Een professionele saxofoonspeler geniet van nieuwe klankmogelijkheden. Een beginnende speler wil een makkelijk bespeelbaar instrument. Dankzij de saxofoonrobot in ons laboratorium kunnen we mondstukken eindelijk gericht ontwerpen.
Met zijn unieke klank veroverde de saxofoon de muziekwereld. Het geesteskind van Belgisch uitvinder Adolphe Sax vond nu ook zijn weg naar het laboratorium. Mijn promotor Joris Dirckx en ikzelf onderzochten hoe de vorm van mondstukken de klank en manier van spelen beïnvloedt. We bouwden hiervoor een saxofoon-robot. Via computersturing speelt die de noten op het instrument automatisch, waarbij de robot de blaasdruk en de kracht van de lip systematisch varieert. Zo konden we de eigenschappen van saxofoon-mondstukken beschrijven met objectieve parameters.
Tot nu toe is het ontwerp van mondstukken vrijwel volledig gebaseerd op trial-en (vooral veel)-error, en op de jarenlange ervaring van vakmensen. Op dit mondstuk zit een riet. De lip van de muzikant drukt het riet aan tot er een smalle spleet ontstaat. De lucht die de muzikant doorheen die spleet blaast, zet het riet vervolgens aan het trillen, wat de bron is van de geluidsenergie. De klank van het instrument is het resultaat van een uiterst ingewikkelde combinatie van mechanische eigenschappen van het riet en hydrodynamische en akoestische eigenschappen van het mondstuk.
Door de nieuwste evoluties in 3D-printing kunnen we geheel nieuwe ontwerpen maken. Maar het wetenschappelijk inzicht ontbreekt om efficiënt op zoek te gaan naar de beste vorm.
Hoe trilt het riet nu?
Met behulp van heel nauwkeurige camera’s brachten we de drie-dimensionale bewegingen van het riet in kaart: blijkt dat het riet niet alleen op-en-neer beweegt, maar tijdens zijn beweging ook doorbuigt in dwarse richting. Op het moment dat het riet de randen van het mondstuk raakt, buigt het midden zelfs door tot onder het niveau van de rand.
Dit doorbuigen kan heel grote terugbots-krachten doen ontstaan, waardoor de beweging van het riet heel plots van zin verandert. Hierdoor is de beweging erg hoekig. In wetenschappelijke termen zegt men dat de beweging niet-sinusoïdaal is (zoals vb. bij een braaf bewegende slinger), maar dat ze veel harmonischen bevat. Deze harmonischen in de beweging van het riet zijn van cruciaal belang voor de klank die de luisteraar hoort.
Het mondstuk
Niet alleen de mechanische eigenschappen bepalen de beweging van het riet, maar ook de luchtstroom in het mondstuk. De meetopstelling maakt het mogelijk zowel de luchtstroom als de blaasdruk te meten, en de effecten te onderzoeken van de positie van de lip en de kracht van de lip.
Testen op verschillende soorten mondstukken tonen dat de vorm van het mondstuk een erg bepalende rol heeft op de combinatie van krachten en drukken waarmee noten kunnen gespeeld worden. Het gebied waarin het mondstuk betrouwbaar werkt, noemden we het “speelbaarheidsbereik”.
We wisten objectieve parameters te bepalen om dit gebied te beschrijven. Tot nu toe specificeren de fabrikanten hun mondstukken met subjectieve termen zoals “open”, “breed geluid” , “lage weerstand”, “makkelijk aanspreekbaar”. De nieuwe metingen laten nu toe om getallen te plakken op een aantal van deze eigenschappen.
Een volgende stap is om deze getallen te linken aan de vormeigenschappen van de mondstukken, en zo voor het eerst een automatisch ontwerpproces te realiseren dat gewenste speeleigenschappen optimaliseert. Dit kunnen nieuwe geluidseigenschappen zijn voor de professionele speler, maar ook makkelijkere speelbaarheid voor de beginner die daardoor het instrument veel sneller onder de knie krijgt.
Geluidsgolven zien
Een lastige noot om te kraken blijft hoe we de luchtstroom binnen in het mondstuk meten, want de minste verstoring verandert de klank -en speeleigenschappen. Hierdoor is het vrijwel onmogelijk om druk of luchtsnelheid in de mondstukken te meten met traditionele methoden zoals meetnaalden.
We ontwikkelen hiervoor optische technieken die met behulp van holografie de drukverdeling meten op basis van dichtheidsveranderingen in de aanwezige lucht. We gebruiken ook drukgevoelige fluorescerende verf, waarvan de fluorescentie varieert samen met de druk van de geluidsgolven in het mondstuk. Zo kunnen we de geluidsgolven in het mondstuk effectief waarnemen.
De Belgische connectie
Alle niet-elektrische muziekinstrumenten zijn het product van vele honderden jaren evolutie, met wortels die teruggaan tot Grieks-Romeinse en zelfs Egyptische geschiedenis. Alle instrumenten, behalve één: de saxofoon, product van één enkele visionaire ontwerper: de Belgische uitvinder Adolphe Sax.
Toen Sax zijn instrument ontwierp, had hij verschillende doelen voor ogen: het moest het speelcomfort geven van een rietinstrument (zoals een klarinet), maar even luid zijn als een koperinstrument (zoals een trompet). Het moest makkelijk bespeelbaar zijn, én bovendien kunnen weerstaan aan barre weersomstandigheden als het werd gebruikt in een militaire marcheband, iets wat in de tijd van Sax nogal eens nodig was. Sax sloeg in het hele opzet, en het succes van zijn instrument was zó groot dat zijn concurrenten zelfs een bomaanslag op zijn leven organiseerden!
Zonder het zelf te beseffen creërde Sax een instrument dat door de combinatie van een riet en een mondstuk met een metalen lichaam, nieuwe klankmogelijkheden gaf die door geen enkel ander blaasinstrument geëvenaard worden. De luidheid van het instrument maakte het tot de ideale keuze voor de dansorkesten in de eerste helft van de 20ste eeuw. Zo vond de saxofoon zijn weg van het klassieke symfonische orkest naar de bigbands van de danszaal, en groeide het instrument uit van het icoon van de Jazz tot ingrediënt van hedendaagse de pop- en rockmuziek.
Het is passend dat België een belangrijke rol speelt in het hedendaagse onderzoek en de ontwikkeling van de saxofoon. Door de parameters van saxofoonriet en mondstuk op een objectieve manier te bestuderen, zetten we als Belgische onderzoekers de traditie van innovatie voort die Adolphe Sax begonnen is.
Enis Ukshini dingt mee naar de Vlaamse PhD Cup 2023. Ontdek meer over dit onderzoek op www.phdcup.be.
