Διερεύνηση δονητικής συμπεριφοράς παραδοσιακού ξύλινου και εκτυπωμένου τζουρά

Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε αυτό το έγγραφο

Μάρκος Κατσίπης, Ορέστης Μιχαηλίδης, Αθανάσιος Σκουτέλης, Γεώργιος Σκουτέλης, Σπύρος Μπρέζας, Ιωάννης Ορφανός, Νεκτάριος Παπαδογιάννης, Μάκης Μπακαρέζος, Βασίλειος Δημητρίου, Ευάγγελος Κασελούρης

Πρόσφατες επιστημονικές μελέτες έχουν τεκμηριώσει τα πλεονεκτήματα της χρήσης εναλλακτικών υλικών σε κατασκευές μουσικών οργάνων με επιθυμητές ακουστικές ιδιότητες. Η παρούσα μελέτη πραγματεύεται τη μελέτη της δονητικής συμπεριφοράς παραδοσιακού και 3D-εκτυπωμένου τζουρά μέσω υπολογιστικών προσομοιώσεων και πειραματικών μετρήσεων. Το τρισδιάστατο μοντέλο ενός παραδοσιακά κατασκευασμένου έγχορδου τζουρά δημιουργείται με τη χρήση λογισμικού τρισδιάστατης υπολογιστικής σχεδίασης. Η μέθοδος των πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση και προσομοίωση της δονητικής συμπεριφοράς του οργάνου, που αποτελείται από το καπάκι, τον καβαλάρη, τα καμάρια και το σκάφος με οριακές συνθήκες που ανταποκρίνονται σε πειραματικές μετρήσεις. Επιπρόσθετα, υλοποιούνται προσομοιώσεις στο καπάκι του οργάνου. Αρχικά υλοποιείται χρονικά μεταβαλλόμενη μηχανική ανάλυση για να προσδιοριστούν τα φαινόμενα προέντασης που επιβάλλουν οι χορδές στον καβαλάρη του οργάνου, με αποτέλεσμα η γεωμετρική δομή να αποκτά αρχικές παραμορφώσεις, και ακολουθεί η ανάλυση ιδιοσυχνοτήτων. Στα μοντέλα των πεπερασμένων στοιχείων λαμβάνονται υπόψιν οι ανισοτροπικές ιδιότητες των υλικών, καθώς τα μέρη του μουσικού οργάνου είναι κατασκευασμένα από διαφορετικά είδη ξύλου, ενώ δε λαμβάνεται υπόψη η αλληλεπίδραση ρευστού-στερεού. Τα αποτελέσματα της ανάλυσης ιδιοσυχνοτήτων συγκρίνονται με πειραματικές μετρήσεις εκτελούμενες με τη μέθοδο της κρουστικής απόκρισης, καθώς και με τη μέθοδο της χρονικά ολοκληρωμένης ψηφιακής ολογραφίας κοκκίδων – ESPI, τόσο στο καπάκι αλλά και σε ολόκληρο το συναρμολόγημα του τζουρά. Στα πειράματα της κρουστικής απόκρισης η διέγερση του οργάνου γίνεται από ειδικό πιεζοηλεκτρικό σφυρί ανάδρασης και η απόκριση καταγράφεται από ειδικό αισθητήρα επιτάχυνσης. Τα ψηφιακά σήματα καταγράφονται από πολυαναλυτή πραγματικού χρόνου και καταχωρούνται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η διάταξη της ESPI βασίζεται σε συνεχές laser μήκους κύματος 532 nm. Η κύρια δέσμη του laser διαχωρίζεται σε δύο με τη βοήθεια διαχωριστή και ειδικοί καθρέπτες τις κατευθύνουν. Σύστημα ειδικών φακών τοποθετείται στην εστία της πρώτης δέσμης και φωτίζει τον υπό μελέτη δονούμενο τζουρά στο πράσινο χρώμα του laser. Η δεύτερη δέσμη, καλούμενη ως δέσμη αναφοράς, κατευθύνεται με καθρέπτες σε κάμερα που καταγράφει το είδωλο του φωτιζόμενου αντικειμένου και ταυτόχρονα τη δέσμη αναφοράς. Η κάμερα είναι συνδεμένη με υπολογιστή στον οποίο γίνεται επεξεργασία της λαμβανόμενης εικόνας και απεικονίζεται το αποτέλεσμα της δονητικής συμπεριφοράς του οργάνου. Ηχείο συνδεμένο με γεννήτρια ήχου ηχοβολεί στο επιθυμητό εύρος συχνοτήτων, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, το υπό μελέτη όργανο. Ακολούθως, πραγματοποιούνται προσομοιώσεις των μοντέλων πεπερασμένων στοιχείων, με αντικατάσταση των ξύλινων τμημάτων από πολυμερή όπως τα PLA και PETG, που ενδείκνυνται για τρισδιάστατη εκτύπωση. Τα αποτελέσματα της υπολογιστικής ανάλυσης ιδιοσυχνοτήτων συγκρίνονται με τα αντίστοιχα της δονητικής ανάλυσης που λήφθηκαν για το παραδοσιακό ξύλινο όργανο. Αυτή η προκαταρκτική μελέτη αποτελεί δομικό λίθο στη θεμελίωση της κατασκευής μουσικών οργάνων από εναλλακτικά υλικά, με υψηλή βιωσιμότητα, ανθεκτικότητα και προδιαγεγραμμένες ακουστικές ιδιότητες, μη επηρεαζόμενες από περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως η θερμοκρασία και η υγρασία.