Simulation Klangerlebnissen auf der Spur – dank Akustiksimulation

Quelle: Pressemitteilung

Erfunden von Eddie van Halen revolutionierte das sogenannte Tapping einst das Gitarrenspiel. Mithilfe von Simulation lässt sich dieses Klangerlebnis auch auf der akustischen Gitarre aus Carbonfasern von Leviora perfektionieren.

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Damit das Gitarrenspiel ein Ohrenschmaus wird, setzt die Leviora Leichtbau Manufaktur auf Simulation, um den Resonanzkörper zu optimieren.
Damit das Gitarrenspiel ein Ohrenschmaus wird, setzt die Leviora Leichtbau Manufaktur auf Simulation, um den Resonanzkörper zu optimieren.
(Bild: gemeinfrei / Pixabay )

Wäre hätte das gedacht? Eine so traditionsreiche Branche wie der Gitarrenbau profitiert von Simulation und kohlefaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Thomas Strieker von der Leviora Leichtbau Manufaktur nutzt Solidworks Simulation, um die Anzahl der Carbonlagen für die Decke des Resonanzkörpers zu optimieren und so neuen Klangwelten Tür und Tor zu öffnen.

Modelliert und simuliert mit Solidworks: die Gitarren von Thomas Strieker.
Modelliert und simuliert mit Solidworks: die Gitarren von Thomas Strieker.
(Bild: Leviora Leichtbau Manufaktur / Bernhard D. Valnion)

Was Leichtbau im Gitarrenbau bringt

Eine Gitarre besteht im Wesentlichen aus drei Teilen: Kopf, Hals und Korpus. Boden, Zargen und Decke bilden den taillierten Resonanzkörper („Korpus“), der typischerweise aus Holzlagen gefertigt wird. Doch lässt sich mit kohlefaserverstärkten Kunststoffen mit einem Zehntel der Lagenstärke im Vergleich zu Holz das gleiche oder gar bessere akustische Verhalten erzielen.

Gute Gitarren müssen sehr filigran ausgeführt sein und schnell auf das Zupfen der Saiten ansprechen. Sonst nimmt der Zuhörer nur ein undefinierbares Geräusch, aber keinen Ohrenschmaus wahr. Insbesondere gilt dies für das sogenannte Tapping, das Eddie van Halen, dem nach Jimi Hendrix bedeutendsten Erneuerer der Rockgitarre, erfunden hat: Mit kaum einer Berührung werden der Gitarre sehr schnell überraschende Töne in entlockt. Tapping ist nicht nur mit der E-Gitarre, sondern auch mit der akustischen Gitarre möglich.

Simulation entlarvt störende Frequenzen

Thomas Strieker, der bereits mit 15 Jahren begonnen hatte, Gitarren zu bauen, hat mit Solidworks die Resonanzeigenschaften einer Gitarrendecke modelliert und optimiert, auch, um das Tapping sauber spielen zu können. Über Solidworks Simulation lässt sich der Grund- und der 1. Oberton der Eigenschwingungen berechnen.

Was das Klangverhalten beeinflusst

Über die tief integrierte CAD/CAE-Tool-Suite kann zudem untersucht werden, wie sich die Gitarre durch den Auftrag von Massen akustisch tunen lässt: Es lässt sich berechnen, welchen Einfluss eine zusätzliche Karbonlage auf der Gitarrendecke auf das Resonanzverhalten hat.

Gitarren müssen sehr filigran ausgeführt sein und schnell ansprechen, sonst nimmt der Zuhörer nur ein undefinierbares Geräusch wahr.
Gitarren müssen sehr filigran ausgeführt sein und schnell ansprechen, sonst nimmt der Zuhörer nur ein undefinierbares Geräusch wahr.
(Bild: Leviora Leichtbau Manufaktur / Bernhard D. Valnion)

„In Verbindung mit der Schäftung der CFK-Wabenstruktur hat die Belegungsstärke mit Kohlenstofffasern erheblichen Einfluss auf das Klangverhalten“, sagt Thomas Strieker zu den Feinheiten des Gitarrendesigns. Die Optimierung der Decke des Gitarrenkörpers fand anhand eines 2D-Modells in Solidworks statt.

Austausch fördert Innovation

Die DPS Software aus Leinfelden-Echterdingen bei Stuttgart steht in enger Verbindung mit Unternehmen wie Leviora und Striek Air von Thomas Strieker, die mit Simulation mehr aus ihren Produkten herausholen. Striek Air ist spezialisiert auf die Entwicklung kommerziell genutzter Drohnen und Leichtflugzeuge, die eine große Herausforderung darstellt, wie wir bereits berichteten.

Ergänzendes zum Thema
Drei Fragen an Wolfgang Müller, Leiter des Competence Center Simulation von DPS Software

Herr Müller, warum und seit wann wird Akustiksimulation immer wichtiger?

Seit Jahrzehnten gelten Maschinenrichtlinien, die die zulässige Lärmemission von Maschinen berücksichtigen. Das bedeutet: Maschinen müssen so konstruiert und gebaut sein, dass Risiken durch Luftschallemission nach dem Stand des technischen Fortschritts und mit den zur Lärmminderung verfügbaren Mitteln möglich ist. Dafür sind Systeme und Einrichtungen zur Verminderung von Lärm- und Vibrationsemissionen vorzusehen. Es gelten beispielsweise 80 dB an Arbeitsplätzen, max. Pegel 130 dB. Siehe hierzu auch die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG Ausgabe 2.2 Okt. 2019.

Für welche Branchen oder Produkte ist Akustiksimulation schon ein Thema und wo wird es Ihrer Meinung nach noch wichtig werden?

Neben dem Maschinenbau sind auch im Fluid-Armaturenbereich und besonders im Fahrzeugbau gute Geräuschdämmungen erforderlich, die im professionellen und privaten Bereich zumindest Schäden vermeiden, auf jeden Fall das Wohlbefinden von Menschen fördern. Im Explosionsschutz gelten besondere Anforderungen. Zusätzlich dazu ist in Messräumen eine Akustikdämmung zwingend, um die Messergebnisse bei Produkttests jeder Art so objektiv und vergleichbar zu machen, wie es nach dem Stand der Technik möglich ist. Im Instrumentenbau haben die Simulationsmöglichkeiten ebenfalls Einzug gehalten. Ein sehr begehrter Aspekt hierbei ist zum Beispiel die Analyse alter Meisterinstrumente (Stradivari-Geigen), um deren Klangzauber besser zu verstehen. Das Ziel ist es, mit heute verfügbarem Material und Fertigungsverfahren kostengünstig beste Klangergebnisse zu erzielen.

Welche die Akustik beeinflussenden Faktoren gibt es und können diese alle in Solidworks simuliert werden?

Neben dem Luftschall und dem Körperschall liegt der Fokus auf den für uns wahrnehmbaren Frequenzen. Der Mensch hört ungefähr im Bereich zwischen 20 und 20.000 Hz. Die menschliche Stimme liegt im Bereich um 1000 Hz. Besonders tiefe Frequenzen unter 150 Hz brauchen mehr Energie, damit Menschen sie wahrnehmen. Bei hohem Schalldruck nimmt der Körper aber auch Schallwellen außerhalb des Hörbereichs wahr. Je nach Anwendungsfall gilt es, Körperschall zu entkoppeln, unter anderem durch elastische Fugen in Maschinenfundamenten. Oder: Den Luftschall mit fragilen Strukturen, die die Energie der hohen Frequenzen zu absorbieren, bevor der Mensch sie als störend oder schädlich empfindet.

Solidworks bietet im direkten CAD-integrierten Bereich sowohl die Simulation der Eigenfrequenzen (Resonanzen von Strukturen), als auch das Einbringen der Erregerfrequenzen in Strukturen (Vibration). Im CFD-Umfeld wird auch Geräuschentwicklung durch Fluidströmungen mittels Fouriertransformationen prognostiziert. Darüber hinaus werden die erweiterten Akustik-Simulationen durch an Solidworks ankoppelbare Simulia-Lösungen abgedeckt.

Dieser Beitrag ist zuerst auf unserem Partnerportal www.konstruktionspraxis.de erschienen

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