On the vibroacoustics and dissipation effects in acoustic guitars

Abstract

Due to the complexity and flawed understanding of vibration energy dissipative effects, numerical modal analysis and time domain simulation (sound synthesis) of string musical instruments have encountered a number of challenges. Organic materials, such as wood and the adhesive used to join the elements, and also their surface coatings, each have their own distinctive or principal structural damping mechanism (or mechanisms). In addition, viscous drag in the surrounding air flow impelled by the transversal vibration of shell-like wood elements consumes their kinetic energy as heat, and the acoustic radiation carries away the structural energy causing attenuation of sound and vibration. An application of a generalized non-viscous damping model with parameters identified by experimental modal analysis in vacuum and ambient conditions is proposed in order to distinguish and accurately quantify the relative importance of the viscoelastic material damping mechanism versus viscous drag dissipation and attenuation. Due to the strong dependence of the timbre and sound envelope on the damping behavior of the coupled vibro-acoustic dynamic system, damping modeling uncertainties have a significant effect on the sound synthesis of musical instruments. For the proposed damping models, the agreement between the dynamic response of the numerical model and the experimental data is evaluated, and the most effective solution is determined.

Este trabalho se propõe a investigar possibilidades de se obterem melhores resultados em análise modal de instrumentos musicais de corda pinçada para questões relacionadas aos efeitos de dissipação de energia, cuja modelagem física e matemática é bastante complexa e até hoje não completamente compreendida. Materiais orgânicos, como a madeira, a cola usada para unir os componentes, assim como o verniz de acabamento possuem cada um o seu próprio mecanismo (ou mecanismos) de amortecimento principal ou característico, além do arrasto viscoso associado ao escoamento de ar ao redor das superfícies dos componentes de madeira, que consome sua energia cinética em forma de calor e atuenuação sonora. É proposta aqui a aplicação do modelo de amortecimento generalizado não-viscoso, com identificação de parâmetros em vácuo e também em pressão atmosférica ambiente para que a parcela puramente viscosa da dissipação de energia e também a radiação acústica possam ser separadas do montante de amortecimento viscoelástico no material. A simulação numérica acoplada de instrumentos musicais é fortemente afetada pelas incertezas presentes nos modelos de dissipação por consequência do alto nível de influência do amortecimento do sistema acoplado acústico-estrutural sobre o timbre, de forma que uma simulação mais precisa dos efeitos dissipativos oferece um alto potencial para a obtenção de melhores resultados nessa área. Os resultados numéricos são comparados a dados experimentais para que se possam identificar as técnicas mais adequadas.