EP1182641A2 - Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise - Google Patents

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EP1182641A2
EP1182641A2 EP01119531A EP01119531A EP1182641A2 EP 1182641 A2 EP1182641 A2 EP 1182641A2 EP 01119531 A EP01119531 A EP 01119531A EP 01119531 A EP01119531 A EP 01119531A EP 1182641 A2 EP1182641 A2 EP 1182641A2
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EP
European Patent Office
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resonance
soundboard
fiber composite
mode
plate
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EP01119531A
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EP1182641B1 (de
EP1182641A3 (de
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Martin Schleske
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SCHLESKE, MARTIN
Original Assignee
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10C—PIANOS, HARPSICHORDS, SPINETS OR SIMILAR STRINGED MUSICAL INSTRUMENTS WITH ONE OR MORE KEYBOARDS
    • G10C3/00—Details or accessories
    • G10C3/06—Resonating means, e.g. soundboards or resonant strings; Fastenings thereof
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10D—STRINGED MUSICAL INSTRUMENTS; WIND MUSICAL INSTRUMENTS; ACCORDIONS OR CONCERTINAS; PERCUSSION MUSICAL INSTRUMENTS; AEOLIAN HARPS; SINGING-FLAME MUSICAL INSTRUMENTS; MUSICAL INSTRUMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10D3/00—Details of, or accessories for, stringed musical instruments, e.g. slide-bars
    • G10D3/02—Resonating means, horns or diaphragms
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10D—STRINGED MUSICAL INSTRUMENTS; WIND MUSICAL INSTRUMENTS; ACCORDIONS OR CONCERTINAS; PERCUSSION MUSICAL INSTRUMENTS; AEOLIAN HARPS; SINGING-FLAME MUSICAL INSTRUMENTS; MUSICAL INSTRUMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10D3/00—Details of, or accessories for, stringed musical instruments, e.g. slide-bars
    • G10D3/22—Material for manufacturing stringed musical instruments; Treatment of the material

Definitions

  • the invention relates to a resonance board in fiber composite construction, containing at least one of long fibers and carrier material existing fiber coating, for use for an acoustic Music instrument, especially a string instrument.
  • the invention is described below using the example of the resonance plates of String instruments described in more detail. However, it is also for others with a sound box or sound board acoustic musical instruments (such as guitars and pianos) advantageous usable.
  • the resonance body of a string instrument is used by the two Soundboards (ceiling and floor) and the frames connecting them educated.
  • the ceiling is traditionally made of spruce wood
  • the floor is mostly made of maple wood.
  • Structures in fiber composite construction mostly consist of long fibers, which are preferably oriented in certain directions, and one Carrier or matrix material, which is generally a thermosetting or thermoplastic.
  • the invention is therefore based on the object of a resonance plate to create in fiber composite construction, which compared to award-winning, solid wood soundboard made in traditional construction a significantly improved acoustic quality has.
  • the resonance plate according to the invention is intended in particular under Maintaining the familiar and desired timbre of a person Solid wood soundboard has a significantly higher sound power exhibit.
  • the invention is based on the following considerations and To attempt:
  • CL is the speed of sound (in m / s) of the longitudinal waves in the longitudinal direction of the test strip and rho the mean total density (in g / m 3 ) of the test strip.
  • the quality quotient Q M is therefore higher, the greater the speed of sound of the longitudinal waves in relation to the vibrating mass.
  • a large value of Q M thus corresponds to a favorable mass-rigidity ratio of the resonance plate.
  • the invention therefore proceeds on the basis of these considerations a fundamentally different way to get the resonance frequencies of one in Fiber composite construction produced resonance plate in the desired area and familiar from solid wood soundboard lay.
  • the natural frequency increase caused by the fiber composite construction (with which the very desirable increase in the quality quotient Q M is connected) is compensated for by such a geometry-related natural frequency decrease, by which the quality quotient Q M is not significantly reduced.
  • the surface area of the resonance plate is dimensioned larger than in the case of a resonance plate made of solid wood of a string instrument of the same timbre. An enlargement of the resonance plate results in a shift of the natural frequencies downwards. Because of its larger area, the resonance plate can then be given a correspondingly greater thickness without the natural frequencies leaving the range required for the desired and familiar timbre.
  • the resulting quality quotient Q M is thus significantly higher than that of a non-enlarged, thinner board in fiber composite construction.
  • the resonance plate according to the invention allows it with building instruments that respect listening habits (Tone color sensation) the conventional, made of solid wood Correspond to instruments, however with regard to their acoustic Efficiency significantly superior to traditional instruments are.
  • the resonance plate is enlarged acoustically useful if a material (like a Fiber composite material) with a higher one than wood Flexural rigidity and therefore a higher speed of sound is used.
  • Characteristic b1) is the frequency of the main body resonance, which - according to the relevant literature - is referred to as B1 mode.
  • Feature b2) specifies the second deepest body resonance for the guitar, which is designated 0.0 mode.
  • Feature b3) relates to the deepest resonance of the soundboard of pianos or concert grand pianos, which is also designated 0.0 mode according to its mode of vibration. The resonances mentioned, in particular their respective typical vibration form, are explained in more detail in the exemplary embodiments.
  • B1 mode main body resonance
  • Jansson B1 mode C3 mode
  • B1 + mode Hutchins
  • the mode is determined with the help of experimental modal analysis.
  • experimental modal analysis a large number of transfer functions (acceleration divided by force; or vibration response divided by vibration excitation) are measured by using a hammer (e.g. PCB 086C80) to excite the instrument at a number of coordinates distributed over the body.
  • the vibration response is measured using an accelerometer (e.g. PCB 352B22) at the driving point.
  • the upper end of the side edge (bass beam side) of the bridge is selected as the driving point. All of these measurements are carried out when the instrument is ready to play, with only the strings being dampened with foam in such a way that the steep-sided string resonances are damped, while the body resonances of the instrument to be determined are not changed.
  • the measurement of the other musical instruments in which the resonance plate according to the invention is installed is carried out with free-free storage.
  • the instruments are expediently stored softly on foam cushions in the area of the upper and lower block.
  • the transfer functions are evaluated using the relevant programs (eg STAR Structure) in the manner usual for modal analysis.
  • Fig. 3 (ceiling) and Fig. 4 (floor) show for better understanding also the natural mode of the B1 mode, but now (in Contrary to the contour plot Fig. 1) as a wire mesh model, with Fig. 3a and 4a the deflected with -90 °, Fig. 3c and Fig. 4c with + 90 ° deflected state compared to that in Fig. 3b and Fig. 4b show the idle state shown with 0 °.
  • the frequency responses shown in Fig. 5 to 8 represent the typical Input acellance of a violin (Fig. 5), a viola (Fig. 6), a cello (Fig. 7) and a double bass (Fig. 8).
  • the input accuracy is that transfer function where the vibration excitation and the vibration response at the same Measuring point can be measured.
  • the above-mentioned driving is the measuring point Point selected. It is the X axis of the input precision around the frequency, with the Y-axis around the vibration level (Acceleration divided by stimulating force) in dB.
  • the Different resonances are clearly too individual peaks detect.
  • the violin and viola forms the B1-Mode typically the last outstanding resonance summit a body resonance region formed by the envelope 7.
  • This resonance area is always due to a steep dip 8 (Anti-resonance) from the higher-frequency plate resonance peaks Cut.
  • the B1 mode forms the Violoncello usually has the highest low-frequency resonance peak below 300 Hz.
  • the B1 mode is often without in the cello physical measurement methods due to the so-called Wolfston susceptibility of the bowed tone (especially on the C string) make out whose fundamental frequency is the resonance frequency of B1 mode equivalent.
  • the B1 mode is usually second, the main body resonance in the area around the Helmholtz resonance Ao 100 Hz.
  • the resonance peaks of the Helmholtz resonance Ao and the 4 to 7 are shown as T1 mode below the B1 mode marked such.
  • FIG. 9 The second lowest mentioned in feature b2) of claim 1 Body resonance of the acoustic guitar is shown in FIG. 9 illustrated.
  • This resonance is found in literature [see Fletcher N. H. and Rossing T.D: "The Physics of Musical Instruments", New York 1991] is referred to as fashion with a 0.0 character, since it has 9 knot lines neither in the longitudinal nor in the transverse direction of the ceiling, but rather rather by a single antinode per resonance plate (Ceiling and floor) is marked.
  • the connection of cavity, The top and bottom of the guitar lead to three body resonances 0.0 characteristic, namely for the Helmholtz resonance and for two close in frequency, about 100 Hz above the Helmholtz resonance lying body resonances.
  • the The guitar's first body mode is the second lowest Body resonance, or the middle of the three body resonances with 0.0 character. It differs from the higher frequency, third Body resonance with 0.0 character due to the phase relationship between the ceiling and floor. Ceiling and floor vibrate in the feature b2) mentioned resonance in phase (in the same spatial direction), so that the body bends as a whole like a thick plate; in the higher-frequency, third 0-0 body mode, on the other hand, swing the ceiling and The floor is out of phase, thus causing the body to "breathe" out.
  • the waveform of the mode mentioned in feature b2) is in 9 is illustrated by lines of equal amplitudes 10. These are centered around the area of the web 12 and describe one Antinode, which is about the shape of the lower outline of the Takes resonance plate [cf. Richardson, B.E. "The acoustical development of the guitar “in: Catgut Acoust. Soc. J. Vol. 2, No. 5 (Series II) May 1994; P. 5; Fig. 4b].
  • Feature b3 is the deepest resonance of the Soundboard of the piano or concert grand. This resonance will also with 0.0 mode according to their waveform designated. Their wave form is the same by lines Amplitudes 10 shown in Fig. 10 [see: Kindel: “Modal Analysis and finite element analysis of a piano soundboard "M.S. thesis, University of Cincinnati. Quoted from: Fletcher N.H. and Rossing T.D: "The Physics of Musical Instruments", New York 1998, p. 382].
  • Strip elements 14 are cut out of the surface of the resonance plate.
  • the proportions of a strip element are derived from the average thickness (D m ) of the strip element as follows: the length L of the strip corresponds to 25 times the thickness D m , the width B of the strip corresponds to 5 times the thickness D m .
  • the speed of sound C L of the longitudinal waves in the longitudinal direction of the strip element (strip) is then determined by measurement.
  • the resonance method established in the field of structure-borne noise measurement is used for this measurement. It is illustrated in Fig. 11:
  • the strip 14 is elastically supported in the two node lines (n 1 and n 2 ) of its first natural bending frequency on elastic bands or foam wedges 15 (free-free boundary conditions).
  • the strip is excited sinusoidally via airborne sound.
  • a miniature loudspeaker 16 which is connected to a power amplifier 17, is positioned at a distance of approximately 5 mm below one of the two strip ends.
  • the sinusoidal signal is generated by a sine generator 18.
  • the oscillation response of the strip excited in this way is picked up with the aid of a sound level meter 19.
  • the microphone 20 of the sound level meter is positioned at a distance of approximately 1 mm above the end of the strip opposite the loudspeaker.
  • the frequency is gradually increased at the sine generator 18 until the natural frequency of the first natural bending vibration of the strip can be read off from the sound level meter by the associated maximum level of the level peak. (The slight natural frequency deviation due to the damping can be neglected here).
  • L is the stripe length (in m)
  • D m is the mean stripe thickness (in m)
  • f 2 is the resonance frequency (in Hz). (If the strip thickness is not constant according to claim 5, the different thicknesses are averaged and an average strip thickness D m is used.)
  • m is the total mass (in g) and V the total volume (in m 3 ) of the strip.
  • the curve labeled A mapsle
  • F spruce
  • the curve labeled VS shows the quality quotient Q M for the test strips of the resonance plate according to the invention produced as a fiber composite sandwich.
  • the thickness of the resonance plate is dimensioned such that the quality quotient Q M of at least one test strip cut from the resonance plate has at least 90% of the maximum value achievable with the selected fiber composite material. This 90% line 28 is drawn in FIG. 12 for the fiber composite material on which it is based.
  • the function VS in FIG. 12 immediately reveals that a Compensation of the natural frequency increases of the resonance plate by Reducing their thickness to deteriorate the acoustic Quality leads.
  • the sound necessary natural frequency reduction by increasing the area bounded by the outline of the soundboard.
  • the 13 and 14 show an embodiment for this. Because the width the resonance plate in the first approximation in the second power Inherent natural frequencies can be a relatively low one Widening of the outline 23 of the invention, with Fiber composite coating 24 built resonance plate by about 5% compared to the conventional outline 22 (shown in dashed lines) accomplish the required frequency shift.
  • the core plate 26 of the resonance plate has, as in FIG. 14, at one Segment shown, according to claim 4 recesses 27, wherein the Total volume of all recesses at most 80%, preferably between 20 and 45% of the total volume of material Core plate is.
  • This feature allows an improvement of the Mass-stiffness ratio of the resonance plate.
  • claim 5 has the segment of the resonance plate shown in FIG. 14 a different thickness D.
  • it has a multidirectional fiber coating based on not parallel arranged fibers 25 there.

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Abstract

1. Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise
2. Die Erfindung stellt eine Resonanzplatte für akustische Musikinstrumente dar. Ihre Verwendung ist möglich für alle akustischen Musikinstrumente, deren Schallabstrahlung mittels Resonanzplatten (bzw. Resonanzboden) oder eines aus Resonanzplatten zusammengefügten Resonanzkörpers erfolgt, vorzugsweise für Streichinstrumente. Die erfindungsgemäße Resonanzplatte ist als Faserverbund-Sandwichplatte aufgebaut. Sie bewirkt aufgrund ihres günstigeren Masse-Steifigkeits-Verhältnisses gegenüber den herkömmlichen Resonanzplatten aus Vollholz oder Composite eine Erhöhung der Schallabstrahlung des Musikinstrumentes. Der vom Umriß der Resonanzplatte umgrenzte Flächeninhalt ist gegenüber dem mittleren Flächeninhalt der Resonanzplatten herkömmlicher gleichartiger Musikinstrumente derart vergrößert, daß die Eigenfrequenzverschiebungen (und damit Klangfarbenveränderungen), welche sich aufgrund des günstigeren Masse-Steifigkeits-Verhältnisses der Faserverbund-Sandwichplatte gegenüber der herkömmlichen Vollholz-Resonanzplatte ergeben, kompensiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise, enthaltend wenigstens eine aus Langfasern und Trägermaterial bestehende Faserbeschichtung, zur Verwendung für ein akustisches Musikinstrument, insbesondere ein Streichinstrument.
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel der Resonanzplatten von Streichinstrumenten näher beschrieben. Sie ist jedoch auch für andere, mit einem Resonanzkorpus oder Resonanzboden versehene akustische Musikinstrumente (wie Gitarren und Klaviere) vorteilhaft verwendbar.
Der Resonanzkorpus eines Streichinstrumentes wird von den beiden Resonanzplatten (Decke und Boden) und den sie verbindenden Zargen gebildet. Die Decke wird in traditioneller Weise aus Fichtenholz, der Boden meist aus Ahornholz gefertigt.
In neuerer Zeit hat man auch bereits versucht, die Resonanzplatten akustischer Musikinstrumente in Faserverbund-Bauweise herzustellen. Strukturen in Faserverbund-Bauweise bestehen meist aus Langfasern, die vorzugsweise in bestimmten Richtungen orientiert sind, und einem Träger- bzw. Matrixmaterial, das im allgemeinen ein duroplastischer oder thermoplastischer Kunststoff ist.
Die bisherigen Bemühungen zur Herstellung von für akustische Musikinstrumente bestimmten Resonanzplatten in Faserverbund-Bauweise zielen durchweg darauf ab, die akustischen Eigenschaften des zu ersetzenden Holzes möglichst zu kopieren. Beispiele für diese Versuche im bisher bekannten Stand der Technik geben etwa die DE 37 38 459 A1, EP 0 433 430 B1, US-A 5,895,872 und US-A 5,905,219. So strebt die DE 37 38 459 A1 "eine dem Holz annähernd gleiche makroskopische Heterogenität" an und nennt als Ziel, daß "das zusammengesetzte Material ähnliche Eigenschaften wie die Fichte aufweisen" soll.
Unbefriedigend erscheint an diesen bisher bekannten Resonanzplatten in Faserverbund-Bauweise, daß sie in akustischer Hinsicht sehr guten, in traditioneller Bauweise gefertigten Vollholz-Resonanzplatten allenfalls gleichwertig, keinesfalls jedoch überlegen sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise zu schaffen, die im Vergleich zu ausgezeichneten, in traditioneller Bauweise gefertigten Vollholz-Resonanzplatten eine deutlich verbesserte akustische Qualität besitzt. Die erfindungsgemäße Resonanzplatte soll insbesondere unter Beibehaltung der gewohnten und erwünschten Klangfarbe einer Vollholz-Resonanzplatte eine wesentlich höhere Schalleistung aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale erreicht:
  • a) wenigstens ein aus der Resonanzplatte geschnittener Teststreifen weist einen Qualitätsquotienten (QM = cL/rho) von mindestens 0,02 m4/sg, vorzugsweise von mindestens 0,04 m4/sg auf, wobei cL die Schallgeschwindigkeit (in m/s) der Longitudinalwellen in Längsrichtung des Teststreifens und rho die mittlere Gesamtdichte (in g/m3) des Teststreifens ist;
  • b) der vom Umriß der Resonanzplatte umgrenzte Flächeninhalt der Resonanzplatte ist so groß gewählt, daß
  • b1) die Frequenz der Hauptkorpusresonanz (B1-Mode) von Streichinstrumenten in folgenden Bereichen liegt:
    • bei der Violine zwischen 480 und 580 Hz, vorzugsweise zwischen 510 und 550 Hz,
    • bei der Viola zwischen 380 und 500 Hz, vorzugsweise zwischen 420 und 460 Hz,
    • beim Violoncello zwischen 150 und 210 Hz, vorzugsweise zwischen 170 und 190 Hz,
    • beim Kontrabass zwischen 80 und 120 Hz, vorzugsweise zwischen 90 und 110Hz,
  • b2) die Frequenz der zweittiefsten Korpusresonanz (0,0-Mode) bei der Gitarre zwischen 180 und 240 Hz, vorzugsweise zwischen 190 und 220 Hz, liegt,
  • b3) die Frequenz der tiefsten Resonanz (0,0-Mode) des Klavier- bzw. Konzertflügelresonanzbodens zwischen 40 und 60 Hz, vorzugsweise zwischen 45 und 55 Hz, liegt.
    • Im einzelnen basiert die Erfindung auf folgenden Überlegungen und Versuchen:
    Schneidet man aus einer Resonanzplatte einen Teststreifen (wie dies bei der Beschreibung eines Ausführungsbeispieles noch im einzelnen erläutert wird), so läßt sich die akustische Qualität dieses Teststreifens anhand eines Qualitätsquotienten QM beurteilen, der wie folgt definiert ist: QM = CL/rho
    Hierbei ist CL die Schallgeschwindigkeit (in m/s) der Longitudinalwellen in Längsrichtung des Teststreifens und rho die mittlere Gesamtdichte (in g/m3) des Teststreifens.
    Der Qualitätsquotient QM ist also umso höher, je größer die Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen im Verhältnis zur schwingenden Masse ist. Ein großer Wert von QM entspricht somit einem günstigen Masse-Steifigkeits-Verhältnis der Resonanzplatte.
    Bei Fichtenholz ergibt sich aus CL = 5800 m/s und rho = 400 kg/m3 ein typischer Qualitätsquotient QM = 0,0145 m4/sg. Als höchster bei Fichtenklangholz erreichbarer Wert wurde bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen QM = 0,016 m4/sg gemessen. Dieser Wert entspricht den bei Resonanzplatten der berühmtesten Geigenbauer (wie Antonio Stradivari) vorkommenden Werten. Unterdurchschnittliches Fichtenklangholz liegt bei QM = 0,012 m4/sg.
    Bei Teststreifen aus Resonanzplatten in Faserverbund-Bauweise kann man demgegenüber Qualitätsquotienten QM von über 0,06 m4/sg feststellen. Die akustische Materialqualität von Resonanzplatten in Faserverbund-Bauweise liegt also damit fast viermal so hoch wie die akustische Materialqualität des besten und lange Zeit gealterten Fichtenklangholzes. Trotz dieser durchaus bekannten Tatsache ist es bisher jedoch nicht gelungen, Resonanzplatten in Faserverbund-Bauweise zu schaffen, die unter Einbeziehung aller erforderlichen Aspekte den Vollholz-Resonanzplatten überlegen sind. Die Gründe für diese Schwierigkeit und der Sinn der erfindungsgemäßen Merkmalskombination ergeben sich aus den folgenden Betrachtungen.
    Fertigt man eine Resonanzplatte bei gleichbleibenden geometrischen Abmessungen statt aus Holz in Faserverbund-Bauweise, so ergeben sich aufgrund des wesentlich höheren Qualitätsquotienten QM weit höhere Eigenfrequenzen (Resonanzfrequenzen). Diese Erhöhung der Eigenfrequenzen führt zu einem unerwünscht scharfen bzw. nasalen Klang und verändert damit die Klangfarben des Instrumentes ganz nachteilig.
    Man könnte nun daran denken, die zu hohen Eigenfrequenzen einer Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise dadurch abzusenken (und wieder in Richtung der Eigenfrequenzen einer herkömmlichen Vollholz-Resonanzplatte zu verschieben), daß die Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise dünner dimensioniert wird als eine entsprechende Vollholz-Resonanzplatte. Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen zeigte sich jedoch, daß der Qualitätsquotient QM einer Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise - ganz im Gegensatz zum Qualitätsquotienten einer herkömmlichen Vollholz-Resonanzplatte - dickenabhängig ist, indem nämlich eine Verringerung der Plattendicke gleichzeitig auch eine Verkleinerung des Qualitätsquotienten QM zur Folge hat. Verkleinert man also die Dicke einer Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise (um die Resonanzfrequenzen wieder in den erwünschten Bereich abzusenken), so verkleinert man damit auch den Qualitätsquotienten QM und verliert damit den akustischen Vorzug, den die Faserverbund-Bauweise an sich gegenüber der traditionellen Holz-Bauweise besitzt.
    Ausgehend von diesen Überlegungen beschreitet die Erfindung daher einen grundsätzlich anderen Weg, um die Resonanzfrequenzen einer in Faserverbund-Bauweise hergestellten Resonanzplatte in den gewünschten und von Vollholz-Resonanzplatten gewohnten Bereich zu legen.
    Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird die durch die Faserverbund-Bauweise bedingte Eigenfrequenzerhöhung (mit der die sehr erwünschte Steigerung des Qualitätsquotienten QM verbunden ist) durch eine solche geometriebedingte Eigenfrequenzerniedrigung kompensiert, durch die der Qualitätsquotient QM nicht nennenswert herabgesetzt wird. Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck der Flächeninhalt der Resonanzplatte größer dimensioniert als bei einer aus Vollholz gefertigten Resonanzplatte eines Streichinstrumentes gleicher Klangfarbe. Eine Flächenvergrößerung der Resonanzplatte hat eine Verschiebung der Eigenfrequenzen nach unten zur Folge. Aufgrund ihrer größeren Fläche kann die Resonanzplatte dann eine entsprechend größere Dicke erhalten, ohne daß die Eigenfrequenzen den für die erwünschte und gewohnte Klangfarbe erforderlichen Bereich nach oben verlassen. Der resultierende Qualitätsquotient QM liegt damit deutlich über dem einer nicht vergrößerten, dünneren Platte in Faserverbund-Bauweise.
    Da eine Vergrößerung der schwingenden Fläche gleichzeitig eine Erhöhung der Schallabstrahlung und damit eine Erhöhung des akustischen Wirkungsgrades des Instrumentes zur Folge hat, wird bei der erfindungsgemäßen Lösung nicht nur die gewünschte Klangfarbe der klassischen Streichinstrumente realisiert, sondern es werden darüber hinaus auch die weiteren, aus der Schallabstrahlung resultierenden klanglichen Eigenschaften, wie "Tragfähigkeit", "Volumen" und "Dynamik", verbessert. Die erfindungsgemäße Resonanzplatte gestattet es damit, Instrumente zu bauen, die hinsichtlich der Hörgewohnheiten (Klangfarbenempfinden) den herkömmlichen, aus Vollholz gefertigten Instrumenten entsprechen, die jedoch hinsichtlich ihres akustischen Wirkungsgrades den traditionellen Instrumenten deutlich überlegen sind.
    Würde man bei einem aus Vollholz gefertigten Resonanzkörper eines herkömmlichen Streichinstrumentes den Flächeninhalt der Resonanzplatten vergrößern, so würde dies die Eigenfrequenzen des Instrumentes so stark nach unten verschieben, daß sich eine dumpfe ("topfige") Klangfarbe ergibt. Bei einem herkömmlichen Streichinstrument mit Vollholz-Resonanzplatten würde eine Plattenverbreiterung aufgrund der geringen Quersteifigkeiten der Vollholzplatten auch zur Ausbildung von Schwingungsmoden mit engen, parallel liegenden, gegenphasigen Schwingungsbäuchen führen, die aufgrund hydrodynamischer Kurzschlüsse eine geringe Schallabstrahlung zur Folge haben (vgl. Cremer, Lothar: "Physik der Geige", Stuttgart 1981, S.341).
    Eine Flächenvergrößerung der Resonanzplatte ist daher erst dann akustisch sinnvoll, wenn ein Material (wie ein Faserverbundwerkstoff) mit einer gegenüber Holz höheren Biegesteifigkeit und demzufolge einer höheren Schallgeschwindigkeit verwendet wird.
    Die im Merkmal b) des Anspruches 1 formulierte akustische Bedingung dient der Kontrolle vergleichbarer Klangfarben. Es handelt sich hierbei im Merkmal b1) um die Frequenz der Hauptkorpusresonanz, die - entsprechend der einschlägigen Literatur - mit B1-Mode bezeichnet wird. Im Merkmal b2) ist für die Gitarre die zweittiefste Korpusresonanz genannt, die mit 0,0-Mode bezeichnet wird. Merkmal b3) betrifft die tiefste Resonanz des Resonanzbodens von Klavieren bzw. Konzertflügeln, die gemäß ihrer Schwingungsform ebenfalls mit 0,0-Mode bezeichnet wird.
    Die genannten Resonanzen, insbesondere ihre jeweilige typische Schwingungsform, werden bei den Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
    Bei den der Erfindung zugrundeliegenden Versuchen wurden im Akustiklabor des Erfinders Modalanalysen von hervorragenden Instrumenten berühmter Geigenbauer (wie Antonio Stradivari oder Guarneri del Gesu) durchgeführt. Bei Geigen, deren Klangfarben von Künstlern und geschulten Hörern als angenehm und ausgewogen beurteilt werden, liegt die B1-Mode stets in einem relativ engen Frequenzband zwischen 510 und 550 Hz. Eine Violine mit einer B1-Mode deutlich über diesem Frequenzbereich klingt tendentiell rauh und scharf, während eine Violine mit einer B1-Mode unterhalb dieses Frequenzbereiches eine tendentiell dumpfe und topfige Klangfarbe besitzt. Die Eigenfrequenz der B1-Mode kann daher als ein zuverlässiger akustischer Indikator für die Klangfarbe eines Streichinstrumentes betrachtet werden.
    Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung (etwa die Gewinnung, Messung und Auswertung von Teststreifen) werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
    Fig. 1 bis 4 zeigen die typische Eigenschwingungsform der Hauptkorpusresonanz (B1-Mode), wie sie bei Violinen, Bratschen, Violoncelli und Kontrabässen gegeben ist. Teile des Schrifttums nennen die B1-Mode auch C3-Mode (Jansson) oder B1+ Mode (Hutchins). Die Mode wird mit Hilfe der experimentellen Modalanalyse meßtechnisch ermittelt. Bei der experimentellen Modalanalyse werden eine Vielzahl an Übertragungsfunktionen (Beschleunigung dividiert durch Kraft; bzw. Schwingungsantwort dividiert durch Schwingungserregung) gemessen, indem das Instrument an einer Vielzahl von über den Korpus verteilten Koordinaten mittels Impulshämmerchen (z.B. PCB 086C80) angeregt wird. Die Schwingungsantwort wird mittels Beschleunigungsaufnehmer (z.B. PCB 352B22) am sog. Driving Point gemessen. Als Driving Point wird das obere Ende der Seitenkante (Baßbalkenseite) des Steges gewählt. Alle diese Messungen erfolgen im spielfertigen Zustand des Instrumentes, wobei lediglich die Saiten mittels Schaumstoff derart abgedämpft sind, daß die steilflankigen Saitenresonanzen bedämpft werden, während die zu bestimmenden Korpusresonanzen des Instrumentes nicht verändert werden. Abgesehen vom Klavier bzw. Flügel, die in normaler Standposition vermessen werden, erfolgt die Vermessung der übrigen Musikinstrumente, in welche die erfindungsgemäße Resonanzplatte eingebaut ist, mit frei-freier Lagerung. Zweckmäßiger Weise werden die Instrumente dazu im Bereich des Ober- und Unterklotzes weich auf Schaumstoffkissen gelagert. Die Übertragungsfunktionen werden mittels der einschlägigen Programme (z.B. STAR Structure) in der für die Modalanalyse üblichen Weise ausgewertet.
    In Fig. 1 ist die B1-Mode einer Geige mittels Contourplot dargestellt, wobei die linke Resonanzplatte die Decke 1 und die rechte Resonanzplatte den Boden 2 - jeweils in der Ansicht von außen - repräsentiert. Der Korpus wird also, obgleich die Messung im zusammengefügten, spielfertigen Zustand des Instrumentes erfolgt, "aufgeklappt" dargestellt. Die schwarzen, mit "+" gekennzeichneten Flächenbereiche schwingen gegenphasig zu den weißen, mit "-" gekennzeichneten, wobei die schwarzen Bereiche der Decke gleichzeitig mit den schwarzen Bereichen des Bodens nach außen (Richtung Korpus-Äußeres) und nach einer halben Schwingungsdauer nach innen schwingen. Entsprechendes trifft für die weißen Bereiche beider Platten zu. Diese Phasenbeziehung ist in Fig. 2 anhand stark übertriebener Amplituden (fette Linien) dargestellt; sie zeigt einen Querschnitt durch den Korpus an der in Fig. 1 mit A benannten Linie. Zur Orientierung geben die dünnen Linien den Ruhezustand des Korpus wieder. Die Einzelheiten der Amplitudenverteilung können von Instrument zu Instrument variieren; typisch für die Eigenschwingungsform der B1-Mode sind aber stets folgende Merkmale:
    • in Längsrichtung des Bodens 2 verlaufen zwei Knotenlinien 3a und 3b, wobei die linke Knotenlinie 3a durch den Bereich des Stimmstocks 5 verläuft. Der Mittelbereich des Bodens 2 schwingt somit gegenphasig zu seinen beiden seitlichen Rändern. Für die B1-Mode ist diese Querbiegeschwingung des Bodens charakteristisch. Bei einigen wenigen Instrumenten kann beobachtet werden, daß die beiden Knotenlinien 3a und 3b sich im oberen Bereich des Bodens 2 bogenartig zusammenschließen.
    • die (weiß gezeichnete) untere rechte Backe 4 der Decke 1 schwingt gegenphasig zu dem den größten Anteil der Deckenfläche einnehmenden (schwarz gezeichneten) Schwingungsbauch im Bereich des Baßbalkens 6, wobei die Knotenlinie 3c, welche diese gegenphasigen Schwingungsbäuche trennt, in der Regel durch den unmittelbaren Nahbereich des Stimmstocks 5, und anschließend durch das rechte (mit "f" bezeichnete) f-Loch verläuft, um den Deckenumriß im Bereich der größten Umrißbreite unten rechts zu verlassen.
    Fig. 3 (Decke) und Fig. 4 (Boden) zeigen zum besseren Verständnis ebenfalls die Eigenschwingungsform der B1-Mode, nun aber (im Gegensatz zum Contourplot Fig. 1) als Drahtgittermodell, wobei Fig. 3a und 4a den mit -90° ausgelenkten, Fig. 3c und Fig. 4c den mit + 90° ausgelenkten Zustand gegenüber dem in Fig. 3b und Fig. 4b dargestellten Ruhezustand mit 0° zeigen.
    Die in Fig. 5 bis 8 abgebildeten Frequenzgänge stellen die typische Eingangsakzelleranz einer Violine (Fig. 5), einer Viola (Fig. 6), eines Violoncellos (Fig. 7), sowie eines Kontrabasses (Fig. 8) dar. Die Eingangsakzelleranz ist jene Übertragungsfunktion, bei welcher die Schwingungsanregung und die Schwingungsantwort am gleichen Meßpunkt gemessen werden. Als Meßpunkt ist der oben genannte Driving Point gewählt. Bei der X-Achse der Eingangsakzelleranz handelt es sich um die Frequenz, bei der Y-Achse um den Schwingungspegel (Beschleunigung dividiert durch anregende Kraft) in dB. Die verschiedenen Resonanzen sind als Einzelspitzen deutlich zu erkennen. Bei der Violine und der Viola (Fig. 5 und 6) bildet die B1-Mode typischer Weise den letzten herausragenden Resonanzgipfel eines durch die Einhüllende 7 gebildeten Korpusresonanzgebietes. Dieses Resonanzgebiet ist stets durch einen steilen Einbruch 8 (Antiresonanz) von den höherfrequenten Plattenresonanzspitzen getrennt. Wie in Fig. 7 erkennbar, bildet die B1-Mode beim Violoncello in der Regel den höchsten tieffrequenten Resonanzgipfel unterhalb 300 Hz. Die B1-Mode ist beim Violoncello häufig auch ohne physikalische Meßmethoden durch die sog. Wolfston-Anfälligkeit desjenigen gestrichenen Tones (besonders auf der C-Saite) auszumachen, dessen Grundfrequenz der Resonanzfrequenz der B1-Mode entspricht.
    Beim Kontrabaß (Fig. 8) liegt die B1-Mode in der Regel als zweite, der Helmholtzresonanz Ao folgende Hauptkorpusresonanz im Bereich um 100 Hz. Die Resonanzspitzen der Helmholtzresonanz Ao und der unterhalb der B1-Mode liegenden T1-Mode sind in Fig. 4 bis 7 als solche gekennzeichnet.
    Die in Merkmal b2) des Anspruchs 1 genannte zweittiefste Korpusresonanz der akustischen Gitarre ist in Fig. 9 veranschaulicht. Diese Resonanz wird im Schrifttum [siehe Fletcher N.H. und Rossing T.D: "The Physics of Musical Instruments", New York 1991] als Mode mit 0,0-Charakter bezeichnet, da sie weder in Längsnoch in Querrichtung der Decke 9 Knotenlinien aufweist, sondern vielmehr durch einen einzigen Schwingungsbauch je Resonanzplatte (Decke und Boden) gekennzeichnet ist. Die Verbindung von Hohlraum, Decke und Boden führt bei der Gitarre zu drei Korpusresonanzen mit 0,0-Charakteristik, und zwar zur Helmholtzresonanz sowie zu zwei frequenzmäßig eng benachbarten, etwa 100 Hz über der Helmholtzresonanz liegenden Korpusresonanzen. Bei der in Merkmal b2) genannten Mode handelt es sich um die tieferfrequente dieser beiden letztgenannten Resonanzen, und damit, da die Helmholtzresonanz die erste Korpusmode der Gitarre ist, um die zweittiefste Korpusresonanz, bzw. die mittlere der drei Korpusresonanzen mit 0,0-Charakter. Sie unterscheidet sich von der höherfrequenten, dritten Korpusresonanz mit 0,0-Charakter durch die Phasenlage zwischen Decke und Boden. Decke und Boden schwingen bei der in Merkmal b2) genannten Resonanz gleichphasig (in gleiche Raumrichtung), sodaß sich der Korpus wie eine dicke Platte als Ganzes verbiegt; bei der höherfrequenten, dritten 0-0-Korpusmode schwingen dagegen Decke und Boden gegenphasig, führen also eine "atmende" Bewegung des Korpus aus. Die Schwingungsform der in Merkmal b2) genannten Mode ist in Fig. 9 durch Linien gleicher Amplituden 10 illustriert. Diese sind um den Bereich des Steges 12 herum zentriert und beschreiben einen Schwingungsbauch, der etwa die Form des unteren Umrißbereiches der Resonanzplatte einnimmt [vgl. Richardson, B.E."The acoustical development of the guitar" in: Catgut Acoust. Soc. J. Vol. 2, No. 5 (Series II) May 1994; S. 5; Fig. 4b].
    Im Merkmal b3) handelt es sich um die tiefste Resonanz des Resonanzbodens des Klaviers bzw. Konzertflügels. Diese Resonanz wird entsprechend ihrer Schwingungsform ebenfalls mit 0,0-Mode bezeichnet. Ihre Schwingungsform ist durch Linien gleicher Amplituden 10 in Fig. 10 dargestellt [vgl.: Kindel: "Modal Analysis and finite element analysis of a piano soundboard" M.S.thesis, University Cincinnati. Zitiert aus: Fletcher N.H. und Rossing T.D: "The Physics of Musical Instruments", New York 1998, S. 382].
    Die Messung des in Anspruch 1, Merkmal a) genannten Qualitätsquotienten QM wird zweckmäßig wie folgt vorgenommen:
    Aus der Fläche der Resonanzplatte werden Streifenelemente 14 herausgeschnitten. Die Proportionen eines Streifenelementes sind dabei wie folgt von der mittleren Dicke (Dm) des Streifenelementes abgeleitet: Die Länge L des Streifens entspricht der 25-fachen Dicke Dm, die Breite B des Streifens entspricht der 5-fachen Dicke Dm.
    Es wird daraufhin meßtechnisch die Schallgeschwindigkeit CL der Longitudinalwellen in Längsrichtung des Streifenelementes (Streifens) bestimmt. Für diese Messung wird die im Bereich der Körperschallmessung etablierte Resonanzmethode angewandt. Sie ist in Fig. 11 veranschaulicht:
    Der Streifen 14 wird in den beiden Knotenlinien (n1 und n2) seiner ersten Biegeeigenfrequenz elastisch auf Gummizügen oder Schaumstoffkeilen 15 gelagert (frei-freie Randbedingungen). Der Streifen wird über Luftschall sinusförmig angeregt. Dazu wird im Abstand von etwa 5 mm unterhalb eines der beiden Streifenenden ein Miniaturlautsprecher 16 positioniert, der an einen Leistungsverstärker 17 angeschlossen ist. Das sinusförmige Signal wird von einem Sinusgenerator 18 generiert. Die Schwingungsantwort des auf diese Weise sinusförmig angeregten Streifens wird mit Hilfe eines Schallpegelmessers 19 abgenommen. Dazu wird das Mikrofon 20 des Schallpegelmessers in einem Abstand von ca. 1 mm oberhalb des dem Lautsprecher gegenüber liegenden Streifenendes positioniert. Am Sinusgenerator 18 wird die Frequenz allmählich so weit erhöht, bis die Eigenfrequenz der ersten Biegeeigenschwingung des Streifens durch das zugehörige Pegelmaximum des Pegelgipfels am Schallpegelmesser abgelesen werden kann. (Die geringe Eigenfrequenzabweichung infolge der Dämpfung kann an dieser Stelle vernachlässigt werden). Die dem Pegelmaximum dieses Resonanzgipfels entsprechende Frequenz f2;0 (in Hz) wird notiert. (Bedeutung der Indizierung fn;m: Anzahl der in Querrichtung des Streifens verlaufenden Knotenlinien n=2; Anzahl der Knotenlinien in Längsrichtung m=0; Die entsprechende Eigenschwingungsform ist mittels der (gestrichelten) Linien maximaler Auslenkung 21 in Fig. 11 symbolisiert).
    Die Schallgeschwindigkeit (cL) der Longitudinalwellen (in m/s) ist wie folgt definiert: CL = (0.98 * f2;0 * L2)/ Dm
    Darin ist L die Streifenlänge (in m), Dm die mittlere Streifendicke (in m), sowie f2;0 die Resonanzfrequenz (in Hz). (Sofern die Streifendicke gemäß Anspruch 5 nicht konstant ist, wird über die unterschiedlichen Dicken gemittelt und eine mittlere Streifendicke Dm angesetzt.)
    Die mittlere Gesamtdichte rho des Streifens errechnet sich aus rho = m/V. Darin ist m die Gesamtmasse (in g) und V das Gesamtvolumen (in m3) des Streifens. Das Gesamtvolumen V wird durch Abmessen der Streifendimensionen (Streifenlänge L (in m), Streifenbreite B (in m), sowie der mittleren Streifendicke Dm (in m)) entsprechend V = L * B * Dm bestimmt.
    In Fig. 12 ist der der Erfindung zugrundeliegende, physikalisch wesentliche Zusammenhang der Dickenabhängigkeit des Qualitätsquotienten QM dargestellt: Auf der X-Achse ist die Streifendicke Dm (in mm), auf der Y-Achse der Qualitätsquotient QM (in m4/sg) aufgetragen. Die mit A (Ahorn) und F (Fichte) bezeichneten Kurven stellen den Qualitätsquotienten der herkömmlicher Weise für Resonanzplatten verwendeten Holzarten dar. Es zeigt sich, daß er dickenunabhängig ist und in dieser Testreihe für Fichte bei 0.0155 m4/sg und für Ahorn bei 0.0067 m4/sg lag. Die mit VS bezeichnete Kurve zeigt den Qualitätsquotienten QM für die als Faserverbund-Sandwich gefertigten Teststreifen der erfindungsgemäßen Resonanzplatte. Deutlich ist die Verschlechterung dieses Quotienten QM bei Verringerung der Streifendicken unter 4 mm erkennbar. Je nach Materialbeschaffenheit der Kernplatte und des Faserverbund-Werkstoffs (Faser-Flächengewicht; Harzgehalt u.s.w), sowie je nach Kernplattenaussparungen und Faserbeschichtung (Richtung und Dichte) erhält man unterschiedliche Kurven VS, d.h. unterschiedliche Abhängigkeiten des Qualitätsquotienten QM von der Plattendicke. Gemäß Anspruch 2 wird die Dicke der Resonanzplatte so dimensioniert, daß der Qualitätsquotient QM wenigstens eines aus der Resonanzplatte geschnittenen Teststreifens wenigstens 90% des mit dem gewählten Faserverbund-Werkstoff erzielbaren Maximalwertes aufweist. Diese 90%-Linie 28 ist in Fig. 12 für den dort zugrundegelegten Faserverbund-Werkstoff eingezeichnet.
    Die Funktion VS in Fig. 12 macht sofort einsichtig, daß eine Kompensation der Eigenfrequenz-Erhöhungen der Resonanzplatte durch Verkleinerung ihrer Dicke zu einer Verschlechterung der akustischen Qualität führt. Erfindungsgemäß wird demgegenüber die klanglich notwendige Eigenfrequenz-Erniedrigung durch eine Vergrößerung des vom Umriß der Resonanzplatte umgrenzten Flächeninhalts erreicht. Die Fig. 13 und 14 zeigen dafür ein Ausführungsbeispiel. Da die Breite der Resonanzplatte in erster Näherung in zweiter Potenz in die Eigenfrequenzen eingeht, kann bereits eine relativ geringe Verbreiterung des Umrisses 23 der erfindungsgemäßen, mit Faserverbundbeschichtung 24 aufgebauten Resonanzplatte um etwa 5% gegenüber dem herkömmlichen Umriß 22 (gestrichelt gezeichnet) die geforderte Frequenzverschiebung bewerkstelligen.
    Die Kernplatte 26 der Resonanzplatte weist, wie in Fig. 14 an einem Segment dargestellt, gemäß Anspruch 4 Aussparungen 27 auf, wobei das Gesamtvolumen aller Aussparungen höchstens 80 %, vorzugsweise zwischen 20 und 45 % des von Material erfüllten Gesamtvolumens der Kernplatte beträgt. Dieses Merkmal gestattet eine Verbesserung des Masse-Steifigkeits-Verhältnisses der Resonanzplatte. Gemäß Anspruch 5 besitzt das in Fig. 14 dargestellte Segment der Resonanzplatte eine unterschiedliche Dicke D. Gemäß Anspruch 6 weist es eine multidirektionale Faserbeschichtung auf, die aus nicht parallel angeordneten Fasern 25 besteht.

    Claims (6)

    1. Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise, enthaltend wenigstens eine aus Langfasern und Trägermaterial bestehende Faserbeschichtung, zur Verwendung für ein akustisches Musikinstrument, insbesondere ein Streichinstrument, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:
      a) wenigstens ein aus der Resonanzplatte geschnittener Teststreifen weist einen Qualitätsquotienten (QM = cL/rho) von mindestens 0,02 m4/sg, vorzugsweise von mindestens 0,04 m4/sg auf, wobei cL die Schallgeschwindigkeit (in m/s) der Longitudinalwellen in Längsrichtung des Teststreifens und rho die mittlere Gesamtdichte (in g/m3) des Teststreifens ist;
      b) der vom Umriß der Resonanzplatte umgrenzte Flächeninhalt der Resonanzplatte ist so groß gewählt, daß
      b1) die Frequenz der Hauptkorpusresonanz (B1-Mode) von Streichinstrumenten in folgenden Bereichen liegt:
      bei der Violine zwischen 480 und 580 Hz, vorzugsweise zwischen 510 und 550 Hz,
      bei der Viola zwischen 380 und 500 Hz, vorzugsweise zwischen 420 und 460 Hz,
      beim Violoncello zwischen 150 und 210 Hz, vorzugsweise zwischen 170 und 190 Hz,
      beim Kontrabass zwischen 80 und 120 Hz, vorzugsweise zwischen 90 und 110 Hz,
      b2) die Frequenz der zweittiefsten Korpusresonanz (0,0-Mode) bei der Gitarre zwischen 180 und 240 Hz, vorzugsweise zwischen 190 und 220 Hz, liegt,
      b3) die Frequenz der tiefsten Resonanz (0,0-Mode) des Klavier- bzw. Konzertflügelresonanzbodens zwischen 40 und 60 Hz, vorzugsweise zwischen 45 und 55 Hz, liegt.
    2. Resonanzplatte nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Dicke der Resonanzplatte, daß für den vorgegebenen Faserverbund-Werkstoff der Qualitätsquotient QM wenigstens eines aus der Resonanzplatte geschnittenen Teststreifens wenigstens 90% des mit diesem Faserverbund-Werkstoff erzielbaren Maximalwerts aufweist.
    3. Resonanzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Kernplatte und wenigstens eine aus Langfasern und Trägermaterial bestehende äußere Faserbeschichtung enthält.
    4. Resonanzplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kernplatte innerhalb der durch den Umriß der Resonanzplatte umgrenzten Fläche wenigstens eine Aussparung aufweist, wobei das Gesamtvolumen aller Aussparungen höchstens 80 %, vorzugsweise zwischen 20 und 45 %, des von Material erfüllten Gesamtvolumens der Kernplatte beträgt.
    5. Resonanzplatte nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Bereiche der Kernplatte eine unterschiedliche Dicke aufweisen.
    6. Resonanzplatte nach Anspruch 1, daß die Faserbeschichtung einlagig und zugleich multidirektional ist.
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