Bestimmung des Einflusses spitzwinklig zur Stammachse angeschnittener Fasern und geneigt verlaufender Jahrringe von Fichten- und Ahornresonanzholz auf die akustisch wichtigen Eigenschaften von Resonanzplatten für besaitete Musikinstrumente

Projektleiter: Dipl.-Ing. D. Kluck

Projektabschluß: November 1995

Der Einfluß verschiedener Schnittwinkelvariationen wurde für zwei Resonanzholzarten an Probekörpern und für Fichtenholz an Resonanzdecken von Gitarren untersucht. Die Messungen akustischer Eigenschaften an 224 Probestäben ergaben, daß kleine Winkelabweichungen von der idealen Faserstruktur, d.h. unter 6°, schrägfasriger und spitzwinkliger Zuschnitte keine vom üblichen Streubereich der Hölzer erkennbaren Qualitätsverschlechterungen bewirkten. Oberhalb dieser Winkelabweichung verhalten sich sowohl schräg- als auch spitzwinklige Fichtenholzzuschnitte annähernd gleichartig. Für Ahornresonanzholz ist ein deutlicher Abfall der Festigkeit bei spitzwinkligen Faseranschnitten erkennbar. Der Einfluß geneigter Jahrringe sowohl von Fichten- als auch Ahornresonanzholz ist bei Winkelabweichungen bis 70° bzw. 65° auf akustische Eigenschaften unbedeutend. Hauptsächlich vergrößern sich die Streubereiche derartiger Parameter, was für eine Serienfertigung nicht von Vorteil ist.

Die akustisch objektiven als auch subjektiven Messungen am Fertiginstrument überraschen insofern, daß die Instrumente, die visuell und schnittrichtungsseitig als schlechteste Gitarrengruppe eingestuft wurde, im Hörtest als auch in der Frequenzkurvenmessung als beste Gruppe abschneidet. Das wird in erster Linie dadurch verursacht, daß bei gleicher baulicher Form die Hohlraum- und Decken-resonanzen der Instrumente mit schlechterem Resonanzholz tiefer liegen, als die mit besserem Resonanzholz.

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Optimierung von Gitarren mittels Modalanalyse

Projektleiter: Dipl.-Phys. G. Ziegenhals
Projektabschluß: Juni 1995

Ziel des Projektes war es, in enger Zusammenarbeit mit profilierten Gitarrenbaumeistern die Möglichkeiten der Modalanalyse zur Optimierung von Gitarren zu erproben und für die Folgezeit die Grundlage für ein Dienstleistungsangebot zur Unterstützung bei Neu- und Weiterentwicklungen von Instrumenten zu schaffen. An 5 Referenz- sowie 5 Testinstrumenten wurden Frequenzkurven-, Klangdauer- sowie Lautstärke-messungen vorgenommen. Gleichzeitig erfolgten anhand von digital aufgezeichneten Klangbeispielen aller 10 Instrumente Hörtests und Spieltest mit Gitarristen verschiedener Ausbildung mit dem Ziel, eine qualitative Rangfolge der Instrumente aufzustellen und über Korrelation mit den Meßergebnissen Schwachstellen in den akustischen Parametern der Instrumente aufzudecken. Es zeigte sich, daß die Testinstrumente durchweg Schwachstellen bei der wichtigen dritten Resonanz der Frequenzkurve aufweisen. Für alle Instrumente wurde unter Verwendung des Systems STAR®eine Modalanalyse durchgeführt. Diese ergab einen umfassenden Überblick über die Schwingungseigenschaften der Decken (wichtigstes abstrahlendes Element der Gitarre). Im System STAR® wurden nun Veränderungen der Beleistung zur Verbesserung der dritten Resonanz simuliert und die Ergebnisse von einem Gitarrenbaumeister an den Testinstrumenten baulich realisiert. Alle Testinstrumente zeigen nach dem Umbau positive Veränderungen. Diese Veränderungen fallen, wie bei der Herstellungstechnologie und dem Hauptwerkstoff Holz nicht anders zu erwarten, natürlich unterschiedlich stark aus.
Im Ergebnis des Projektes steht für den Serieninstrumentenbau eine nützliche zukunftsträchtige Anwendung der Modalanalyse für Neu- und Weiterentwicklungen bereit. Der Instrumentenbauer wird in die Lage versetzt, mit Unterstützung erfahrener Akustiker Verbesserungen an seinen Instrumenten in einem zeitsparenden Verfahren vorzunehmen. Die Vorhersagen anhand der Computermodelle sind trotz der relativ großen Serienstreuung im Musikinstrumentenbau sicher. Für die Einzelfertigung der Handwerksmeister ist das Verfahren in den meisten Fällen zu aufwendig. Jedoch trägt die Anschaulichkeit der Ergebnisse der Modalanalyse (Computeranimation der Schwingungsvorgänge am Instrument) auch hier zu besserem Verständnis der Vorgänge am Instrument und so zu neuen Ideen bei.

Veröffentlichungen zum Projekt:

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Der akustische Einfluß der Form von Klarinettenmundstücken

Projektleiter: Dipl.-Phys. W. Krüger

Projektabschluß: März 1995

Ziel der hier dargelegten Projektbearbeitung war die Aufklärung des Einflusses der Innenab-messungen von Klarinettenmundstücken auf die wichtigsten musikalisch-akustischen Spielparameter wie Klangfarbe, Ansprache und Intonation einerseits mit psychoakustischen Verfahren (d.h. subjektiven Tests) und andererseits - soweit das möglich ist - mit objektiver Methodik, d.h. Nutzung von naturwissenschaftlichen Meßverfahren. Zu diesem Zweck wurde eine Reihe von Versuchs-mustern gebaut, die in ihrer Variationsbreite bewußt so angelegt waren, daß sie bis weit jenseits des Toleranzfeldes üblicher Mundstück-Konstruktionen hinausreichten, um die Veränderungen der Spielparameter deutlich fixieren zu können und eine sichere Differenzierung der Aussagen zu sichern.

Die subjektiven Tests - d.h. aktive (Spieler-) Tests als auch Hörtest - liefern deutlich differenzierte Urteile zu den Mundstückvarianten. Mundstücke mit reduziertem Innenvolumen führen schnell zu unbefriedigender klanglicher Beurteilung (zu hell, zu spitz). Es zeigt sich, daß sowohl für deutsche Klarinette als auch für Boehm-Klarinette eher dunkle Klangfärbungen bevorzugt werden. Allgemein wird mit der Beeinträchtigung der Klangfarbe auch eine zunehmende Verschlechterung der übrigen Spielparameter attestiert.

Ein Anwachsen der Stegbreite führt zu dem bei Gültigkeit laminarer Strömungsverhältnisse, zum Auftreten von BERNOULLI-Kräften, die mit zunehmender Stegbreite die Dynamik mehr und mehr einschränken. Überraschenderweise wird bei breiteren Stegen aber auch eine Verschiebung der Klangfarben nach wärmerem, vollerem Timbre festgestellt. Hierfür fehlt z.Z. eine plausible Erklärung.

Die objektiven Messungen zu Intonation und Ansprache belegen deutlich das im Spielbereich ungleichförmige Anwachsen der Intonation mit Reduzierung des Innenvolumens (Verschärfung der Kopftöne), das sehr schnell die Ausgeglichenheit der Intonation zerstört.

Die objektiven Messungen geben keine Hinweise auf die bei den subjektiven Tests festgestellte Verschlechterung von Ansprache und Dynamik bei zu starker Reduzierung der Mundstück- Innenvolumina. Man kann davon ausgehen, daß diese subjektive Empfindung vor allem durch die Störung der Intonation induziert wird, die den Bläser intuitiv nötigt, ihm gewohnte und anerzogene Ansatzparameter zu verlassen und damit seine Ausdrucksmöglichkeiten und seine Aktionsfähigkeit einengen.

Die zu erwartenden Stimmungsänderungen bei Veränderung des Innenvolumens der Mundstück- Kammern lassen sich quantitativ vorausbestimmen. Dies ergab sich aus dem Vergleich von Meßwerten mit Werten, die nach einer einfachen, im Verlauf der Untersuchungen abgeleiteten Formel, berechnet wurden. In jedem Fall sind veränderte Innenvolumina bei der Abstimmung der Kopftöne zu berücksichtigen.

Ein optimaler Wert für die Innenabmessungen der Mundstück-Kammer sowohl für deutsche als auch für Boehm-Klarinette bei 2000 mm3 sowie mögliche Änderungen nach unten (hellere Klangfärbung) und oben (dunklere Klangfärbung), die den von den Bläsern tolerierten geschmacklichen Spielraum bestimmen, der je nach beabsichtigter Klangauffassung bei der Konstruktion ausgeschöpft werden kann, wurde ermittelt .

Für den Kurvenverlauf der Mundstückbahnen wird aus der Biegelinie eines abgespitzten rechteckigen Trägers eine Beziehung hergeleitet, die es gestattet, die Bahnkurven für unterschiedlich dimensionierte Bahnen zu berechnen. Modellversuche zur Schwingungsform der Rohrblätter auf den Bahnkurven mittels einer FEM-Simulation führen zu guter Übereinstimmung mit praktischen Ergebnissen.

Die Zielstellung dieses Projektes war, Unterlagen vorzulegen, die den deutschen Herstellern von Klarinettenmundstücken als Hilfsmittel bei der Konstruktion ihrer Sortimente dienen können. Diese Zielstellung wird erreicht. Voraussetzung für die Anwendung ist allerdings ein hinreichendes technologisches Niveau, das die Herstellung der Bohrung und Innenabmessungen der Mundstück-Kammern sowie der Bahn einschließlich des Auflagetisches für das Mundstück in engen Toleranzen gestattet.

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