Computergestützte Methoden werden in vielen Industriezweigen eingesetzt: bei der Entwicklung von Flugzeugteilen, bei der Automobilherstellung, bei der Entwicklung von Haushaltsprodukten, bei medizinischen Geräten ... und sogar bei der Entwicklung von Zahnpasta und Zahnbürsten! Warum also nicht auch bei Musikinstrumenten? Das dachten sich zwei junge Forscher im Jahr 2016, und deshalb wurde Syos gegründet. Heute stellen wir Ihnen einen weiteren Syos-Job vor: den des Simulationsingenieurs.
Was ist das genau?
Unser Ziel bei Syos ist es, Musikinstrumente zu untersuchen, um zu verstehen, wie ihre Eigenschaften den Klang und die Spielbarkeit verändern. Es ist möglich, die Funktionsweise eines Instruments wissenschaftlich nachzubilden, um seine Eigenschaften vorherzusagen, bevor es tatsächlich hergestellt wird. Ein Modell ist ein Programm, das das Verhalten eines Objekts anhand mathematischer Gleichungen, die physikalische Phänomene darstellen, nachbildet.
Bei Syos arbeiten wir an der Berechnung des Luftströmungsverhaltens im Inneren eines Mundstücks. Mit diesen Modellen können wir:
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ein besseres Verständnis für die Funktionsweise des Mundstücks und die Umlenkung des Luftstroms durchverschiedene Arten von Kammerrückwändenund wie sich dies auf den Klang auswirken wird.
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die akustischen Eigenschaften eines Mundstücks vorherzusagen, ohne es herstellen und von 20 oder 30 Musikern testen lassen zu müssen, um eine statistisch signifikante Datenmenge zu erhalten.
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berechnen, welche Verbesserungen an einem Mundstück vorgenommen werden müssen, um den Klang in eine bestimmte Richtung zu verändern.
Aber wie funktioniert das?
Die Methode besteht darin, die Luftströmung in einem Hohlraum oder auf einer Oberfläche zu simulieren. Solche Verfahren werden häufig bei der Konstruktion von Flugzeug- oder Autoteilen eingesetzt...
Wenn Sie mit den Naturwissenschaften vertraut sind, haben Sie sicher schon einmal physikalische Phänomene untersucht, die durch Gleichungen beschrieben werden können: ein fallender Gegenstand oder ein schwingendes Pendel (Schwerkraft), Luft, die unter Druck gesetzt wird (Ideales Gasgesetz), das Verhalten elektrischer Schaltkreise (Kirchhoffsche Punktregel / Knotenregel)...
Die meisten physikalischen Phänomene sind jedoch viel komplexer und können nicht mit einer einfachen mathematischen Formel beschrieben werden. Dies ist der Fall bei Luft- oder Wasserströmungen und auch bei mechanischen Spannungen im Inneren eines Objekts. Für diese Phänomene müssen fortgeschrittenere Methoden verwendet werden.
Finite-Elemente-Methode
Die Finite-Elemente-Methode ist eine Methode zur numerischen Lösung physikalischer Gleichungen. Sie wird verwendet, wenn die physikalischen Gesetze, die das Phänomen bestimmen, komplex sind und nicht durch einfache mathematische Operationen gelöst werden können. Hier ist eine vereinfachte Erklärung der Methode:
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Das zu untersuchende Objekt wird in sehr kleine Teile unterteilt (diese Unterteilung wird alsdas Gitter).
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In einem kleinen Element können die physikalischen Gleichungen vereinfacht werden. Luftgeschwindigkeit und Druck können einfacher berechnet werden.
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Das Ergebnis dessen, was in einem Element passiert, hilft uns zu berechnen, was in den folgenden Elementen passieren wird.
Das Mundstück für Saxophon oder Klarinette
Im Falle des Saxophon- oder Klarinettenmundstücks kann die Finite-Elemente-Methode verwendet werden, um die Luftströmung im inneren Hohlraum zu simulieren. Die wichtigsten Variablen sind der Schalldruck und die Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Mundstück. Hinsichtlich der Mundstückgeometrie werden unterschiedliche Ergebnisse beobachtet. Der längste Schritt ist die Erstellung des Gitters, d. h. das Nachbilden des Mundstücks, das unterschiedliche Größen und Formen haben kann, die von einem Punkt des Modells zum anderen variieren können.
Der nächste Schritt ist der Start der Simulation: Die Berechnung kann einen Computer 24 Stunden lang beschäftigen. Und das ist noch nicht alles! Die Schwingungen des Blattes müssen berücksichtigt werden, da sie einen erheblichen Einfluss auf das Verhalten der Luftströmung haben: Das nennt manFluid-Struktur-WechselwirkungenDiese Details machen die Modelle sehr viel komplexer (diese Berechnungen können mehrere Tage oder Wochen dauern, je nach dem verwendeten Computer).
Hier ist also die Stellenbeschreibung:
| 25% | Literaturrecherche, Untersuchung der physikalischen Phänomene, Erforschung neuer Simulationstechnologien |
| 25% | Aufbau der Modelle, Einstellung des Finite-Elemente-Gitters, Optimierung der Simulationsparameter |
| 50% | Datenverarbeitung, Analyse der Simulationsergebnisse, Vergleich der Daten mit akustischen Messungen und mit den Daten, die bei Testsitzungen mit Musikern erhoben wurden |
Wenn Sie die Wissenschaft mögen, und wenn Sie die Vorstellung mögen, dass ein Ingenieur eine numerische Simulation des Luftstroms in der Geometrie Ihres Mundstücks erstellt hat, ist es an der Zeit, ein Syos Mundstück zu bestellen! Und Sie können mit den anderen Musikern über finite Elemente sprechen, und Sie werden so cool aussehen!
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