Keman yapan ustalar, yani luthiye'ler, geleneksel olarak bir enstrümanın nihai sesini şekillendiren parçaları nasıl işleyeceklerini ve hangi malzemeleri seçeceklerini uygulamalı deneyimlerle öğrenirler. Ancak MIT mühendisleri, yeni sanal kemanları ile bu zahmetli süreci hızlandırmayı umuyor. Bu, enstrümanın fiziksel özelliklerini hassas bir şekilde yakalayabilen ve hatta titreşen bir telin gerçekçi sesini üretebilen bir bilgisayar simülasyon aracıdır. Bu çalışma, npj Acoustics dergisinde yayınlanan bir makalede ayrıntılı olarak anlatılıyor.
Keman seslerini binlerce notanın ortalamasına dayanarak örnekleme yöntemiyle simüle eden yaygın yazılım programlarının aksine, MIT'nin modeli enstrümanın temel fiziğine dayanıyor. Projenin ortak yazarlarından biri, “Sanatkarın büyüsünü yeniden yaratabileceğimizi söylemiyoruz,” diyor. “Biz sadece keman sesinin fiziğini anlamaya çalışıyoruz ve belki de luthiye'lere tasarım sürecinde yardımcı oluyoruz.”
Keman akustiği, özellikle ünlü Cremona luthiyesi Antonio Stradivari'nin, Amati ailesinin ve Giuseppe Guarneri'nin 'Altın Çağ' olarak bilinen dönemde ürettiği kemanların üstün seslerinin sırrını çözme konusunda, uzun zamandır akustikçiler arasında önemli bir araştırma konusu olmuştur. Kemanın akustik karmaşıklığı göz önüne alındığında dikkate alınması gereken pek çok değişken bulunmaktadır.
Kemanın algılanan benzersiz sesinin yalnızca enstrümanın geometrisinden kaynaklanamayacağı düşünülüyor, ancak Stradivari'nin geometrik yaklaşımı kemanın kendine özgü şeklini ortaya koymuştur. Bu durum, kullanılan ahşaptan kaynaklanıyor olabilir; bazı araştırmacılar Stradivari'nin o bölgede alışılmadık derecede soğuk hava döneminde yetişen Alp ladini kullandığını varsaymıştır. Yıllık büyüme halkalarının daha yakın olması, ahşabın olağanüstü yoğun olmasını sağlamıştır. Araştırmacılar, ahşap yoğunluğundaki farklılıkların enstrümanın titreşim verimliliğini ve dolayısıyla sesini etkileyeceği argümanını ortaya koymaktadır.
Belki de asıl sır Stradivari'nin kullandığı vernikte gizlidir: bal, yumurta akı ve Arap zamkından oluşan bir karışım. İki enstrümanın nano ölçekli görüntülemesini içeren bir 2022 araştırması, ahşap ve vernik arayüzünde protein bazlı bir tabaka ortaya koymuştur. Bu tabaka, ahşabın doğal rezonansını etkilemiş olabilir.
Biyokimyacı Joseph Nagyvary, Stradivari kemanlarına özgü sesi veren şeyin, özellikle ahşabı korumak için kullanılan bakır, demir ve krom tuzları gibi ahşabı işlemek için kullanılan kimyasallar olduğunu savunmuştur. Bu kimyasallar ahşabı korumada etkili olmanın yanı sıra enstrümanların akustik özelliklerini de değiştirmiş olabilir. 2021 tarihli bir çalışma, bu argümanı destekleyerek, ses üzerinde en etkili olabilecek kimyasalların boraks, çinko, bakır, şap ve kireç suyu olduğunu belirtmiştir.
Bilgisayarlı Tomografi (BT) taramaları, bu muammanın çözümüne dair önemli bilgiler sağlamıştır. Çünkü bu teknik, bir enstrümanın ahşap yoğunluğunu, boyutlarını, şekillerini, hacim ölçümlerini, kalınlık gradülasyonlarını ve herhangi bir hasar veya onarımı ortaya çıkarabilir. Örneğin, 2009 tarihli bir çalışma, ahşabın malzeme özelliklerini incelemek için BT taramalarından yararlanmıştır. 2011 yılında ise radyolog Steven Sirr, 1704 yapımı “Betts” kemanının ayrıntılı BT taramalarını alarak iki luthiye ile işbirliği yaparak bir replika üretmiştir.
En kapsamlı araştırmalardan biri, 2006 yılında George Bissinger tarafından başlatılan Strad3D projesi olmuştur. Bu proje, birkaç Stradivarius kemanının akustik özelliklerinin ayrıntılı nicel ölçümlerini yapmak için 3D tarama lazerlerini kullanmış, böylece enstrümanların titreşim şekillerini ve dolayısıyla ayırt edici seslerini üretme biçimlerini hassas bir şekilde haritalamıştır. (Bu arada, Bissinger ile 2007'de yapılan bir röportajda, bir Stradivarius kemanının ses kalitesini seri üretimle yeniden üretme çabalarına şüpheyle yaklaştığını ve bir enstrüman yapmanın sanat olduğu kadar bilim olduğunu ve Stradivari sesinin tek bir sırrı olmadığını vurguladığını belirtmiştir.)
Sistemi Simüle Etmek
MIT'nin sanal kemanı, Strad3D projesinin 1715 tarihli “Titian” Stradivarius kemanının taramasına dayanmaktadır. Mühendisler bu veriyi bir modelleme yazılım programına aktararak enstrümanın 3B modelini oluşturmuşlardır. Daha sonra, kemanı milyonlarca küpe ayırarak, her küpte kullanılan malzemeleri (örneğin, arka paneldeki ahşabın türü veya doğal lifli mi yoksa çelik teller mi kullanıldığı gibi) belirlemişlerdir. Ardından, ekip bu malzemelerin kemanın içindeki diğer her unsura göre nasıl hareket edeceğini ve etkileşimde bulunacağını tahmin etmek için fizik denklemlerini kullanmıştır. Bu unsurlar arasında, akustik dalga denklemleri kullanılarak simüle edilen enstrümanın etrafındaki hava da bulunmaktadır.
Sanal kemanlarını inşa eden ekip, tek bir telin çekilmesiyle oluşan sesi (“pizzicato” olarak bilinen çalma tekniği) simüle edebilmiş ve Bach'ın “Sol Minör Füg” ve “Daisy Bell (A Bicycle Built for Two)” parçalarından birkaç notayı çalacak şekilde programlamıştır. Henüz çok daha karmaşık bir etkileşim olan yay ile çalma sesini simüle etmeyi başaramamışlardır, ancak bu, gelecek araştırmalarının odak noktası olacaktır.
Bu arada ekip, sanal kemanlarının, luthiye'ler için tasarımın erken aşamalarında faydalı olacağını umuyor. Bu araç sayesinde, ahşap türü veya gövde kalınlığı gibi çeşitli parametrelerin etkilerini test edebileceklerdir. Bir araştırmacı, “Modelde değişiklikler yaparak ses üzerindeki etkisini duyabilirsiniz,” diyor. “Keman ve ondan çıkan müzik dahil her şey fizik yasalarına uyduğu için bu yaklaşım, keman sesini oluşturan unsurlara dair bir takdir katabilir. Ancak nihayetinde, ilhamımızın çoğunu sanatkarlardan alıyoruz.”
