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Einfluss von Bau-Material, Wandstärke und Innenoberfläche auf den Klang und die Spielbarkeit  / Frank Geipel 22.08.2024

Seit vielen Jahren erhalte ich regelmäßig Fragen zum Einfluss des Baumaterials, der verwendeten Wandstärke und der Innenoberfläche beim Bau von Didgeridoos. Obwohl wir zu diesem Thema schon verschiedene Informationen auf dieser Website anbieten, möchte ich heute die Gelegenheit ergreifen, dieses Thema in einer zusammenfassenden Version zu erläutern.

Innenform:

Basis für die jeweils entstehende Klang- und Spiel- Charakteristik ist der gesamte Querschnittsverlauf der Innenform eines Instrumentes. Dieser Innenformverlauf definiert die Eigenresonanzfrequenzen der eingeschlossenen Luftsäule, die dem Grundton und den spielbaren Toots entsprechen und für deren klangliche Filterung verantwortlich sind. Die daraus resultierenden mittels FFT-Analyse messbaren Klangspektren entsprechen quasi dem „Fingerabdruck“ eines Instrumentes.

Hier ein gutes Beispiel dazu von Andrea Ferroni. Für einen Musiker erstellte drei unterschiedliche Innenformen, zur Realisierung verschiedener Klangfarben und Spieleigenschaften. Diese drei Instrumente wurden als Prototypen auf einer CNC-Fräse aus günstig und einfach erhältlichen Tannenholz (Dichte dry: 415 kg/m³; Härte Janka: 1,41 N/mm²; E-Modul: 8280 N/mm²; berechnete Schallgeschwindigkeit im Material: 4467 m/s) gefertigt.

FFT-Analyse der 3 gespielten Instrumente im Frequenzbereich von 0 - 1000 Hz:

1 -> 1. Innenform, 2 -> 2. Innenform, 3 -> 3. Innenform

Durch die Innenform ist bereits beim Spielen auf einem ausgehöhlten Stamm oder einer Bohle das Potential der Klangcharakteristik definiert. Deshalb gibt es auch den Spruch:

„Die Form der schwingfähigen Luftsäule ist die Seele des Instrumentes - Das begrenzende Material ist „nur“ die Hülle.“

Hier ein beeindruckendes Beispiel dazu von Dubravko Lapaine. Die Holzarten der gespielten Instrumente mit gleicher Innenform von rechts nach links: Walnuss, Bongossi, Gidgee (mehr dazu weiter unten)

 

Material:
Da der Schall direkt durch die schwingende Luftsäule über das Bellend zu unseren Trommelfellen gelangt, spielt die Materialhülle eine untergeordnete Rolle.  Der oft zitierte wichtige Einfluss der Material(Holz)-Eigenschaften bei Saiteninstrumenten begründet sich darauf, dass hier die Saitenschwingungen die klangerzeugenden Elemente sind. Um diese hörbar zu machen, muss deren Schwingungsenergie über das Resonanzholz auf die Luft übertragen werden und gelangt erst dann zum Trommelfell. Das ist beim Didgeridoo nicht der Fall, da das klangerzeugende Element die eingeschlossene Luftsäule ist.
Trotzdem tritt beim Spielen eines Didgeridoos die Materialhülle mit den Schwingungen der stehenden Wellen der Luftsäule in Interaktion und es findet (wenn auch ein geringer) Energieaustausch statt.
Genau wie eine formbegrenzte Luftsäule ein Spektrum an Eigenresonanzfrequenzen besitzt, die durch Anschlagen auf das Mundstück mit geschlossener Hand anregbar sind und erklingen, besitzt auch der Instrumentenfestkörper ein Spektrum an Eigenresonanzfrequenzen. Diese kann man auch durch Anschlagen an das Instrument an verschiedenen Stellen z.B. mit einem Lederschlegel anregen und hörbar machen. Wer sein Didgeridoo als Röhrenglocke verwenden will, könnte dieses bei 20-30% der Länge freischwingend in der Hand halten und mit der Faust an den länger hängenden Bereich schlagen. Die dadurch erzeugten hörbaren Eigenschwingungen (transversale Längsbiegeschwingungen) des Instrumentenkörpers sind allerdings nicht durch die auf den Instrumentenkörper übertragenen erzwungenen Schwingungsmoden der Luftsäule beim Didgeridoo-Spielen anregbar. D.h., die Interaktion der Eigenschwingungen des Instrumentenkörpers mit den stehenden Wellen der Luftsäule ist so gering, dass diese quasi keine Rolle spielt bzw. nicht wahrnehmbar ist.

Ein Experiment von Kay Reimer aus dem Jahr 2005:
Um dies zu verdeutlichen hatte Kay vor vielen Jahren das folgende Experiment durchgeführt. Verwendet wurde ein 177 cm langes gebohrtes Didgeridoo mit Grundton D aus Kirschholz.

Dieses wurde weich aufliegend mit einem Lederschlegel an verschiedenen Stellen angeschlagen und die angeregten Eigenschwingungen des Instrumentenkörpers mittels FFT-Software akustisch analysiert.

FFT-Analyse der mit einem Lederschlägel über die ganze Instrumentenlänge angeregten Eigenschwingungen des Instrumentenfestkörpers von 0 – 1500 Hz

Bereich der FFT-Analyse von 0 – 1000 Hz

Erste vier Schwingungsmoden der aus der FFT-Analyse bestimmten Eigenresonanzfrequenzen des Instrumentenkörpers

Vergleich der FFT-Analyse der Schwingungsmoden des Instrumentenkörpers mit den mittels CADSD simulierten und mittels FFT gemessenen Impedanzspektren der Eigenresonanzfrequenzen der Luftsäule:

1: rot berechnetes  Klangspektrum des Grundtons auf Basis der Innenform
2: schwarz berechnetes Impedanzspektrum der Luftsäule (als Toots anspielbare Eigenresonanzfrequenzen)
3: Akustische FFT Analyse -> geschlossener Anschlag mit Handfläche auf Mundstück
4: Akustische FFT Analyse -> Grundton einfach gespielt
5: Akustische FFT Analyse -> seitliche Anschläge auf den Instrumentenkörper mit einem Lederschlägel

Obwohl einige Eigenresonanzfrequenzen des Instrumentenfestkörpers in der Nähe der schwarzen Eigenresonanzpeaks der Luftsäule liegen, was sich durch die Häufigkeit und Breite der Resonanzfrequenzbereiche oft zufällig ergibt, ist die Beeinflussung des roten Klangspektrums offensichtlich hauptsächlich durch die schwarzen Eigenresonanzpeaks der Luftsäule verursacht. Dadurch, dass beim Schwingen des Instrumentenkörpers in den verschiedenen Biegeschwingungsmoden die Instrumentenenden transversal vibrieren würden, werden diese beim Spielen durch den Ansatz am Mund und optional durch das Auflegen des Instrumentes am Bellend zusätzlich gedämpft.

 

Welche weiteren Interaktionen der im Instrument stehenden Wellen mit dem Instrumentenkörper treten noch beim Spielen eines Didgeridoos auf und welcher (wenn auch nur geringer) Energieaustausch findet statt?
Beim Spielen eines Didgeridoos entstehen teilweise beachtliche Druckschwingungen im Instrument. Dies führt dazu, dass an diesen Stellen ein Teil der Schwingungsenergie auf den Instrumentenkörper übertragen wird. Dabei handelt es sich um sogenannte erzwungene Schwingungen, die z.B. experimentell mittels „Laser Doppler Velocimetry“ sichtbar gemacht werden können.


Hier ein Beispiel von James W. Whitehouse, David B. Sharp, Nick D. Harrop „THE USE OF LASER DOPPLER VELOCIMETRY IN THE MEASUREMENT OF ARTIFICIALLY INDUCED WALL VIBRATIONS IN WIND INSTRUMENTS“.

Diese experimentell gemessenen Effekte ergeben sich auch in den FEM-basierten Simulationen der Druckverteilung, die sich z.B. beim Anblasen der 5. Eigenresonanzfrequenz (4. Toot) eines simulierten Didgeridoos ergibt. Durchgeführt von Andrea Ferroni in „GEKOPPELTE FLUIDDYNAMISCHE INTERAKTIONSANALYSE: BEWERTUNG DES MATERIALEINFLUSSES AUF DEN KLANG“.

FEM-Simulation der Druckverteilung, die sich beim Anblasen der 5. Eigenresonanzfrequenz (4. Toot) eines simulierten Didgeridoos ergibt

Durch die von den stehenden Wellen der schwingenden Luftsäule auf den Instrumentenkörper übertragenen erzwungenen Schwingungen wird der Luftsäule Frequenz-selektiv Schallenergie entzogen. Je steifer und härter das Material des Instrumentenkörpers ist, desto höher sind die Frequenzbereiche, ab denen das Material wahrnehmbar Schallenergie-Anteile absorbiert. D.h., bei der Verwendung von sehr harten Hölzern kann sich die Schallenergie der stehenden Wellen bis in deutlich höhere Frequenzbereiche verlustarm entfalten. Das führt dazu, dass die Klangcharakteristik oft analytischer, minimal höher und härter wahrgenommen wird.

FEM-Simulation der Schall-Druckverteilung in dBA in 5 cm Entfernung von der Schallöffnung. Die verschiedenen Farben stehen für die 4 betrachteten Materialien

Hier nun die akustische Analyse der 3 im Video von Dubravko Lapaine angespielten Instrumente mit gleicher Innenform, gebaut aus 3 verschiedenen Holzarten v.r.n.l.:

(Holzdaten unterliegen einer starken natürlichen Streuung.)

1: Walnuss: Dichte (dry) 650 kg/m³, E-Modul 11850 N/mm²,

Schallgeschwindigkeit im Material: 4270 m/s, Härte (Janka) 6,2 N/mm²

2: Bongossi: Dichte (dry) 1065 kg/m³, E-Modul 19000 N/mm²,

Schallgeschwindigkeit im Material: 4224 m/s, Härte (Janka) 14,3 N/mm²

3: Gidgee: Dichte (dry) 1150 kg/m³, E-Modul 18500 N/mm²,

Schallgeschwindigkeit im Material: 4011 m/s, Härte (Janka) 19,0 N/mm²


FFT-Analyse der 3 gespielten Instrumente im Frequenzbereich von 0 - 1000 Hz:
Mit roten Pfeilen gekennzeichnet die Frequenzbereiche der betreffenden Harmonischen Vielfachen des Grundtons

Bei diesem Beispiel zeigt sich, dass wahrnehmungsgeschulte Musiker oft Unterschiede erkennen, die nur schwer messbar sind. Beeindruckend kann man erkennen, dass mit steigender Steifigkeit des Baumaterials, das wesentlich durch die Materialhärte und das Elastizitäts-Modul definiert ist, die Schall-Energieabsorption in höhere Obertonfrequenzbereiche verschoben wird und damit mehr Schallenergie der Luftsäule für die Übertragung an die Umgebung über das Bellend zur Verfügung steht.
Dieser Effekt ist in der FFT-Analyse ab der 5. Harmonischen aufwärts zu erkennen. Je steifer das Baumaterial, um so ausgeprägter sind die gemessen Intensitäten der betreffenden Obertöne. Die Frequenzanteile, die nicht genau auf den Harmonischen liegen, sind durch die Eigenresonanzfrequenzen der Luftsäule verursacht, von deren Schallenergie auch mehr zur Übertragung an die Umgebung über das Bellend zur Verfügung steht.

Wandstärke:

a) Bei extrem steifen und harten Materialien:
Je geringer die Wandstärke eines Instrumentes (bei ausreichender Struktur-Steifheit) und damit das interagierende Material ist, desto weniger Schallenergie wird von den stehenden Wellen der Luftsäule absorbiert. D.h., dass bei dünnwandigen Instrumenten der Luftsäule weniger Schallenergie verloren geht. Interessant ist, dass durch den verminderten Schallenergie-Verlust der schwingfähigen Luftsäule sich oft die Ansprache der Instrumente und die Aufrechterhaltung der Töne verbessert. Dies ist dadurch begründet, dass der Spieler weniger Energie aufwenden muss, um den Schallenergie-Verlust der Luftsäule (durch die Schallenergie-Absorption des Materials) auszugleichen. Obwohl ein Spieler die auf den Instrumentenkörper übertragenen Schwingungen haptisch wahrnehmen kann, wird dieser Effekt durch den wesentlich lauteren Direktschall maskiert und ist deshalb hörphysiologisch nicht wahrnehmbar.

 

b) Bei weicheren und elastischeren Materialien:
Obwohl bei Verringerung der Wandstärke eines Instrumentes und damit auch Verringerung der Masse an interagierenden Materials weniger Schallenergie durch das Material absorbiert wird, kann bei zu geringen Wandstärken dieser Effekt bei derartigen Materialien negativ überkompensiert werden. Das kann dazu führen, dass bei zu dünnen Wänden (und damit auch zu geringer Struktur-Steifheit) die Schwingungen der Luftsäule undefiniert über die Wände (Membran-artig) auf das äußere Medium übertragen und dadurch der Klang matt und schwach werden kann.
So zeigt sich z.B. auch in FEM basierten Simulationen, dass bei zu dünnen Wandstärken sich die Frequenzen von Obertönen durch den Schallenergieverlust der Luftsäule minimal verringern, aber auch frequenzabhängige minimale Amplitudenerhöhungen ergeben können.

FEM-Simulation der Schall-Druckverteilung in dBA in 5 cm Entfernung von der Schallöffnung. Die verschiedenen Farben stehen für die 5 betrachteten Wandstärken

Da beim Spielen von Didgeridoos teilweise beachtliche Druckschwingungen in den Instrumenten entstehen, können diese bei dünnwandigen Instrumenten zu sogenannten Atmungseffekten des Querschnittes (Querschnittsschwingungen) führen. Bei Instrumentenbereichen mit einer deutlichen Abweichung vom kreisförmigen Querschnitt können zusätzlich erzwungene Querschnitts-Form-Schwingungen, die Klangcharakteristik im höheren Oberton-Bereich theoretisch unvorhersehbar beeinflussen.

Hier einige Abbildungen aus der Dissertation von Steffen Bergweiler zum Thema „Körperoszillation und Schallabstrahlung akustischer Wellenleiter unter Berücksichtigung von Wandeinflüssen und Kopplungseffekten“ von 2005.

Ob diese theoretisch möglichen und teilweise praktisch messbaren erzwungenen Querschnitts-Atmungseffekte praktisch bei Didgeridoos wahrnehmbar sind, hängt vom jeweiligen Instrument und den Fähigkeiten eines trainierten Spielers und Hörers ab, ist aber wenig wahrscheinlich, da diese Effekte wahrscheinlich so maskiert werden, dass diese unter der psychoakustischen Wahrnehmungsschwelle liegen.

 

Zusammenfassend kann daraus abgeleitet werden, dass in diesem Bereich das Können und das Gespür (die Wahrnehmung) eines erfahrenen Didgeridoo-Baukünstlers gefragt ist, um für das jeweilige individuelle Instrument den optimalen Kompromiss für den Spieler zu finden.

Innenoberfläche:
Je glatter und härter die Innenoberfläche im mikroskopischen Bereich ist (z.B. statt Grobschliff eine harte Lackierung), desto weniger wird die Schallenergie der höheren Obertonschwingungen der Luftsäule durch Reibung an den laminaren Grenzflächen gedämpft. Die Klangcharakteristik wird analytischer und klarer. Zum Teil leidet aber dadurch die Ausprägung eines typischen weichen erdigen Klangcharakters. Die Umwandlung von Schallenergie in Wärme durch die visko-elastischen Effekte an rauen unbearbeiteten Oberflächen kann dazu führen, dass die klingenden Töne nach dem Polieren und Härten der Innenoberfläche bis zu ca. 1-3% höher werden können.

Die Ausprägung der Innenoberfläche im nicht-mikroskopischen Bereich (z.B. grobe Beitel-Spuren) spielt akustisch eine eher untergeordnete Rolle.

Wenn die Schwingungsamplitude eines bestimmten Obertones beeinflusst werden soll, kann nach Berechnung der Stellen im Didgeridoo, wo für diesen Oberton die Luftbewegung (Schall-schnelle) am größten ist, durch polieren bzw. aufrauen/strukturieren dieser Oberton nur minimal unterstützt bzw. gedämpft werden.

Schlussbemerkung:
Basis für die jeweilige Klang- und Spiel- Charakteristik ist der gesamte Querschnittsverlauf der Innenform eines Instrumentes. Diese definiert das Potential eines möglichen Instruments. Bau-Material, Wandstärke und Innenoberfläche haben dann nur noch einen geringeren abrundenden Einfluss auf die Klangcharakteristik, aber können das Potential der Innenform optimal entfalten helfen und oft ein „i-Tüpfelchen“ auf die empfundene Spiel- und Klangcharakteristik setzen.

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Influence of building-material, wall thickness and inner surface on the sound and playability

/ Frank Geipel 22.08.2024

For many years I have regularly received questions about the influence of the building material, the wall thickness used and the inner surface when building didgeridoos. Although we already offer various information on this topic on this website, I would like to take the opportunity today to explain this topic in a summarized version.

Inner shape:
The basis for the resulting sound and playing characteristics is the entire cross-sectional profile of the inner shape of an instrument. This inner shape defines the natural intrinsic resonance frequencies of the enclosed air column, which correspond to the fundamental tone and the playable toots and are responsible for their sound filtering. The resulting sound spectra, which can be measured using FFT analysis, correspond to the "fingerprint" of an instrument.

Here is a good example from Andrea Ferroni. Three different inner shapes were created for a musician to realize different sound colors and playing characteristics. These three instruments were produced as prototypes on a CNC milling machine from cheap and easily available fir wood (dry density: 415 kg/m³; Janka hardness: 1.41 N/mm²; modulus of elasticity: 8280 N/mm²; calculated speed of sound in the material: 4467 m/s).

FFT analysis of the 3 instruments played in the frequency range from 0 - 1000 Hz:

1 -> 1st shape, 2 -> 2nd shape, 3 -> 3rd shape

This means that the potential of the sound characteristics is already defined by the internal shape when playing on a hollowed-out log or plank. This is why the saying goes:

"The shape of the vibrating air column is the soul of the instrument - the limiting material is "only" the shell."

Here is an impressive example of this from Dubravko Lapaine. The types of wood of the instruments played with the same inner shape from right to left: walnut, bongossi, gidgee (more on this below)

 

Material:
As the sound reaches our drumheads directly through the vibrating air column via the bell end, the material shell plays a subordinate role.  The often cited important influence of the material (wood) properties of stringed instruments is based on the fact that the string vibrations are the sound-producing elements. In order to make these audible, their vibrational energy must be transferred to the air via the resonance wood and only then reaches the eardrum. This is not the case with the didgeridoo, as the sound-producing element is the enclosed column of air. Nevertheless, when a didgeridoo is played, the material shell interacts with the vibrations of the standing waves of the air column and there is an (albeit small) exchange of energy.
Just as a column of air with a limited shape has a spectrum of natural intrinsic resonance frequencies that can be excited and sounded by striking the mouthpiece with a closed hand, the solid body of the instrument also has a spectrum of natural intrinsic resonance frequencies. This can also be stimulated and made audible by striking the instrument at various points, e.g. with a leather mallet. If you want to use your didgeridoo as a tubular bell, you could hold it free-swinging in your hand at 20-30% of its length and strike the longer hanging part with your fist. However, the resulting audible natural vibrations (transverse longitudinal bending vibrations) of the instrument body cannot be stimulated by the forced vibration modes of the air column transmitted to the instrument body when the didgeridoo is played. In other words, the interaction of the natural vibrations of the instrument body with the standing waves of the air column is so small that it plays virtually no role or is not perceptible.

An experiment by Kay Reimer from 2005:
To illustrate this, Kay carried out the following experiment many years ago. A 177 cm long drilled didgeridoo with a fundamental tone D made of cherry wood was used.

This instrument was softly struck with a leather mallet at various points and the excited natural vibrations of the instrument body were acoustically analyzed using FFT software.

FFT analysis of the natural vibrations of the instrument solid body excited with a leather mallet over the entire length of the instrument from 0 - 1500 Hz

FFT analysis range from 0 – 1000 Hz

First four vibration modes of the natural resonance frequencies of the instrument body determined from the FFT analysis

Comparison of the FFT analysis of the vibration modes of the instrument body with the impedance spectra of the natural resonance frequencies of the air column simulated using CADSD and measured using FFT:

1: red calculated sound spectrum of the fundamental drone based on the inner shape
2: Black calculated impedance spectrum of the air column (intrinsic resonance frequencies that can be played as toots)
3: Acoustic FFT analysis -> closed palm strike on the mouthpiece
4: Acoustic FFT analysis -> fundamental drone
5: Acoustic FFT analysis -> lateral strikes on the instrument body with a leather mallet

Although some natural intrinsic resonance frequencies of the instrument body are close to the black natural intrinsic resonance peaks of the air column, which is often coincidental due to the frequent and width of the resonance frequency ranges, the influence on the red sound spectrum is obviously mainly caused by the black natural intrinsic resonance peaks of the air column. Since the ends of the instrument would vibrate transversely when the instrument body vibrates in the various bending vibration modes, they are additionally damped by the embouchure at the mouth and optionally by placing the instrument on the bell end when playing.


What other interactions of the standing waves in the instrument with the instrument body occur when playing a didgeridoo and what (even if only slight) energy exchange takes place?
When playing a didgeridoo, considerable pressure vibrations sometimes occur in the instrument. As a result, some of the vibrational energy is transferred to the body of the instrument at these points. These are so-called forced vibrations, which can be visualized experimentally using "Laser Doppler Velocimetry", for example.


Here is an example from James W. Whitehouse, David B. Sharp, Nick D. Harrop „THE USE OF LASER DOPPLER VELOCIMETRY IN THE MEASUREMENT OF ARTIFICIALLY INDUCED WALL VIBRATIONS IN WIND INSTRUMENTS“.

These experimentally measured effects are also found in the FEM-based simulations of the pressure distribution that results, for example, when the 5th natural resonance frequency (4th toot) of a simulated didgeridoo is blown. Conducted by Andrea Ferroni in "COUPLED FLUID DYNAMIC INTERACTION ANALYSIS: EVALUATION OF MATERIAL INFLUENCE ON SOUND".

FEM simulation of the pressure distribution resulting from blowing the 5th natural intrinsic resonance frequency (4th toot) of a simulated didgeridoo

The forced vibrations transmitted to the instrument body by the standing waves of the vibrating air column extract frequency-selective sound energy from the air column. The stiffer and harder the material of the instrument body, the higher the frequency ranges from which the material perceptibly absorbs sound energy components. This means that when very hard woods are used, the sound energy of the standing waves can develop with little loss up to significantly higher frequency ranges. As a result, the sound characteristics are often perceived as more analytical, slightly higher and harder.

FEM simulation of the sound pressure distribution in dBA at a distance of 5 cm from the sound opening. The different colors stand for the 4 materials under consideration

Here is the acoustic analysis of the 3 instruments played in the video by Dubravko Lapaine with the same inner shape, built from 3 different types of wood from right to left:

(Wood data are subject to strong natural variation.)

1: Walnut: Density (dry) 650 kg/m³, E-modulus 11850 N/mm²,

speed of sound in the material: 4270 m/s, hardness (Janka) 6.2 N/mm²

2: Bongossi: Density (dry) 1065 kg/m³, E-modulus 19000 N/mm,

speed of sound in the material: 4224 m/s, hardness (Janka) 14.3 N/mm²,

3: Gidgee: Density (dry) 1150 kg/m³, E-modulus 18500 N/mm²,

calculated speed of sound in the material: 4270 m/calculated speed of sound in the material: 4011 m/s, hardness (Janka) 19.0 N/mm²


FFT analysis of the 3 instruments played in the frequency range from 0 - 1000 Hz:
The frequency ranges of the relevant harmonic multiples of the fundamental tone are marked with red arrows

 

This example shows that musicians trained in perception often recognize differences that are difficult to measure. It is impressive to see that with increasing stiffness of the construction material, which is essentially defined by the material hardness and the modulus of elasticity, the sound energy absorption is shifted to higher overtone frequency ranges and thus more sound energy of the air column is available for transmission to the environment via the bell end.
This effect can be seen in the FFT analysis from the 5th harmonic upwards. The stiffer the construction material, the more pronounced the measured intensities of the relevant overtones. The frequency components that do not lie exactly on the harmonics are caused by the natural intrinsic resonance frequencies of the air column, more of whose sound energy is available for transmission to the surroundings via the bell end.

 

Wall thickness:

a) With extremely stiff and hard materials:
The thinner the wall thickness of an instrument (with sufficient structural stiffness) and therefore the interacting material, the less sound energy is absorbed by the standing waves of the air column. This means that less sound energy is lost from the air column in thin-walled instruments. It is interesting to note that the reduced loss of sound energy in the vibrating air column often improves the response of the instruments and the sustain of the notes. This is due to the fact that the player has to expend less energy to compensate for the sound energy loss of the air column (due to the sound energy absorption of the material). Although a player can haptically perceive the vibrations transmitted to the instrument body, this effect is masked by the much louder direct sound and is therefore not perceptible to the physiology of hearing.


b) With softer and more elastic materials:
Although less sound energy is absorbed by the material when the wall thickness of an instrument is reduced and thus the mass of interacting material is also reduced, this effect can be negatively overcompensated in such materials if the wall thickness is too low. If the walls are too thin (and therefore the structural stiffness is too low), this can lead to the vibrations of the air column being transmitted undefined via the walls (membrane-like) to the external medium, resulting in a dull and weak sound.
For example, FEM-based simulations also show that if the walls are too thin, the frequencies of harmonics are minimally reduced due to the loss of sound energy in the air column, but can also result in frequency-dependent minimal amplitude increases.

FEM simulation of the sound pressure distribution in dBA at a distance of 5 cm from the sound opening. The different colors stand for the 5 wall thicknesses considered

Since playing didgeridoos sometimes causes considerable pressure vibrations in the instruments, these can lead to so-called breathing effects of the cross-section (cross-sectional vibrations) in thin-walled instruments. In instrument areas with a significant deviation from the circular cross-section, additional forced cross-sectional shape vibrations can theoretically have an unpredictable influence on the sound characteristics in the higher harmonic range.

Here are some illustrations from Steffen Bergweiler's dissertation on "Body oscillation and sound radiation of acoustic waveguides under consideration of wall influences and coupling effects" from 2005.

(a) Breathing oscillation, 0th order spherical radiator

(b) Elliptical oscillation, 2nd order spherical radiator


(a) Acoustic short-circuit between the areas of the vibration bellies at low frequencies. No sound radiation into the far field.

(b) Directed sound radiation into the far field in the area of the vibration bellies. In between, in the area of the vibration nodes, cancellation.


Whether these theoretically possible and partly practically measurable forced cross-sectional breathing effects are perceptible in practice with didgeridoos depends on the particular instrument and the abilities of a trained player and listener, but is unlikely, as these effects are probably masked by the direct sound in such a way that they are below the auditory physiological perception threshold.

 

In summary, it can be concluded that in this area the skill and intuition (perception) of an experienced didgeridoo maker is required to find the optimum compromise for the player for each individual instrument.

Inner surface:
 The smoother and harder the inner surface is in the microscopic range (e.g. a hard lacquer finish instead of coarse sanding), the less the sound energy of the higher harmonic vibrations of the air column is damped by friction at the laminar interfaces. The sound characteristics become more analytical and clearer. To some extent, however, the typical soft, earthy sound character suffers as a result. The conversion of sound energy into heat due to the visco-elastic effects on rough, untreated surfaces can result in the sounding tones becoming up to approx. 1-3% higher after polishing and hardening the inner surface.

The characteristics of the inner surface in the non-microscopic range (e.g. rough chisel marks) play a rather subordinate role acoustically.

If the vibration amplitude of a particular harmonic is to be influenced, this harmonic can only be minimally supported or damped by polishing or roughening/texturing after calculating the points in the didgeridoo where the air movement (sound velocity) is greatest for this harmonic.

Concluding remark:
The basis for the respective sound and playing characteristics is the entire total cross-sectional course of the inner shape of an instrument. This defines the potential of a possible instrument. The construction material, wall thickness and inner surface then only have a minor rounding influence on the sound characteristics, but can help to optimally develop the potential of the inner shape and often put the "icing on the cake" of the perceived playing and sound characteristics.

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