Entwicklung einer Methode zur effizienten und berührungslosen Materialparameteridentifikation von Saiteninstrumenten mithilfe parametrisch modellordnungsreduzierten Finite Elemente Modelle

Im Forschungsprojekt mit Projektnummer 455440338 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.