用于对弦乐器例如吉他或类似乐器调音的装置及方法

摘要

弦调音装置，其用于弦乐器，例如吉他或类似乐器，该弦调装置包括调音弦轴或机器头，该调音弦轴或机器头为同一乐器上所使用的弦提供相等或实际上相等的调音灵敏度，使得每一个调音弦轴或机器头的单位旋转在其关联的弦中产生相等或实际上相等的音调变换。

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及用于弦乐器例如吉他或类似乐器的弦张力调整装置及方 法。

2.相关技术描述

弦乐器通常在每一根弦的一端上提供固定的锚点，并且在另一端上提 供允许使用者在弦中建立选择量的张力的机构。弦振荡的频率取决于多个 参数，例如弦的振动长度、其张力、直径以及材料常数。构造细节例如围 绕芯弦(经常出现在低音弦上)缠绕另一根弦也可能有影响，但是主要地 有助于和音含量(harmonics content)。如从物理学中知道的，振荡频率和 弦张力之间的关系不是线性的，而是与弦张力的平方根成比例。

用来设置弦的张力的机构经常被称为“调音弦轴(tuning peg)”、“调 音器”或“机器头(machine head)”。简单的实施方式是被插入到乐器的 合适部分中的调音弦轴，乐器的合适部分通常是吉他、班卓琴及类似乐器 中的颈部。弦轴的延伸部分通常包括圆柱，弦围绕圆柱缠绕几个圈。旋转 弦轴使柱旋转，这改变了弦张力，并且从而改变了振荡频率以及由此改变 弦的调音。

为了保持音调，首先使弦轴和乐器的主体存在过盈配合，其次，产生 抵抗弦张力反向驱动(back driving)弦轴的摩擦力。该摩擦力由于包括作 用在弦轴上的径向力的弦张力而产生，该摩擦力继而经由可应用在弦轴的 材料和乐器的主体的材料之间的摩擦系数而产生切向力，该切向力继而逆 向地使由于作用在柱的半径上的弦张力而产生的转矩平衡。因此，在不存 在弦轴的有意旋转时，弦张力保持恒定，除非偏置力产生，该偏置力能够 去除调节(de-tune)弦振荡。这例如可能源于被构造成乐器的材料的与寿 命相关的收缩。乐器主体材料的老化是产生“偏置力”的原因之一，使得 摩擦配合松动。

另一种调音机构是调音器或机器头，该调音器或机器头使用齿轮机构 或蜗杆齿轮布置，如果执行蜗杆齿轮的低螺距或高传动比，则齿轮机构或 蜗杆齿轮布置通过设计而提供自锁特征(self jamming feature)。这些布置 在本领域中是众所周知的。在图1中示出了具有蜗杆齿轮布置的机器头， 且该机器头通常包括被固定到蜗杆轴4的端部的调音把手2，蜗杆轴4穿 过机器头主体6延伸。蜗轮8与蜗杆轴4的蜗杆10在主体6内部相啮合， 且圆柱12连接到蜗轮8并与蜗轮8的旋转轴线对齐。圆柱12延伸到吉他 的颈部的与弦相同的侧，且被对齐使得其轴线垂直于弦。在操作中，当调 音把手2(因此蜗杆轴4)被旋转时，其使蜗轮8、因此使圆柱12旋转。 通过这种方式，穿过圆柱中所界定的吉他弦插入孔14而插入的吉他弦在 圆柱12上缠绕或从圆柱12解开缠绕，从而允许吉他弦被调音。

在已知的弦乐器及现有技术中，弦被紧固并缠绕到其上的机器头或调 音弦轴的圆柱的直径——并且在机器头、齿轮比的情况下——对于在给定 乐器上所使用的所有弦来说是相同的。因此，调音灵敏度或者圆柱的每角 度位移上的弦的音调变化量从弦到弦地改变。例如，通过给某些吉他装备 具有相等的圆柱直径(以及在机器头情况下的齿轮比)的现有技术调音设 备，在吉他的D弦上的调音弦轴或调音把手上的四分之一圈可能引起8个 半音的音调变换，然而在G弦上的调音弦轴或调音把手上的相同四分之一 圈可能引起14个半音的音调变换。该示例突出了弦之间的调音灵敏度的 显著不一致，这对于现有技术调音装置例如调音弦轴和机器头而言是固有 的。

在弦乐器上的各种弦之间的调音灵敏度的不一致会对于演奏者在表 演之前或表演期间在对其乐器调音方面提出重大挑战，这是因为具有较高 调音灵敏度的弦通常由于容易超过目标而需要进行弦张力的放松和绷紧 的更多反复。因此，具有被装备用于为合奏体(ensemble)中即在相同乐 器上所使用的弦提供相等或实质上相等的调音灵敏度的机器头或调音器 将是有利的。

发明描述

因此，本发明通过提供被装备用于为相同乐器上所使用的弦提供相等 或实质上相等的调音灵敏度的调音弦轴或机器头，使得每一个调音弦轴或 机器头的单位旋转在其关联的弦中产生相等或实质上相等的音调变换，从 而解决现有技术调音设备的缺点。如在本文中所使用的，就音调变换而言 的术语“实质上相等”意味着两根弦之间的音调变换在彼此的两个半音内。

对于由多个简单弦轴(经常出现在小提琴、大提琴、尤克里里琴、某 些声乐吉他及类似乐器上)表现的调音设备，本发明提供了改变圆柱直径 的调音弦轴，以使不同弦轴上的相等角度位移量对于分别的弦引起实际上 相同的音高变化。换句话说，如果G弦的调音弦轴上的四分之一圈引起表 现为八个半音的音调变换，则D弦的调音弦轴上的四分之一圈将同样地产 生八个半音的变换，或者产生在G弦的八个半音变换中的两个半音内的实 质上相等的音调变换。

对于包含齿轮机构例如蜗杆齿轮的调音器或机器头，通过改变齿轮机 构(例如蜗杆齿轮)的传动比来实现对调音灵敏度控制的附加方法。在该 情况下，存在三种选择：(a)单独地改变柱直径以影响调音灵敏度；(b) 单独地改变蜗杆齿轮比以控制调音灵敏度；或者(c)使用柱直径和蜗杆齿 轮比的组合来控制调音灵敏度。

用于吉他的标准化调音设备，该标准化调音设备上的调音头的第八圈 在关联的弦中提供四个半音程的调音变化或音调变换，该吉他的标准化调 音设备的实施例如下——如由不同弦上的调音头的圆柱的直径相对于G弦 上的调音头的圆柱的直径的比率所表达的：

表1

以上比率假设640mm的弦振动长度(上弦枕(nut)和下弦枕(saddle) 之间的距离)以及下列弦特性：

表2

在图2中，圆柱以其相应弦的字母来标注(相应于弦号1的E弦被标 注为E’)。因此，根据本发明的机器头将具有改变直径的圆柱，以使对于 调音头的每具体旋转量在每一根弦中产生相等或实际上(实质上)相等的 音调变换。例如，根据表1中的比率，柱E′是柱G的直径的大约3.2倍； 柱B是柱G的直径的大约1.8倍；柱D是柱G的直径的大约1.7倍；柱A 是柱G的直径的大约1.6倍；以及柱E与柱G的直径近似相同。

对于用于具有上述特性的弦的合奏体的调音头的第八圈并且对于 640mm的弦振动长度来说，各种弦上的调音弦轴或机器头的圆柱的直径相 对于G弦上的调音弦轴或机器头的圆柱的直径的以上比率将在关联的弦中 产生四个半音的调音变化。如果使用不同的弦振动长度，或者如果弦具有 不同特性，则调音头的第八圈在调音变化上可能产生不同于四个半音的变 化，但是每一根弦的调音变化将与其他弦的调音变化实质上相同，这将使 演奏者易于对其乐器调音。调音头的圆柱的直径的尺寸能够被制定成使得 为调音头的具体旋转提供所需的调音变化，并且只要比率与表1中的比率 实质上相同，则对于所有弦而言，在每一根弦的调音头的每单位旋转上的 每一根弦的调音变化将实质上相同。

以上实施例提供了用于吉他的标准化调音设备，该标准化调音设备基 于在一定的比率内改变调音头的圆柱的直径；然而，在蜗杆齿轮调音器布 置中，相同的目的可以通过改变蜗杆齿轮和蜗轮之间的齿轮比来实现。

本发明还通过提供实现在弦的合奏体的每一根弦中的相等或实质上 相等的音调变换的方法来解决现有技术的缺点，该方法通过提供这样的调 音设备来实现，该调音设备具有改变调音器的圆柱的直径以使每一个调音 器的单位旋转在其关联的弦中引起所需的音调变换。用于吉他上的弦的圆 柱的直径可以是表1中所提供的比率。可选择地，在基于齿轮机构例如蜗 杆齿轮布置的装置中，在弦的合奏体的每一根弦中的相等或实质上相等的 音调变换的获得可以通过(a)改变柱直径以影响调音灵敏度；(b)改变蜗 杆齿轮比以控制调音灵敏度；或者(c)使用柱直径和蜗杆齿轮比的组合来 控制调音灵敏度而实现。

应理解，在本文中描述并图示的实施方式只是本发明的说明性的实施 方式。本领域技术人员将想到的其它实施方式被涵盖在本发明的范围内。 因此，在本文中描述并图示的实施方式不应被认为是限制如根据所附权利 要求所解释的本发明。