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EP1182642B1 - Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise - Google Patents

Resonanzplatte in Faserverbund-Bauweise Download PDF

Info

Publication number
EP1182642B1
EP1182642B1 EP01119532A EP01119532A EP1182642B1 EP 1182642 B1 EP1182642 B1 EP 1182642B1 EP 01119532 A EP01119532 A EP 01119532A EP 01119532 A EP01119532 A EP 01119532A EP 1182642 B1 EP1182642 B1 EP 1182642B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fiber
core plate
soundboard
fibre
coating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP01119532A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1182642A2 (de
EP1182642A3 (de
Inventor
Martin Schleske
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SCHLESKE, MARTIN
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP1182642A2 publication Critical patent/EP1182642A2/de
Publication of EP1182642A3 publication Critical patent/EP1182642A3/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1182642B1 publication Critical patent/EP1182642B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 panel in fiber composite construction, containing at least one of long fibers and carrier material existing fiber coating, for use for an acoustic Music instrument, in particular a stringed instrument.
  • the invention is also applicable to others having a resonant body or soundboard provided acoustic musical instruments (such as Guitars and pianos) can be used to advantage.
  • structures in fiber composite construction usually consist of long fibers, preferably oriented in certain directions, and a carrier or matrix material, which is generally a duroplastic or thermoplastic is.
  • the invention is an epoxy resin system.
  • the invention is therefore the object of a resonance plate to create in fiber composite construction, compared to excellent, in traditional construction manufactured solid wood resonance panels a significantly improved acoustic quality has.
  • the resonance plate according to the invention is intended in particular Maintaining the familiar and desired timbre of a Solid wood resonance panel a much higher sound power exhibit.
  • the invention is based on the following considerations and To attempt:
  • the cause of the sound radiation of the instrument are its natural vibrations.
  • the frequencies and vibration modes of the natural vibrations decisively determine the timbre of the instrument.
  • the formation of the natural vibrations is in turn dependent on certain material properties, among which the anisotropy of the wood has an 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 fiber path, is about 4: 1 in spruce wood and is therefore very pronounced.
  • the speed of sound in the direction of the fiber which is about four times greater than the speed of sound transverse to the fiber, is due to the higher longitudinal stiffness of the spruce wood.
  • the high stiffness in the fiber longitudinal direction also appears useful due to the large forces occurring in this direction (due to the string tension).
  • the conventional string instrument shows a very good agreement of the anisotropy of the speed of sound with the technical outline contours (length to width), which are also in the order of 4: 1.
  • Cibration level of the natural vibrations Decisive for the sound radiation of the instrument are the Vibration level of the natural vibrations. They depend on the vibrating mass of the soundboard, its acoustic significance resulting from the following relationship:
  • the vibration resistance (so-called impedance), which the resonance plate of the through Produced string vibrations, opposing stimulating alternating force, is the larger, the higher the vibrating mass of the resonance plate is.
  • To high vibration speeds (so-called. Fast) the Resonance plate and thus the most effective sound radiation to achieve the instrument is, given a stimulus lowest possible vibration resistance and thus one possible low oscillating mass required.
  • the invention therefore proceeds a fundamentally different way to reduce the anisotropy of the Fiber composite construction produced resonant plate in the to realize the required manner.
  • the formulated in the feature of claim 1 condition of a single-layer and at the same time multidirectional fiber coating defines a Fasergelege that changes its fiber direction in a single layer.
  • the fibers of individual fiber groups have - according to claim 4 - a similar direction, so are "combed” oriented. It is therefore not a random fiber layer in which the fibers are also arranged in a multi-directional manner; whereas, however, in the case of the random fiber coating, the individual fibers are mixed, ie randomly arranged, in the fiber coating according to the invention, the individual fibers form fiber-grouped, linear fiber patterns through the "combed” arrangement. This is exemplified in FIGS. 1 to 3.
  • the term “single-ply” does not exclude that individual fibers can overlap to some 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 can usually not be avoided, even when prepregs are used, because the fibers always have a certain freedom of movement during the liquefaction phase of the matrix system until it finally hardens. Rather, the term “single-ply” defines that a multilayer structure is provided, as it is given in the conventional, cross and / or layered structure by a plurality of superimposed fiber coatings or fiber fabric.
  • the resonator plate according to the invention thus makes it possible to use instruments to build that in terms of listening habits (Klangmaschineempfinden) the conventional, made of solid wood Instruments, but with regard to their acoustic characteristics Efficiency far superior to traditional instruments are.
  • a preparation of the fiber coating according to claims 1 to 8 can basically be done by different methods.
  • a Possibility is given by hand laminating the core plate. Although this method requires only a small investment But it is time consuming and less reproducible than others Method.
  • a so-called prepreg (English: pre-impregnated fibers) introduces i.d.R. thermoplastic or Thermosetting carrier material (matrix) preimpregnated semi-finished product It offers the advantage that the very complex impregnation process the fibers with the matrix resin from the actual coating of the Core plate is carried out separately. This one for the quality and the property profile of the later fiber composite material very important process is controlled on a prepreg plant under and reproducible conditions [s.
  • a thin solid wood layer (preferably of spruce or maple wood) occupying the entire surface of the resonator plate is preferably applied to both sides of the core plate in order to additionally increase the overall bending strength of the plate in the non-fiber composite plate regions. Since the fiber coating, especially in the preferred use of carbon fibers, has a very high density, is saved by the feature of the partial coating according to claims 5 and 9 oscillating mass to a considerable extent and thus significantly increases the sound radiation of the inventive resonance plate.
  • the Multidirectional fiber coating in said, statically strong loaded partial areas to perform multiple layers.
  • the Associated (although unwanted) increase in the oscillating mass is due to the Feature of only partial fiber composite coating of Core plate 1 compensated.
  • the direction changes 6 of the fibers 2 of the multidirectional Fiber course are shown in Fig. 1 to 3. These Directional changes may be abrupt, as seen in FIG. This is the case when the fiber coating according to claim 5 the shape of individual strips 3 or separated from each other Zones 4 has. In subregions 5 is the fiber coating 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 on the total surface of the fiber coating different (cf., in Fig.1a denoted by 7 different fibers of two zones).
  • Fig. 1a represents a surface segment of Fiber coating according to the invention, which consists of many individual, separated, "patchwork-like" on the core plate applied (in the example shown unidirectional) zones 4 consists. Although the individual zones have one by themselves unidirectional fiber flow. Regarding a common Reference axis, however, take the zones 4 fiber longitudinal directions different angles. This is in the totality of Fiber coating a multidirectional, single-layered Fiber coating realized.
  • Fig. 1b shows - the example of a Embodiment of the invention for use for Stringed Instruments - the realization of the single-layer, multidirectional fiber coating by individual (im illustrated embodiment unidirectional) different Oriented strips 3, which depending on the position with L1 to L6 are designated and occupy larger portions of the total area.
  • L1, L3 and L5 solid lines
  • L2, L4 and L6 dashed lines
  • the Bottom the fiber shape of the Top off the grain of the underside.
  • a Stiffening in the transverse direction is achieved here in the middle part and although not by the conventional, crosswise layer structure several laminates, but by the deviation between the Fiber course on the top and the bottom of the Core plate 1.
  • the top and bottom of the core plate are in all Always provide areas only with a single-layer fiber coating.
  • Zones 4 are production-technical overlaps allowed and intended.
  • the preferred embodiment has no abrupt, but as in FIGS. 2 and 3 show continuous direction changes 6. Both in this case, and in the case of the illustrated in Fig. 1 abrupt changes in fiber direction, the fiber regions are "combed” oriented, the individual fibers thus form common fiber patterns.
  • the Fiber coating different fiber shares per unit area on, as in Fig. 3 by areas 8 of increased fiber density (Fiber content per unit area) and areas 9 reduced Fiber density is illustrated. This allows mass coating (mass per unit area) as well as strength properties Loading directions and natural modes of the resonance plate be better adapted than at a constant fiber density.
  • the multiple change in direction of the fibers creates a "shut-off" effect such 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 a point by way of the fiber course deviating from the longitudinal direction (direction of the line 11) of the resonance plate (direction of the line 10), is provided in the preferred embodiment of the resonance plate.
  • the transverse stiffness of the resonance plate is selectively increased in some areas.

Landscapes

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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. Ein sog. Prepreg (engl. preimpregnated fibers) 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 9 - 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 9 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 9 - 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 (9)

  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. 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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