Musical Instruments
WindInstruments
May 29. 2012
1
Wind Instruments
A.Flue Pipes
B.Flutes
C.Reeds
D.References
2
A.  Flue Pipes
1)Vortex Oscillation
2)Open-End Pipes
3)Closed-End Pipes
3
1. Von Karman vortex street
Stream of air oscillates fromone side of the sharpedge to the other
4
2.  Open Pipes
5
Pressure node at both ends
Displacement antinode at both ends
Fundamental wavelength is 2x Length
two foot pipe approximately hits “middle C” (C4)
All harmonics are present (but higher harmonics areexcited only when the air flow is big)
2b.  Open Pipe Harmonics
All harmonics possible(both even and odd)
6
C1
C2
G2
C3
3.  Closed Pipes
Pressure antinode at closed end, node at mouth
Displacement node at closed end, antinode at mouth
Fundamental wavelength is 4x Length
one foot pipe approximately hits “middle C” (C4)
Only odd harmonics present!
7
3b.  Closed Pipe Harmonics
Only ODD harmonicspresent (n=1, 3, 5, …)
8
Open pipe
Closed pipe
C1
C2
G2
C3
B.  Flutes
1.The Recorder
2.The Flute
9
1a.  Recorder
x
10
opening holes effectively makes the cylinder shorter(moves antinode up).
Plays the “diatonic” scale
1b. Recorder Resonances
11
A very highnote can beplayed byopening a holemidway,forcing apressure node,hence excitinga higherharmonic(“upperregister” note)
2a.  Flute
12
Again, 2 foot open pipe, fundamental is C4 (middle C)
Has extra levers to play sharps/flats (full set of 12 tone holes),allowing one to play all 12 semitones from C4 to C5.
“upper register”  to C4 to C5, you open a hole near center toforce a pressure node, hence play the n=2 harmonic (i.e. playnotes an octave higher with nearly same fingering)
E4
D5
2b.  Upper Registers
13
To play even higher, you open up other holes to force the n=3harmonic
Another combination forces the n=4 harmonic
D6
G6
2c.  Flute Fingering Charts
14
C.  Reeds
1.Reed Acoustics
2.Harmonics (Clarinet)
3.Conical Bores
15
history
Simple reed instrumentswere invented by theEgyptians
16
1.  Reed Pipe Acoustics
Reed open and closes, sending pulses of pressure waves.Hence mouthpiece is a pressure antinode
Open end is a pressure node
Hence behaves like a closed pipe
Fundamental wavelength is 4x Length
Typical Clarinet, fundamental is D3
17
1b.  Closed Pipe Harmonics
Only odd n harmonics
N=1     =4L
N=3     =4L/3
N=5     =4L/6
18
C4
G5
E6
1c.  Reed Pipe Timbre
Cylindrical bore (Clarinet) only allows odd harmonics.
Waveform is approximately “square” (as reedopens/closes its like a binary “on/off” pulse)
Square waves are made of only odd harmonics.
19
2.  Reed Pipe Fingerings
Example: let fundamental (lower register) be a C4
Next resonance (“middle register”) is 3rd harmonic, i.e. octaveplus P5, so G5
Next resonance is 5th harmonic, i.e. 2 octaves plus a M3, so E6
20
Clarinet Fingerings
21
Clarinet Fingering: Low Register
Like recorder, opening holes effectively makes thecylinder shorter (moves antinode up).
22
Clarinet Fingering: Upper Register
Opening the register key makes an antinode that reinforces the 3rdharmonic, and suppresses the fundamental (so instead of playing aC1, you’d get a G2 which is a twelfth above the fundamental).
23
Clarinet Fingering: High Notes
To get very high notes, opening some other holes forces the 5thharmonic to dominate!  (so instead of playing the fundamental C1,you would get the E3)
24
3.  Conical Bore
Cylindrical bore (Clarinet) only allows odd harmonics.
Saxophone, Oboe have a “conical bore” which allows for all theharmonics, but this is complicated to explain why.
Hence upper register of these instruments utilizes the 2ndharmonic (more similar to fingering for the flute).
25
SaxFingering
26
Saxophone isa moderninstrument,invented1840 byAdolphe Sax.itsmouthpiece issimilar toclarinet
3c.  Double Reeds
Oboes and Bassoonshave a “double reed”
Both have conicalbores
27
misc
x
28
http://nurseinside.files.wordpress.com/2010/03/monster-saxophone.jpg