CN113889057A - 一种钢琴调弦机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢琴调弦机构，包括位于钢琴内的支撑钢板21，支撑钢板21上部作为琴弦的上悬挂部分，该上悬挂部分沿琴弦的布置面设有上层正面拉力支撑钢板条4和下层正面防转钢板条6，上层正面拉力支撑钢板条4上预设有正面过孔401，下层正面防转钢板条6上预设有正面防转动限位孔601，用于同一根琴弦8的正面过孔和正面防转动限位孔一一对应设置。本发明设计研发新的钢琴调弦机构，会使钢琴的总体品质显著提高，简化了调音难度，长期稳定音准，几乎没有制造成本投入，用户的使用成本降低。在整架钢琴的所有零部件中，调音部分的功能排名第一，功能评价得分最高，而此项新机构的投入除了首次设计试验以外，几乎没有制造成本的增加。

Description

一种钢琴调弦机构

技术领域

本发明涉及钢琴结构技术领域，具体为一种钢琴调弦机构。

背景技术

钢琴，是一项音乐史上的伟大创造，钢琴的发明对音乐理论的促进作用是革命性的。然而，自发明钢琴的几百年以来，大量的音乐人都在费尽心思，探讨在钢琴演奏方法中如何去适应钢琴的构造，却很少有人重新去探讨怎样的构造钢琴才适合人的演奏。所以钢琴在相当长的一段时间内成为了标准件大规模生产的产品。

音准是乐器的灵魂，当音准偏差到一定的程度时音乐就变成了噪音。尤其钢琴的音准有偏差时，靠演奏的操作是无法弥补的。传统钢琴的一大先天缺陷就是调音难以精准，走音却特别容易。

一、音高和音频关系

（1）决定音高的三要素

1、琴弦的直径和材质；2、琴弦的长度；3、琴弦的松紧度。钢琴一经出厂，前两个要素就已经确定，不能轻易更改。随时随地变化的就是第3个要素：琴弦的松紧度。

（2）琴弦音高与频率的关系

琴弦拉的越紧，自然振动频率则越高，自然振动频率的等比数列与十二平均律音阶是相对应的。例如国际标准音A的自然频率是440赫兹，12平均率的公比是1.059，440×1.059=466，466×1.059=494等等，则440、466、494这三个频率对应的音高则依次升高了半音，暂时把这一个半音叫做一个台阶，则音乐课的1、2、3、4中1~2频率升高了两个台阶，2~3升高了两个台阶，3~4升高了一个台阶，所以把升高两个台阶的1~2或2~3叫做全音关系，只升高一个台阶的3~4叫做半音关系。

为了乐器调音的精细化，音乐界又将一个半音分为100份，其中一份叫1音分。可见，半音是音符计量的最小单位，音分是衡量音准的最小单位。

二、传统钢琴调弦机构存在的问题

与很多弦乐类似，钢琴的琴弦张紧也是靠弦轴与弦孔的配合实现的。其他弦乐，如二胡小提琴等均可以随时随地调整，钢琴则不然，其琴弦多达228根，再加上调整精度要求很高，需要专业调音师才能完成。这既给钢琴用户增添了很多麻烦，又使钢琴经常在音不准状态下运行。随着钢琴使用年龄的增加，弦轴孔越来越松动，因此钢琴的走音问题不但严重影响了钢琴的品质，而且成为决定钢琴寿命的主要短板。

据粗略估计，钢琴专业演奏人士每年要调律几十次，业余钢琴爱好者每年至少要调律几次不等，钢琴培训学校由于费用问题一年只调一次，其音准可想而知。和走音问题相伴而行的另一个问题就是调音问题，调音的难度主要来自弦轴的难以控制。一般来说，大多数钢琴调音要请调音师进行。调音师经过专业训练，练就了调音的手上功夫，才能够把握音高变化与力度的关系。即便是音乐人士，但凡没有经过调音训练的，就无法控制力度，造成过调或欠调，甚至一不小心将琴弦拉断。如果概括钢琴的重大缺陷，首选的问题就是钢琴音准的稳定性和调音精确度无法满足人耳听音精度的要求。

三、钢琴容易走音和调音困难的原因

（1）钢琴走音的要素分析

在钢丝（琴弦）的有效弦长、材质和直径不变的情况下，钢丝的拉力和振动频率的平方成正比，即：T=kf²。在调紧钢丝后，所有与钢丝接触的维持钢丝应力的部件都有变形的趋势，这些变形的因素中任意一个起作用都会使钢丝的拉力下降，引起频率变低即走音，以下几点是引起走音的重要原因。

1、上挂弦点

与其他很多传统弦乐雷同，钢琴的上挂弦点是琴弦直接缠绕在弦轴上（如图26及图27），木质的旋轴板201位于支撑钢板（铸铁板204）背面，金属弦轴203紧紧地拧在旋轴板201的弦窝里，旋轴套202起到抵抗根部弯矩的作用，弦窝对弦轴的摩擦力来抵消琴弦的张力。这种结构没有实现力的放大，而只是一种简单力的传递。调弦时，通过扳手旋转弦轴转动，作用到弦轴上的切向力除了克服摩擦力以外，剩余就是对抗琴弦的拉力，当去掉人的外力后，摩擦力即刻调转方向，来对抗琴弦的拉力。走不走音就由这两个力量对比来决定了。由于弦窝是在木头上打孔形成的，对制造工艺要求很高，环境气候影响也比较大，对于同一架钢琴而言，各个弦轴与弦窝的配合也不尽相同，所以各种钢琴的实际走音总是程度不一。

因此，弦轴与弦窝的配合是钢琴制造工艺的核心，也是钢琴品质评价的核心指标。

另外，钢琴在静止状态下，弦轴与弦窝的摩擦力是一个稳定值，但在振动的时候，摩擦力会忽大忽小，此时琴弦在张力的作用下就会松弛。所以钢琴在搬动以后，走音就会更严重。

2、下挂弦点

琴弦的下挂弦点，下端是将钢丝弦拧成麻花辫打结，挂在底部钢钉（下弦柱）上。当钢丝拉紧时，麻花辫部分的钢丝就有恢复到直线的趋势，也就是调音后的应力放散使麻花辫伸长，形成走音。

3、热胀冷缩

热胀冷缩的影响是人们最容易想到的。如果热胀冷缩只对弦轴、弦窝以外的结构、部件有影响，这样这一问题可以忽略不计。一是因为钢板与钢丝材料接近，膨胀系数接近；二是热胀冷缩即便引起微弱的走音，也不会引起各音阶的相对变化。

4、钢丝延伸

随着对钢丝拉力的加大，钢丝也会延展，在应力限度内，这一延展的最大幅度就是钢丝的初伸长，在出厂前多次校准音高过程中初伸长已基本释放。

5、音板变形

每根琴弦对音板都有侧压力，累加起来会引起音板变形，使某一片区集体走音。

以上五个因素中的后四个因素，即下挂弦点麻花辫旋转、热胀冷缩、钢丝延展和音板变形所引起的走音。湿度和温度也都会引起走音，但各音阶相对变化较小。每一组琴弦都普遍存在，每组琴弦的相对音高变化差异不大。而由弦轴弦窝配合不当（第一个因素）引起的音高变化，不但在每组音高上表现出较大的差异，而且在同一组音中每根琴弦音高变化也会有较大的差异。一种乐器独奏，不与其它乐器配合时，如果相对高音准确，绝对高音在一定范围内走音是不会影响音乐演奏效果的。

综合上述分析，弦轴与弦窝的设计配合是导致走音的最主要原因，也是钢琴品质难以提升的关键。

（2）钢琴调音困难的原因

钢丝在弦轴上缠绕一圈周长平均为25mm，而在校音过程中，经常只需调整几十微米，或者说只允许扳手旋转1~2度（1/360~2/360圈），并且一根琴弦的拉力近百公斤，再加上弦轴和弦窝的摩擦力，在调整时调音师既要使出较大的力使弦轴旋转，又要在几十微米内立刻终止。这种类似于“点到为止”的操作要求，只是一种力的简单传递，无法满足精细化调整的要求。

四、几百年来，钢琴制造厂家在不断的进行钢琴紧弦机构的工艺改进，但上述“走音容易、调音难”的状况一直得不到根本性的解决。主要是因为，弦轴结构是一个简单的力的传导，没有引入力的放大机构，钢丝张力能够轻松的反向驱动，使钢丝旋转而走音。有人曾经尝试用蜗轮蜗杆结构来代替弦轴结构，这从原理上讲是没问题的，但钢琴弦有200根之多，蜗轮蜗杆结构没有足够的布置空间，却成本比较高，不能推广应用。目前，很多钢琴爱好者在琢磨如何治理走弦走调，但基本思路都是在保持传统弦轴、弦窝的基础上，另加锁弦机构。这种方案不能从根本上解决走音问题，更不能解决微调问题，且机构臃肿繁琐。

发明内容

本发明主要针对现有钢琴中存在调音难、长期保持音准更难的技术问题，2018年以来，发明人通过解剖旧钢琴开始研究钢琴的调音和走音问题，终于研发出一种应用于钢琴的调音机械结构，来取代传统紧弦机构，即一种钢琴反向自锁调弦机构。

本发明具体是采用如下技术方案实现。

一种钢琴调弦机构，包括位于钢琴内的钢琴支撑钢板，所述钢琴支撑钢板上部作为琴弦的上悬挂部分，该上悬挂部分沿琴弦的布置面设有上层正面拉力支撑钢板条和下层正面防转钢板条，所述上层正面拉力支撑钢板条上预设有正面过孔，所述下层正面防转钢板条上预设有正面防转动限位孔，用于同一根琴弦的正面过孔和正面防转动限位孔一一对应设置；每个正面防转动限位孔内放置有一个正面防转螺母，每个正面过孔上设置有一个正面提升螺母，每个正面提升螺母内螺纹连接有一根正面提升螺杆，每根正面提升螺杆的下部与其相应的正面防转螺母连接；每根正面布置的琴弦的上端固定连接于相应的正面防转螺母内，每根正面布置的琴弦的下端悬挂于钢琴支撑钢板的相应下悬挂点上。

进一步优选的，所述钢琴支撑钢板上部背面设有斜撑钢板，所述斜撑钢板上沿琴弦的布置面设有上层背面拉力支撑钢板条和下层背面防转钢板条，所述上层背面拉力支撑钢板条上预设背面过孔，所述下层背面防转钢板条上预设有背面防转动限位孔，用于同一根琴弦的背面过孔和背面防转动限位孔一一对应设置；每个背面防转动限位孔内放置有一个背面防转螺母，每个背面过孔上设置有一个背面提升螺母，每个背面提升螺母内螺纹连接有一根背面提升螺杆，每根背面提升螺杆的下部与其相应的背面防转螺母连接；所述钢琴支撑钢板上部开设有贯穿槽，每根背面布置的琴弦的上端固定连接于相应的背面防转螺母内，每根背面布置的琴弦穿过相应的贯穿槽后其下端悬挂于钢琴支撑钢板的相应下悬挂点上。

进一步优选的，所述正面防转螺母的下端安装有封堵螺钉，所述封堵螺钉开有用于琴弦穿过的孔道；所述琴弦上端伸入正面防转螺母内采用凝固胶封堵浇注后穿过封堵螺钉；同理，所述背面防转螺母的下端安装有封堵螺钉，所述封堵螺钉开有用于琴弦穿过的孔道；所述琴弦上端伸入背面防转螺母内采用凝固胶封堵浇注后穿过封堵螺钉。

具体研发过程中，发明人通过多种方案的比选和试验，最终方案为，支撑钢板设计选择“树叉形”；提升、防转动部分选择提升螺旋副及防转螺母；固定钢丝部分选择混凝胶锚固，形成总体方案。

树叉形的钢板设计，使得琴弦路径流畅，避免螺柱受侧向力而变形，钢板前后拉钢丝，钢丝拉力对钢板形成的总弯矩变小，在大批量生产时，可以延长铸铁板来代替主钢板。

提升螺旋副功能主要由钢琴架固定的支撑钢板、螺柱（提升螺杆）和调节螺母（提升螺母）来实现。在支撑钢板开孔后穿过螺柱，转动调节螺母，螺柱上下运动，钢丝随螺柱同步移动，起到调节钢丝（松紧琴弦）的作用。调整时，调节螺母的旋转周长远远大于钢丝的行程，调节螺母上的切向力远远小于对钢丝的拉力，实现了调节轻松省力，同时粗调变成了细调，调音精准。当螺旋副的升角小于螺旋副当量摩擦角时螺旋副实现自锁，从而不再因弦轴结构而走音，理论上说这一机构的性能非常理想。

防转功能主要由固定在钢琴架上的防转钢板和防转螺母实现，防转钢板上开六角孔穿过防转螺母，防转螺母和钢丝固定连接，在调节螺旋副上下运动时，钢丝不会随之转动。此时防转动六角螺母有三个作用：一是防钢丝转动；二是与螺杆配合，平衡侧拉力；三是锚固钢丝。

防转螺母与钢丝的连接，是本发明设计最难攻克的“堡垒”。因为只要应力不能在被固定的钢丝头上合理分配，钢丝就会在应力集中的部位被拉断。通过各种方案大量试验，最后受土建工程中锚固技术的启发，最终通过锚固的方法得以圆满解决。将弯曲的钢丝伸入防转螺母内下部，同时注入环保的混凝剂，凝固即完成。这种钢丝和混凝剂的配合类似于钢筋和混凝土的配合，在承受拉力时，随着钢丝在混凝剂中的深入，钢丝的应力梯度逐渐减小，这种刚柔结合的锚固方式，就像拔河游戏一样，随着应力的增大，应力集中的地方会自动向应力较小的地方转移，从而，轻松达到拉力要求。

另外，传统钢琴的下挂弦点，都是用钢丝缠绕成麻花辫，挂在钢钉上完成的。本设计方案对下挂弦点改进为，麻花辫加金属线夹头方案。其优点是避免麻花辫旋转松懈引起走音，同时缩短麻花辫的长度。

综上所述，与传统机构相比，本发明设计的钢琴调音机构调音难度小，精度高、抗振动能力强，不走音；钢丝衔接机构能承受巨大拉力。这些优点通过以下试验证明。

一、本发明与现有钢琴调弦（调音）机构对比试验如下：

钢琴旧结构指传统调音机构；钢琴新结构是指本发明设计的以螺旋副结构原理构成的反向自锁调弦（调音）机构。以下将对新、旧机构的调音操作、振动走音、拉力测试，三项指标进行对比试验。

对比试验需要指标和标准，在钢琴国标CB/T10159--2015的有关标准中，有音准误差的标准规定。但标准过于宽松，例如在e¹--e²音域范围内，各音最大允许误差“8”音分，不能作为实际操作的试验标准。振动走音试验没有详细的数值规定，拉力试验的指标也没有。本次对新、旧机构进行的三项试验（调音、震动、拉力）没有具体标准，只能新旧机构进行指标对比。这三项试验指标是钢琴长期保持音准的重要因素。

（一）调音操作试验

琴弦的音高是要通过调整琴弦的松紧度来实现的。钢丝拉的越紧，其自然震动频率就越高，音也就越高。以标准音A为例，A的频率440赫兹，A^#的频率为466赫兹，这两个音符相差26赫兹，即相差半度。用测频器配合，把 A音调高10音分的偏差，也就是频率只升高2.6赫兹就是半音的10/100，这时普通的音乐爱好者都能听出明显的音不准，需要调整音高来矫正。

首先看看在传统机构上矫正上述10音分的数据。调整方法是将扳手逆时针旋转仅3度，就是3/360圈，10音分的误差就得以矫正。传统弦轴旋转一圈，可收紧或放松琴弦约25毫米，调整10音分的音高只需要把琴弦收紧或放松0.2毫米（25×3/360）长度。这一调整的掌控，专业的调音师也非常困难。以上举例说明的是音高偏差10音分的例子，而现实中很多音乐人可以清晰辨别2音分的音高精准度，国标（GB/3451--82）也有±2音分的标准。对应的调节弦轴度数还不到1度，这样的精度就更难以把握。所以，传统钢琴的调音是非常困难的，需要有经验的专业调音师进行反复操作。

然而，同样是矫正10音分的误差，若采用本发明设计的螺旋副结构就会非常简单易行。先假定一种螺旋副结构是粗牙螺栓，螺距0.8毫米，周长12毫米。和传统机构相比较，两种机构的弦轴或螺杆同样都旋转一圈，提升钢丝高度由上述的约25毫米减小到0.8毫米，比例约为31:1。这样两种机构的各项参数相比较，就出现了一个31倍的关系，矫正10音分的误差，传统机构需要旋转3度，而新机构则变成了旋转3×31=93度，调整时施于弦轴上的切向力也减少为1/31（忽略阻力）。 可见螺旋副结构调弦会非常省力，粗调变成了细调，音准会非常精确。

表1 弦轴结构和螺旋副结构的指标对比

说明：选择这一标准螺栓，主要是为了方便与现有弦轴进行指标对比，在实际应用中，选择M5的国标粗牙螺栓，螺距0.8毫米，中径4.48毫米，既可满足要求。

从上述两种机构对比试验可以看出，新机构调音的精度可以提高31倍。实现了机械力放大，调整轻松省力。不需要专业调音师就能轻松达到国际要求的误差范围，有经验的音乐人士即可轻松完成。

从上述试验反观传统钢琴，当琴弦弦轴松动使弦长变化0.2毫米时，音准会严重不符合要求，而这个0.2毫米的变化是传统的非自锁结构无法克服的。

（二）振动试验

为了检验新研发的调弦机构和传统机构在实际操作中的差别，将在同一架钢琴上分别装入两种调弦机构进行试验。中间部分改换新的调弦机构，其余部分恢复传统调弦机构。调整琴弦，让钢丝达到对应位置的音高分别为C、D、E、F、G、A、B。然后用大铁锤多次敲击铸铁钢板和钢琴木质支撑框架，随后检查试验结果，发现以下现象：传统调弦的三根琴弦中的两根，音高约降低两度到三度，另一根琴弦已脱出弦轴板，无音可言。新的调弦机构仍保持音高不变，这足以说明新机构在非振动条件会长期保持音准。两种机构无法用同一音准指标来衡量优劣。

（三）拉力试验

一架钢琴每根琴弦拉力近百公斤，所有琴弦拉力总和达20吨左右，拉弦机构的安全余量和剩余强度的多少，直接影响弦轴的稳定性，弦轴的稳定性又直接影响到音准。但是钢琴国标里没有找到琴弦拉力试验指标。以下是按钢琴琴弦运行应力的1.5倍进行拉力试验。在通用琴弦钢丝的情况下，钢丝拉力计算的简化公式：

T＝0.2516×10^-8ι²f²d²

其中，T为琴弦张力（Kg），ι为有效弦长（mm），f为弦的振动频率（Hz），d为钢丝直径（mm）。

以（英昌U3）为例，在A音位置上进行拉高试验，d=1mm，ι=424mm不变，则T和f的对应关系式可进一步简化为：

T＝45.232×10^-5f²

在A音位置音高和拉力的对应关系表如下：

音高准确表示“2”音分范围，音高稳定表示“5”音分范围，微误差表示“5”音分范围内短期走音，小误差表示“8”音分范围内短期走音，大误差表示“10”音分范围内短期走音，无法稳定表示拿走调音扳手瞬时走音。

在（英昌U3）钢琴上，以传统的弦轴机构进行拉力试验，音高从A升到C^#的时候，拉力升高1.57倍，此时琴弦在短时间内已无法维持音高；继续拉高，弦轴随着扳手放松则退回。新机构进行同样过程的拉力试验，在拉高到C^#的时候，拉力升高1.57倍时，能够长期保持音高。一般认为，普通钢琴在拉高1度时，音准稳定就算合格。新机构的这一指标域度很大，没必要做拉断试验。

在过量的拉力作用下，新旧机构的主要区别是，旧机构拉力越大音高的稳定性就会越差，而新机构在过量至1.5倍的拉力下不影响音高的稳定性，这是由于机构的设计原理不同引起的。

测试证明：新机构在拉力超过正常标准音高50%的情况下，音高稳定，还原到正常音高时，音准会更加可靠。这样的拉力强度余量使钢琴出厂前调音变的简单，不用反复校正8~12次。动用强度余量“矫枉过正”，会使调音过程变的更加简化，音准更加稳定。

二、新研发的琴弦调紧机构具有以下良好的经济和社会效益。

（一）功能大大改善

1、由于长期保持音准，提高了钢琴演奏者的音乐表现力及愉悦体验。

2、改善调音过程，不但省时省力自行完成，而且还将调音间隔延长，根据振动试验预估，三年以上微调一次，能达到传统钢琴的音准水平。

3、简化制造工艺，不存在弦轴与弦轴窝的精确配合。

4、使用该结构能够显著提高钢琴的使用寿命。

（二）效益增加

1、新机构制造时，钢琴骨架的铸铁板的面积会适当增加，但其背后的木制框架结构用料会大量减少，这两项费用大约抵消。由于新、旧机构的组成结构不同，新机构会增加制造成本约1000余元。

2、降低钢琴的维护成本；每年可节约调音维护费用500至1000元。

3、以钢琴全寿命周期成本的视角来看，制造成本的增加会远远小于传统钢琴的维护费用。

本发明设计研发新的钢琴调弦机构，会使钢琴的总体品质显著提高，简化了调音难度，长期稳定音准，几乎没有制造成本投入，用户的使用成本还会降低。在整架钢琴的所有零部件中，调音部分的功能排名第一，功能评价得分最高，而此项新机构的投入除了首次设计试验以外，几乎没有制造成本的增加，具有很好的实际应用价值。

附图说明

图1表示本发明最优设计中钢琴的支撑钢板中琴弦上悬挂部分加装调整机构后的侧向剖视图。

图2表示本发明最优设计中钢琴的支撑钢板中琴弦上悬挂部分结构斜向示意图。

图3表示本发明最优设计中钢琴的支撑钢板中琴弦上悬挂部分结构侧向剖面图。

图4表示本发明中钢琴的支撑钢板中琴弦上悬挂部分结构侧向剖面图。

图5表示钢琴的支撑钢板中琴弦上悬挂部分为平板式示意图。

图6表示琴弦的上悬挂调整机构采用防转螺母设计方案示意图。

图7表示钢丝（琴弦）与防转螺母连接方案1结构示意图。

图8表示图7中采用方案1时B部放大示意图。

图9表示图7中采用方案2时B部放大示意图。

图10表示图7中采用方案3时B部放大示意图。

图11表示钢丝（琴弦）与防转螺母连接方案4结构示意图。

图12表示图11中B部放大示意图。

图13表示图11的C向剖面示意图。

图14表示图13中A部放大示意图。

图15表示钢丝（琴弦）与防转螺母连接方案5结构正面示意图。

图16表示图15的侧面示意图。

图17表示表示钢丝（琴弦）与防转螺母连接方案6结构示意图。

图18表示表示钢丝（琴弦）与防转螺母连接方案7结构正面示意图。

图19表示图18的侧面示意图。

图20表示钢丝（琴弦）与防转螺母连接方案8结构示意图。

图21表示图20中B部放大示意图。

图22表示钢琴的支撑钢板布置满琴弦后整体示意图。

图23表示图22中A部放大示意图。

图24表示背面布置的琴弦穿过贯穿槽示意图，即图23中C-C剖面图。

图25表示图22中B部放大示意图，即下悬挂方式示意图。

图26表示传统（现有）钢琴中支撑钢板悬挂琴弦示意图。

图27表示现有钢琴的琴弦上端悬挂方式示意图。

图28表示提升螺杆与防转螺母的配合实施例示意图。

图中：1-正面提升螺杆，1a-背面提升螺杆，2-正面提升螺母，2a-背面提升螺母，3-垫圈，4-上层正面拉力支撑钢板条，4a-上层背面拉力支撑钢板条，5-正面防转螺母，5a-背面防转螺母，6-下层正面防转钢板条，6a-下层背面防转钢板条，7-斜撑钢板，8-琴弦（钢丝），9-正面琴弦支撑件，9a-背面琴弦支撑件，10-压弦件，11-琴码；401-正面过孔，601-正面防转动限位孔，401a-背面过孔，601a-背面防转动限位孔；12-锁紧螺钉，13-通槽，14-带孔椭圆销，15-金属销，16-金属夹头，17-T型螺钉，18-封堵螺钉，19-凝固胶，20-加强筋板，21-钢琴支撑钢板，22-贯穿槽，23-下弦柱，24-麻花辫；101-调节螺母（提升螺母），102-防转螺母，103-螺柱（提升螺杆），104-下层防转钢板，105-上层支撑钢板；201-旋轴板，202-旋轴套，203-弦轴，204-铸铁板；301-支撑钢板，302-防转钢板；501-孔道Ⅰ，502-孔道Ⅱ，503-卡盘；Ⅰ-X处，Ⅱ-琴弦焊接处，Ⅲ-钢丝缠绕铜丝锌焊。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

在研发期间，通过学习掌握了大量有关钢琴的各种资料及制作方法，逐步对钢琴的调音结构进行改进，直至得出最优结果。

本发明核心是在现有钢琴的基础上，对钢丝（琴弦）上悬挂方式的改进。

一、钢板的设计试验

一架钢琴，其中支撑钢板是所有机构的承载者，设计的核心是：（1）尽量减少钢丝拉力形成的总弯矩，以避免钢板变形或钢板过于笨重。（2）钢丝的路径顺畅，还能将琴弦保持在原来的位置。（3）螺柱、螺母、钢丝等连接的机构不仅能承受竖向拉力，同时还需要承受侧拉力的弯矩。

为此，先后进行了三个方案的比选和设计，第一方案是平板式，如图5，上平板作为支撑钢板，用于固定螺旋副部分，下平板作为防转钢板，用于固定防转和钢丝连接部分。这一方案的主要缺陷是，钢丝路径拐弯太多，容易引起螺栓机构的变形；装配螺栓机构时，受钢板的阻挡，操作不方便。第二方案是竖版支撑式，如图4，这一方案克服了图5方案中不方便操作的缺点，但仍然存在背面的钢丝路径不够舒畅的问题。第三方案是树叉式，如图2，和第二方案相比，将后排的机构支撑竖板改为斜板，使钢丝的路径舒畅。三个方案试验比选，第三方案除了钢板结构较为复杂外，能够胜任目前功能要求。

如图2、3所示，钢琴支撑钢板21上部作为琴弦的上悬挂部分，该上悬挂部分沿琴弦的布置面设有上层正面拉力支撑钢板条4（即下文提及的上层支撑钢板105）和下层正面防转钢板条6（即下文提及的下层防转钢板104），上层正面拉力支撑钢板条4上预设有正面过孔401，下层正面防转钢板条6上预设有正面防转动限位孔601，用于同一根琴弦8的正面过孔和正面防转动限位孔一一对应设置。钢琴支撑钢板21上部背面设有斜撑钢板7，斜撑钢板7上沿琴弦的布置面设有上层背面拉力支撑钢板条4a和下层背面防转钢板条6a，上层背面拉力支撑钢板条4a上预设背面过孔401a，下层背面防转钢板条6上预设有背面防转动限位孔601a，用于同一根琴弦8的背面过孔和背面防转动限位孔一一对应设置。

二、防钢丝旋转的设计试验

在确定了钢琴的钢板上部琴弦的上悬挂部分结构后，在调整琴弦时，防止钢丝随着机构而扭转，共进行了两个方案的设计比选，第一是用防转动螺帽，如图6，第二是用T型螺杆与钢板的配合来实现，这两个方案防转动都没有问题，根据钢丝与构件的连接方式不同，为配合钢丝锚固结构设计方案，本设计选用防转动螺母方案。

钢丝的上部调整机构包括调节螺母101、防转螺母102及螺柱103，防转螺母102位于下层防转钢板104的限位孔中，例如限位孔为六边形，则防转螺母102的外周面为配合的六角状，插入限位孔中，保持防转螺母不动。调节螺母101位于上层支撑钢板105的过孔上，螺柱103下部连接于防转螺母102上部，螺柱103上部穿过过孔后，套装垫圈，然后将调节螺母101旋拧于螺柱103上部。

调节时，通过工具或者手动旋拧调节螺母101，螺柱103在防转螺母102的限位下，只能进行上下运动，进而带动防转螺母102进行上下移动。具体使用时，钢丝上端需要固接于防转螺母102内，则实现对钢丝的松紧调节功能。

在此，螺柱作为提升螺杆，其下部与防转螺母具有多种连接方式。例如，螺柱103下部通过螺纹连接于防转螺母102内，如图6所示。或者，螺柱103的下部焊接固定于防转螺母102内。或者，如图28所示，螺柱103的下部与防转螺母102进行卡合连接；即螺柱103的下部呈棱柱型（例如四棱柱或六棱柱）并设有卡盘503，防转螺母102内由孔道Ⅰ501和孔道Ⅱ502构成台阶型中央孔道，孔道Ⅰ501截面形状与螺柱的下部棱柱截面形状相同（即孔道Ⅰ为四变形孔或者六边形孔），即螺柱102由孔道Ⅱ502穿入后其棱柱型下部配合穿过孔道Ⅰ501且卡盘503位于台阶处。具体为，螺柱103上部为螺纹结构、下部为六棱柱结构，防转螺母的孔道Ⅰ为六边形孔道，实现防转螺母对螺柱的限位转动。在下述的方案8中，凝固胶位于孔道Ⅱ502内用于封固钢丝上端，而且孔道Ⅱ502内壁也是螺纹结构，凝固胶凝固后与孔道壁的摩擦力更大，最后用封堵螺钉18旋紧于孔道Ⅱ502底端。

下面，钢丝与防转螺母的固接采用如下几种方式。

方案1、钢丝弯折自锁设计方案

如图7所示，在防转螺母102的下端通过螺纹结构安装锁紧螺钉12，在锁紧螺钉上钻孔，用于钢丝穿过，上端为喇叭孔，如图8。钢丝头穿过锁紧螺钉后弯折弧度直径约为3mm，顺延5mm后打结，将锁紧螺钉拧入防转螺母，当钢丝向下拉动时，钢丝头的弯折部分逐步深入到喇叭口的细部，实现自锁。试验过程，以“F”音为基础进行调音，依次从C、D到E的时候，钢丝从X处断裂。主要原因是，拉力和应力全部集中到弯折处，被巨大的剪力剪断。虽然该连接方式发生断裂，但是在钢丝性能得到提升的情况下，该连接方式显然符合要求。

方案2、钢丝弯折焊接设计方案

如图9，此方案是在上述方案基础上的改进，将弯折处的钢丝头相互焊接，然后重复上述方案的试验。试验结果是在喇叭口处拉力越大摩擦力越大，钢丝在焊接处断裂。其主要原因是焊接后因高温所致，焊接处的金属组织回火发生脆断。

虽然方案1和方案2有发生钢丝拉断的可能，但是，针对不同的钢琴种类，也具有一定的应用价值。

方案3、搪锌焊接设计方案

在方案1和方案2的基础上，将钢丝头用细铜丝绑扎，然后再进行搪锌焊接，如图10。在拉力试验中，这一方案较前两个方案抗拉强度有所提高，但在更大拉力下也存在断裂的风险。

方案3基本可以应用于实际。

方案4、销子自锁设计方案

如图11，在防转螺母上开设通槽，将椭圆销子上开孔（构成带孔椭圆销），将钢丝头插入椭圆销子的预留孔，然后缠绕1~2圈，挂入通槽内，如图12及图14。当受到钢丝拉力时，销子顺时针旋转的趋势将自锁钢丝。如图13所示，旋拧调节螺母101后，进行拉力试验，这一方案的拉力试验结果是，有时候拉力能够达到要求，有时候钢丝会在挤压处拉断，这种不稳定的结果主要是因为空间狭小，试验构件的工艺水平有可能满足要求。但是针对一般的钢琴，也满足实际应用要求。

方案5、麻花辫挂弦设计方案

在销子自锁方案的基础上，使用麻花辫挂弦方法。用麻花辫挂弦是钢琴最古老的方法，和传统钢琴的下端挂弦方法一样，如图15及图16，这种方法，琴弦与金属销子的接触面较大，应力较为分散，当麻花辫足够长的时候，拉力试验没有出现大的问题。这种方法的缺点是，缠绕操作难度大，不美观，拉紧后麻花辫有旋转松懈趋势，对音准有一定影响，但基本满足实际要求。

方案6、麻花辫金属夹头设计方案

如图17，在方案5的基础上，钢丝上端绕过金属销后扭成麻花辫，麻花辫上加装金属夹头；金属夹头的作用是，能够大大缩短麻花辫的长度，且克服了麻花辫易旋转的缺点，力学试验，这一方案不算理想但能达到研发技术要求。

方案7、T形螺栓挂线方案

如图18及图19，本方案是将锁紧螺钉改成T型螺杆，然后将钢丝在T型螺钉上缠绕两圈，再打麻花辫，在麻花辫上用金属夹封闭。钢丝的应力充分分散，能够满足拉力试验的要求。缺点是不太美观，操作依然繁琐。

方案8、锚固钢丝设计方案

受工程地质结构处理的启发，用锚固剂来固定钢丝，如图20及图21，将环保的混凝胶搅拌均匀，将钢丝弯折弧度放入防转螺母内，然后将凝固胶塞满，最后在防转螺母下端旋拧封堵螺钉。凝固后进行拉力试验，试验中不紧能轻松满足拉力要求外，而且在原标准音的基础上向上一度音高的音程。在F音对应琴弦位置做实验，能够升高到G音，在G音以上继续拉过G^#，琴弦拉断。这一方案和前边的方案相比，克服了操作困难、不美观、拉力不易满足等缺点，等待凝固时间在大批量生产中不存在效率问题。

进一步的，在凝固胶中掺杂一定数量的小钢珠，这种固化结构类似于钢筋混凝土，提升钢丝在防转螺母内的锚固性。

具体实施时，凝固胶使用卡夫特铸工胶，符合RoHS环保要求，A胶和B胶以1:1比例混合，混合过程中加入直径1mm~1.5mm钢珠不等，进行调和。硬化过程8小时，最佳效果24小时。该环保凝固胶，具有耐高温300º、低温-40º，粘接牢固如铁，耐腐蚀不缩涨、使用寿命可长达几十年。

至此，对钢琴内支撑钢板上部钢丝（琴弦）悬挂部分进行了结构上的创新改进，以及钢丝上悬挂方式的设计研发。由于钢琴的琴弦数量众多，所以在支撑钢板的正面和背面均设置了拉力支撑钢板条，如果琴弦能够在支撑钢板的正面全部布置完成，则显然不需要在支撑钢板的背面设置背面拉力支撑钢板条等机构，例如可以在正面拉力支撑钢板条上设置多排正面过孔结构等。总之，在实际的钢琴制造过程中，存在多种琴弦的布置思路，但是本发明核心则是对琴弦上悬挂及调节方式的创新改进。

最优结构如图1所示，在支撑钢板的正面和背面均布置有琴弦。

一种钢琴调弦机构，包括位于钢琴内的钢琴支撑钢板21。钢琴支撑钢板21上部作为琴弦的上悬挂部分，如图1和图23所示，该上悬挂部分沿琴弦的布置面设有上层正面拉力支撑钢板条4和下层正面防转钢板条6，上层正面拉力支撑钢板条4上预设有一排正面过孔401，正面过孔的数量与正面布置的琴弦数量相等或者略多，下层正面防转钢板条6上预设有一排正面防转动限位孔601，用于同一根琴弦8的正面过孔和正面防转动限位孔的位置是一一对应设置的；每个正面防转动限位孔601内放置有一个正面防转螺母5，每个正面过孔401上设置有一个正面提升螺母2，每个正面提升螺母2内螺纹连接有一根正面提升螺杆1，每根正面提升螺杆1的下部与其相应的正面防转螺母5连接，具体的连接方式如上文所述。每根正面布置的琴弦8的上端固定连接于相应的正面防转螺母5内（具体的连接方式可以采用上文所述的方案1至方案8，优选方案8），每根正面布置的琴弦8的下端悬挂于钢琴支撑钢板21的相应下悬挂点上，如图25所示，琴弦下端缠绕于下弦柱后打麻花辫，并用金属夹头锁紧，完成下悬挂点。所有琴弦布置完成后，如图22所示。

如图1所示，钢琴支撑钢板21上部背面设有斜撑钢板7，斜撑钢板7上沿琴弦的布置面设有上层背面拉力支撑钢板条4a和下层背面防转钢板条6a，上层背面拉力支撑钢板条4a上预设有一排背面过孔401a，下层背面防转钢板条6上预设有一排背面防转动限位孔601a，用于同一根琴弦8的背面过孔和背面防转动限位孔的位置是一一对应设置的；每个背面防转动限位孔601a内放置有一个背面防转螺母5a，每个背面过孔401a上设置有一个背面提升螺母2a，每个背面提升螺母2a内螺纹连接有一根背面提升螺杆1a，每根背面提升螺杆1a的下部与其相应的背面防转螺母5a连接，具体的连接方式如上文所述。

如图2所示，钢琴支撑钢板21上部开设有贯穿槽22，每根背面布置的琴弦8的上端固定连接于相应的背面防转螺母5a内（具体的连接方式可以采用上文所述的方案1至方案8，优选方案8），每根背面布置的琴弦8穿过相应的贯穿槽22（如图24所示）后其下端悬挂于钢琴支撑钢板21的相应下悬挂点上。

如图1所示，钢琴支撑钢板21上设有用于按压琴弦8的压弦件10；钢琴支撑钢板21背面位于贯穿槽22上方设有用于支撑琴弦穿入贯穿槽的背面琴弦支撑件9a，钢琴支撑钢板21正面位于贯穿槽22下方设有用于支撑琴弦穿出贯穿槽的正面琴弦支撑件9；斜撑钢板7与钢琴支撑钢板21背面之间还可以连接有加强筋板20。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (12)

1.一种钢琴调弦机构，包括位于钢琴内的钢琴支撑钢板（21），其特征在于：所述钢琴支撑钢板（21）上部作为琴弦的上悬挂部分，该上悬挂部分沿琴弦的布置面设有上层正面拉力支撑钢板条（4）和下层正面防转钢板条（6），所述上层正面拉力支撑钢板条（4）上预设有正面过孔（401），所述下层正面防转钢板条（6）上预设有正面防转动限位孔（601），用于同一根琴弦（8）的正面过孔和正面防转动限位孔一一对应设置；每个正面防转动限位孔（601）内放置有一个正面防转螺母（5），每个正面过孔（401）上设置有一个正面提升螺母（2），每个正面提升螺母（2）内螺纹连接有一根正面提升螺杆（1），每根正面提升螺杆（1）的下部与其相应的正面防转螺母（5）连接；每根正面布置的琴弦（8）的上端固定连接于相应的正面防转螺母（5）内，每根正面布置的琴弦（8）的下端悬挂于钢琴支撑钢板（21）的相应下悬挂点上。

2.根据权利要求1所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述钢琴支撑钢板（21）上部背面设有斜撑钢板（7），所述斜撑钢板（7）上沿琴弦的布置面设有上层背面拉力支撑钢板条（4a）和下层背面防转钢板条（6a），所述上层背面拉力支撑钢板条（4a）上预设背面过孔（401a），所述下层背面防转钢板条（6）上预设有背面防转动限位孔（601a），用于同一根琴弦（8）的背面过孔和背面防转动限位孔一一对应设置；每个背面防转动限位孔（601a）内放置有一个背面防转螺母（5a），每个背面过孔（401a）上设置有一个背面提升螺母（2a），每个背面提升螺母（2a）内螺纹连接有一根背面提升螺杆（1a），每根背面提升螺杆（1a）的下部与其相应的背面防转螺母（5a）连接；

所述钢琴支撑钢板（21）上部开设有贯穿槽（22），每根背面布置的琴弦（8）的上端固定连接于相应的背面防转螺母（5a）内，每根背面布置的琴弦（8）穿过相应的贯穿槽（22）后其下端悬挂于钢琴支撑钢板（21）的相应下悬挂点上。

3.根据权利要求2所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述钢琴支撑钢板（21）上设有用于按压琴弦（8）的压弦件（10）；

所述钢琴支撑钢板（21）背面位于贯穿槽（22）上方设有用于支撑琴弦穿入贯穿槽的背面琴弦支撑件（9a），所述钢琴支撑钢板（21）正面位于贯穿槽（22）下方设有用于支撑琴弦穿出贯穿槽的正面琴弦支撑件（9）；

所述斜撑钢板（7）与钢琴支撑钢板（21）背面之间连接有加强筋板（20）。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述正面提升螺杆（1）的下部通过螺纹连接于正面防转螺母（5）内；同理，所述背面提升螺杆（1a）的下部通过螺纹连接于背面防转螺母（5a）内；

或者，所述正面提升螺杆（1）的下部焊接固定于正面防转螺母（5）内；同理，所述背面提升螺杆（1a）的下部焊接固定于背面防转螺母（5a）内；

或者，所述正面提升螺杆（1）的下部呈棱柱型并设有卡盘（503），所述正面防转螺母（5）内由孔道Ⅰ（501）和孔道Ⅱ（502）构成台阶型中央孔道，孔道Ⅰ（501）截面形状与棱柱型截面形状相同，即正面提升螺杆（1）由孔道Ⅱ（502）穿入后其棱柱型下部配合穿过孔道Ⅰ（501）且卡盘（503）位于台阶处；同理，所述背面提升螺杆（1a）结构同正面提升螺杆（1），所述背面防转螺母（5a）结构同正面防转螺母（5）。

5.根据权利要求4所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述正面防转螺母（5）的下端螺纹安装有锁紧螺钉（12），所述锁紧螺钉（12）开有用于琴弦（8）穿过的孔道，所述孔道内端形成喇叭口，所述琴弦（8）上端穿过锁紧螺钉（12）的孔道后进行折弯处理，并在拉力下折弯处逐步锁紧于喇叭口内；

同理，所述背面防转螺母（5a）的下端螺纹安装有锁紧螺钉（12），所述锁紧螺钉（12）开有用于琴弦（8）穿过的孔道，所述孔道内端形成喇叭口，所述琴弦（8）上端穿过锁紧螺钉（12）的孔道后进行折弯处理，并在拉力下折弯处逐步锁紧于喇叭口内。

6.根据权利要求5所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述琴弦（8）上端进行折弯后进行焊接处理；或者，所述琴弦（8）上端进行折弯后采用铜丝绑扎，并进行搪锌焊接处理。

7.根据权利要求4所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述正面防转螺母（5）下部开有通槽（13），所述通槽（13）内安装有带孔椭圆销（14），所述琴弦（8）上端穿过带孔椭圆销（14）的自留孔后缠绕1~2圈；

同理，所述背面防转螺母（5a）下部开有通槽（13），所述通槽（13）内安装有带孔椭圆销（14），所述琴弦（8）上端穿过带孔椭圆销（14）的自留孔后缠绕1-2圈。

8.根据权利要求4所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述正面防转螺母（5）下部开有通槽（13），所述通槽（13）内安装有金属销（15），所述琴弦（8）上端绕过金属销（15）后扭成麻花辫，麻花辫上加装金属夹头（16）；

同理，所述背面防转螺母（5a）下部开有通槽（13），所述通槽（13）内安装有金属销（15），所述琴弦（8）上端绕过金属销（15）后扭成麻花辫，麻花辫上加装金属夹头（16）。

9.根据权利要求4所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述正面防转螺母（5）下部螺纹安装有T型螺钉（17），所述琴弦（8）上端缠绕于梯形端头后扭成麻花辫，并在麻花辫上加装金属夹头（16）；

同理，所述背面防转螺母（5a）下部螺纹安装有T型螺钉（17），所述琴弦（8）上端缠绕于梯形端头后扭成麻花辫，并在麻花辫上加装金属夹头（16）。

10.根据权利要求4所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述正面防转螺母（5）的下端安装有封堵螺钉（18），所述封堵螺钉（18）开有用于琴弦（8）穿过的孔道；所述琴弦（8）上端伸入正面防转螺母（5）内采用凝固胶（19）封堵浇注后穿过封堵螺钉（18）；

同理，所述背面防转螺母（5a）的下端安装有封堵螺钉（18），所述封堵螺钉（18）开有用于琴弦（8）穿过的孔道；所述琴弦（8）上端伸入背面防转螺母（5a）内采用凝固胶（19）封堵浇注后穿过封堵螺钉（18）。

11.根据权利要求10所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述凝固胶（19）内填装有钢珠。

12.根据权利要求11所述的一种钢琴调弦机构，其特征在于：所述钢珠直径为1~1.5mm。

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