Advanced Analysis of Acoustic Properties of Materials for Musical Instruments

Ing. Patrik Nop

Disertační práce

Pokročilá analýza akustických vlastností materiálů pro hudební nástroje

Anotace:

Navzdory technologickému pokroku, který nabízí širokou škálu materiálů, zůstává dřevo nejvyužívanějším materiálem pro výrobu hudebních nástrojů. To je dáno především jeho jedinečnými mechanickými vlastnostmi. Tyto vlastnosti souvisejí se specifickou strukturou dřeva, zejména vybraných druhů, jež se v průběhu vývoje jednotlivých hudebních nástrojů etablovaly jako referenční z hlediska kvality zvuku. V současné době jsou však tato vysoce kvalitní dřeva stále cennějším artiklem, což zvyšuje potřebu jejich efektivního využití a zároveň akcentuje význam vhodných alternativ. Cílem této disertační práce je studium klíčových parametrů pro kvalitativní hodnocení materiálů pro hudební nástroje a vlivů, které mohou ovlivnit jejich spolehlivé stanovení. Pro rozšíření stávajících metod byly posouzeny: 1) vliv rozměrů testovaných vzorků; 2) vliv materiálových charakteristik a faktorů, které je ovlivňují (např. vlhkost, degradace, modifikace); 3) vliv vibračního módu, ze kterého jsou parametry stanoveny; 4) vliv měřicí techniky, zahrnující použité přístroje i metodiku měření; 5) charakteristika vibračního spektra. Práce je tvořena čtyřmi publikacemi v recenzovaných časopisech a jedním příspěvkem ve sborníku konference. Byly testovány různé druhy dřeva (smrk, buk, jasan, dub, lípa, olše, modřín a javor) a kompozitní materiály na bázi dřeva (překližka z borovice, břízy a topolu). Jako hlavní metoda pro stanovení vibro-akustických parametrů byla zvolena frekvenčně rezonanční technika, která byla v jednotlivých studiích doplněna o statickou, dynamickou a rázovou ohybovou zkoušku nebo o numerickou modální analýzu, využívající metodu konečných prvků. Výsledky ukazují, že při použití frekvenčně rezonanční techniky je potřeba zohlednit rozměry testovaných vzorků a zvolit odpovídající měřicí systém. Zkoumané vibro- akustické parametry umožňují odlišit jednotlivé druhy dřeva i kompozity na bázi dřeva a jsou citlivé na vlhkostní či strukturální změny. Porovnání s dalšími metodami odhalilo, že nelze zaměňovat parametry získané při různých způsobech zatěžování. Bylo zjištěno, že tvar a pořadí vibračních módů ovlivňují stanovení sledovaných parametrů a že spektrální rozložení módů poskytuje informace, které mohou být využity při kvalitativním hodnocení materiálů pro hudební nástroje.

Abstract:

Despite technological advances offering a wide range of materials, wood remains the most widely used material for the production of musical instruments. This is primarily due to its unique mechanical properties. These properties are related to the specific structure of wood, particularly selected species that have, over the course of the development of musical instruments, become established as reference materials in terms of sound quality. However, these high-quality woods are becoming increasingly valuable, which increases the need for their efficient use and at the same time emphasizes the importance of suitable alternatives. The aim of this dissertation thesis is the investigation of key parameters for the qualitative evaluation of materials for musical instruments and of the influences that may affect their reliable determination. For the extension of existing methods, the following were assessed: 1) the influence of the dimensions of the tested samples; 2) the influence of material characteristics and of factors that affect them (e.g. moisture, degradation, modification); 3) the influence of the vibration mode from which the parameters are determined; 4) the influence of the measuring technique, including the instruments used as well as the measurement methodology; 5) the characteristic of the vibration spectrum. The work consists of four publications in peer-reviewed journals and one conference proceeding paper. Various wood species (spruce, beech, ash, oak, lime, alder, larch, and maple) and wood-based composite materials (plywood made from pine, birch, and poplar) were tested. The main method used for determining vibro-acoustic parameters was the frequency resonance technique, which was complemented in individual studies by static, dynamic, and impact bending tests, as well as by numerical modal analysis using the finite element method. The results show that when using the frequency resonance technique, it is necessary to consider specimen dimensions and to to choose an appropriate measuring system. The investigated vibro-acoustic parameters allow for distinguishing between different wood species and wood-based composites and are sensitive to moisture-related and structural changes. Comparison with other methods revealed that parameters obtained under different loading conditions cannot be used interchangeably. It was found that the shape and order of vibration modes influence the determination of the evaluated parameters and that the spectral distribution of these modes provides information that can be used for the qualitative assessment of materials for musical instruments.

Klíčová slova

frekvenčně rezonanční technika, hudební nástroje, vibro-akustické vlastnosti, dynamická odezva, modální analýza

Keywords

frequency resonance technique, dynamic response, modal analysis, musical instruments, vibro-acoustic properties

Jazyk práce: angličtina

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 30. 4. 2026

Obhajoba závěrečné práce

• Vedoucí: Ing. Jan Tippner, Ph.D.
• Oponent: Petr Horáček, prof. Dr. Ing., Martin Čulík, externi, Daniel Urbán, externi

Mendelova univerzita v Brně

Lesnická a dřevařská fakulta

Doktorský studijní program:
Materiálové inženýrství dřeva