Medición de la vibración de instrumentos musicales con un vibrómetro láser

Medición de la vibración de instrumentos musicales con un vibrómetro láser
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polytec-logoEstudio de aplicación para definir el grado de influencia de las propiedades geométricas de un triángulo musical, con el objetivo de obtener mayor experiencia en el modelaje numérico y el análisis experimental de instrumentos musicales.

 

 

La historia de los instrumentos musicales es tan vieja como la de la humanidad. Durante los últimos siglos el desarrollo de la calidad y sonido de los instrumentos ha sido impulsado de manera empírica y experimental por músicos y creadores. Aunque a primera vista el estudio científico de los instrumentos no parece generar alguna mejora significativa a futuro, sigue siendo una pieza clave para el mejor entendimiento de estos sistemas tan complejos, brindando modelos numéricos que ilustran de mejor manera el comportamiento del sonido.

El estudio científico de los instrumentos musicales permite el mejor entendimiento de estos sistemas.

Para investigar la influencia que tienen las propiedades geométricas de un triángulo musical de alta calidad en el sonido radiado, se llevó a cabo un proyecto de investigación en dónde el objeto de estudio eran dos triángulos musicales que a simple vista poseían formas y sonidos diferentes (Imagen 1); con el principal objetivo de ganar experiencia en el modelaje numérico y en el análisis experimental de instrumentos musicales.

 

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Imagen 1: Propiedades geométricas especiales del triángulo musical de alta calidad.

 

 

 

 

Montaje del experimento y procedimiento de la medición

El análisis experimental se dividió en dos partes: El análisis experimental modal usando el vibrómetro de escaneo de Polytec PSV-400 que proporciona las frecuencias propias y la escala de las formas de la estructura; y un estudio repetido usando un micrófono para obtener información sobre el comportamiento de transmisión de la vibración de la estructura en relación al sonido que emite para el oyente.

Para generar música, el triángulo es suspendido por una cuerda y excitado por una pequeña barra de metal, para este experimento el triángulo se mantuvo suspendido en dos puntos para evitar que girara y se moviera durante la medición. Ver imagen inferior.

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Imagen 2: Suspensión y dirección de la excitación del triángulo musical.

 

Debido a la suavidad de la suspensión, el triángulo puede ser desacoplado de la plataforma experimental, lo que facilita la comparación entre las mediciones y el análisis numérico, ya que la estructura puede ser asumida como libre.

De manera similar a cuando se toca el instrumento, la excitación en el experimento se llevó a cabo con un martillo de impacto, de este modo, el sonido no difiere de manera significativa de cuando es excitado con la barra de metal.

La imagen inferior muestra el montaje del martillo de impacto, este montaje asegura que cada golpe se realice en el mismo lugar, en la misma dirección y aproximadamente con la misma energía.

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Imagen 3: Montaje del martillo de impacto

En el experimento, la excitación del triángulo musical se llevó a cabo en dos direcciones; la primera en el plano del triángulo (imagen 2 flecha verde) y la segunda, ortogonal a ésta (imagen 2 flecha azul).

En contraste con métodos de medición alternativos con acelerómetros; las mediciones de vibración sin contacto usando el vibrómetro láser permiten que las propiedades de vibración de la estructura no sean influenciadas por masas adicionales; además, el enfoque óptico del vibrómetro PSV-400 simplifica en gran medida el montaje de la rejilla de exploración.

Para lograr una señal de buena calidad, se colocaron puntos de cinta antirreflejante en la superficie de cromo plateado del triángulo, para asegurar un fuerte nivel de luz retrodispersada.

El micrófono se colocó a una distancia de 40 cm del triángulo. La distancia se delimitó por las dimensiones espaciales de la plataforma de prueba, sin embargo, ésta se debe de ubicar lo suficientemente lejos para medir fuera del campo acústico cercano. La suspensión geométrica y la excitación de la estructura permanecen sin cambios.

Para analizar la influencia de las características geométricas del triángulo musical de alta calidad en la simulación numérica; es importante conocer las propiedades reales del material. Estos parámetros se obtienen mediante un procedimiento de indicación. Para saber si se han elegido los parámetros correctos las frecuencias propias entre la medición y la simulación deben de ser similares.

Resultados y conclusiones

Básicamente, los instrumentos acústicos emiten sonidos que representan la superposición de muchas oscilaciones armónicas de diferentes frecuencias, estas frecuencias corresponden a frecuencias naturales de la estructura.

Un sonido típico, normalmente consta de un tono fundamental junto con armónicos; la sensación de un tono hermoso depende en gran medida de la experiencia musical y talentos del oyente.

Las mediciones sin contacto usando el vibrómetro láser permiten que las propiedades de vibración de la estructura no sean influenciadas por masas adicionales

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Imagen 4: Comparación de la simulación en un modelo experimental

Existen criterios objetivos que se pueden encontrar para explicar la consonancia o disonancia de dos frecuencias o una correlación armónica de todas las frecuencias. Sin embargo, el triángulo es un instrumento de percusión que se puede tocar sin tener en cuenta la tonalidad, de esa manera, la serie de frecuencias no deben exhibir un tono fundamental por lo que no se puede aplicar un criterio armonioso.

El sonido del triángulo musical depende en gran medida de la dirección de la excitación. Las mediciones del micrófono muestran que no es posible asegurar que se está excitando en una sola dirección, por lo tanto, tampoco se puede identificar qué frecuencias naturales corresponden a las direcciones de excitación, la ventaja del vibrómetro PSV-400 es que la dirección de la medición puede ser configurada en una sola dirección, lo que permite que las frecuencias propias puedan ser asignadas a la dirección de excitación correspondiente.

De estos resultados junto con el criterio de consonancia se puede ver la razón del por qué, el sonido de un triángulo de mayor calidad es mejor, las primeras cinco frecuencias propias son responsables de esto; para un buen sonido es necesario que los tonos correspondientes no sean disonantes entre ellos, el siguiente paso será optimizar la forma del triángulo para que de esa manera la calidad del sonido pueda ser mejorada.

Polytec cuenta con una amplia gama de vibrómetros para realizar mediciones de vibración sin contacto, visita nuestro catálogo aquí.

Referencia:”Visible Music”, Revista Infocus, Polytec Issue 2014 (36-39), Optical Measurement http://www.polytec.com/us/news/infocus-magazine

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