Echtzeit-Physikalische Modellierung

Die Interaktion zwischen Musikerinnen bzw. Musikern und ihren Instrumenten ist ein zentraler Aspekt des ausdrucksstarken Musizierens. Daher konzentrieren sich aktuelle Studien zunehmend darauf, zu verstehen, wie die Aktionen der Spielenden die Klangerzeugung beeinflussen. Basierend auf experimentellen Ergebnissen, die sowohl mit menschlichen Spielerinnen und Spielern als auch mit einer künstlichen Blasvorrichtung gewonnen wurden, wird hier ein numerisches Modell vorgestellt, das unter Berücksichtigung der Spieleraktionen ausdrucksvolle Klänge von Holzblasinstrumenten synthetisieren kann. Das in C++ implementierte Modell ermöglicht eine Echtzeit-Ausführung auf einem Standard-Desktop-Computer, wodurch die Benutzerin oder der Benutzer die Modellparameter auch in einer Live-Performance-Situation verändern kann. Neben der Variation von Parametern, die mit der Ansatztechnik (Embouchure) der Spielenden und der Länge des Resonators zusammenhängen – also Änderungen, wie sie auch beim realen Spiel vorkommen – erlaubt das Modell auch virtuelle Modifikationen, die in der physikalischen Realität nicht möglich wären. Ein Beispiel hierfür ist ein Konus, der sich allmählich in einen Zylinder verwandelt und umgekehrt. Neben den Parametern des Anregungsmechanismus und der Instrumentengeometrie können auch die Eigenschaften der Luftsäule im Inneren des Instruments sowie die Größe der viskothermischen Verluste verändert werden.

Weitere Details zur Modellierung und Implementierung sowie ein Demonstrationsvideo finden sich im Folgenden.

Merkmale:

  • Variation der Blattparameter (Steifigkeit und Gleichgewichtslage)
  • Variation der Steuerparameter der Spielenden (Blasdruck und Zungenposition)
  • Variation der Instrumentengeometrie (Länge und Endradius) sowie der Eigenschaften der Luftsäule (Schallgeschwindigkeit, Verluste, Luftdichte)
  • Dynamische Gitterzuordnung
  • Numerische Stabilität
  • Echtzeitfähigkeit

Literatur

  • V. Chatziioannou, A. Hofmann and S. Schmutzhard. A real-time physical model to simulate player control in woodwind instruments. in Proc. International Symposium on Musical Acoustics, 2019. https://pub.dega-akustik.de/ISMA2019/data/articles/000034.pdf
  • V. Chatziioannou, S. Schmutzhard, M. Pàmies-Vilà and A. Hofmann. Investigating Clarinet Articulation Using a Physical Model and an Artificial Blowing Machine. Acta Acustica united with Acustica 105 (4), 682-694, 2019. https://doi.org/10.3813/AAA.919348