乐器用木质件的制造方法、乐器用木质件及包括它的乐器

摘要

本发明公开了一种乐器用木质件的制造方法、乐器用木质件及包括它的乐器。该乐器用木质件的振动特性与用于制造乐器的天然木材的振动特性相似。该方法包括将树脂涂布在多个木制板部件上或浸渍入多个木制板部件中，使木制板部件的纤维方向对齐，将木制板部件堆叠起来并进行热压，使之粘接在一起，形成层叠体的层压步骤；其中，热压通过控制压力来进行，使层叠体的密度在0.8至1.4g/cm3范围内。

说明书

技术领域

本发明涉及乐器用木质件的制造方法，用该制造方法得出的乐器用木质件，和使用这些木质件的乐器。

背景技术

通常，天然木材(如，鸡蛋果(granadilla)和红木)主要用于制造大量的乐器，特别是木制管乐器，如，单簧管。广泛使用这些天然木材是因为用上述这些天然木材制成的乐器的音质非常好。

然而，在用天然木材制成的乐器中有下列缺点：

-作为基本材料的例如鸡蛋果和红木一类的木材很稀少，而且目前经常遭危害；因此，它们的成本相应地高。

-干燥困难，因此制造乐器需要很长时间(一般大约三年)；换句话说，从订货至交货之间的时间很长。

-成品率低(正常情况下，废品率大约为30％)。

-因为使用天然木材，上色有差别，造成由许多零件装配而成的乐器颜色难以匹配。另外，因为木材性质(如，硬度和密度)相差较大，结果造成单个乐器的音质不同。

-外部设计自由度小。

-由于干燥、温度突然改变、吸水等造成乐器容易裂开，因此需要连续不断地维护乐器。

相反，人造材料，如鸡蛋果木头粉末和环氧树脂、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)树脂和丙烯酸树脂构成的复合材料是公知的除了天然木材之外的用于乐器的材料。

当利用鸡蛋果木头粉末和环氧树脂组成的复合材料制造乐器时，乐器耐裂且成品率很高。然而，虽然这种乐器的优点是各个乐器之间的差别很小，但又有以下的问题。

-作为基本材料的鸡蛋果目前受到危害，因此成本相应增高。

-外部设计自由度小。

-音质不好。

-看不见使用天然木材时可以看见的纹理等，因此使乐器外观差。

另外，虽然当用ABS树脂或丙烯酸树脂制造乐器时，这种乐器价廉并能耐水，但音质不好，因此这种乐器不能在管弦乐队等中使用。这种乐器的外观也差。

与使用天然木材制成的乐器比较，使用这种复合材料或人造材料制成的乐器的音质非常差，而音质对乐器是头等重要的。

可以认为，音质差受所使用材料的振动特性影响。

与木制管乐器的音质特别有关的振动特性为材料的密度，以及纤维方向上的弹性模量(E_L)与切线方向的刚性模量(即，横向(剪切)弹性模量G_TL)之比(即，E_L/G_TL)。

E_L/G_TL是利用Timoshenko方程式，通过测量材料的尺寸、质量和模态角频率而计算出的值：

$>>EI>>>>\partial >4>>y>>>>\partial >x>>4>>>+>\rho A>>>>\partial >2>>y>>>>\partial >t>>2>>>->I\rho >>(>1>+>\alpha >>E>G>>)>>>>>\partial >4>>y>>>>>\partial >t>>2>>>>\partial >x>>2>>>>+>\partial >>>I\rho >2>>G>>·>>>>\partial >4>>y>>>\partial >>t>4>>>>=>0>$>

式中：G-材料的横向(剪切)弹性模量；

      α-材料的剪切模量(如，在材料横截面形状为矩形的情况下，α＝1.5)；

      E-材料的纵向弹性模量；

      ρ-材料密度；

      I-横截面的二次矩；

      A-材料的横截面积；

      x-材料长度；

      y-挠曲幅度；

      t-时间。

材料的E_L/G_TL越接近木材(如，鸡蛋果)的E_L/G_TL，则该材料越适合于制造乐器。

密度和E_L/G_TL值彼此接近的材料的振动特性非常相似。因此，如果例如上述的复合材料或人造材料的密度和E_L/G_TL值接近要制造的乐器所用的木材的密度和E_L/G_TL值，则可以形成振动特性接近这些木材振动特性的材料。例如，在采用鸡蛋果的情况下，密度大约在1.0至1.4g/cm³范围内，而E_L/G_TL值大约在4至7范围内。

然而，要将密度和E_L/G_TL两个值调节至适合于乐器的值非常困难。例如，即使压缩由鸡蛋果木材粉末和环氧树脂、ABS树脂、丙烯酸树脂等构成的上述复合材料以将其密度调节至预定的值，但因为E_L/G_TL值和密度之间没有关系，因此难以调节E_L/G_TL值。因此，在制造具有所希望的振动特性的材料时，要花费大量的劳动和时间，因此成本提高。

发明内容

本发明是考虑到上述情况而提出的，其目的是提供一种可以容易地制造乐器用木质件的方法，该方法具有下述优点，并且可使材料的振动特性与用于乐器的天然木材的振动特性相同。

-不需要使用稀有的天然木材，从而可以节约天然资源和成本。

-所得到的振动特性与用于制造乐器的天然木材的振动特性非常相似，并且使用这种方法制造的乐器的音质非常好。

-因为振动特性和颜色没有变化，因此单个乐器的差别很小，各个零件的装配简单。

-可抑制裂开，因此从订货至交货之间的时间短。

-成品率改善，材料成本降低。

-外观设计自由度大。

-外观很好。

经过详尽研究，本发明人发现，通过将纤维方向均匀排列的层叠体压紧和粘接在一起，使其密度为0.8至1.4g/cm³范围内的一个预定值，可以达到上述目的，因而可以实现本发明。

即，本发明提供了一种制造乐器用木质件的方法，它包括：层压步骤，即，将树脂涂布在多个木制板部件上或浸渍入多个木制板部件中，使木制板部件的纤维方向对齐，将木制板部件堆叠起来并进行热压，使之粘接在一起，形成层叠体；其中，热压通过控制压力来进行，使层叠体的密度在0.8至1.4g/cm³范围内。

另外，本发明还提供了一种制造乐器用木质件的方法，它包括：第一层压步骤，将树脂涂布在多个木制板部件上或浸渍入多个木制板部件中，使木制板部件的纤维方向对齐，将木制板部件堆叠起来并进行热压，使之粘接在一起，形成层叠体；和第二层压步骤，其中，沿着纤维方向将所得到的层叠体切片，制成层叠板部件；将树脂涂布在这样得到的层叠板部件上或浸渍入层叠板部件中，使层叠板部件的纤维方向对齐，将层叠板部件堆叠起来并进行热压，使之粘接在一起，形成第二层叠体。其中，第二层压步骤中的热压是通过控制压力进行的，以使第二层叠体的密度在0.8至1.4g/cm³范围内；在第一层压步骤中的热压是通过控制压力进行的、以使层叠体的密度在0.4至0.6g/cm³范围内。

在上述乐器用木质件的制造方法中，一部分木制板部件可用纸代替。

另外，本发明还提供了利用上述乐器用木质件的制造方法得到的乐器用木质件。

另外，本发明还提供了乐器用木质件，它包括层叠的木制板部件，每一块木板的纤维方向对齐，木板厚度为20mm或更小，密度为0.8至1.4g/cm³。

另外，本发明还提供了利用上述乐器用木质件制成的乐器。

附图说明

图1为表示本发明的第一实施例的过程图；

图2为表示本发明的第二实施例的过程图；

图3为表示试验例1的结果的图形。

具体实施方式

现在来详细说明本发明。

图1为表示制造乐器用木质件的方法的第一实施例的过程图。在第一实施例中，首先准备多块木制板部件1(a)。通过例如浸入含有染料的染料溶液2中，将这些木制板部件1染成所希望的颜色，然后进行干燥(b)。再将木制板部件1浸入含有树脂的树脂溶液3中优选为1分钟至24小时，使木制板部件1的全部或一部分渗透树脂(c)。另一种方案是，还可以用树脂溶液3涂布木制板部件1的全部或一部分。接着，使木制板部件1的每一块木板的纤维方向D对齐，并将木制板部件1堆叠起来(d)，使得通过堆叠多个浸渍树脂的木制板部件1制成堆叠体4。

其次，利用适当的压紧装置5在调节好的压力作用下对所得到的堆叠体4进行热压，使整个堆叠体的密度为在0.8至1.4g/cm³范围内的一个所希望的值(e)。这可使树脂硬化，使木制板部件1中的每一块木板粘接在一起，形成密度为0.8至1.4g/cm³的一个木质件(层叠体)6。当层叠体6的密度小于0.8g/cm³时，由层叠体6制成的木制管乐器(如，单簧管等)的音质不很好。这可能是因为木制管乐器的刚度对于支承在木制管乐器的木质管中的空气的振动不够大。当层叠体6的密度大于1.4g/cm³时，则由层叠体6制造的乐器太重，不容易举高和使用。

最好，热压过程中的压力设定为50至300kg/cm²。另外，温度最好设定为100至150℃。

图2为表示本发明的制造方法的第二实施例的过程图。在下述的实施例中，与第一实施例的零件相同的零件用相同的附图标记表示。在第二实施例中，首先，准备多个木制板部件1(a)。通过例如浸入含有染料的染料溶液2中，将木制板部件1染成所希望的颜色，然后进行干燥(b)。再将木制板部件1浸入含有树脂的树脂溶液3中优选1分钟至24小时，使木制板部件1的全部或一部分浸渍树脂(c)。另一种方案是，还可以用树脂溶液3涂布木制板部件1的全部或一部分。接着，使木制板部件1的每一块木板的纤维方向D对齐，并热压和层压木制板部件1，使得通过将多个木制板部件1层叠和粘接一起，形成第一层叠体7(f)。利用适当的压紧装置5，在调节好的压紧压力作用下进行热压，使层叠体7的密度为0.4至0.6g/cm³范围内的一个所希望的值。最好，压紧的压力设定为10至70kg/cm²。另外，热压过程的温度最好设定为100至150℃。

其次，进行切片过程，利用适当的切片装置8沿着纤维方向D在堆叠表面上垂直地将所得出的第一层叠体7切片，制成层压板部件9(g)。这时，也可以不是在堆叠表面上的垂直方向进行切片，而是与垂直方向成一个所希望的固定角度，对层叠体7进行切片。与垂直方向的固定的角度可以设定为0至45度。当将该角设定为0至45度时，每一个所得到的层叠板部件9的结构(花粉囊、夏季年轮、秋季年轮、木髓线等)与天然木材的类似。因此，当用层叠板部件9制造乐器时，其音质与用天然木材制造的乐器的音质非常相似。另外，由于可以调节层叠板部件9的年轮宽度，因此用层叠板部件9制造的乐器的纹理很好，其音质与天然木材制造的乐器的音质相同。

通过例如浸入含有树脂的树脂溶液3′中优选1分钟至24小时，可使层叠板部件9的全部或一部分浸渍树脂(h)。在树脂溶液3′中所含的树脂可以与在第一层压步骤中使用的树脂相同或不同。还可以将树脂溶液3′涂布在层叠板部件9的全部或一部分上。然后，使每一个层叠板部件9的纤维方向D′对齐，再次将层叠板部件9堆叠起来，并进行热压，形成第二层叠体10(i)。热压可以利用一个适当的压紧装置5在调节好的压紧压力作用下进行，使整个第二层叠体10的密度为0.8至1.4g/cm³范围内的一个所希望的值(j)。最好，压紧的压力设定为50至300kg/cm²。另外，热压过程中的温度最好设定为100至150℃，这可使树脂硬化，将每一个层叠板部件9粘接在一起，形成乐器用的木质件11。

当第二层叠体10的密度在0.8g/cm³以下时，由第二层叠体10制成的木制管乐器(如，单簧管等)的音质不很好。这可能是因为木制管乐器的刚度对于支承在木制管乐器的木质管中的空气的振动不够大。当第二层叠体10的密度大于1.4g/cm³时，由第二层叠体10制成的乐器太重而不容易举高和使用。

还可以将上述第一和第二实施例中所用的木制板部件和层叠板部件的一部分用纸代替，并用同样的方法制造乐器用的材料。如果使用纸，则浸渍树脂的纸可以与木制板部件和/或层叠板部件交替地堆叠。然后再压紧，使树脂硬化，将木板和纸粘接在一起。如果用纸代替一些木制板部件和/或层叠板部件，则材料成本可以进一步降低。另外，纸还有一个优点是，不需要进行将树脂涂布在木制板部件上或浸渍入木制板部件中的过程，因此工艺可以进一步简化。

对所用的纸的类型没有特别的限制，在考虑纸的强度等以后，可适当地选择纸。

然而，从声辐射性质和成本以及森林保护、树木种植的观点来看，在上述实施例中，木制板部件所用的木材没有特别的限制，例如ayous和白杨就较好。使用这些木材代替稀有的木材(如，鸡蛋果和红木)，可以保护稀有资源，并降低成本。

木板的厚度也没有特别限制，厚度为0.2至1.5mm的木板较好。如果木制板部件的厚度在这个范围内，则所得出的乐器用木质件的音质非常好。用于染色的染料也没有特别的限制，可以使用通常用于给木材上色的染料，并可从已知的染料中任意选择。

将染料溶解在水、乙醇、有机溶剂等中，并将木制板部件涂布或浸渍在所产生的染料溶液中，可以进行染色。

在本实施例中，木制板部件是考虑到外部设计而进行染色的，而不是绝对需要进行染色，木制板部件可以不上色。

另外，可以使用颜料代替染料进行上色，并进行漂白过程作为预染色过程。

用于浸渍或涂布的树脂没有特别的限制，可以使用正常情况下作为木材粘接剂的树脂，最好使用热固性树脂。

热固性树脂的具体例子包括尿素树脂、酚醛树脂、蜜胺树脂等，但最好使用蜜胺树脂。蜜胺树脂较好是因为树脂硬化后臭味较小。

用于涂布树脂的方法没有特别的限制，可以使用辊子、刷子等涂布木制板部件的两个表面或者至少是其一个表面的一部分。用于浸渍树脂的方法没有特别的限制，浸入、减压浸渍和压紧浸渍都可以使用。

切片装置8的例子包括切片机和回转车床。

使用切片装置8形成的层叠板部件9的厚度没有特别限制，最好为0.2至1.5mm。如果使用的木制板部件的厚度在这个范围内，则所得出的乐器用木质件的音质非常好。

可以通过事先测量从层叠步骤得到的层叠体的宽度、长度和质量，然后压紧层叠体直至达到密度为预定值的厚度，这样来调节乐器用木质件的密度。

第一层叠步骤中形成的第一层叠体的密度最好为0.4至0.6g/cm³，而在第二层叠步骤中所形成的第二层叠体的密度最好为0.8至1.4g/cm³。

在层叠步骤中进行压紧所用的压紧装置5的例子(即，形成第一层叠体的第一层压步骤和形成第二层叠体的第二层压步骤)包括木板热压机、高频压机和蒸汽压机。

然而，在加压过程中，如果最终密度大，则需要大的压力。在这种情况下，如果最终厚度为20mm或更大，则很难使压力均匀地加在整个层叠体上。这难以得到密度均匀的乐器用木质件，并且当强大的压力只加在某些部分上时，会产生缺陷(如，裂纹)。因此，当制造最终厚度为20mm或更大的乐器用木质件时，首先应如上所述，制造厚度小于20mm的乐器用木质件。然后，使这些木质件的纤维方向对齐，并利用热压将木质件粘接在一起，形成厚度为20mm或更大且密度没有变化的乐器用木质件。

除了加压以外，还可通过调节涂布或浸渍的树脂量来调节乐器用木质件的密度。例如，可以通过延长浸渍时间、使用压紧或减压装置增加浸渍量，提高树脂溶液中的树脂(单体，低聚物)的密度、或降低树脂(单体，低聚物)的分子量，使浸渍更容易进行，这样来提高密度。

上述制造乐器用木质件的方法不需要使用稀有木材(如，鸡蛋果)，因此对保护稀有物种是有价值的。另外，制造所需的导前时间比使用天然木材时短。

另外，没有在天然木材中可见到的性质(如，密度等)的不规则性，可以制造出振动特征一致的材料。

另外，要制造的乐器用木质件的外部设计的自由度大。即：通过改变所用的板部件或树脂层的颜色，可以得到各种纹理效果。在层压过程之前，进行上色，也可得到各种颜色效果。

当利用上述这样得到的木质件制造乐器时，与使用天然木材的大致30％的废品率相比，本发明可将废品率降低至大约2至3％。

利用上述方法制造本发明的乐器用木质件。该木质件包括层叠的木制板部件，每一块木板的纤维方向对齐，其厚度为20mm或更小，密度为0.8至1.4g/cm³。木质件的振动特性适合于用作制造乐器的材料。另外，材料性质或颜色不变化，使装配乐器管体的工作简单。本发明的乐器用木质件特别适合于作为制造木制管乐器(如，单簧管、双簧管、短笛、八孔长笛等)的材料。另外，这些木质件还可以用作制造大量的弦乐和打击乐器的木质零件的替代材料。

使用上述乐器用木质件的乐器，可以利用使用该乐器用木质件代替正常使用的木材的方法制造。使用上述乐器用木质件的乐器的音质与使用天然木材制造的乐器音质相当，或甚至更好；并且成本低，单个乐器音质变化小。

例子

本发明及其效果现利用具体例子来说明，但应理解，本发明不是仅限于这些例子。

材料的密度(ρ)用下述方法测量。

密度(ρ)的测量：

利用数字式卡规，在0.01mm精度内，测量厚度、宽度和长度。

利用电子秤，在0.01g精度范围内测量质量。

利用这些测量值计算密度。

例1

将蜜树脂水溶液涂在600个木制(ayous木)板部件整个表面上，每一块木板的长度为180cm，宽度为90cm，厚度为0.6mm。将这些木制板部件的纤维方向对齐，将它们放成一堆。然后，在130℃的温度和20kg/cm²的压力下进行热压。蜜胺树脂硬化，并且木板粘接在一起，形成层叠体。这个层叠体的密度为0.5g/cm³。利用切片机，在相对于木板堆的顶面的垂直方向上，沿着木板的纤维方向将层叠体切片，得到层叠木制板部件(每一块木板的长度为150cm，宽度为30cm，厚度为0.6mm)。然后，将这些层叠木制板部件浸入与上述过程所用相同的蜜胺树脂水溶液中2小时，使木制板部件浸渍蜜胺树脂。再将这些层叠的木制板部件纤维方向对齐，堆叠起来，利用木板热压机压紧(在130℃温度和70kg/cm²压力下)。这样，蜜胺树脂硬化，并得到制造乐器用木质件(长度为30cm，宽度为30cm，厚度为10mm)。这样得出的制造乐器用木质件的厚度为1.27～1.3g/cm³。

例2

将蜜树脂水溶液涂在600个木板(ayous木)部件整个表面上，每一块木板的长度为180cm，宽度为90cm，厚度为0.6mm。将这些木制板部件的纤维方向对齐，将它们放成一堆。然后，在130℃的温度和10～20kg/cm²的压力下进行热压。蜜胺树脂硬化，并且木板粘接在一起，形成层叠体，这个层叠体的密度为0.6g/cm³。利用切片机，在相对于木板堆的顶面的垂直方向上，沿着木板的纤维方向将层叠体切片，得到层叠板部件(每一块木板的长度为150cm，宽度为30cm，厚度为0.25mm)。然后，将这些层叠的木制板部件与纸(厚度为0.06mm)交替地堆叠起来，该纸用与上述过程中所用相同的蜜胺树脂水溶液浸渍1小时。将这些层叠木制板部件的纤维方向对齐，再将层叠的木制板部件堆叠起来。然后，利用木板热压机压紧这堆木板(在130℃温度和70kg/cm²压力下)。蜜胺树脂因此硬化，得到制造乐器用木质件(每一木质件的长度为30cm，宽度为30cm，厚度为10mm)。用于制造乐器的木质件的密度大约为1.37g/cm³。

试验1

测量在上述例子中制造的乐器用木质件的性质(即，弹性模量与刚度模量之比E_L/G_TL)。另外，作为比较例1，对一般用作单簧管等的材料的鸡蛋果进行同样的测量。

所用的测量该E_L/G_TL的方法为，利用FFT分析仪，根据自由振动定律，测量在两个末端的从自由挠曲振动的模态0至模态3的共振频率，然后利用Timoshenko方程式的结果，计算E_L/G_TL。

所有这些测量都在室内，在温度调节至20℃和相对湿度为60％的条件下进行的。所得结果表示在图3和表1中。

表1

    ρ(g/cm³)    E_L/G_TL   例1(板部件)    1.278    5.15    1.303    5.51   例2(板部件和纸)    1.369    5.45    1.369    5.36   比较例1(即鸡蛋果)    1.306    6.27    1.303    5.98    1.306    5.25

从这些结果可看出，例1和例2中所得到的乐器用木质件的E_L/G_TL与鸡蛋果的E_L/G_TL等价。

当对密度为ρ＝1.0～1.1g/cm³的ABS树脂和丙烯酸树脂进行同样的测量时，E_L/G_TL＝2～3，与鸡蛋果的E_L/G_TL非常不相同。

试验2

利用例1和例2与比较例1的材料制造单簧管的木质部分，并比较每一种单簧管的音质。

结果发现，用例1和例2的木质件制造的乐器的音质与用鸡蛋果制造的乐器的音质极其相似。

根据本发明的乐器用木质件的制造方法，可以容易地制造具有下述优点和振动特性与用于制造乐器的天然木材的振动特性类似的乐器用木质件。

-不需要使用稀有的天然木材，可以节约天然资源和成本。

-所得到的振动特性与用于制造乐器的天然木材的振动特性极其相似，并且用这种方法制造的乐器的音质非常好。

-因为振动特性和颜色没有变化，因此单个乐器特性差别很小，各个零件的装配简单。

-可抑制裂纹，因此可缩短从订货到交货的导前时间。

-成品率提高，材料成本降低。

-设计外部时的自由度大。

-外观非常好。