Finite element design and manufacturing of a nylon-string guitar soundboard from sandwich-structured composites

The aim of this project was to use the Finite Element Method (FEM) to design and manufacture the soundboard of a nylon-string guitar from sandwich-structured composites, with reference to an existing wooden soundboard, and to evaluate the accuracy of the numerical models of the wooden soundboard, the brace-less composite top plate and the braced composite soundboard by means of experimental modal analysis. The modal behaviour of the existing wooden soundboard was studied through experimental modal analysis and numerical simulation. Using FEM, the effects of varying certain physical, geometric and elastic properties of the materials used in the soundboard were determined on its natural frequencies under free and hinged Boundary Conditions (BCs). The composite soundboard that was determined to have natural frequencies relatively similar to those of the wooden soundboard under hinged BCs, and could be built from commercially available materials was constructed. To verify the results predicted numerically, experimental modal analyses were performed on the brace-less composite top plate and the braced composite soundboard under free BCs. The experimental natural frequencies and mode-shapes of the constructed brace-less top plate were found to match those predicted by the simulation in the frequency range below 200 [Hz], while slightly diverging in the higher frequency range. The experimental results for the braced composite soundboard were also found to be relatively similar to the numerically predicted values, with most mode-shapes matching, and some differences in the mode-frequencies, mostly in the low and mid-frequency ranges. Overall, a reasonable agreement was achieved between the numerical and the experimental results.L’objectif de ce projet était d'utiliser la Méthode des Éléments Finis (FEM) pour concevoir et fabriquer une table d'harmonie de guitare à cordes en nylon à partir de composites sandwiches en se référant à une table en bois existante, et d'évaluer la validité des modèles numériques de la table d'harmonie en bois, de la plaque supérieure en composite sans renforts et de la table d'harmonie composite renforcée au moyen d'une analyse modale expérimentale.Le comportement modal de la table d'harmonie existante en bois a été étudié au moyen de l'analyse modale expérimentale et de la simulation numérique. En utilisant la MEF, l'effet de la variation de certaines propriétés physiques, géométriques et élastiques des matériaux utilisés dans la table d'harmonie a été déterminé sur ses fréquences propres en utilisant des Conditions aux Limites (CL) soit libres soit immobiles (c. à-d., sans translations). La table d'harmonie en composite, dont on a déterminé qu'elle avait des fréquences propres relativement similaires à celles de la table d'harmonie en bois sous CL immobiles, et qui peut être construite à partir de matériaux disponibles dans le commerce, a été produite. Pour vérifier les résultats prédits numériquement, des analyses modales expérimentales ont été effectuées sur la plaque supérieure composite et la table d'harmonie en composites sous CL non contraintes.Les fréquences propres expérimentales et les différents modes propres de la plaque supérieure construite sans renforts correspondent à celles prédites par la simulation dans la gamme de fréquences inférieures à 200 [Hz], tout en divergeant dans la plage de fréquences plus élevées. Les résultats expérimentaux pour la table d'harmonie composite avec renforts se sont également révélés relativement similaires aux valeurs prédites numériquement, la plupart des formes de modes propres correspondantes, et certaines différences dans les fréquences propres, principalement dans les plages de basses et moyennes fréquences. Dans l'ensemble, un accord satisfaisant a été obtenu entre les résultats numériques et les résultats expérimentaux