Entwicklung einer Methode zur effizienten und berührungslosen Materialparameteridentifikation von Saiteninstrumenten mithilfe parametrisch modellordnungsreduzierter Finite Elemente Modelle
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Forschungsprojekt wurde eine Methode zur effizienten Materialparameteridentifikation von Saiteninstrumenten entwickelt. Die Grundlage dafür bot ein äußerst detailliertes Finite Elemente Modell, mithilfe dessen in einem Model Updating Verfahren die Materialparameter einer Gitarre identifiziert werden konnten. Normalerweise sind Verfahren dieser Art sehr rechenintensiv und benötigen eine sehr große Anzahl von Modellauswertungen. Die daraus resultierende hohe Rechenzeit wurde mit effizienten Ersatzmodellen, die durch ein kombiniertes Verfahren aus projektionsbasierter parametrischer Modellordnungsreduktion und rein datengetriebenen Verfahren erstellt wurden, auf ungefähr ein Tausendstel verringert. Das Verfahren wurde erfolgreich eingesetzt, um zwei Gitarren anhand ihrer Materialparameter zu unterscheiden. Über die Kenntnis der reinen Materialparametern hinaus sind aber auch die daraus resultierenden Modelle von besonders hoher Relevanz. So zeigt das Finite Elemente Modell einer kompletten Gitarre sehr gute Übereinstimmung mit Messungen und am Beispiel einer Gitarrendecke konnte gezeigt werden, dass die Modelle mit identifizierten Materialparametern in der Lage sind, den Effekt von Geometriemodifikationen vorherzusagen. Mit Abschluss dieses Forschungsprojekts steht somit eine Methodik zur Verfügung, die es erlaubt, methodisch Materialparameter unter Zuhilfenahme von nichtschädigenden Messungen an Gitarren in Kombination mit einem Finite Elemente Modell der Gitarre die Materialparameter zuverlässig zu bestimmen, und Unterschiede zwischen vermeintlich, da nur geometrisch identischen Gitarren aufzuzeigen. Wesentliche Teile des Projekts waren dabei 1) die komplette Entwicklung der Messmethodik und Messauswertung, 2) die Erstellung eines Finite Elemente Modells inklusive der Bewertung der wesentlichen dort zu berücksichtigenden Effekte sowie 3) die Entwicklung eines Optimierungsprozesses, um in der Verbindung von Messung und numerischem Modell die Materialparameter optimal an Messungen anzupassen, und damit zu identifizieren. Über die geplanten Ziele des bewilligten Projektantrags hinaus konnte in einer Machbarkeitsstudie für eine Gitarrendecke mit Beleistung gezeigt werden, dass sich gewisse natürliche Materialstreuungen durch Geometrieänderungen der Beleistung kompensieren lassen. Dies erlaubt das visionäre Ziel, dass akustische Kopien von Instrumenten trotz Materialvariabilität möglich sein werden. Aus den genannten Arbeiten entstanden während des Projekts sieben Publikationen in denen das Projektteam seine Erkenntnisse und Ideen der Öffentlichkeit vorgestellt hat sowie eine abgeschlossene Promotion.
Link zum Abschlussbericht
https://doi.org/10.34657/27625
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Numerical Models for Classical Guitars with Updated Parameters From Experimental Data. In Proceedings of Forum Acusticum 2020, Lyon
Brauchler, A.; Ziegler, P. & Eberhard, P.
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An entirely reverse-engineered finite element model of a classical guitar in comparison with experimental data. The Journal of the Acoustical Society of America, 149(6), 4450-4462.
Brauchler, Alexander; Ziegler, Pascal & Eberhard, Peter
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Modeling the Body of a Classical Guitar Using the Finite Element Method and Experimental Modal Analysis. In Fortschritte der Akustik - DAGA, Vienna
Brauchler, A.; Ziegler, P. & Eberhard, P.
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A data-based method enhancing a parametrically model order reduced finite element model of a classical guitar. Proceedings of the 10th Convention of the European Acoustics Association Forum Acusticum 2023, 6241-6248. European Acoustics Association.
Cillo, P.; Brauchler, A.; Gonzalez, S.; Ziegler, P.; Antonacci, F.; Sarti, A. & Eberhard, P.
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Distinguishing geometrically identical instruments: Possibilistic identification of material parameters in a parametrically model order reduced finite element model of a classical guitar. Journal of Sound and Vibration, 535, 117071.
Brauchler, Alexander; Hose, Dominik; Ziegler, Pascal; Hanss, Michael & Eberhard, Peter
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Material Parameter Identification of Classical Guitars by Means of Surrogate Models Based on Parametric Model Order Reduction. In Fortschritte der Akustik - DAGA, Stuttgart
Brauchler, A.; Ziegler, P. & Eberhard, P.
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Model-predicted geometry variations to compensate material variability in the design of classical guitars. Scientific Reports, 13(1).
Brauchler, Alexander; Gonzalez, Sebastian; Vierneisel, Manuel; Ziegler, Pascal; Antonacci, Fabio; Sarti, Augusto & Eberhard, Peter
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Predictive Computational Models of Classical Guitars: Modeling, Order- Reduction, Simulation and Experimentation. Dissertation, Schriften aus dem Institut für Technische und Numerische Mechanik der Universität Stuttgart, Vol. 78. Aachen: Shaker Verlag, 2023
Brauchler, A.
