Experimentální a numerická analýza materiálů pro hudební nástroje

Zatloukal, Petr

EN SKPřihlásit se Přihlásit se (EduID)

Theses px9plr

Experimentální a numerická analýza materiálů pro hudební nástroje – Ing. Petr Zatloukal

Ing. Petr Zatloukal

Disertační práce

Experimentální a numerická analýza materiálů pro hudební nástroje

Experimental and Numerical Analysis of Materials for Musical Instruments

Anotace:

Hudební nástroje provází člověka od nepaměti. V průběhu vývoje lidstva dospěly až do stádia, kdy je nutno věnovat zvýšenou pozornost druhu materiálu a jeho vlivu na odezvu hudebního nástroje na zatížení vnějšími faktory i akustický projev. Tato práce se zaměřuje především na: 1) vytvoření materiálových modelů aplikovatelných v simulacích pomocí metody konečných prvků (MKP) tepelně upraveného rezonančního smrku a MDF, 2) možnosti snížení hygroskopicity rezonančního dřeva pomocí tepelné modifikace, 3) vlastnosti čtyř v tomto oboru rozšířených materiálů na bázi dřeva, 4) výzkumu vztahu anatomické struktury a akustických vlastností rezonančního smrku Předešlé části jsou shrnuty v pěti publikacích, publikovaných v impaktovaných periodicích. Výsledkem první studie je popis chování tepelně modifikovaného rezonančního smrku teplotou 180 a 200 °C. Díky této modifikaci bylo naměřeno až o 40% nižší objemové bobtnání a 42% redukce sorpce při změně vzdušné vlhkosti v porovnání s neupravenými vzorky. Bylo zjištěno, že tepelná úprava při 180°C výrazně nezmění akustické vlastnosti, ale úprava při 200°C již má významný vliv na změnu rychlosti zvuku, parametru ACE a dynamický modul pružnosti. Na základě výsledků této práce byly dokonce vyrobeny dva plně funkční klavíry, které byly i po estetické stránce hodnoceny pozitivně. Druhá studie se věnuje materiálovému modelu tepelně upraveného rezonančního smrku, který je verifikovaný pomocí modální analýzy. Studie předkládá model, díky kterému lze odvozovat elastické materiálové parametry při různých stupních modifikace a při změně vzdušné vlhkosti. Relativní odchylka validace modelu se pohybuje mezi 0,1-7,1 %. Třetí studie předkládá porovnání akustických vlastností materiálů na bázi dřeva a to třívrstvé laťovky, vícevrstvé překližky (tzv. Multiplex), středně tvrdé dřevovláknité desky (MDF) a Purenitu. Tyto materiály byly použity pro výrobu předních panelů pianina. Bylo zjištěno, že čím blíže má daný materiál k rostlému dřevu, tím dosahuje lepších akustických parametrů. Panely vyrobené z Purenitu se neprojevily příliš vhodnou měřenou akustickou odezvou a tento fakt byl potvrzen i subjektivním posouzením hodnotící komisí. MDF panely nedosáhly srovnatelných parametrů s rostlým dřevem a překližkou, přesto si zaslouží zvýšenou pozornost pro rozmanité aplikace v konstrukci hudebních nástrojů, reproduktorů apod. Čtvrtá studie tak pojednává o vytvoření dynamického a statického materiálového modelu MDF čtyř tlouštěk. Byla provedena experimentální modální analýza těles, tlakové, smykové a ohybové zkoušky a také měření vertikálního hustotního profilu na vzorcích tlouštěk 12-38 mm. Na základě zjištěných dat byl sestaven numerický model validovaný dynamicky pomocí numerické modální analýzy a staticky pomocí nelineární simulace tříbodového ohybu. U dynamického modelu bylo dosaženo průměrné shody s experimentem mezi 1,3-9,7 %. Odezva statického modelu byla porovnávána s průběhem pracovního diagramu experimentu a dosáhla shody mezi 4,1-13,4 %. Byl sestaven set validovaných elasto-plastických konstant, které mohou sloužit pro další numerické výpočty MDF panelů mezi tloušťkami 12 až 38 mm. Pátá studie se věnuje tradičnímu materiálu a zabývá se vztahem anatomické stavby a akustických vlastností rezonančního smrku. Byla provedena citlivostní analýza pomocí MKP vlivu hustoty na hodnoty vlastních frekvencí. Hustota se ukázala jako hlavní parametr ovlivňující akustické vlastnosti. Celková hustota je ovlivněna zejména podílem letního dřeva a šířkou letokruhu. Odklon vláken od podélné osy se ukázal také jako významný pro rychlost zvuku, měřenou průchodem a …více

Anotace:

kustické vlny. Tyto parametry je nutné respektovat při výpočtech zahrnujících rostlé dřevo smrku. Předložené výsledky kombinují výstupy z experimentální a numerické analýzy vybraných konkrétních materiálů a modifikací a vytváří také prostor pro aplikace v návazných studiích, které mohou rozšířit spektrum použitých materiálů a jejich kombinací či kompozitů, modifikací materiálů a jejich vlhkostně-teplotních …více

Abstract:

Musical instruments have accompanied man since time immemorial. In the course of human evolution, they have reached a stage where it is necessary to pay special attention to the type of material and its influence on the response of the musical instrument to the load of external factors and acoustic manifestation. This thesis focused mainly on: 1) the building of material models applicable in finite element method (FEM) simulations of thermally modified resonant spruce and MDF, 2) the possibility of reducing the hygroscopicity of resonant wood by thermal modification, 3) the properties of four wood-based materials widely used in the field, 4) the investigation of the relationship between the anatomical structure and acoustic properties of resonant spruce The previous sections are summarized in five publications, published in journals with impact factor. The first study results in a description of the behaviour of thermally modified resonant spruce at 180 and 200 °C. Due to this modification, up to 40% lower volume swelling and 42% reduction in sorption with changes in air humidity were measured compared to unmodified specimens. It was found that heat treatment at 180°C did not significantly change the acoustic properties, but treatment at 200°C already had a significant effect on the change in sound velocity, ACE parameter and dynamic modulus. Based on the results of this work, two fully functional pianos were even produced, which were positively evaluated aesthetically. The second study deals with the material model of thermally modified resonant spruce, which is verified by modal analysis. The study presents a model that can be used to derive elastic material parameters at different degrees of modification and changes in air humidity. The relative deviation of the model validation varies between 0.1-7.1%. The third study presents a comparison of the acoustic properties of wood-based materials, namely three-layer blockboard, multilayer plywood (called Multiplex), medium-density fibreboard (MDF) and Purenit. These materials were used to make the front panels of the piano. It was found that the closer the material is to the growing wood, the better the acoustic performance. The panels made of Purenite did not show a very suitable measured acoustic response and this was confirmed by the subjective assessment of the evaluation committee. The MDF panels did not achieve comparable parameters to grown wood and plywood, yet they deserve more attention for a variety of applications in the construction of musical instruments, loudspeakers, etc. Thus, the fourth study deals with the building of a dynamic and static material model of MDF of four thicknesses. Experimental modal analysis of the solids, compression, shear and bending tests as well as vertical density profile measurements on samples of thicknesses 12-38 mm were carried out. Based on the data, a numerical model was build and validated dynamically by numerical modal analysis and statically by nonlinear three-point bending tests. For the dynamic model, an average agreement with experiment between 1.3-9.7% was achieved. The response of the static model was compared with the experiment's working diagram and achieved a good agreement between 4.1-13.4%. A set of validated elasto-plastic constants was presented that can be used for further calculations of MDF panels between 12 and 38 mm thickness. The last study investigates a traditional material and looks at the relationship between the anatomical structure and acoustic properties of resonant spruce. A sensitivity analysis using FEM of the effect of density on natural frequency values was performed. Density was found to be the main parameter influencing the acoustic properties. The overall density is mainly influenced by the proportion of latewood and the width of the annual ring. The slope of the grain from the longitudinal axis was also found to be significant for the speed of sound as measured by the propagation of the acoust …více

Abstract:

ic wave. These parameters have to be taken into account in calculations involving growing spruce wood. The presented results combine the outputs from experimental and numerical analysis of selected specific materials and modifications and also create scope for applications in follow-up studies that can extend the range of materials and their combinations or composites, material modifications and their …více

Klíčová slova

Materiálový model MKP nedestruktivní testování modifikace dřeva kompozity hygroskopicita akustické vlastnosti tepelná úprava hudební nástroje

Keywords

Material model FEM non-destructive testing wood modification composites hygroscopicity acoustical properties thermal modification musical instruments

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 6. 10. 2024

Obhajoba závěrečné práce

Vedoucí: Ing. Jan Tippner, Ph.D.

Citační záznam

Citovat tuto práci

Citace dle ISO 690:

ZATLOUKAL, Petr. \textit{Experimentální a~numerická analýza materiálů pro hudební nástroje}. Online. Disertační práce. Brno: Mendelova univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta. 2024. Dostupné z: https://theses.cz/id/px9plr/.

@PhdThesis{Zatloukal2024thesis,
AUTHOR = "Zatloukal, Petr",
TITLE = "Experimentální a numerická analýza materiálů pro hudební nástroje [online]",
YEAR = "2024 [cit. 2024-11-10]",
TYPE = "Disertační práce",
SCHOOL = "Mendelova univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakultaBrno",
NOTE = "SUPERVISOR: Ing. Jan Tippner, Ph.D.",
URL = "https://theses.cz/id/px9plr/",
}

@PhdThesis{Zatloukal2024thesis,
AUTHOR = {Zatloukal, Petr},
TITLE = {Experimentální a numerická analýza materiálů pro hudební nástroje},
YEAR = {2024},
TYPE = {Disertační práce},
INSTITUTION = {Mendelova univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta},
LOCATION = {Brno},
SUPERVISOR = {Ing. Jan Tippner, Ph.D.},
URL = {https://theses.cz/id/px9plr/},
URL_DATE = {2024-11-10},
}

{{Citace kvalifikační práce
 | příjmení = Zatloukal
 | jméno = Petr
 | instituce = Mendelova univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta
 | titul = Experimentální a numerická analýza materiálů pro hudební nástroje
 | url = https://theses.cz/id/px9plr/
 | typ práce = Disertační práce
 | vedoucí = Ing. Jan Tippner, Ph.D.
 | rok = 2024
 | počet stran =
 | strany =
 | citace = 2024-11-10
 | poznámka =
 | jazyk = 
}}

Plný text práce

Obsah online archivu závěrečné práce

Zveřejněno v Theses:

autentizovaným zaměstnancům ze stejné školy/fakulty

Jak jinak získat přístup k textu

Instituce archivující a zpřístupňující práci: Mendelova univerzita v Brně, Lesnická a dřevařská fakulta

Odkaz na soubor do lokálního úložiště instituce

Mendelova univerzita v Brně

Lesnická a dřevařská fakulta

Doktorský studijní program / obor:
Dřevařské inženýrství / Technologie zpracování dřeva

Práce na příbuzné téma

Infračervené nedestruktivní testování povlaků
Lukáš MUZIKA
Infračervené nedestruktivní testování povlaků
Lukáš MUZIKA
Nedestruktivní testování svarových spojů
Marek Hutař
Nedestruktivní diagnostické testování výrobků v metalurgickém průmyslu
Norbert Randliszek
Analýza nedestruktivních metod testování leteckých proudových motorů
Jaroslav Zahálka
Analýza konvenčních a nekonvenčních diagnostických metod nedestruktivního testování a jejich vhodnosti použití v průmyslové praxi
Tomáš BARTOUŠEK
Aplikace metod kapilárních zkoušek nedestruktivního testování
Vít Kostecký
Nedestruktivní zkoušení materiálu při využití magnetické metody práškové
David Derych

Všechny práce