Een akoestische gitaar van composieten met koolstofvezels, een elektrische gitaar van hout/polymeer, een viool van composiet, een klarinet van “verbeterd” hout…en verwerkingsprocédés die ook in andere sectoren toepassing kunnen vinden.

Akoestische gitaar van hars en koolstofvezels

Hout vertoont enkele nadelen voor de fabricage van muziekinstrumenten, in het bijzonder van snaarinstrumenten : het is broos en gevoelig voor temperatuur en vocht. Zo kan een standaardgitaar bijvoorbeeld 6 mm uitzetten onder inwerking van vocht, door 10% van zijn gewicht te absorberen, en dat wijzigt de relatieve positie van de snaren, de inwendige spanningen en de globale reactie van het instrument.

Composieten bieden dan weer de volgende voordelen : duurzamer, heel wat minder gevoelig voor vocht, grotere weerstand en stijfheid, waardoor de dikte kan worden beperkt en de gevoeligheid van het instrument kan worden verhoogd. Deze materialen worden al 30 jaar door vioolbouwers naar waarde geschat.

Maar het bleef moeilijk instrumenten te vervaardigen met composietmaterialen waarvan het geluid voldoet aan de wensen van de musici. Bovendien waren de kosten tot nu toe te hoog.

Composite Acoustics (USA) heeft de uitdaging aangenomen en heeft een vrij goedkoop procédé voor de fabricage van gitaren uitgewerkt dat resulteert in een geluid “op maat”.

Het procédé

Houten gitaren ontstaan door een assemblage van een kast en een hals. Composite Acoustics ontwikkelde een assortiment van akoestische gitaren waarvan de zijwanden, de bodem en de hals uit één enkel stuk zijn gegoten, wat de stijfheid van het instrument ten goede komt.

De versterkingen worden uitgesneden en vervolgens geassembleerd. Bij de materialen en de schikking ervan wordt rekening gehouden met de gewenste gitaarklank. De versterkingen en de kern wordt in de matrijs gepositioneerd. Een speciaal kernmateriaal en verstijvingsstangen die tegelijkertijd worden gevormd, maken de hals vele malen resistenter, steviger en resonanter dan een houten hals.

Voor de harmonietafel worden ultralichte verstevigingen met de waterstraal uitgesneden in koolstofcomposieten en de decoratieve rozet wordt met de laser uitgesneden. Het geheel wordt geïnfuseerd met de vacuümzak en vervolgens vervlochten.

De composiet is bestand tegen vocht en heeft een geringe warmteuitzettingscoëfficiënt, waardoor niet langer klassieke methodes zouden moeten worden aangewend om snaren te spannen.

De stukken worden gelijmd met een cyanoacrylaatlijm, vervolgens gezandstraald, behandeld met een primer en ten slotte geschilderd met behulp van een innoverend procédé van stikstofspuiten.

De laatste stap is een polijsting om het instrument een glansafwerking te geven.

De materialen

Het geluid van een gitaar wordt bepaald door het design van het instrument, maar ook door de keuze van de materialen.

De composiet geeft een geluid dat ergens tussen dat van hout en dat van metaal ligt : hoe stijver het is en hoe hoger het vezelgehalte – bijvoorbeeld 70% koolstofvezels – hoe metaalachtiger het geluid zal zijn ; indien het harsgehalte hoger is en de stijfheid lager – bijvoorbeeld 50% glasvezel – zal het materiaal meer klinken als hout.

Het geluidseffect is inderdaad gedeeltelijk afhankelijk van de snelheid waarmee het geluid zich voortplant in het materiaal, een snelheid die rechtstreeks in verhouding staat tot de stijfheid ervan en omgekeerd evenredig is met de dichtheid ervan.

De aard van de vezels is eveneens belangrijk : organische vezels zoals aramide of PE dempen het geluid en geven een klank die dicht in de buurt van die van hout ligt ; laminaten met een hoog koolstofgehalte klinken als metaal ; glasvezels houden het midden tussen hout en metaal. De vulmiddelen spelen eveneens een rol : holle glaskogeltjes dempen het geluid, metalen vezels doen het weergalmen…

De materialen worden gekozen op grond van de voor de gitaar gewenste karakteristieken, en er wordt natuurlijk ook rekening gehouden met de prijs ervan.

Uitgaande van de totale verkoopprijs van een dergelijke gitaar ($3000) kan worden geconcludeerd dat ze kan concurreren met gitaren uit het (hoger) middenassortiment op de Amerikaanse markt.

Elektrische gitaar van hout-polymeercomposiet

De Finse firma Flaxwood Oy ontwikkelde een elektrische gitaar vanuit een hout-polymeercompound (PS) van de compounder Kareline Oy Ltd. (die ook de materialen levert voor Kupilka, zie ook Techniline “Hout-polymeercomposieten in meubelen en vaatwerk” – 12.01.07).

Flaxwood Oy vormt kasten en halzen die als hout aanvoelen. Dat hout-polymeer composiet brengt het geluid uitstekend over, is steviger dan hout en is beter bestand tegen vocht en temperatuur. In tegenstelling tot hout voor gitaren hoeft het niet 5 jaar lang te verouderen en te drogen.

Het materiaal is eveneens homogeen en reproduceerbaar, en vooral de verwerking ervan door spuitgieten is heel wat goedkoper en minder ingewikkeld dan de klassieke fabricage. Het kan in de gewenste vormen worden vervaardigd.

Bovendien oriënteren de houtvezels zich bij het spuitgieten overlangs in de hals en radiaal in de kast, wat overeenkomt met een verdeling die optimaal is voor de stijfheid en de soliditeit van het instrument en bovendien voor de klankverspreiding.

Dankzij de zeer gelijkmatige kwaliteit en de karakteristieken van het materiaal produceert het instrument een uitstekende klank die zeer dicht in de buurt van die van hout ligt.

Een dergelijjke gitaar kost tussen 1300 en 1900 €.

Viool van composiet

Een Techniline-artikel beschreef al een dergelijke nieuwe viool van hars (“Een modern materiaal voor een klassiek geluid : een revolutionair geluid” – 24.11.06).

Twee Duitse firma’s (Synotec Psychoinformatik GmbH en Form CAD GmbH) ontwikkelden een viool die eruitziet als een klassiek instrument maar wel is uitgerust met een nieuwe resonantiekast van composiet.

Ook in dit geval moet het belang van een synthetisch materiaal worden gezocht in de reproduceerbaarheid ervan en de bestandheid ervan tegen temperatuur en vocht. Er kan een instrument op maat worden gecreëerd waarvan de klankrijkheid voldoet aan de wensen van de musicus.

De ingenieurs creëerden een instrument waarvan het gewicht en de afmetingen overeenkomen met die van een klassieke viool. Bovendien is de resonantiekast bekleed met gelamineerd hout, waardoor die gelijkenis vertoont met bestaande instrumenten. De klankrijkdom ervan is evenwel uniek.

De akoestiekspecialisten van Synotec legden een databank aan die het mogelijk maakt een verband te leggen tussen de materialen en de technische fabricageparameters en de uiteindelijke klankeigenschappen van de viool.

Klarinet van “verbeterd” hout

Harde houtsoorten (palissander, ebbenhout…) worden erg op prijs gesteld door instrumentenbouwers omwille van hun grote schokweerstand, hun vermogen om grote lasten te dragen, hun kruipsterkte en hun uitstekende akoestische eigenschappen. Maar dergelijk hout groeit over het algemeen traag en wordt zo schaars dat het noodzakelijk is geworden het kappen ervan te beperken.

Ebbenhout dat geschikt is voor de fabricage van klarinetten en op de markt beschikbaar is, wordt bijgevolg steeds duurder. Bovendien moet vaker hout worden gebruikt dat jonger en dus van minder goede kwaliteit is.

De fabrikant van blaasinstrumenten Jérôme Selmer (FR) heeft geprobeerd dat kostbaar hout te vervangen door andere soorten die niet beschermd zijn. Hij streefde er in het bijzonder naar de mechanische eigenschappen te verbeteren van zacht en/of poreus, snelgroeiend hout met de bedoeling die te gebruiken als alternatieven voor harde, traaggroeiende houtsoorten.

Hij heeft een samenwerking opgestart met een specialist op het vlak van polymeren (ESPCI Parijs) en een akoestiekdeskundige (Universiteit van Toulouse) om de wanden van klarinetten vervaardigd van notenhout, perenhout of goedkoop exotisch hout te vullen met hars.

Het uitgewerkte procédé is een polymerisatie in situ door microgolven.

Het hout wordt eerst geïmpregneerd met monomeren en reagentia of verharders die zich gedurende enkele dagen en onder een druk van 4 à 10 bar in de poriën verspreiden. Het wordt vervolgens in een microgolfoven blootgesteld aan een elektromagnetische straling.

Deze techniek maakt snelle verhitting tot in de kern van het stuk mogeljk. De behandeling duurt in totaal tussen 5 en 40 seconden en het vermogen bedraagt 300 tot 1000 watt. De schommeling van de parameters is in het bijzonder afhankelijk van het open-porositeitspercentage van het behandelde hout. Sommige houtsoorten doorstaan minder goed dan andere een lange, krachtige opwarming en kunnen bijgevolg daardoor schade oplopen. Het is soms nodig de opwarming (10-15s) en de homogenisering trapsgewijs te laten verlopen.

Hout dat op die manier werd behandeld, zal minder snel scheuren tijdens machinale bewerking of gebruik; het is bovendien minder gevoelig voor veranderingen in de weersomstandigheden (vocht, temperatuur).

Door in te werken op de samenstelling van de harsen wijzigt het team de vorm van de curve die de radiale en tangentiële snelheid van de akoestische golven in het hout bepaalt. Op die manier zijn ze erin geslaagd die van ebbenhout nauwkeurig te reproduceren.

De musici hebben de klarinetten aan een blinde test onderworpen en hebben hen dezelfde waarderingscijfers gegeven als de ebbenhouten instrumenten.

Deze houtbehandelingstechniek beperkt zich niet tot de muziekinstrumenten. Ze zou in aanzienlijke mate de mechanische eigenschappen van poreus hout ten goede kunnen komen en dus het toepassingsgebied ervan kunnen verruimen in marktsegmenten zoals inlegwerk, meubelwerk, constructie van gebouwen en in het bijzonder geraamten.

Bronnen:

• Gitaar van koolstofcomposiet:
  www.compositeacoustics.com
  Octrooi US6087568
• Hout-polymeercomposietgitaar:
  Octrooi US2006032358
  www.flaxwood.com
• Viool van composiet:
  www.aif.de
• Klarinet van “verbeterd” hout:
  Octrooi EP1694478

Dit artikel is reeds verschenen op Agoria Online (members only) en Techniline, de portaalsite van de technologische innovatie van Sirris. Abonneer u op Techniline indien u alle artikels wenst te volgen.