CN107077834A - 音板装置及形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于乐器的音板装置，该装置包括由厚度在0.75mm到3mm之间的复合纤维树脂粘合材料形成的音板基底；以及由厚度在0.5mm到0.9mm之间的紫外光阻隔材料形成的外层。此外，本发明涉及一种形成音板装置的方法，该方法包括以下步骤：将多层编织或直股纤维材料粘合在树脂基质中以形成音板基底，其中所述音板基底被形成为使得其相对于最终音板基底尺寸是过大的；以及对所述音板基底进行精加工以形成最终基底，精加工工艺被限制为确保所述最终基底尺寸不受损害。

Description

音板装置及形成方法
本发明涉及音板装置和形成这种装置的方法，特别是其中这种装置由复合材料制成。
用于钢琴、大键琴和类似乐器的音板通常由云杉木制成。该材料表现出产生音质和声功率所需的高刚度与低密度的有利比率。钢琴设计师通常将这些性质理解为最能响应来自钢琴琴弦的振动能量输入的性质。
然而，云杉木随温度和湿度而经受尺寸变化。这些气候因素经常导致在不利气候下音板的开裂和缺乏调谐稳定性。
响应式钢琴音板将具有接近于或处于所发声的音符的频率的多个固有频率(自然频率)。在钢琴的低音区，被称为本征频率的这些固有频率模式之间的频率间隔(间距)成比例地宽于高音区。然而，低音区中的固有频率的数量和接近度会极大地受到音板的厚度的影响，从而极大地受到音板的刚度的影响，并且在较小的程度上受到弦码(琴码，码桥，bridge)的刚度、板的安装和肋木(肋，rib)的影响。板越薄且越柔性，则存在越多的本征频率接近所发声的音符，并且这些固有频率的最低频率(第一本征模式)越低。因此，具有薄的柔性无肋木音板的钢琴的低音响应可能比具有多肋木厚板的钢琴的低音响应更好。通过在板的不同区域中使用不同的厚度可以获得另外的优点，在钢琴音板的响应于较高频率的那些区域中使用稍厚的板，同时在响应于低音频率的那些区域中使用最小厚度会是有益的。可以通过在振动能量输入的条件下对音板的有限元模态分析来确定响应区的位置和形状。
通常发现，具有较薄且不太坚固从而不太耐用的云杉木音板(其不太能够承受来自琴弦的负荷)的钢琴具有较短的质量寿命和较差的调谐稳定性，尽管它们的声学性能最初可能是优越的。
最近开发的多种碳纤维(Carbon Fibre)和凯夫拉(Kevlar)型复合材料，其包含嵌入树脂材料的基质中的碳纤维、石墨烯、富勒烯和各种玻璃纤维，提供了明显更高的刚度、强度以及刚度与比重的有利比率。因此，钢琴设计师已试图在钢琴音板建造中应用这些复合材料中的一些材料。通常，这没有成功的结果，因为已经限制建造者因强度原因使用太厚的材料来抵抗琴弦对音板的向下的压力。已经发现额外的厚度有助于不期望的高谐波，这通常不能被钢琴艺术家接受。
三角钢琴的琴弦通常且主要通过琴弦在其穿过弦码所在的垂直平面内的角度改变而与弦码盖(bridge cap)保持牢固接触。这产生了琴弦对弦码的向下的接触负荷，弦码利用足够的角度变化和琴弦张力确保琴弦自下被敲击时不会失去与弦码盖的接触。丧失接触力导致嗡嗡声，并导致无效的振动能量传递到音板。这种向下的承载负荷通常为每个琴弦约4至8磅(1.8至3.6Kg)。因此，具有约230根琴弦的钢琴将需要刚度和强度足以支撑900到1800磅(405-810Kg)之间的向下的承载负荷的音板。这限定了在乐器的多年寿命中连续支承向下的承载负荷所需的音板设计的厚度和加固手段。云杉木材质的具有足够强度的典型钢琴音板由4至9mm厚的木板制成，这些木板对接并且在其底面通过矩形的通常接近正方形截面的云杉腹板(belly bar)(肋木)加固，这些腹板通常为约25mm的正方形横截面，间隔约100mm。
为了产生相当的刚度和强度，使用所说的碳纤维将需要约4mm的板材料厚度。已经发现碳纤维的这种大厚度有助于高频响应，从而有助于增强不期望的高次谐音。本发明的申请人已经确定，具有这种板的钢琴的音质通常是不可接受的。
此外，得到完全确认的是，很少有云杉木板能在乐器的声功率和音质消失之前在其工作中持续超过5至40年，因为板会在持续的向下承载负荷下塌陷(collapse)，并且琴弦与弦码盖之间的充足的接触力会减少或完全消失。板越薄并且从而板越弱，在此发生之前乐器的寿命越短。
在申请人的发明名称为“琴弦-弦码连接系统和方法(String-bridge interfacesystem and method)”的在先专利公开号WO 2010 086690 A2中，描述了一种在琴弦和弦码盖之间产生接触力的装置(方法，手段，means)，而不采取琴弦在其穿过弦码盖所在的垂直平面中的角度变化，从而不产生向下的承载力。
本发明利用该技术开发了一种非常薄的纤维复合材料音板，该音板减轻了与较厚音板相关的不想要的谐波问题。
在本发明的第一方面，提供了用于乐器的音板装置，该装置包括：由厚度在0.75mm到3mm之间的复合纤维树脂粘合材料形成的音板基底；以及由厚度在0.05mm到0.9mm之间的紫外光(紫外线)阻隔材料形成的外层。
碳纤维尤其在宽范围的湿度下是尺寸稳定的，其非常耐开裂和随温度变化的尺寸变化，因此使得更坚固、更耐用且更加调谐稳定的乐器成为可能。基底厚度和外层厚度的组合提供了具有增强的声学性质的音板装置。外层优选但非排他地是0.6mm至0.8mm厚的饰面板(wood veneer，木材单板)，且优选地基本上为0.7mm厚。
优选地，外层由木材、漆(涂剂，paint)、金属箔或金属沉积(金属沉积层)中的一种或多种形成。
方便地，外层设置在音板基底的上表面和下表面中的一个或两者上。
音板装置还可以包括复合纤维材料的一体式弦码单元，弦码中的纤维沿从琴弦到音板的振动能量传递的方向排列。对于三角钢琴，这是在垂直平面上。对于立式钢琴，其是在水平面上。
优选但非排他地，纤维复合材料基底中的纤维的编织层可以包括双股纬线(weft)和单股经线(warp)的编织，以使得能够经由大部分碳纤维的长度沿着音板的选定尺寸优先传输能量。这些纤维最好尽可能直。
方便地但非排他地，在大部分层中，基底的一个或多个三股编织层的双股纬线沿乐器音板基底的较大长度尺寸排列，并且单个编织的经线股沿着基底的较小宽度尺寸与纬线成直角地排列。与波浪形的经线股相比，较直的纬线股更刚性，因此有利于声能的传输。长度尺寸大致沿着钢琴的长弦码的轨迹取得，其通常与键盘成大约50度的角度。
优选地，基底由数学上奇数(非偶数)数量的编织或非编织股纤维材料形成，在每层中，纤维取向大致正交于其一个或多个相邻层。更具体地，基底可以由3层或5层股纤维材料形成。两个外层为编织纤维材料，且更刚性的一个或多个内层为单向非编织纤维材料。
优选地并且方便地，基底的一个或多个内层中的大部分单向非编织纤维沿着音板的较大长度尺寸取向，以便有利于沿着乐器的较大长度尺寸的声音传播速度。交替层大致彼此成直角地排列。
方便地但非排他地，基底的非编织纤维内股可以具有比外层中的编织纤维更大的纤维直径。
优选地，5层音板的基底由具有三股编织的2个编织纤维复合材料外层以及三个非编织单向直纤维内层形成，所述内层中的两个外层沿着基底的较大尺寸排列，单个中心层的纤维沿着较小尺寸排列。
优选地，3层音板的基底由2个编织纤维复合材料外层和一个非编织单向纤维内层形成，所述内层沿乐器基底的较大尺寸排列。
根据本发明的另一方面，提供了一种形成如上所定义的音板装置的方法，该方法包括以下步骤：将多层编织或直股纤维材料粘合在树脂基质中以形成音板基底，其中所述音板基底最初被形成为使得其厚度相对于所需的最终音板基底尺寸过大；然后将所述音板基底修整至成品厚度以形成最终基底，修整工艺被限制为确保在所述最终基底中内层中的纤维不被修整工艺切断。
优选地，所述修整包括对多层音板基底进行砂磨和/或机械加工以使其光滑和平坦。
方便地，对音板基底进行精加工(finish)，以实现不大于±0.1mm的平坦度和厚度公差。在机械加工期间，重要的是避免暴露或切断基底内层中的纤维，从而避免存在氧化渗透的风险或避免损害纤维在基底基质中的剪切粘合和随之发生的材料弱化。优选的是设计基底负荷能力，使得编织外层用作牺牲保护材料，并且如果在修整中被弱化，则编织外层将确保内层不受损害并且能够承载全部负荷。
根据本发明的另一方面，提供了用于乐器的音板装置，该装置包括：由厚度在0.75mm到3mm之间的复合纤维树脂粘合材料形成的音板基底，其中所述基底由至少3层编织或非编织股纤维材料形成，其中基底的每层中的大部分纤维沿着音板的较大长度尺寸取向，并且其中基底的中心层具有比其他层更大的纤维直径。
本发明还包括一种钢琴或类似的打击乐器，其包括如上所定义的音板装置。
现在将通过示例并参考附图来描述本发明的实施例，其中：
图1示出了本发明的包括音板装置的钢琴的透视图；以及
图2示出了图1中的钢琴的平面图。
所示的钢琴具有两个弦码。钢琴设计的其他典型构思可以包括一个、两个或三个弦码。如图1和图2所示，钢琴1具有音板2，在该音板上设置有两个弦码，长弦码3用于将振动能量从调谐至高音和中音音符的琴弦传递到音板，并且低音弦码4用于将振动能量从调谐至低音音符的琴弦传递到音板。在每个弦码的上表面上设置有多个琴弦弦码连接器(弦钮，agraffes)5。弦钮使琴弦牢固地保持与弦码的上表面接触。
所有钢琴音板的期望特征是声能被同时均匀地分布在整个板上。木头中声音的速度沿着木纹的长度最大。因此，一般的做法是将云杉板的纹理沿着音板的较大尺寸排列。通过将腹板排列在较小尺寸方向上，可以协助声能跨音板传播大大减慢的问题。然而，可能早期乐器设计师采用这种构造的目的是为了开发一种包括被肋木保持在一起的板的集成木板。
在这方面，申请人已经发现，当制造含有纤维材料的用于音板的复合板材时，构造具有两个编织纤维外层和奇数个非编织单向纤维内层的板材是很方便的。每层中的纤维方向与相邻层正交。选择不同织法、纤维规格、每种织法的层数和纤维取向，因此能够使得设计师使用或不使用在传统木板中用作加固目的的加固腹板在整个板上均匀地优化振动能量的分布率。
如上所述，在纤维复合音板中声能的速度和传输沿着直纤维的长度是最高的。来自如上所述的这种音板的音质和谐波含量与常规厚度的云杉板类似，但是其通常更强。使用申请人的在先专利公开文本号WO 2010 086690A2中公开的琴弦弦码连接系统，减弱了对音板上的向下的承载负荷，因此除了振动之外，相对不受应力。因此，音板不会在琴弦负荷下逐渐塌陷到琴弦和弦码盖之间丧失足够的接触的程度而导致不良的声音和从琴弦到音板的振动能量传递效率的损失。由于该原因，极大地延长了容纳所述音板的乐器的寿命和耐用性。
通常通过将几层用树脂浸渍的纤维织物铺放在平坦的模板(former plate，前板)上，然后在加热的真空炉中将其固化来制造复合板材。虽然可以使相对于模板形成的下表面相当平坦和光滑，但是上表面(称为粗糙面)通常不是那么光滑或精确。这种音板的材料厚度的不受控变化可能会导致钢琴的整个音域的音质不受控制地变化。在形成音板并使其固化之后，因此期望将两个表面砂磨或机械加工成平坦的，并且控制音板的精确厚度。然而，对复合纤维板材的任何性质的后成型加工都可能导致表面的纤维被切断。使切断端暴露于空气氧化可以严重地削弱材料并且导致其强度随时间劣化。在应力作用下，表面的切断纤维可能在剪切力下逐渐从树脂基质中分离。氧化于是可以更容易地渗入并削弱板的结构。
因此，本申请人已经确定，通过形成在每一侧均具有牺牲编织层的音板基底，可以将音板砂磨到所需的精确平坦度和厚度，同时内部且未受干扰的多个纤维层或单个纤维层保持所需的强度、声学性质和刚度。
典型但非排他性地，使用奇数个编织或非编织股纤维材料层，其中所有层中的大部分纤维在每层中沿着音板的较大长度尺寸而取向。内部非编织单向纤维层可以典型但非排他性地具有稍大的纤维直径。
选择所挑选的精确织法和取向，以在音板内尽可能及时均匀地分布振动能量。然而，优选地，音板基底外层具有三股编织，其中双股(纬线)沿着音板的较大尺寸(长度)排列，且单股(经线)跨越第二和第四层的板与纬线成直角地排列。内层提供所需的强度和刚度，而两个外层为牺牲材料，其可以通过砂磨被修整从而减小厚度，以实现整个音板的平坦度和厚度精度。
在碳板成形的近期发展中，在板固化时在板上使用树脂吸收的可分离布料，已经能够制造在两侧具有优异的厚度均匀性和平坦度的音板。已经发现由该方法制成的薄板在厚度上具有足够紧密的公差，从而不需要精机械加工。
复合材料和碳纤维特别会受到紫外光的降解。在音板的制造中，我们将一层或多层饰面板或其他排斥UV光的材料施加到音板的上表面，该上表面是最可能暴露于紫外光的表面。申请人已经确定，这种饰面板如果具有约0.7mm厚度，则对音板的声学性质没有不期望的影响。各种漆、金属箔和金属涂层沉积以及反射UV光的其他表面处理也可以用于相同的目的。
钢琴音板常规地装配有一个或多个木制弦码，其将振动能量从琴弦传递到音板。这些弦码通常由榉木和/或乌木和枫木制成。纹理方向通常主要是垂直的，以沿着纹理尽可能有效地优化声能的传递。一些制造商会对木材进行处理以增加其硬度。如果音板本身是相同的复合材料，则便于制造与音板一体的复合材料或碳纤维弦码。可以将碳纤维弦码粘合于音板的上表面。为了确保最佳的声能传递，粘合材料的厚度必须最小并小于0.1mm。
由此得出，粘合对(bonded pair)中的板材和弦码下表面的平坦度在制造中是关键的。借助于碳或其他纤维复合材料的有利的低吸声特性，这种弦码有利于振动能量的有效传递。由这些复合材料制成的弦码将比木制弦码更刚性，并且这可以在音板中赋予过多的刚度，除非将复合材料弦码的弦码高度最小化。典型的木制钢琴弦码为30至35mm高。复合材料的弦码通常将为15至25mm高。
因此，本发明可以提供一种钢琴或类似打击乐器的音板，该音板由构造在乐器中的厚度为0.75mm至3mm的复合纤维树脂粘合材料制造，具有在琴弦与音板之间的弦扭(夹)系统连接，其不会对音板施加显著的向下的承载力。
此外，钢琴或类似打击乐器的音板可以包括粘合在树脂基质中的多层编织或直股纤维材料。该板可以在两侧进行加工，以实现不大于0.2mm的平坦度和厚度公差。应当理解，轮廓厚度可以在板的不同区域中变化。
平坦度和厚度可以通过砂磨或机械加工来控制。优选地限制砂磨或机械加工操作的深度，以确保提供必要的强度、声学性质和厚度所需的树脂粘合纤维的中心层或几个内层不会被机械加工或砂磨操作切断或损坏。因此，两个或更多个外层提供用于调节平坦度和厚度的牺牲材料。使用精密带式砂磨机进行砂磨工艺，该砂磨机去除高点，从而留下平坦光滑的表面。
此外，音板的至少上表面和可选地两个表面可以有利地由木材、漆或金属沉积的一个或多个饰面层覆盖，以排除原本会降解复合材料的紫外光。
另外，可以提供类似材料的一体或粘合式弦码，其中弦码部分中的纤维主要排列在垂直平面中。

Claims (23)

1.用于乐器的音板装置，所述装置包括：
音板基底，所述音板基底由厚度在0.75mm到3mm之间的复合纤维树脂粘合材料形成；以及
外层，所述外层由厚度在0.05mm到0.9mm之间的紫外光阻隔材料形成。
2.根据权利要求1所述的音板装置，其中，所述外层由木材、金属箔、漆或金属沉积中的一种或多种形成。
3.根据权利要求1或2所述的音板装置，其中，所述外层设置在所述音板基底的上表面和下表面中的一个或两者上。
4.根据任一前述权利要求所述的音板装置，还包括复合纤维材料的一体式弦码。
5.根据任一前述权利要求所述的音板装置，其中，所述基底中的纤维编织层包括双股纬线和单股经线的编织。
6.根据权利要求5所述的音板装置，其中，在大部分层中，所述基底的一个或多个三股编织层的双股纬线沿着所述基底的较大长度尺寸排列，并且单个编织的经线股沿着所述基底的较小宽度尺寸与所述纬线成直角地排列。
7.根据任一前述权利要求所述的音板装置，其中，所述基底由数学上奇数(非偶数)数量的编织或非编织股纤维材料的层形成，在每层中，纤维取向基本上与其一个或多个相邻层正交。
8.根据权利要求7所述的音板装置，其中，所述基底由3层、5层或7层非编织直股纤维材料形成。
9.根据权利要求8所述的音板装置，其中，所述基底的两个外层为编织纤维材料，并且所述基底的一个或多个内层为单向非编织纤维材料。
10.根据权利要求9所述的音板装置，其中，所述基底的一个或多个内层中的大部分单向非编织纤维沿着所述音板的较大长度尺寸取向。
11.根据权利要求7至10中任一项所述的音板装置，其中，所述基底的一个或多个内层的非编织纤维具有比所述外层中的编织纤维大的纤维直径。
12.根据任一前述权利要求所述的音板装置，其中，5层音板的所述基底由具有三股编织的2个编织纤维复合材料外层和3个非编织单向纤维内层形成，所述内层中的两个沿着所述基底的较大尺寸排列，中心层的纤维沿着较小尺寸排列。
13.根据权利要求1至11中任一项所述的音板装置，其中，3层音板的所述基底由2个编织纤维复合材料外层和1个非编织单向纤维内层形成，所述内层沿着乐器基底的较大尺寸排列。
14.一种形成根据任一前述权利要求所述的音板装置的方法，所述方法包括以下步骤：
将多层编织或直股纤维材料粘合在树脂基质中以形成音板基底，其中所述音板基底被形成为使得其厚度相对于最终音板基底尺寸过大；以及
修整所述音板基底以形成最终基底，修整工艺被限制为确保在所述最终基底中，所述内层中的纤维不被所述修整工艺切断。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述修整包括对所述音板基底进行砂磨和/或机械加工。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，对所述音板基底进行精加工，以实现不大于0.2mm的平坦度和厚度公差。
17.用于乐器的音板装置，所述装置包括：
音板基底，所述音板基底由厚度在0.75mm到3mm之间的复合纤维树脂粘合材料形成，其中所述基底由至少3层编织或非编织股纤维材料形成，其中所述基底的一个或多个内层中的大部分纤维沿着所述音板的较大长度尺寸取向，其中所述基底的中心层的材料具有比其他层大的纤维直径。
18.根据权利要求17所述的音板装置，其中，所述基底具有5层，并且其中所述基底的中心层的大部分纤维排列在所述音板的较小宽度尺寸上，其中邻近所述中心层的两个内层中的大部分纤维沿着所述音板的较大长度尺寸取向。
19.根据权利要求17所述的音板装置，其中，所述基底具有3层，并且其中所述基底的中心层的大部分纤维沿着所述音板的较大长度尺寸排列。
20.一种钢琴或类似的打击乐器，包括根据任一前述权利要求所述的音板装置。
21.基本上如上文参照附图所描述的音板装置。
22.一种基本上如上文参照附图所描述的钢琴或类似的打击乐器。
23.一种基本上如上文参照附图所描述的音板装置的形成方法。
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