DE2055164C3 - Verfahren zur Herstellung von Resonanzkörpern oder -boden für Musikinstrumente - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Resonanzkörpern oder -boden für Musikinstrumente unter Verwendung einer Holz-Kunststoff-Kombination.

Bei Saiteninstrumenten wird im allgemeinen der durch die schwingende Saite erzeugte Ton nicht direkt, sondern über einen Resonanzkörper oder einen Resonanzboden an die Luft abgestrahlt. Neben den Eigenschaften der Saiten selbst tragen daher die Schwingungseigenschaften dieser Resonanzkörper bzw. Resonanzböden wesentlich zur Tonqualität bei. Zeitlich konstant bleibende Abmessungen und unveränderliche Elastizitätseigenschaften sind daher für gute Resonanzkörper bzw. Resonanzböden unbedingt erforderlich.

Derzeit wird dafür fast ausschließlich Holz, und zwar Nadelholz (insbesondere ausgesuchtes Fichten- oder Tannenholz), verwendet. Es stellt einen geradezu idealen Werkstoff dar, es ist leicht zu bearbeiten, weist eine stabile, d. h. auch nach langer Zeit nicht veränderliche Elastizität auf und strahlt infolge seines geringen spezifischen Gewichtes alle Frequenzen, auch die höchsten, in einer für das jeweilige Instrument charakteristischen Intensitätsverteilung ab. Hölzerne Resonanzkörper werden bei allen Streichinstrumenten (Geige, Viola, Violoncello, Kontrabaß, Gambe usw.), bei den meisten Zupfinstrumenten (Gitarre, Laute, Mandoline, Zither usw.) verwendet, hölzerne Resonanzböden bei Tasteninstrumenten (Klavier, Cembalo) sowie beim Zymbal und Hackbrett.

Holz ist jedoch ein hygroskopischer Werkstoff. Änderungen der Luftfeuchtigkeit führen zu einer Veränderung des Feuchtigkeitsgehaltes im Holz selbst und dadurch wiederum zu einer Veränderung sowohl der Dichte und des Elastizitätsmoduls als auch der Abmessungen (Quellen bei Feuchtigkeitszunahme, Schwinden bei Feuchtigkeitsabnahme). Beides bedingt eine Änderung der akustischen Eigenschaften und daher eine Verstimmung des Instrumentes. Bei zu großem Wechsel der Luftfeuchtigkeit können so große Dimensionsänderungen auftreten, daß sie das Holz nicht mehr ausgleichen kann und reißt Es ist klar, düß dann das Instrument unbrauchbar ist Dieses Problem wird mit dem Aufkommen moderner Zentralheizungen in Wohnräumen und der damit verbundenen niedrigen Luftfeuchtigkeit noch verstärkt

Aus den deutschen Patentschriften 3 29 212 und 5 45 044 ist der Vorschlag bekannt, das im Musikinstrumentenbau verwendete Holz durch Tränken mit einer harzhaltigen Lösung und anschließendem Aushärten des Harzes im Holz zu behandeln. Dadurch sollen insbesondere die Verschleißfestigkeit des Holzes verbessert und seine Bereitschaft zur Feuchtigkeitsaufnahme vermindert werden. Ganz abgesehen davon, daß derartige Harze wegen ihrer Molekülgröße gar nicht tief in das Holz eindringen können, hat sich jedoch herausgestellt, daß Holz und Harz nur eine relativ lose physikalische Bindung eingehen, die den starken Schwingungsbeanspruchungen bei der Verwendung derartig imprägnierter Hölzer als Resonanzböden nicht standhält. Holz, dessen Zellhohlräume zumindest teilweise mit Harzpartikein gefüllt sind, die keinen festen Verbund mit der umgebenden Zellulosezelle eingegangen sind, sondern sich frei in diesen Zellhohlräumen bewegen können, sind aber gerade für die Herstellung von Resonanzböden völlig ungeeignet. Derartig imprägnierte Resonanzböden haben deshalb auch keinen Eingang in die Praxis gefunden.

Aus den USA.-Patentschriften 30 77 417, 30 77 418 und 34 07 088 und der FR-PS 15 07 177 sind beispielsweise sogenannte Polymerhölzer bekannt. Das sind Holz-Kunststoff-Kombinationen, die durch Tränken von Holz mit einem Gemisch von Monomeren und/oder Vorpolymerisaten und anschließendem Polymerisieren des Gemisches im Holz hergestellt werden. Aus der französischen Patentschrift ist insbesondere bekannt, daß derartige Gemische Acrylnitril enthalten können. Diese bekannten Polymerhölzer eignen sich jedoch zur Herstellung von Resonanzböden nicht. Sie haben nämlich durch die vollständige Tränkung mit dem Polymerisat die Eigenschaften des Ausgangswerkstoffes Holz derart verändert, daß ein neuer Werkstoff mit völlig neuen physikalischen Eigenschaften entstanden ist. So besitzt dieser neue Werkstoff beispielsweise eine erheblich größere Verschleißfestigkeit und eine wesentlich geringere Quellfähigkeit als Holz, Eigenschaften, die durchaus auch für Resonanzböden wünschenswert sind; sein spezifisches Gewicht, seine innere Dämpfung und insbesondere seine Klangqualität sind aber durch die Imprägnierung so verändert worden, daß sich dieser Werkstoff für die Herstellung von Resonanzböden nicht mehr eignet.

Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Resonanzkörpern oder -boden für Musikinstrumente unter Verwendung einer Holz-Kunststoff-Kombination zu entwikkeln, das dazu führt, daß die verwendete Holz-Kunststoff-Kombination zwar alle wünschenswerten Eigenschäften, also insbesondere seine hohe Verschleißfestigkeit, seine geringe Quellfähigkeit und sein dem Holz praktisch vollständig gleichendes Aussehen beibehält, hinsichtlich der Klangqualität aber die charakteristischen Eigenschaften des Holzes zurückgewinnt. Hinsichtlich der letztgenannten Eigenschaft ist zu beachten, daß von einem Resonanzkörper bzw. -boden verlangt wird, daß er alle Frequenzen, auch die höchsten, in einer für das jeweilige Instrument charakteristischen

Intensitätsverteilung abstrahlt Diese Intensitätsverteilung ist bei vorgegebener, geometrischer Form durch die Materialkonstanten und die Struktur des verwendeten Materials bedingt Der sich aus der Intensitätsverteilung ergebende Klangcharakter ist nunmehr im Lauf von Jahrhunderten auf den sich bei Verwendung von Holz ergebenden fixiert worden, d.h. vom Zuhörer wird von einem guten Musikinstrument genau derjenige Klang erwartet der sich eben bei der Verwendung von Holz als Resonanzkörper ergibt. Das hat auch seinen objektiven Grund in dem bei Verwendung von Holz resultierenden hohen Anteil an charakteristischen Obertönen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Rohling des Resonanzkörpers in ein Druckgefäß eingebracht die im Druckgefäß enthaltene Luft durch ein Inertgas ersetzt, d?r Rohling mit einem mindestens 10 Gewichtsprozent Acrylnitril enthaltenden Gemisch flüssiger vinylisch-ungesättigter, polymerisierbarer Verbindungen überschichtet, dann die FIüssigkeit durch Einlassen eines Inertgases unter Überdruck in die Zellhohlräume des Holzes hineingedrückt und dort so lange einwirken gelassen wird, bis die Zellwände des Holzes durch die polymerisierbaren Verbindungen gleichmäßig und vollständig gequollen sind, daß' daraufhin der Druck im Gefäß zur völligen Entfernung der in den Zellhohlräumen befindlichen Flüssigkeit wieder auf einen unter Atmosphärendruck gelegenen Druck reduziert und das Holz unter einem Inertgas durch die Einwirkung energiereicher Strahlung durch Polymerisierung des Kunststoffes gehärtet und durch mechanische Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht wird.

Der wesentliche Unterschied zwischen dem erfindunsgemäßen Verfahren und den bekannten Verfahren zur Herstellung von Polymerhölzern besteht also darin, daß die polymerisierbare Verbindung vor der Polymerisation aus den Zellhohlräumen herausgeholt wird und demgemäß nur in den Zellwänden verbleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß der äußere Druck auf einen unter Atmosphärendruck gelegenen Druck reduziert wird. Dabei dehnt sich das in den Zellhohlräumen vor dem Eindringen des Flüssigkeitsgemisches befindliche Inertgas, daß beim Eindringen des Flüssigkeitsgemisches komprimiert worden ist, wieder aus und drückt die Flüssigkeit aus den Zellhohlräumen heraus. Der Begriff »Atmosphärendruck« ist in diesem Zusammenhang also mit dem Begriff »Anfangsdruck« gleichzusetzen.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also ein Produkt geschaffen, das durch die Versteifung der Zeilwände zwar eine wesentlich verbesserte Dimensionsbeständigkeit und herabgesetzte Quellfähigkeit aufweist, das bezüglich seiner Klangqualitäten aber dem Werkstoff Holz vollständig gleicht. Insbesondere bleibt durch das erfindungsgemäße Verfahren das aus der Struktur bedingte anisotrope Verhalten des Holzes gegenüber mechanischen b^w. akustischen Einwirkungen gewahrt Wie beim natürlichen Holz ist beim nach dem erfindunsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoff die Biegefestigkeit, der Elastizitätsmodul und damit die Fortpflanzung des Schalles in Faserrichtung des Holzes anders als quer dazu. Die akustischen Eigenschaftendes verwendeten Holzes bleiben also völlig gewahrt.

Die geringfügige Vergrößerung der Dichte sowie die geringen Änderungen der Elastizität können durch Wahl eines Ausgangsmaterials geringer Dichte und/oder durch Verringerung der Dicke der Resonanzkörper bzw. -boden exakt ausgeglichen werden. So wurde z.B. der durch Klopfen einer freihängenden Platte aus Fichtenholz angeregte Eigen ton nach der Pfropfung der Zellwände mit einem acrylnitrilhalügen Monomergemisch geringfügig erhöht Durch eine geringfügige Verminderung der Dicke der Platte durch einfaches Abschleifen konnte diese wieder genau auf den ursprünglichen Eigenton eingestellt werden. Die bei der Behandlung sich ergebenden Tonunterschiede entsprechen etwa denen, die durch den Ersatz einer Platte aus weitjährigem, weichem Fichtenholz durch eine gleichdimensionierte Platte aus einem etwas engjährigen, härteren Holz entstehen. Die veredelte Platte behält jedoch ihren Eigenton auch bei krassem Wechsel der Luftfeuchtigkeit bei.

Bei dem Verfahrensschritt Polymerisation werden zumindest auf einen Teil der Moleküle der polymerisierbaren Verbindung Zellulosemoleküle aus der Zellwand des Holzes aufgepropft, so daß zwischen dem Polymerisat und der Zellwand eine chemische Verbindung entsteht, die dafür verantwortlich ist, daß sich das Polymerisat auch bei starker Schwingungsbeanspruchung des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Werkstoffes nicht von den Zellwänden des Holmes trennen kann. Die Bestandteile der Zellwand und damit das gesamte Werkstück sind durch diese Pfropfung weitgehend in einen unhygroskopischen und dimensicnsbeständigen Zustand übergeführt. Luftfeuchtigkeit kann zwar in die Zellhohlräume des Holzes eindringen, von dort aus aber nicht mehr in die Zellwände quellen, da diese bereits durch den eingelagerten Kunststoff in den gequollenen Zustand überführt wurden. Das Volumen und die Dimensionen des Holzes sowie dessen mechanisch-akustische Eigenschaften bleiben daher bei wechselnder Feuchtigkeit der Umgebung konstant.

Die notwendige Pfropfung der Zellwand mit Kunststoff, ohne dabei auch die Zellhohlräume zu füllen, wird erfindungsgemäß auf folgende Weise erreicht: Das Holz wird in einem Druckgefäß mit einer flüssigen radikalisch polymerisierbaren Verbindung oder einem Gemisch solcher Verbindungen überschichtet, der Kessel mit Hilfe eines Gases auf einen Überdruck von einigen (etwa 2 bis 20) Atmosphären gebracht und dadurch die polymerisierbare Flüssigkeit in die Zellhohlräume des Holzes eingepreßt. Nun wird die Flüssigkeit so lange einwirken gelassen (einige Stunden bis einige Wochen), bis die notwendige Menge an polymerisierbarer Substanz aus den Zellhohlräumen in die Zellwände eindiffundiert ist und diese gequollen hat. Anschließend wird durch Ablassen des Überdruckes und eventuelles Anlegen eines Unterdruckes die in den Zellhohlräumen zusammengepreßte Luft wieder entspannt, wobei sie das in den Zellhohlräumen (nicht aber das in der Zellwand) vorhandene polymerisierbare Gut wieder aus dem Holz heraustreibt. Falls Luftsauerstoff die Polymerisation der eingesetzten Flüssigkeit stört, muß vor Beginn der Imprägnierung der im Holz vorhandene Luftsauerstoff durch (bei Bedarf mehrmaliges) Evakuieren und anschließendes Fluten mit einem Inertgas durch letzteres ersetzt werden. Nach der Durchdringung der Zellwände mit polymerisierbarer Substanz wird dieses durch Bestrahlung des Werkstückes mit energiereicher Strahlung (wie z. B. Gamma-, Röntgen-, Elektronenoder Reaktormischstrahlung), nötigenfalls wieder unter Inertgas, auf die Bestandteile der Zellwand (vor allem auf die Zellulose) aufgepfropft und dadurch der gequollene Zustand fixiert und eingefroren.

Das eingesetzte Fichten- oder Tannenholz sollte

möglichst lufttrocken sein, doch ist es auch möglich, durch, lange anhaltende und unter Umständen auch wiederholte Tränkung das vorhandene Wasser durch die polymerisierbare Flüssigkeit weitgehend zu verdrängen. Als polymerisierbare Flüssigkeiten eignen sich alle radikalisch polymerisierbaren Vinylverbindungen, wie z. B. Vinylchlorid, Vinylidenchlorid, Vinylazetat, Styrol, Divinylbenzol, Acrylnitril, Methylmethacrylat, andere Methacrylsäureester und Acrylsäureester sowie Gemische dieser Verbindungen. Die Gemische sollen einen hohen, mindestens 10%igen Anteil an Acrylnitril enthalten, da d;ese Verbindung infolge ihrer hohen Polarität besonders schnell in die Zellwand eindringt und diese quillt Die anschließende Bestrahlung erfolgt mit einer zur völligen Pfropfung der vorhandenen monomeren Flüssigkeit notwendigen Strahlendosis; je nach der verwendeten Flüssigkeit sind Strahlendosen zwischen etwa 0,03 und 20 Mrad erforderlich.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines Betspiels näher erläutert: Zur Herstellung einer Resonanzdecke für einen vorhandenen Gitarrenkorpus wurde ein geeignetes, gut gelagertes, lufttrockenes. Fichtenholz wie folgt vorbehandelt: Das Holz wurde in einem Autoklaven mit einem Gemisch aus 593% Styrol, Ή>% Acrylnitril und 0.1% D5vinylbenzol überscbichtet und für 48 Stunden ein Stickstoff überdruck von !5 .Atmosphären angelegt Danach wurde der Druck langsam auf 0,2 Atmosphären reduziert und das Flüssigkeitsgemisch abgelassen. Anschließend wurde die so behandelte Probe einer Dosis von 4 Mrad einer Gammastrahlung ausgesetzt und so das Holz pfropfpolimerisiert. Aus dem vorbehandelten Holz wurde die Gitarrendekke mit den üblichen zur Holzbearbeitung geeigneten Werkzeugen hergestellt und auf einen Gitarrenkörper aufgeklebt Der fertige Gitarrenkörper wurde in einer Klimakammer extremen Temperatur- und Feuchtigkeitsschwankungen unterzogen. Im anschließenden Test konnten keinerlei nachteilige Änderungen der akustischen bzw. mechanischen Eigenschaften festgestellt werden.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Verfahren zur Herste.iung von Resonanzkörpern oder -boden für Musikinstrumente unter Verwendung einer Hoiz-Kunststoff-Kombination, dadurch gekennzeichnet, daß ein Rohling des Resonanzkörpers in ein Druckgefäß eingebracht, die im Druckgefäß enthaltene Luft durch ein Inertgas ersetztder Rohling mit einem mindestens 10 Gewichtsprozent Acrylnitril enthaltenden Gemisch flüssiger vinylisch-ungesättigter, polymerisierbarer Verbindungen überschichtet, dann die Flüssigkeit durch Einlassen eines Inertgases unter Überdruck in die Zellhohlräume des Holzes hineingedrückt und dort so lange einwirken gelassen wird, bis die Zeiiwände des Hoizes durch die polymerisierbaren Verbindungen gleichmäßig und vollständig gequollen sind, daß daraufhin der Druck im Gefäß zur völligen Entfernung der in den Zellhohlräumen befindlichen Flüssigkeit wieder auf einen unter Atmosphärendruck gelegenen Druck reduziert und das Holz unter einem Inertgas durch die Einwirkung energiereicher Strahlung durch Polymerisierung des Kunststoffes gehärtet und durch mechanische Bearbeitung in die gewünschte Form gebracht wird.