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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Streicherbogen für ein Streichinstrument
mit einem wenigstens in Teilbereichen aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
bestehenden Bogenstab, einem Bogenkopf, einem Frosch sowie einem
zwischen Bogenkopf und Frosch einspannbaren Haarbündel.
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Hochwertige
Streicherbögen
für Violine; Bratsche,
Cello, Kontrabaß sowie ähnlichen
Streicherinstrumenten bestehen in aller Regel aus einer Bogenstange
mit einem Bogenkopf sowie einem Frosch, der an der Bogenstange dem
Bogenkopf gegenüberliegend
angeordnet ist und über
ein Spannmittel verfügt,
das das am Bogenkopf fest eingespannte Haarbündel parallel zur Bogenstange
einzuspannen vermag. Die vom jeweiligen Spieler subjektiv wahrnehmbaren
Eigenschaften des Streicherbogens, bezüglich Steifigkeit, Schwingungsverhalten, Gewicht
und letztlich das durch die Steifigkeit bedingte Dämpfungsvermögen hängt vornehmlich
vom Material ab, aus dem der Streicherbogen gefertigt ist. In den
meisten Fällen
besteht der Bogenstab aus einer harten elastischen Holzart, die
aus den brasilianischen Regenwäldern
stammt und als Fernambuk-Holz bekannt geworden ist. Ein aus Fernambuk-Holz
gefertigter Streicherbogen wird von den meisten Musikern als derjenige
anerkannt, der allen Ansprüchen,
die an einen Streicherbogen zu stellen sind, am besten entspricht,
nicht zuletzt deswegen, weil ein derartiger Streicherbogen nicht
nur den Forderungen nach Elastizität und Härte genügt, sondern auch spezifisch
relativ leicht ist.
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Aus
Gründen
einer abnehmenden Verfügbarkeit
von Fernambuk-Holz und einem damit verbundenen erheblichen Preisanstieg
sind eine Reihe alternativer Vorschläge bekannt geworden, Streicherbögen aus
günstiger
herstellbaren Materialien zu fertigen, beispielsweise aus Glas-
oder Kohlestofffaserverbundwerkstoffen. Von besonderem Interesse
beim Bau von Streicherbögen
aus derartigen technischen Werkstoffen, im Unterschied zu Naturstoffen,
ist die Möglichkeit
der Herstellung von Streicherbögen
mit exakt reproduzierbaren Spieleigenschaften, die im Wesentlichen
durch eine bestimmte Biege- und Torsionssteifigkeit, ein damit verbundenes
Dämpfungsvermögen und
letztlich durch das Eigengewicht des Streicherbogens festgelegt werden.
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In
diesem Zusammenhang geht aus der
DE 14 97 823 A Geigenbogen mit einem Bogenstab
hervor, der im wesentlichen aus einem Glasfaser-Rohr besteht.
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Aus
der
DE 25 47 663 B1 ist
ein Geigenbogen bekannt, dessen Bogenstab ein als Armierung dienendes
dünnwandiges
Rohr vorsieht, das aus einem elastisch federndem, gehärtetem Nichteisenmetall
gefertigt ist, das zudem mit einem aus Kunststoff bestehendem äußerem Mantel
umgeben ist. Dieser hybride Aufbau ermöglicht Kostenersparnisse in
der Herstellung sowie erhebliche Gewichtseinsparungen.
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Ein
weiteres Beispiel für
einen aus faserverstärktem
Verbundmaterial gefertigten Bogen für Streichinstrumente ist der österreichischen
Patentschrift
AT 37 456
B zu entnehmen, dessen Bogenkörper ist im Wesentlichen aus
Harz gefertigt ist, der durch eine Vielzahl von Fasern unterschiedlicher Länge, die
längs des
Bogenstabes verlegt sind, verstärkt
ist.
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Der
AT 405 223 B kann
eine Stange für
einen Streichinstrument-Bogen sowie ein Verfahren zur Herstellung
einer solchen Stange entnommen werden. Im Wesentlichen beschäftigt sich
die Druckschrift mit dem Problem eine möglichst leichtgewichtige und
nicht desto weniger steife Bogenstange herzustellen, die insbesondere
bei Anwendung von Springbogentechniken ein verbessertes Spielen
ermöglicht.
Untersuchungen an Bogenstangen ergaben, dass das Produkt aus Masse
der Bogenstange x Durchbiegung der Bogenstange eine charakteristische
Größe darstellt,
die in Abhängigkeit
des Instrumentes, an dem die jeweilige Bogenstange zur Anwendung
kommt, unterschiedliche Idealwerte annehmen muss, um ein gewünschtes
Gewichts-Steifigkeits-Verhältnis
zu erzielen. Zur Herstellung einer derartigen Bogenstange wird bspw.
auf Seite 4, Zeilen 46 ff der E1 vorgeschlagen um einen länglichen Kern
aus Leichmetall wenigstens zwei Lagen aus faserverstärktem Kunststoffmaterial
zu wickeln, das unter Beigabe eines aushärtbaren Harzes umschlossen
wird. Besonders eignet sich aus Gewichtsgründen der Einsatz von Carbongewebe,
das mit längs und
quer ausgerichteten Fasern um einen Leichtmaterialkern herumgewickelt
wird.
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Die
EP 1 168 463 A1 beschäftigt sich
mit einem Faserverbundwerkstoff und einem darin integrierten piezoelektrischen
Sensor oder Aktor. Die Druckschrift behandelt das Problem der elektrischen Versorgung
eines in einem Faserverbundwerkstoff vollständig integrierten piezokeramischen
Aktor oder Sensor. Insbesondere bei Temperaturen von größer 100°C unterliegen
die für
die elektrische Verbindung der Piezokeramik vorgesehenen Leitungsstrukturen innerhalb
des Faserverbundwerkstoffes Delaminationen, die letztlich zur Zerstörung der
Anordnung führen.
Zur Behebung dieses Mangels wird vorgeschlagen, einen Verbundwerkstoff
mit einem darin integrierten piezoelektrischen Sensor oder Aktor
zur Verbesserung seiner Robustheit sowie Reduzierung der Störungsanfälligkeit
mit Zuleitungskabeln derart zu kontaktieren, so dass die Zuleitungskabel
senkrecht durch die aufeinander liegenden Laminatlagen jeweils zwischen
zwei pro Laminatlage aneinander grenzenden Laminatgewebestößen hindurchragen.
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Letztlich
beschäftigt
sich
EP 09 33 756 A2 mit
einem Verfahren zur Herstellung einer hohlen Streichinstrument-Bogenstange,
bei der um einen hohlen oder einen entfernbaren Kern faserverstärktes Kunststoffmaterial
aufgebracht wird. Vorzugsweise besteht das faserverstärkte Kunststoffmaterial
aus Lagen mit längs
orientierten Fasern, vorzugsweise Carbonfasern sowie mit quer orientierten
Fasern, vorzugsweise Glasfasergewebe.
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Allen
bisher bekannten aus technischen Werkstoffen bestehenden Streicherbögen liegt
das gemeinsame Ziel zugrunde, Spieleigenschaften im Streicherbogen
zu vereinen, die einem als Ideal empfundenen, aus Naturholz bestehendem,
vorzugsweise aus Fernambuk-Holz gefertigten Streicherbogen gleichkommen.
Da das subjektive Empfinden eines Spielers stark unterschiedlich
ausgeprägt
sein kann, bedarf es mit den bislang verfügbaren Streicherbögen einer
zumeist langwierigen Auswahlprozedur bei der Auswahl eines individuell
geeigneten Streicherbogens, darüber
hinaus muss eine große
Vielzahl unterschiedlich ausgebildeter Streicherbögen zur
Verfügung
gestellt werden, um einem Spieler eine individuelle Auswahlmöglichkeit
zur Verfügung
zu stellen. Überdies
sind der Nachbildung von aus Naturhölzern gefertigten Streicherbögen unter
Verwendung der vorstehend genannten technischen Materialien Grenzen
gesetzt, zumal es nicht oder nur mit erheblich großem fertigungstechnischen
Aufwand möglich ist,
die durch die Holzstruktur vorgegebene, sich in unterschiedlichen
Bereichen längs
des Bogenstabes unterschiedlich stark ausbildende Steifigkeit und
das damit verbundene Dämpfungsverhalten
exakt nachzubilden.
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Darstellung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Streicherbogen für ein Streichinstrument
mit einem wenigstens in Teilbereichen aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff
bestehenden Bogenstab, einem Bogenkopf, einem Frosch sowie einem
zwischen Bogenkopf und Frosch eingespannten Haarbündel derart
auszubilden, dass die Spieleigenschaften des Streicherbogens möglichst
individuell auf das subjektiv vom Spieler wahrnehmbare Empfinden
eingestellt sind bzw. eingestellt werden können. Die Spieleigenschaften
des Streicherbogens sollen insbesondere durch eine gezielte Wahl
von Biege- und Torsionssteifigkeit längs des Bogenstabes einstellbar sein,
durch die letztlich das Dämpfungsverhalten
des gesamten Streicherbogens vorgebbar sind.
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Ein
weiterer Aspekt betrifft die Herstellung eines Streicherbogens,
der individuell auf einen jeweiligen Spielertyp anpassbar sein soll.
So ist es wünschenswert,
in Abkehr von der bisher üblichen
Vorgehensweise bei der Auswahl eines Streicherbogens durch einen
Spieler durch Ausprobieren einer Vielzahl unterschiedlicher, vorgefertigter
Streicherbögen, einen
auf das Spielerverhalten optimiert angepassten Streicherbogen zu
fertigen, ohne dabei den bisher üblichen
Aufwand, wie vorstehend beschrieben, betreiben zu müssen.
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So
gilt es die zur Herstellung eines individuell auf einen Spieler
optimiert angepassten Streicherbogens erforderlichen Aufwendungen
so gering wie möglich
zu halten, so dass die damit verbundenen Kostenaufwendungen vergleichsweise
niedrig sind. Der nach einem derartigen Verfahren herstellbare Streicherbogen
soll zumindest unter weitgehendem Verzicht auf Edelhölzer, insbesondere
unter Verzicht auf das hochpreisige Fernambuk-Holz auf Basis faserverstärkter Verbundwerkstoffe realisierbar
sein, so dass auch eine Herstellung von hochqualitativen Streicherbögen im industriellem
Maßstab
möglich wird.
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Die
Lösung
der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben,
der einen Streicherbogen beschreibt, der auf individuelle Spielereigenschaften
abstimmbar und einstellbar ist. Gegenstand des Anspruches 21 ist
ein Verfahren unter Verwendung des erfindungsgemäßen Streicherbogens, mit dem
es möglich
wird Spieler individuelle Anforderungen an einen individuell zu
optimierenden Streicherbogen quantitativ zu erfassen. In Kenntnis dieser
die spielerspezifischen Anforderungen an einen Streicherbogen repräsentierenden
Messgrößen gibt
Anspruch 22 ein Verfahren zur Herstellung eines Streicherbogens
für ein
Streichinstrument an. Letztlich bezieht sich Anspruch 28 auf einen
an das individuelle Spielverhalten optimiert angepassten Streicherbogen,
der mit verfahrenstechnisch günstigen
und leicht beherrschbaren Materialien und Komponenten herstellbar
ist.
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Die
dem erfindungsgemäßen Streicherbogen
zugrunde liegende Idee geht von der Zielsetzung aus, einen Streicherbogen
zu schaffen, dessen Spieleigenschaften in Bezug auf Steifigkeits-
und Dämpfungseigenschaften
auf die jeweils spielerspezifischen Ansprüche optimiert abzustimmen sind.
So verfügt
der erfindungsgemäß ausgebildete
Streicherbogen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1 zumindest in Teilbereichen des aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
bestehenden Bogenstabes über wenigstens
einen als Sensor und/oder als Aktor wirkenden multifunktionalen
Werkstoff. Der im oder an dem Bogenstab eingearbeitete bzw. angebrachte multifunktionale
Werkstoff, auf den im Weiteren noch genauer eingegangen wird, vermag
im Sinne eines Sensor die innerhalb des Bogenstabes auftretenden Verformungen
zu erfassen und in physikalisch messbare Größen umzuwandeln. So erfasst
der als Sensor arbeitende multifunktionale Werkstoff orts- und zeitaufgelöste Dehnungen
bzw. Schwingungen längs des
Bogenstabes, die in einer geeigneten, vorzugsweise als Mikro-Chip
ausgebildeten im Streicherbogen integrierten Auswerteeinheit ausgewertet
und vorzugsweise gespeichert werden.
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Mit
Hilfe einer geeigneten, am Streicherbogen vorzusehenden Datenschnittstelle
können
die im Mikro-Chip abgespeicherten Daten ausgelesen und mit Hilfe
einer entsprechenden Auswerte-Software analysiert werden, die zu
Schulungs-, Ausbildungs-, Studien- sowie bei auch Optimierungszwecken
bewertet werden können.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sieht die vorzugsweise innerhalb des Streicherbogens integrierte
Auswerteeinheit eine miniaturisierte Sendeeinheit vor, über die
die aktuell erfassten, den Dehnungs- und/oder Steifigkeitszustand des
Bogenstabes beschreibenden Messgrößen an eine getrennt von Streicherbogen
vorgesehene Empfangsstation übertragen
werden können.
Mit Hilfe einer schnellen Datenverarbeitung wird eine Online-Datenauswertung
möglicht,
die mit Hilfe einer geeigneten visuellen Darstellungseinheit der
aktuell erfassten Messgrößen eine
sofortige Spieleranalyse oder Spielkorrektur gestattet.
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Neben
der erwähnten
Anwendungsmöglichkeit,
die erfassten Messgrößen zu Schulungs-,
Ausbildungs- und Studienzwecken zu verwenden, dienen die in der
erfindungsgemäßen Weise
sensoriell erfassten, die Spieldynamik des Bogens repräsentierenden
Messgrößen dazu,
die Spieleigenschaften des Streicherbogens quantitativ zu bewerten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Bogenstabes erstreckt sich der funktionale Werkstoff über große Bereiche
des Bogenstabes, vorzugsweise über
die gesamte Länge
des Bogenstabes, um, wie vorstehend erwähnt, zeit- und ortsaufgelöst das Dehnungs-
und Schwingungsverhalten des Bogenstabes über seine gesamte Länge erfassen
zu können.
Empfindet ein Spieler das durch den faserverstärkten Verbundwerkstoff vorgegebene
und durch den multifunktionalen Werkstoff bestimmte Steifigkeits-
und Dämpfungsverhalten
des Streicherbogens als ideal, so können die Spieleigenschaften
des Bogenstabes im Wege der sensoriellen Erfassung als eine Art
individueller Fingerabdruck des Bogenstabes quantitativ festgehalten
werden. Wie im Weiteren ausgeführt
wird, dient dieser Fingerabdruck als informelle Grundlage für die Fertigung
eines Streicherbogens, der einerseits über optimierte Spieleigenschaften
verfügt,
andererseits kostengünstig
herstellbar ist.
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Neben
der Möglichkeit
der sensoriellen Erfassung von den Dehnungs- und Steifigkeitszustand des
Bogenstabes beschreibenden Messgrößen ermöglicht der Einsatz des multifunktionalen
Werkstoffes zugleich auch aktiv auf die Spieldynamik des Streicherbogens
Einfluss zu nehmen. So vermögen multifunktionale
Werkstoffe durch externe Energiezufuhr ihre Werkstoffsteifigkeit
sowie auch Werkstoffform in geeigneter Weise zu verändern, wodurch letztlich
das Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten des
Streicherbogens selbst maßgeblich
beeinflusst wird.
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So
ist es denkbar, den innerhalb des Bogenstabes integrierten multifunktionalen
Werkstoff bzw. an den Bogenstab applizierten Werkstoff durch gezielte
Energiezufuhr derart zu beeinflussen, dass das Verhältnis aus
Biegesteifigkeit zu Torsionssteifigkeit des Bogenstabes in unterschiedlichen
Abschnitten längs
des Bogenstabes variabel einstellbar ist. Die Wahl des Verhältnisses
aus Biege- zu Torsionssteifigkeit längs des Bogenstabes kann unter
Maßgabe des
individuellen Spielvermögens
eines Spielers und dessen subjektive Wahrnehmung vorgenommen. Hierbei
können
durch geeignete Aktivierung des multifunktionalen Werkstoffes in
unterschiedlichen Bereichen längs
des Bogenstabes individuell auf die Bedürfnisse des jeweiligen Spielers
abgestimmte Steifigkeits- und damit verbundene Dämpfungseigenschaften eingestellt
werden.
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Ist
eine derartige Optimierung, die im Wege iterativer Veränderungsschritte
bezüglich
unterschiedlicher Steifigkeitseigenschaften längs des Streicherbogens vorzunehmen
sind, abgeschlossen, so dient der als Aktor wirkende funktionelle
Werkstoff zugleich als Sensor, der, wie eingangs erläutert, die den
Dehnungs- und/oder Steifigkeitszustand des Bogenstabes beschreibende
Messgrößen quantitativ erfasst,
ohne dabei die im Wege der durchgeführten Optimierung geschaffene
Steifigkeit längs
des Bogenstabes zu beeinträchtigen.
Die auf diese Weise gewonnenen Messgrößen werden, wie im weiteren noch
zu beschrieben ist, als Grundlage für die Nachbildung eines aus
faserverstärktem
Verbundwerkstoff bestehenden Streicherbogens verwendet, der über exakt
die gleichen Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften
verfügt,
wie jener Streicherbogen, der im vorstehend beschriebenen Optimierungsverfahren unter
gezieltem Einsatz eines multifunktionalen Werkstoffes eingesetzt
worden ist.
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Neben
der Möglichkeit
des bloßen
messtechnischen Erfassens der Spieldynamik eines an einen Spieler
optimiert angepassten Streicherbogens kann der erfindungsgemäß ausgebildete
Streicherbogen, dessen Bogenstab wenigstens einen multifunktionalen
Werkstoff vorsieht, gezielt in seinem Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten
vom Spieler selbst in Abhängigkeit
vom Temperament, einem zu spielendem Stück oder weiteren Gegebenheiten
dynamisch gezielt eingestellt werden.
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Der
erfindungsgemäß ausgebildete Streicherbogen
weist als multifunktionalen Werkstoff wenigstens einen der nachfolgenden
Werkstoffklassen auf: Piezo-Keramik, Piezo-Polymer, elektrostriktive
Keramik, elektroviskose Flüssigkeit,
Polymergel, magnetostriktive Legierung, magnetoviskose Legierung,
Formgedächtnislegierung
oder Formgedächtnispolymer.
In besonders vorteilhafter Weise eignen sich piezo-keramische Werkstoffe,
die durch äußere mechanische
Krafteinwirkung deformierbar sind und im Wege von Ladungspolarisationen
elektrische Spannungen zu generieren in der Lage sind, die messtechnisch
erfassbar sind. In umgekehrter Weise kann durch externe Steuerung
eines an einem piezo-keramischen Werkstoff anlegbare elektrische Spannung
eine gezielte Deformation und eine damit verbundene Steifigkeit
des multifunktionalen Werkstoffes erzielt werden. Derartige Werkstoffe
sind hinlänglich
bekannt und in den unterschiedlichsten Formen, beispielsweise in
Faser-, Draht- oder Folienform verfügbar, so dass sie sowohl in
den Gefügeverband
eines faserverstärkten
Verbundwerkstoffes implementierbar oder aber in Form geeigneter
Ausbildungsformen, beispielsweise in Plättchenform (Patch) oder in
Form eines schichtförmig
ausgebildeten multifunktionalen Werkstoffstapels, der jeweils identische
oder unterschiedliche Werkstoffschichten aufweist, an der Oberfläche des
faserverstärkten Verbundwerkstoffes
applizierbar sind.
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Selbstverständlich eignen
sich besonders vorteilhaft auch Formgedächtnismetalle bzw. -legierungen,
so genannte SMA-Bauteile (Shape Memory Alloy), deren Form- und Steifigkeitsverhalten
gleichsam den vorstehend beschriebenen piezo- und elektrostriktiven
Materialien durch externe Energiezufuhr gezielt veränderbar
sind. Andererseits ermöglichen derartige
multifunktionale Werkstoffe auch eine rein passive Einflussnahme
auf den Dehnungs- und/oder Steifigkeitszustand des Bogens im Wege
eines adaptronischen Wirkprinzips, das auf der Grundlage der materialspezifischen
Eigenschaften derartiger Materialien beruht. So vermögen insbesondere
die vorstehend genannten SMA-Materialien ihre Form sowie ihre Materialsteifigkeit
selbständig
durch entsprechende Deformation zu verändern. Wird beispielsweise
ein Streicherbogen mechanisch besonders stark durch den Spieler
belastet, so wirken auf den Streicherbogen erhöhte mechanische Kräfte, durch die
der Streicherbogen gedehnt bzw. gebogen wird. Insbesondere in Spielabschnitten,
die durch hohe mechanische Belastung des Streicherbogens charakterisiert
sind, ist es für
den Spieler wünschenswert,
einen möglichst
biege- und torsionssteifen Streicherbogen zu erhalten. Um dieser
Forderung nachzukommen, vermag ein geeignet in den Bogenstab integrierter
multifunktionaler Werkstoff, vorzugsweise SMA-Material, durch die
im Wege der Spieldynamik auftretende mechanische Beeinflussung des Streicherbogens
seine Eigensteifigkeit selbstständig zu
erhöhen,
wodurch die Biege- und Torsionssteifigkeit des gesamten Bogenstabes
erhöht
wird. Treten hingegen Spielabschnitte auf, in denen der Streicherbogen
ruhig und ohne großen
Anpressdruck gegen die entsprechenden Seiten des Streicherinstrumentes
geführt
wird, so ist ein möglichst „weicher" Streicherbogen wünschenswert.
Da in diesem Fall der mit dem Bogenstab verbundene multifunktionale Werkstoff
nicht oder nur in einem geringen Maße deformiert wird, nimmt dieser
selbsttätig
einen Zustand geringer Eigensteifigkeit ein.
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Der
vorstehend geschilderte Fall eines im Wege der Adaptronik eingesetzten
multifunktionalen Werkstoffes gestattet zwar nicht unmittelbar eine
aktive Einflussnahme auf die Spieldynamik des Streicherbogens durch
extern an den multifunktionalen Werkstoff anlegbare Steuersignale,
ebenso wenig eine sensorielle Erfassung von Messgrößen, doch
sind derartige multifunktionale Werkstoffe jederzeit mit geeigneten
Steuer- und Auswerteeinheiten kombinierbar. Ein besonders geeigneter
Werkstoff der sowohl passiv im Wege der Adaptronik als auch aktiv
als Aktor und Sensorsystem eingesetzt werden kann, ist Blei-Zirkonat-Titanat
(PZT), das sowohl in Faserform als auch in Schichtform als Patches
oder Stapelaktoren ausgebildet werden kann.
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Da
die Spieldynamik eines Streicherbogens in entscheidendem Maße von dem
Verhältnis
aus Biege- und Torsionssteifigkeit längs des Bogenstabes bestimmt
ist, gilt es, zur individuellen Beeinflussung eben jener Steifigkeiten
den multifunktionalen Werkstoff in einer Weise in oder an den Bogenstab
zu integrieren bzw. zu applizieren, so dass das Steifigkeitsverhalten
des Bogenstabes sowohl in Längsrichtung
als auch in Torsion gezielt beeinflussbar ist. Wird der multifunktionale
Werkstoff als Fasermaterial ausgebildet und entsprechend am oder
im Bogenstab eingesetzt, so lässt
sich die Längssteifigkeit
durch Verlegung der Faserrichtung parallel zur Längserstreckung des Bogenstabes
effektiv beeinflussen. Soll hingegen die Torsionssteifigkeit des
Bogenstabes gezielt verändert
werden, so ist erfindungsgemäß erkannt
worden, die den Verbundwerkstoff verstärkenden Fasern, insbesondere
die aus multifunktionalen Werkstoffes bestehenden Fasern unter einem
Winkel α ≠ 0° längs zur
Längserstreckung
des Bogenstabes anzuordnen. In besonders vorteilhafter Weise eignet
sich ein Faserkreuzgewebe, dessen einzelne Fasern mit der Bogenstabslängsrichtung
einen Winkel von +α bzw. –α einschließen. Als
besonders vorteilhaft erweisen sich Winkel α von 0 < α ≤ ± 30°, vorzugsweise
Winkel α zwischen ± 5° und ± 20°.
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Je
nach Spielverhalten des Spielers sind Bereiche längs des Bogenstabes mit unterschiedlichen Biege-/Torsionssteifigkeitsverhältnissen
auszubilden, wobei Bereiche mit einer möglichst geringen Torsionssteifigkeit
vorzugsweise parallel zur Bogenlängserstreckung
orientierte Fasern, wohingegen Bereiche mit erhöhter Torsionssteifigkeit Fasern
unter einem Winkel α ≠ 0° relativ
zur Längserstreckung
des Bogenstabes aufweisen.
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Liegen
Messgrößen für einen
Streicherbogen vor, der auf das individuelle Spielverhalten eines Spielers
optimiert ist, so lässt
sich ein Streicherbogen für
ein Streichinstrument unter Zugrundelegung der ermittelten Messgrößen derart nachbilden,
dass der zumindest in Teilbereichen aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
bestehende Bogenstab Fasern aufweist, deren Faserlängserstreckung
einen Winkel α ≠ 0° mit der
Längserstreckung
des Bogenstabes einschließen,
wodurch das Vehältnis
aus Torsions- und Biegefestigkeit des Streichbogens zumindest abschnittsweise
bestimmt ist. Ein derartiger, unter Vorgabe eines optimierten Spielverhaltens
nachgebildeter Streicherbogen weist nicht notwendigerweise einen
multifunktionalen Werkstoff auf, wie ein Streicherbogen, der zur
Ermittlung eines optimierten Streicherbogens erforderlich ist, sondern
sieht vorzugsweise Fasern vor, die als Glas-, Kohlenstoff-, Natur-
oder Synthetikfasern ausgebildet sein können. Selbstverständlich können auch
zusätzlich
multifunktionale Fasern eingesetzt werden, die vorzugsweise auf
den Wirkprinzipien der Adaptronik ihr Form- und Festigkeitsverhalten
zu ändern
vermögen.
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Durch
die gezielte Orientierung einzelner Fasern längs des Bogenstabes lässt sich
somit ein genau einstellbares Verhältnis zwischen Längs- und Torsionssteifigkeit
abschnittsweise einstellen, so dass eine definierte Charakteristik
des Streicherbogens reproduzierbar einstellbar ist. Mit der Steifigkeit des
Bogenstabes einher geht auch die Dämpfung des faserverstärkten Verbundwerkstoffes,
die somit ebenfalls von der Faserverlegerichtung abhängt. Mit Hilfe
eines vorstehend beschriebenen Streicherbogens ist eine spielerspezifische
Gesamtcharakteristik unter Zugrundelegung der Faktoren Biege-, Längs- und
Torsionssteifigkeit sowie den damit verbundenen Schwingungsdämpfungen
gezielt einstellbar.
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Auch
ermöglicht
eine Kombination verschiedener Fasertypen innerhalb des Bogenstabes über zusätzliche
Gestaltungsparameter. Während
beispielsweise hochsteife Kohlenstofffasern einen entsprechenden
effektiven Beitrag zur Steifigkeit des Systems erzielen, liefern
sehr leichte Naturfasern einen wirkungsvollen Beitrag zur Dämpfung des
Bogenstabes.
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Zur
Herstellung eines im Hinblick auf das Spielerverhalten optimierten
Streicherbogens, dessen Bogenstab vorzugsweise vollständig aus
einem faserverstärkten
Verbundwerkstoff besteht, eignen sich in Abhängigkeit eines aus Fasern und
Verbundmaterial bestehenden Matrixsystems unterschiedliche, an sich
bekannte Herstellungsverfahren. Besonders eignen sich Injektions-
und Presstechniken, in denen duroplastische Harze als Matrixmaterial
verarbeitet werden. Derartige Verfahren betreffen beispielsweise
Autoklavverfahren, RTM-Verfahren, DP-RTM-Verfahren
sowie diverse Vakuumtechniken. Für
die Verarbeitung thermoplastischer Polymere als Matrixmaterialien
kommen Verfahren wie die Putrusion. sowie Heisspresstechniken zum
Einsatz. Derartige Verfahren ermöglichen
ebenso die Verarbeitung von so genannten Biopolymeren als mögliches
Verbundmaterial, in das geeignet gewählte Fasern nach einem geeignet
festgelegten Verlegeplan eingearbeitet werden können.
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Kurze Beschreibung der
Erfindung
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand
von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es
zeigen:
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1 schematisierte
Darstellung eines Streicherbogens,
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2a, 2b Anordnungen
von Bereichen multifunktionellen Werkstoffes längs des Bogenstabes,
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2c, 2d alternative
Ausführungsformen für die Unterbringung
von Steuer- und Auswerteeinheiten innerhalb des Streicherbogens
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3a–3c alternative Ausführungsformen von multifunktionalen
Werkstoffen in Form von Aktoren und Sensoren,
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4 Detaildarstellung
eines Aktor/Sensorsystems,
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5 Ausbildung
eines Streicherbogens mit unterschiedlich angebrachten Sensoren,
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6 Streicherbogen
mit elektrischen Schwingungsdämpfungsgliedern,
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7a, 7b Bogenstab
mit unterschiedlich eingearbeiteten Faser,
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8 Bogenstab
mit Bereichen unterschiedlicher Biege- und Torsionssteifigkeit.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
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In 1 ist
ein stark schematisierter Streicherbogen 1 dargestellt,
der ein Bogenstab 2, einen Bogenkopf 3 und einen
Frosch 4 aufweist, der zugleich auch als Handgriff für den Streicherbogen 1 dient.
Zwischen Bogenkopf 3 und Frosch 4 ist ein Haarbündel 5 gespannt,
das über
ein am Frosch 4 vorgesehenes Spannmittel (nicht dargestellt)
spannbar ist. Der vorzugsweise vollständig aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
bestehende Bogenstab 2 weist Bereiche auf, in denen multifunktionaler
Werkstoff eingearbeitet und/oder auf den Bogenstab appliziert ist.
Je nach Ausführungsform
des multifunktionalen Werkstoffes kann dieser faser-, draht- oder
folienartig ausgebildet sein.
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In 2a sind jeweils drei getrennt voneinander
angeordnete Bereiche längs
des Bogenstabes 2 vorgesehen, in denen ein faserartig ausgebildeter multifunktionaler
Werkstoff 6 appliziert ist. Es sei angenommen, dass der
multifunktionale Werkstoff in der in 2a gezeigten
Ausführungsform
faserartig ausgebildet ist. Die unterschiedliche Schraffur in den Bereichen 6 soll
jeweils die Faserrichtung der verlegten Werkstofffasern repräsentieren.
Die multifunktionalen Werkstofffasern 6 können entweder
oberflächig
auf dem Bogenstab 2 aufgebracht oder im Inneren des faserverstärkten Verbundwerkstoffes
längs des
Bogenstabes 2 integriert sein. Die jeweilige Faserorientierung
richtet sich nach dem gewünschten Verhältnis aus
Biege- zu Torsionssteifigkeit.
Eine Faseranordnung parallel zur Bogenstablängsrichtung verbessert die
Biegesteifigkeit (siehe linkes Fasernfeld), eine Faseranordnung
schräg
zur Bogenstablängsrichtung
verbessert hingegen die Torsionssteifigkeit des Bogenstabes (siehe
das mittlere und rechte Fasernfeld).
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Auch
ist gemäß Ausführungsbeispiel
in 2b die Ausbildung des multifunktionalen
Werkstoffes in Folienform möglich.
Derartige auch als Patches 7 bezeichnete rechteckförmige Werkstofffolien können mit
unterschiedlichen Orientierungen an die Bogenstaboberfläche appliziert
werden, wie in 2b dargestellt.
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Die
in den 2a bis 2b dargestellten
multifunktionalen Werkstoffanordnugen, die als Fasern 6 oder
Patches 7 ausgebildet sind, dienen je nach Einsatzzweck
als Sensoren oder Aktoren. Im Falle einer Aktorwirkung vermögen beispielsweise
aus PZT-Material gefertigte Fasern durch Anlegen eines äußeren elektrischen
Feldes ihre Form- und Längssteifigkeit zu
verändern,
wodurch letztlich Einfluss auf das Steifigkeitsverhalten des Bogenstabes 2 genommen wird.
Gilt es hingegen das aktuelle Schwingungs- und Dehnungsverhalten
des Bogenstabes zu erfassen, so ist eine entsprechende Auswerteeinheit
vorzusehen, um die durch Dehnungsänderungen der PTZ-Fasern hervorgerufene
elektrische Spannung in aussagekräftige Messgrößen umzuwandeln.
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Alle
für den
Aktor und den Sensorbetrieb erforderlichen Komponenten sind in vorteilhafter
Weise im Streicherbogen selbst zu integrieren, um die Spieldynamik
des Streicherbogens nicht zu beeinträchtigen. In den 2c und 2d sind bevorzugte Bereiche B im Streicherbogen 1 markiert,
die sich für
eine Implementierung geeigneter Komponenten, wie eine Steuereinheit
zur Ansteuerung des multifunktionalen Werkstoffes im Aktorbetrieb
oder eine Auswerteeinheit 9 für einen Sensorbetrieb, eignen.
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So
ist bspw. zur gezielten elektrischen Energieversorgung des multifunktionalen
Werkstoffes eine mikroelektronisch ausgebildete Steuereinheit entweder
innerhalb des Bogenstabes 2 oder im Bogenkopf 3 integriert
(2c) Eine alternative Variante sieht
die Integration bspw. der Steuereinheit innerhalb des Frosches 4 vor
(siehe 2d). Weitere für den Aktor
und Sensorbetrieb erforderliche oder optional vorzusehende Komponenten
wie Batterie, Speichereinheit, Sendeeinheit etc. können in
geeignet miniaturisierter Ausbildung an den angegebenen Bereichen
B im Streicherbogen 1 integriert werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
eignet sich der multifunktionale Werkstoff PZT, d.h. PB(Zr, Ti)O3, der sowohl in Patch-Form, als auch in Faser-Form
ausgebildet werden kann. Zur elektrischen Versorgung eines in 3a dargestellten PZT-Patches 7 dienen
so genannte Interdigitalelektroden 8, über die der PZT-Patch 7 bei
geringem Kontaktwiderstand mit einer Steuerspannung U versorgt werden
kann. Im Falle des Sensorwirkprinzips kann gleichfalls die durch
Deformation des PZT-Patches generierte Spannung U über die
Interdigitalelektroden 8 abgegriffen werden.
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3b zeigt demgegenüber so genannte PZT-Fasern 9,
die als Parall-Faserverbund angeordnet sind Zur Ansteuerung der
PZT-Faser 9 dienen gleichfalls zwei als Interdigitalelektroden
ausgebildete Steuerelektroden 9. Das Ausführungsbeispiel
gemäß 2d zeigt in einer Matrix 10,
bspw. eine Harz-Matrix, integrierte multifunktionale PZT-Fasern 9 und
verdeutlicht die Integrationsfähigkeit
der Fasern 9, so insbesondere in den aus faserverstärktem Verbundwerkstoff
bestehenden Bogenstab 2 eines Streicherbogens.
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In 4 ist
gemäß Detaildarstellung
ein als Patch 7 ausgebildeter multifunktionaler Werkstoff
innerhalb des Bogenstabes 2 integriert, der sowohl als Sensor
als auch als Aktor betreibbar ist und über zwei Verbindungsleitungen 11 in
geeigneter Weise mit Steuer- bzw. Auswerteeinheit 12 verbunden
ist. Der aus multifunktionalem Werkstoff bestehende Patch 7 ist
innerhalb des faserverstärkten
Matrixverbundes 10 vorgesehen, der beispielsweise in an
sich bekannter Form von Natur-, Kohlenstoff, Glas- oder Synthetikfasern
verstärkt
ist. Ebenso denkbar ist die Ausbildung des multifunktionalen Werkstoffes
in Faserform, so dass der faserverstärkte Verbundwerkstoff 10 zusätzlich von
aus multifunktionalem Werkstoff bestehenden Fasern durchsetzt ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann der gesamte
Faseranteil des faserverstärkten
Verbundwerkstoffes aus multifunktionalem Werkstoff bestehen.
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In 5 ist
in stark schematisierter Darstellung ein Bogenstab 2 mit
Bogenkopf 3 dargestellt, längs dessen Bogenstab so genannte
aus multifunktionalem Werkstoff bestehende Stapelaktoren 13 integriert
sind, die aktiv das Steifigkeitsverhalten des Bogenstabes 2 zu
beeinflussen vermögen.
Längs des
Bogenstabes 2 sind darüber
hinaus konventionelle Dehnungsmessstreifen 14 vorgesehen,
durch die das Dehnungs- und Schwingungsverhalten und letztlich das
Dämpfungsverhalten
des Bogenstabes 2 erfassbar ist.
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Zur
gezielten Schwingungsdämpfung
des Bogenstabes 2 sieht ein Ausführungsbeispiel gemäß 6 die
Kombination eines am oder im Bogenstab vorgesehenen multifunktionalen
Werkstoffes, bspw. in Form einer PZT-Faser 9, mit wenigstens
einem ohmschen Widerstand R vor. Die im multifunktionalen Werkstoff
gespeicherte bzw. generierte elektrische Energie fließt über den
Widerstand R ab und wird in thermische Energie umgewandelt, die
letztlich dissipert. Auf diese Weise lassen sich aktive Dämpfungsmaßnahmen
durch die Wahl bspw. des elektrischen Widerstandes vornehmen. In 6 sind
mehrere alternative Schaltungsvarianten dargestellt, in denen die
PZT-Faser in ihren elektrischen Eigenschaften als Kondensator C
beschreibbar ist. Die einfachste Schaltungsvariante sieht eine Reihenschaltung
aus C und R vor. Eine ebenso denkbare Variante ist die Parallelschaltung
des Kondensators C mit einer Induktivität L, wobei die Parallelschaltung
in Serie mit einem ohmschen Widerstand R geschaltet ist. In allen
Fällen
kann durch geeignete Wahl von Widerstand R, Induktivität L und/oder
Kapazität
C ein gewünschtes
Dämpfungsverhalten,
d.h. in eine gezielte Energieumwandlung elektrischer Energie in
Wärmeenergie
eingestellt werden. Hierzu bedarf es keinerlei aktiver Steuer- oder
Auswerteeinheiten innerhalb des Bogenstabes 2.
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Zur
Untersuchung des dynamischen Spielverhaltens eines Streicherbogens
und letztlich zur Bestimmung eines an einen Spieler optimal anzupassenden
Streicherbogens im Hinblick auf Steifigkeits- und Dämpfungsverhaltens
bedarf es der Bestückung des
Streicherbogens mit wenigstens einem als Sensor arbeitenden multifunktionalen
Werkstoffes, der mit einer vorzugsweise innerhalb des Bogenstabes 2,
des Bogenkopfes 3 oder des Frosches 4 integrierten
Auswerteeinheit verbunden ist, in der den Dehnungs- und Schwingungszustand
beschreibende Messgrößen generiert
und vorzugsweise abspeicherbar sind. Gilt es, ein vom Spieler gewünschtes
Verhältnis
zwischen Biege- und Torsionssteifigkeit längs des Bogenstabes 2 zu
bestimmen, so ist der als Aktor dienende multifunktionale Werkstoff
mit entsprechenden Steuersignalen zu beaufschlagen, durch die der
Werkstoff seine Form sowie seine Werkstoffsteifigkeit zu verändern vermag.
Die zu Sensorzwecken sowie auch zu Aktorzwecken erforderlichen elektronischen
Komponenten, wie beispielsweise Regelkreis, Energieversorgungseinheit, Leistungselektronik,
Speichermedien sowie auch eine Datenschnittstelle, sind in Form
einer mikroelektronischen Baueinheit, vorzugsweise in Form eines Mikro-Chips
in der Bogenstange vorzusehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
sieht die im Streicherbogen integrierte Mikroelektronikeinheit eine
Sendeeinheit vor, über
die die aktuell erfassten Messgrößen an eine
extern zum Streicherbogen vorgesehene Empfangseinheit übertragen
werden können,
die im weiteren in geeigneter Weise dargestellt und ausgewertet
werden können.
Auch ist es möglich
und denkbar, dass von einer externen Sendeeinheit Steuersignale
an die im Streicherbogen integrierte Mikroelektronikeinheit übertragbar
sind, durch die der als Aktor dienende multifunktionale Werkstoff
bezüglich
seiner Steifigkeit und Form manipulierbar ist, so dass auch während des
Spielens mit dem Streicherbogen ein gezieltes Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten
des Streicherbogens eingestellt werden kann. Durch die Kombination
eines in traditioneller Form gefertigten Streicherbogens mit einem aus
faserverstärkten
Verbundwerkstoffen gefertigten Bogenstabes mit einem als Sensor- und/oder Aktorsystem
dienenden multifunktionalen Werkstoff, der über eine integrierte Intelligenz
im Rahmen eines Regelkreises und mit einer geeigneten Schnittstelle
vorgesehenen Daten-Chips verbunden ist, kann ein vollkommen neuartiges
Produkt zur Verfügung
gestellt werden, mit dem in Kombination mit geeigneter Anwendungssoftware
dem Streichinstrumentenspiel vollkommen neue Möglichkeiten geboten wird.
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Darüber hinaus
eröffnet
der mit einem multifunktionalen Werkstoff ausgerüstete Streicherbogen durch
die quantitative Erfassung des Steifigkeits- sowie Dämpfungsverhaltens
eines an einen Spieler optimiert angepassten Streicherbogens die
Möglichkeit für eine kostengünstige Nachbildung
eines derartigen Streicherbogens. In Kenntnis der quantitativ erfassten
Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften eines
so genannten „Masterbogens" lässt sich
durch eine spezielle Verlegtechnik, mit der die Fasern in den Verbundwerkstoff
zur Ausbildung des Bogenstabes eingebracht werden, eine exakte Nachbildung des
Masterbogens schaffen.
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Hierzu
werden die Fasern unter bestimmten Winkeln längs zur Erstreckung des Bogenstabes
angeordnet, um abschnittsweise längs
des Bogenstabes individuell vorgegebene Verhältnisse aus Biegesteifigkeit
zu Torsionssteifigkeit exakt einstellen bzw. nachbilden zu können. Nicht
notwendigerweise ist die Verwendung von Fasern aus multifunktionalem Werkstoff
erforderlich, vielmehr können
konventionelle Fasern, so beispielsweise Kohlefasern, Aramitfasern,
Naturfasern, Synthetikfasern, Glasfasern, um nur einige zu nennen,
eingesetzt werden. So lässt sich
das Steifigkeits- und Dämpfungsverhalten
längs des
Bogenstabes durch geeignete Wahl der Verlegerichtung, des Fasermaterials
sowie des Volumens, aus dem die einzelnen Fasern bestehen, gezielt
einstellen.
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Es
zeigt sich bspw., dass gemäß Bilddarstellung
in 7a bei einer Faserorientierung,
die unidirektional in Längsrichtung
des Bogenstabes 2 orientiert ist (siehe Bereich A), eine
um den Faktor 3 geringere Dämpfung
d vorhanden ist, als im Falle B mit einer Faseranordnung, die in
Kreuzverlegetechnik vorgenommen worden ist, bei der die einzelnen
Fasern mit der Bogenstablängsachse
einen Winkel von ± 7,5° einschließen. In
gleicher Weise vermag eine gezielte Mischung von Fasern, bestehend
jeweils aus unterschiedlichen Fasertypen, die Steifigkeit des Bogenstabes 2 und
damit verbunden die Dämpfung
zu beeinflussen. So weist eine unidirektional orientierte Faseranordnung,
beispielsweise bestehend aus Aramit-, Natur- oder Synthetikfasern,
die zusätzlich
Kohlenstofffasern vorsieht eine höhere Dämpfung auf, als beispielsweise
eine ausschließlich
aus Naturfasern bestehende Faseranordnung. Einen ähnlichen Einfluss
auf das Dämpfungsverhalten
kann erzielt werden, wenn unter einem bestimmten Winkel angeordnete
Fasern mit Fasern eines anderen Fasertypus gemischt werden. Im Fallbeispiel
gemäß 7b sind beispielsweise in Kreuzstellung
verlegte Naturfasern N zusätzlich
mit Kohlenstofffasern K vermischt, wodurch die Dämpfungseigenschaften verbessert
werden.
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Wie
bereits vorstehend mehrfach erwähnt, ist
es möglich, über gezielte
Kreuzstellung der Fasern längs
zur Bogenstablängserstreckung
die Torsionssteifigkeit der Bogenstange wenigstens abschnittsweise
gezielt einzustellen bzw. zu variieren. Da der Streicherbogen insbesondere
beim Violinspiel vorwiegend durch einen angekanteten Aufsatz des
in aller Regel zu einem Band zusammengefassten Haarbündels auf
einer Instrumentensaite erfolgt, erfährt der Geigenbogen eine beträchtliche
Torsionsbelastung, neben der in Längsrichtung auf den Geigenbogen
einwirkenden Biegebeanspruchung. Da klassische, aus Holz gefertigte
Streicherbögen
in aller Regel keine allzu große
Torsionssteifigkeit aufweisen, zumal alle Holzfasern in Richtung
der Längserstreckung
der Bogenstange verlaufen, sind auch aus Fernambuk-Holz gefertigte
Geigenbögen
wenig torsionssteif. Wird hingegen die Bogenstange eines Streicherbogens
aus einem faserverstärkten
Verbundwerkstoff gefertigt, dessen Faserorientierung zur Längsrichtung
der Bogenstange geneigt ist, so weist der Bogenstab eine gegenüber herkömmlichen Bögen höhere Torsionssteifigkeit
auf.
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Das
Ausführungsbeispiel
in 8 zeigt einen schematisiert dargestellten Bogenstab 2,
der drei Bereiche aufweist I, II, III, in denen durch geeignete
Wahl des Verlegewinkels α unterschiedliche Verhältnisse
aus Biegesteifigkeit zu Torsionssteifigkeit eingestellt sind. So
zeigt es sich beispielsweise für
einen Spieler A, dass im froschnahen Bereich I der Bogenstange 2 eine
erhöhte
Torsionssteifigkeit als geeignet erscheint, die durch einen Verlegewinkel α von ± 10° zu erzielen
ist. Im mittleren Bereich II des Bogenstabes 2 gilt es
hingegen eine hohe Biegesteifigkeit einzustellen, die durch den
Verlegewinkel α von
0° erzielbar
ist. Schließlich
verfügt
der Bogenstab 2 im Kopfbereich III wiederum über eine
hohe Torsionssteifigkeit, die durch einen Verlegewinkel α von ± 10° erreichbar
ist. Dem gegenüber
bevorzugt ein Spieler B im Froschbereich I der Bogenstange 2 eine etwas
geringere Torsionssteifigkeit, die durch einen Verlegewinkel α von ± 8° erzielbar
ist. Im Mittelbereich II hingegen führt ein Verlegewinkel von ± 1° zu einer
erhöhten
Biegesteifigkeit, die jedoch geringer ist, als im Falle es Spielers
A. Schließlich
ist für
den Spieler B im Kopfbereich III der Bogenstange 2 eine sehr
hohe Torsionssteifigkeit erwünscht,
die durch einen Verlegewinkel von ± 15° erzielbar ist. Zusätzlich zu
der vorstehend dargelegten Einstellmöglichkeit des Verhältnisses
aus Biege- zu Torsionssteifigkeit über die geeignete Wahl des
Verlegewinkels α eignen
sich auch die geeignete Wahl unterschiedlicher Fasertypen sowie
Faservolumenanteilen in Relation zu dem die Fasern umgebenden Matrixmaterial.
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- 1
- Streicherbogen
- 2
- Bogenstab
- 3
- Bogenkopf
- 4
- Frosch
- 5
- Haarbündel
- 6
- Multifunktionaler
Werkstoff
- 7
- Patch
- 8
- Interdigitalelektroden
- 9
- Fasern
- 10
- Matrixmaterial
des Verbundwerkstoffes
- 11
- Verbindungsleitungen
- 12
- Auswerteeinheit-
Steuereinheit
- 13
- Stapelaktor
- 14
- Dehnungsmessstreifen
- DMS