Hoe voorspel je de klank die een blok hout produceert als het eenmaal in de vorm van een viool is gesneden? Wat is de beste vorm voor de beste klank? Kunstmatige intelligentie biedt antwoorden op deze vragen. Dit zijn de conclusies die onderzoekers van het Musical Acoustics Lab van de Politecnico di Milano hebben gepresenteerd in een studie die onlangs is gepubliceerd in de sectie Scientific Reports van het tijdschrift Nature.
De Chileense natuurkundige en gitaarbouwer Sebastian Gonzalez (post-doc onderzoeker) en de professionele mandolinespeler Davide Salvi (promovendus) laten zien hoe een eenvoudig en effectief neuraal netwerk in staat is om het trillingsgedrag van het boven- en onderblad van een viool te voorspellen. Innovation Origins interviewde Gonzalez.
Kun je kort uitleggen wat je hebt ontdekt?
“De meest interessante ontdekking is dat een heel eenvoudig neuraal netwerk kan voorspellen hoe een bovenblad van een viool trilt. Dat is belangrijk omdat de manier waarop een viool trilt bepalend is voor de klank die hij voortbrengt.”
Wat zijn de basisparameters van de dataset geweest?
“De vorm is gedefinieerd door 20 parameters, de dikte van de bovenplaat is gedefinieerd door 8, en de materiaalparameters door 9.”
Hoe hebben jullie het onderzoek technisch aangepakt?
“We zijn met dit onderzoek begonnen in februari 2020, net toen de coronapandemie begon. In die tijd was ik eigenlijk bij mijn familie in Duitsland en mijn student, Davide Salvi, was in Bergamo . We hebben verschillende datasets gemaakt. Sommige gingen alleen over de omtrek van de viool. Andere over de dikte van het blad en weer andere waarbij alles tegelijk veranderde. In totaal hebben we ongeveer 5000 bovenbladen gesimuleerd. De technische term is de ‘Finite Element Method’.”
Wat is de innovatieve waarde van dit onderzoek?
“Ten eerste is het voorspellen van de manier waarop een plaat trilt niet hetzelfde als het voorspellen van het geluid. Toch is het een geweldige test om te zien of de methode in het algemeen kan worden gebruikt. En het antwoord is dat het kan. Het voordeel van neurale netwerken is tweeledig. Enerzijds kunnen zij zeer snel rekenen, zodat wij in een paar uur dingen kunnen bestuderen die bij normale simulaties maanden zouden vergen. Ten tweede zijn ze heel gemakkelijk te gebruiken. Je hoeft alleen maar een paar getallen (of een afbeelding van de viool en een paar parameters) in te voeren en het neurale netwerk geeft je het antwoord. Dit kan ons helpen om gebruik te maken van dit soort voorspellingen.”
Is dit onderzoek uniek in de wereld?
“Na publicatie ervan kwam ik een andere onderzoeker tegen die AI gebruikt voor het bestuderen van gitaren. Toch is zijn werk uit 2005 nooit echt geciteerd of opgevolgd. Wij zijn echter de eersten die het gebruiken voor violen. We hebben een complete onderzoekslijn lopen waarin we de verschillende toepassingen bestuderen die AI kan hebben voor muzikale akoestiek. Voor zover ik weet, zijn wij op dit moment de enigen in de wereld die dit doen.”
Is de vorm de bepalende factor? Maar is de vorm niet altijd hetzelfde?
“Dit is een van de belangrijkste resultaten van ons onderzoek. De vorm van het instrument is de belangrijkste factor voor hoe het instrument trilt en vervolgens klinkt. Grosso modo is de vorm altijd hetzelfde. Maar elke viool is toch net weer even anders. Wij tonen aan dat deze kleine verschillen een aanzienlijke invloed hebben op de trilling van de bovenplaat. Zelfs de beroemde vioolbouwer Stradivari had verschillende ‘mallen’ om violen te maken. Hoewel de variaties in vorm waar we het over hebben echt klein zijn.”
Kan dit ook op andere instrumenten worden toegepast? “
“Zeker. Ik zou zeggen voor elk instrument dat kan worden ‘geparametriseerd’, dat wil zeggen gedefinieerd door een paar numerieke parameters. We zijn vooral geïnteresseerd in koperinstrumenten waarbij de geometrie, zoals de beker van een trompet, bepalend is voor de klank van het instrument.”
Welke andere nieuwe materialen en vormen kan de viool van de toekomst aannemen?
“Geen idee, maar ik kan je één ding vertellen. Dat is dat als de materialen die we voor violen gebruiken gaan veranderen, de vorm van het instrument dat ook moet doen. Als je dezelfde modellen van 300 jaar geleden kopieert met het hout uit onze tijd, krijg je niet dezelfde klank als 300 jaar geleden.”
Heeft u al een vervolgstudie in gedachten?
“Ja, we hebben er genoeg. Allereerst hebben we nu een parametrisch model voor de hele viool, inclusief ribben en onderblad. En met variërende boogprofielen, dat wil zeggen de kromming van links naar rechts in het bovenblad en het onderblad van een viool. Ten tweede gebruiken we dezelfde AI-gestuurde aanpak om ons te helpen materialen in de werkplaats te karakteriseren. Ten derde passen we dezelfde aanpak ook toe op gitaren.”
Kun je de term ‘beste klank’ eigenlijk wel gebruiken? Is dat niet subjectief?
“Natuurlijk is het subjectief. Toch hebben we het elke dag over de ‘beste pizzabakker’, of de ‘beste barista’ ter wereld. Dat iets subjectief is, betekent niet dat het niet meetbaar is. Er bestaat hierover heel wat literatuur in de muzikale wereld. Enkele voorbeelden die me te binnen schieten zijn studies over hoe live muziek je meer endorfine (het genotshormoon) doet aanmaken dan opgenomen muziek. In die zin is live muziek ‘beter’. We hebben nog geen idee wat het ene geluid beter maakt dan het andere. Maar het is iets waar ik gepassioneerd over ben en wat ik graag wil bestuderen. Ook hier moeten degenen die zich bezighouden met neurowetenschap, muziektheorie, kunstmatige intelligentie en vakmanschap allemaal bij elkaar komen en met elkaar gaan praten. Misschien kunnen we dan op een dag begrijpen wat er nu eigenlijk zo magisch is aan een Stradivarius. Neem van mij aan, als ik de middelen had, zou ik daar nu al experimenten mee doen.”
Kun je iets over jezelf vertellen. Hoe je van Chili naar Milaan bent gekomen, met tussenstops in Duitsland.
“Ik ben geboren en getogen in Chili, heb daar natuurkunde gestudeerd en ben daarna gepromoveerd in de computationele natuurkunde aan de Universiteit Twente in Nederland. Daar ontmoette ik mijn eerste vrouw, Julia, die me aan haar familie voorstelde. Het is een vioolbouwersfamilie van de 13e generatie. Ze kwamen oorspronkelijk uit Markneukirchen dat in de toenmalige DDR ligt. Ze ontvluchtten Oost-Duitsland en zich vestigde in Celle, een kleine stad tussen Hannover en Hamburg in West-Duitsland.
Mijn vader had altijd met hout gewerkt, dus ik had wel wat verstand van houtbewerking. We bezochten hen voor een lang weekend in oktober toen ik mijn doctoraat aan het afronden was. Opa zette me de volgende dag aan het werk. Ik vond het prachtig, maar besefte meteen dat het heel moeilijk was en dat het tijd zou kosten om het te leren. Toch besloot ik diezelfde dag het vak te leren.
Dus vanaf die dag begon ik gereedschap te verzamelen en te leren hoe ik met hout moest werken. Ik verhuisde naar Graz waar ik een kleine werkplaats had terwijl ik een postdoc deed bij een farmaceutisch onderzoeksbedrijf. Daarna verhuisde ik naar Chili voor een andere postdoc en opende tegelijkertijd mijn eigen gitaarbouwwinkel in Valparaiso. Mijn vrouw en ik waren inmiddels gescheiden, dus ik hield me niet meer zo bezig met violen. Ik heb nog wel contact met opa, oma en Frauke, Julia’s moeder, omdat onze liefde voor instrumenten ons tot familie heeft gemaakt. Ik probeer hen minstens één keer per jaar te bezoeken.
Zeggen wat je denkt zonder filter en geen tijd verspillen met om de hete brij heen draaien.
Sebastian Gonzalez, natuurkundige en gitaarbouwer
In 2019 schreef ik professor Augusto Sarti dat ik graag met zijn groep in het Cremona-lab wilde werken. We hadden één Skype-gesprek en het was allemaal geregeld. Een paar maanden later verhuisde ik met de helft van mijn werkplaats terug naar Europa om violen te bestuderen. De pandemie sloeg kort na mijn aankomst toe.”
Waar, wanneer en wat heb je in Nederland gestudeerd?
“Ik heb tussen 2009 en 2013 computationele natuurkunde gestudeerd in de groep van professor Stefan Luding aan de Universiteit Twente in Enschede. Het waren waarschijnlijk enkele van de beste (en slechtste) jaren van mijn leven. Ik hield van het fietsen (ik had vijf fietsen), hoe internationaal de stad was, en hoe makkelijk het was om vrienden te maken. Ik hield ook van de ongecompliceerde benadering van het doen van onderzoek. Zeggen wat je denkt zonder filter en geen tijd verspillen met om de hete brij heen draaien. Het is heel anders dan de Italiaanse aanpak moet ik zeggen. Ik hield echter niet van het eten, noch van de kleine bierglazen, noch van het weer van september tot mei. En, zoals ik al zei, ik ben gepromoveerd in de computerfysica. Dus tegen het einde daarvan was ik het echt zat om de hele dag te programmeren en had ik behoefte om iets met mijn handen te doen. Dus toen de vioolbouw in mijn leven verscheen, zei ik ‘ja, daar ben ik wel voor in’.”
Ook interessant: Hoe de wetenschap via de muziek grip probeert te krijgen op het stressniveau van de moderne mens
