♪ Modális szintézis 2/2

1. A lánctól a folytonos tárgyig

Az 1/2 részben \(N\) tömegből \(N\) módus lett. Ha a láncot egyre sűrűbbre vesszük (\(N\to\infty\)), a tömegek folytonos tárgyba olvadnak: húr, rúd, membrán, lemez. A módusok száma végtelen, de a hang ugyanaz a három lista marad: \(\omega_n\), \(\sigma_n\), \(a_n\). A modális szintézis egyenlete nem változik:

\[y(t)=\sum_n\frac{a_n}{\omega_{d,n}}e^{-\sigma_nt}\sin(\omega_{d,n}t),\qquad a_n=\frac{u_n(p)\,u_n(q)}{m_n}.\]

Két dolog új. A módusalak már függvény (\(u_n(x)\), a hely folytonos változója), és a frekvenciák zárt képletből jönnek, nem mátrixból. A tárgy hangszínét leginkább a frekvenciák aránya adja: a húr felhangjai egész számú többszörösek (harmonikus), a rúdé és a membráné nem (inharmonikus, harangszerű).

TárgyFrekvenciák arányaJelleg
Ideális húr1 : 2 : 3 : 4 …harmonikus, hangmagasság egyértelmű
Szabad–szabad rúd1 : 2,76 : 5,40 : 8,93inharmonikus, xilofon, triangulum
Befogott–szabad rúd1 : 6,27 : 17,55hangvilla, kalimba, a felhangok messze vannak
Kör membrán1 : 1,59 : 2,14 : 2,30 : 2,65dob, a hangmagasság bizonytalan

2. A húr és a merev húr

Az ideális húr (hossz \(L\), feszítőerő \(T\), hosszegységre jutó tömeg \(\mu\)) módusai:

\[f_n=n f_1,\quad f_1=\frac1{2L}\sqrt{\frac T\mu},\quad u_n(x)=\sin\frac{n\pi x}{L},\quad m_n=\frac{\mu L}2.\]

Az erősség így \(a_n\propto\sin(n\pi p/L)\sin(n\pi q/L)\), ahol \(p\) az ütés (pengetés), \(q\) a hallgatás helye. Ha \(p=L/4\), minden 4. módus csomópontba esik, tehát a 4., 8., 12. felharmonikus hiányzik. A gitáron ezért szól más a híd mellett és a fogólap fölött.

A valódi húr merev is, ezért a felhangjai kissé magasabbra csúsznak [18][19]:

\[f_n=nf_1\sqrt{1+Bn^2},\qquad B=\frac{\pi^3Ed^4}{64\,T L^2}.\]

A \(B\) az inharmonicitás: vastag, rövid, laza húrnál nagy. Zongorában a mély húrok \(B\)-je miatt hangolják „nyújtva” a hangszert. Példa: \(B=4\cdot10^{-4}\), \(f_1=220\) Hz esetén a 10. felharmonikus \(2200\sqrt{1{,}04}=2243{,}6\) Hz, vagyis kb. 34 centtel magasabb a harmonikusnál.

3. Rudak

A rúd hajlító rezgésénél a frekvencia a hossz négyzetével csökken [13][15]:

\[f_n=\frac{(\beta_nL)^2}{2\pi L^2}\sqrt{\frac{EI}{\rho A}},\qquad I=\frac{bh^3}{12}.\]

Szabad–szabad rúdnál \(\beta_nL=4{,}730;\ 7{,}853;\ 10{,}996;\ 14{,}137\), majd \(n\ge3\)-ra jó közelítéssel \((n+\tfrac12)\pi\). Az arányok \((\beta_nL/4{,}730)^2\)-ből jönnek: 1 : 2,76 : 5,40 : 8,93. A hangszín gombja itt is a módusalak és az ütés helye: a rúd végén ütve minden módus egyformán megszólal, a közepén ütve a páros sorszámúak kiesnek.

🎹 A marimba- és xilofonlécek alját kivájják, hogy a 2. módus tiszta intervallumra (kb. 1 : 4, illetve 1 : 3) hangolódjon. A vastagság számít: \(f\propto h\), tehát a lécet kétszer vastagabbra véve a hang oktávval magasabb.

4. Membrán és lemez

A kör membrán (sugár \(R\), feszítés \(T\) [N/m], felületi sűrűség \(\sigma_s\)) módusai két indexűek: \(m\) a csomóátmérők, \(n\) a csomókörök száma (a perem is csomó) [19][21]:

\[f_{mn}=\frac{j_{mn}}{2\pi R}\sqrt{\frac T{\sigma_s}},\qquad u_{mn}(r,\theta)=J_m\!\Big(j_{mn}\frac rR\Big)\cos m\theta.\]

A \(j_{mn}\) a \(J_m\) Bessel-függvény \(n\). zérushelye. Az arányok nem egészek:

(m,n)(0,1)(1,1)(2,1)(0,2)(3,1)(1,2)
\(j_{mn}\)2,4053,8325,1365,5206,3807,016
\(f/f_{01}\)11,5932,1362,2952,6532,917

A középpontban \(J_m(0)=0\) minden \(m>0\)-ra, így a dob közepét ütve csak a körszimmetrikus (\(m=0\)) módusok szólalnak meg, a hang mélyebb és tompább. A peremhez közel ütve minden módus gerjesztődik. A levegő terhelése a valódi dobban lejjebb tolja a frekvenciákat, ez a modell ezt nem tartalmazza.

Lemez (cintányér, harang): a hajlító hullámok sebessége a frekvenciával nő (diszperzió), \(\omega\propto k^2\), és \(\omega\propto\dfrac{h}{R^2}\sqrt{\dfrac{E}{\rho(1-\nu^2)}}\) [22]. Ebből adódik a méretezés: kétszeres vastagság kétszeres frekvenciát, felezett sugár négyszeres frekvenciát ad.

5. Frekvenciafüggő csillapítás

Az 1/2 rész 11. pontja a Rayleigh-modellt adta: \(\sigma_n=(\alpha+\beta\omega_n^2)/2\). Valódi tárgynál három veszteség van: a levegőbe sugárzás (főleg mély módusoknál), az anyag belső súrlódása (magasaknál) és a rögzítés. Egy gyakori mérnöki leírás a veszteségi tényező \(\eta\):

\[\sigma_n=\frac{\eta\,\omega_n}{2},\qquad T_{60,n}=\frac{\ln1000}{\sigma_n}=\frac{13{,}8}{\eta\,\omega_n}.\]

Honnan jön az \(\eta\)? Definíciója az egy periódus alatt elveszett energia hányada: \(\eta=\Delta E/(2\pi E)=1/Q\). Egy módus kitérése \(e^{-\sigma t}\), energiája \(e^{-2\sigma t}\), egy periódus \(2\pi/\omega_d\) ideig tart, ezért

\[\frac{\Delta E}{E}=1-e^{-4\pi\sigma/\omega_d}\approx\frac{4\pi\sigma}{\omega}\;\Rightarrow\;\eta\approx\frac{2\sigma}{\omega},\quad\sigma=\frac{\eta\omega}{2}\qquad(\sigma\ll\omega).\]

A \(T_{60}\) azt jelenti, hogy az amplitúdó 60 dB-t, azaz 1000-szeresére csökken: \(e^{-\sigma T_{60}}=10^{-3}\), tehát \(T_{60}=\ln 1000/\sigma\). Pontosabb alak: \(\eta=(1-e^{-4\pi\sigma/\omega_d})/(2\pi)\). Komplex rugalmassági modulussal (\(E(1+i\eta)\), „szerkezeti csillapítás”) a pólus \(s=i\omega_0\sqrt{1+i\eta}\), amiből

\[\sigma=\omega_0\sqrt{\tfrac{\sqrt{1+\eta^2}-1}{2}}\approx\tfrac{\eta\omega_0}{2},\qquad\omega_d=\omega_0\sqrt{\tfrac{\sqrt{1+\eta^2}+1}{2}}.\]

Az \(\eta\) értékét az anyagból nem lehet elméletileg kiszámolni (belső súrlódás, légsugárzás és rögzítés együtt adja), hanem mérik: (1) lecsengésből: exponenciális illesztéssel \(\sigma_n\), majd \(\eta_n=2\sigma_n/\omega_n\); (2) rezonanciacsúcs szélességéből: \(\eta\approx\Delta f_{-3\,\mathrm{dB}}/f_n\); (3) hiszterézishurokból: \(\eta=\) hurok területe \(/(2\pi\cdot\) tárolt energia). A Rayleigh-modellel összevetve \(\eta_n=\alpha/\omega_n+\beta\omega_n\): mély módusoknál a tömegarányos (levegő), magasaknál a merevségarányos (anyag) tag dominál.

Példa: \(\eta=10^{-3}\) (fémes tárgy), \(f=1000\) Hz: \(\sigma=3{,}14\) 1/s, \(T_{60}=2{,}2\) s. Nagyságrendileg tízszer nagyobb \(\eta\)-val (fa) 0,22 s. A fa ezért „tompa”, a fém „csengő”. A demóban egyszerűbb alakot használunk: \(\sigma_n=\sigma_1\,[1+b\,(r_n^2-1)]\), ahol \(r_n=f_n/f_1\); \(b=0\) azonos lecsengés minden módusnál, \(b=1\) tisztán \(\omega^2\)-es fékezés [20].

6. Az ütés: kalapács és kontaktidő

Az 1/2 részben az ütés ideális impulzus volt (minden módust egyformán gerjeszt). A valódi kalapács \(\tau\) ideig érintkezik, ezért az erőpulzus spektruma aluláteresztő: a módusok erősségét a \(g_n=1/\sqrt{1+(f_n/f_c)^2}\) szorzó csökkenti, ahol \(f_c\) nagyságrendileg \(1/\tau\). Puha filckalapácsnál hosszú a \(\tau\), kicsi az \(f_c\): csak a mély módusok szólnak. Kemény fa- vagy fémpálcánál rövid a \(\tau\), a magas módusok is megjelennek [3][12]. Az erősebb ütés gyengén rövidíti az érintkezést (Hertz-érintkezés, \(\tau\propto v^{-1/5}\)), ezért az erősebb hang világosabb is.

6.1 A kalapács anyaga, tömege, sebessége

A kalapács és a tárgy közti erőt gyakran hatványtörvénnyel írják: \(F=K\,\delta^{p}\), ahol \(\delta\) az összenyomódás, \(K\) a kontaktmerevség (az anyagtól és az alaktól függ), \(p\) a kitevő. Golyó–sík Hertz-érintkezésnél \(p=3/2\), filckalapácsnál mérések szerint 2,5–3,5 körüli [25][26][29]. Az energiából \(\tfrac12m_hv^2\approx K\delta_m^{p+1}/(p+1)\), vagyis \(\delta_m\propto(m_hv^2/K)^{1/(p+1)}\), és az érintkezési idő \(\tau\sim\delta_m/v\):

\[\tau\;\propto\;\Big(\frac{m_h}{K}\Big)^{\frac1{p+1}}\,v^{-\frac{p-1}{p+1}}.\]

Hertz-érintkezésnél (\(p=3/2\)) ez a fenti \(\tau\propto v^{-1/5}\), puha filcnél (\(p=3\)) már \(v^{-1/2}\): az erősebb ütés a filckalapácsnál sokkal jobban megrövidíti az érintkezést, ezért a hang erősebben világosodik (zongora: piano és forte közti különbség). Az erőpulzus alakját \(F(t)\approx F_m\sin^{\gamma}(\pi t/\tau)\)-val közelítjük, \(\gamma=2p/(p+1)\) (lineáris rugónál \(\gamma=1\), félszinusz). A pulzus spektruma aluláteresztő, ez adja a módusok súlyát: a kitérésben \(a_n\propto u_n(p)\,u_n(q)\,\hat F(f_n)/\omega_n\).

Kalapács (demó-gomb)\(\tau_0\) [ms]\(p\)Mit várunk
puha filc33csak a mély módusok szólnak, erős ütésnél világosodik
kemény filc1,52,5zongorakalapács-szerű
bőr0,82középső
fa0,41,5xilofon-, marimba-szerű
műanyag0,251,5világos, éles
fém0,11,5majdnem ideális impulzus, harangszerű

A \(\tau_0\) az 1× tömegű, 1× sebességű ütés érintkezési ideje. Ezek a demó kezdőértékei, nagyságrendi becslések, nem mért anyagadatok.

6.2 Felület: érdesség

A valódi érintkezés nem sima: a felületi egyenetlenségek miatt az erő a sima pulzus körül ingadozik. Egyszerű statisztikai modell: \(F(t)=F_{\mathrm{sima}}(t)\,[1+\rho\,\xi(t)]\), ahol \(\xi\) egységnyi szórású, aluláteresztő (kb. 6 kHz) zaj, \(\rho\) az érdesség, és \(F\ge0\). Az összimpulzus változatlan. A zaj a sima pulzus vágásán túl is ad szélessávú, „sercegő” összetevőt a támadásban. Ez nem mikrokontaktus-szimuláció, csak a hallható hatás első közelítése.

6.3 Pengetés

Pengetésnél nincs erőpulzus, a tárgy a statikus lehajlásból indul: \(x_n(0)=u_n(p)/\omega_n^2\), \(\dot x_n(0)=0\). Húrnál ez \(\sin(n\pi p)/n^2\), a háromszög alakú lehajlás Fourier-sora. A pengető vagy az ujjbegy szélessége aluláteresztőként hat: \(1/(1+(f_n/f_c)^2)\), \(f_c\approx0{,}5/\tau_0\). A \(p=1/k\) helyen pengetett húrból minden \(k\)-adik harmonikus kimarad.

6.4 Lenyomás: lefogás és tompítás

Két különböző dolgot hívunk lenyomásnak.

(a) Lefogás. Az ujj a húr egy részét kizárja, a hangzó rész hossza \(1-x_f\) lesz, ezért \(f_1\to f_1/(1-x_f)\), a módusalakok pedig az ujj és a híd közti szakaszon élnek. A \(k\) félhangnyi fogás helye \(x_f=1-2^{-k/12}\) (12. fogás: \(x_f=1/2\); tiszta kvintnél \(1/(1-x_f)=3/2\), \(x_f=1/3\)). A gerjesztés és a hallgatás helyét a demóban a teljes húrhoz mérjük, ha az ujj mögé esik, a legközelebbi hangzó pontra kerül.

(b) Tompítás. Ha az \(x_d\) pontban egy \(c\) csillapítású elem (ujjbegy, filc, tenyér) fékezi a tárgyat, az \(n\)-edik módus egyenletébe \(-c\,u_n(x_d)\sum_k u_k(x_d)\dot x_k\) kerül. Gyenge kapcsolásnál (a módusok nem keverednek) csak a diagonális tag számít:

\[\sigma_n=\sigma_{n0}+\kappa\,u_n(x_d)^2,\qquad\kappa=\frac{c}{2m}.\]

Ahol a módusnak csomópontja van (\(u_n(x_d)=0\)), a fékezés nem hat rá. Következmények:

  • Flageolet. Húrnál \(x_d=L/k\): \(\sin(n\pi/k)=0\) pontosan akkor, ha \(k\mid n\), így csak az alaphang \(k\)-szorosának többszörösei élnek tovább. \(x_d=L/2\) az oktávot, \(L/3\) a tizenkettediket adja.
  • Rúd. A szabad–szabad rúd alaphangjának csomópontjai a végektől 22,4%-ra vannak. Itt megfogva az alaphang nem csillapodik (ezért támasztják a xilofon- és vibrafonlapokat ott), a közepén megfogva viszont elhal [19].
  • Membrán. A közepén csak a körszimmetrikus (\(m=0\)) módusoknak van kitérése, ezért a közép tompítása ezeket fékezi, a többit nem.
  • Időzítés. Ha a tompító csak \(t_d\) idő múlva ér a tárgyhoz, a már megszólalt hang lecseng (zongorafelfogó, tenyértompítás).
Korlát. Ha \(\kappa\to\infty\), a pont mozdulatlan lesz, vagyis új csomó keletkezik, és a frekvenciák is megváltoznak. Ez már a lefogás (a). Az erős, de véges \(\kappa\) csak fékez, a frekvenciákat nem tolja el, a tömegterhelést is elhanyagoljuk.

6.5 Vonás: tapad–csúszik

A vonó a húrra \(F=-F_N\,\mu(v_{\mathrm{rel}})\,\mathrm{sgn}(v_{\mathrm{rel}})\) erőt gyakorol, ahol \(v_{\mathrm{rel}}=v_s-v_b\) a húr és a vonó relatív sebessége. Tapadáskor \(v_{\mathrm{rel}}=0\) és \(|F|\le\mu_sF_N\), csúszáskor \(\mu\) csökken a sebességgel. Hiperbolikus közelítéssel

\[\mu(v)=\mu_d+\frac{\mu_s-\mu_d}{1+|v|/v_0}.\]

A gyanta a \(\mu_s-\mu_d\) különbséget növeli. A modális modellben minden módus \(\ddot x_n+2\sigma_n\dot x_n+\omega_n^2x_n=u_n(p)F(t)\), a vonó pontján a sebesség \(v_s=\sum_nu_n(p)\dot x_n\). Mintánként a pontos (exponenciális) léptetésből \(v_s[k]=v_{\mathrm{szabad}}[k]+H\,F[k]\) adódik, ahol \(H=\sum_nu_n(p)^2b_n\) a pont mobilitása. Az \(F[k]\) egy skalár egyenlet megoldása: ha \(|v_b-v_{\mathrm{szabad}}|/H\le\mu_sF_N\), akkor tapad (\(F=(v_b-v_{\mathrm{szabad}})/H\)), különben csúszik, és a \(F=-\mathrm{sgn}(v_{\mathrm{rel}})F_N\mu(|v_{\mathrm{rel}}|)\) egyenletet felezéssel oldjuk meg [24][27].

A kialakuló Helmholtz-mozgásban egyetlen éles sarok fut körbe a húron [28]. A vonó pontján a sebesség négyszög-, a kitérés fűrészfogszerű, a spektrum \(\sim1/n\) szerint esik, és ott szól kevés, ahol \(n\beta\) egész (\(\beta\) a vonó távolsága a hídtól, a hossz törtrésze). A Helmholtz-mozgás csak egy erősávban alakul ki [23]: \(F_{\max}\propto v_b/(\beta\,(\mu_s-\mu_d))\), kisebb erőnél karcos, felületi hangot kapunk, nagyobbnál reccsenőt. A demóban ezt kimértük (a hang harmonikus energiahányada alapján): \(\varphi_{\max}\approx0{,}034\,v_b/\beta\) és \(\varphi_{\min}\approx0{,}05\,v_b\), kétszeres sebességnél mindkét határ kétszeres. A számok a modell normálásától függenek, a skálázás Schellengé.

6.6 A kalapács kiszámítása: csatolt kalapács–tárgy modell

Eddig a pulzus előírt volt. Valójában az erő a kalapács és a tárgy közös mozgásából adódik. A kalapács (tömeg \(m_h\), helye \(y_h\)) a \(p\) pontban ér a tárgyhoz, az összenyomódás \(\delta=y_h-y(p)\), a kitevő \(p_e\):

\[m_h\ddot y_h=-F,\quad F=K\max(0,\delta)^{p_e},\quad \ddot x_n+2\sigma_n\dot x_n+\omega_n^2x_n=u_n(p)F,\quad y(p)=\sum_nu_n(p)x_n.\]

Egy mintalépésben (\(\Delta t\)) a módusok pontos léptetése állandó erőnél \(y=y_{\mathrm{szabad}}+H_xF\), ahol \(H_x=\sum_nu_n(p)^2b_{x,n}\), \(b_{x,n}=(1-c_{11,n})/\omega_n^2\). A kalapácsra \(y_h'=y_h+v_h\Delta t-\Delta t^2F/m_h\). Ezért \(\delta'=\delta_0-SF\), \(S=\Delta t^2/m_h+H_x\), \(\delta_0=y_h+v_h\Delta t-y_{\mathrm{szabad}}\), és az erő egyetlen skaláregyenletből jön:

\[F=K\max(0,\delta_0-SF)^{p_e}.\]

A bal oldal nő, a jobb csökken \(F\)-ben, ezért a gyök egyértelmű, felezéssel megkapjuk (ugyanaz a trükk, mint a vonásnál). Ha \(\delta_0\le0\), az érintkezés megszűnt (\(F=0\)), a kalapács szabadon repül. Az elpattanás és a második érintés magától adódik; a demó a kalapácsot az utolsó érintkezés után 30 ms-mal eltávolítja.

A \(K\) kalibrálása. Merev falra ütve a kontaktidő \(\tau=2B\,\delta_m/v_0\), \(\delta_m=\big((p_e+1)m_hv_0^2/(2K)\big)^{1/(p_e+1)}\), \(B=\int_0^1(1-z^{p_e+1})^{-1/2}dz\). A demóban a \(\tau_0\) csúszka (1× tömeg, 1× sebesség) ebből adja a \(K\)-t. A tárgy a \(p\) pontban az \(n\). módusra \(M_{\mathrm{eff},n}=m_n/u_n(p)^2\) effektív tömeggel nehezedik: ha \(m_h\ll M_{\mathrm{eff}}\), a fal-közelítés jó. Ha a kalapács nehezebb, vagy a tárgy a \(p\) pontban könnyű, a számolt \(\tau\) hosszabb, mert a tárgy engedik. Az előírt pulzus ezt nem tudja, a csatolt modell igen. A demó a számolt \(\tau\)-t és az erőpulzus spektrumát az utolsó lejátszásból rajzolja.

6.7 Lefogás tetszőleges pontban: módusok újraszámolása

A (a) pontbeli \(f_1/(1-x_f)\) csak húrra jó, és eldobja az ujj mögötti szakaszt. Általános, minden tárgyra érvényes eljárás: merev, pontszerű lefogás a \(d\) helyen, vagyis a kényszer \(y(d)=\sum_nu_n(d)x_n=0\). Ha a pontot egy \(k\) merevségű rugó tartja, a módusegyenlet \((\omega_n^2-\lambda)x_n=-k\,u_n(d)\,y(d)\), ebből \(1+k\sum_nu_n(d)^2/(\omega_n^2-\lambda)=0\). \(k\to\infty\) határesetben az új \(\tilde\omega^2=\lambda\) frekvenciák a

\[\sum_n\frac{u_n(d)^2}{\omega_n^2-\tilde\omega^2}=0\]

gyökei. A bal oldal \(\tilde\omega^2\)-ben szigorúan nő, ezért két szomszédos (nem csomóponti) módus közt pontosan egy gyök van: \(\omega_j\le\tilde\omega_j\le\omega_{j+1}\) (Rayleigh: a kényszer csak emel, de nem lép át a következő módusra). Az új módusalak \(\tilde u_j=\sum_nc_{jn}u_n\), \(c_{jn}\propto u_n(d)/(\omega_n^2-\tilde\omega_j^2)\), egységnyi normával, és \(\tilde u_j(d)=0\) magától teljesül. Azok a módusok, amelyeknek \(d\)-ben csomójuk van, változatlanok. A csillapítás \(\tilde\sigma_j=\sum_nc_{jn}^2\sigma_n\), a gerjesztés \(\tilde a_j=\tilde u_j(p)\,\tilde u_j(q)\).

Ellenőrzés. Húr közepén lefogva a gyökök a \(2f_1,2f_1,4f_1,4f_1,\dots\) sort adják: két félhosszú húr, oktávval magasabban, kétszeres multiplicitással. \(d=L/3\)-nál a \(3f_1\) többszörösei maradnak, a többi felemelkedik. A szabad–szabad rúdnál a \(d=22{,}4\%\)-os csomóban az alaphang gyakorlatilag nem változik (ezért támasztják ott), a közepén a páros módusok maradnak, a páratlanok feljebb csúsznak. A húrnál a két szakasz mindegyike szól (a nyereg felőli rész is), az ujjnál nincs rögzített \(x_f\)-rövidítés. A rúdra és a membránra nincs zárt rövidítési képlet, csak ez az eljárás. Korlát: a demó legfeljebb 10 kHz-ig, rúdnál 8, membránnál 10 módust tart meg, ezért a felső gyökök pontatlanok.

6.8 A lefogás ereje

Az ujj nem végtelen merev: a lefogás merevségét a nyomóerő \(F_f\) szabja meg. Az ujjbegy (vagy a bund) és a tárgy érintkezése Hertz-féle, \(F=K_f\delta^{3/2}\), ezért a pont érintkezési merevsége \(k_s=\mathrm{d}F/\mathrm{d}\delta=\tfrac32K_f^{2/3}F_f^{1/3}\) [N/m]. Ez a 6.7 egyenletbe a \(\tfrac1k\) taggal lép be: \(\sum_nu_n(d)^2/(\omega_n^2-\tilde\omega^2)+1/\tilde k=0\), ahol \(\tilde k=k_s/m_n\) [1/s²] (a módusalakok \(u_n\) egységnyi csúcsúak, \(m_n\) a módustömeg). \(\tilde k\to\infty\) a merev lefogás. A módus akkor tekinthető rögzítettnek, ha \(\omega_n^2\ll\tilde k\,u_n(d)^2\); a határfrekvencia \(f_c\approx\tfrac1{2\pi}\sqrt{\tilde k}\). Gyenge nyomásnál ezért a magas módusok „átcsúsznak” az ujjon (tompa, érdes hang), erős nyomásnál élesen megszólal a lefogott hang. Az ujjbegy puha (\(K_f\approx3\cdot10^4\) N/m\(^{3/2}\)), a fém bund merev (acél–acél, \(K=\tfrac43E^*\sqrt R\approx3\cdot10^9\)), ezért bundos hangszernél \(f_c\) messze a hallható sáv fölött van. Az erő a \(\tfrac13\)-os hatványon szerepel: tízszeres erő csak 2,15-szörös merevség. A demóban a nyomóerő a „Lefogás ereje” csúszka (0,01–100 N), a \(K_f/m_n\) arányt a Demó fül kalkulátora adja át.

6.9 Az összes változó: honnan számoljuk

Tárgy / folyamatVáltozók (SI)Számítás
Húr\(L\) [m], \(d\) [m], \(\rho\) [kg/m³], \(E\) [Pa], \(T\) [N]\(S=\tfrac{\pi d^2}4\), \(\mu=\rho S\) [kg/m], \(I=\tfrac{\pi d^4}{64}\), \(f_1=\tfrac1{2L}\sqrt{T/\mu}\), \(B=\tfrac{\pi^3Ed^4}{64TL^2}\), \(m=\mu L\), \(m_n=\tfrac{\mu L}2\), \(Z_0=\sqrt{T\mu}\) [kg/s]
Rúd\(L,b,h\) [m], \(\rho,E\)\(A=bh\), \(I=\tfrac{bh^3}{12}\), \(f_1=\tfrac{4{,}730^2}{2\pi L^2}\sqrt{\tfrac{EI}{\rho A}}\), \(m=\rho AL\)
Membrán\(R,h\) [m], \(\rho\), \(T_s\) [N/m]felületi sűrűség \(\sigma_s=\rho h\) [kg/m²], \(f_{01}=\tfrac{2{,}405}{2\pi R}\sqrt{T_s/\sigma_s}\), \(m=\sigma_s\pi R^2\)
Lemez\(R,h,\rho,E,\nu\)\(D=\tfrac{Eh^3}{12(1-\nu^2)}\) [N·m], \(\sigma_s=\rho h\), \(f=\tfrac{\lambda^2}{2\pi R^2}\sqrt{D/\sigma_s}\), \(\lambda^2\approx5{,}25\) (szabad peremű, (2,0) módus)
Csillapítás\(\eta\) (= 1/Q)\(\sigma_n=\tfrac{\eta\omega_n}2\), \(T_{60}=\tfrac{6{,}908}{\sigma_n}\)
Módus-tömeg\(m_n\), \(u_n(p)\)effektív tömeg a \(p\) pontban \(M_{\mathrm{eff},n}=m_n/u_n(p)^2\)
Kalapács\(m_h\) [kg], \(v_h\) [m/s], \(R_h\) [m], \(E_h,\nu_h\); filcnél \(K,p_e\)\(E^*=\big[\tfrac{1-\nu_h^2}{E_h}+\tfrac{1-\nu^2}{E}\big]^{-1}\), \(K=\tfrac43E^*\sqrt{R_h}\) (\(p_e=\tfrac32\)), \(\delta_m=\big(\tfrac{(p_e+1)m_hv_h^2}{2K}\big)^{1/(p_e+1)}\), \(F_{\max}=K\delta_m^{p_e}\), \(\tau=\tfrac{2B\delta_m}{v_h}\)
Pengetés\(F_p\) [N], \(p\)statikus lehajlás húrnál \(y_0=\tfrac{F_p\,p(1-p)L}{T}\), \(x_n(0)=\tfrac{u_n(p)F_p}{m_n\omega_n^2}\)
Vonás\(F_N\) [N], \(v_b\) [m/s], \(\beta\), \(\mu_s,\mu_d\)Schelleng: \(F_{N,\max}=\tfrac{2Z_0v_b}{\beta(\mu_s-\mu_d)}\)
Lefogás\(F_f\) [N], \(K_f\), \(d\)\(k_s=\tfrac32K_f^{2/3}F_f^{1/3}\), \(\tilde k=k_s/m_n\), \(f_c\approx\tfrac1{2\pi}\sqrt{\tilde k}\); fogás helye \(x_f=1-2^{-k/12}\)
Tompító\(c\) [N·s/m], \(x_d\)\(\kappa=\tfrac c{2m_n}\), \(\sigma_n\to\sigma_n+\kappa u_n(x_d)^2\)

A Demó fül alján a kalkulátor ezeket a képleteket valódi anyagadatokból és méretekből számolja ki, és egy gombbal átadja a Játékmódoknak.

6.10 Teljes levezetés

A) Módusfelbontás: húr, rúd, membrán, lemez

Húr. \(\mu y_{tt}+2\mu\sigma_0y_t-Ty_{xx}=\delta(x-p)F(t)\), \(y(0)=y(L)=0\). A \(y=\sum_nu_n(x)x_n(t)\) behelyettesítése után szorzunk \(u_m\)-mel és integrálunk \([0,L]\)-n. A \(u_n=\sin(n\pi x/L)\) megoldja a \(-u_n^{(2)}=k_n^2u_n\) egyenletet (\(k_n=n\pi/L\)), és \(\int_0^Lu_nu_m\,dx=\tfrac L2\delta_{nm}\), ezért \(\tfrac{\mu L}2(\ddot x_n+2\sigma_n\dot x_n+\omega_n^2x_n)=u_n(p)F\), \(\omega_n=k_n\sqrt{T/\mu}\). Tehát \(m_n=\mu L/2\), \(f_n=\tfrac n{2L}\sqrt{T/\mu}\). A demóban \(m_n=1\) normálás van, az erőt \(m_n\)-hez mérjük.

Rúd (Euler–Bernoulli): \(\rho Ay_{tt}+EIy_{xxxx}=0\). \(y=X(x)e^{i\omega t}\) esetén \(X^{(4)}=\beta^4X\), \(\beta^4=\rho A\omega^2/EI\), vagyis \(\omega=\beta^2\sqrt{EI/\rho A}\). Szabad–szabad végeknél \(X^{(2)}=X^{(3)}=0\), ebből \(\cos\beta L\cosh\beta L=1\), \(\beta L=4{,}730;7{,}853;10{,}996\dots\). Membrán: \(\sigma_sw_{tt}=T_s\nabla^2w\), polárkoordinátákban \(w=J_m(kr)\cos m\theta\,e^{i\omega t}\), a peremen \(J_m(kR)=0\), azaz \(k=j_{mn}/R\), \(\omega=k\sqrt{T_s/\sigma_s}\). Lemez: \(D\nabla^4w=-\sigma_sw_{tt}\), \(D=\tfrac{Eh^3}{12(1-\nu^2)}\), \(\omega=\tfrac{\lambda^2}{R^2}\sqrt{D/\sigma_s}\), ahol \(\lambda^2\) a peremfeltételből jön.

B) Pontos léptetés mintánként

Egy módus állapota \(\mathbf s=(x,\dot x)^T\): \(\dot{\mathbf s}=\mathbf A\mathbf s+\mathbf bF\), \(\mathbf A=\begin{pmatrix}0&1\\-\omega^2&-2\sigma\end{pmatrix}\), \(\mathbf b=(0,u)^T\). Állandó \(F\)-nél \(\mathbf s(\Delta t)=e^{\mathbf A\Delta t}\mathbf s_0+\mathbf A^{-1}(e^{\mathbf A\Delta t}-\mathbf I)\mathbf bF\), ahol \(\theta=\omega_d\Delta t\), \(\omega_d=\sqrt{\omega^2-\sigma^2}\), és

\[e^{\mathbf A\Delta t}=e^{-\sigma\Delta t}\begin{pmatrix}\cos\theta+\tfrac\sigma{\omega_d}\sin\theta&\tfrac{\sin\theta}{\omega_d}\\-\tfrac{\omega^2}{\omega_d}\sin\theta&\cos\theta-\tfrac\sigma{\omega_d}\sin\theta\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}c_{11}&c_{12}\\c_{21}&c_{22}\end{pmatrix}.\]

A partikuláris megoldás a statikus kitérés \(x_p=uF/\omega^2\), így \(x(\Delta t)=c_{11}x_0+c_{12}v_0+b_xuF\), \(b_x=(1-c_{11})/\omega^2\), és \(v(\Delta t)=c_{21}x_0+c_{22}v_0+b_vuF\), \(b_v=-c_{21}/\omega^2=e^{-\sigma\Delta t}\sin\theta/\omega_d\). Nincs numerikus csillapítás, a hiba csak abból jön, hogy \(F\) a lépésben nem állandó.

C) Kalapács: a skaláregyenlet egyértelmű megoldása

Az \(F\) behelyettesítése a tárgy- és kalapácslépésbe: \(h(F)=F-K\,(\delta_0-SF)_+^{p_e}=0\), \(S=\Delta t^2/m_h+H_x>0\). Itt \(h'(F)=1+p_eKS(\delta_0-SF)_+^{p_e-1}>0\), \(h(0)\le0\), \(h(K\delta_0^{p_e})\ge0\), tehát a gyök egyetlen, és a felezés mindig megtalálja. A kalapács visszapattanási sebessége \(v_h^{\mathrm{vég}}=v_h-J/m_h\), \(J=\sum F\Delta t\), a restitúciós tényező \(e=-v_h^{\mathrm{vég}}/v_h=J/(m_hv_h)-1\).

D) Kontaktidő és Hertz-merevség

Merev falra az energia megmarad: \(\tfrac12m\dot\delta^2+\tfrac K{q}\delta^{q}=\tfrac12mv_0^2\), \(q=p_e+1\). Ebből \(\dot\delta=v_0\sqrt{1-(\delta/\delta_m)^q}\), \(\delta_m=\big(\tfrac{qmv_0^2}{2K}\big)^{1/q}\). A kontaktidő \(\tau=2\int_0^{\delta_m}\tfrac{d\delta}{\dot\delta}=\tfrac{2\delta_m}{v_0}B(p_e)\), \(B=\int_0^1\tfrac{dz}{\sqrt{1-z^q}}=\tfrac1qB_\beta\!\big(\tfrac1q,\tfrac12\big)=\tfrac{\sqrt\pi}{q}\tfrac{\Gamma(1/q)}{\Gamma(1/q+1/2)}\). Ebből \(\tau\propto m^{1/q}v_0^{2/q-1}\), vagyis \(v_0^{-(p_e-1)/(p_e+1)}\). Visszafelé a \(K\) a megadott \(\tau_w\)-ből: \(\delta_m=\tau_wv_0/(2B)\), \(K=\tfrac{q\,m\,v_0^2}{2\delta_m^q}\). Golyó–sík esetén a Hertz-nyomáseloszlás \(p(r)=p_0\sqrt{1-r^2/a^2}\), \(a^2=R\delta\) integráljából \(F=\tfrac43E^*\sqrt R\,\delta^{3/2}\).

E) Lefogás véges erővel: szekuláris egyenlet

A pontot a \(k_s\) rugó tartja, a módusegyenlet (\(m_n=1\) normálással): \(\ddot x_n+\omega_n^2x_n=-\tilde k\,u_n(d)\,y(d)\), \(\tilde k=k_s/m_n\), \(y(d)=\sum u_nx_n\). Harmonikus megoldásnál (\(\lambda=\omega^2\)): \((\omega_n^2-\lambda)x_n=-\tilde ku_n(d)y_d\), ezt \(u_n\)-nel szorozva és összegezve \(1+\tilde k\sum_nu_n(d)^2/(\omega_n^2-\lambda)=0\), vagyis \(g(\lambda)=\sum_n\tfrac{u_n(d)^2}{\omega_n^2-\lambda}+\tfrac1{\tilde k}=0\). A \(g'(\lambda)=\sum u_n^2/(\omega_n^2-\lambda)^2>0\), és a pólusok közt \(g\) \(-\infty\)-ből \(+\infty\)-be megy, így két szomszédos módus közt egyetlen gyök van. Az első módus alatt \(g>1/\tilde k>0\), nincs gyök. Az utolsó módus fölött véges \(\tilde k\)-nál még egy gyök van (az ujj saját rezgése), \(\tilde k\to\infty\)-nél ez a végtelenbe kerül. A sajátvektor \(x_n\propto u_n(d)/(\omega_n^2-\lambda_j)\), egységnyire normálva. Mivel az \(\mathrm{diag}(\omega_n^2)+\tilde k\,\mathbf u_d\mathbf u_d^T\) mátrix szimmetrikus, az új módusok ortonormáltak, így a modális szintézis változatlanul használható: \(\tilde a_j=\tilde u_j(p)\tilde u_j(q)\).

F) Az ujj Hertz-merevsége és a határfrekvencia

\(F=K_f\delta^{3/2}\Rightarrow k_s=dF/d\delta=\tfrac32K_f\delta^{1/2}=\tfrac32K_f^{2/3}F^{1/3}\) (mert \(\delta=(F/K_f)^{2/3}\)). A \(\tilde k\) fölött a lefogás lágy: \(f_c\approx\tfrac1{2\pi}\sqrt{\tilde k}\), ahol a \(\omega_n^2\approx\tilde ku_n(d)^2\) feltétel már nem teljesül.

VezérlőFizikai mennyiség
keménység \(\tau_0\), nemlinearitás \(p\), tömeg, sebesség\(\tau\) a 6.1 képlet szerint, pulzusalak \(\gamma=2p/(p+1)\)
felület érdessége\(\rho\) (6.2)
lefogás\(x_f\), \(f_1\to f_1/(1-x_f)\)
tompító helye, erőssége, időpontja\(x_d\), \(\kappa\), \(t_d\)
vonóerő \(\varphi\), vonósebesség, gyanta, felfutás\(F_N\) (skálázva), \(v_b\), \(\mu_s-\mu_d\), a vonóerő növekedési ideje

A beállítások kipróbálhatók a Játékmódok fülön.

7. Honnan jönnek a számok?

MódMit adMikor jó
Zárt képlet\(f_n\), \(u_n\) egyszerű alakra (húr, rúd, kör membrán)gyors, paraméterezhető (méret, anyag), de kevés az alak
Végeselem (FEM)\(\mathbf K\mathbf u=\omega^2\mathbf M\mathbf u\) nagy hálóra: tetszőleges alak [5]összetett tárgy (palack, tál), a csillapítást külön kell megadni
Mérésütés + mikrofon: spektrumcsúcsok → \(f_n\), exponenciális illesztés → \(\sigma_n\), amplitúdók → \(a_n\) [3][4]valódi tárgy hangja, csillapítással együtt

Valós időben a költség módusonként kb. 4 szorzás mintánként. A halk (−60 dB alatti), gyorsan elhaló módusokat és a Nyquist fölöttieket érdemes kihagyni. Az eredmény mindig ugyanaz a három lista, bárhonnan is jött.

8. Összefoglaló recept és a modell határai

  1. Válaszd ki az alakot, és vedd a \(\omega_n\), \(u_n(x)\) értékeit (képlet, FEM vagy mérés).
  2. Add meg a csillapítást: \(\sigma_n\) módusonként (\(\eta\), Rayleigh vagy mérés).
  3. Válaszd az ütés (\(p\)) és a hallgatás (\(q\)) helyét: \(a_n=u_n(p)u_n(q)/m_n\).
  4. Alakítsd a gerjesztéssel: kalapácsnál \(a_n\cdot\hat F(f_n)\) (a pulzus spektruma), pengetésnél \(1/\omega_n^2\)-es kezdőlehajlás, vonásnál időtartománybeli súrlódás (6.5).
  5. Ha lenyomsz: lefogásnál \(f_1\to f_1/(1-x_f)\), tompításnál \(\sigma_n\to\sigma_n+\kappa\,u_n(x_d)^2\) (6.4).
  6. Futtasd a két pólusú rezgők bankját (1/2 rész, 7.3).
Mi hiányzik? A modell lineáris és időben állandó. Nem tud gongfelfutást (a nemlineáris energiaátadás a módusok között), a húr feszülésváltozását erős pengetésnél, a hangszertest és a húr kapcsolódását. A vonást csak egyetlen ponton, szélesség nélküli vonóval modelleztük (nincs vonószőr-rugalmasság, torziós hullám), a kalapácsnál nincs visszapattanás (második érintés) és filchiszterézis [26], a tompító nem terhel tömeggel. Ezekhez nemlineáris vagy kapcsolt modell kell [15].

Demó: húr, rúd, membrán

🎯 Mit csinálj?
Válts tárgyat, és hallgasd meg ugyanazt az alaphangot. Húrnál állítsd az ütés helyét \(p=0{,}25\)-re (a 4. és 8. harmonikus kiesik), és növeld a \(B\)-t. Membránnál az ütés helyét tedd 0-ra: csak a körszimmetrikus módusok maradnak. A rajz a módusok szintjét mutatja (dB, a legerősebbhez képest).

Egyszerűsítés: a membránnál az ütés és a hallgatás ugyanazon a sugáron, azonos szögben van; a módus-tömeget a \(J_{m+1}(j_{mn})^2\) arányában vettük. A rúdnál az ütés helye 0 (vég) és 50 (közép) között mozog, a húrnál a hossz 2%–50%-a.

Fizikai bemenetek → minden változó

Állítsd be az anyagot és a méreteket (a csúszkák jelentése tárgyfüggő: húrnál L hossz, d átmérő; rúdnál L, h vastagság, b szélesség; membránnál és lemeznél L a sugár, d a vastagság).

Demó 2: lenyomás, vonás, kalapács

Összefoglaló: minden rész hanggal, ábrával, pontos névvel és számítással

Minden blokk: magyar és angol név, képlet, végigszámolt példa, a módusok szintje (dB a legerősebbhez képest) és egy hallgatható minta. A számok a példaértékekből élőben számolódnak.

Minden fizikai mennyiség: név, mértékegység, kiszámítás

sárga = bemenet (írd át) → kék = kiszámolt érték. Minden számítás SI-egységben fut, és élőben frissül, ha egy bemenetet átírsz. A mértékegység-oszlop az egységet a nyers SI-alapokban is megadja.

Kód 4: húr modális bank gen~-ben

Az 1/2 rész 3. kódjának általánosítása: 16 módus, merevség, frekvenciafüggő lecsengés, kalapács és ütés helye. A codebox-ba másold, a bemenet [click~].

// in1: ütés (click~)   out1: hang
Param f1(220, min=50, max=1000);     // alapfrekvencia [Hz]
Param B(0.0004, min=0, max=0.004);   // merevség (inharmonicitás)
Param T60(2, min=0.1, max=6);        // az alaphang lecsengése [s]
Param bt(0.2, min=0, max=1);         // magas módusok extra fékje
Param p(0.2, min=0.02, max=0.5);     // ütés helye (L törtrésze)
Param fc(6000, min=300, max=12000);  // kalapács vágófrekvenciája [Hz]
Data ya(16), yb(16);                 // módusonkénti állapot
fs = samplerate;  s1 = log(1000)/T60;  trig = (in1 > 0.5);  out = 0;
for (n = 1; n <= 16; n += 1) {
  f = n * f1 * sqrt(1 + B*n*n);
  if (f < 0.45*fs) {
    r  = f/f1;
    s  = s1*(1 + bt*(r*r - 1));      // σ_n
    rr = exp(-s/fs);  th = TWOPI*f/fs;
    a  = sin(n*pi*p) * sin(n*pi*p) / sqrt(1 + f*f/(fc*fc));
    g  = a * sin(th) / (TWOPI*f);    // ω_d ≈ ω (ζ kicsi)
    v  = trig*g + 2*rr*cos(th)*peek(ya, n-1) - rr*rr*peek(yb, n-1);
    poke(yb, peek(ya, n-1), n-1);  poke(ya, v, n-1);
    out += v;
  }
}
out1 = out * 20;
✅ Ellenőrzés: B = 0-nál a spektrum harmonikus sor (220, 440, 660 Hz…). p = 0,25-nél a 4. és 8. csúcs eltűnik. A B növelésével a magas csúcsok felfelé csúsznak.
Levezetés az elméletből, sorról sorra

1. Egy módus válasza az ütésre. A modális egyenlet \(m_n=1\) normálással \(\ddot x_n+2\sigma_n\dot x_n+\omega_n^2x_n=u_n(p)F(t)\). Az ütés \(F=\delta(t)\) impulzus, ezért \(x_n(0)=0\), \(\dot x_n(0^+)=u_n(p)\), és a megoldás \(x_n=\dfrac{u_n(p)}{\omega_{d,n}}e^{-\sigma_nt}\sin\omega_{d,n}t\). A kimenet \(y=\sum u_n(q)x_n\), így \(a_n=u_n(p)\,u_n(q)\). Húrra \(u_n=\sin n\pi x\), a hallgatás helye az ütés helye (\(q=p\)): a = sin(n*pi*p)*sin(n*pi*p).

2. Frekvencia. A merev húr \(f_n=nf_1\sqrt{1+Bn^2}\) (2. pont): f = n*f1*sqrt(1+B*n*n).

3. Csillapítás. \(T_{60}\) definíciója \(e^{-\sigma_1T_{60}}=10^{-3}\), tehát \(\sigma_1=\ln1000/T_{60}\): s1 = log(1000)/T60. A frekvenciafüggést a demó alakja adja, \(\sigma_n=\sigma_1[1+b(r_n^2-1)]\), \(r_n=f_n/f_1\): s = s1*(1+bt*(r*r-1)).

4. Kalapács. A kontaktidő alulátereszt: \(g_n=1/\sqrt{1+(f_n/f_c)^2}\), ezért az \(a\) osztva sqrt(1+f*f/(fc*fc))-val. Az amplitúdó \(a/\omega_d\), ezért g = a*sin(th)/(TWOPI*f), ahol \(\omega_d\approx\omega=2\pi f\) (kis csillapításnál).

5. Mintánkénti rekurzió. Az \(y[k]=A\,r^k\sin((k+1)\theta)\) minta, \(r=e^{-\sigma\Delta t}\), \(\theta=\omega_d\Delta t\), két pólusa \(re^{\pm i\theta}\), vagyis karakterisztikus egyenlete \(z^2-2r\cos\theta\,z+r^2=0\). Ebből \(y[k]=2r\cos\theta\,y[k-1]-r^2y[k-2]\), az első minta \(y[0]=A\sin\theta\) (impulzus). Az \(A=a/\omega_d\) miatt a bemeneti szorzó g = a*sin(th)/(2πf), a rekurzió v = trig*g + 2*rr*cos(th)*y1 - rr*rr*y2.

6. Védelem és skálázás. A Nyquist fölötti módust kihagyjuk: if (f < 0.45*fs) (a 0,45 tartalék az aliasing ellen). A kimenet a módusok összege, out1 = out*20 csak hangerő.

Kód 5: rúd és membrán frekvenciái

A fenti kódban csak az f = … sor és az erősség változik. Szabad–szabad rúd (a for hurok az f sorától):

bn = (n < 3) ? ((n < 2) ? 4.7300 : 7.8532) : (n + 0.5)*pi;
f  = f1 * (bn/4.7300) * (bn/4.7300);

Kör membrán: a Bessel-zérushelyeket egy Data-ba töltjük be az indításkor, a módusok sorrendje (0,1), (1,1), (2,1), (0,2), (3,1), (1,2), (4,1), (2,2), (0,3), (5,1):

Data jz(10);
if (elapsed == 0) { poke(jz,2.4048,0); poke(jz,3.8317,1); poke(jz,5.1356,2); poke(jz,5.5201,3); poke(jz,6.3802,4);
                    poke(jz,7.0156,5); poke(jz,7.5883,6); poke(jz,8.4172,7); poke(jz,8.6537,8); poke(jz,8.7715,9); }
f = f1 * peek(jz, n-1) / 2.4048;
A membrán erősségéhez kell a \(J_m\) Bessel-függvény, amit a GenExpr nem ismer, ezért sorfejtéssel egy saját függvényt írunk (a jb függvény a bank elé kerül), és a módusok rendjét (\(m\) értékeit) egy másik Data-ban tároljuk. Az erősség: \(a_n=(J_m(j_{mn}p)/J_{m+1}(j_{mn}))^2\), ahol \(p\in[0;1]\) az ütés sugara a peremhez képest.
Data jm(10);
if (elapsed == 0) { poke(jm,0,0); poke(jm,1,1); poke(jm,2,2); poke(jm,0,3); poke(jm,3,4);
 poke(jm,1,5); poke(jm,4,6); poke(jm,2,7); poke(jm,0,8); poke(jm,5,9); }
jb(m, x) {   // Bessel-függvény sorfejtéssel
 t = pow(0.5*x, m);
 for (i = 2; i <= m; i += 1) { t = t/i; }   // (x/2)^m / m!
 s = 0;
 for (k = 0; k < 30; k += 1) { s += t; t = -t*0.25*x*x/((k+1)*(k+1+m)); }
 return s;
}
j = peek(jz, n-1); m = peek(jm, n-1); r = jb(m, j*p) / jb(m+1, j);
a = r*r / sqrt(1 + f*f/(fc*fc));   // a, a kalapáccsal együtt
Levezetés az elméletből, sorról sorra

Rúd. Az Euler–Bernoulli-egyenlet \(\rho Ay_{tt}+EIy_{xxxx}=0\) harmonikus megoldására \(X^{(4)}=\beta^4X\), \(\omega=\beta^2\sqrt{EI/\rho A}\). Szabad végekre \(\cos\beta L\cosh\beta L=1\). Nagy \(\beta L\)-re \(\cosh\beta L\) hatalmas, ezért \(\cos\beta L=1/\cosh\beta L\to0\), vagyis \(\beta L\approx(n+\tfrac12)\pi\) (n=3-tól a kód ezt használja, az első kettő a pontos gyök: 4,7300 és 7,8532). Mivel \(\omega\propto(\beta L)^2\), \(f_n/f_1=(\beta_nL/4{,}730)^2\): f = f1*(bn/4.7300)*(bn/4.7300). A \(\beta_n L\)-t a bn = (n<3) ? ... : (n+0.5)*pi sor adja.

Membrán. A \(\sigma_sw_{tt}=T_s\nabla^2w\) egyenlet megoldása \(w=J_m(kr)\cos m\theta\,e^{i\omega t}\). A peremen \(J_m(kR)=0\), tehát \(k=j_{mn}/R\), és \(\omega=k\sqrt{T_s/\sigma_s}\). Így \(f_{mn}/f_{01}=j_{mn}/j_{01}\): f = f1*peek(jz,n-1)/2.4048. A \(j_{mn}\) értékek a (0,1), (1,1), (2,1), (0,2) … sorrendben, nagyság szerint vannak a Data jz-ben; a GenExpr-ben nincs Bessel-függvény, ezért töltjük be a zérushelyeket az elapsed == 0 feltétellel, egyszer.

Erősség. A módusalak \(u_{mn}=J_m(j_{mn}r/R)\cos m\theta\), a módustömeg \(\int_0^RJ_m^2(j_{mn}r/R)\,r\,dr=\tfrac{R^2}2J_{m+1}(j_{mn})^2\)-tel arányos, ezért \(a_n\propto J_m(j_{mn}p)^2/J_{m+1}(j_{mn})^2\). A GenExpr-ben nincs Bessel-függvény, ezért a sorfejtést használjuk: \(J_m(x)=\sum_k\frac{(-1)^k}{k!\,(k+m)!}(x/2)^{m+2k}\), a tagok rekurziója \(t_{k+1}=-t_k\,\dfrac{x^2}{4(k+1)(k+1+m)}\), \(t_0=(x/2)^m/m!\) (a jb függvény). A sor \(x\le9\)-re 30 taggal bőven konvergál.

Kód 6: csatolt kalapács gen~-ben

A Kód 4-et váltja ki az erőpulzusnál: az erő a kalapács és a húr mozgásából jön (6.6). Bemenet [click~]. Hangolható: kalapács tömege, sebessége, \(\tau_w\), \(p_e\), ütés helye.

// Kód 6: csatolt kalapács–húr (gen~). in1: trigger (click~), out1: hang
// A Kód 4 stílusában írva; Max-ban nem futtattam.
Param f1(220, min=50, max=1000);  Param T60(2, min=0.2, max=6);  Param bt(0.2, min=0, max=1);
Param p(0.13, min=0.02, max=0.5); Param q(0.7, min=0.02, max=0.98);   // gerjesztés, hallgatás helye
Param mh(0.5, min=0.05, max=10);  Param vh(1, min=0.1, max=4);        // kalapács/modális tömeg, sebesség
Param tauW(1.5, min=0.1, max=5);  Param pe(2.5, min=1, max=4);        // falra ütve [ms], kitevő
Data X(16), V(16), C(80);  History yh(0), vv(0), Kc(0), lf(0), hin(0), act(0);
fs = samplerate;  dt = 1/fs;  s1 = log(1000)/T60;
trig = (in1 > 0.5) && (hin <= 0.5);  hin = in1;
if (trig) {
  q1 = pe + 1;  B = 0;
  for (i = 0; i < 40; i += 1) { z = (i + 0.5)/40; B += 2*z/sqrt(1 - pow(1 - z*z, q1))/40; }
  dm = tauW*0.001*vh/(2*B);  Kc = q1*mh*vh*vh/(2*pow(dm, q1));
  yh = 0;  vv = vh;  act = 1;  lf = 0;
}
yf = 0;  Hx = 0;
for (k = 0; k < 16; k += 1) {
  n = k + 1;  f = n*f1;
  if (f < 0.45*fs) {
    w = TWOPI*f;  s = s1*(1 + bt*(n*n - 1));  wd = sqrt(w*w - s*s);  th = wd*dt;
    E = exp(-s*dt);  c = cos(th);  sn = sin(th);  c11 = E*(c + s/wd*sn);
    poke(C, c11, 5*k);  poke(C, E*sn/wd, 5*k+1);  poke(C, -E*w*w/wd*sn, 5*k+2);
    poke(C, E*(c - s/wd*sn), 5*k+3);  poke(C, (1 - c11)/(w*w), 5*k+4);
    up = sin(n*pi*p);  x = peek(X, k);  v = peek(V, k);
    yf += up*(c11*x + peek(C, 5*k+1)*v);  Hx += up*up*peek(C, 5*k+4);
  }
}
F = 0;  d0 = yh + vv*dt - yf;  S = dt*dt/mh + Hx;
if (act && d0 > 0) {
  a = 0;  b = Kc*pow(d0, pe);
  for (it = 0; it < 30; it += 1) {
    m = 0.5*(a + b);  r = d0 - S*m;  r = r > 0 ? r : 0;
    if (m > Kc*pow(r, pe)) { b = m; } else { a = m; }
  }
  F = 0.5*(a + b);
}
yh += vv*dt - dt*dt/mh*F;  vv -= dt/mh*F;
if (F > 0) { lf = 0; } else { lf += 1; }
if (lf > 0.03*fs) { act = 0; }
out = 0;
for (k = 0; k < 16; k += 1) {
  n = k + 1;
  if (n*f1 < 0.45*fs) {
    up = sin(n*pi*p);  x = peek(X, k);  v = peek(V, k);
    xn = peek(C,5*k)*x + peek(C,5*k+1)*v + peek(C,5*k+4)*up*F;
    vn = peek(C,5*k+2)*x + peek(C,5*k+3)*v + peek(C,5*k+1)*up*F;
    poke(X, xn, k);  poke(V, vn, k);  out += sin(n*pi*q)*xn;
  }
}
out1 = out*20;
Levezetés az elméletből, sorról sorra

1. Pontos léptetés egy módusra. \(\dot{\mathbf s}=\mathbf A\mathbf s+\mathbf bF\) állandó \(F\)-nél (6.10 B). A kód egy módushoz öt számot tárol a C tömbben: c11 (C[5k]), \(c_{12}=e^{-\sigma\Delta t}\sin\theta/\omega_d\) (C[5k+1]), \(c_{21}=-e^{-\sigma\Delta t}\tfrac{\omega^2}{\omega_d}\sin\theta\), \(c_{22}\), \(b_x=(1-c_{11})/\omega^2\) (C[5k+4]). A sebesség erőtagja \(b_v=c_{12}\), azért szerepel a C[5k+1]*up*F a vn-ben.

2. Szabad előrejelzés. Ha \(F=0\), a pont helye \(y_{\rm szabad}=\sum u_n(p)(c_{11}x_n+c_{12}\dot x_n)\): yf. Az erő hatása \(H_xF\), \(H_x=\sum u_n(p)^2b_{x,n}\): Hx.

3. Kalapács és tárgy egy lépésben. \(y_h'=y_h+v_h\Delta t-\Delta t^2F/m_h\), \(y'=y_{\rm szabad}+H_xF\). Az összenyomódás \(\delta'=y_h'-y'=\delta_0-SF\), \(\delta_0=y_h+v_h\Delta t-y_{\rm szabad}\) (d0), \(S=\Delta t^2/m_h+H_x\) (S).

4. Skaláregyenlet és felezés. \(F=K\max(0,\delta_0-SF)^{p_e}\). Az \(h(F)=F-K(\delta_0-SF)_+^{p_e}\) szigorúan nő, \(h(0)\le0\), \(h(K\delta_0^{p_e})\ge0\), ezért a gyök a \([0,K\delta_0^{p_e}]\) szakaszon egyetlen: a = 0; b = Kc*pow(d0, pe). Felezéskor ha \(m>K(\delta_0-Sm)_+^{p_e}\), a gyök \(m\) alatt van (b = m), különben fölötte (a = m). 30 lépés után a hiba \(2^{-30}\) a kezdő szakaszhoz képest. Ha \(\delta_0\le0\), nincs érintkezés, \(F=0\).

5. Frissítések. Kalapács: yh += vv*dt - dt*dt/mh*F; vv -= dt/mh*F. Módusok: xn = c11*x + c12*v + bx*up*F, vn = c21*x + c22*v + c12*up*F. Kimenet \(\sum u_n(q)x_n\): out += sin(n*pi*q)*xn.

6. A \(K\) kalibrálása a falra ütési \(\tau_w\)-ből. Rögzített falnál az energia \(\tfrac12m\dot\delta^2+\tfrac Kq\delta^q=\tfrac12mv_0^2\), \(q=p_e+1\), ebből \(\dot\delta=v_0\sqrt{1-(\delta/\delta_m)^q}\) és \(\tau=2\int_0^{\delta_m}d\delta/\dot\delta=2B\delta_m/v_0\), \(B=\int_0^1dz/\sqrt{1-z^q}\). A kód erre a \(z=1\)-ben szinguláris integrálra a helyettesítést használja: \(z=1-t^2\), \(dz=-2t\,dt\), így \(B=\int_0^1\dfrac{2t\,dt}{\sqrt{1-(1-t^2)^q}}\), ami mindenhol véges (\(t\to0\)-nál \(2/\sqrt q\)). 40 pontos középponti szabály: B += 2*z/sqrt(1-pow(1-z*z,q1))/40. Ezután \(\delta_m=\tau_wv_0/(2B)\) és \(K=\dfrac{q\,m_h v_0^2}{2\delta_m^q}\): dm, Kc.

7. Vezérlés. Az ütés a click~ felfutó élén indul (trig = (in1 > 0.5) && (hin <= 0.5)), ekkor \(y_h=0\), \(v_h=v_0\). Az érintkezés vége után 30 ms-mal a kalapács eltűnik (lf > 0.03*fs), így az elpattanás és a második érintés is megmarad addig.

Feladatok (2. óra)

  1. Merev húr. Számold ki a 10. felharmonikus frekvenciáját és eltérését centben, ha \(f_1=220\) Hz, \(B=4\cdot10^{-4}\). Ellenőrizd a demóban (húr, \(B=4\)).
  2. Rúd. Mekkora az \(f_2\) és \(f_3\), ha egy szabad–szabad rúd \(f_1=300\) Hz? Hányszoros az \(f_2/f_1\) és miben más ez a húrhoz képest?
  3. Membrán. Állítsd az ütés helyét 0-ra. Melyik módusok szólalnak meg, és milyen arányban állnak?
  4. Csillapítás. \(T_{60}=2\) s, \(b=0{,}3\) mellett mekkora a 10. módus lecsengési ideje egy ideális húrnál? Használd \(\sigma_n=\sigma_1[1+b(r_n^2-1)]\)-t.
  5. Kalapács. \(f_c=1000\) Hz. Hány dB-lel halkabb a 2000 Hz-es és a 4000 Hz-es módus a vágófrekvenciánál?
  6. Flageolet. Egy 220 Hz-es húrt a hosszának 1/3-ánál könnyedén megérintünk. Melyik harmonikusok maradnak, és mekkora lesz a hang frekvenciája? Ellenőrizd a „Flageolet 1/3” gombbal.
  7. Lefogás. Hol kell lefogni a húrt, hogy a hang tiszta kvint (3:2) legyen az üres húr fölött? Hány centtel tér el ettől a 7. félhangnyi fogás (\(x_f=1-2^{-7/12}\))?
  8. Kontaktidő. Filckalapács, \(p=3\). Hányszorosára változik \(\tau\), ha az ütés sebességét négyszeresére növeled? És ha a kalapács tömege nyolcszoros?
  9. Schelleng. A vonót a hídtól \(\beta=0{,}10\)-re, majd \(\beta=0{,}05\)-re teszed. Hogyan változik a legnagyobb játszható vonóerő? Próbáld ki a Játékmódok fülön.
  10. gen~. A Kód 4-ben állítsd \(p=0{,}25\)-re. Melyik harmonikusok tűnnek el? Mérd meg a spectroscope~-pal.

Mini-teszt (5 kérdés, 10 pont)

  1. (2 pont) \(f_1=220\) Hz, \(B=4\cdot10^{-4}\): mekkora a 10. felharmonikus?
  2. (2 pont) Szabad–szabad rúdban mekkora \(f_2/f_1\)?
  3. (2 pont) Húr \(L/4\)-nél pengetve: melyik harmonikusok hiányoznak?
  4. (2 pont) Miért tompább a dob hangja középen ütve?
  5. (2 pont) Egy lemez vastagságát és sugarát is felezzük. Hogyan változik a frekvencia?

Skála: 9–10 kiváló; 7–8 jó; 5–6 megfelelő; 4 vagy kevesebb: olvasd át újra az Elméletet.

Megoldások

1. \(f_{10}=2200\sqrt{1{,}04}=2243{,}6\) Hz, eltérés 43,6 Hz, \(1200\log_2(1{,}0198)\approx34\) cent.

2. \(f_2=300\cdot2{,}757=827\) Hz, \(f_3=300\cdot5{,}404=1621\) Hz. A húrnál \(f_2/f_1=2\) (oktáv), itt 2,76, nem egész, ezért harangszerű a hang.

3. Csak az \(m=0\) módusok: (0,1), (0,2), (0,3), mert \(J_m(0)=0\), ha \(m>0\). Arányuk \(1:2{,}295:3{,}598\).

4. \(\sigma_1=6{,}9078/2=3{,}454\) 1/s. \(r_{10}=10\): \(\sigma_{10}=3{,}454\,(1+0{,}3\cdot99)=106\) 1/s, \(T_{60}=6{,}9078/106\approx65\) ms (az alaphang 2 s-éhez képest).

5. \(g=1/\sqrt{1+(f/f_c)^2}\): 2000 Hz-nél \(1/\sqrt5=0{,}447\), kb. −7 dB; 4000 Hz-nél \(1/\sqrt{17}=0{,}243\), kb. −12 dB.

6. A 4., 8., 12., 16. harmonikus.

7. \(\sin(n\pi/3)=0\) pontosan akkor, ha \(3\mid n\): a 3., 6., 9. … harmonikus marad. A hang \(3\cdot220=660\) Hz (az alaphang fölött egy oktáv és egy kvint, „tizenkettedik”).

8. \(1/(1-x_f)=3/2\), ebből \(x_f=1/3\). A 7. félhangnál \(x_f=1-2^{-7/12}=0{,}3326\), \(f/f_1=2^{7/12}=1{,}4983\), eltérés \(1200\log_2(1{,}4983/1{,}5)\approx-2\) cent.

9. \(\tau\propto v^{-(p-1)/(p+1)}=v^{-1/2}\): négyszeres sebességnél \(\tau\) a felére csökken. \(\tau\propto m_h^{1/(p+1)}=m_h^{1/4}\): nyolcszoros tömegnél \(8^{1/4}\approx1{,}68\)-szoros.

10. \(F_{\max}\propto1/\beta\): \(\beta\) felezésénél a határ kétszeresére nő (a hídhoz közel nagyobb erő kell).

Mini-teszt. (1) 2243,6 Hz. (2) 2,757. (3) Minden 4. (4., 8., 12. …). (4) Középen csak az \(m=0\) módusok gerjesztődnek, a magasabb, nem körszimmetrikus módusok hiányoznak. (5) \(\omega\propto h/R^2\): a vastagság felezése ½-szeres, a sugár felezése 4-szeres tényezőt ad, így a frekvencia kétszeresére nő.

Szótár (magyar – angol)

FogalomAngolulJelentés
Inharmonicitás, BinharmonicityA felhangok eltérése az egész többszörösektől; merev húrnál \(f_n=nf_1\sqrt{1+Bn^2}\).
Szabad–szabad rúdfree–free barMindkét végén szabad rúd; arányok 1 : 2,76 : 5,40.
Bessel-függvényBessel functionA kör membrán radiális módusalakja, \(J_m\); zérushelyei adják a frekvenciákat.
Csomóvonalnodal lineA módusalak nullhelyei; itt ütve a módus nem szólal meg.
DiszperziódispersionA hullámsebesség függ a frekvenciától (lemez, merev húr).
Veszteségi tényezőloss factor\(\eta\); \(\sigma_n=\eta\omega_n/2\).
Kontaktidőcontact timeA kalapács és a tárgy érintkezési ideje \(\tau\); \(f_c\sim1/\tau\).
Lefogásstopping, frettingA húr ujjal való lerövidítése: \(f=f_1/(1-x_f)\).
Tompításdamping, mutingEgy pontban való fékezés: \(\sigma_n\to\sigma_n+\kappa\,u_n(x_d)^2\).
FlageoletharmonicA húr csomópontban való megérintése: a csomó nélküli módusok elhalnak.
PengetéspluckingStatikus lehajlásból induló gerjesztés, \(x_n(0)=u_n(p)/\omega_n^2\).
Tapad–csúszikstick–slipA vonás súrlódásvezérelt gerjesztése: a húr hol együtt mozog a vonóval, hol visszacsúszik.
Helmholtz-mozgásHelmholtz motionA vonott húr szabályos mozgása: egyetlen éles sarok fut körbe.
Hertz-érintkezésHertzian contactAz érintkezési erő \(F=K\delta^{p}\), golyó–síknál \(p=3/2\).
GyantarosinNöveli a \(\mu_s-\mu_d\) súrlódási különbséget.
Végeselem-módszerfinite element methodA tárgy hálóra bontása, \(\mathbf M\), \(\mathbf K\) felépítése és sajátérték-számítás.

Források

A számozás az 1/2 részével folytatódik.

JelHivatkozásMire használható
[3]van den Doel, K., Pai, D. K. (1998). The Sounds of Physical Shapes. Presence 7(4), 382–395.ütés helye, módusok mérése, bank
[4]van den Doel, K., Kry, P. G., Pai, D. K. (2001). FoleyAutomatic. SIGGRAPH 2001, 537–544.mért és számolt módusparaméterek
[5]O'Brien, J. F., Cook, P. R., Essl, G. (2001). Synthesizing Sounds from Physically Based Motion. SIGGRAPH 2001, 529–536.végeselemes módusok
[12]Cook, P. R. (2002). Real Sound Synthesis for Interactive Applications, A K Peters.kalapács, gyakorlat
[13]Inman, D. J. Engineering Vibration, Pearson.rudak, folytonos rendszerek
[15]Bilbao, S. (2009). Numerical Sound Synthesis, Wiley.húr, rúd, lemez, nemlineáris modellek
[18]Fletcher, H. (1964). Normal Vibration Frequencies of a Stiff Piano String. J. Acoust. Soc. Am. 36(1), 203–209.merev húr, inharmonicitás
[19]Fletcher, N. H., Rossing, T. D. (1998). The Physics of Musical Instruments, 2. kiadás, Springer.húr, rúd, membrán, lemez képletei
[20]Chaigne, A., Lambourg, C. (2001). Time-domain simulation of damped impacted plates. I. J. Acoust. Soc. Am. 109(4), 1422–1432.frekvenciafüggő csillapítás, ütés
[21]Abramowitz, M., Stegun, I. A. (1964). Handbook of Mathematical Functions, NBS.Bessel-függvények zérushelyei
[22]Leissa, A. W. (1969). Vibration of Plates, NASA SP-160.lemezek frekvenciái
[23]Schelleng, J. C. (1973). The bowed string and the player. J. Acoust. Soc. Am. 53(1), 26–41.vonóerő-sáv, \(F_{\max}\), \(F_{\min}\)
[24]McIntyre, M. E., Schumacher, R. T., Woodhouse, J. (1983). On the oscillations of musical instruments. J. Acoust. Soc. Am. 74(5), 1325–1345.vonott húr, súrlódásos gerjesztés
[25]Chaigne, A., Askenfelt, A. (1994). Numerical simulations of piano strings. I. J. Acoust. Soc. Am. 95(2), 1112–1118.kalapács–húr kölcsönhatás, \(p\) kitevő
[26]Stulov, A. (1995). Hysteretic model of the grand piano hammer felt. J. Acoust. Soc. Am. 97(4), 2577–2585.filckalapács, hiszterézis
[27]Woodhouse, J., Galluzzo, P. M. (2004). The bowed string as we know it today. Acta Acustica united with Acustica 90(4), 579–589.vonott húr áttekintés
[28]Helmholtz, H. (1863). Die Lehre von den Tonempfindungen, Vieweg.Helmholtz-mozgás
[29]Hertz, H. (1882). Über die Berührung fester elastischer Körper. J. reine angew. Math. 92, 156–171.Hertz-érintkezés