CN101310325A - 用于乐器的琴弦 - Google Patents

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Abstract

本公开内容涉及一种用于乐器的琴弦，其包含双相不锈钢。所述琴弦具有高的机械强度和高的抗松弛性。而且，抗腐蚀性高。因此，根据本公开内容的琴弦具有长的使用寿命。

Description

用于乐器的琴弦
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的琴弦。
背景技术
这样的琴弦已知于特别是US 4,333,379，其包括青铜灰口铸铁构成的钢芯。
琴弦，例如吉他琴弦，需要具有某些性能。重要性能是琴弦的屈服强度和抗拉强度，即机械强度。琴弦需要能够承受在上弦于乐器上并演奏时所需要的张力。机械强度的要求取决于琴弦的直径。例如，为了使0.254mm(0.010英寸)量级的琴弦能够上弦到乐器上，其需要具有至少1500MPa的抗拉强度。而且，为了能够经受住用琴拨的演奏，0.254mm的琴弦应优选地具有约2500MPa的抗拉强度。
此外，另一性能是抗松弛性。抗松弛性基本上是吉他琴弦维持其音调有多好的性能。例如，在直径0.33mm的琴弦中，1N大小的力的损耗相应于2Hz的频率下降。由于正常人的耳朵可检测到440Hz和441Hz之间的差异，这意味着约1N的力的损耗将丧失人耳听得见的2Hz音频。如果类似这样的下降发生，那么吉他弹奏者必须重新调整琴弦，以得到期望的频率和音调。琴弦的重新调整意味着琴弦被进一步拉伸，且因此每次都因拉伸而使直径减小。因此，频率重新调整导致材料变弱、声音更差、外型美观性降低，并最终导致琴弦断裂。因此，由于音调的维持和琴弦的寿命的原因，期望琴弦具有高的抗松弛性。
另一性能是将线制造成所需尺寸的可能性。应可以冷拉琴弦材料至细线直径，而不使线变脆，甚至断裂。这种脆性的一种原因是由变形引起的应变导致的马氏体的形成。脆性原因的另一例子是材料包含金属间相或颗粒，当材料在线的制造过程中受到大量变形时，这些金属间相或颗粒作为裂纹的开始点。而且，琴弦可以由单根线、一个或更多个绞合线或包裹起来的线构成。这也使得需要线材料是足够韧性的，以便能够在呈线的形式下时，即已经相当大变形状态下时被绞合起来。
在琴弦用于电子乐器的情况下，例如电吉他，琴弦产生的声音是琴弦的电磁性能的结果。尽管也使用压电拾音器，但大多数电吉他使用电磁拾音器。电磁拾音器由带有永磁铁的线圈组成。振动的琴弦引起通过线圈的磁通量发生改变，因而引起线圈中的电信号。之后，信号传递到吉他扩音器，在那里信号被处理并被放大。琴弦的磁性越大，所将生成的电压就越高，因此声音越大。
此外，乐器的琴弦可能受到若干不同类型的腐蚀。随着时间，腐蚀将使机械性能和调音性能恶化。琴弦受到的一种腐蚀类型是来自于由乐器保存或使用的环境的大气腐蚀。在例如潮湿条件下或温暖场所中，这种腐蚀可能是相当大的。例如，用于户外演奏的乐器在经过长时间后可能受到大量大气腐蚀。而且，当拨弄琴弦时，例如汗或油脂的物质可能从乐师转移到琴弦。这种物质也可引起琴弦的腐蚀。例如，人的汗含有氯化钠，而氯化钠会腐蚀琴弦。而且，琴弦上的油脂物质将起到可使琴弦受到腐蚀的其他物质的粘结工具的作用，从而在琴弦的表面上形成覆盖物或膜。
普通吉他琴弦通常由拉制成不同线直径的常规高碳钢合金制成。碳钢具有许多优良的品质，但也有某些大的缺陷。可以容易地将碳钢拉制到高抗拉强度和屈服强度，而不会遇到脆性。然而，碳钢的腐蚀性能不足。此外，由尼龙制成的琴弦用在例如现代、古典和弗拉门戈吉他中。三个最高的琴弦通常是单丝尼龙，而三个最低的琴弦则具有用金属卷绕物包裹起来的若干尼龙芯。此外，平顶或民谣吉他对于最高的两根琴弦使用钢线，且有时对于第三根使用钢线，而其余弦具有用碳钢、镍钢、青铜或不绣钢包裹起来的钢芯。通常，包裹层由圆形截面的细线(“圆形缠绕型”琴弦)组成，但有时也会使用不锈钢的平带(“平滑缠绕型”琴弦)包裹。其他变化形式是“平滑打磨(flatground)”琴弦(用圆形线缠绕，之后打磨平滑)，以及具有在钢芯和金属外层卷绕物之间的绕丝的复合琴弦。如前面所提到的，碳钢琴弦的主要缺点是腐蚀，而且已经做过的许多抑制腐蚀的尝试都没有成功。也已经有过用不同材料(如天然聚合物或合成聚合物涂敷钢琴弦的想法。但不幸的是，涂层通常会降低琴弦的振动，从而导致声音亮度降低和音质恶化。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种用于乐器的琴弦，该琴弦具有更长的使用寿命。
所述目的通过最初所限定的并具有权利要求1特征部分特征的琴弦来实现。
与常用材料相比，通过在乐器的琴弦中使用双相不锈钢，腐蚀性能得到了相当大的提高。而且，机械性能和抗松弛性仍能满足要求，并且甚至比常用材料更好。该琴弦既可用于仅靠振动产生声音的情形，也可用于通过引起磁场中的变化的振动来产生声音的情形。
根据本公开内容的琴弦可用于各种有弦的乐器，诸如吉他、小提琴、钢琴和竖琴等。
附图说明
图1展示了根据本发明和八种对比琴弦成分的直径0.33mm和0.43mm的琴弦的抗拉测试结果。
图2展示了根据本发明的琴弦和一种对比琴弦的直径0.33mm的琴弦的松弛测试结果。
图3展示了根据本发明和对比琴弦的直径0.43mm的琴弦的松弛测试结果。
图4展示了根据本发明的琴弦的磁共振测试结果。
图5展示了对比例的琴弦的磁共振测试结果。
具体实施方式
已经证实对理解琴弦性能重要的各种不同性能是屈服强度和抗拉强度、热处理、表面抛光、抗腐蚀性、声响、抗松弛性(调音稳定性)以及在某些情况还有电磁性能。
前面已经讨论过了强度、松弛、抗腐蚀性和磁性的重要性。琴弦的表面抛光对于演奏时获得琴弦的和声和良好手感是重要的。声响是一种不能量化的性能，但其对于乐师(和可能听众)如何感受琴弦是重要的。根据本发明的琴弦的声响的感受不同于常用的碳钢琴弦的声响的感受。
根据本公开内容的琴弦具有高的机械强度，例如当直径0.33mm和经冷拉条件下时具有至少2700MPa的抗拉强度。此外，其具有抗松弛性，这不需要比在正常条件下演奏时每过10小时重新调整更频繁地重新调整。
而且，根据本公开内容的琴弦对由环境或在其使用过程中转移到琴弦上的物质所引起的腐蚀具有优异的抵抗性。这种物质的例子是从演奏乐器的个人转移出来的汗或油脂。这种高的抗腐蚀性的结果是，琴弦不需要被涂敷来改善保护。
双相不绣钢包括两种分离相，即奥氏体相和铁素体相，通常各自占30-70％。铁素体相有磁性，而奥氏体相没有磁性。因为根本公开内容的琴弦包括两种相，所以其也具有磁性性能。而且，在琴弦的制造过程中(将在下面进一步描述)，钢的奥氏体相将至少部分地转变成马氏体。因为马氏体也是一种磁性相，所以当琴弦在制造后包括更高百分比的磁性相时，琴弦的磁性进一步增加。而且，如果琴弦用在要求磁性性能的乐器中，例如电吉他，则例如通过用具有良好磁性性能的其他金属股线或甚至涂有这种材料来缠绕/包裹或绞合双相不绣钢，琴弦的磁性性能可进一步得到提高。这种材料的实施例是Ni、Cu和Cu合金。
用于琴弦的合适的双相不绣钢通常含有按重量计19-28％的Cr和按重量计4-10％的Ni，优选为21-26wt-％的Cr和4-8wt-％的Ni。根据本发明的双相不绣钢例如可具有以重量百分比计的以下组分：
C                    最大0.5
Si                   最大1
Mn                   最大2
Cr                   20-70
Ni                   4-10
Mo+0.5W              0-5
N                    最大0.5
Cu                   最大0.7
V+Ti                 最大0.5
REM+B+Ca             最大0.5
平衡量的Fe和通常存在的杂质。
这种双相不锈钢的实施例是UNS S31803、UNS S32304和UNSS32750。根据优选实施方案，双相不锈钢是UNS S31803。
在从用于乐器的琴弦的不同的双相不锈钢中选择时的重要标准是制造材料线以便用以生产出琴弦的能力。首要条件是，所选成分可被冷拉到非常细的直径，例如0.254mm或0.33mm，而不会变脆。因此，建议不可选择在制造过程中具有形成脆性σ相的高风险的不锈钢。总的来说，与高的Cr含量结合，过量的Mo含量意味着形成金属间析出物的风险增加。同样，高的N含量增加了氮化铬析出的风险，尤其是在铬含量也较高时。因此，理想是不要使上述给定范围内的Cr、Mo和N同时达到最高。
通过根据用于线的生产的常规工艺的冷拉来生产琴弦。冷拉工艺引起形变造成的马氏体的形成，这导致机械强度增加且产生更具磁性的材料。冷变形的量对于获得期望的强度和磁性性能是重要的。琴弦也可在变形后被热处理成期望的尺寸。热处理可进一步改善材料的性能。而且，如果变形导致材料太脆，则可对材料进行热处理，以便减少引入的应变，从而增加材料的韧性。这些热处理工艺对于双相不锈钢领域的技术人员来说通常是已知的。
用于生产双相不锈钢线的制造工艺形成具有良好表面抛光的琴弦。这意味着乐师能体验到演奏起来感觉舒适的琴弦。此外，没有琴弦受到性能恶化(如不和谐)的风险。
点腐蚀是一种材料被局部腐蚀类型。例如，其可由氯离子引起，氯离子可能在琴弦与来自乐师的汗物质接触的情形下产生。抗点腐蚀性可用临界点蚀温度(CPT)来表示，临界点蚀温度(CPT)表明材料能够受到的、而没有点腐蚀发生的风险的最高温度。
此外，不锈钢的抗点腐蚀性通常表示为理论PRE值(抗点蚀当量)，并且由公式1给出。
公式1 PRE：％Cr+％3.3％Mo+0.16％N
这意味着增加不锈钢的Cr、Mo和/或N含量改善抗腐蚀性。
根据实施方案，琴弦设置有表面层。例如，该表面层可具有美观功能和调音功能，例如用于增加磁性。
根据另一实施方案，琴弦包括用金属线包裹起来的芯。在此实施方案中，至少芯由双相不锈钢制成。
根据本公开内容的琴弦可用于各种弦乐器，例如吉他、小提琴、钢琴、竖琴等。琴弦可以是单根线，但也可以是呈被包裹或缠绕的琴弦的形式。琴弦还可进行绞合。
实施例1
测试线由具有以下成分(所有按重量百分比计)的双相不锈钢制成：
0.03％C
0.4％Si
1.5％Mn
22％Cr
5.2％Ni
3.2％Mo
0.17％N
平衡量的Fe和通常存在的杂质。
这种合金符合US标准AISI UNS S31803下的标准。
将线分别冷拉成0.254mm、0.33mm和0.43mm的直径。拉伸之后，每种直径的线中的一个在475℃温度下热处理约10分钟，导致材料的强度增加且抗松弛性更高。
通过根据SS-EN10002-1的抗拉测试来测量屈服强度和抗拉强度，并且将其对比8种不同的碳钢琴弦的对比例。对比例的近似成分以及对比例的琴弦直径显示在表1中。
屈服(Rp0.2)测试和抗拉(Rm)测试的结果显示在表2中，并在图1中示出。从这些测试当中，很显然，材料改变到双相不锈钢实质上并不减少琴弦的机械强度。甚至可以提高强度，尤其是在双相不锈钢在拉制之后被热处理的情形下。
表1
  对比样品号   Fe   Si   Mn   琴弦的直径[mm]
  1   99.2   0.2   0.7   0.43
  2   98.9   0.3   0.7   0.43
  3   99.3   0.2   0.5   0.43
  4   99.2   0.2   0.7   0.43
  5   99.3   0.2   0.5   0.43
  6   99.1   0.2   0.7   0.43
  7   99.3   0.3   0.5   0.43
  8   99.2   0.2   0.6   0.33
表2
  样品   Rp0.2[MPa]   Rm[MPa]
  对比例1   2307   2384
  对比例2   2076   2446
  对比例3   2140   2322
  对比例4   2348   2392
  对比例5   2239   2394
  对比例6   2251   2300
  对比例7   2408   2772
  对比例8   2455   2665
  本发明0.33冷拉的   2305   2795
  本发明0.43冷拉的   2183   2644
  本发明0.33热处理的   2969   3178
  本发明0.43热处理的   2801   3007
实施例2
通过用琴拨每分钟拨动0.33mm直径和0.43mm直径的琴弦约200次来测试抗松弛性。成分是实施例1的那些成分。测试在24小时上进行。琴拨的拨动点设定在距连接到计算机的力传感器18cm处。每一个琴弦的总长是65cm，且琴弦在每个端点处搁在两个塑料片上。每个端点和力传感器之间的距离是5cm。直径和其相应的音频以及琴弦的初始张力和工程应力在表3中给出。
表3
  直径[mm]   音频[Hz]   张力[N]   工程应力[MPa]
  0.33   247   68.5   801
  0.43   196   73.9   509
直径0.33mm琴弦的松弛性测试结果展示在图2中，且直径0.43mm琴弦的松弛性测试结果展示在图3中。呈线性公式2形式的结果列在表4中，其中y是力，k是常数，x是时间(小时)，且m是常数。
公式2y＝k*x+m
每根琴弦的线性方程k值/斜率越小，松弛性能越好。结果显示，冷拉条件下的双相不锈钢具有与目前使用的吉他弦应用的碳钢相同的松弛性能。但当经热处理时，松弛性能显著增加。
表4
  样品   初始张力[N]   24小时拉伸后的张力   频率损耗[Hz]   k值
  对比例30.33   68.4   68.1   0.54   y＝-0.0125x+68.4
  对比例4   72.9   71.7   1.62   y＝-0.05x+72.9
  对比例7   73.8   72.3   2.02   y＝-0.0625x+73.8
  对比例8   68.4   68.1   0.42   y＝-0.0125x+68.4
  本发明0.33冷拉的   68.1   67.2   1.62   y＝-0.0375x+68.1
  本发明0.43热处理的   74.7   73.8   1.20   y＝-0.0375x+74.7
  本发明0.33热处理的   68.1   67.8   1.09   y＝-0.0125x+68.1
人耳可检测1Hz音频上的变化。对比例7的琴弦在24小时后损失了1.5N(相应于约2Hz的频率损失)，这意味着乐师必须在每过12小时后重新调整对比例7的琴弦。这可与在直径0.43mm且冷拉条件下损失0.9N(相应于约1.2Hz的频率损失)时的本发明相对比，从而导致需要在每过20小时后重新调整。与对比例7相对比，这导致根据本发明的琴弦有更长的使用寿命。
实施例4
将实施例1中合金的磁共振在吉他上进行测试，并与对比例6中合金的磁共振进行对比。琴弦在距琴桥10cm处被拨动，并受到相应于0.10mm铜线的剪切断裂点的力。将铜线打成环，垂直于拨动的琴弦，并随后拉动，直到断裂点。在这种方式中，每次测试都施加相同的力。铜线的断裂点也必定是与拨动的琴弦相接触的点，如果铜线在任何其他点处断裂，则重复进行程序。一组五个满足的测试在每根琴弦上进行。然后收集这每组五个测试的数据，并在图4和图5中表示每个测试组的图。
此外，还测试了材料的磁重量，并与对比例4进行比较。为了测量磁性相和非磁性相的量，使用磁力天平。磁力天平包含两个主要元件，即电磁铁和应变仪。电磁铁在测试样品所处的两个楔形电极之间产生强烈的多相磁场。如果在样品中存在某些磁性相，那么其将被磁力向下拉动。然后，通过应变仪测量与磁性相的量成比例的力。这个测量结果得到样品的饱和磁化，并通过计算钢的理论饱和磁化，可以确定出样品中存在的磁性相的量，即磁重量。磁重量测试的值展示在表5中。
很显然，根据本发明的合金具有比对比例中展示的常用碳钢线更低得多的磁性。这表明，在任选实施方案中，当旨在用于要求高磁性的应用，如电吉他中时，根据本发明的双相不锈钢琴弦将得益于用具有更高磁性的另外材料线包裹起来或绞合。
表5
  样品   长度[mm]   重量[g]   σs[高斯*cm3/g]
  本发明0.43mm   0.70   0.423   94.2
  对比例4   0.57   0.164   193.8
实施例5
实施例1合金的腐蚀性能在前面是已知的，因此没有进行测试。根据本实施例的成分具有较高的抗腐蚀性。这可通过临界点蚀温度(CPT)来展示，对于实施例1的双相不锈钢，当在具有pH6.0和300mV的SCE(标准甘汞电极)的0.5％Cl-溶液中测试时，临界点蚀温度(CPT)约为82℃。这表明材料对由例如存在于温度高达82℃的人的汗中的氯离子而引起的点腐蚀有抵抗能力。例如，这可与用于不锈钢AISI 304的25℃的CPT相对比，25℃的CPT可使不锈钢AISI 304在暴露于室温环境下的汗时适合，而不适合于具有比室温更高的温度的环境。
而且，为了参照，当在相同条件下测试时，UNS S32304具有32℃的CPT值，而UNS S32750具有大于100℃的CPT值(在此值之上没有测试)。

Claims (13)

1.用于乐器的琴弦，其特征在于：其包含双相不锈钢。
2.根据权利要求1所述的琴弦，其特征在于：所述双相不锈钢包含按重量计19-28％的Cr和按重量计4-10％的Ni。
3.根据权利要求2所述的琴弦，其特征在于：所述双相不锈钢具有以下成分，都以重量百分比计：
C         最大0.5
Si        最大1
Mn        最大2
Cr        20-70
Ni        4-10
Mo+0.5W   0-5
N         最大0.5
Cu        最大0.7
V+Ti      最大0.5
REM+B+Ca  最大0.5
平衡量的Fe和通常存在的杂质。
4.根据权利要求3所述的琴弦，其特征在于：所述双相不锈钢是UNS S31803。
5.根据权利要求2所述的琴弦，其特征在于：所述双相不锈钢是UNS S32750。
6.根据权利要求2所述的琴弦，其特征在于：所述双相不锈钢是UNS S32304。
7.根据权利要求1所述的琴弦，其特征在于：其在直径为0.33mm时具有至少2700MPa的抗拉强度。
8.根据权利要求1所述的琴弦，其特征在于：其具有抗松弛性，例如其将抵抗2Hz的频率损失长达至少10小时。
9.根据前述权利要求中任一项所述的琴弦，其特征在于：所述双相不锈钢处于经冷拉条件下。
10.根据权利要求1-7中任一项所述的琴弦，其特征在于：所述双相不锈钢处于经热处理条件下。
11.根据权利要求1所述的琴弦，其特征在于：其包含由用金属股线包裹的双相不锈钢构成的芯。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的琴弦，其特征在于：其设置有表面层。
13.乐器，其特征在于：其包含根据前述权利要求中任一项所述的琴弦。
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