非无定形乐器部件的制作方法

非无定形乐器部件
1.相关申请的交叉引用
2.本技术主张35 u.s.c.119(e)下的美国临时申请优先权。
3.关于联邦资助研究或开发的声明
4.不适用
5.合作研究协议的伙伴的名称
6.不适用
7.通过光盘或通过办公室电子归档系统(efsweb)作为文本文件提交的参考资料纳入
8.不适用
9.关于发明人或联合发明人先前披露的声明
10.不适用
11.发明背景
1.技术领域
12.本发明涉及乐器部件、制造其的方法和使用其的方法。更特别地，本发明涉及具有优异声学品质的非无定形金属合金乐器部件。
2.

背景技术：

13.常规乐器部件在本领域中是众所周知的，包含一种最常见类型的金属部件，例如大提琴撑脚、低音巴松管撑脚、吉他颈和桁架，以及弦乐器的弦，以及其它包括金属部件的铜管乐器、打击乐器、钢琴和其它键盘乐器。
14.然而，这些发明的实践者已经意识到这些现有技术发明所存在的特定问题。困扰用户的一个特别问题是，此类乐器部件所表现出的声学振动的持续时间相对短。有些复杂情况会导致清晰度和清楚性降低，声音的传递会产生很大的失真，振动持续时间缩短。
15.乐器是由各种部件组成的。作为一个非限制性的例子，大提琴可以由背板、侧板、上板、指板、旋涡状琴头、弦、音桥、拉弦板、调音弦轴、撑脚等形成。部件可以由各种材料和/或材料组合形成。形成所述部件的材料能够有助于乐器发出的声音的特性。
16.如果形成乐器的部件可以由配置为改善乐器发出的声音的材料形成，这将对音乐行业有利。
17.研究表明，轻质材料比致密的重质物体更好地传递声音振动。材料的弹性，被称为其“轻快性”(springiness)，对于传输声音也很重要。已示出，弹性较小的物质，如硬质泡沫和纸，实际上更容易吸收声音而不是传递声音。普遍认为，传递声波的最佳材料可能包括铝等一些金属和金刚石等硬质物质。
18.不同性质的声速公式对于理解为什么特定性质能更好地传递声音至关重要。声波的速度等于弹性性质除以物体的密度后的平方根。换句话说，物体密度越小，声音传播越快，弹性越大，声音传播越快。因此，如果一个物体不是很有弹性，而且密度很大，则它传导
声音的速度就较慢。
19.这些研究评价了声音在材料中传播的速度，他们发现最快的速度之一是通过铝，达到6320米/秒。这是因为铝不是特别致密，意味着它在给定体积内的质量小，并且铝具有极高的弹性，能够容易地改变形状。特定材料的弹性往往比其密度波动更多，因此被认为是理解通过该给定材料的声音速度的更重要因素。
20.声音的第二快速度是铜中的4600米/秒。由于它的弹性和容易适当振动的能力，声音传播得快。然而，它比铝致密得多，这解释了为什么它比铝慢近三分之一。
21.在正常的室温和压力下，声速为343米/秒，慢至约为铝中的1/20。影响速度的一个量度是温度，即物体温度越高，声音通过它就越快，因为这提高了分子的速度。例如，40摄氏度时比20摄氏度时声音每秒快12米。
22.虽然通过材料的声速在乐器中重要，但更重要的是乐器表现出长持续时间的振动，使得演奏者能够在更长的时间内体验到与特定音符相关的持续振动。这种振动持续时间显著延长的能力提供了更大的宽容性，从而改善了单个和多个音符的清晰度和清楚性。
23.无定形材料的现有技术公开内容表明，非无定形金属部件的性能差，这些现有技术专利特别教导不能将非无定形金属合金引入乐器的金属部件中。然而，当本发明人发现非无定形金属合金通过其使用而表现出更高质量的声音，并且使乐器更容易演奏而不失真，清晰度和清楚性更好时，他走了相反的方向。数百年来，音乐行业一直屈从于使用声音沉闷的无定形金属部件生产质量较低的声音。
24.音乐行业期望提供一种使金属乐器部件具有长持续时间振动特性的新型材料、将这种材料制成乐器部件的方法以及使用该材料的方法。


技术实现要素：

25.根据上述行业期望，本发明提供了各种方面，包括新型非无定形金属乐器部件、其制造方法和使用方法。例如，这包括至少非无定形铍铜金属合金、以及用作乐器金属部件的其它轻质金属合金。此外，这种新材料克服了现有技术的上述问题，因为声音在传输时没有失真，清晰度和清楚性以及振动持续时间显著增加。
26.本发明的第一方面包括由非无定形金属合金制成的乐器的金属部件的特定特征，所述非无定形金属合金包含各种低原子量元素，例如与铜和铁合金化的铍。此外，其它低原子量元素(例如硼、碳或氮)的纳米层可铺设于所述非无定形铍铜合金上，其中可在其上形成硼烯、石墨烯和其它二维组分作为声学承载结构。
27.本发明的另一方面具有特定特征，包括与钢和其它铁素体材料合金化的其它低原子量元素组分，例如iia、iiia、iva和va元素以及低原子量过渡金属。
28.本发明特别有用于弦乐器以及铜管乐器、打击乐器、钢琴和其它键盘乐器的金属部件的应用。
29.尽管本发明将在下文中针对具有特定特征的具体方面通过实例来描述，但还必须认识到，在本发明的范围和广度内涵盖不需要本领域技术人员付出额外技术劳动的微小修改。本发明的另外的优点和其它新颖特征将在下面的描述中阐述，并且特别是在审查中对于本领域技术人员是显而易见的，或者可以在本发明的实践中学习到。因此，本发明能够实现许多其它不同方面，并且本发明的细节的各个方面能够修改对于本领域普通技术人员来
说是显而易见的，所有这些修改都不脱离本发明的主旨。因此，描述的其余部分将被视为示例性的而不是限制性的。
附图说明
30.为了进一步理解本发明的预期范围和各个方面的性质和优点，将参考以下详细描述，同时结合附图，其中通常相同的部分被赋予相同的标号，其中；
31.图1a是大提琴的正视图，大提琴的撑脚包含根据本发明制造的铍铜合金；
32.图1b是大提琴的侧视图，大提琴的撑脚由铍铜合金制成；
33.图2示例了大提琴底部的这样的撑脚；
34.图3是根据本发明的由非无定形合金制成的弦尾绳的放大局部视图；
35.图4a是拉弦板的上部透视图；
36.图4b是图4a的拉弦板的下部透视图；
37.图4c是根据本发明制造的弦的放大图；
38.图5是根据本发明的由非无定形材料制成的长笛的透视图；
39.图6示例了将受益于本发明的弦乐器的集合；
40.图7是利用本发明的琴弓的透视图；
41.图8示例了包含金属部件的管乐器的集合，这些金属部件通过使用本发明而受益；
42.图9是使用由本发明的金属合金制成的弦的钢琴的正面透视图；且
43.图10是包含金属部件的打击乐器的集合。
具体实施方式
44.首先来看本发明优选的非无定形金属合金，对于由非无定形合金制成的乐器的金属部件，尤其是铍铜(becu)合金(也称为铜铍(cube)或铍青铜)，发现了出人意料的良好声学效果。此类合适的cube合金可包含0.01重量％至99.99重量％的铍，余量为铜，或其与其它合适金属的组合。优选的铍铜合金包含0.5重量％至3重量％的铍，余量为铜，但铜合金中可能包含其它元素。
45.由于现有技术专利特别教导不使用非无定形金属合金，因此本发明以一种特别不可预料的方式实现。特别地，发明人发现用作乐器金属部件的非无定形铍铜合金提供了比现有技术无定形材料长得多的振动持续时间，从而显示出改善的多音符清晰度和单音符清楚性。声音在非无定形材料中传输而不失真，这种效果使乐器更容易演奏，因为音乐家能够在更长的时间内依靠音符的清晰度，从而提供所生成音符的可预测性。
46.发明人选择了不同的材料，实心音乐部件，如琴颈、指板、拉弦板、调音弦轴、音桥和弦尾绳，也都是通过将铍铜或其它合适的合金的锭铣削来制造的。下面将更全面地描述该方法。由铍铜制成的弦将由非无定形金属及其合金制成，所述合金尤其是由高铍含量的铍铜制成的合金。
47.例如，弦乐器上的常规钢弦通常具有高达30秒的振动持续时间。铜用铍铜弦代替这些钢弦，振动持续时间超过2分40秒。同样，较长的振动持续时间提供优异的声学品质。
48.发明人发现将非无定形金属合金用于金属音乐部件，这表明铍铜合金具有高强度、无磁性和无火花的特性。它表现出优异的金属加工、成形和机械加工性能。在根据本发
明的特定方面，发明人发现优选的铍铜合金在全部或部分乐器用工具、弦和其它声学应用中有许多专门应用。
49.这意味着所述非无定形金属能够代替许多金属音乐部件，金属或木与金属的组合能够代替许多木制部分。例如，使用的基础音桥(base bridge)具有可调节的由塑料或铝制成的部件，通常用作温度和湿度的季节性调节。以前未知，本发明提出的铍铜将是基础音桥的完美替代品。通过使用铍铜合金作为基础音桥将改善乐器的音质。铍铜还可以为弹拨乐器(如吉他，无论是原声吉他还是电吉他)以及竖琴提供增强的声音和声学质量。电吉他和一些原声吉他都有从主体到颈的桁架拉杆，这些部件可以用所述非无定形材料代替以改善声音。
50.此外，铜管乐器、打击乐器、钢琴和其它键盘乐器如钟琴也将受益于本发明的超长振动持续时间。
51.此外，发明人通过使用高科技手段发现通过施加二维(2d)材料的外层，例如石墨烯、bn、硅烯、锗烯、磷烯、过渡金属二硫属化物、砷烯和锑烯，金属音乐部件的振动特性显著提高。如下所述，发明人已合成2d材料、或者发明人理论上预测的2d材料是沉积在任何乐器的金属部件上的外层。
52.石墨烯和硼烯表现出一些独特的物理和化学性质。石墨烯是一种声源元件，它不仅能产生高的声压级，还具有弯曲和拉伸的优点。薄膜的机械振动驱动空气产生声音。优选有大的能量区域以建立足够的声场，石墨烯可以是非常热声的。例如，石墨烯产生的频率能够是常规声音产生频率的大于两倍，因为石墨烯纳米管充当了一组微型风琴管，会在声音经过表面时无损地捕捉声音。
53.例如，一种硼烯相具有弯曲结构，相邻排的硼原子沿之字形方向起皱。沿另一个面内方向即扶手椅(armchair)方向，原子结构为非波纹状。有趣的是，沿两个面内方向的泊松比均为负值。观察到了高度各向异性的力学性能。沿扶手椅方向的杨氏模量可高达398n/m，甚至比石墨烯的杨氏模量还要大。然而，沿之字形方向的杨氏模量仅为170n/m。
54.特定硼同素异形体的形成能在基态线的几个mev/原子内。2d硼的这种多态性与其它2d材料即2d碳(石墨烯)、si(硅烯)、ge(锗烯)、氮化硼(h-bn)和黑磷(磷烯)完全不同。石墨烯、h-bn、硅烯和锗烯显示出明显的蜂窝状结构。已经示出，当应用于合适的基材(例如下文更全面描述的金属音乐部件)时，此类蜂窝状结构提供更好的声传导。声波的频率为100hz至50khz。
55.硼烯的完全氢化相在布里渊区沿x-γ方向具有狄拉克锥，狄拉克点完全位于费米能级。已经观察到甚至比石墨烯的费米速度还大的3.5x106米/秒的超高费米速度。预期硼烯的完全氢化相沿着所述两个平面内方向的杨氏模量分别为172.24n/m和110.59n/m。沿之字形和双轴方向的极限拉伸应变分别可达0.30和0.25。费米速度可以通过机械应变在大范围内进行调节，这表明了声学适合性。在硼纳米带网络中发现了特别优异的力学性能，这在声学模拟模型中是非常好的。
56.这些二维结构也表现出高度的各向异性。沿扶手椅方向，带结构呈现金属特征；然而，沿之字形方向，观察到大的带隙。发现了沿扶手椅方向的超快表面离子传输。
57.当这些样品在耶鲁大学在配备mbe系统的超高真空低能电子显微镜(leem)中生长时，包括石墨烯、硼烯的2d材料在各种温度下在银和铜表面上的生长显示出优异的结果。在
生长过程期间以及之后，用低能电子束轰击样品，并分析当电子从晶体表面反射并投射到检测器上时产生的低能电子衍射(leed)图案。因为电子的能量低，它们只能到达材料的前几个原子层。反射电子之间的距离(“衍射图中的斑点”)与表面原子之间的距离相关，科学家可以由这些信息重建晶体结构。
58.在这种情况下，图案显示，对于所有生长条件，单晶石墨烯和硼烯的域(domain)尺寸只有几十纳米——对于制造元件和研究基础物理性质来说太小了。他们还解决了关于石墨烯和硼烯结构的争议：这两种结构都存在，但它们在不同的温度下形成。科学家们通过原子力显微镜(afm)确认了他们的leem和leed结果。在afm中，一个尖端在表面上扫描，尖端和表面原子之间的测量力被用来绘制原子布置。
59.为了促进更大晶体的形成，科学家们于是应用相同的leem、leed和afm技术，将基材从银改为铜。brookhaven科学家珀西
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扎尔(percy zahl)和伊利亚
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德罗兹多夫(ilya drozdov)也在brookhaven功能纳米材料中心(cfn)(美国能源部(doe)科学用户设施办公室)使用定制的扫描隧道显微镜(stm)和一氧化碳探针针尖，以高分辨率对表面结构进行成像。耶鲁大学理论家斯蒂芬
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埃尔廷格(stephen eltinge)和索赫拉布
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伊斯梅尔
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贝吉(sohrab ismail beigi)进行了计算，以确定实验获得的结构的稳定性。在确定最稳定结构后，他们模拟了电子衍射光谱和stm图像，并将其与实验数据进行了比较。这个迭代过程持续到理论和实验一致为止。
60.从理论上看，预期铜产生更大的单晶，因为它与石墨烯和硼烯的相互作用比银更强。铜提供了一些电子来稳定石墨烯和硼烯，但是这些材料之间没有太多的相互作用来形成化合物。不仅单晶更大，而且铜上的石墨烯和/或硼烯的结构与银上生长的石墨烯和/或硼烯的任何结构都不同。由于表面上存在多种可能的空位分布，因此可能会出现各种晶体结构。石墨烯或硼烯的结晶结构可以通过改变金属乐器基材以及在一些情况下改变温度或沉积速率来改变。
61.下一步是将石墨烯或硼烯片从金属铜表面转移到与元件兼容的基材上。然后，科学家们可以精确地测量电阻率和其它对金属音乐部件中的元件功能重要的声学特性。
62.现在将描述由非无定形金属形成的乐器的部件，偶尔参考具体方面。然而，由非无定形金属形成的乐器的部件可以以不同形式体现，并且不应被解释为限于本文所述的方面。相反，提供这些方面使得使得本公开内容将是全面的和完整的，并且将向本领域技术人员充分传达由非无定形金属形成的乐器部件的范围。
63.除非另有定义，否则本文中使用的所有技术和科学术语具有与由非无定形金属形成的乐器部件所属领域的普通技术人员通常理解的相同含义。本文中用于描述由非无定形金属形成的乐器部件的术语仅用于描述特定方面，并不旨在限制由非无定形金属形成的乐器部件。除非上下文另有明确指示，如在对由非无定形金属形成的乐器的部件的描述和权利要求书中所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”也包括复数形式。
64.除非另有说明，否则在说明书和权利要求书中使用的所有表示尺寸量(如长度、宽度、高度等)的数字应理解为在所有情况下都被术语“约”修饰。
65.因此，除非另有说明，否则说明书和权利要求中阐述的数值特性是近似值，取决于在由非无定形金属形成的乐器部件方面寻求获得的期望特性，这些近似值可能变化。尽管阐述由非无定形金属形成的乐器部件的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体实例
中阐述的数值被尽可能精确地报告。然而，任何数值都固有地包含特定误差，这些误差是由其各自的测量中发现的误差必然地引起的。
66.说明书和附图公开了由非无定形金属形成的乐器部件(以下称为“乐器部件”)。如本文所使用的术语“非无定形”被定义为是指具有有序的原子级结构的任何金属、金属合金和/或金属的组合。
67.通常，使用非无定形金属，例如非限制性实例为铍及其合金，可以凭借非无定形金属的独特的声速和音调特性来增强乐器提供的积极的声音和音调特性。如上所述，最优选的是将铍铜合金用于金属音乐部件，包含由0.01体积％至99体积％的铍和余量的铜和/或铜合金构成的合金。
68.设想将所述非无定形金属用于乐器部件，包括作为非限制性实例的弦乐器、铜管乐器、打击乐器、木管乐器等。作为非限制性实例，设想使用非无定形金属形成的部件包括背板、侧板、上板、指板、旋涡状琴头、弦、音桥、拉弦板、调音弦轴、撑脚和能够有助于从乐器发出的声音的积极特性的任何其它部件。
69.本文使用的术语“声音的积极特性”被定义为包括独特的声速特性，例如声音的纵向速度、声音的剪切速度、声音的表面速度、声音的声阻抗等。
70.现在一起参考图1a和1b，大提琴10作为乐器的一个非限制性方面被示出，所述乐器具有由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合形成的部件。所述部件可以包括大提琴琴身12、指板14、琴颈16、弦18、撑脚22、调音弦轴26、音桥28和弦尾绳30以及其它常规部件。虽然根据本发明对大提琴的应用，本发明的第一方面在图1中示出，但是应当理解，许多其它乐器可以具有由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合形成的部件。
71.参考图2，示出大提琴10的一部分。大提琴10包含由包含铍铜合金的非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合形成的部件的其它实例，例如撑脚套环34、撑脚壳36以及销38和弦尾绳40。
72.下面参考图3，示出由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合形成的代表性弦尾绳40。
73.一起参考图4a和4b，由数字60概括地指示的拉弦板包含拉弦板主体62、弦尾绳64、微调器66和连接器70。
74.现在参考图4c，示出由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合形成的代表性弦12。
75.参考图5，示出代表性的管乐器，例如由数字80概括地指示的长笛，包含键82、吹口84和长笛颈86，所有部件优选由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合形成。尤其优选整个结构由铍铜合金制成。
76.参考图6，示出弦乐器，如竖琴100、曼陀林102、班卓琴104、吉他106、大提琴108、中提琴110、小提琴112和小提琴114是代表性的弦乐器，它们将受益于金属部件弦的引入，该金属部件弦由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合，例如上文所述的铍铜合金形成。
77.参考图7，示出具有代表性的琴弓120，包含弓杆122、握把124、弓毛126、马尾库128和弓尾螺丝130，它们都可以有利地由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金
属的组合形成。
78.参考图8，示出具有代表性的管乐器的集合，包括大号150、法国号152、柔音号154、小号156、长号158、长笛160、短笛162、直笛164、低音单簧管166、单簧管168、英国号170、双簧管172、次中音萨克斯管174、高音萨克斯管176、以及巴松管178，其将受益于引入金属部件，所述金属部件由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合，例如上文所述的铍铜合金形成。
79.现在参考图9，示出由数字180概括地指示的代表性钢琴，包含金属部件，其将受益于包含金属部件弦，所述金属部件弦由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合，例如上文所述的铍铜合金形成。
80.最后参考图10，示出具有代表性的打击乐器的集合，所有这些打击乐器都包含金属部件，所述金属部件将受益于引入金属部件，所述金属部件由非无定形金属、非无定形金属合金和/或非无定形金属的组合，例如上文所述的铍铜合金形成。
81.根据本发明制造的乐器的金属部件包含振动维持性的非无定形金属合金，所述合金包含选自以下的至少一种金属：铍、铜、铁、钛、铬、钪、铅、铝、硅及其组合。该乐器的金属部件优选由至少一种金属制成，该金属选自周期表iia至via族中的元素。最优选的金属部件由非无定形材料制成，该非无定形材料包含1重量％的铍，余量为铜，被成形为乐器的各种音乐部件。
82.本发明的乐器的非无定形金属部件还可进一步包含声学增强性外部涂层，例如石墨烯、bn、硅烯、锗烯、磷烯、过渡金属二硫属化物、砷烯、锑烯及其组合的外部二维层。这些材料显示出声波，所述声波模拟石墨烯、bn、硅烯、锗烯、硼烯、磷烯、过渡金属二硫属化物、砷烯、锑烯或其组合的二维层的电子能带结构。这些材料可通过化学气相沉积、等离子体气相沉积、喷溅或任何类似方法沉积，外延生长该声学增强性外部涂层。这种涂层，尤其是石墨烯和硼烯，良好地粘附在本文所述的铍铜合金上，而不脱落、剥落或滑动。当在铍铜合金上使用石墨烯作为外部涂层时，沉积方法优选为化学气相沉积或等离子体气相沉积。石墨烯的二维层在演奏时向乐器提供增强的声学性能。
83.非无定形金属部件产生的声波频率为100hz至50khz。此外，乐器的金属部件优选由比重为5.0至20.0的材料制成。
84.乐器的非无定形金属部件尤其有用于音乐支撑结构，如大提琴或低音巴松管的撑脚，但也可包含所有管弦乐器和已调谐的打击乐器(tuned percussion instrument)，如号、单簧管、三角铁、钟琴、编钟、管钟、锣、钟、钹，和金属弦乐部件，如钢琴弦、金属钢琴部件、吉他弦、金属吉他部件和/或小手鼓中使用的任何原始乐器金属部件的替代品。
85.实施例
86.下图示出了各种材料振动持续时间的比较，示出了本发明的非无定形金属部件的意想不到的良好结果。在本实施例中，由碳纤维、铍铜合金、不锈钢、钛和钢制成的撑脚悬挂在10磅单丝的中间，并用生皮手锤以相似的力敲击。从图中可以看出，由非无定形铍铜合金制成的撑脚显示出长得多的振动持续时间，即2分钟20秒。其它材料显示的振动持续时间都要短得多。通过选择非无定形铍铜合金，获得了优异的撑脚。铍铜材料由一种合金制成，其中具有2重量％的铍、0.6重量％的铅、0.2重量％的铝、0.2重量％的硅、余量的铜。所述合金的比重为8.26。撑脚通过模具拉制，然后通过车床进行无心研磨，最终直径为10mm。所有材
料的撑脚长度约为20英寸。当撑脚被悬挂时，通过在其长度中间敲击撑脚来进行试验。振动持续时间是在声音不能被检测到后确定的。
[0087][0088]
根据专利法规定，从特定方面解释和示例了由非无定形金属形成的乐器部件的工作原理和模式。然而，必须理解，由非无定形金属、尤其是铍铜合金形成的乐器部件可以在不偏离其主旨和范围的情况下在非具体解释和示例的情况下实施。
[0089]
工业适用性
[0090]
本发明在乐器行业中、特别是在用于乐器的金属音乐部件的制造中具有工业适用性和实用性。