Musikinstrument ger glädje för både spelare och lyssnare. Att skapa rösten – eller karakteristisk stil och ton – hos ett instrument är en utsökt balans mellan fysik och hantverk. Hittills, det har gjorts lite analys av akustiken som är ansvarig för olika plockade stränginstruments distinkta röster.

Nu, ett team ledd av Jim Woodhouse, en emeritusprofessor vid Cambridge Universitys Department of Engineering, STORBRITANNIEN, har studerat de fysiska egenskaperna bakom en 5-strängad banjos röst. De jämför resultaten med en stålsträngad gitarr.

Studien, publicerad i Acta Acustica , är medförfattare av David Politzer, en nobelprisbelönt fysiker baserad på CalTech i USA och akustikspecialist Hossein Mansour. Mansour arbetade med det franska teknikföretaget Dassault Systèmes vid den tiden.

Artikeln med öppen tillgång innehåller inbäddade ljudklipp som ger forskningen liv.

Konstruktion och fysik för röst

För att undersöka akustiken som är ansvarig för banjons omedelbart igenkännliga röst, forskarna mätte instrumentets vibrationsrespons och studerade hur ljudet det gör påverkas av konstruktionsparametrar.

"I banjon, ovanligt bland stränginstrument, många av dessa parametrar kan justeras av tillverkaren eller spelaren så det är användbart att förstå hur sådana justeringar fungerar, säger Woodhouse.

Teamet använde fysisk modelleringssyntes för att undersöka akustiken. Matematiska modeller beräknades, testade och kalibrerade i laboratoriet och används för att syntetisera ljudexempel. Forskarna visade att modellerna kunde producera "övertygande banjoliknande" ljud.

Dessa syntetiserade ljud var centrala i arbetet så de har bäddats in som ljudklipp i artikeln. Traditionellt, sådana klipp skulle finnas tillgängliga som kompletterande material för nedladdning. "De inbäddade filerna ger läsaren en mycket lättare tid och tillåter ett mycket mer omedelbart svar, säger Woodhouse.

Kontraster och upptäckter

Strukturen hos en banjo skiljer sig från den hos en gitarr. Banjos har ett trumliknande sträckt membran snarare än en träplatta för en klangbotten, och detta påverkar akustiken.

"Strängarna kopplar sig mycket starkare till ljudplattans vibration. Resultatet är att toner på en banjo är högre än motsvarande toner på en gitarr, och förfaller snabbare, " förklarar Woodhouse.

Genom analys av modellerna, teamet gjorde också en mer överraskande upptäckt. Till skillnad från tidigare arbeten på violiner och gitarrer, Banjostudien visar hur ljud påverkas av akustiska strukturer som kallas formanter.

"Underliggande den fina strukturen hos individuella resonanser, det kan finnas formanter, större strukturer, forma frekvensfördelningen av ljud som utstrålas av instrumentet, säger Woodhouse.

Strukturella justeringar av banjon kan användas för att styra formanterna och på så sätt justera tonen i instrumentet.

"Banjon ger ett extremfall av mod/formantkontrast:förändringar som påverkar individuella resonanser verkar vara mycket mindre viktiga, när det gäller ljud, än förändringar som påverkar formanterna."

Att arbeta inom musikalisk akustik – där fysik kombineras med mänsklig uppfattning och bedömning – kräver ett ovanligt förhållningssätt till forskning, säger Woodhouse.

"Med musikaliska problem, fysikfrågorna måste retas ut genom interaktion med skapare och spelare av instrument. Du får träffa många intressanta människor som gör den här typen av arbete!"