Parameterizing a complete guitar model for vibroacoustic analysis

Which geometrical or material features determine the quality of an instrument is probably the most debated matter among guitar makers, but also one that is seldom approached with a scientific mindset. Numerical simulations have proven to be an effective tool for providing rigorous answers to such questions, as they facilitate the testing of multiple models within a shorter time frame, while still providing highly accurate results. However, these approaches are limited by the availability of instrument models which can be adjusted on the fly without excessive effort, possibly even in an automated way. In this perspective, the advantage offered by the use of parametric models, which has recently received particular attention in research, becomes evident. In this work we develop a parametric and CAD native model of a complete guitar, enabling convenient control over the geometrical features which are considered key in the context of guitar making. In particular, we focus on the parameterization of the outline shape and the soundboard bracing. Additionally, we utilize our new parametric model to conduct a set of simulations based on the Finite Element Method. By doing so, we investigate the effect of some common geometrical variations when these are applied on a full guitar model, including the effect of the surrounding air. The effect is evaluated both by looking at the eigenfrequency variations and at the frequency response of the instrument, in the form of its bridge mobility and radiated sound. Our findings are both in line with previous studies, proving the validity of our approach, but also present some novel results. In particular, we demonstrate that the uppermost transverse bars of the soundboard do not play any significant role in either shaping the instrument timbre or improving its radiation efficiency. Most importantly, we show how our model can be used to facilitate future research on the physics of guitars.

Quali caratteristiche geometriche o materiali determinino la qualità di uno strumento è forse la questione più dibattuta tra i liutai, ma anche una che raramente viene affrontata con un approccio scientifico. Le simulazioni numeriche si sono dimostrate uno strumento efficace per fornire risposte rigorose a tali domande, in quanto facilitano l'analisi di diversi modelli in breve tempo, pur fornendo risultati altamente accurati. Tuttavia, questi approcci sono limitati dalla disponibilità di modelli geometrici modificabili rapidamente senza eccessivo sforzo, possibilmente anche in maniera automatizzata. In quest'ottica appare quindi evidente il vantaggio offerto dall'utilizzo di modelli parametrici, a cui la ricerca ha dato ultimamente particolare attenzione. In questo lavoro sviluppiamo un modello parametrico e CAD nativo di una chitarra completa, che consenta facilmente il controllo sulle caratteristiche geometriche tipicamente modificate durante un vero processo di costruzione. In particolare, ci concentriamo sulla parametrizzazione della forma e delle barre di rinforzo della tavola armonica. Inoltre, utilizziamo questo nuovo modello parametrico per condurre una serie di simulazioni basate sul Metodo degli Elementi Finiti. In questo modo analizziamo l'effetto di alcune comuni variazioni geometriche, quando queste vengono applicate su un modello di chitarra completo, includendo anche l'effetto dell'aria circostante. L'effetto è valutato sia osservando le variazioni delle frequenze naturali che la risposta in frequenza dello strumento, in forma di ammettenza meccanica del ponte e suono irradiato. Le nostre conclusioni sono in linea con gli studi precedenti, dimostrando la validità del nostro approccio, ma presentano anche alcuni risultati inediti. In particolare, dimostriamo che le barre trasversali della tavola armonica sottostanti alla tastiera non svolgono alcun ruolo significativo né nel determinare il timbro dello strumento né nel migliorarne l'efficienza di radiazione. Nel fare ciò, mostriamo anche come il nostro modello può essere utilizzato per facilitare future ricerche sulla fisica della chitarra.