Estudo acústico vibratório em sistemas vibrantes acoplados a membranas para exploração tímbrica e amplificação sonora - o exemplo do papirofone

Abstract

A partir do acoplamento entre tubos de alumínio e uma superfície fina com geometria ondulada constituída por uma membrana de tecido resinado foi projetado um novo instrumento musical da família dos idiofones de lâmina, o papirofone. O papirofone apresenta características estéticas e de execução semelhante aos idiofones de lâmina como a marimba, o xilofone e o vibrafone, e traz novas possibilidades tímbricas, contribuindo para o vasto universo musical existente. Neste trabalho são estudados os fenómenos vibro-acústicos resultantes do acoplamento entre os tubos de alumínio e a superfície fina, a qual integra o sistema de radiação sonora do instrumento. É realizado um estudo comparativo entre dados de ensaios laboratoriais no âmbito das vibrações mecânicas e acústica entre tubos livres e tubos acoplados a uma superfície fina. Para estudo do comportamento dinâmico das estruturas envolvidas foram utilizadas análise modal experimental e numérica. Foi também desenvolvido um procedimento de afinação do instrumento com o intuito de obter uma escala musical temperada através de um procedimento que integra uma abordagem analítica e simulação numérica. Através destes resultados são mostradas as modificações nos espectros em frequência, no amortecimento, na filtragem de modos, a intensificação da perceção de nota musical direcionada para o primeiro modo e sua amplificação sonora promovida pela presença da superfície radiadora. Este estudo contribui para o aprimoramento e entendimento dos fenómenos vibro-acústicos resultantes do acoplamento entre tubos e uma superfície fina a exemplo do papirofone, abrindo caminhos para novas possibilidades tímbricas e melhoria de instrumentos musicais em desenvolvimento.

A new musical instrument from the family of blade idiophones has been fabricated by the coupling of aluminum tubes and a thin radiating surface with wavy geometry that consists in a membrane of resin fabric. The developed instrument, called Papirofone, has aesthetic and performance characteristics similar to blade idiophones such as the marimba, xylophone and vibraphone, and produces a new tone, allowing to a wide contribution to the musical universe. This research reports a detailed analysis on the vibro-acoustic phenomena resulting from the coupling between the referred aluminum tubes and thin radiating surface as complex dynamic vibrating system in the instrument. Structural mechanical and acoustic vibrations ara analyzed in free-body tubes and radiating surface, that are later compared with the coupled system. Analytical, experimental and numerical approaches are used to detail the dynamic behavior of these configurations, while a tuning procedure is developed to obtain a tempered musical register in a defined scale. Results show that the coupling of the radiating surface promotes an overall change in the system response spectrum, inducing a damping effect in higher eigenmodes and an amplification of the musical note perception in the first eigenmode. This study contributes to the improvement and understanding on the vibro-acoustic phenomena resulting from the coupling between tubes and thin radiating surfaces, such as those used in the Papirofone, opening the way for new timbre possibilities and improvement of the instrument that are currently under development.