Development of a low-cost platform for acoustic and vibrometric analysis on lutherie products, with a special focus on the estimation of the elastic parameters of the tonewood

All violin makers dream of building the perfect violin. The instruments that represent this perfection are the ones built by the greatest master luthiers of the Italian school of violin makers, starting from the historical Amati dynasty and arriving at Guarneri families, without forgetting the most famous violin maker of all time: Antonio Stradivari. To get closer to the sound produced by these instruments the experience that luthiers gain during their life is not enough. They have to rely on technical tools and mathematical measurements, that allow them to have an objective analysis of the instrument during the construction process. The scope of this work is therefore proposing a platform that allows violin makers to perform the most important and significant vibrometric and acoustical analyses during the construction of their instruments. A necessary characteristic of the developed platform is the low-cost, so that any luthier can have this tool in their workshop. The analyses that can be performed with the implemented platform vary from the measurements of elastic property of the tonewoods to the directivity analysis of the finished instrument, going through the study of the frequency response function and the modal analysis of each individual part that composes bowed string instruments. Even though there are a lot of methods for the analyses mentioned above in the literature, this work aims to merge all of them into a single platform easy to use, in a way that luthiers with very little knowledge of mechanical and acoustical phenomena could use it to improve the quality of their instruments. An innovative method for the computation of the mechanical parameters (axial velocity and Young’s modulus) of tonewoods is also presented in this study. This method combines the time-of-flight and the rake receiver principles in order to obtain wood parameters with an accuracy greater to the classical methods. This allows luthiers to determine the best tonewood for the construction of their instrument.

Il sogno di tutti i maestri liutai è da sempre la costruzione del violino perfetto. Gli strumenti che rappresentano questo ideale sono quelli costruiti dai grandi maestri della scuola italiana, partendo dalle storiche dinastie degli Amati e arrivando alla famiglia Guarneri, senza tralasciare il forse più rinomato liutaio di sempre: Antonio Stradivari. Per avvicinarsi al suono perfetto emesso da questi strumenti, non basta l’esperienza acquisita dei liutai nel corso della loro vita. Bisogna affidarsi a strumentazioni tecniche e a misurazioni matematiche che permettano una analisi oggettiva dello strumento durante le sue fasi della costruzione. L’obiettivo di questo lavoro è quindi proporre una piattaforma che permetta ai liutai di effettuare le più significative analisi acustiche e vibrometriche durante la costruzione dei propri strumenti. Una caratteristica indispensabile della piattaforma sviluppata è il basso costo, in modo che ogni liutaio possa avere nella sua bottega questo strumento di analisi. Le analisi che si possono effettuare con la piattaforma sviluppata spaziano dalla misura delle proprietà elastiche dei legni di risonanza fino ad arrivare all’analisi della direttività dello strumento finito, passando dall’analisi della risposta in frequenza e dall’analisi modale delle singole parti che compongono gli strumenti ad arco. Nonostante siano già presenti in letteratura molti metodi per le analisi sopra citate, questo lavoro mira a unirle tutte in una unica piattaforma di facile utilizzo, in modo tale che anche i liutai con poca conoscenza dei fenomeni meccanici e acustici possano utilizzarla per migliorare la qualità degli strumenti prodotti. É inoltre proposto un metodo innovativo per il calcolo dei parametri meccanici (velocità assiale e modulo di Young) dei blocchi di legno di risonanza. Questo metodo combina i principi del time-of-flight e del rake receiver per ottenere i parametri del legno con maggiore precisione rispetto ai metodi classici, in modo tale da poter dare ai liutai la possibilità di valutare il legno migliore per la costruzione del loro strumento.