Erkennung und Auswahl von (einheimischem) Resonanzholz am stehenden Stamm durch Anwendung eines zerstörungsfreien Verfahrens zur Beurteilung der Holzstruktur
Projektleiter: Dipl.-Ing. Dietmar Kluck Bearbeiter: Dipl. -Ing. Friedrich Schetelich
Projektabschluß: Dezember 1998
Die Erkennung und die Auswahl hochwertigen Resonanzholzes oder Wertholzes am stehenden Stamm als Grundlage der langfristigen, nachhaltigen Belieferung deutscher Musikinstrumentenhersteller und Wertholzverarbeiter sowie zur höheren Wertschöpfung des Ausgangsmaterials selbst ist in Anbetracht immer noch rückläufiger Starkholzzuwächse geeigneter Qualität von hoher Wichtigkeit für eine effiziente Nutzung einheimischer Waldbestände. Diese Tatsache wird selbst durch einen derzeit prozentual größeren Zuwachs an Holz gegenüber der forstwirtschaftlichen Verwertung nicht kompensiert. Die qualitativ hohen Ansprüche an Wertholz werden neben Eigenschaften wie keine Äste, kein Drehwuchs, kein Druckholz, gleichmäßiger Jahrringbau mit max. 30 % Spätholz, geringer Harzgehalt, keine Harzgallen, keine Verfärbung und besonders durch die Forderung nach hinreichenden mittleren Stammdurchmessern > 50 cm zur Gewährleistung sogenannter "stehender Jahrringe" beim Einschnitt unterstrichen. Daraus ist ersichtlich, daß für die Wertholznutzung im handwerklichen und industriellen Bereich nur spezielle Altersstrukturen der Baumbestände selektiert werden können. Auch erfahrene Forstleute sind erst nach der Fällung des Baumes in der Lage, die Gesamtwertigkeit des Stammes einzuschätzen. Das heißt, daß die analytische Bewertung der qualitätsbestimmenden Holzparameter Rohdichte, gleichmäßiger Jahrringbau, Jahrringbreite und Spätholzanteil am stehenden Baum von hoher Wichtigkeit für die Auswahl geeigneten Resonanzholzes ist. Aus den im letzten Jahrhundert betriebenen Anbau von Fichtenmonokulturen kommt es zu geringeren Alterserwartungen des Nutzholzes durch größere Anfälligkeit gegen die in den letzten Jahrzehnten verstärkten Umweltbelastungen, die sich negativ auf die langfristige Bereitstellung von Wert- und Resonanzholzqualitäten auswirken.
Von den derzeit bekannten Prüfverfahren für Holz scheint nur das Bohrnadelmessverfahren für die Bestimmung der Holzstruktur am stehenden Stamm im Wald durch seine flexible Einsatzmöglichkeit und Messwertdarstellung geeignet zu sein. Deshalb wird im Rahmen dieser Forschungsarbeit die Eignung des Resistograph-Bohrnadelmessverfahrens zur Wertholzauswahl am stehenden Stamm untersucht. An 20 ausgesuchten Wertholzfichten im Forstamt Klingenthal wurden mit dem Resistograph 1410 in Höhen zwischen 1,20 - 1,80 m jeweils 4 x 90 ° versetzt Messbohrungen eingebracht und die Messkurven im PC gespeichert. Nach dem Fällen der Bäume wurden, soweit möglich, Baumscheiben von 0,6 m Länge zur Herstellung von Vergleichsmustern in Form von Gitarrenrohdecken und von Probestäben entnommen. Die Holzfeuchte beim Bohren am Baum und an den Baumscheiben wurde gemessen, da sie Rohdichte und Bohrwiderstand beeinflusst. Um gleiche Messbedingungen über den gesamten Bohrweg zu haben, wurde eine Haltevorrichtung für den Resistograph entwickelt, die schadensfrei am Stamm zu befestigen ist.
Die Vergleichsmuster-Rohdecken wurden so aus dem Stammviertel geschnitten, dass möglichst eine Messbohrung achsparallel angeschnitten wurde. Bei exzentrischer Bohrung ist das nicht möglich. Nach dem Trocknen der Rohdecken auf 14 - 16 % Holzfeuchte erfolgte das Ausmessen der Jahrring- und Spätholzbreite durch Messlupe oder Messmikroskop. Die Gleichmäßigkeit des Jahrringaufbaues wurde durch die Auswertung nach dem Variationsmaß e bestimmt und die Rohdichte durch stereometrische Messung der auf 8 % Holzfeuchte getrockneten Probestäbe. An den Probestäben erfolgte auch die Ermittlung des E-Moduls und des Dämpfungsfaktors für die Baumscheiben. Die Resistograph-Messkurven werden mit dem PC-Auswerteprogramm DECOM D bearbeitet.
Die Auswertung der qualitätsbeeinflussenden Jahrringparameter und der Rohdichte erfolgte an den Messkurven, die mit den am zugehörigen Probeschnitt gemessenen Jahrring- und Spätholzbreiten vergleichbar sind. Die Auswertung der Messkurven musste manuell durch Setzen der Jahrringe im Menü "Graph-Profil" erfolgen, da das Auswertemenü "Rechnen-Jahrring-Parameter" bei diesen Messprofilkurven die Auswertung ständig abbricht, weil für das Programm eine Mindestbohrwiderstandsfifferenz von 70 zwischen Früh- und Spätholz bestehen muss, was bei engen Jahrringen und in der Splintholzzone nicht immer gegeben ist. Die Auswertegenauigkeit der Jahrringbreite liegt bei 0,1 - 0,2 mm bei einer Bohrwegauflösung von 0,04 mm. In Diagrammen sind die Messwerte der Jahrringbreite und Spätholzbreite des Resistograph-Verfahrens und der Messlupenmessung über das Baumalter aufgetragen. Dabei ist eine gute Übereinstimmung der Messwerte für die Jahrringbreite festzustellen. Die Abweichungen liegen innerhalb der Mess- und Auswertegenauigkeit von ± 0,2 mm.
Die Spätholzbreiten zeigen recht große Differenzen von 10 - 45 %, was teilweise auf das schwierigere Bestimmen der Grenze zwischen Früh- und Spätholz und auf die Trägheit der im Resistographen verwendeten Messwertbildung über die Motorstrom-Impulsbreitenregelung zurückzuführen ist, da die Resistograph-Spätholzwerte fast stets über den Messlupewerten liegen. Bei gleichmäßigem Jahrringaufbau eines Stammes sind auch die Spätholzbreitenabweichungen geringer. Eine Verbesserung der Messprofilkurven zur exakteren Spätholzdarstellung durch Veränderung des Spitzenwinkels der Bohrnadel im Bereich von 150° - 200° und Ausschleifen der vorzentrierenden Nebenschneide erbrachten keine schärfere Messprofilausbildung.
Die Auswertung der Jahrringe ist bis 0,8 mm Breite gut durchführbar und < 0,8 mm wird es schwierig durch die geringen Spätholzbreiten < 0,2 mm, die zur Verwischung der Bohrwiderstandsunterschiede führen. Es kommt zu einer Einebnung und damit zur Auflösung der Jahrring- und Spätholzgrenzen. Solche engen Jahrringstrukturen treten aber nur über einen schmalen Bohrweg von 3 - 10 mm auf und beeinflussen die Rohdichteermittlung nicht. Die mittlere Rohdichte und der mittlere Bohrwiderstand stimmen bei 280 mm/min Vorschubgeschwindigkeit der Bohrnadel wieder sehr gut überein, wenn das Holz an der Messstelle ast-, riss- und fäulefrei ist und die Bohrung zentrisch. Geringe Abweichungen sind dadurch begründet, dass die Bohrung die Rohdichte über den gesamten Verlauf und die Probestäbe immer nur die Ausschnitte wiedergeben. Die Abweichungen betragen < 10 %. Bei größeren Abweichungen macht sich der Einfluss des exzentrischen Bohrungsverlaufes bemerkbar.
Die Abbildung der Äste in den Messkurven ist an den Bohrwiderstandsanstieg auf 900 - 1700 mit überlagerten Jahrringen auf den An- und Abstiegsflanken des Astes erkennbar, die nach oben zu immer undeutlicher werden. Die Länge des Astbereiches in der Messkurve ist von der Astgröße und Bohrungsanschnittswinkel abhängig. Druckholz stellt sich in den Messkurven durch einen auf mindestens 50 - 60 % erhöhten Spätholzanteil und normalem Bohrwiderstand mit einem breiten konstanten Spätholzanteil, einem etwas höheren spitzen Anstieg mit Abfall auf 2/3 des Bohrwiderstandes und einem konstanten Teil oder durch einen flacheren Anstieg auf einen Spitzenwert von 700 - 900 ohne konstanten Anteil der Spätholzzone dar. Diese Form tritt häufig im ersten Druckholzring einer Druckholzzone auf und die folgenden Druckholzjahrringe haben einen konstanten Spätholzanteil.
Kernrisse treten als scharf begrenzte Einschnitte mit Bohrwiderstandsabfall auf < 100 auf, während Fäule im Kernbereich durch einen breiteren Abfall des Bohrwiderstandes mit einer zunehmenden Einebnung des Bohrwiderstandsprofils im Bereich < 200 sich in der Messkurve abbildet. Der Bohrwiderstandsabfall und die Einebnung ist umso größer je weiter die Fäule das Holz bereits zersetzt hat.
Die an den Probestäben ermittelten Werte für den dynamischen E-Modul längs der Faserrichtung und den frequenzabhängigen Dämpfungsfaktor unterstützen die Auswerteergebnisse hinsichtlich der Resonanzholztauglichkeit.
Besonders wichtig für das Resonanzholz ist die Gleichmäßigkeit des Jahrringaufbaues eines Stammes wofür das Variationsmaß e steht. Für gutes Resonanzholz soll e < 30 sein und der Spätholzanteil 20 - 30 % betragen. Um vergleichbare Variationsmaße zu bekommen, müssen gleiche Holzabschnitte verglichen werden. Vorteilhaft ist die Festlegung der später genutzten Deckenabschnitte, die aus einem Bereich von 30 mm nach dem Kambium und 60 - 50 mm vor dem Markstrahl des Stammes geschnitten werden.
Die Auswertung hat gezeigt, dass die Jahrringbreite und Rohdichte sehr gut mit dem Resistograph-Messverfahren zu bestimmen sind. Bei der Auswertung des mittleren Spätholzanteiles sollte nach der Auszählmethode des IfM verfahren werden, die einen realeren Messwert ergibt. Ein wichtiges Beurteilungskriterium stellt das Variationsmaß dar, dass sich ebenfalls sehr gut aus den Messkurven bestimmen lässt.
Für die Beurteilung der Holzqualität am stehenden Stamm ist bei Berücksichtigung der mittleren Stammdurchmesser von Æ 50 - 60 cm für Wertholz ein Resistograph-Bohrnadelmessgerät mit 250 mm Bohrtiefe ausreichend. Dadurch wird das Messgerät kleiner und leichter, was für den Einsatz im Wald wichtig ist.
Akustischer Messplatz für Holzblasinstrumente
Projektleiter: Dipl.-Phys. G. Ziegenhals
Projektabschluß: Juni 1998
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung eines akustischen Messplatzes für Holzblasinstrumente auf PC-Basis, der sowohl in Industrie- als auch Handwerksfirmen für die Entwicklung neuer Instrumente, für die Qualitätskontrolle sowie als Hilfsmittel bei Reparaturen eingesetzt werden kann. Das entstandene Meßsystem ist so gestaltet, dass die im Ergebnis verschiedenster Forschungsarbeiten entstandenen Prüfmethoden für Holzblasinstrumente ohne besondere Kenntnisse auf akustischem und messtechnischem Gebiet von Mitarbeitern der Firmen angewandt werden können. Die implementierten Mess- und Prüfmethoden beruhen auf der Messung des Eingangsimpedanzverlaufes der Instrumente.
Das realisierte Meßsystem besteht im wesentlichen aus drei Komponenten:
· Messkopf in zwei Varianten:
Kompaktbauweise: Der Messkopf ist kompakt und schwer (ca. 1 kg) gebaut. Die notwendigen Verstärker sind integriert. Der Messkopf fixiert das Instrument während der Messung stabil auf der Unterlage.
Leichtbauweise: Der Messkopf ist klein und leicht (ca. 150 g). Die Verstärkereinheit ist abgesetzt in einem Beistellgerät untergebracht. Der Messkopf wird problemlos vom Rohr, S-Bogen bzw. Mundstück gehalten. So kann das Instrument während der Messung in Spielhaltung gefasst und damit die Griffe mühelos gegriffen werden.
Der Messkopf enthält ein elektrodynamisches Anregesystem, zwei Mikrofone zur Aufnahme des Mess- und Referenzschalldruckverlaufes sowie einen speziellen akustischen Widerstand. Um die Messkopfsignale an die nachfolgende PC-Karte anzupassen, sind ein Leistungsverstärker sowie zwei Mikrofonvorverstärker erforderlich. Die Stromversorgung erfolgt über ein Steckernetzteil.
· PC-Einsteckkarte:
Es handelt sich um eine Signalprozessorkarte ELF. Die Signalprozessorkarte gibt ein, der jeweiligen Messaufgabe (Instrument, Griffbereich) angepasstes Erregersignal aus, und ermittelt gleichzeitig die Übertragungskurve aus den Mikrofonsignalen des Messkopfes.
· Messplatzsoftware:
Die Messplatzsoftware stellt ein Windowsâ -Programm dar, welches dem Nutzer als Bedieneoberfläche des Messplatzes gegenübertritt. Das Programm ist grifforientiert aufgebaut. Nach Anwahl des zu untersuchenden und Anwahl eines konkreten Griffes kann die Messung gestartet werden. Aus der von der Signalprozessorkarte aufgenommenen und übergebenen Impedanzkurve des Griffes werden die Merkmale des Griffes gewonnen und daraus Stimmung und Ansprache des Griffes berechnet. Die entsprechenden Werte aller Griffe ergeben die charakteristischen Stimmungs- und Ansprachekurven des Instrumentes. Diese können als Grafik oder Wertetabelle ausgedruckt werden.
Untersuchungen zur Klangbildung bei snare-drums
Projektleiter: Dipl.-Phys. Gunter Ziegenhals Bearbeiter: Dipl. Phys. Kersten Voigtsberger
Projektabschluß: April 1998
Ziel der Untersuchungen war es, den Einfluß der einzelnen Komponenten der Snare-Drum auf den Klang zu untersuchen. Besonderen Wert legten wir auf Aussagen zu Eigenschaften in Zusammenhang mit Randanschlägen. Dabei handelt es sich um Anschläge, bei denen mit dem Trommelstock gleichzeitig Fell und Rand getroffen wird. Im Gegensatz zur historischen Spielweise werden solche Anschläge im Popbereich mit sehr großer Kraft ausgeführt.
Betrachtet man nur den vom Instrument abgestrahlten Schall für verschiedene Elementekombinationen, so ergeben sich scheinbar zunächst eine Reihe von Abhängigkeiten. Beschränkt man die Betrachtung aber auf die Hauptbetriebsart der Snare-Drum "mit Ferderteppich", auf die Fälle, bei denen ein statistischer Zusammenhang zwischen dem Schwingungsverhalten der Elemente und dem abgestrahlten Schall besteht und beachtet die Ergebnisse der subjektiven Tests, so können folgende Aussagen getroffen werden:
Bei der Beurteilung von Instrumenten hinsichtlich ihrer Eignung bzgl. Rockmusik ist zu beachten, daß hier elektroakustische Hilfsmittel einen erheblichen Einfluß ausüben, und ohne diese charakeristische Klangbilder gar nicht erzielbar sind.