CN101326568B - 音乐琴弦和包括所述琴弦的乐器 - Google Patents
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Abstract
本公开内容涉及一种用于乐器的琴弦，其包含析出硬化不锈钢，其中添加Ti用以提高析出硬化性能。所述琴弦具有出众的抗松弛性和抗腐蚀性，因而提高了其调音稳定性，并且保持了其音质，从而延长了其使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序的音乐琴弦。
背景技术
这样的琴弦特别已知于US 4,333,379，其包括青铜色灰口铸铁的钢芯。
音乐琴弦必须具有许多不同的性能。最重要的性能是高的机械强度，高的机械强度允许琴弦加载到其调音频率，并在演奏时抵抗琴弦的张力的变化。所需要的机械强度水平取决于琴弦的直径。较细的琴弦用于较高的音调，并且一般地，琴弦越细，所需要的机械强度越高。例如，用于E调的0.254mm(0.010”)的吉他琴弦必须具有用以调音的至少1500MPa的抗拉强度。而且，为了安全地经受住用琴拨演奏时产生的张力，这个0.254mm的琴弦应优选地具有约2500MPa的抗拉强度。
另一重要性能是琴弦材料的抗松弛性。此特性基本上表现吉他琴弦如何更好保持其音调。例如，在直径0.33mm的琴弦中，加载到吉他的B调(即247Hz)的1N大小的力的损耗相应于约2Hz的频率下降。由于人耳可探测到例如440Hz和441Hz之间的差异，所以1N的力的损耗将足以使人耳听见。如果类似这样的下降发生，那么需要重新调整琴弦。频繁的重新调音会干扰乐师，并且将会随着时间的过去而使琴弦的性能恶化。因此，最终，琴弦的音质将受影响，从而也影响到琴弦的寿命。因此，为了提高调音稳定性、音质和琴弦的寿命，期望的是琴弦材料具有高的抗松弛性。
琴弦材料的另一重要性能是其冷拉至所需的丝线尺寸而不变得太脆的能力。而且，琴弦可以由单根丝线、一个或多个绞合起来的丝线或缠绕丝线构成。这又需要材料是足够韧性的，以便允许琴弦丝线被绞合起来。
在琴弦用于电子乐器的情况下，例如电吉他，琴弦产生的声音由琴弦的电磁性能引起。大多数电吉他使用由具有永久磁铁的线圈组成的电磁拾音器。琴弦振动引起通过线圈的磁通量的改变，因而引起电信号，该电信号被传递到供信号被进一步的处理并被放大的扩音器。琴弦的磁性越大，线圈中所生成的电压就越高，且产生的声音就越大。
此外，乐器的琴弦受到不同类型的腐蚀。腐蚀将污染弦，因此随时间的过去，将影响琴弦的机械性能和调音性能。琴弦受到的其中一种腐蚀类型是大气腐蚀，在潮湿条件下或温暖条件中，或当乐器在户外演奏时，这种腐蚀在碳钢上可能是相当大的。而且，例如汗或油脂等的物质可能从乐师转移到弦，这可构成琴弦腐蚀的危险。人的汗含有高腐蚀性的氯化钠。另一方面，油脂可以聚集其他物质，这些物质很容易腐蚀琴弦，并使其表面永久褪色。
普通琴弦通常由拉成不同丝线直径的高碳钢制成。碳钢具有许多优良的品质，以致可以容易地将丝线拉伸到高强度水平，而不会遇到脆性。然而，碳钢的主要缺点是，当它被用作琴弦时很容易生锈，从而使表面失去光泽，这将影响音质及琴弦的演奏性能。失去光泽是乐器重新装琴弦的一个通常的原因。
抑制碳钢琴弦上的腐蚀的许多尝试都没有成功，例如，用不同材料(如天然聚合物或合成聚合物)涂敷琴弦。然而，涂层通常会降低琴弦的振动，从而导致亮度降低和音质变差。
当用作琴弦时，碳钢的又一缺陷是当加载时其有被拉伸的趋向。对于较大的固定乐器(如钢琴)和对于较小的可移动乐器(如吉他和小提琴)，在对新乐器上弦之后或对旧乐器重新装弦之后的第一段时期，由材料的松弛而引起的影响是尤其值得注意的。新琴弦要求“适应时间”直到达到稳定音调为止。显然，由于湿度和温度的变化，乐器本身占据了“失调”的一大部分，但影响中的许多都归因于琴弦。对于钢琴制作者，例如，这意味着在交付新乐器之前，较长且花费高的调音和重调音过程，并且，对于乐器演奏者，这意味着频繁的重调音，直到达到可接受的音调稳定性为止。
所以，需要一种克服上述所给出的问题的琴弦。
因此，本发明的目的是提供一种音乐琴弦，该音乐琴弦具有更长的使用寿命。
发明内容
所述目的通过开始所限定的并具有权利要求1特征部分特征的琴弦来实现。
与常用的碳钢琴弦相比，通过在音乐琴弦中使用析出硬化不锈钢，抗腐蚀性和抗松弛性都得到充分提高，从而延长了琴弦的使用寿命。
该琴弦用来供原声乐器和半原声乐器使用，也供通过在磁场中琴弦振动而产生音调的乐器(如电吉他)使用。根据本公开内容的琴弦可用于各种有琴弦的乐器，诸如吉他、小提琴、钢琴、竖琴等。
附图说明
图1展示了根据本发明的琴弦和对比例的琴弦的抗拉测试的结果。
图2展示了直径为0.254mm的丝线的松弛测试的结果。
图3展示了直径为0.33mm的丝线的松弛测试的结果。
图4展示了直径为0.43mm的丝线的松弛测试的结果
图5展示了根据本发明的琴弦的磁共振测试的结果。
图6展示了对比例的琴弦的磁共振测试的结果。
具体实施方式
对施行音乐琴弦重要的不同材料性能是屈服强度和抗拉强度、抗松弛性、抗腐蚀性、形状、表面光洁度，且对于电子乐器，是电磁特性。
根据本发明的琴弦与常用的琴弦相比具有延长的使用寿命。关于这点，使用寿命被认为是直到琴弦断裂的时间，或直到由于琴弦性质的恶化，例如调音稳定性或音质的损耗，乐师感觉需要更换琴弦的时间。
析出硬化不锈钢是抗腐蚀的铁合金，其通过析出硬化而被强化。析出硬化产生多相结构，从而导致位错运动阻力增加，且因此强度或硬度更大。通常可在例如抗腐蚀结构部件的应用中找到这些类型的钢。
材料选择的结果是，根据本公开内容的琴弦具有高的机械强度，例如当直径为0.33mm和处于冷拉的状态时具有至少1800MPa的抗拉强度。同样，当直径0.254mm和处于热处理的状态，即时效处理时具有至少2500MPa的抗拉强度。此外，琴弦具有抗松弛性，这不需要比在正常条件下演奏时每18小时重新调音一次更频繁地重新调音。更具体的说，析出硬化不锈钢具有抗松弛性，足够使必需的重新调音比每24小时重新调音一次更少。
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抵抗性。因而，琴弦不需要被涂敷来改善保护，并且保持了其光亮的表面，且因此随着时间的过去保持其声学特性。
评定碳钢和不锈钢的抗腐蚀性使用的通常方法基本上不同，这使得根据实验室测试进行直接比较是困难的。然而，碳钢在汗水中强烈生锈，且在含水氯化物中生锈更厉害。另一方面，不锈钢抗纯水，但在含水氯化物中可以受到点腐蚀。如果氯化物含量高和/或温度较高，那么腐蚀过程加速。就其强度水平而言，本发明的析出硬化不锈钢在水溶液中抗腐蚀性相当好，且比例如型号为AISI 304的不锈钢还要好。这也意味着在这方面，其胜过碳钢音乐琴弦。
琴弦的均匀外形和光滑表面光洁度对演奏时实现琴弦的谐音和良好的触感是重要的。琴弦的声学特性难以量化，但对乐师和听众如何体验琴弦的声音而言是很重要的。根据本发明的琴弦的声学声音的感受与常用的碳钢琴弦相似。
根据本发明，用于音乐琴弦的合适的析出硬化不锈钢通常含有按重量计10-20％的Cr和按重量计4-10％的Ni。
适于用作音乐琴弦的析出硬化不锈钢例如可具有以重量百分比计的以下组分：
元素Ti、Nb、Ta和Al中的一个或多个
＞0-2
余量的Fe和通常存在的杂质。
这种不锈钢的例子是UNS S46910、UNS S17700、UNS S17400和UNS S45500。根据优选实施方案，析出硬化不锈钢是UNS S46910。
为实现析出，析出硬化不锈钢可包含各种添加剂。依照本发明的实施方案，析出硬化不锈钢含有按重量计0.5-1％的Ti，例如在UNSS46910和UNS S45500的情况下。依照本发明的另一实施方案，不锈钢含有按重量计0.2-1.5％的Al，例如在UNS S17700和UNS S46910的情况下。依照本发明的又一实施方案，不锈钢含有按重量计0.1-0.6％的Ta+Nb，例如在UNS S45500和UNS S17400的情况下。
当为音乐琴弦选择合适的析出硬化不锈钢时，一个重要标准是材料制成丝线的能力，以便生产琴弦。先决条件是，所选成分能够被冷拉到非常细的直径，例如0.254mm或0.33mm，而没有变脆。
借助于制造丝线的常规冷拉工艺来生产琴弦。冷拉工艺引起形变导致的马氏体的形成，这导致材料的机械强度增加且磁性更强。冷变形的量对于获得丝线的期望强度和磁性性能是重要的。
为了进一步提高琴弦的性能，析出硬化不锈钢可经受在400-550℃下的热处理，通常长达4小时。时效热处理生产出材料的析出硬化，这相当大提高了材料的抗拉强度。
用于生产析出硬化不锈钢丝的制造工艺形成良好表面光洁度的琴弦，即具有一致且和谐的声音的琴弦，演奏起来舒适。
依照实施方案，琴弦包括用金属股线缠绕的芯。在此实施方案中，芯或缠绕材料由根据本发明的析出硬化材料组成。也可以使芯和缠绕材料都包含析出硬化不锈钢。
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。琴弦可以是单根丝线，但也可以是缠绕或卷绕琴弦的形式。琴弦也可被绞合。
实施例1
测试丝线由具有以下近似成分(所有按重量百分比计)的析出硬化不锈钢制成：
余量的Fe和通常存在的杂质。
该合金符合根据US标准AISI UNS S46910的标准。
将丝线分别被冷拉成0.254mm、0.33mm和0.43mm的直径。每种直径中的一个丝现在475℃温度下热处理10分钟，从而导致材料的强度增加且抗松弛性进一步提高。
通过根据SS-EN10002-1的抗拉测试来测量屈服强度和抗拉强度，并对比8种不同的碳钢琴弦的对比例。对比例的近似成分和琴弦直径显示在表1中。屈服(Rp0.2)强度值和抗拉(Rm)强度值显示在表2中，并在图1中示出。可以看出，在冷拉的和时效处理的条件下，析出硬化不锈钢的机械性能与常规琴弦的性能匹配得很好。时效的正面影响清晰显示在表2中。
表1
| 对比样品编号 | Fe(+C) | 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0.254冷拉的 | 1577 | 1919 |
| 本发明0.33冷拉的 | 1726 | 1961 |
| 本发明0.43冷拉的 | 1471 | 1687 |
| 本发明0.254时效处理的 | 2579 | 2638 |
| 本发明0.33时效处理的 | 2556 | 2615 |
| 本发明0.43时效处理的 | 2166 | 2403 |
实施例2
通过用琴拨每分钟拨动0.254mm、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。测试进行超过24小时。琴拨的拨动部位被设定在距离连接到计算机的力传感器18cm处。每一个琴弦的总长是65cm，且琴弦的每个端点处搁在两个塑料件上。每个端点和其相应的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] |
| 0.254 | 330 | 71.8 | 1417 |
| 0.33 | 247 | 68.5 | 801 |
| 0.43 | 196 | 73.9 | 509 |
直径为0.254mm、0.33mm和0.43mm琴弦的松弛性测试结果分别展示在图2、图3和图4中。在表4中，相同的结果以线性公式1的形式列出，其中y是施加的载荷，k是常数，x是时间，且y0是初始载荷。频率损耗根据密度7700kg/m3计算。
公式1.y(x)＝-k*x+y0
表4
k值，即所给定的琴弦的线性方程的斜率越小，其抗松弛性越好。结果还显示出，热处理条件下的析出硬化不锈钢，即时效处理的，具有比在音乐琴弦中使用的传统碳钢更好的抗松弛性能。时效对抗松弛性的强有力的正面影响被清楚地证明。
人耳可检测1Hz音频的变化。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)，这意味着这种琴弦必须每隔12小时重新调音一次。另一方面，根据本发明，拥有一致的直径和热处理条件的琴弦损失0.6N，相应于约0.8Hz的频率损失，这又导致每隔30小时需要重新调音一次。
相比较，根据本发明，直径为0.254mm且在热处理条件的琴弦损耗0.3N，这相应于约0.68Hz的频率损失。这导致每隔35小时需要重新调音一次。
实施例3
实施例1中合金的磁共振在吉他上进行测试，并与对比例7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铜丝剪切断裂点的作用力。将铜丝绕拨动的琴弦垂直地打成环，并随后拉动，直到到达断裂点。在这种方式中，每次测试都施加相同的力。铜丝的断裂点也必定是与被拨动的琴弦相接触的点，如果铜丝在其他任何点处断裂，则重复进行该过程。一组五个经核准的测试在每根琴弦上进行，且结果显示在按照图5和图6的图表中。结果显示，时效处理过程不影响材料的磁性特性。
实施例4
此外，还测试了材料的磁性重量，并与对比例4进行比较。为了测量磁性相的量，使用了磁性天平。磁性天平包含两个主要元件，即电磁石和应变仪。电磁体在测试样品所处的两个楔形磁极之间产生一个强烈的不均一磁场。磁性琴弦将被磁力向下拉动。然后，通过应变仪进行测量力，这个力与磁性相的量成比例。该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，可以确定样品中存在的磁性相的量，即磁性重量。磁性重量测试值展示在表5中。
表5
| 样品 | 长度[mm] | 重量[g] | σs[高斯*cm3/g] |
| 本发明0.43mm | 0.58 | 0.228 | 142.1 |
| 对比例4 | 0.57 | 0.164 | 193.8 |
很显然，根据本发明的合金的磁性类似于常用碳钢丝的磁性，因此使得合金尤其适用于需要磁性材料的应用，即电磁式拾音器乐器(如电吉他)的琴弦。
Claims (12)
1.用于乐器的琴弦，其包含析出硬化不锈钢，其特征在于：所述析出硬化不锈钢具有以下成分，全部都以按重量计的百分比形式：
元素Ti、Nb、Ta和Al中的一个或多个
＞0-2
其中，Ti的量为0.5-1，
余量的Fe和通常存在的杂质。
2.根据权利要求1所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：其包含按重量计0.2-1.5％的Al。
3.根据权利要求1所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：其包含按重量计0.1-0.6％的Ta+Nb。
4.根据权利要求1所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：所述析出硬化不锈钢是UNS S46910。
5.根据权利要求1所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：所述析出硬化不锈钢是UNS S45500。
6.根据权利要求1所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：其在直径为0.33mm时具有至少1800MPa的抗拉强度。
7.根据权利要求1所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：其具有抗松弛性，其将抵抗2Hz的频率损失长达至少18小时。
8.根据前述权利要求中任一项所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：所述析出硬化不锈钢处于冷拉的状态。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：所述析出硬化不锈钢处于热处理的状态。
10.根据权利要求9所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：其在直径为0.254mm时具有至少2500MPa的抗拉强度。
11.根据权利要求1所述的用于乐器的琴弦，其特征在于：其包含用金属股线缠绕的析出硬化不锈钢的芯。
12.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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