisierungseinheit wird ein fixer Phasenbezug zwischen der Grundfrequenz des schwingenden Blattes und der Videoabtastung hergestellt. Damit die Videokamera ein "scharfes" Bild aufzeichnet, benötigt man das Stroboskop. Durch die Synchroneinheit gesteuert, "blitzt" es nur dann wenn:
- das schwingende Blatt in der richtigen Phasenlage liegt,
- der "Shutter" der Videokamera offen ist.
Nun ist es möglich, die Schwingung des Rohrblattes in "Zeitlupe" am TV-Bildschirm wiederzugeben.
Durch den fixen Phasenbezug während der Aufzeichnung, ist es aber darüber hinaus auch möglich die Schwingungmodi in ihrer Frequenz, und mit geeigneter Software auch in ihrer Amplitude zu bestimmen.

Wesentlich einfacher gelingt die Aufnahme mittels einer Highspeed Kamera.

c) Akustische Untersuchung
Da eine Maschine das Instrument "anregt" fallen subjektive Empfindungen des Musikers dem Instrument gegenüber weg. Der "künstliche Mund" regt jedes Instrument gleich gut (oder schlecht) an, womit auch akustische Eigenschaften des Instrumentes objektiv beurteilt werden können.

Aufbauschema des künstlichen Bläsers für Rohrblattinstrumente

last update: 20.11.99