Showing posts with label mathematics. Show all posts
Showing posts with label mathematics. Show all posts

Thursday, August 28, 2025

Why does a well-tuned modern piano not sound out-of-tune?

Karlheinz Stockhausen is listening.

"Neue Musik ist anstrengend", wrote Die Zeit some time ago: "Der seit Pythagoras’ Zeiten unternommene Versuch, angenehme musikalische Klänge auf ganzzahlige Frequenzverhältnisse der Töne zurückzuführen, ist schon mathematisch zum Scheitern verurteilt. Außereuropäische Kulturen beweisen schließlich, dass unsere westliche Tonskala genauso wenig naturgegeben ist wie eine auf Dur und Moll beruhende Harmonik: Die indonesische Gamelan-Musik und Indiens Raga-Skalen klingen für europäische Ohren schräg."

The definition of music as “sound” wrongly suggests that music, like all natural phenomena, adheres to the laws of nature. In this case, the laws would be the acoustical patterns of sound such as the (harmonic) relationships in the structure of the dominant tones, which determine the timbre. This is an idea that has preoccupied primarily the mathematically oriented music scientists, from Pythagoras to Hermann von Helmholtz.

The first, and oldest, of these scientists, Pythagoras, observed, for example, that “beautiful” consonant intervals consist of simple frequency relationships (such as 2:3 or 3:4). Several centuries later, Galileo Galilei wrote that complex frequency relationships only “tormented” the eardrum.

But, for all their wisdom, Pythagoras, Galilei, and like-minded thinkers got it wrong. In music, the “beautiful,” so-called “whole-number” frequency relationships rarely occur—in fact, only when a composer dictates them. The composer often even has to have special instruments built to achieve them, as American composer Harry Partch did in the twentieth century.

Contemporary pianos are tuned in such a way that the sounds produced only approximate all those beautiful “natural” relationships. The tones of the instrument do not have simple whole number ratios, as in 2:3 or 3:4. Instead, they are tuned so that every octave is divided into twelve equal parts (a compromise to facilitate changes of key). The tones exist, therefore, not as whole number ratios of each other, but as multiples of 12√2 (1:1.05946).

According to Galilei, each and every one of these frequency relationships are “a torment” to the ear. But modern listeners experience them very differently. They don’t particularly care how an instrument is tuned, otherwise many a concertgoer would walk out of a piano recital because the piano sounded out of tune. It seems that our ears adapt quickly to “dissonant” frequencies. One might even conclude that whether a piano is “in tune” or “out of tune” is entirely irrelevant to our appreciation of music. 

[fragment from Honing, 2021; Published here earlier in 2012]

Honing, H. (2012). Een vertelling. In S. van der Maas, C. Hulshof, & P. Oldenhave (Eds.), Liber Plurum Vocum voor Rokus de Groot (pp. 150-154). Amsterdam: Universiteit van Amsterdam (ISBN 978-90-818488-0-0).Honing, H. (2021). Music Cognition: The Basics. Routledge. doi 10.4324/9781003158301Kursell, Julia (2011). Kräftespiel. Zur Dissymmetrie von Schall und Wahrnehmung. Zeitschrift für Medienwissenschaft, 2 (1), 24-40 DOI: 10.4472_zfmw.2010.0003Whalley, Ian. (2006). William A. Sethares: Tuning, Timbre, Spectrum, Scale (Second Edition). Computer Music Journal, 30 (2) DOI: 10.1162/comj.2006.30.2.92

Tuesday, October 31, 2017

Interested in physics and music?

The most recent issue of the Dutch Journal of Physics (DJoP) is dedicated to music and musicality. See the online version here.

The Dutch Journal of Physics is a magazine published by the Netherlands’ Physical Society (Nederlandse Natuurkundige Vereniging). The e-magazine was developed for tablets and smartphones and can be downloaded for free in the Appstore and Playstore.

Monday, February 22, 2016

De juiste toon: had Pythagoras gelijk? [Dutch]

In muziek zijn vele wiskundige en natuurkundige wetten te vinden. Liggen die patronen aan de basis van wat we mooi vinden? Hebben onze hersenen een voorkeur voor bepaalde patronen? En hoe zit het met andere culturen, die weer andere patronen waarderen?

Over al deze zaken werd er stevig gediscussieerd tijdens de BètaBreak van 18 november j.l. met Michiel Schuijer (Muziektheoreticus, lector aan Conservatorium van Amsterdam), Henkjan Honing (hoogleraar Muziekcognitie aan de UvA) en Jan van de Craats (hoogleraar Wiskunde aan de UvA). Enkele van de referneties die genoemd worden staan hieronder (Plomp & Levelt, 1965; Savage et al., 2015).



De benadering van muziek als een natuurkundig of wiskundig verschijnsel heeft als mogelijke valkuil om naast geluidsleer een soort getallenleer te worden. Alsof harmonische, mooie of ‘juiste’ muziek door de natuur bepaald of zelfs afgedwongen wordt. Er klinkt iets in terug van het, in steeds wisselende gedaantes terugkerende Oudgriekse idee van een ‘harmonie der sferen’, het idee dat de wiskundige structuur van muziek iets zou kunnen onthullen over de natuur zelf. Of omgekeerd: dat een elegante formule die de code van de muziek van vermaarde componisten (denk aan Bach) weet te kraken en de onderliggende getallenstructuur ervan blootlegt, ons kan laten zien hoe mooi, hoe ‘natuurlijk’ die muziek is. Maar al Pythagoras’ ideeën over consonantie in termen van heeltallige ratio’s ten spijt: een hedendaagse, zorgvuldig maar allesbehalve heeltallig gestemde piano wordt door opvallend weinig mensen als ‘vals’ ervaren. Het is de eeuwenoude tegenstelling tussen muziek opgevat als getal en muziek als empirisch feit (cf. Pythagoras versus Aristoxenus). Muziek huist niet zozeer in het geluid of in het getal, maar eerder in het hoofd van de luisteraar (Honing, 2012).

ResearchBlogging.orgHoning, H. (2012). Een vertelling. In S. van der Maas, C. Hulshof, & P. Oldenhave (Eds.), Liber Plurum Vocum voor Rokus de Groot (pp. 150-154). Amsterdam: Universiteit van Amsterdam (ISBN 978-90-818488-0-0)
ResearchBlogging.orgPlomp R, & Levelt WJ (1965). Tonal consonance and critical bandwidth. The Journal of the Acoustical Society of America, 38 (4), 548-60 PMID: 5831012
ResearchBlogging.orgSavage, P., Brown, S., Sakai, E., & Currie, T. (2015). Statistical universals reveal the structures and functions of human music Proceedings of the National Academy of Sciences, 112 (29), 8987-8992 DOI: 10.1073/pnas.1414495112