Die Verwendung
von

Orgelpfeifen als Äolsflöten

(See English Version)

"Volles Blech"!
oder...
...mein Traum einer Drachen-Windorgel...


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
jede Röhre besteht aus zwei getrennten Flöten,
die zum Haltestab hin mit je einem Boden verschlossen sind.

 

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:

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"
und "Kernstichen"

 

Die Einzelteile der Labial-Pfeife

Pfeifen-Fuß
mit Fuß-Loch

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
mit Kernstichen

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.
Oft werden auch nur zwei nahe beieinanderliegende Schnitte in das obere offene Pfeifenende geschnitten und der dazwischenliegende Blechstreifen wie bei einer Sardinenbüchse mehr oder weniger aufgerollt, was denselben Effekt wie die Stimmhülse hat.

Der Einfluß der Pfeifengestaltung auf den Pfeifenklang
(nach Adelung "Orgelbau".)
 

Die folgenden Pfeifen-Parameter sind in Bezug auf die Klang-Gestaltung am wichtigsten:
 

  1. Pfeifenmaterial (mit Einschränkungen)

  2. Pfeifenform

  3. Pfeifenweite

  4. Labiumbreite

  5. Aufschnitthöhe

  6. 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
 entsprechend der Windgeschwindigkeit

TONSTÄRKE            

größer

<-------hoch ------------------------niedrig------>

geringer

OBERTONHALTIGKEIT

größer

90mbar              60mb              40mb

geringer

************

  

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.
 

*************** 

  A U F S C H N I T T H Ö H E  

Klangschärfe

<----groß

niedrig-------------------------------------------------hoch
 
1/5-------bis------1/4 der Labiumbreite---bis---2/7

---->gering

Die Höhe des Aufschnitts kontrolliert die Länge des in die Pfeife eintretenden Luftstrahls.
 

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:
 

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
fertigen Äols-Orgelpfeifen

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...

 

 

 

 

 

 

 

 

 


The use
of

Organ Flue-pipes as Aeolian Flutes
in Natural Wind

(Siehe Deutsche Version)

"Full Brass"!
or...
...my dream of a wind-organ on a kite...


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
each tube consisting of two separate flutes,
which are closed by a wooden bottom towards the middle-chamber of the holding stick

 

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:

 

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:
 

Kern

languid

Fuß

Foot

Fußloch

foot-hole

Kernspalte

flue

Bart

ears

Oberlabium

upper lip

Unterlabium

underlip

Aufschnitt

cut up

Stimmhülse

tuning sleeve



Organ pipe with box shape "ears"
and "nicking" of the languid

 

The single parts of the labial flute

Pipe-Foot
with toe hole

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"
with nicking

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/
Under Labium

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/
Under Lip

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.
Often two parallel cuts are made into the pipe's end in a low distance from another; the narrow sheet metal strip then is rolled up or down like in a sardine tin, having the same effect like the tuning sleeve.

 

 

 

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:
 

  1. Pipe-Material

  2. Pipe-Form

  3. Pipe-Diameter

  4. Width of the Labium

  5. Height of the Cut-Up

  6. 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
corresponding to the windspeed

TONE POWER

bigger

<-------high ------------------------low------>

lower

OVERTONE CONTENTS

bigger

90millibar              60mbar              40mbar

lower

 

************

  

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

 

 

***************

 

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.

 

 

*************** 

 

H E I G T H of the C U T - U P

Sharpness
of sound

big<----

low-------------------------------------------------high
 
1/5-------to------1/4 of labium width-----to---2/7

---->little

The height of cut-up controls the length of the airstream entering the pipe.
 
 

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).

Aeolian-Organ pipe
in an unfinished state

 

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

 

 

The "working end" of
Aeolian Organ-Pipes...
ready for take off...

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!

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...then don't hesitate to rummage about on the index page of Aeolian Musical Instruments...