|
"Volles
Blech"! |
Die Drachenflöten vom Typ der chinesischen Nantong-Flöten gehören zum Typus der kubischen Flöten. Da die Flöten-Länge gleich ihrem Durchmesser ist, bildet dieser Flötentyp haupsächlich den Grundton aus, die Obertöne fehlen weitgehend. Der Klang erscheint deshalb ein wenig dumpf oder hohl.
Eine klangliche Verbesserung bedeuten die Drachenflöten vom Cai-Sao-Typ aus Süd-China bzw. Vietnam. Sie entsprechen den "gedackten", also den an ihrem oberen Ende verschlossenen Pfeifen einer Kirchenorgel. Diese Flöten klingen ebenfalls noch ein wenig hohl, da bedingt durch das dem Schalloch gegenüberliegende, verschlossene Ende nur ungeradzahlige Obertöne gebildet werden können.
Um klanglich voller zu wirken und um die vom
Ohr empfundene Lautstärke zu steigern, werden in Vietnam
Pfeifen verschiedener Frequenz miteinander kombiniert um die
bei der Einzelflöte fehlenden Obertöne zu ersetzen.
Eine
häufig zu hörende Stimmung bei den vietnamesischen
Drachenflöte ist deshalb der Grundton + dazugehörige
Quinte + dazugehörige Oktave + (u.U.verminderte) Decime und
Duodecime. Durch Hinzufügung weiterer Flöten können
spezielle Klangfarben erzielt werden; so werden bis zu fünf
querliegende Doppelflöten miteinander kombiniert, siehe
untenstehendes Bild:
|
"Cai-Sao" (Vogelgesang)
Drachen-Flöte aus Vietnam |
Die
ungedackte, also oben offene Pfeife, wird meines Wissens bisher nicht
als Drachen- oder Äolsflöte genutzt. Dies
möglicherwiese deshalb, weil zur Erzeugung einer bestimmten
Frequenz im Vergleich zu den oben genannten gedackten Pfeifen bei den
offenen Pfeifen die doppelte Pfeifenlänge erforderlich ist,
gleichbedeutend mit doppeltem Gewicht...
Vor
etwa einem Jahr stellte sich bedingt durch ein Orgelprojekt die
Frage, ob es wohl möglich wäre, offene zylindrische
Labialpfeifen durch den natürlichen Wind zu betreiben.
Bei
einer Kirchenorgel, die oft tausende Pfeifen beherbergt, wird mit
Orgelwinddrucken von 50-200mm Wassersäule (mbar) gearbeitet;
dies wäre beim Betrieb in natürlichem Wind nur unter
Extrembedingungen erreichbar.
Allerdings verliert man bei Wind in
Orkanstärke leicht die Lust, sich auf Wind-Musik konzentrieren
zu wollen...
Normalerweise haben wir es mit in der Höhe am Drachen anliegenden Windgeschwindigkeiten um 20-30kmh zu tun. Nun spricht der problemlose Betrieb von traditionellen asiatischen Drachenflöten vom chinesischen Nantong-Typ, dem vietnamesischen Cai-Sao Typ oder den indonesischen Drachenflöten von der Insel Kalimantan dafür, daß die Energiezufuhr durch den Wind zur Tonbildung an Pfeifen prinzipiell ausreicht; dies entspricht etwa einem Zehntel der o.g. Orgelwind-Drucke.
Es ergaben sich folgende Fragen:
Wenn die gedackten
Pfeifen arbeiten, wäre es mit offenen Pfeifen genauso?
Würde der an
der gesamten Pfeifenlänge anliegende Wind bedingt durch
Wirbelbildung am offenen Ende bzw. Interaktionen Schalloch/ offenes
Ende, die Tonbildung sehr stören oder gar ganz unterdrücken?
Sind besondere
Maßnahmen und damit zusätzliches Fluggewicht erforderlich
um eine störende Wirbelbildung auszuschließen?
Welche Wind-Drucke/
Windgeschwindigkeiten sind notwendig?
Und wie steht es mit den Materialien?
Bei
den großen zylindrischen Labialpfeifen "schwört"
man auf "Orgelmetall", Legierungen aus Blei und Zinn (auch
Zink und Kupfer) um einerseits eine für die Tonbildung/ Statik
genügende Stabilität der Pfeifen zu erreichen und
andererseits die leichte Bearbeitung des Schalloches (sog.
"Aufschnitt") mit dem Messer zu ermöglichen. Bei den
Holzpfeifen mit quadratischem Querschnitt ist man auf große
Holzdicken angewiesen um ein Mitschwingen der Pfeifenwandung zu
verhindern (instabiler Ton). Dieses Material scheidet also bei
Drachenpfeifen mit quadratischem Querschnitt aus Gewichtsgründen
aus.
Auf einer Kirchenorgel gibt es Labial-(Lippen-)-pfeifen in verschiedenen Formen (zylindrisch, Konisch, gedeckt, halbgedeckt, offen etc.) aus verschiedenen Materialien (Holz, Metall) und Zungenpfeifen vom Typ der aufschlagenden Zunge (wie ein Saxophon, Klarinette etc.). Die letzeren benötigen hohe Wind-Drücke und ob sie im natürlichen Wind zum Tönen zubringen sind weiß ich noch nicht.
Wenden wir uns einer offenen Labial-Orgelpfeife, ihrem Aufbau und Funktion zu:
|
Labialpfeife einer Orgel und ihr Aufbau |
|
Orgelpfeife mit "Kastenbart" |
Die Einzelteile der Labial-Pfeife
Pfeifen-Fuß |
Über den "Fuß", auf welchem die Pfeife steht, wird die Luft "Orgelwind" eingeblasen, welcher die Pfeife zum Ertönen bringt. Der Fuß macht den Orgelwind gleichmäßig. Die Luftzufuhr kann über die Weite des Fuß-Loches in Grenzen angepaßt werden. |
Pfeifen-Kern |
Diese Platte aus recht dickem Material ist der untere Abschluß der Klangkammer der Pfeife. Er hat an der zum "Aufschnitt" hin gelegenen Vorderseite eine Abschrägung "Kernfase", welche den vorbeistreichenden Luftstrom zum Oberlabium lenkt. Häufig werden an der Fase Einkerbungen "Kernstiche" angebracht, die den Luftstrom durch gezielte Wirbelbildung stabilisieren. |
Aufschnitt |
Das Schall-Loch einer Orgel ist der Aufschnitt. Da das Orgelmetall sehr weich ist (Blei-Zinn Legierung) kann bei den zunächst geschlossen hergestellten Orgelpfeifen das Schall-Loch mit einem Messer aufgeschnitten werden, daher der Name. |
Unterlabium |
Das Unterlabium, die untere Stimmlippe, ist der untere Teil des Aufschnitts und hat die Aufgabe, den im Pfeifen-Fuß zwischen Kern und Unterlabium erzeugten blattförmigen Luftstrom genau auf das Oberlabium zu lenken. |
Kernspalt |
Dieser spaltförmige Luftdurchlaß wird gebildet durch den angefasten (angeschrägten) Pfeifen-Kern auf der hinteren Seite und das Unterlabium auf der vorderseite. Im Spalt wird der blattförmige Luftstrom geformt, mit Hilfe von Kernstichen stabilisiert und genau auf das Unterende des Oberlabiums gerichtet. |
Oberlabium |
Die obere Stimmlippe bekommt den blattförmigen genau auf ihr unteres Ende geblasen. Dadurch entstehen "Schneidentöne", deren dem Pfeifenton entsprechenden Teiltöne via Resonanz in der Pfeifenkammer verstärkt werden und nach einem mehr oder weniger geräuschvollen Einschwingvorgang (der bei sehr tiefen Orgelpfeifen Sekunden (!) braucht) zum Dauerton der jeweiligen Orgelpfeife führt. |
Bart |
Der sog. Bart, von denen es bei der Orgelpfeife verschiedene Arten gibt, dient dazu, die Pfeife zum schnellen Ertönen "Ansprechen" zu bringen. Dies ist wichtig für eine möglichst schnelle Tonfolge beim Spielen. |
Stimmhülse |
Diese wird auf dem Oberende der Orgelpfeife geringfügig
verschoben und dient so via Verlängerung (->
tieferer Ton) oder Verkürzung der Pfeife (->
höherer Ton) zum Feinstimmen der Pfeife. |
Der Einfluß der Pfeifengestaltung
auf den Pfeifenklang
(nach Adelung "Orgelbau".)
Die folgenden Pfeifen-Parameter sind in
Bezug auf die Klang-Gestaltung am wichtigsten:
Pfeifenmaterial (mit Einschränkungen)
Pfeifenform
Pfeifenweite
Labiumbreite
Aufschnitthöhe
Winddruck
Daneben gibt es noch eine Vielzahl an Parametern, wie Kernstiche, Richtung des Lauftbandes, Stimmeinschitte (anstatt der Stimmhülse s.o), Bärte etc. mit denen der Klang verändert werden kann. Weitere Parameter wie Kernspaltenweite, Kulpe, Windladenform etc. entfallen bei vom natürlichen Wind betriebenen Pfeifen, da der bei Orgelpfeifen obligatorische Pfeifenfuß zum Erzeugen einer laminaren Strömung nicht benötigt wird.
W I N D - D R U C K
|
|||
TONSTÄRKE |
größer |
<-------hoch ------------------------niedrig------> |
geringer |
OBERTONHALTIGKEIT |
größer |
90mbar 60mb 40mb |
geringer |
Mit steigendem Wind-Druck
als Folge einer Erhöhung der Windgeschwindigkeit erhöht
sich auch der Grund-Ton. Dieser Freuqenzunterschied kann je
nach Pfeifenkonstruktion bis zu einem ganzen Ton betragen.
Mit steigender Windgeschwindigkeit wird der Ton auch immer geräuschvoller und obertonreicher.
************
P F E I F E N - D U R C H M E S S E R |
|||
"Volumen" |
klein |
<---sehr eng------eng-------weit------überweit---> |
groß |
Leistung |
klein |
<---sehr eng------eng-------weit------überweit---> |
groß |
Obertönigkeit |
groß |
<---sehr eng------eng-------weit------überweit---> |
gering |
Die Pfeifenweite/ der Durchmesser ist verantwortlich für die
Größe der möglichen akustischen Energieabgabe an die
Umgebung. Je größer der Durchmesser der schwingenden
Luftsäule, desto mehr Energie wird abgegeben.
Je kleiner der
durchmesser, desto mehr Obertöne, desto schärfer der Klang
bei gleichzeitig mit abnehmenden Durchmesser kleiner werdender
möglicher Pfeifenleistung.
***************
L A B I U M B R E I T E |
|||
Tonkraft |
groß |
<----breit--------------------------------------schmal----> |
klein |
Obertönigkeit |
groß |
<----1/4----------- des Umfangs---------------1/6----> |
gering |
Die Breite des Labiums kontrolliert die Breite/ die Größe
des Querschnitts des in die Pfeife eintretenden Luftstrahls und damit
die vom Wind an die Pfeife zur Tonerzeugung mitgeteilte Energie.
Pfeifen mit schmalerem
Labium klingen etwas tiefer als solche mit breiterem Labium.
Je breiter das Labium, desto
größer wird der vom Win übertragene Energiestrom und
desto mehr Schallenergie liefert die Pfeife.
Die Intensität der Obertöne nimmt mit breiterem Labium zu.
***************
A U F S C H N I T T H Ö H E |
|||
Klangschärfe |
<----groß |
niedrig-------------------------------------------------hoch |
---->gering |
Die Höhe des Aufschnitts kontrolliert die Länge des in
die Pfeife eintretenden Luftstrahls.
Mit Verringerung
der Aufschnitthöhe wird der Ton etwas tiefer.
Dabei wird die Klangschärfe
besser; weniger "rauchige" Geräuschbildung am
Oberlabium.
Die Pfeife wird leichter überblasen, je weniger
hoch der Aufschnitt ist. (= der Ton springt leichter eine Oktave
höher bei Erhöhung der entspr. Windgeschwindigkeit)
Hier ein Link zu Herrn Andreas Dörings schöne Seite über Orgelbau. Hier können Sie die verschiedenen Pfeifentypen und ihre unterschiedlichen Klangfarben direkt als mp3 abhören...
Zum
Betrieb von Orgelpfeifen im natürlichen Wind wurden Mensuren
des "Prinzipal"-Registers (Verhältnis
Innendurchmesser zu Länge = etwa 1:10, Labiumbreite 1/4 des
Pfeifenumfangs; Aufschnitthöhe 1/4 Labiumbreite) ausgewählt,
da dieses Register einen guten Kompromiss zwischen Lautstärke
und reichem Ton (Obertöne!) darstellt. Normalerweise
werden in einer Kirchenorgel Winddrucke von 50-200mm Wassersäule
verwendet.
Solche Drucke sind im natürlichen Wind nur
unter Extrembedingungen erreichbar.
Dagegen ist lediglich ein
Zehntel dieser Drucke für den Betrieb von anderen Äolsflöten
(Chinesische Nantong-Drachenflöten,
vietnamesischer Cai-Sao-Typ,
indonesische Sunaris) notwendig; so
auch bei Orgelpfeifen.
Der Orgelfuß hat bei der Kirchenorgel-Pfeife die
Aufgabe, den Winddruck zu begrenzen, den Wind laminar zu
machen und ihn über die Kernspalte als dünnes
Luft-Blatt auf das obere Labium zu leiten. An diesem Hindernis
wird ein Windgeräusch erzeugt, das in Art eines "weißen
Rauschens" viele verschiedene Teilfrequenzen enthält;
umso höhere je größer die Windgeschwindigkeit
ist.
Diejenige Teilfrequenz in diesem Tongemisch, die der des
Flötenkörpers entspricht, wird via Resonanz verstärkt.
Über einen hörbaren Einschwingvorgang (Beim Anschlagen der
entspr. Taste des Orgelmanuals Geräusche, die wie "dha",
"pha" klingen), der um so länger braucht, je tiefer
die Flötenfrequenz ist (im Sekundenbereich bei ganz tiefen
Orgeltönen!), baut sich dann der permanente Dauerton auf.
Das bei der Kirchenorgel-Pfeife im Fuß erzeugte Luftblatt
hat prinzipiell den Nachteil, daß es instabil ist. Das
heißt, daß es mit zumehmender Entfernung von seinem
Ursprung die zunehmende Tendenz hat, sich aufzuschwingen und in
Wirbel aufzulösen.
Verbessern kann man dies dadurch, daß
man im Pfeifenkern mit dem Messer kleine Kerben (sog. Kernstiche")
in Längsrichtung der Pfeife anbringt. Diese Kerben erzeugen
feine, recht stabile Wirbelschleppen, die auf der Rückseite des
Luftblattes dieses regelrecht aussteifen können und so stabiler
machen.
Trotz dieses Kunstgriffes wird ein Orgelpfeifenton
zunehmend "rauchiger", also von Wirbel-Geräuschen
durchsetzt, je weiter das Oberlabium vom Unterlabium entfernt ist,
je höher also der Aufschnitt ist.
Dieses
Problem ist im natürlichen Wind von untergeordneter Bedeutung,
da dieser bereits ausreichend laminar vorliegt. Man hat also ein
beliebig dickes und beinahe beliebig langes "Luftblatt",
welches es lediglich auf das Oberlabium auszurichten gilt.
Der Fuß der Kirchenorgelpfeife macht also im natürlichen Wind keinen Sinn; ganz abgesehen davon, daß der natürliche Wind nach seinem Durchgang durch das enge Fußloch (Abbremsung) nicht mehr in der Lage wäre, ein geeignetes Luftblatt zu erzeugen...
Deshalb wird der Fuß samt unterem Labium durch
einen "Wind-Teller" ersetzt, der einerseits als
Leitblech wirkt um den Luftstrahl auf das Labium zu richten; zum
Anderen werden etwaige Turbulenzen via Reibung beruhigt.
Des
Weiteren hat der Teller den Vorteil, daß er im Gegensatz
zum Pfeifen-Fuß/ Kernspalte (nur wenige Grad Abweichung des
Luftblatts vom Optimum möglich!) einen Pfeifenbetrieb in
einem wesentlich erweiterten Windrichtungsbereich zuläßt:
Eine Wind-Anstrahlung des Schall-Loches in der Horizontalebene
ist von -30° bis +30° und in der Vertikalebene
von etwa -20° bis +40° in Bezug auf die
Pfeifen-Längsachse möglich.
|
Äols-Orgelpfeife im Rohbau |
Der Abstrahlungsort des Tones ist bei den einseitig
geschlossenen, "gedackten" Drachenpfeifen des
chinesischen Nantong-Tpys, des vietnamesischen "Cai-Sao"-Typs
klar, da als Abstrahlöffnung nur das Schalloch in Frage
kommt.
Die oben offenen, also nicht gedeckten Pfeifen
strahlen nach Coltman ihre
Schalleistung zu gleichen Anteilen über das Schalloch und die
obere Öffnung ab.
Beim Betrieb der Pfeifen in nahezu
senkrechter Position fiel mir auf, daß
Schwebungen zu hören waren. Somit muß an der Pfeife
ein zweiter Ton entstehen. Aufgrund der fast senkrechten Position
kommt als Schallquelle nur (?) das offene Flötenende in
Betracht, welches vom Wind angeblasen einen Ton erzeugt, dessen
Frequenz knapp unterhalb der liegt, die "via naturalis"
über den Aufschnitt erzeugt wird. Die Schwebungsfrequenz war
weit davon entfernt, einen Differenzton zu erzeugen und lag so um die
5Hz.
Zur Verhinderung der Schwebung kommen Maßnahmen in
Betracht wie z.B:
Wirbelerzeugung am Rohrende durch Anbringung von feinem Gitter o.ä.
Ablenkung des Windes vom Rohrende weg durch Anbringung eines Windleitbleches.
Abkröpfen des Rohrendes, so daß das leeseitige
Rohrstück von laminarer Strömung nicht mehr erreicht
wird.
Um eine gute Hörbarkeit am Boden zu ermöglichen, sollten die Schall-Löcher/ Aufschnitte der Pfeifen in Richtung Zuhörer, also bei Drachen in Richtung Boden oder zumindest zur Seite hin weisen, was bei den traditionellen asiatischen Drachenflöten bedingt durch jahrhundertelange Erfahrung der Drachenbauer gemacht wird.
|
Das "Arbeits-Ende"
von |
Als Baumaterial für den Pfeifen-Körper ist die
Verwendung von dünnem Holz (Bambus) oder Kartonhülsen
(Modellraketen), Papp-Planrohren, Kunststoffrohren etc. ohne
wesentliche Klangeinbußen möglich - sofern man den
Flötenkörper RUND baut! (Boner,
Backus und Lottermoser)
Da die Pfeifenwandung bei der Tonbildung von Pfeifen mit rundem
Querschnitt nur auf Zug belastet wird, ist selbst Pappe stabil
genug.
Anders wird die Situation bei quadratischen
Pfeifenquerschnitten, da hier die Wandung mitschwingen kann je dünner
das Material ist, dadurch wird der erzeugte Ton gedämpft und
instabil.
Ein Möglichkeit, Papprohre herzustellen, ist Weißleim 1:1 mit Wasser zu verdünnen und Papier damit einzupinseln, welches man um gewachste PVC-Rohre , Getränke-Dosen etc. des gewünschten Durchmessers wickelt. Nach dem Trocknen lassen sich die Rohre vom PVC-Kern abstreifen. So erhält man ein sehr widerstandsfähiges Rohr, welches so von Modellraketenbauern benutzt wird...
Die fertigen Äols-Orgelpfeifen werden parallel zur Längsachse des Drachens eingebaut; der schallbildende Teil wird nach vorne gegen den Wind ausgerichtet, kann über die Flügel-Leitkante hinausragen, auch von unten vom Wind angestrahlt werden und tönt so über den gesamten Flugbereich. Das Schalloch soll für einen bestmöglichen Effekt zur Erde hin, oder zumindest zur Seite hin weisen, das offene Flötenkörperende zeigt in Gegenwindrichtung.
Wie bei den anderen Äolsflöten liegt der nutzbare
Wind-Bereich für den Grundton (je nach Bauweise) bei etwa
25kmh bis 70kmh Windgeschwindigkeit. Ab etwa 80-100kmh (je
nach Bauart auch schon wesentlich früher) wird die Flöte
zur Oktave überblasen, bei weiterer Zunahme erscheinen die
weiteren Obertöne in der physikalisch festgelegten
Reihenfolge.
Im
Gegensatz zu den gedackten Pfeifen vom chinesischen Nantong-Typ bzw.
vietnamesischen Cai-Sao-Typ neigen die offenen Pfeifen nicht so sehr
dazu, mit Windzunahme die Frequenz zu erhöhen; sie sind
konstanter im Ton.
Auch sind die harmonischen
Teiltöne bei den offenen Pfeifen vollständig ausgeprägt
(alle Harmonischen) als bei den gedackten Flöten (nur
ungeradzahlige!).
Die offenen Flöten klingen deshalb
wesentlich brillanter. Von der empfundenen Lautstärke her
übertreffen sie die der gedackten Pfeifen.
Prinzipiell können diese Flöten wie auch die anderen auf diesen Seiten aufgeführten Äols-Instrumente dazu benutzt werden an geeigneten Orten als klangerzeugende Skulpturen, Wind-Orgeln etc. Verwendung zu finden.
Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Bauen
und Hören!
Falls Sie eigene Versuche
machen, würde ich mich darüber freuen von Ihnen zu hören!
Ihr U.Wahl.
Weiterführende Literatur unter
litratur.htm
Die Orgelseite von Rainer
Jahnke
http://www.orgel-info.de/index.htm
Das
Orgel-Lexikon:
http://www.organstops.org/FullIndex.html
Schöne Seite über Orgelbau und -Akustik
von Andreas
Döring:
http://www.leichssenring.de/andreas/orgeln/register/index.htm
Die
Orgel-Mailing-Liste:
http://listserv.albany.edu:8080/archives/piporg-l.html
Mensuren-Rechner für Orgelpfeifen
etc.:
http://www.arndt-bruenner.de/hausorgel/CalcMens.htm
http://www.arndt-bruenner.de/hausorgel/RegrMensFrame.htm
http://mmd.foxtail.com/Tech/airbounc.htm
Literatursuche über Orgelbau (über
20.000 Verweise)
http://www.gdo.de/cgi-bin/bib.pl
P.S.: Kennen Sie noch weitere
Literatur
oder
Bezugsquellen von anderen Äols-Instrumenten ?
Kennen
Sie Leute, die solche Instrumente bauen?
Ideen,
Kritik, Ergänzungen, Fragen oder neue Links...?
Bitte
geben Sie mir Gelegenheit, diese Seiten für Sie
weiter zu verbessern,
Deshalb bitte Mail
an mich, Danke
Ihnen!
Entwickelt und laufend vervollständigt
von
Uli Wahl, All Rights Reserved
Möchten
Sie noch mehr über Wind-Musik-Instrumente erfahren?
Dann
stöbern Sie in Ruhe auf der Hauptseite von Aeolian Musical
Instruments...
English Version following...
|
"Full
Brass"! |
The Kite-Flutes of the Chinese Nantong-Type belong to the typus of cubic flutes. For the flute's length is equal to its diameter, this sort of flute lets hear mainly the basic tone; the harmonics are very weak. These sounds therefore seems somewhat dull or hollow.
An improvement concerning the sound are the Kite flutes of the Cai-Sao-Type from Vietnam/ South China. They correspond to the Church organ flutes being closed at its upper end. These flutes still sound a bit hollow also, for due to the closed end on the sound-hole's opposite side of the flute, only odd harmonics are possible.
In order to give a fuller sound and for
increasing the loudness percepted by our ear in Vietnam flutes
of different frequencies are combined (like in a synthesizer) to
replace the harmonics lacking in the single flute.
So, a
frequent way of tuning a Vietnam kite flute ensemble is the basic
tone + corresponding fifth + octave + (u.c.diminished) Decime and
Duodecime. By combining even more flutes, special "tone
colours"/ timbres can be achieved; so up to five double flutes
are attached to the kite. See the picture below:
|
"Cai-Sao" (bird's song)
Kite flute ensemble from Vietnam |
As
far as I know, the not "stopped" organ pipe, open at its
upper end, isn't used as kite flute or as Aeolian flute in the
natural wind. This is possibly due to the fact that for
generating a certain frequency, the "open" pipe needs the
double tube-length of the "stopped" pipe; this means also a
higher flight-weight, however...
One
year ago, due to an organ project in Spain the question arose,
whether it would be possible to make labial organ flue flutes working
by the natural wind.
A church-organ, often containing several
thousands of single pipes, "organ-wind" pressures of
50-200mm water column (mbar) are used; which can be achieved in
natural wind under extreme conditions only.
Certainly the desire
to pay attention to the wind's music is easily lost when the storm
reaches a hurricane's power...
Normally the windspeed at a flying kite is in a range of 25-50kmh. The running without problems of traditional asian kite flutes of the chinese Nantong-Type, the vietnamese Cai-Sao Type or the indonesian kite flutes from Kalimantan island shows, that the energy supply by the natural wind is principally sufficient for sound generation. These wind pressures are in a range of about one tenth to one fifth of the common organ wind pressures mentioned above.
The following questions came up:
The stopped pipes
working, will the open pipes do as like?
Would the wind
blowing along the whole length of the pipe disturb (or suppress at
all...) the sound generation at the sound hole or at the open end
due to vortices?
Would special
components be necessary (..and thus more weight...) for avoiding
disturbing vortex-generation?
Which
wind-pressures/ windspeeds are necessary?
And what about the materials the flutes can be
built of?
Considering the labial pipes of church organs, the
builders "swear" by "organ metal", alloys of
lead and tin (zinc and copper too), for either getting enough
stability for the flute's static (the big 16' pipes have a
length of 10 meters...) and sound, and on the other hand for
facilitating the cutting and adjusting of the sound hole (called
"cut up" for this reason) with a simple tool such as a
knife.
The wooden pipes with a square cross section need big
wall thicknesses in order to avoid undesired vibrations of the flute
walls leading to an unstable and unpredictable sound. So, wood is no
good choice for kite flutes with a square cross section for weight
reasons.
On a church organ there are Labial-(Lip-)-pipes in many different forms (cylindric, conical, stopped, half-stopped, open etc.) made of different materials like wood and metal and reed pipes driven by curved tongues of brass closing against a matching cavity called a shallot (like a clarinet or a saxophone). The reed pipes need a high organ-wind pressure and it is not sure that they are able to work at low pressure conditions of the natural wind.
Let's have a look onto an open labial organ flue pipe, its construction and function:
|
||||||||||||||||||||
Labial organ-pipe and its parts Glossary:
|
|
Organ pipe with box shape
"ears" |
The single parts of the labial flute
Pipe-Foot |
Via the foot, the pipe is standing on, air is blown in, the so called "or "Organ wind", which makes the flute sounding. The foot smoothes the organwind. The dose of air can be adjusted via the width of the foothole or toehole. |
Pipe-"Languid" |
This plate consisting of thick metal is the bottom of the pipe's sounding chamber. The languid has at its frontside (towards the "cut up") a certain bezel, which guides the passing airstream towards the upper lip. Frequently at the bezel of the languid nicks are applied, stabilizing the airstream by well-aimed vortice generation, thus giving better sound properties |
"Cut Up" |
An organ's soundhole is called cut up. For the organ metal is very soft/ pliable (lead tin alloy), the sound hole is cut by means of a simple knife into the pipes, being closed first. That's the origin of its name. |
Under Lip/ |
The lower labium/ under lip is the lower part of the cut up and has the purpose to guide the air-blade, generated inside of the pipe-foot between languid and lower lip, directly onto the blade of the upper labium. |
"Flue" |
This narrow gap between under lip and languid forms the thin airblade (a few mm thickness) being directed onto the blade/ lower end of the upper lip to induce a tone.. |
Upper Labium/ |
The upper lip receives the bladelike airstream from the flue directly on its tip. Thus blade-tones are generated (a bit like a white noise); its partial tone corresponding exactly to the resonance tone of the pipe's sound chamber is amplified. After a small amount of time, the preliminary noiseful sound changes to the clear permanent tone. The biggest organ pipes (16' register; 10 m long pipe!) need seconds until they give the permanent tones... |
|
|
"Ears" |
The so called ears (different sorts), serve for a quick "response" of the flute, making possible a quick succession of tones when playing fast pieces. |
"Tuning-Sleeve" |
By sliding it up (lengthening = lower pitch) or down
(shortening the flute = higher pitch) on the flute's end a fine
tuning of the pipe is possible. |
Impact of the pipe-design on the pipe's
sound
(after Adelung "Orgelbau"/
organ construction.)
The following parameters have the main
influence onto the sound-design:
Pipe-Material
Pipe-Form
Pipe-Diameter
Width of the Labium
Height of the Cut-Up
Organ Wind Pressure
Besides, there exist many more parameters like nicking, direction of the air-blade, ears, age of the flutes etc. being able to change the sound/ timbre. Further parameters like width of the flue, culping of the flute's end, form of the wind-channels inside the organ, etc. are not necessary with flutes driven by the natural wind; for there's no need of the organ pipe's parts making the airflow laminary (foot, lower lip etc.)
W I N D - P R E S S U R
E |
|||
TONE POWER |
bigger |
<-------high ------------------------low------> |
lower |
OVERTONE CONTENTS |
bigger |
90millibar 60mbar 40mbar |
lower |
With an increasing
wind-pressure following increased wind-speeds, the pitch of the
basic tone becomes higher also. This difference in frequency
may become up to one whole tone.
With increasing wind-speed the sound becomes more and more
noisy and richer of harmonic partial tones.
************
P I P E - D I A M E T E R |
|||
"Volume" |
small |
<---very narrow------narrow-------wide------superwide---> |
big |
Performance |
small |
<---very narrow------narrow-------wide------superwide---> |
big |
contents of harmonics |
big |
<---very narrow------narrow-------wide------superwide---> |
little |
The width/ diameter of the pipe is responsible for the
quantity of the possible acoustic delivery to the surrounding air.
The bigger the diameter of the vibrating air column, the more
delivered energy.
The smaller the diameter, the more harmonic
partial tones will be heard, the more "sharp" the sound
will become. With decreasing diameter in relation to the pipe's
length, the power of sound delivered becomes lower.
***************
W I D T H of L A B I U M |
|||
Power of Tone |
big |
<----wide--------------------------------------narrow----> |
small |
Contents of harmonics |
big |
<----1/4----------- of circumference-----------1/6----> |
little |
The width of the labium controls the width/ size of the air-stream's cross section determining the amount of energy given to the pipe by the wind.
Pipes with a narrow labium
sound somewhat lower than such with a wider one.
The wider the labium, the
bigger the energy is transmitted by the wind and the more
sound-energy delivered by the pipe.
The intensity of the harmonics increases with a wider labium.
***************
H E I G T H of the C U T - U P |
|||
Sharpness |
big<---- |
low-------------------------------------------------high |
---->little |
The height of cut-up controls the length of the airstream entering
the pipe.
With a decreasing
of the cut-up's height, the tone becomes somewhat deeper
The sharpness of sound
becomes better thereby; less generation of aerodynamic noise at the
upper lip.
The pipe is more easily overblown the lower the cut-up
is. (= the tone changes already at a lower windspeed to the next
harmonic tone than before)
Here's a link to Andreas Dörings beautiful site on organ construction. You can try different types of pipes and test the sounds directly as mp3-files....
For
running organ pipes in the natural wind diapasons of the
"Principal"-registers were chosen, because this
register is a good compromise between loudness and rich sound
(harmonics!). As mentioned, normally wind-pressures of 50-200mm
water column are used in church organs.
Pressures like this
cannot be achieved in natural wind conditions.
In contrary
only between a tenth up to a a fifth of these pressures is needed for
sounding traditional aeolian flutes such as chinese Nantong-kite
flutes,, vietnamese Cai-Sao,
or indonesian Sunaris; so organ
pipes should work also.
The
"organ-foot", as a part of the church-organ pipe,
has the purpose to limit the wind-pressure, to produce a
laminar airflow which is guided as a thin bladelike airstream
onto the upper lip of the "cut off". At this obstacle
an aerodynamic noise in the manner of a "white noise" (many
different frequencies/ tones) is generated, containing the more
higher frequencies the higher the windspeed.
The special partial
tone in this sound mixture, corresponding exactly to the resonance
frequency/ tone of the pipe body, is amplified via resonance. Via an
audible transient noise at the beginning, sounding like "dha",
"pah", taking some time the deeper the tone of the pipe (a
few seconds for 16' pipes with 10 meters length) the final permanent
pipe tone sets up.
The airblade generated in the foot of the organ flute has
the disadvantage to be not stable. This means, that it has the
tendency to begin a swinging motion with increasing distance from the
flue and finally to dissolve off into vortices.
By cutting some
tiny nicks (in length direction of the pipe) into the languid by
means of a knife, this tendency/ behaviour can be improved. These
nicking create tiny but very stable vortice streets lying on the back
side of the airblade, which make it more stiff and thus longer
lasting; leading to a much softer and more pleasant "speaking"
of the pipe.
In spite of this trick an organ pipe's tone
becomes more and more noisy (due to vortices) the longer the
distance between flue and upper lip is.
This
special problem of organ pipes driven by the artificial "organ-wind"
has no importance in the natural wind, for the wind is sufficiently
laminar by its nature. So exists a thick and long "airblade"
as one likes, which only has to be directed onto the upper lip of the
soundhole.
In the natural wind the "pipe-foot" is of no sense in the natural wind; in addition, the narrow toehole would be a hard brake for the wind; it would be impossible to generate a sufficient airblade in the flue later...
Therefore the foot (including
the lower labium) is replaced by a "Wind-Plate",
either acting as guide/ fin to direct the airstream onto the upper
labium and to smoothes in addition possible turbulences.
Into
the bargain, the wind-plate has the advantage, that on the
contrary to the church organ pipe-foot/ -flue allowing a few grades
of variation from the optimum possible only, the pipe's use in a
much more extended range of wind-directions becomes possible:
The
possible air-flow-angle (immobile pipe!) in the horizontal plane
is in a range of -30° to +30° and in the vertical
plane from ca. -20° up to +40° in relation
to the length axis of the pipe; depending on the angle between
wind-plate and pipe length-axis (minus 20° in the example above).
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Aeolian-Organ pipe |
The sound's origin is clear at the "stopped"/
closed pipes of the chinese Nantong-type and vietnamese "Cai-Sao",
for only the soundhole coming into consideration.
The open
pipes (not stopped-), radiate its sounding power (see Coltman)
to equal parts via the soundhole (cut up) and the open end of
the pipe tube.
If possible, the soundholes of the pipes
should be directed towards the auditors, i.e. in case of kites in
ground-direction or at least towards the side. This principle is
traditionally used with the asian kite flutes, the builders using
experience of centuries
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The "working end"
of |
As a material for building the pipe-body the use of thin
wood (bamboo!) or cardboard sleeves (Model-rockets), cardboard tubes
for plans, plastic tubes etc. is possible without substantial
differences in sound - only when the pipe body is built ROUND!
(Boner, Backus and Lottermoser)
For the pipe's walls are loaded on traction only when sounding; even
thick paper does the job.
The situation changes with square
cross section of the pipe, because the walls now are able to do
vibration motions, thus producing a dampened and instable/
unpredictable tone when using materials being not stiff enough!
A possibility to make cardboard tubes is to thin white glue/ wood glue with water 1:1; to brush this mixture on paper which is wound around waxed plastic tubes, coke tins etc. in the desired diameters. After drying, the paper-tubes can be taken off the plastic core. Thus you get a very resistant tube, which is used like this for example by fans of model rockets...
The aeolian organ-tubes are inserted into the kite parallel to the kite's length axis; the sound producing part is directed to the leading edge against the wind and can jug out somewhat over the leading edge. For an optimal effect, the soundhole/ "cut up" should be directed to the auditor i.e. the earth; at least to the side. The open end of the flute points to counter wind direction.
just like the other aeolian flutes the usable range of windspeed
for the basic tone is around 25kmh to 70kmh windspeed.
With increasing speed, around 80-100kmh (depending on the
construction) the flute is overblown to its octave tone (first
harmonic); with even more speed, further harmonics appear in its
physically determined sequence.
In
contrary to the stopped pipes of the chinese Nantong-type/ vietnamese
Cai-Sao-type, the open pipes have considerable less tendency to
increase its sounding frequency with slightly increasing windspeed;
they are more constant in tone.
The open flutes
sound more brilliant than the stuffed ones, because the open flutes
have all (even AND odd-) harmonics/ overtones, whereas the stuffed
ones have odd harmonics only. Concerning the loudness percepted by
the ear, the open pipes are better also.
These aeolian open pipes can be used like the other aeolian instruments described on these pages as a part of sounding sculptures, aeolian organs etc. Of main importance are the wind conditions at the place where the installations are put. On earth these places (and the instruments also!) have to be chosen in a conscientious manner to avoid misfunctions due to sudden gusts or/ and vortices behind obstacles etc.
However, the conditions on kites are ideal everywhere where kites can fly...
I wish you having much fun while building and listening to your products!
...and - would like very much to hear from you ;-))...
Best regards,
U.Wahl.
Further literature:
litratur.htm
The
Organ-Encyclopedia:
http://www.organstops.org/FullIndex.html
Nice site (!) on organ construction and -acoustics
by Andreas
Döring:
http://www.leichssenring.de/andreas/orgeln/register/index.htm
Organ mailing
list:
http://listserv.albany.edu:8080/archives/piporg-l.html
Diapason calculator for organ pipes
etc.:
http://www.arndt-bruenner.de/hausorgel/CalcMens.htm
http://www.arndt-bruenner.de/hausorgel/RegrMensFrame.htm
http://mmd.foxtail.com/Tech/airbounc.htm
P.S.: Do you know further good
Literatur
or
"sources" of other aeolian instruments??
Do
you know people building such instruments?
Ideas,
criticism, supplementations, questions new or broken
links...?
Please give me the
opportunity to improve these pages for
YOU...
...therefore Mail
me, thank you!
Developed
and held up to date by
Uli Wahl, All Rights
Reserved
Do you want to
know more on natural-wind-driven instruments?
...then
don't hesitate to rummage about on the index page of Aeolian Musical
Instruments...