EP1182642A2 - Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise - Google Patents

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EP1182642A2
EP1182642A2 EP01119532A EP01119532A EP1182642A2 EP 1182642 A2 EP1182642 A2 EP 1182642A2 EP 01119532 A EP01119532 A EP 01119532A EP 01119532 A EP01119532 A EP 01119532A EP 1182642 A2 EP1182642 A2 EP 1182642A2
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EP
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fiber
core plate
fiber coating
resonance
fibers
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EP1182642B1 (de
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Martin Schleske
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SCHLESKE, MARTIN
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    • 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 also for others with a resonance body or soundboard provided acoustic musical instruments (such as Guitars and pianos) can be used to advantage.
  • acoustic musical instruments such as Guitars and pianos
  • structures in fiber composite construction mostly consist of long fibers, which are preferred are oriented in certain directions, and a carrier or matrix material, which is generally a thermosetting or is thermoplastic.
  • the invention is an epoxy resin system.
  • 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.
  • Fiber coating 2 is one layer and at the same time multidirectional.
  • the invention is based on the following considerations and To attempt:
  • the cause of the sound radiation from the instrument is its natural vibrations.
  • the frequencies and forms of vibration of the natural vibrations largely determine the timbre of the instrument.
  • the formation of the natural vibrations is dependent on certain material properties, among which the anisotropy of the wood is of outstanding importance.
  • Anisotropy is the directional dependence of the physical properties of a material.
  • the anisotropy of the speed of sound of the longitudinal waves ie the ratio of the speed of sound in the longitudinal direction to the speed of sound in the transverse direction of the grain, is about 4: 1 for spruce wood and is therefore very pronounced.
  • the approximately four times as high the speed of sound in the direction of the fibers compared to the speed of sound across the fibers is due to the higher longitudinal bending stiffness of the spruce wood.
  • the high stiffness in the longitudinal direction of the fibers also makes sense due to the large forces occurring in this direction (due to the string tension).
  • the conventional string instrument shows a very good correspondence between the anisotropy of the speed of sound and the outline proportions (length to width) due to the playing technique, which are also of the order of 4: 1.
  • the anisotropy of the Fiber composite material produced resonance plate of anisotropy the conventional soundboard made of solid wood equivalent. Otherwise the requirement, natural frequencies and Natural vibration forms (and thus the desired and required Timbre), not met.
  • the decisive factors for the sound radiation of the instrument are Vibration level of the natural vibrations. You are dependent on the vibrating mass of the resonance plate, its acoustic meaning results from the following connection:
  • the vibration resistance (so-called. Impedance), which the resonance plate by the Opposing string vibrations generated, exciting alternating force, is the larger, the higher the vibrating mass of the resonance plate is.
  • the invention therefore proceeds on the basis of these considerations a fundamentally different way to measure the anisotropy of the Fiber composite construction produced resonance plate in the to implement the required manner.
  • the core plate with one more or less large number of cross-overlapping Fibre layers are completely coated solution according to the invention the multidirectional fiber alignment realized by means of single-layer fiber coating, or only Provide partial areas of the core plate with a fiber coating. ever according to the fiber layer pattern, the individual plate areas are preserved Degree and frequency of fiber direction changes different Stiffness ratios between longitudinal and transverse stiffness.
  • the condition formulated in the feature of claim 1 of a single-layer and at the same time multidirectional fiber coating defines a fiber fabric that changes its fiber direction in a single layer.
  • the fibers of individual fiber groups have - according to claim 4 - a similar direction, so they are "combed” oriented. It is therefore not a tangled fiber layer in which the fibers are also arranged in a multidirectional manner; However, while in the random fiber coating the individual fibers are “mixed together”, that is to say arranged randomly, in the fiber coating according to the invention the individual fibers form common, linear fiber patterns as fiber groups due to the “combed” arrangement. This is shown by way of example in FIGS. 1 to 3.
  • the term “single-layer” does not exclude that individual fibers can overlap to a certain extent due to their small cross-section within the matrix system in which they are embedded. Such fiber overlays of a single-layer fiber coating are usually unavoidable in terms of production - even when using prepregs - because the fibers always have a certain freedom of movement during the liquefaction phase of the matrix system until it has finally hardened. Rather, the term “single-layer” excludes that a multi-layer structure is provided, as is provided in the conventional, cross-layer and / or layer-by-layer structure by a plurality of fiber coatings or fiber fabric lying one above the other.
  • the resonance plate according to the invention thus allows instruments to build that in terms of 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 fiber coating according to claims 1 to 8 can in principle be produced by various methods.
  • One possibility is given by hand laminating the core plate. Although this method requires little investment, it is time-consuming and less reproducible than other methods.
  • Claim 9 therefore describes an alternative method, namely the production of a so-called prepreg ( pre- preg nated fibers).
  • a prepreg is a semi-finished product pre-impregnated with a thermoplastic or thermosetting carrier material (matrix). It offers the advantage that the very complex impregnation process of the fibers with the matrix resin is carried out separately from the actual coating of the core plate. This process, which is very important for the quality and the property profile of the later fiber composite material, is carried out on a prepreg system under controlled and reproducible conditions [see.
  • a thin solid wood layer (preferably made of spruce or maple wood), which occupies the entire surface of the resonance plate, is preferably applied to both sides of the core plate in order to additionally increase the overall flexural strength of the plate in the plate regions not provided with fiber composite. Since the fiber coating has a very high density, in particular when carbon fibers are preferably used, the feature of the partial coating according to claims 5 and 10 saves vibrating mass to a considerable extent and thus significantly increases the sound radiation of the resonance plate according to the invention.
  • the changes in direction 6 of the fibers 2 of the multidirectional Fiber course are shown in Figs. 1 to 3.
  • This Changes in direction can be abrupt. This is the case when the fiber coating according to claim 5 the shape of individual strips 3 or separate from each other Zones 4 has.
  • the fiber coating is in partial areas 5 recessed by - according to claim 5 - only on at least one Part of the core plate 1, the fiber coating 2 is provided.
  • Fiber properties, such as yarn count or yarn thickness, are according to Claim 6 over the total area of the fiber coating different (cf. in Fig. 1a those designated 7 different fibers of two zones).
  • Fig. 1a represents a surface segment of the fiber coating according to the invention, which consists of many individual separated from each other, "patchwork-like" on the core plate applied (in the example shown unidirectional) zones 4 consists.
  • the individual zones have one in themselves unidirectional fiber orientation.
  • the longitudinal axis of the zones 4 takes the reference axis different angles. As a result, the whole Fiber coating a multi-directional, single layer Fiber coating realized.
  • Fig. 1b shows - using the example of one Embodiment variant of the invention for use for String instruments - the realization of the single-layer, multidirectional fiber coating by single (im illustrated embodiment unidirectional) different oriented strips 3, depending on the position with L1 to L6 are designated and occupy larger areas of the total area.
  • L1, L3 and L5 solid lines
  • L2, L4 and L6 dashed lines
  • the fiber course gives way to Top side from the grain of the bottom.
  • a Stiffening in the transverse direction is achieved in the middle section and not because of the conventional, crosswise layer structure multiple laminates, but by the difference between the Fiber routing on the top and that on the bottom of the Core plate 1.
  • the top and bottom of the core plate are in all Areas only with a single-layer fiber coating.
  • At the border edges of the differently oriented strips 3 or Zones 4 allow manufacturing overlaps and intended.
  • partial areas 5 of the resonance plate are not covered with fiber.
  • the preferred embodiment does not have an abrupt one, but as in FIG 2 and 3, continuous changes in direction 6. Both in this case and in the case of the one shown in FIG. 1 abrupt changes in fiber direction, the fiber areas are "combed” oriented, the individual fibers form common fiber patterns.
  • the Fiber coating different fiber proportions per unit area as shown in Figure 3 by areas 8 of increased fiber density (Fiber content per unit area) and areas 9 reduced Fiber density is illustrated. This can cause mass coating (mass per unit area) and strength properties Load directions and natural vibrations of the resonance plate be better adapted than with a constant fiber density.
  • the multiple change of direction of the fibers creates a "blocking" effect in such a way that a stiffening portion of the fiber coating is also achieved transversely to the longitudinal direction of the resonance plate.
  • This "blocking effect” which is illustrated in FIG. 3 at one point by way of example by the fiber course (direction of line 10) deviating from the longitudinal direction (direction of line 11) of the resonance plate, is provided in the preferred embodiment of the resonance plate. This increases the transverse rigidity of the resonance plate in a targeted manner.
  • - as formulated in claim 7 the fiber course on the top deviates from the fiber course on the bottom of the core plate.
  • a "warm” sounding wood to produce the corresponding damping range of the natural vibrations, has a preferred embodiment of the invention, according to claim 8, in at least a portion of the total area of the Resonance plate at least a thin damping layer.
  • a thin outer layer made of solid wood applied by Preparation or priming and painting essential contributes to the required damping values of the resonance plate manufacture.

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Abstract

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, bestehend aus Kernplatte und Faserbeschichtung aufgebaut. Die Faserbeschichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie multidirektional und einlagig, bzw. multidirektional und nur auf Teilbereiche der Kernplatte aufgebracht ist. Die erfindungsgemäße Resonanzplatte bewirkt aufgrund ihres günstigeren Masse-Steifigkeits-Verhältnisses gegenüber den herkömmlichen Resonanzplatten aus Vollholz oder Composite eine Erhöhung der Schallabstrahlung des Musikinstrumentes. <IMAGE>

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 ist jedoch auch für andere, mit einem Resonanzkorpus oder Resonanzboden versehene akustische Musikinstrumente (wie Gitarren und Klaviere) vorteilhaft verwendbar.
In neuerer Zeit hat man 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. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich um ein Epoxydharzsystem.
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 dadurch gelöst, dass die Faserbeschichtung 2 einlagig und zugleich multidirektional ist.
Im einzelnen basiert die Erfindung auf folgenden Überlegungen und Versuchen:
Die Ursache für die Schallabstrahlung des Instrumentes sind dessen Eigenschwingungen. Die Frequenzen und Schwingungsformen der Eigenschwingungen bestimmen maßgeblich die Klangfarbe des Instrumentes. Die Ausbildung der Eigenschwingungen ist wiederum abhängig von bestimmten Materialeigenschaften, unter denen die Anisotropie des Holzes eine herausragende Bedeutung besitzt. Unter Anisotropie versteht man die Richtungsabhängigkeit der physikalischen Eigenschaften eines Werkstoffs. Die Anisotropie der Schallgeschwindigkeit der Longitudinalwellen, d.h. das Verhältnis von Schallgeschwindigkeit in Längsrichtung zu Schallgeschwindigkeit in Querrichtung des Faserverlaufes, liegt bei Fichtenholz etwa bei 4:1 und ist damit stark ausgeprägt. Die etwa viermal so große Schallgeschwindigkeit in Faserrichtung gegenüber der Schallgeschwindigkeit quer zur Faser ist auf die höhere Längsbiegesteifigkeit des Fichtenholzes zurückzuführen. Die hohe Steifigkeit in Faserlängsrichtung erscheint auch aufgrund der großen, in dieser Richtung (aufgrund der Saitenspannung) auftretenden Kräfte sinnvoll.
Darüber hinaus zeigt sich beim herkömmlichen Streichinstrument eine sehr gute Übereinstimmung der Anisotropie der Schallgeschwindigkeit mit den spieltechnisch bedingten Umrißproportionen (Länge zu Breite), die ebenfalls in der Größenordnung von 4:1 liegen.
Aus diesen Gründen ist es notwendig, daß die Anisotropie der aus Faserverbund-Werkstoff hergestellten Resonanzplatte der Anisotropie der herkömmlichen, aus Vollholz hergestellten Resonanzplatte entspricht. Andernfalls wird die Forderung, Eigenfrequenzen und Eigenschwingungsformen (und damit die erwünschte und geforderte Klangfarbe) beizubehalten, nicht erfüllt.
Man könnte nun daran denken, die geforderte Anisotropoie dadurch herzustellen, daß verschiedene unidirektionale Fasergelege unter bestimmten Winkeln kreuzweise übereinander positioniert und auf den beiden Seiten der Kernplatte angebracht werden. Eine Faserverbund-Struktur in dieser Weise aus gestapelten Laminatschichten aufzubauen, ist die übliche Vorgehensweise, wenn die Aufgabe darin besteht, die Festigkeitseigenschaften der Struktur den Belastungsrichtungen des Bauteils anzupassen. Die Winkel, welche die Faserlängsrichtungen der verschiedenen unidirektionalen Fasergelege zueinander einnehmen, bestimmen dann das Verhältnis von Längs- zu Quersteifigkeit [siehe: Michaeli/ Huybrechts/ Wegener: "Dimensionieren mit Faserverbundkunstoffen", München, Wien 1994, S. 61]. Dieser üblichen Vorgehensweise folgen die bisherigen Versuche der Herstellung von Resonanzplatten aus Faserverbund-Werkstoffen. Sie sind stets aus einer mehr oder weniger großen Anzahl verschiedener übereinander gelegter Fasergelege oder -gewebe (Laminate) aufgebaut, vgl. etwa die DE 3738459, DE 69023318 T2; U.S. Pat. 5,955,688 oder U.S. Pat. 6,087,568. All diese Versuche berücksichtigen zu Recht, daß die Verwendung eines einzigen unidirektionalen Fasergeleges auf jeder Seite der Kernplatte i.d.R. nicht ausreicht, um die geforderte Anisotropie herzustellen. Anderseits verkennen diese herkömmlichen Lösungsansätze eine akustisch wesentliche Eigenschaft von Resonanzplatten:
Maßgeblich für die Schallabstrahlung des Instrumentes sind die Schwingungspegel der Eigenschwingungen. Sie sind abhängig von der schwingenden Masse der Resonanzplatte, deren akustische Bedeutung sich aus folgendem Zusammenhang ergibt: Der Schwingungswiderstand (sog. Impedanz), den die Resonanzplatte der durch die Saitenschwingungen erzeugten, anregenden Wechselkraft entgegensetzt, ist umso größer, je höher die schwingende Masse der Resonanzplatte ist. Um hohe Schwinggeschwindigkeiten (sog. Schnelle) der Resonanzplatte und damit eine möglichst wirksame Schallabstrahlung des Instrumentes zu erreichen, ist bei gegebener Anregungskraft ein möglichst geringer Schwingungswiderstand und damit eine möglichst geringe schwingende Masse erforderlich.
Da bei Faserverbund-Sandwich-Konstruktionen der überragende Anteil an der Gesamtmasse nicht von der Kernplatte, sondern von der Faserbeschichtung geliefert wird, hängt die Gesamtmasse vor allem von der Anzahl der nötigen Faserbeschichtungen ab.
Dies wird - exemplarisch für eine Geige - durch folgendes Zahlenbeispiel anschaulich: Die durchschnittliche Gesamtmasse einer herkömmlichen, aus Fichtenholz gefertigen Geigendecke liegt zwischen 60 und 75 Gramm. Geometriegleiche Resonanzplatten aus Faserverbund-Werkstoff liefern in Abhängigkeit von der Anzahl der aufgebrachten Faserbeschichtungen (bei Faserbeschichtungen mit einem Flächengewicht von 100 g/m2) folgende Gesamtmassen:
  • Bei je einer Faserbeschichtung auf Ober- und Unterseite der Kernplatte: 46 Gramm Gesamtmasse der Resonanzplatte.
  • Bei je zwei Faserbeschichtungen auf Ober- und Unterseite der Kernplatte: 68 Gramm Gesamtmasse der Resonanzplatte.
  • Bei je drei Faserbeschichtungen auf Ober- und Unterseite der Kernplatte: 91 Gramm Gesamtmasse der Resonanzplatte.
Damit wird deutlich, daß bereits bei der Verwendung von nur zwei unidirektionalen Faserbeschichtungen je Kernplatten-Seite, und damit dem Minimum der zur Herstellung der Anisotropie erforderlichen Anzahl an Faserbeschichtungen, bereits keine akustischen Vorteile mehr gegenüber der herkömmlichen Fichten-Resonanzplatte erreicht werden.
Ausgehend von diesen Überlegungen beschreitet die Erfindung daher einen grundsätzlich anderen Weg, um die Anisotropie der in Faserverbund-Bauweise hergestellten Resonanzplatte in der geforderten Weise zu realisieren.
Während bei den bisherigen Lösungsversuchen, Resonanzplatten als Faserverbund-Sandwich anzufertigen, die Kernplatte mit einer mehr oder weniger großen Anzahl kreuzweise übereinander liegender Faserlagen vollständig beschichtet ist, wird bei der erfindungsgemäßen Lösung die multidirektionale Faserausrichtung mittels einlagiger Faserbeschichtung realisiert, bzw. nur Teilbereiche der Kernplatte mit einer Faserbeschichtung versehen. Je nach Faserlagenmuster erhalten die einzelnen Plattenbereiche durch Grad und Häufigkeit der Faserrichtungsänderungen verschiedene Steifigkeitsverhältnisse zwischen Längs- und Quersteifigkeit.
Die im Merkmal des Anspruchs 1 formulierte Bedingung einer einlagigen und zugleich multidirektionalen Faserbeschichtung definiert ein Fasergelege, das in einer einzigen Lage seine Faserrichtung ändert. Die Fasern von einzelnen Fasergruppen weisen dabei - gemäß Anspruch 4 - eine gleichartige Richtung auf, sind also "gekämmt" orientiert. Es handelt sich damit nicht um eine Wirrfaser-Lage, bei der die Fasern zwar ebenfalls multidirektional angeordnet sind; während aber bei der Wirrfaser-Beschichtung die einzelnen Fasern "durcheinander gemischt", also zufällig angeordnet sind, bilden bei der erfindungsgemäßen Faserbeschichtung die einzelnen Fasern durch die "gekämmte" Anordnung als Fasergruppen gemeinsame, linienförmige Fasermuster. Dies ist in Fig. 1 bis 3 beispielhaft dargestellt. Im Gegensatz zur Wirrfaser-Beschichtung, bei der die einzelnen Fasern sich in beliebigen Winkeln überlappen, weisen aufgrund der "gekämmten" Faserorientierung bei der erfindungsgemäßen Faserbeschichtung mögliche Überlappungen vorwiegend kleine Winkel zwischen einzelnen Fasern auf.
Der Begriff "einlagig" schließt nicht aus, daß sich einzelne Fasern aufgrund ihres geringen Querschnitts innerhalb des Matrixsystems, in das sie eingebettet sind, zu einem gewissen Anteil überlagern können. Solche Faserüberlagerungen einer einlagigen Faserbeschichtung sind i.d.R. fertigungstechnisch - selbst bei Verwendung von Prepregs - nicht zu vermeiden, denn die Fasern haben während der Verflüssigungsphase des Matrixsystems bis zu dessen endgültigem Aushärten stets eine gewisse Bewegungsfreiheit. Vielmehr grenzt der Begriff "einlagig" aus, daß ein mehrlagiger Aufbau vorgesehen ist, wie er beim herkömmlichen, kreuz- und/oder schichtweisen Aufbau durch mehrere übereinander liegende Faserbeschichtungen oder Fasergewebe gegeben ist.
Die erfindungsgemäß reduzierte Anzahl von Faserlagen (bei gleichzeitiger Herstellung der geforderten Anisotropie infolge der Richtungsänderungen der Faserbeschichtung) gestattet gegenüber dem Stand der Technik die Anfertigung von wesentlich leichteren Resonanzplatten. Da die schwingende Masse der Resonanzplatte, wie erläutert, umgekehrt proportional zur erzielbaren Schwinggeschwindigkeit (Schnelle) ist, liefert die erfindungsgemäße Lösung gegenüber den bisherigen Resonanzplatten in Faserverbund-Bauweise und gegenüber den herkömmlichen Vollholz-Resonanzplatten bei gleicher Anisotropie und damit gleicher Klangfarbe eine höhere Schallabstrahlung.
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.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine Herstellung der Faserbeschichtung gemäß der Ansprüche 1 bis 8 kann grundsätzlich durch verschiedene Verfahren erfolgen. Eine Möglichkeit ist durch das Handlaminieren der Kernplatte gegeben. Diese Methode verlangt zwar nur einen geringen Investitionsbedarf, ist dafür aber zeitintensiv und weniger reproduzierbar als andere Verfahren. Anspruch 9 beschreibt daher ein alternatives Verfahren, nämlich die Herstellung eines sog. Prepregs (engl. pre im preg nated fibers). Ein Prepreg stellt ein mit i.d.R. thermoplastischem oder duroplastischem Trägermaterial (Matrix) vorimprägniertes Halbzeug dar. Es bietet den Vorteil, daß der sehr komplexe Tränkungsvorgang der Fasern mit dem Matrixharz von der eigentlichen Beschichtung der Kernplatte getrennt durchgeführt wird. Dieser für die Qualität und das Eigenschaftsprofil des späteren Faserverbund-Werkstoffes sehr wichtige Vorgang wird auf einer Prepreganlage unter kontrollierten und reproduzierbaren Bedingungen durchgeführt [s. Ehrenstein, G.W.: "Faserverbund-Kunststoffe", München-Wien 1992]. Zwar werden textile Gelege und Gewebe mit unterschiedlichsten Formen als Prepregs angeboten, doch weisen sie die in den Ansprüchen 1-8 dargestellten Merkmale nicht auf. Bisherige multidirektionale Prepregs sind stets als kreuzweises Gewebe oder als Kombination mehrerer unidirektionaler Laminate aufgebaut. Sie weisen damit ein in der genannten Weise nachteiliges, höheres Flächengewicht auf als die erfindungsgemäße multidirektionale und zugleich einlagige Faserbeschichtung.
In Einzelfällen, nämlich bei Verwendung der Resonanzplatte für Musikinstrumente, deren statische Belastung infolge der auf sie wirkenden Saitenspannung derart beschaffen ist, daß Teilbereiche der Resonanzplatte keinen oder nur sehr geringen statischen Belastungen ausgesetzt sind, ist es zweckmäßig, die schwingende Masse der Resonanzplatte dadurch zu reduzieren, daß - gemäß der Ansprüche 5 und 10 - in diesen Teilbereichen keine Faserverbund-Beschichtung vorgesehen ist. Es sind in diesem Fall also nur diejenigen Teilbereiche der Kernplatte, die starken statischen Belastungen ausgesetzt sind, mit der festigenden Faserbeschichtung versehen.
In den nicht mit Faserverbund beschichteten Teilbereichen werden die Festigkeitseigenschaften der Resonanzplatte, insbesondere bei der vorzugsweisen Verwendung von Balsaholz als Kernplattenmaterial, von der Kernplatte selbst aufgebracht. Darüber hinaus wird vorzugsweise auf beide Seiten der Kernplatte je eine die Gesamtfläche der Resonanzplatte einnehmende, dünne Vollholzschicht (vorzugsweise aus Fichten- oder Ahornholz) aufgebracht, um die Gesamtbiegefestigkeit der Platte in den nicht mit Faserverbund versehenen Plattenbereichen zusätzlich zu erhöhen. Da die Faserbeschichtung, insbesondere bei der vorzugsweisen Verwendung von Kohlefasern, eine sehr hohe Dichte aufweist, wird durch das Merkmal der Teilbeschichtung gemäß der Ansprüche 5 und 10 schwingende Masse in erheblichem Umfang eingespart und damit die Schallabstrahlung der erfindunggemäßen Resonanzplatte wesentlich erhöht.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Resonanzplatte für Musikinstrumente, bei denen die Resonanzplatte in Teilbereichen starken statischen Belastungen ausgesetzt ist (wie es bei Streichinstrumenten etwa im Deckenbereich unter dem Griffbrett der Fall ist), ist - gemäß Anspruch 10 - vorgesehen, die multidirektionale Faserbeschichtung in den besagten, statisch stark belasteten Teilbereichen mehrlagig auszuführen. Die damit verbundene (zwar unerwünschte) Erhöhung der schwingenden Masse wird durch das Merkmal einer nur teilweisen Faserverbund-Beschichtung der Kernplatte 1 kompensiert.
Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Die Richtungsänderungen 6 der Fasern 2 des multidirektionalen Faserverlaufs sind in Fig. 1 bis 3 dargestellt. Diese Richtungsänderungen können, wie in Fig. 1 erkennbar, abrupt sein. Dies ist dann der Fall, wenn die Faserbeschichtung gemäß Anspruch 5 die Form einzelner Streifen 3 oder einzelner voneinander getrennter Zonen 4 aufweist. In Teilbereichen 5 ist die Faserbeschichtung ausgespart, indem - gemäß Anspruch 5 - nur auf wenigstens einem Teilbereich der Kernplatte 1 die Faserbeschichtung 2 vorgesehen ist. Fasereigenschaften, wie Garnfeinheit oder Garndicke, sind gemäß Anspruch 6 über die Gesamtfläche der Faserbeschichtung unterschiedlich (vgl. in Fig.1a die mit 7 bezeichneten unterschiedlichen Fasern zweier Zonen).
Die Ausführungsvariante Fig. 1a stellt ein Flächensegment der erfindungsgemäßen Faserbeschichtung dar, das aus vielen einzelnen, voneinander getrennten, "patchworkartig" auf die Kernplatte aufgetragenen (im abgebildeten Beispiel unidirektionalen) Zonen 4 besteht. Zwar weisen die einzelnen Zonen für sich genommen einen unidirektionalen Faserverlauf auf. Bezüglich einer gemeinsamen Bezugsachse nehmen die Faserlängsrichtungen der Zonen 4 aber unterschiedliche Winkel ein. Dadurch wird in der Gesamtheit der Faserbeschichtung eine multidirektionale, einlagige Faserbeschichtung realisiert.
Alternativ dazu zeigt Fig. 1b - am Beispiel einer Ausführungsvariante der Erfindung zur Verwendung für Streichinstrumente - die Realisierung der einlagigen, multidirektionalen Faserbeschichtung durch einzelne (im dargestellten Ausführungsbeispiel unidirektionale) unterschiedlich orientierte Streifen 3, die je nach Position mit L1 bis L6 bezeichnet sind und größere Teilbereiche der Gesamtfläche einnehmen. Mit L1, L3 und L5 (durchgezogene Linien) ist die Faserbeschichtung der Oberseite, mit L2, L4 und L6 (gestrichelte Linien) die der Unterseite bezeichnet. Gemäß Anspruch 7 weicht der Faserverlauf der Oberseite vom Faserverlauf der Unterseite ab. Dies ist im dargestellten Ausführungsbeispiel bei Faserbeschichtung L1 und L2 (im Mittelbereich zwischen den Linien A und B) der Fall, wohingegen der Faserverlauf in den Randbereiche (links von Linie A und rechts von Linie B) auf der Oberseite (L3 und L5) identisch mit dem auf der Unterseite (L4 und L6) ist. An den Grenzkanten A und B der Streifen liegt eine Änderung der Faserrichtung 6 vor: Die mittleren Streifen L1 und L2 (zwischen den Linien A und B) weisen eine Winkelabweichung von der Längsrichtung der Resonanzplatte auf, während die Streifen im Randbereich L3 bis L6 parallel zur Längsrichtung orientiert sind. Auf diese Weise wird bei der dargestellten Ausführungsvariante die nach Anspruch 1 geforderte mulitidirektionale Faserbeschichtung durch die unterschiedliche Faserorientierung von Mittelbereich und Randbereichen realisiert. Eine "absperrende" Wirkung, d.h. eine Versteifung in Querrichtung wird hierbei im Mittelteil erreicht und zwar nicht durch den herkömmlichen, kreuzweisen Schichtaufbau mehrerer Laminate, sondern durch die Abweichung zwischen dem Faserverlauf auf der Oberseite und dem auf der Unterseite der Kernplatte 1. Ober- und Unterseite der Kernplatte sind in allen Bereichen stets nur mit einer einlagigen Faserbeschichtung versehen. An den Grenzkanten der unterschiedlich orientierten Streifen 3, bzw. Zonen 4 sind fertigungstechnische Überlappungen zulässig und vorgesehen. Wie im Beispiel der Fig.1a sind auch bei der Variante gemäß Fig.1b Teilbereiche 5 der Resonanzplatte nicht faserbedeckt.
Die bevorzugte Ausführungsform weist keine abrupten, sondern, wie in Fig. 2 und 3 dargestellt, kontinuierliche Richtungsänderungen 6 auf. Sowohl in diesem Fall, als auch im Fall der in Fig. 1 dargestellten abrupten Faserrichtungsänderungen sind die Faserbereiche "gekämmt" orientiert, bilden die einzelnen Fasern also gemeinsame Fasermuster. Zweckmäßiger Weise weist dabei, gemäß Anspruch 2, die Faserbeschichtung unterschiedliche Faseranteile pro Flächeneinheit auf, wie dies in Fig. 3 durch Bereiche 8 erhöhter Faserdichte (Faseranteil pro Flächeneinheit) und Bereiche 9 verringerter Faserdichte veranschaulicht ist. Dadurch können Massenbelag (Masse pro Flächeneinheit) sowie Festigkeitseigenschaften den Belastungsrichtungen und Eigenschwingungsformen der Resonanzplatte besser angepaßt werden als bei einer konstanten Faserdichte.
Durch die mehrfache Richtungsänderung der Fasern, gemäß Anspruch 3, entsteht eine "absperrende" Wirkung derart, daß ein versteifender Anteil der Faserbeschichtung auch quer zur Längsrichtung der Resonanzplatte erzielt wird. Diese "absperrende Wirkung", die in Fig. 3 an einer Stelle beispielhaft durch den von der Längsrichtung (Richtung der Linie 11) der Resonanzplatte abweichenden Faserverlauf (Richtung der Linie 10) veranschaulicht ist, ist bei der bevorzugten Ausführungsform der Resonanzplatte vorgesehen. Dadurch wird an einigen Bereichen gezielt die Quersteifigkeit der Resonanzplatte erhöht.
Auch bei den Ausführungsbeispielen mit kontinuierlicher Richtungsänderung 6 (Fig. 2 und 3) kann es zweckmäßig sein, dass - wie in Anspruch 7 formuliert - der Faserverlauf auf der Oberseite vom Faserverlauf auf der Unterseite der Kernplatte abweicht.
Um bei Verwendung der wenig gedämpften und darum eher metallisch klingenden Kohlefaser einen dem "warm" klingenden Holz entsprechenden Dämpfungsbereich der Eigenschwingungen herzustellen, weist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, gemäß Anspruch 8, in wenigstens einem Teilbereich der Gesamtfläche der Resonanzplatte wenigstens eine dünne Dämpfungsschicht auf. Vorzugsweise ist auf die Oberflächen der Resonanzplatte zusätzlich je eine dünne Außenschicht aus Vollholz aufgebracht, die durch Präparierung bzw. Grundierung und Lackierung wesentlich dazu beiträgt, die geforderten Dämpfungswerte der Resonanzplatte herzustellen. Der Aufbau eines Flächensegments der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt; es besteht aus Kernplatte 1, multidirektionaler und zugleich einlagiger Faserbeschichtung 2 (mit Bereichen erhöhter Faserdichte 8 und Bereichen verringerter Faserdichte 9) - sowie Dämpfungsschicht 12 und Außenschicht 13 aus Vollholz. Um den Faserverlauf kenntlich zu machen sind in Fig. 1 bis 4 die Faserdichte (Faseranteil pro Flächeninhalt) deutlich geringer und der Faserdurchmesser deutlich größer dargestellt als es bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung tatsächlich der Fall ist.

Claims (10)

  1. Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise für akustische Musikinstrumente, insbesondere zur Verwendung als zumindest eine der beiden Resonanzplatten des Resonanzkörpers von Streichinstrumenten, bestehend aus einer Kernplatte (1) und einer im Bereich wenigstens einer der beiden Außenseiten der Kernplatte vorgesehenen Faserbeschichtung (2) aus Langfasern, die in ein Trägermaterial eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbeschichtung (2) einlagig und zugleich multidirektional ist.
  2. Resonanzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in zumindest einer Faserbeschichtung der Faseranteil pro Flächeneinheit über die Gesamtfläche unterschiedlich verteilt ist.
  3. Resonanzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Fasern Richtungsänderungen (6) aufweisen.
  4. Resonanzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern von einzelnen Fasergruppen eine gleichartige Richtung aufweisen.
  5. Resonanzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbeschichtung (2) nur auf wenigstens einem Teilbereich wenigstens einer Außenseite der Kernplatte vorgesehen ist, wobei die Faserbeschichtung (2) dabei vorzugsweise die Form einzelner Streifen (3) oder einzelner voneinander getrennter Zonen (4) aufweist.
  6. Resonanzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasereigenschaften, wie Garnfeinheit oder Garndicke, über die Gesamtfläche der Faserbeschichtung unterschiedlich sind (7).
  7. Resonanzplatte nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlauf der Fasern der Faserbeschichtung (2) auf der Oberseite der Kernplatte (1) vom Verlauf der Fasern auf der Unterseite der Kernplatte (1) abweicht.
  8. Resonanzplatte nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Faserbeschichtung in wenigstens einem Teilbereich der Gesamtfläche der Resonanzplatte eine dünne Dämpfungsschicht (12) vorgesehen ist.
  9. Halbzeug (Prepreg), in Form einer Faserschicht aus Langfasern, die in ein Trägermaterial (Matrix) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserschicht einlagig und zugleich multidirektional ist.
  10. Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise für akustische Musikinstrumente, insbesondere zur Verwendung als zumindest eine der beiden Resonanzplatten des Resonanzkörpers von Streichinstrumenten, bestehend aus einer Kernplatte (1) und einer im Bereich wenigstens einer der beiden Außenseiten der Kernplatte vorgesehenen Faserbeschichtung (2) aus Langfasern, die in ein Trägermaterial eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserbeschichtung multidirektional und zugleich nur auf wenigstens einem Teilbereich wenigstens einer Außenseite der Kernplatte (1) vorgesehen ist, wobei die Faserbeschichtung (2) dabei vorzugsweise die Form einzelner Streifen (3) oder einzelner voneinander getrennter Zonen (4) aufweist.
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