Innovatie: de anatomie van het Artist 2.0 mondstuk – deel III

Nieuw mondstuk voor onze Artist Series Irish Whistle – Simulatie en analyse

In deel III gaan we in op de analyse van het mondstuk. Welke simulaties je zoal kunt doen, en welke er van belang zijn voor het ontwerpen van een mondstuk. We willen natuurlijk iets weten over de luchtstroom ín het mondstuk, maar ook óver het mondstuk. Ook gaan we kijken naar de interne bouw van de kamer of het aanbrengen of weghalen van bepaalde vormen zin heeft. Naast het meten van de luchtstroom gan we kijken naar de akoestiek. En in hoe verre heeft het zin om massa aan te brengen aan ons mondstuk; kan het beter van plastic gemaakt zijn, of beter van metaal (zoals aluminium)?

Deel I – Introductie | Deel II – Het ontwerp | Deel III – Simulaties | Deel IV – 3D printen

Een bijdrage van Ruud Roelofsen

Luchtstroom simulatie

Voor een simulatie van de luchtstroom, gaan we uit van een normale blaaaktie van een muzikant. Onze lucht is ongeveer 37 graden als het ons lichaam verlaat, en zoals we al eerder gezien hebben gaat dat met een snelheid van ongeveer 1 mtr/s. Bij octaveren is de snelheid  vanzelfsprekend hoger.

Deze parameters zetten we ook in ons simulatie-programma, en we laten tevens de luchtstroom starten aan het begin van het mondstuk. Eerst maken de onze low whistle af, compleet met body en bijbehorende toongaten zoals het hoort. Daarna zetten we een computational domain op; dit is het gebied wat het programma meeneemt in de berekening, ook rondom de whistle, hier te zien als een draadmodel:

De luchtstroom parameters zien er als volgt uit:

Hierbij wordt ook uitgegaan van de relatieve vochtigheid van uitgeademede lucht: deze is 100%, alhoewel we niet denken dat dit een postitieve of negatieve invloed heeft op ons model, is het toch goed om mee te nemen.

We gaan eerst eens kijken naar de ingeblazen lucht en hoe deze zich gedraagt als functie van de luchtsnelheid over een tijdsduur van 10 seonden. Dit zegt iets over waar de lucht mogelijk tegengehouden wordt, waardoor we ons ontwerp wellicht aan zouden moeten passen voordat we verder gaan.

Duidelijk in bovenstaande figuur is dat de lucht gebroken wordt door het blad van het mondstuk, en zijn snelheid verliest. Lucht moet in trilling worden gebracht, en dat wordt zo bewerktstelligt; de ingeblazen lucht verlaat de windgang en gaat oscilleren, waardoor het soms boven het blad terecht komt, en dan weer onder het blad. Dit gebeurt snel achter elkaar. Dit is nodig om de toon te vormen. Verder wordt de lucht nergens teveel tegengehouden. Wat ook opvalt is dat hoewel de onderkant van het blad gelijk ligt met de bodem van de windgang, de meeste lucht zich naar onderen begeeft, richting de kamer en de body van de whitstle. Dit komt door de lichte neergang van het dak van de windgang, en het feit dat de kamer van het mondstuk een zuigende werking heeft, alhoewel in zeer beperkte mate.

Turbulentie energie

In bovenstaande afbeelding kijken we naar de turbulentie energie die genenereerd wordt. In de windgang is nagenoeg geen turbulentie waar te nemen, zeker niet aan het begin van het mondstuk, daar waar de muzikant in het mondstuk baast. Door het verlaagde plafond van de windgang neemt de turbulentie iets toe (te zien aan daar waar het groen overgaat in de gele kleur). Zodra de lucht de kamer in komt, zien we een ander beeld; er is vrij veel turbulente lucht aan de wanden. Dit is vrij normaal.

Lucht door de body


Van de zijkant bekeken, zie we een werveling onstaan in de kamer. Het lijkt alsof de ingeblazen lucht (deels) weer aangezogen wordt en de body instroomt. Een deel blijft achter en stroomt pas later in.

De kamer is geoptimaliseerd op een aantal plaatsen; er is onder andere gekozen voor een afgeronde bodem, zodat de lucht die gaat wervelen in de kamer met minder moeite omhoog komt en de body in kan stromen.

We gaan nu kijken wat er gebeurt als de lucht bij het eerste (open) toongat aankomt.

We zien dat de lucht aangezogen wordt naar het toongat toe, en dan naar beneden valt.

Hoe werkt een fluit?

De luchtstraal van de bespeler beweegt over het blad van het mondstuk zoals we gezien hebben. De ingeblazen lucht gaat door de windgang en zodra het de windgang uitkomt begint het te oscileren (waaieren) tegen het blad aan. Dit veroorzaakt een verstoring van de lucht. Hierdoor komt een golfbeweging op gang door de buis die langs de toongaten beweegt. Dit is dus wat we zien in bovenstaande afbeelding.

De snelheid van deze ‘verplaatsingsgolf’ is ongeveer de helft van de luchtsnelheid waarmee ingeblazen wordt bij het mondstuk. Om een lage toon te produceren moet rustig ingeblazen worden. De reistijd van de geluidsgolven is hoog, omdat lage noten een lagere frequentie hebben. Om een ​​hoge toon te spelen, moet de reistijd van de golven op de ‘jet-wave’ worden verlaagd om overeen te komen met de hogere frequentie, en dit wordt gedaan door de blaasdruk (en daarmee de snelheid) te verhogen.

Het opvallende is dat de lucht alternerend ontsnapt naar buiten en dan weer naar binnen door het toongat, veroorzaakt door de scherpre rand. Eigenlijk gebeurt hier precies hetzelfde als wat we zagen bij het blad van het mondstuk. Het deel van de lucht dat naar binnen trekt veroorzaakt een oscillatie in de buis. De lucht oscilleert over de lengte van de fluit, en de locaties van open gaten veranderen deze oscillatie. Hierdoor veranderen de geproduceerde noten.

Conclusie

Uit de metingen kunnen we opmaken dat alles functioneert; in theorie. De vernieuwingen die we hebben toegepast in dit mondstuk lijken hun werk te doen. Theorie is leuk natuurlijk, maar nu moet in de praktijk ook nog blijken dat alles werkt en dat we een makkelijk te spelen mondstuk hebben met de juiste karakteristieken.

Prototypering

Om een eerste prototype te maken, gaan we het ontwerp in 3D printen. Nu klinkt 3D printen heel leuk, maar er ziten wel degelijk een paar haken en ogen aan 3D printen. Dit gaan we in een volgend deel uitleggen; welke printer gebruiken we, hoe zet je het ontwerp om in iets wat de printer begrijpt, welke materialen zijn er en wat voor eigenschappen hebben ze? Hoe zit het met het printen van horizontale delen (overhang)? Dit en meer in Deel IV!

Tot zo ver deel III. in deel IV leggen uit hoe een model uit een tekenpakket omgezet wordt in een object wat je kunt printen. Hierbij komt het begrip triangulatie om de hoek kijken. We gaan zien dat het printen in 3D eigenlijk een compromis is bij de opbouw van een object….

Share the music!

This post is also available in: Engels

Leave A Comment

Bellen
Route