鈦合金材料替代鋼琴配件

劉佳奇，顧元?jiǎng)偅Φ钶x，王 雷

（沈陽(yáng)音樂(lè)學(xué)院，沈陽(yáng) 110168）

鋼琴發(fā)源于十八世紀(jì)初的歐洲，至今已有三百多年的歷史，是一種鍵盤(pán)樂(lè)器，利用琴鍵推動(dòng)琴槌敲打琴弦，由88個(gè)琴鍵、金屬弦和音板等配件組成[1]。鋼琴?gòu)耐庑紊现饕譃榱⑹戒撉俸腿卿撉?種，三角鋼琴是鋼琴最原始的形態(tài)，通常用于大型音樂(lè)會(huì)時(shí)使用，但因三角鋼琴體積大、占地多和搬運(yùn)困難，為了解決以上問(wèn)題，發(fā)明了立式鋼琴。立式鋼琴采用琴弦交錯(cuò)的安裝方式，解決了琴弦在空間上的要求。無(wú)論是立式鋼琴還是三角鋼琴，基本結(jié)構(gòu)都是一樣的。分別由琴弦、音板、支架、鍵盤(pán)系統(tǒng)（包括黑鍵、白琴鍵、擊弦槌）、踏板和外殼6部分組成。

目前我國(guó)學(xué)習(xí)鋼琴的人數(shù)已經(jīng)超過(guò)了3 000萬(wàn)人，以青少年、兒童居多。每年進(jìn)入院校學(xué)習(xí)鋼琴的人數(shù)已達(dá)20多萬(wàn)，并且隨著社會(huì)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)，學(xué)習(xí)鋼琴的人數(shù)呈現(xiàn)明顯上升的趨勢(shì)?！吨茄凶稍儭氛{(diào)研機(jī)構(gòu)的調(diào)研結(jié)果顯示，2019年我國(guó)鋼琴產(chǎn)量為43.75萬(wàn)臺(tái)，進(jìn)口量近20萬(wàn)臺(tái)，出口量近10萬(wàn)臺(tái)，國(guó)內(nèi)消費(fèi)量約為55萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)龐大、涉及人數(shù)眾多[2]。但鋼琴內(nèi)部大部分配件均為木質(zhì)材料，易受環(huán)境影響導(dǎo)致?lián)p壞、變形，因此，每年的維護(hù)、保養(yǎng)和維修成本相對(duì)較高。

1 傳統(tǒng)木質(zhì)鋼琴配件的缺點(diǎn)

在鋼琴結(jié)構(gòu)里大部分傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配件為木質(zhì)材料，隨著存放環(huán)境的溫度和濕度變化，木質(zhì)結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生霉變、膨脹和收縮，一旦結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致?lián)粝椅恢冒l(fā)生變化、傳動(dòng)效率降低，以及配件無(wú)法歸位現(xiàn)象。如鋼琴存放條件差，使用者彈奏習(xí)慣不好或使用頻率高，配件損壞程度則變大，需更換新配件。大部分鋼琴使用時(shí)間較長(zhǎng)后，會(huì)出現(xiàn)琴鍵高低不平、松動(dòng)、琴鍵縫隙變大或變小、擊弦機(jī)構(gòu)反應(yīng)不靈敏，以及琴鍵反應(yīng)遲鈍等故障，需進(jìn)行大面積調(diào)整。

使用率較高的鋼琴常見(jiàn)的故障有以下幾點(diǎn)：一是黑色鍵盤(pán)凸起處與主鍵盤(pán)脫離、斷裂。二是白鍵或黑鍵盤(pán)無(wú)法復(fù)位。南方地區(qū)受地理環(huán)境影響，環(huán)境濕度高，配件易膨脹，會(huì)導(dǎo)致鍵盤(pán)無(wú)法復(fù)位。北方地區(qū)因氣候干燥，加之集中供暖影響，導(dǎo)致木質(zhì)配件變形。三是使用者對(duì)鋼琴的影響。許多培訓(xùn)機(jī)構(gòu)、高校的鋼琴，使用頻率高，存放環(huán)境無(wú)法保持鋼琴適應(yīng)的溫度、濕度，加之不同人彈奏的習(xí)慣不同、維護(hù)方式和標(biāo)準(zhǔn)的差異，配件易折斷、變形[3]。

鋼琴一般需在1年左右時(shí)間內(nèi)進(jìn)行1~2次調(diào)律或維修，如果使用率高，可能會(huì)面臨每個(gè)月進(jìn)行1次維護(hù)、維修，每次維修都要調(diào)整木制配件的角度及形狀，花費(fèi)300～2 000元不等。

2 使用鈦合金材料替代木質(zhì)配件

鈦是一種新型金屬，鈦的性能與所含碳、氫和氧等物質(zhì)含量有關(guān)，鈦合金的密度一般在4.51 g/cm3左右，僅為鋼的60%，其比強(qiáng)度高于多數(shù)金屬結(jié)構(gòu)材料，可制出單位強(qiáng)度高、剛性好和質(zhì)量輕的零部件。鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)并加入其他元素組成的合金，具有質(zhì)量輕、高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐高溫及耐低溫等基礎(chǔ)特性，在武器裝備、航空航天和國(guó)防工業(yè)采用的工程材料中占有極為重要的地位并得到了實(shí)際應(yīng)用[4]。

鈦合金材料特性替換木質(zhì)配件具有優(yōu)勢(shì)。鈦的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25，各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)相比金屬鈦約下降50%，鈦合金TC4在200℃時(shí)的熱導(dǎo)率l=16.8 W/m·℃，相對(duì)木質(zhì)結(jié)構(gòu)，剛性更好、不易變形，不受舞臺(tái)空調(diào)、舞美設(shè)備和燈光等設(shè)備造成的溫度變化影響。鈦合金在潮濕的環(huán)境中，抗蝕性優(yōu)于木材，且鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持特性。因此，運(yùn)用鈦合金替代木質(zhì)鋼琴配件，可規(guī)避因環(huán)境影響引發(fā)的故障，提高鋼琴使用效率、延長(zhǎng)壽命，以及節(jié)約時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。

鈦合金替代木質(zhì)配件后，可使用涂層工藝來(lái)避免因配件質(zhì)量改變對(duì)聲音造成的影響。鈦與大氣中O2、N2、H2和CO2等物質(zhì)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)，形成耐蝕硬化層。采用涂層工藝后，可進(jìn)一步增強(qiáng)鈦合金的力學(xué)和耐蝕性能。此外，鈦的化學(xué)親和性較好，易與摩擦表面產(chǎn)生黏附現(xiàn)象，適應(yīng)木質(zhì)配件表面凹凸不平的特點(diǎn)。替換木質(zhì)鍵盤(pán)配件或涂層后，可保證木質(zhì)配件不受外力影響而干裂、霉變和變形，保持木質(zhì)配件原有狀態(tài)。也可將附屬配件采用涂層方式進(jìn)行保護(hù)，降低因配件質(zhì)量變化產(chǎn)生的影響。

其次，大部分木質(zhì)配件需要較長(zhǎng)的生產(chǎn)周期，制作工藝中的晾曬、烘干和熏蒸等流程，環(huán)境及工藝要求高，大量耗費(fèi)能源、場(chǎng)地和時(shí)間。利用鈦合金材料或涂層后，可直接將木質(zhì)配件增加涂層，達(dá)到配件長(zhǎng)期保持形態(tài)的目的，縮短制琴時(shí)間，提高配件強(qiáng)度[5]。

3 實(shí)際運(yùn)用

替代木質(zhì)鍵盤(pán)后，雖已使用空心鏤空工藝降低配件質(zhì)量，但鍵盤(pán)質(zhì)量依然增大，導(dǎo)致靈活度降低，可利用改變鍵盤(pán)下沉度來(lái)抵消鈦合金配件和木質(zhì)配件的差異。將鍵盤(pán)底部總擋高度提高0.7~1.1 mm，可降低鍵盤(pán)下行時(shí)產(chǎn)生的差異，利用鍵盤(pán)尾部重新配重的方式，解決鍵盤(pán)回彈時(shí)的速度和力度。此工藝對(duì)鍵盤(pán)固定銷要求提高，需增加固定銷的強(qiáng)度及潤(rùn)滑度來(lái)對(duì)抗鍵盤(pán)變重后的參數(shù)改變，將固定銷安裝處擴(kuò)大并加裝金屬環(huán)，使固定孔長(zhǎng)期保持外徑不變。

因材料的改變，導(dǎo)致鍵盤(pán)韌性變低，榔頭擊弦力度變大，參照木質(zhì)鍵盤(pán)的下沉標(biāo)準(zhǔn)再次進(jìn)行修改，利用鍵盤(pán)厚度的微小改變抵消低韌性金屬鈦材料與高韌性材料的差異，保持原有擊弦機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)原理，進(jìn)行彈奏靈敏度測(cè)試（速度在ALLEGRO速度下，靈敏度達(dá)到16分音符后），采集聲音數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)聲音依然會(huì)發(fā)生變化。原因?yàn)椴牧系母淖儗?dǎo)致配件擊弦力度變大，琴弦振幅提高，聲音明亮度增加，弱音控制力明顯降低[6]?，F(xiàn)在，琴弦研發(fā)工作與配件特性已經(jīng)相結(jié)合，提高琴弦硬度及韌性，使鋼琴音色得以優(yōu)化。

4 研發(fā)自主琴弦發(fā)揮鈦合金配件性能

經(jīng)過(guò)對(duì)鋼琴琴弦的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鋼琴的近300根琴弦全部依賴進(jìn)口，且琴弦的品牌局限性大，只有幾種可供選擇，一旦停止進(jìn)口，國(guó)內(nèi)的鋼琴?gòu)S將無(wú)弦可用。為了不被“卡脖子”，正在進(jìn)行國(guó)產(chǎn)鋼琴琴弦的研發(fā)。

經(jīng)過(guò)專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的分析及測(cè)試，在環(huán)境條件為溫度25℃、濕度50%條件下，利用X射線熒光光譜儀進(jìn)行檢測(cè)，已知現(xiàn)有主要成分為Fe、Zn和Mn等成分，13.5型號(hào)琴弦主要成分為Fe、AI、Si和Cr等，其韌性、共振性差于鈦合金材料。

金屬鈦材料的抗阻尼性強(qiáng)，受到機(jī)械振動(dòng)后，與鋼、銅等金屬相比，自身振動(dòng)衰減時(shí)間更長(zhǎng)，利用這一特性，已經(jīng)有人用金屬鈦材料來(lái)制作音叉，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中使用金屬鈦材料制作超聲粉碎機(jī)振動(dòng)元件和音響上的揚(yáng)聲器振動(dòng)薄膜，可將金屬鈦的特性融入琴弦的制作中，大幅增加高音區(qū)（小字4組以上）聲音的延續(xù)性、飽滿度，提高聲音的辨識(shí)度，使聲音更容易被人耳辨別和接受[7]。

5 使用涂層工藝升級(jí)原有配件

鈦合金涂層能在物體表面形成保護(hù)層，具有耐高溫、耐腐蝕和耐銹蝕性能，鈦合金涂層還具有很好的附著力、硬度高和耐磨性強(qiáng)，操作方便，可根據(jù)不同需要選擇涂層工藝。另外，鈦合金涂層方便貯存、運(yùn)輸、穩(wěn)定性好及防變色能力強(qiáng)，涂層厚度可選擇在0.13~0.9 mm，施工時(shí)可選擇在室內(nèi)情況下刷涂、滾涂和噴涂等工藝。涂層表面干燥時(shí)間約為1 h，干燥室表面溫度越高，等待時(shí)間越短，通常控制在50℃左右。

現(xiàn)已出廠使用的鋼琴因品牌、型號(hào)的不同，配件樣式五花八門(mén)，大部分鋼琴需更換特定品牌、型號(hào)和批次的配件，部分鋼琴?gòu)S或部分型號(hào)的鋼琴已停產(chǎn)多年，很多鋼琴因無(wú)法購(gòu)買(mǎi)到相應(yīng)的配件，導(dǎo)致鋼琴無(wú)法使用[8]。利用鈦合金涂層可對(duì)原有配件升級(jí)，特殊配件利用3D掃描及3D打印技術(shù)，進(jìn)行1∶1復(fù)制配件，使用一體化成型方式制作配件，也可按照原有木質(zhì)配件參數(shù)，制作1∶1的木質(zhì)配件后，整琴增加鈦合金涂層。此工藝正與營(yíng)口圣格威鋼琴?gòu)S開(kāi)展配件制作與測(cè)試工作。

6 相關(guān)工藝

6.1 配件及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

鈦合金材料應(yīng)用到鋼琴配件生產(chǎn)以后，可提高配件壽命，降低維修頻率，降低對(duì)存放環(huán)境的要求。

6.2 利用鈦合金涂層升級(jí)原有木質(zhì)配件

利用涂層質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定的特性，提高木質(zhì)配件表面強(qiáng)度、隔離外界濕度，可廣泛適用于大部分鋼琴的配件升級(jí)，無(wú)需更換原有配件。將涂層厚度控制在0.13~0.9 mm，后期按照具體配件的種類、型號(hào)等特點(diǎn)，按所需強(qiáng)度決定涂層厚度。主要木質(zhì)結(jié)構(gòu)均可增加鈦合金涂層，利用涂層氧化程度控制硬度及厚度，如圖1所示。

圖1 鋼琴鍵盤(pán)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

由圖2可以看出，2、3、4和7可直接使用鈦合金材料1∶1比例復(fù)制，替代電鍍工藝，增強(qiáng)耐蝕性，1、5、6和8可使用涂層噴涂處理，厚度可在0.13~0.9 mm選擇，依靠控制涂層厚度的方式，降低涂層對(duì)配件的影響。

圖2 采格（也稱船型底座轉(zhuǎn)機(jī)器）

6.3 利用新材料琴弦輔助鈦合金配件

通過(guò)新型琴弦的研發(fā)，使琴弦與鈦合金配件或涂層結(jié)合，利用金屬鈦抗阻尼性能強(qiáng)、受到機(jī)械振動(dòng)后振動(dòng)衰減時(shí)間長(zhǎng)的特性，提高小字4組及以上音的琴弦振幅，使其振幅更大、延續(xù)性更強(qiáng)。也可通過(guò)鈦合金材料成分的不同配比，提高琴弦韌性、強(qiáng)度和拉伸力，使琴弦承受的敲擊力度更大。同時(shí)可增加涂層厚度來(lái)加大原有高音區(qū)配件的重量配比，使高音區(qū)配件在彈奏力度相同的情況下，增加擊弦力度，使高音區(qū)聲音更明亮，延續(xù)性更強(qiáng)[9]。

6.4 利用金屬鈦特性保證配件穩(wěn)定性

配件涂層厚度控制在0.13～0.9 mm（吸收氣體產(chǎn)生硬脆層深度為0.1～0.15 mm，硬化程度20%～30%，），可避免環(huán)境濕度對(duì)木質(zhì)配件的影響[10]。鈦合金涂層在干燥階段可充分與環(huán)境中的其他元素結(jié)合，產(chǎn)生硬度較高的表面層，保證鋼琴傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，運(yùn)用鈦合金材料及涂層工藝，可規(guī)避鋼琴木質(zhì)配件易受外部環(huán)境影響的缺陷，同時(shí)針對(duì)特定品牌、型號(hào)和批次的鋼琴配件特點(diǎn)來(lái)決定涂層厚度、表面硬度等參數(shù)，最終達(dá)到降低維護(hù)成本或免維護(hù)的目的。

在研發(fā)自主琴弦的基礎(chǔ)上，針對(duì)原有琴弦的不足進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)提高拉伸力、疲勞耐受度等方面，提高琴弦的適應(yīng)能力，使琴弦具有配合其他配件或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)音的能力，最終改善鋼琴音質(zhì)、縮短制作周期、提高鋼琴壽命，以及降低維護(hù)頻率，使鋼琴不再是“嬌生慣養(yǎng)”的樂(lè)器。