Brugonderzoek door Alan Carruth
Luthier Alan Carruth heeft veel onderzoek gedaan naar de invloed van de brugvorm. Hieronder een samenvatting van de conclusies naar aanleiding van zijn proeven.
Transversale en longitudinale golven
De proeven toonden aan dat door het trillen van de snaar de brug hoofdzakelijk op en neer bewogen wordt. Deze zogenaamde transversale beweging is verreweg het belangrijkst voor het volume en de klankkleur (die bepaald wordt door de boventonen).
Ook ontstaat er een trilling in de lengterichting (de longitudinale golfbewegingen), een effect dat optreedt doordat de snaarspanning tweemaal per trillingsperiode toeneemt, zowel als de snaar helemaal onder is als wanneer deze boven is, en daardoor worden trekkrachten op de brug uitgeoefend. Deze zorgen ervoor dat de brug iets gaat ‘wiebelen’ (voor- en achterover bewegen). Deze beweging blijkt maximaal 15% van het totale volume te leveren. Dat deze invloed slechts gering is komt doordat de constructie van het bovenblad ervoor zorgt dat de brug slechts in geringe mate voor- en achterover kan bewegen: X-braces of 5-7 (of soms nog meer) waaierbalken plus vaak nog een stijve brugondersteuning in de kast belemmeren het kantelen. Bovendien beweegt het bovenblad voor en achter de brug ook nog tegengesteld, waardoor de geluidsopbrengst gereduceerd wordt (zie ‘anti-nodes’). Daarentegen kost het weinig moeite de brug verticaal te bewegen, zoals een luidsprekerconus, waarbij het hele blad in één richting beweegt en een grote hoeveelheid lucht wordt verplaatst. Zijwaarts bewegen van de brug is erg moeilijk, hij kan hoogstens een beetje wiebelen door vervorming van het bovenblad aan de zijkanten.
Invloed van de brughoogte op klank en volume
Doordat de snaar tweemaal per trillingsperiode iets strakker wordt, wordt de brug met dubbele frequentie van de grondtoon voorover getrokken, dit is dus de tweede harmonische (ook alle door harmonischen opgewekte trekkrachten verdubbelen in frequentie, en zijn daarna per definitie even). Datgene wat verandert vanwege de grotere hefboomwerking (‘torsie’) door een hogere brug is dus de sterkteverhouding tussen grondtoon en harmonischen, maar boven de vierde harmonische is dit nauwelijks meer meet- en hoorbaar. Verder kantelt een hogere brug door de grotere hefboomwerking verder voorover, ontstaan er andere spanningen in het bovenblad en neemt de stijfheid iets toe, waardoor de verhoudingen tussen de verschillende modes iets veranderen, maar het totale volume neemt niet toe, alleen de klakkleur wijzigt. Wel is het tegenovergestelde mogelijk: bij een lage brug is een hoger volume bereikbaar omdat door de geringere torsie het bovenblad lichter kan worden gebouwd en daardoor beweeglijker is. Een goed voorbeeld is de flamencogitaar die erg luid kan klinken, dankzij het feit dat deze een dunner bovenblad verdraagt omdat de voor deze muzieksoort noodzakelijke lage ligging van de snaren een lage brug vereist (maximaal de dikte van een sigaret, ca. 7 mm).
Valse boventoon
Een van de opmerkingen in het rapport kan ik niet bevestigen: heb het verschijnsel zelf nooit opgemerkt. maar voor de volledigheid vermeld ik het hier wel: Bij het aanslaan van de snaar ontstaat een kleine longitudinale golf, de zgn. ‘zip tone’ of ‘clang tone’, met een toonhoogte ergens tussen de 7e en 8e harmonische, die geen relatie heeft met de grondtoon en dus per definitie vals is. Dit is het soort geluid dat opgewekt wordt door met de snaar tussen twee dichtgeknepen vingers snel in de lengterichting heen en weer te bewegen. Naarmate de brug hoger is, neemt de hoorbaarheid van deze valse noot toe vanwege de grotere torsie, terwijl de transversale toonopwekkingen onafhankelijk is van de brughoogte.
Invloed van torsie
De torsie is een product van de snaarhoogte boven het blad en de totale snaarspanning (tenzij sprake is van een tailpiece). Voor de uitgeoefende kracht op de lijmverbinding bij de achterrand geldt dat deze omgekeerd evenredig is met de afstand tot de rotatieas, het hefboom principe. Het helpt dus om de brug breder te maken (vandaar de belly bridge bij steelstrings). Een andere optie is om de brug van een lichtere en minder dichte houtsoort te maken, daarbij breder voor meer sterkte en lager om minder torsie op te wekken en het gewicht binnen de perken te houden. Dan hoeft de brug niet meer speciaal van ebben of palissander te worden gemaakt om te voorkomen dat deze barst of losscheurt. Wel verandert dit de eigenschappen van het bovenblad: de brug is de zwaarste en meest stijve ‘balk’ en heeft grote invloed op de trillingseigenschappen, en krijgt zo een nog groter oppervlak.
Torsie kan uiterst schadelijk zijn voor een gitaar. Meer torsie zorgt voor meer permanente vervorming van het bovenblad, en geeft een groter risico op het loskomen van de brug aan de achterkant.
De brug mag iets kantelen (een graad of 2) bij het aanbrengen van de snaren. Meer betekent waarschijnlijk dat er een constructiefout aanwezig is, minder kan betekenen dat het bovenblad te sterk is. Hout dat continu onder spanning staat kan langzaam vervormen, waardoor het als de spanning wordt weggenomen niet terugkeert naar de oorspronkelijke vorm. Uiteindelijk wordt een evenwicht bereikt, en blijft de vervorming constant. Als de 2° uiteindelijk niet meer dan 6° worden is er niets aan de hand.
Krachten op de lijmverbinding
De trekkracht op de brug bestaat uit twee componenten. De eerste is de schuifbelastig oftewel de kracht die de lijmlaag moet weerstaan als de snaren vlak langs het bovenblad zouden lopen. De tweede is het draaimoment doordat de snaren een eind boven het bovenblad aan de brug trekken. De schuifbelasting wordt verdeeld over het totale oppervlak, en wordt kleiner per oppervlakte-eenheid naarmate de brug groter wordt.
De torsiekracht probeert de brug voorover te kantelen, via een opwaartse trekkracht achter de kam. Maar ook hier geldt: verleng de brug naar achteren, en de kracht wordt over een groter oppervlak verdeeld.
Het voorkomen van vervorming van brug en bovenblad zal ervoor zorgen dat de krachten evenredig verdeeld blijven over de gehele lijmverbinding. Daarom moet de brug stijf zijn. Dit geldt ook voor het bovenblad: een goed geplaatste brugondersteuning zorgt ervoor dat pas achter de brug eventuele bellying optreedt, zodat voorkomen wordt dat de lijmnaad door vervorming onder de brug wordt losgetrokken.
Buighoek
Testen met verschillende buighoeken van de snaar (van de kam naar de pinholes) toonden aan dat deze hoek geen invloed heeft op de klank. De hoek kan zelfs verkleind worden tot 6°: zolang de snaar niet loskomt van het brugbeen (stuiteren) is de hoek groot genoeg. Dit wordt heel duidelijk bevestigd door het feit dat een buighoek van 5° bij archtop gitaren met een tailpiece geen problemen geeft. Een te grote hoek kan wel een probleem veroorzaken: door een grotere voorwaartse kracht op het brugbeen kan het hout voor de zadelsleuf barsten.