Компьютерное моделирование акустики инструментов Российского Рогового оркестра

Центр инженерно-физических расчетов и анализа (АО «ЦИФРА») и Российский Роговой оркестр (РРО) подписали соглашение о сотрудничестве, в рамках которого специалисты АО «ЦИФРА» выполнят расчетное моделирование акустики уникальных духовых музыкальных инструментов. Инженерные расчеты помогут восстановить старинную технологию изготовления инструментов русской роговой музыки, которая была утеряна в течение последних полутора веков.

Уникальный жанр роговой музыки появился в XVIII веке при императрице Елизавете. Главная техническая особенность и отличие рогового оркестра от других жанров заключается в том, что каждый музыкант извлекает из рога только одну ноту. Поэтому в оркестре количество рогов соответствует количеству нот в композиции.  При дворе было решено улучшить звучание охотничьих рогов и согласовать их по полутонам. Роговые оркестры впечатлили знать силой звучания, и вскоре они вошли в моду и стали широко распространены. Роговой оркестр называли «живым органом» из-за схожести звучания. Участием таких оркестров сопровождались крупные государственные события, балы, гуляния и охота. Однако со временем другие популярные виды оркестровой музыки вытеснили этот уникальный жанр. Вместе с тем была утеряна и технология изготовления инструментов для рогового оркестра.

В 2006 году петербургский коллектив под руководством российского дирижера и валторниста Сергея Поляничко начал возрождать традиции роговой музыки, заложенные во времена императорской России. Сегодня за плечами Российского рогового оркестра сотни концертов на отечественной и зарубежной сценах, среди которых Государственный кремлевский дворец, залы Московского Кремля и Эрмитажа, Московская и Петербургская филармонии.

Специалисты АО «ЦИФРА» в рамках сотрудничества решают три приоритетные задачи в области численного моделирования музыкальных инструментов. Во-первых, в процессе восстановления технологии изготовления инструментов инженерные расчеты будут применяться для того, чтобы предсказать, как будет звучать рог ещё до того, как обретет форму в металле. Вторая важная задача специалистов в области инженерных расчетов заключается в том, чтобы расширить звучание каждого рога в оркестре, сконструировав его таким образом, чтобы добавить возможность извлечения второго звука на октаву выше основного. В результате количество музыкальных инструментов в оркестре можно будет сократить, что упростит переезды музыкантов в гастрольных турах. Третьей ключевой задачей является исследование возможности применения для изготовления инструментов новых материалов и производственных технологий, что позволит снизить вес инструментов без изменения качества звукоизвлечения, и также положительно повлияет на процесс транспортировки во время гастролей.

Инженеры определят оптимальные соотношения между длинами, диаметрами, углами конусов и рассчитают подходящую форму мундштука. Для специалистов АО «ЦИФРА» данный проект является также возможностью получить уникальную практику совместной работы с музыкантами и расширить собственные возможности моделирования в области акустики музыкальных инструментов.

Для расчетов будет применяться модуль Acoustics в Ansys Mechanical совместно со средой параметрической оптимизации DesignXplorer в рамках платформы Ansys Workbench. Модуль Acoustics позволяет предсказывать собственные частоты музыкального инструмента. В центре внимания при расчетах будет первая и вторая собственная частота. Первая частота является основным тоном музыкального инструмента и определяет основу его звучания. Целью расчетов является оптимизация соотношения второй собственной частоты к первой таким образом, чтобы они находились в соотношении 2:1. Эти данные позволят решить одну из упомянутых выше задач - сократить количество музыкальных инструментов в оркестре, так как при этом соотношении инструмент сможет играть основной тон и тон на октаву выше при игре передувом. Результат расчетов будет представлен в виде геометрических параметров инструмента.

Преимущество применяемого программного продукта Ansys для подобных задач заключается в возможности производить расчеты механики и акустики при помощи одного инструмента.

Дмитрий Михалюк, генеральный директор АО «ЦИФРА», к.т.н. отмечает: «Современные цифровые технологии дают инженерам почти безграничные возможности для междисциплинарного моделирования и позволяют применять расчеты даже в таких областях, как конструирование музыкальных инструментов. Задачи моделирования уникальных инструментов Российского Рогового оркестра – это больше чем инженерные расчеты, потому что здесь работа наших специалистов граничит с искусством. Это меняет представление о математическом моделировании на наших глазах. Теперь мы выполняем не только моделирование передовых технологических устройств, но также затрагиваем область прекрасного».

Основатель и художественный руководитель Российского Рогового оркестра Сергей Поляничко, дирижёр БСО им. П.И. Чайковского, директор ФГБУК "Российский центр духовой музыки" уверен, что современные математические методы позволят восстановить и развить уникальные особенности технологии изготовления инструментов для оркестра, которые более столетия многие безуспешно пытались повторить. «Мастерская Центра роговой музыки не один год работает над тем, чтобы изготовить и улучшить музыкальные инструменты, которые будут передавать тот дух русской роговой музыки, который полюбился нашим предкам в 18 веке. Теперь мы возрождаем и совершенствуем неповторимый жанр, исследуя секреты мастеров, которые жили несколько веков до нас, используя цифровые технологии предсказательного моделирования».