MusicSphere – Digitaler Zwilling für historische Musikinstrumente

Historische Kirchenorgeln gehören zu den technisch und klanglich anspruchsvollsten Musikinstrumenten und sind zugleich bedeutende Zeugnisse europäischer Kulturgeschichte. Viele dieser Instrumente sind jedoch durch Alterungsprozesse, klimatische Einflüsse oder bauliche Veränderungen gefährdet. Das europäische Forschungsprojekt MusicSphere entwickelt daher innovative digitale Methoden, um ihre strukturellen, mechanischen und klanglichen Eigenschaften präzise zu erfassen und sie im Sinne eines Digitalen Zwillings langfristig wissenschaftlich nutzbar zu machen. Ein besonderer Fokus liegt auf traditionellen Blasinstrumenten wie Pfeifenorgeln sowie ihren antiken Vorläufern, etwa der griechischen Hydraulis. Mithilfe multimodaler Technologien sollen ihre Konstruktion, Funktionsweise und einzigartigen Klangcharakteristika detailliert nachgebildet und für Forschung, Restaurierung und Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden. MusicSphere leistet damit einen entscheidenden Beitrag zur digitalen Bewahrung, Erforschung und Vermittlung europäischer Musikkultur.

 

Struktur-, Mechanik- und Klanganalyse

Historische Musikinstrumente vereinen komplexe Materialstrukturen, feinmechanische Abläufe und charakteristische Klangentstehungsprozesse. Orgeln stehen dabei stets in enger Wechselwirkung mit ihrer umgebenden Architektur, da sie in der Regel speziell für den jeweiligen Raum gebaut werden. Eine korrekte Erfassung und Abbildung der jeweiligen Raumakustik ist daher von zentraler Bedeutung.

MusicSphere erstellt hierfür präzise 3D-Modelle und akustische Simulationen, die als Grundlage für den späteren Digitalen Zwilling dienen. Das multimodale Vorgehen umfasst:

• hochaufgelöste 3D-Geometrieerfassung
• materialakustische Messverfahren, die zeigen, wie Materialien den Klang beeinflussen
• Strömungs- und Schwingungsanalysen, zur Untersuchung und Modellierung verschiedener Pfeifentypen
• KI-gestützte Modellierung und Klangsynthese

Diese integrierten Verfahren ermöglichen ein tiefes Verständnis von Konstruktion, Mechanik und Klangentstehung historischer Musikinstrumente und bilden die Grundlage für die digitale Modellierung als Digitaler Zwilling.
 

Digitale Rekonstruktion und wissenschaftliche Anwendungen

Auf Basis der erhobenen Daten entwickelt MusicSphere einen modularen Technologiebaukasten, mit dem historische Musikinstrumente physikalisch und akustisch modelliert und in ihrem dynamischen Verhalten simuliert werden können. Dazu zählen:

• die Abbildung geometrischer und materialbezogener Eigenschaften
• die Modellierung mechanischer Abläufe
• die Simulation strömungs- und schwingungsbasierter klangrelevanter Prozesse

So entsteht ein Digitaler Zwilling, der die strukturellen, funktionalen und klanglichen Eigenschaften realitätsnah wiedergibt. Dies eröffnet vielfältige wissenschaftliche und restauratorische Anwendungen, darunter:

• wissenschaftliche Analyse
• Rekonstruktion verlorener oder nicht mehr spielbarer Instrumente
• simulationsbasierte Bewertung restauratorischer Maßnahmen
• vergleichende Erforschung historischer Bauweisen

Interaktive Anwendungen und digitale Langzeitbewahrung

Darüber hinaus werden immersive VR- und AR-Anwendungen entwickelt, über die der Digitale Zwilling virtuell erkundet, gespielt und in unterschiedlichen räumlichen Kontexten erlebbar gemacht wird. Nutzerinnen und Nutzer sollen können künftig:

• Instrumente in VR- und AR-Umgebungen aus neuen Perspektiven erleben
• mechanische Abläufe visualisieren
• historische Aufführungssituationen virtuell rekonstruieren
• Orgeln und andere Musikinstrumente virtuell spielen können

Diese Formate sollen neue Möglichkeiten für Vermittlung, Forschung und kulturelle Teilhabe eröffnen und seltene oder empfindliche Instrumente einem breiteren Publikum zugänglich machen. Für die langfristige Bewahrung historischer Instrumente eröffnen die digitalen Modelle zusätzliche Potenziale, etwa durch:

• sichere digitale Archivierung
• internationale Bereitstellung für Forschung und Lehre
• Schutz vor Verlust durch Alterung, Umbauten oder Katastrophen
• Rekonstruktion nicht mehr spielbarer Klangcharakteristika
• akustische Simulationen zu Material-, Geometrie- und Raumakustik-Einflüssen
• Einbindung historischer Quellen für eine möglichst authentische Klangrekonstruktion

Aufgabenbereich Fraunhofer IDMT

Das Fraunhofer IDMT entwickelt physikalische und akustische Modelle, die unter Berücksichtigung sich verändernder Materialeigenschaften die Klangentstehung, das Abstrahlverhalten historischer Musikinstrumente – insbesondere von Orgeln – realitätsnah beschreiben. Die Simulationen werden durch Messungen an realen Instrumenten validiert und liefern somit die Datengrundlagen für für die Digitalen Zwillinge. Parallel erforscht das Institut KI-basierte Verfahren zur automatischen Transkription und digitalen Klangsynthese. Diese Technologien unterstützen die naturgetreue Rekonstruktion historischer Klangcharakteristika und bilden die Grundlage für virtuelle Instrumente sowie immersive Anwendungen in Virtual und Augmented Reality.