Seminário de Música, Ciência e Tecnologia - Sonoridade da clarineta: estudo experimental através de projeto fatorial de experimentos
Sonoridade da clarineta: estudo experimental através de projeto fatorial de experimentos
Luís Carlos de Oliveira; Ricardo Goldemberg; Jônatas Manzolli
Instituto de Artes – Núcleo Interdisciplinar de Comunicação Sonora (NICS) Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP). CEP 13083-970– Campinas – SP – Brasil. luis@nics.unicamp.br, ricardo@nics.unicamp.br, jonatas@nics.unicamp.br
A sonoridade chalumeau, clarino e intermediária da clarineta é investigada de modo empírico através de um método de otimização de experimentos conhecido como Projeto Fatorial de Experimentos. Neste trabalho a atenção é voltada para a determinação do efeito de diversas variáveis sobre a intensidade e freqüência do som emitido nestas regiões. Como resultado paralelo, foi investigada a existência de interação entre as variáveis estudadas.
Palavras-chave: Acústica Musical , Acústica de Instrumentos Musicais , Clarineta
The sonority chalumeau, clarino and intermediary of a clarinet is investigated empirically. A Factorial Design of Experiments was used as an important tool of analysis. In this paper the attention is on the effect of several factors (independent variables) on the intensity and frequency of the sound produced. As a secondary result we have investigated the existence of interactions between the factors.
Key-words: Musical Acoustics , Acoustics of Musical Instruments , Clarinet
A sistematização do processo investigativo científico sobre os instrumentos de sopro teve seu início no final do século XIX. Desde então, vários aspectos acústicos desses instrumentos são de permanente preocupação. Dentre os autores representativos, destacam-se, inicialmente, Helmholtz (1877) e mais recentemente Backus (1985, 1978, 1974) e Benade (1988, 1985 e 1976). Ainda que de maneira limitada, as contribuições desses e outros investigadores permitem afirmar que, em nossos dias, existe um corpo de conhecimento teórico e experimental que possibilita descrever e simular razoavelmente o comportamento dos instrumentos musicais de sopro, de acordo com Fletcher e Rossing (1998), Nederveen (1998) e Hall (1990).
Entretanto, devido à complexidade do problema em estudo, várias simplificações tornam-se necessárias. Deste modo, os resultados obtidos divergem consideravelmente das condições reais, tanto do ponto de vista teórico quanto do experimental. Com relação aos trabalhos empíricos, notamos um elevado grau de preocupação com o sistema oscilador composto pelo conjunto formado pela boquilha e palheta.
Nossa proposta consiste primeiro, em eliminar a variável subjetiva do músico, segundo, trabalhar simultaneamente com um conjunto maior de variáveis e finalmente, estabelecer se há interação entre estas variáveis, Oliveira et alii (2005). Para tal objetivo utilizaremos uma montagem experimental instalada no estúdio do NICS (Núcleo Interdisciplinar de Comunicação Sonora). Em seguida, vamos analisar o efeito das variáveis na sonoridade (energia sonora e freqüência) do instrumento em três regiões: chalumeau (região grave), clarino (aguda) e intermediária da clarineta.
2. Aparato e Procedimento Experimentais
O aparato consiste basicamente de cinco unidades: 1) compressor; 2) tanque "pulmão" que simula o reservatório de ar no corpo humano; 3) unidade de contato com a palheta, que daqui por diante denominaremos por "mordedura"; 4) unidade formada pela clarineta e 5) unidade de captação de dados. Com exceção da unidade 5, as demais podem ser visualizadas nas figuras 1 e 2.
Instrumentos de medida como um rotâmetro (medidor da vazão volumétrica de ar que passa pela clarineta) e dois manômetros (para medir a pressão na entrada do tanque e no interior do tanque) complementam o sistema.
Primeiro enche-se o compressor. As chaves da clarineta são fechadas com pequenas borrachas que podem alterar a nota desejada. No tanque pulmão o contato com a palheta é mantido fechado, impossibilitando a passagem de ar através da palheta. Abre-se lentamente a válvula de saída do compressor de modo que os manômetros indiquem o aumento gradativo da pressão. Quando os manômetros indicarem a pressão de fundo de escala (9808 Pa) abre-se muito lentamente o contato com a palheta de modo que uma pequena quantidade de ar é injetada no interior da clarineta. As pressões indicadas pelos manômetros começam a diminuir como conseqüência.
Deste momento em diante a clarineta está em estado de emissão sonora. Uma vez emitido o som a gravação é acionada no momento que se percebe que sua intensidade é máxima e constante. A gravação é efetuada por volta de três minutos. Desta gravação apenas 15 segundos são selecionados para a análise.
Depois de uma bateria de testes, estabelecemos que as variáveis que poderiam estabelecer certa influência na sonoridade da clarineta foram: i) volume do tanque pulmão; ii) dureza da palheta; iii) posição de contato da mordedura na palheta; iv) ângulo de abertura da boquilha; v) Tipo de mordedura (área de contato com a palheta) vi) quantidade de material absorvente sonoro (estopa) no tanque pulmão. Para o estudo destas variáveis utilizamos um método estatístico conhecido por Projeto Fatorial de Experimentos. Em particular, foi aplicado um Projeto Fatorial Fracionado com Resolução III, cuja tabela de projeto pode ser encontrada em Box et alii (1978). Os níveis dos respectivos fatores (variáveis independentes) podem ser conferidos na tabela 1. A boquilha A tem a menor abertura enquanto a C, a maior.
3. Análise dos Resultados e Conclusões
Com um número de apenas 11 experimentos (8 para o projeto mais 3 repetições para determinar o erro experimental) foi possível fazer uma análise da influência das 6 variáveis independentes (fatores) sobre a sonoridade da clarineta. Consideraremos, para efeito de análise, até o 12º harmônico.
Notamos, inicialmente, que as variáveis agem de modo independente sobre os componentes espectrais em toda a tessitura do instrumento.
Na região chalumeau a área de contato com a palheta foi a variável mais importante. Ao aumentarmos a área tende-se a diminuir a intensidade dos primeiros componentes espectrais (até o quarto harmônico) e aumentar a intensidade dos demais (exceção para o 8º e 11º). O aumento da área de contato diminui a freqüência de todos os componentes espectrais, com exceção do 2º harmônico que tem sua freqüência ligeiramente aumentada. A queda na freqüência é mais acentuada para os harmônicos superiores. As figuras 3 e 4 apresentam estes resultados.
Nesta região, o número da palheta é a segunda variável mais importante. O aumento da dureza da palheta aumenta a intensidade dos 6 primeiros harmônicos (exceção para o 2º e 5º) e diminui a intensidade dos demais (exceto 8º e 12º).
Na região intermediária, a posição de contato na palheta foi a variável mais importante tanto sobre a intensidade como para a freqüência. Ao passarmos de uma posição mais interna para uma mais externa aumentamos a intensidade dos três primeiros harmônicos como também do 8º ao 10º e diminuímos os demais. Com relação à freqüência, esta variável não age sobre a fundamental e aumenta todas as demais componentes espectrais e este efeito é mais acentuado para os componentes superiores. As figuras 5 e 6 mostram estes resultados.
Na região clarino tanto a área de contato como a posição na palheta são importantes para a freqüência emitida. O aumento da primeira tende a diminuir a freqüência de praticamente todos os harmônicos com exceção da fundamental. E ao passarmos de uma posição mais interna para mais externa na palheta observamos o aumento da freqüência de todos os componentes espectrais. Sobre a intensidade notamos a diminuição de quase todos componentes espectrais (exceção para a fundamental, 3º, 5º e 8º harmônicos). Estes resultados estão indicados nas figuras 7 e 8.
No entanto para uma nova série de experimentos devemos alterar as faixas de varição da área de contato pois este fator teve uma variação muito grande com relação à variação dos demais (quase 450%). Praticamente não se observou interação entre as variáveis.
Helmholtz, H.L.F. (1877). On the Sensations of Tone as a Physiological Basis for the Theory of Music. 4th ed., trad. ELLIS, A.J. (Dover, New York, 1954)
Backus, J. (1985). The effect of the player´s vocal tract on the woodwind instrument tone. J. Acoust. Soc. Am. 78, 17-20.
Backus, J. (1978). Multiphonic tones in the woodwind instruments. J. Acoust. Soc. Am. 63, 591-599.
Backus, J. (1974). Input impedance curves for the reed woodwind instruments. J. Acoust. Soc. Am. 56, 1266-1279.
Benade, A.H. e Kouzoupis, S.N. (1988). The clarinet spectrum: Theory and experiment. J. Acoust. Soc. Am. 83, 292-304.
Benade, A.H. e Larson, C.O. (1985). Requirements and Techniques for measuring the musical spectrum of the clarinet. J. Acoust. Soc. Am. 78, 1475-1498.
Benade, A.H. (1976). Fundamentals of Musical Acoustics. Oxford University Press, New York.
Nederveen, C.J. (1998). Acoustical Aspects of Woodwind Instruments. Northern Illinois University Press, DeKalb, Illinois.
Box, G.E.P.; Hunter, W.G.; Hunter, J.S. (1978). Statistics for Experimenters – An Introduction to Design, Data Analysis and Model Building. John Wiley & Sons, NY.
Hall, D.E. (1990). Musical Acoustics. Pacific Grove,CA: Brooks/Cole Publishing Montery:Brooks/Coole.
Fletcher, N.H.,Rossing, T.D. (1998). The Physics of Musical Instrument. Springer-Verlag, 2nd ed., NY.
Oliveira, L.C.,Goldemberg, R.,Manzolli, J. (2005) Estudo Experimental da Sonoridade "Chalumeau" da Clarineta através de Projeto Experimental. Anais da IX Convenção Nacional da Sociedade de Engenharia de Áudio, São Paulo, SP.