由纯碳纤维板制成钢琴共振板的制作方法

专利名称：由纯碳纤维板制成钢琴共振板的制作方法
技术领域：
本发明涉及乐器的制造技术，具体涉及一种用纯碳纤维板制成钢琴共振板的设计 和制造技术。
背景技术：
钢琴音板作为钢琴声音的灵魂，是决定钢琴音色，音量的重要组成部分之一。现有 钢琴音板主要包括共振板和肋木。现有的钢琴的共振板通常采用优质木材，为一块薄的板片，一般是由80到100毫 米宽的板条拼粘而成。对用作乐器共振板的木材的要求不同于其他木材应用领域，它不但 要求木材不能有开裂、节子、虫眼等缺陷，而且对木材的密度、年轮宽度、年轮数及微观特征 等都有具体的要求。在共振板的横年轮方向上粘着肋木，即在共振板的背面粘贴着依照一定间距和斜 度排列开来的特殊形状的木条。由于声波在木材中顺年轮方向的传播速度为5000m/s左 右，快于横年轮方向的传播速度1450m/s，为了使声波以最快的速度沿着整个音板传播，并 且使整个音板均勻地振动起来，就要使声波在顺年轮方向和横年轮方向的传播速度的差距 尽可能地缩小，肋木的存在，在很大程度上降低了共振板顺纹理与横纹理方向之间振动传 播速率的差异。归纳起来，实木材料做共振板的优点是根据不同品质木材，传音效果不同，但整 体传音效果、音质保持性能优于复合材料；缺点抗张力、抗温度湿度性能较复合板差，经 过严格筛选、成型、干燥处理后，可以保证品质优良，这对选材和技术的要求较高，大大提高 了造价。并且由于处理的方法或程度不同，仍不能避免湿度和温度的变化对音准稳定的影 响，甚至导致共振板的开裂。为了避免木质材料做钢琴共振板的缺陷，钢琴的共振板也开始采用复合材料，复 合材料的优点是抗张力、抗温湿度强，生产成本(材料、技术)较低，价格较低，复合材料共 振板从根本上解决了长期存在的共振板开裂问题，由共振板开裂而造成一系列影响钢琴声 学品质的困扰也随之消失；缺点传音效果差，音质保持能力差，使用2到3年就会出现不 同程度的“回音”，音质下降，这是由于复合共振板是横向拼接制造，胶层影响声音传播造成 的，因此多层板钢琴只考虑机械质量而不考虑声学品质，一般多做为初学用琴或练习琴，到 了钢琴程度较高时，很多曲目在这种琴上就很难弹奏出“感觉”了。总之，现有钢琴采用的共振板材料存在一定的问题，寻找性能优异的新材料，运用 新制造技术，是钢琴制造领域的重要课题。

发明内容
为了解决现有钢琴共振板的上述问题，本发明在共振板材料和结构上提出了新的 技术方案。随着新材料技术的发展，碳纤维材料以其独到的优越性，受到人们的青睐，以往， 碳纤维板的制造工艺不成熟，为了利用碳纤维的优越性，也有人曾尝试用三层松木片中间夹两层碳纤维布，最外面各加一层铝镁合金的办法制成钢琴的共振板，但技术尚不成熟。而 今，随着碳纤维材料制造技术的不断成熟，给钢琴共振板的选材带来了新的契机。为了使钢琴的共振板对声辐射具有良好的频响特性，对其理想材料的要求是密度 尽量小，材质轻，模量尽量高，力学性能均衡一致。经过设计和处理，碳纤维材料可以很好地 满足这些要求。就模量而言，松木远不及铝镁合金，铝镁合金远不及碳纤维，纯碳纤维制成的碳纤 维板的模量远高于铝镁合金板、松木板以及铝镁合金板、松木板加上碳纤维布制成的复合 板。就比模量而言，第一代材料是钢，第二代材料铝镁合金，碳纤维是比模量远大于前 二代材料的第三代材料，享有新材料之王的美誉。随着碳纤维板加工工艺的提高，在建筑上 碳纤维板以它优异的高强度、耐疲劳性等优越能，已取代钢材等成为桥梁、建筑加固材料之 首选。我们的新技术方案亦是考虑在钢琴上利用这种新材料的优越特性。本发明的目的即是提供一种用碳纤维板为基体制作的具有优良特性的全新钢琴 共振板。用碳纤维板作为钢琴共振板的优点是1、轻质、高模量、高强度、不变形、不开裂、抗疲劳、抗腐蚀，抗温度、湿度等环境条 件变化等，达到音质传真，提高钢琴音板频响特性的目的。2、采用纵横交织技术，可以避免声音在木质材料中传播时因木材结构带来的各向 异性传播特性，因此可以减少或取消肋木。3、具有易于制造、运输和养护的优点。4、此外，本发明的设计适合产业化生产，可达到节约木材，保护生态环境，提高成 品率，增加经济效益等目的。


图1是由碳纤维板制成的共振板结构示意图。相邻层的编织方向纵横交叉，其中和①一致的奇数层为纵向编织的碳纤维布；和 ②一致的偶数层为横向编织的碳纤维布；③为可选的表板材料，如木质材料等。图2是纵横单层碳纤维布编织的纹理结构示意图。
具体实施方案本发明是这样实现的把高模量(大于300GPa)的T700碳纤维编织成碳纤维布， 再将多层布浸渍环氧树脂，通过真空吸附高温(130°C )、高压(500吨压机)，制成比模量远 高于目前所有板材的高密度碳纤维板，厚度在1. 0-1. 5毫米范围，亦可双面或单面粘着木 质材料，如白松木2mm薄木单板。测试方法对设计和制造的钢琴共振板进行了以下测试1、采用振动法研究了板的弹性模量、剪切模量、泊松比。2、测量了共振板的声阻抗、声辐射品质常数。3、专家主观评价。专家主观评价是钢琴声学品质评价的一个重要方法，它是用人的听感对音乐信号作出定量或定性的评价，相对于客观评价来说，这种方法比较容易实现， 而且与评价目标最为吻合。乐器音质的好坏最终是反映到人的心理感受上，所以人耳对乐 器产品声学品质的综合感受是最为关键的环节。有的乐器虽然各项客观检测指标都出类拔 萃，但综合听觉感受不佳。4、共振板、音板中的声振动传播测量方式为将传感器放置于音板的多个规定位 置，首先利用敲击音测定试件频响特点、再测试音板对钢琴的高音、中音、低音的响应，捕捉 共振声波，对采集的声波做快速傅里叶变换(FFT)，分析振动频谱，用计算机软件加以处理 和分析，将乐器制作中原本凭借经验辨别乐器音色的传统方法，直观地、量化地呈现出来。 最后在同等实验条件下得到现有钢琴的频响特性，二方面进行对比分析，得到频响差异数 据。5、测试有无肋木的存在对音板响应特性的差异，从而判断声音传播速率的差异。
测试结果通过测试主要表征乐器共振板振动效率品质的物理量和力学性能参数，得到制成 的共振板具有声辐射品质常数大，声阻抗小，声功率大，弹性模量高的特点，具有较为理想 的音板共振板材料的特性。专家鉴定，用碳纤维板为共振板的钢琴音板音色优美、高音明 亮、中音柔和、低音浑厚、音域连贯、声音纯净，具有良好的声学品质。有无肋木的存在，没有 对音板的传声效果产生明显有差异的影响。重复实验结果稳定，所发明的钢琴共振板的质 量和性能易于得到稳定保障。
权利要求
由纯碳纤维板制成钢琴共振板，其基体材料为纯碳纤维制成的碳纤维板，是通过把高模量的碳纤维编织成碳纤维布，再将多层布浸渍环氧树脂，通过真空吸附高温高压制成。
2.在所制成的碳纤维板上双面或单面粘着优良木质，如白松木薄板。
3.采用纯碳纤维板制成的音板可不用肋木或减少肋木使用数量。
全文摘要
通过把高模量的碳纤维编织成碳纤维布，再将多层布浸渍环氧树脂，通过真空吸附高温高压，制成比模量远高于目前所有板材的碳纤维板，以此制成钢琴的共振板，代替原有木质共振板制成音板，达到创新听觉，在“能量零损耗”情况下，产生不可思议的清纯悠久的泛音。本发明充分利用了碳纤维材料的轻质、高模量、高强度、不变形、不开裂等优越特性，新的结构设计保证了共振板力学性能和声辐射性能的各向一致性，实验结果表明，所制成的音板具有结构和性能的双重稳定性，并且音质纯美悠久，达到提高钢琴音板频响特性的目的，同时达到了避免实木共振板易于变形，开裂和受环境影响，增加音板使用寿命和降低成本的目的。
文档编号G10C3/06GK101872608SQ20101019213
公开日2010年10月27日 申请日期2010年6月7日 优先权日2010年6月7日
发明者周万昊, 赵振伟 申请人:赵振伟;周万昊