专利名称：提高低频特性的钢琴弦振系统的制作方法
专利说明 领域 乐器
背景技术：
钢琴作为大型乐器，其名义低频已潜至人耳听觉下限，在音乐实践中有着重要基础地位。其良好的低音特性、音效，一直为业界期待和努力。
在乐器制造和音乐实践中，对“低音”、“低频”尚无统一划分标准。本方案所称“低频”系指不高于200-250Hz的这段人耳可闻声频。
“低音”在音乐表现中给人主观听觉上以“低沉、厚实、雄浑、丰满、温暖”这种“低频”所特有的基本特性。这种特性通常而言实质上是由乐音这种复合音其基础振动即“基频”分量其能量强度决定的。在通常情况下，低音其基频能量如较突出，则意味着低音特性相对而言就更好①。
现有钢琴低频，低于200Hz以下的各低音，其振动频谱中的基础成分声辐射能量微弱；低于100HZ的各低音其基频辐射已完全检测不到②。人们听到的实际钢琴的这些低音，其实基本上只是这些各名义低音各弦振动中的除基频成份之外的其它各高次泛音的声辐射。
钢琴名义低音很低，但其低音音效名不副实，其低频特性未达到其在正常技术架构上应有的相对更好的低音音效，与其不合理、不科学的低频构造直接相关。
有必要对钢琴核心部件-钢琴弦振系统(也称张弦系统)作简要说明按十二平均律音高次序张紧于弦支架，此弦支架通常把过些弦分置为“低音弦列面”和“中高音弦列面”；弦支架置于形状特征一定的声辐射板(俗称音板)上方，以相应的“低音弦码”和“中高音弦码”沟通、联结各弦和声辐射板。各弦经由支架上的调音钉，定位销、孔或梁，弦码上的定位销，在弦码上形成一定的平水、垂直折弯角后引至弦支架，弦支架稳固于声辐射板边界厚重的外围、支撑结构上。
弦振系统有三个基本要素(1)弦参数，即弦材料、弦长、弦径、弦张力、各弦构成的张力分布特性参数；(2)声辐射板参数，即声辐射板材料、形状、构造参数；(3)“弦一声辐射板”的声耦合参数，即各弦通过弦码在形状特征一定的声辐射板上的分布状态参数。
显然，在弦参数和音板参数一定下，此时影响弦振系统频响特性的，只有声耦合参数。
现有松木声辐射板，尽管在其背面结合有基本等距、平行分布的肋木(加强肋)，但其在总体、宏观上，无疑依然遵从胡克定律声辐射板在其弹性限度内，应力与应变成正相关。
声辐射板受振动的弦的策动而做相应的振动而产生的声辐射，可近似看作是各弦在以其弦码点为策动源园点的“振动园” 声辐射板在其有效尺度远小于低频波长时(现有声辐射板，其最大尺度不大于1m)，其声辐射可作如下粗略近似分析 ③ (P总声功率，K园频率，R有效振动半径，ρ媒质密度，C声道，V振幅，S有效振动面积) 此时低频声辐射功率和效率相应处于较低的特性水平，且频率越低则辐射特性越差。
低频声辐射的基本特性，客观内在的要求系统各低音弦与声辐射板的声耦合关系，在实际声辐射板其有效尺度远小于低频波长的约1m左右，和辐射板其刚性又处于相对较高水平的约束下，应遵从这种辐射频率越低则有效声辐射面越大的基本规律，这样低频特性才会更好。这正如低频扬声器，通常而言，在输入功率一定下，大口径扬声器比小口扬声器低频特性好，有效低频下限更低。
现有系统其声耦合状态即弦通过弦码在声辐射板上形成的有效振动半径如下表 单位cm
注1、各系统声辐射板有效直径不大于1m。
从上表可以看到1、在总体上，各低音弦均耦合在声辐射板的相对边界。
2、名义低音越低的各弦，其耦合位置越靠近声辐射板边界。
3、尤其立式，其低音弦存在耦合状态不连续的错位。比如立式系统，通常的第26-30音弦在声辐射板的耦合半径通常约为30cm，而在从第26-30随后的第1组弦始，其耦合半径通常从约15-20cm，随弦号的增加渐次达到声辐射板中心位置。
这样的“弦-声辐射板”声耦合状态，显然未充分用尽本也不算大的约1m最大园的声辐射板最大有效振动面积，因而其低频特性和音效不能得以本应可以有的更好的体现。
现有大型卧式系统，其产品设计意图本是应用于对音效要求更高的专业音乐厅等用途，因而大幅加长低音弦长，对音质改善有利④，但实践表明，这种单一加长弦长、未充分考虑到现有1m有效直径声辐射板，相对于低频辐射而言其实不算大、且其弦一声辐射板关系存在同样耦合缺陷的系统，对低音音效的改善十分有限。显然要进一步获得更良好的系统低频特性，在大幅加长弦长同时，应进一步加大其声辐射板有效振动面积的线度。
现有立式和小型系统全面采用的“悬臂”低音弦码结构其设计用意显然是使在有限的产品线度内能设置尽可能长的弦长，同地又不使弦的耦合过份靠近声辐射板边界。这样的构造形式，表面上看起来有一定道理，其实不仅不可避免的顾此失彼，而且对音质不利⑤。大型卧式系统通常就不采用这种悬臂结构。合理的、科学的、优化的低频构造，显然不需要现有的“悬臂”弦码这种“蛇足”结构。
发明内容
现有系统其“弦一声辐射板”耦合状态关系不符合低频声辐射基本规律，因而低频特性不好。本方案纠正其百年来的低频构造缺陷，使其回归至应有的科学本位，提高低频特性、改善低音音效。
本方案对现有的通常26-30组低音弦、径宽约40cm的低音弦码，以相邻弦互不碰擦为限，把弦在弦码上的平均分布密度压缩1/4-1/2，以进一步尽可能把此低音弦码耦合在声辐射板有效振动的中心区域，即压缩后的相应弦码径宽为20-30cm。
因弦码径宽被压缩，为使通过弦码的各弦，保持与现有在弦码上基本相当的水平、垂直折弯角，同时又能保证各弦在引至弦支架上的平均密度与现有状态基本等同相当，不至使各弦在弦支架上的稳固定位产生不能实现的困难，本方案其低音弦码是一其上表面相对其水平底面，有一从最低音弦所处弦码的码端至其另一端，在其垂直方向上由高至低、渐次降低高度的斜面，以使得其从最低音弦始至其另一端各弦，在从弦码上拉至弦支架上稳固定位时，所拉过的距离渐次由长至短。这样，各弦在弦支架上的分布密度因各弦在弦支架上的交点相对现有被斜向拉长又得以必要减小，从而顺利稳固弦端。
本方案立式系统，低音弦码被重叠合并于中高音弦码的低音端，即相对现有呈X状的两条弦码整体系统，本方案只有一条低音端起始于声辐射板最大有效振动面积中心区的一条弦码；低音弦列下方的弦码码体上，有用以使中高音弦通过、形成各有效弦长的相应的小通孔。
本方案小型卧式系统(通常长度不大于2m)，相当于把现有系统其声辐射板的形状反转过来呈左右对称，这样本方案系统与现有系统其长宽尺寸在基本相当、在各低音弦长与现有基本相当下，因各弦相对本方案声辐射板的向右偏转，从而相应向右、向下偏移较大相应角度，进而各低音弦，在保证与现有相当弦长下，其在声辐射板上的耦合位置，从声辐射板现有的相对边界向其最大园中心移动、靠近相应较大距离，以实现各低音弦尽可能耦合在声辐射板中心区。
本方案大型卧式系统，相对小型系统，大幅加长低音弦长的同时，大幅增大有效振动面积线度。而把其有效线度加大到与低频辐射声波波长相当、乃至更大的线度，显然是不实际的。本方案把现有通常不大于1m有效直径的声辐射板，增大为2-2.5m。
本方案立式、大型、小型系统，其弦在声辐射板上形成的有效半径的“弦-声辐射板”耦合状态参数，以下表概括 单位cm
本方案各弦在弦支架上联结、定位、在弦码上的联结、定位，相应的与现有系统基本相同一致。
图1是本方案立式系统声耦合构造实施例图。
图2是本方案小型卧式系统声耦合构造实施例图。
图3是本方案大型卧式系统声耦合构造实施例图。
图4是本方案低音弦码构造实施例图。
图5是本方案低音弦列在其弦码“上表面”的分布示意图。
图6是本方案低音弦列在其弦码高度方向上的分布、折弯示意图。
图7是本方案立式系统，两弦列共用弦码部分，其各弦列的各弦在通过弦码上的定位销和通孔后，在与弦支架甲板相交、稳固定位的联结关系、特征示意图。
其中，1和11表示低音弦列面，2表示低音弦码所处的声辐射板最大园，3表示低音弦码，4和5，表示低音弦列面之外的另一弦列面，即中高音弦列面，6表示琴体外轮廓，7表示低音弦列面之外的另一弦列面的弦码，即中高音弦码，8表示中高音弦列面各弦的“一端”的轨迹线，9卧式系统键盘位置，10声辐射板边缘线，12表示低音弦列面各弦的的“一端”的轨迹线，13表示立式系统最低音弦所在声辐射板上，以其“耦合点”为策动源点的在声辐射板上的最大有效振动园，14和15及其对边外轮廓线，构成现有立式系统外廓，16弦码码体，17小通孔，18表示定位钉或孔，19表示低音弦列中的弦，20表示各弦通过弦码后的、弦支架甲板的边缘，21表示中高音弦列，通过弦码后的小通孔的各弦，在甲板上的各交点的轨迹线，22表示低音弦列各弦通过弦码后，在弦支架甲板上的各交点的轨迹线， 具体实施方式
低音弦码是一其“上表面”相对其水平底面，为一从最低音端至另一端，渐次相应降低高度的斜面。这个斜面使得从最低音端至另一端的各弦，在通过弦码拉至弦支架甲板稳固定位时，其各弦从最低音弦拉过的距离，渐次减小距离，这样，各弦在弦支架甲板上的分布密度，因各弦在甲板上的交点相对现有被“斜向拉长”而相应降低，各弦相应在弦支架上稳固定位问题得以解决。
本方案各系统，弦列架把低音弦列设置在中高音弦列之外，与现有各系统基本相同一致。
图1所示本方案立式系统声耦合构造实施例，相当于把现有立式系统[(14、15)及其各对边的外轮廓所构成的矩形]，从其最低音上端始，沿其相应的左上方，渐次向原有弦长上端向外即向左上方延伸。低音弦列面(1-11)从其上端(12)，指向处于矩形声辐射板[由直线(10)和相应的外轮廓构成]右方的最大园(2)中心区域，联结于低音弦码(3)上。
低音弦列(1-1.1)下方，其弦码码体上有相应的用以使中高音弦列(4-5)中，若干低音弦通过并形成各自有效弦长的小通孔(17)。这样，本方案低音弦码重叠合并于中高音弦码低音端之上。
图2所示本方案小型卧式系统声耦合构造实施例，相当于把现有产品的声辐射板沿其纵向的直线边反转过来，与现有呈左右对称。
声辐射板低音弦所处最大园(2)直径不小于1m，低音弦列(1-11)从弦支架键盘端(12)处，指向相对现有径宽被压缩25-50％的低音弦码(3)弦，耦合在声辐射板最大园中心区，构成其各有效弦长。
图3所示本方案大型卧式系统声耦合构造实施例，与图1相较，其效弦长更长，最大有效振动面积更大，声辐射板最大直径2-2.5m。
本方案各实施例中，其各低音弦在声辐射板上所形成的声耦合关系如下表 单位cm
从本方案各实施例可以看到1号弦(11)有效振动半径(13)，与声辐射板低音区最大园半径(2)基本相当。总体上，本方案系统各低音弦充分用尽1-2.5m直径声辐射板面积。
本系统，中高音弦列构造，按与现有相应特征、措施基本相同一致的方式，与本方案低音弦列构造结合一起，构成完整的本方案弦振系统。
参考书目
①《音的历程-现代音乐声学导论》文联社03年5月第一版第62-63页
《力学》河南教育社1988年1月版第447-448页
②《钢琴制造》轻工社60年版第50-54页
③《中国大百科全书·物理卷2》百科社88年版第932页
④《钢琴制造》轻工社60年版第26、144页
⑤《钢琴制造》轻工社60年版第59-60页
权利要求提高低频特性的钢琴弦振系统，各低音弦通过弦码耦合在声辐射板上的有效振动半径不小于10cm渐次至30cm的位置/或各低音弦其在声辐射板上的有效振动直径与声辐射板低音区最大有效直径之比不小于1/5渐次至1/4-1/3，其特征是，各低音弦通过弦码耦合在声辐射板上的有效振动半径不小于35-40cm/或各低音弦其在声辐射板上的有效振动直径与声辐射板低音区最大有效直径之比不小于7/10或4/5；各低音弦联结在相对现有弦码径宽压缩1/4-1/2、上表面相对其底面为斜面的低音弦码上；立式系统其低音弦码下方有用以使弦通过的小通孔，其系统弦列相对现有的X状，呈狭长的锐三角形。
专利摘要提高低频特性的钢琴弦振系统。根据声辐射基本规律，纠正现有系统百年来的低频构造缺陷，使其回归至应有的科学本位，即改系统“弦—声辐射板”声耦合构造关系于声辐射板的相对边界为其有效振动中心区域通过把低音弦码与中高音弦码重叠合并为一体、低音区弦码体上的若干用以使弦通过并形成有效弦长的小通孔、把立式系统各低音弦从其左、上方拉出；大型卧式系统声辐射板加大至2-2.5m；各系统均弃用悬臂结构弦码措施，从而改善低频特性，提升低音音效。
文档编号G10C3/08GK201117225SQ200620008740
公开日2008年9月17日 申请日期2006年3月21日 优先权日2006年3月21日
发明者杨治安 申请人:杨治安