本發(fā)明涉及音板裝置和形成這種裝置的方法，特別是其中這種裝置由復(fù)合材料制成。

用于鋼琴、大鍵琴和類似樂器的音板通常由云杉木制成。該材料表現(xiàn)出產(chǎn)生音質(zhì)和聲功率所需的高剛度與低密度的有利比率。鋼琴設(shè)計師通常將這些性質(zhì)理解為最能響應(yīng)來自鋼琴琴弦的振動能量輸入的性質(zhì)。

然而，云杉木隨溫度和濕度而經(jīng)受尺寸變化。這些氣候因素經(jīng)常導(dǎo)致在不利氣候下音板的開裂和缺乏調(diào)諧穩(wěn)定性。

響應(yīng)式鋼琴音板將具有接近于或處于所發(fā)聲的音符的頻率的多個固有頻率(自然頻率)。在鋼琴的低音區(qū)，被稱為本征頻率的這些固有頻率模式之間的頻率間隔(間距)成比例地寬于高音區(qū)。然而，低音區(qū)中的固有頻率的數(shù)量和接近度會極大地受到音板的厚度的影響，從而極大地受到音板的剛度的影響，并且在較小的程度上受到弦碼(琴碼，碼橋，bridge)的剛度、板的安裝和肋木(肋，rib)的影響。板越薄且越柔性，則存在越多的本征頻率接近所發(fā)聲的音符，并且這些固有頻率的最低頻率(第一本征模式)越低。因此，具有薄的柔性無肋木音板的鋼琴的低音響應(yīng)可能比具有多肋木厚板的鋼琴的低音響應(yīng)更好。通過在板的不同區(qū)域中使用不同的厚度可以獲得另外的優(yōu)點，在鋼琴音板的響應(yīng)于較高頻率的那些區(qū)域中使用稍厚的板，同時在響應(yīng)于低音頻率的那些區(qū)域中使用最小厚度會是有益的?？梢酝ㄟ^在振動能量輸入的條件下對音板的有限元模態(tài)分析來確定響應(yīng)區(qū)的位置和形狀。

通常發(fā)現(xiàn)，具有較薄且不太堅固從而不太耐用的云杉木音板(其不太能夠承受來自琴弦的負荷)的鋼琴具有較短的質(zhì)量壽命和較差的調(diào)諧穩(wěn)定性，盡管它們的聲學(xué)性能最初可能是優(yōu)越的。

最近開發(fā)的多種碳纖維(carbonfibre)和凱夫拉(kevlar)型復(fù)合材料，其包含嵌入樹脂材料的基質(zhì)中的碳纖維、石墨烯、富勒烯和各種玻璃纖維，提供了明顯更高的剛度、強度以及剛度與比重的有利比率。因此，鋼琴設(shè)計師已試圖在鋼琴音板建造中應(yīng)用這些復(fù)合材料中的一些材料。通常，這沒有成功的結(jié)果，因為已經(jīng)限制建造者因強度原因使用太厚的材料來抵抗琴弦對音板的向下的壓力。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)額外的厚度有助于不期望的高諧波，這通常不能被鋼琴藝術(shù)家接受。

三角鋼琴的琴弦通常且主要通過琴弦在其穿過弦碼所在的垂直平面內(nèi)的角度改變而與弦碼蓋(bridgecap)保持牢固接觸。這產(chǎn)生了琴弦對弦碼的向下的接觸負荷，弦碼利用足夠的角度變化和琴弦張力確保琴弦自下被敲擊時不會失去與弦碼蓋的接觸。喪失接觸力導(dǎo)致嗡嗡聲，并導(dǎo)致無效的振動能量傳遞到音板。這種向下的承載負荷通常為每個琴弦約4至8磅(1.8至3.6kg)。因此，具有約230根琴弦的鋼琴將需要剛度和強度足以支撐900到1800磅(405-810kg)之間的向下的承載負荷的音板。這限定了在樂器的多年壽命中連續(xù)支承向下的承載負荷所需的音板設(shè)計的厚度和加固手段。云杉木材質(zhì)的具有足夠強度的典型鋼琴音板由4至9mm厚的木板制成，這些木板對接并且在其底面通過矩形的通常接近正方形截面的云杉腹板(bellybar)(肋木)加固，這些腹板通常為約25mm的正方形橫截面，間隔約100mm。

為了產(chǎn)生相當(dāng)?shù)膭偠群蛷姸?，使用所說的碳纖維將需要約4mm的板材料厚度。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)碳纖維的這種大厚度有助于高頻響應(yīng)，從而有助于增強不期望的高次諧音。本發(fā)明的申請人已經(jīng)確定，具有這種板的鋼琴的音質(zhì)通常是不可接受的。

此外，得到完全確認的是，很少有云杉木板能在樂器的聲功率和音質(zhì)消失之前在其工作中持續(xù)超過5至40年，因為板會在持續(xù)的向下承載負荷下塌陷(collapse)，并且琴弦與弦碼蓋之間的充足的接觸力會減少或完全消失。板越薄并且從而板越弱，在此發(fā)生之前樂器的壽命越短。

在申請人的發(fā)明名稱為“琴弦-弦碼連接系統(tǒng)和方法(string-bridgeinterfacesystemandmethod)”的在先專利公開號wo2010086690a2中，描述了一種在琴弦和弦碼蓋之間產(chǎn)生接觸力的裝置(方法，手段，means)，而不采取琴弦在其穿過弦碼蓋所在的垂直平面中的角度變化，從而不產(chǎn)生向下的承載力。

本發(fā)明利用該技術(shù)開發(fā)了一種非常薄的纖維復(fù)合材料音板，該音板減輕了與較厚音板相關(guān)的不想要的諧波問題。

在本發(fā)明的第一方面，提供了用于樂器的音板裝置，該裝置包括：由厚度在0.75mm到3mm之間的復(fù)合纖維樹脂粘合材料形成的音板基底；以及由厚度在0.05mm到0.9mm之間的紫外光(紫外線)阻隔材料形成的外層。

碳纖維尤其在寬范圍的濕度下是尺寸穩(wěn)定的，其非常耐開裂和隨溫度變化的尺寸變化，因此使得更堅固、更耐用且更加調(diào)諧穩(wěn)定的樂器成為可能?；缀穸群屯鈱雍穸鹊慕M合提供了具有增強的聲學(xué)性質(zhì)的音板裝置。外層優(yōu)選但非排他地是0.6mm至0.8mm厚的飾面板(woodveneer，木材單板)，且優(yōu)選地基本上為0.7mm厚。

優(yōu)選地，外層由木材、漆(涂劑，paint)、金屬箔或金屬沉積(金屬沉積層)中的一種或多種形成。

方便地，外層設(shè)置在音板基底的上表面和下表面中的一個或兩者上。

音板裝置還可以包括復(fù)合纖維材料的一體式弦碼單元，弦碼中的纖維沿從琴弦到音板的振動能量傳遞的方向排列。對于三角鋼琴，這是在垂直平面上。對于立式鋼琴，其是在水平面上。

優(yōu)選但非排他地，纖維復(fù)合材料基底中的纖維的編織層可以包括雙股緯線(weft)和單股經(jīng)線(warp)的編織，以使得能夠經(jīng)由大部分碳纖維的長度沿著音板的選定尺寸優(yōu)先傳輸能量。這些纖維最好盡可能直。

方便地但非排他地，在大部分層中，基底的一個或多個三股編織層的雙股緯線沿樂器音板基底的較大長度尺寸排列，并且單個編織的經(jīng)線股沿著基底的較小寬度尺寸與緯線成直角地排列。與波浪形的經(jīng)線股相比，較直的緯線股更剛性，因此有利于聲能的傳輸。長度尺寸大致沿著鋼琴的長弦碼的軌跡取得，其通常與鍵盤成大約50度的角度。

優(yōu)選地，基底由數(shù)學(xué)上奇數(shù)(非偶數(shù))數(shù)量的編織或非編織股纖維材料形成，在每層中，纖維取向大致正交于其一個或多個相鄰層。更具體地，基底可以由3層或5層股纖維材料形成。兩個外層為編織纖維材料，且更剛性的一個或多個內(nèi)層為單向非編織纖維材料。

優(yōu)選地并且方便地，基底的一個或多個內(nèi)層中的大部分單向非編織纖維沿著音板的較大長度尺寸取向，以便有利于沿著樂器的較大長度尺寸的聲音傳播速度。交替層大致彼此成直角地排列。

方便地但非排他地，基底的非編織纖維內(nèi)股可以具有比外層中的編織纖維更大的纖維直徑。

優(yōu)選地，5層音板的基底由具有三股編織的2個編織纖維復(fù)合材料外層以及三個非編織單向直纖維內(nèi)層形成，所述內(nèi)層中的兩個外層沿著基底的較大尺寸排列，單個中心層的纖維沿著較小尺寸排列。

優(yōu)選地，3層音板的基底由2個編織纖維復(fù)合材料外層和一個非編織單向纖維內(nèi)層形成，所述內(nèi)層沿樂器基底的較大尺寸排列。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種形成如上所定義的音板裝置的方法，該方法包括以下步驟：將多層編織或直股纖維材料粘合在樹脂基質(zhì)中以形成音板基底，其中所述音板基底最初被形成為使得其厚度相對于所需的最終音板基底尺寸過大；然后將所述音板基底修整至成品厚度以形成最終基底，修整工藝被限制為確保在所述最終基底中內(nèi)層中的纖維不被修整工藝切斷。

優(yōu)選地，所述修整包括對多層音板基底進行砂磨和/或機械加工以使其光滑和平坦。

方便地，對音板基底進行精加工(finish)，以實現(xiàn)不大于±0.1mm的平坦度和厚度公差。在機械加工期間，重要的是避免暴露或切斷基底內(nèi)層中的纖維，從而避免存在氧化滲透的風(fēng)險或避免損害纖維在基底基質(zhì)中的剪切粘合和隨之發(fā)生的材料弱化。優(yōu)選的是設(shè)計基底負荷能力，使得編織外層用作犧牲保護材料，并且如果在修整中被弱化，則編織外層將確保內(nèi)層不受損害并且能夠承載全部負荷。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了用于樂器的音板裝置，該裝置包括：由厚度在0.75mm到3mm之間的復(fù)合纖維樹脂粘合材料形成的音板基底，其中所述基底由至少3層編織或非編織股纖維材料形成，其中基底的每層中的大部分纖維沿著音板的較大長度尺寸取向，并且其中基底的中心層具有比其他層更大的纖維直徑。

本發(fā)明還包括一種鋼琴或類似的打擊樂器，其包括如上所定義的音板裝置。

現(xiàn)在將通過示例并參考附圖來描述本發(fā)明的實施例，其中：

圖1示出了本發(fā)明的包括音板裝置的鋼琴的透視圖；以及

圖2示出了圖1中的鋼琴的平面圖。

所示的鋼琴具有兩個弦碼。鋼琴設(shè)計的其他典型構(gòu)思可以包括一個、兩個或三個弦碼。如圖1和圖2所示，鋼琴1具有音板2，在該音板上設(shè)置有兩個弦碼，長弦碼3用于將振動能量從調(diào)諧至高音和中音音符的琴弦傳遞到音板，并且低音弦碼4用于將振動能量從調(diào)諧至低音音符的琴弦傳遞到音板。在每個弦碼的上表面上設(shè)置有多個琴弦弦碼連接器(弦鈕，agraffes)5。弦鈕使琴弦牢固地保持與弦碼的上表面接觸。

所有鋼琴音板的期望特征是聲能被同時均勻地分布在整個板上。木頭中聲音的速度沿著木紋的長度最大。因此，一般的做法是將云杉板的紋理沿著音板的較大尺寸排列。通過將腹板排列在較小尺寸方向上，可以協(xié)助聲能跨音板傳播大大減慢的問題。然而，可能早期樂器設(shè)計師采用這種構(gòu)造的目的是為了開發(fā)一種包括被肋木保持在一起的板的集成木板。

在這方面，申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)制造含有纖維材料的用于音板的復(fù)合板材時，構(gòu)造具有兩個編織纖維外層和奇數(shù)個非編織單向纖維內(nèi)層的板材是很方便的。每層中的纖維方向與相鄰層正交。選擇不同織法、纖維規(guī)格、每種織法的層數(shù)和纖維取向，因此能夠使得設(shè)計師使用或不使用在傳統(tǒng)木板中用作加固目的的加固腹板在整個板上均勻地優(yōu)化振動能量的分布率。

如上所述，在纖維復(fù)合音板中聲能的速度和傳輸沿著直纖維的長度是最高的。來自如上所述的這種音板的音質(zhì)和諧波含量與常規(guī)厚度的云杉板類似，但是其通常更強。使用申請人的在先專利公開文本號wo2010086690a2中公開的琴弦弦碼連接系統(tǒng)，減弱了對音板上的向下的承載負荷，因此除了振動之外，相對不受應(yīng)力。因此，音板不會在琴弦負荷下逐漸塌陷到琴弦和弦碼蓋之間喪失足夠的接觸的程度而導(dǎo)致不良的聲音和從琴弦到音板的振動能量傳遞效率的損失。由于該原因，極大地延長了容納所述音板的樂器的壽命和耐用性。

通常通過將幾層用樹脂浸漬的纖維織物鋪放在平坦的模板(formerplate，前板)上，然后在加熱的真空爐中將其固化來制造復(fù)合板材。雖然可以使相對于模板形成的下表面相當(dāng)平坦和光滑，但是上表面(稱為粗糙面)通常不是那么光滑或精確。這種音板的材料厚度的不受控變化可能會導(dǎo)致鋼琴的整個音域的音質(zhì)不受控制地變化。在形成音板并使其固化之后，因此期望將兩個表面砂磨或機械加工成平坦的，并且控制音板的精確厚度。然而，對復(fù)合纖維板材的任何性質(zhì)的后成型加工都可能導(dǎo)致表面的纖維被切斷。使切斷端暴露于空氣氧化可以嚴重地削弱材料并且導(dǎo)致其強度隨時間劣化。在應(yīng)力作用下，表面的切斷纖維可能在剪切力下逐漸從樹脂基質(zhì)中分離。氧化于是可以更容易地滲入并削弱板的結(jié)構(gòu)。

因此，本申請人已經(jīng)確定，通過形成在每一側(cè)均具有犧牲編織層的音板基底，可以將音板砂磨到所需的精確平坦度和厚度，同時內(nèi)部且未受干擾的多個纖維層或單個纖維層保持所需的強度、聲學(xué)性質(zhì)和剛度。

典型但非排他性地，使用奇數(shù)個編織或非編織股纖維材料層，其中所有層中的大部分纖維在每層中沿著音板的較大長度尺寸而取向。內(nèi)部非編織單向纖維層可以典型但非排他性地具有稍大的纖維直徑。

選擇所挑選的精確織法和取向，以在音板內(nèi)盡可能及時均勻地分布振動能量。然而，優(yōu)選地，音板基底外層具有三股編織，其中雙股(緯線)沿著音板的較大尺寸(長度)排列，且單股(經(jīng)線)跨越第二和第四層的板與緯線成直角地排列。內(nèi)層提供所需的強度和剛度，而兩個外層為犧牲材料，其可以通過砂磨被修整從而減小厚度，以實現(xiàn)整個音板的平坦度和厚度精度。

在碳板成形的近期發(fā)展中，在板固化時在板上使用樹脂吸收的可分離布料，已經(jīng)能夠制造在兩側(cè)具有優(yōu)異的厚度均勻性和平坦度的音板。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)由該方法制成的薄板在厚度上具有足夠緊密的公差，從而不需要精機械加工。

復(fù)合材料和碳纖維特別會受到紫外光的降解。在音板的制造中，我們將一層或多層飾面板或其他排斥uv光的材料施加到音板的上表面，該上表面是最可能暴露于紫外光的表面。申請人已經(jīng)確定，這種飾面板如果具有約0.7mm厚度，則對音板的聲學(xué)性質(zhì)沒有不期望的影響。各種漆、金屬箔和金屬涂層沉積以及反射uv光的其他表面處理也可以用于相同的目的。

鋼琴音板常規(guī)地裝配有一個或多個木制弦碼，其將振動能量從琴弦傳遞到音板。這些弦碼通常由櫸木和/或烏木和楓木制成。紋理方向通常主要是垂直的，以沿著紋理盡可能有效地優(yōu)化聲能的傳遞。一些制造商會對木材進行處理以增加其硬度。如果音板本身是相同的復(fù)合材料，則便于制造與音板一體的復(fù)合材料或碳纖維弦碼?？梢詫⑻祭w維弦碼粘合于音板的上表面。為了確保最佳的聲能傳遞，粘合材料的厚度必須最小并小于0.1mm。

由此得出，粘合對(bondedpair)中的板材和弦碼下表面的平坦度在制造中是關(guān)鍵的。借助于碳或其他纖維復(fù)合材料的有利的低吸聲特性，這種弦碼有利于振動能量的有效傳遞。由這些復(fù)合材料制成的弦碼將比木制弦碼更剛性，并且這可以在音板中賦予過多的剛度，除非將復(fù)合材料弦碼的弦碼高度最小化。典型的木制鋼琴弦碼為30至35mm高。復(fù)合材料的弦碼通常將為15至25mm高。

因此，本發(fā)明可以提供一種鋼琴或類似打擊樂器的音板，該音板由構(gòu)造在樂器中的厚度為0.75mm至3mm的復(fù)合纖維樹脂粘合材料制造，具有在琴弦與音板之間的弦扭(夾)系統(tǒng)連接，其不會對音板施加顯著的向下的承載力。

此外，鋼琴或類似打擊樂器的音板可以包括粘合在樹脂基質(zhì)中的多層編織或直股纖維材料。該板可以在兩側(cè)進行加工，以實現(xiàn)不大于0.2mm的平坦度和厚度公差。應(yīng)當(dāng)理解，輪廓厚度可以在板的不同區(qū)域中變化。

平坦度和厚度可以通過砂磨或機械加工來控制。優(yōu)選地限制砂磨或機械加工操作的深度，以確保提供必要的強度、聲學(xué)性質(zhì)和厚度所需的樹脂粘合纖維的中心層或幾個內(nèi)層不會被機械加工或砂磨操作切斷或損壞。因此，兩個或更多個外層提供用于調(diào)節(jié)平坦度和厚度的犧牲材料。使用精密帶式砂磨機進行砂磨工藝，該砂磨機去除高點，從而留下平坦光滑的表面。

此外，音板的至少上表面和可選地兩個表面可以有利地由木材、漆或金屬沉積的一個或多個飾面層覆蓋，以排除原本會降解復(fù)合材料的紫外光。

另外，可以提供類似材料的一體或粘合式弦碼，其中弦碼部分中的纖維主要排列在垂直平面中。