碳纖維材料樂器制作初探

李壯

【摘要】伴隨著科技的發(fā)展與環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，制作樂器的材料由傳統(tǒng)木材或動(dòng)物皮革，逐漸替換為使用人造新材料。制作樂器的新材料由工程塑料發(fā)展至碳纖維，再至生物復(fù)合材料與仿生材料。本文以新材料研究為主題，對(duì)用于樂器制作的碳纖維材料展開研究，探討其中的的優(yōu)勢(shì)與不足，為樂器材料研究的發(fā)展提供可參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】樂器制作;碳纖維;聲學(xué)性能;改革發(fā)展

【中圖分類號(hào)】J639? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

一、樂器新材料的發(fā)展使用

新材料樂器的研究發(fā)展自二十世紀(jì)中期取得一定成果。因新材料更優(yōu)于木材的穩(wěn)定性，于是大多應(yīng)用于樂器構(gòu)架方面，減少樂器因拉力或溫濕度變化造成的形變。如1994年在倫敦音樂展覽會(huì)上展出的用單項(xiàng)和編織碳纖維增強(qiáng)材料制作的吉他琴頸，增強(qiáng)了其因抵抗琴弦張力而引起的彎曲，同時(shí)減輕了吉他的重量。

現(xiàn)今，人們對(duì)樂器新材料的研究主要偏向于音源系統(tǒng)的制作，早至1975年，音板由復(fù)合材料所制的吉他與小提琴就以問世。在樂器市場中，我們不難發(fā)現(xiàn)許多由新材料所制音源系統(tǒng)的西洋管弦樂器，隨著時(shí)間的推移，它們的制作發(fā)展愈加專業(yè)。著名世界級(jí)大提琴演奏家馬友友先生曾為前美國總統(tǒng)奧巴馬演奏大提琴，他選擇的是一把全琴由碳纖維制成的大提琴，并予以好評(píng)。于此，我們可知，新材料樂器的使用不再只針對(duì)低端價(jià)位普及琴的生產(chǎn)，其逐漸得到專業(yè)音樂家的認(rèn)可，并走向?qū)I(yè)化、高端化的生產(chǎn)。

新材料樂器能夠得到消費(fèi)者、音樂愛好者甚至音樂家的認(rèn)可，主要因其以下幾點(diǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)材料的性能。

其一，受環(huán)境影響較低。傳統(tǒng)樂器材料受溫濕度、光照等環(huán)境因素影響較大，在不同的環(huán)境下使用會(huì)產(chǎn)生一定量的形變或音色變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)對(duì)樂器造成不可估量的傷害。而新材料樂器恰恰可以彌補(bǔ)這一缺陷，它能有效應(yīng)對(duì)各種天氣變化，適應(yīng)各種環(huán)境下的演奏。

其二，不易形變。樂器的形變除環(huán)境影響之外，還有樂器自身力學(xué)構(gòu)造的影響，如吉他、鋼琴、提琴以及中國傳統(tǒng)樂器胡琴。傳統(tǒng)木質(zhì)結(jié)構(gòu)無法適應(yīng)琴弦長期緊掛帶來的拉力，例如鋼琴在音準(zhǔn)穩(wěn)定的情況下，各琴弦拉力相加約20噸，如長期不進(jìn)行調(diào)律維護(hù)，則會(huì)產(chǎn)生跑音與形變的情況。新材料不同于傳統(tǒng)木材，碳纖維材料的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木材，可有效抵抗因琴弦拉力帶來的形變。

其三，更高的生產(chǎn)效率。不同于木材的加工，新材料在制作樂器時(shí)無需經(jīng)過烘干加工過程，甚至無需粘連，可整體塑形。并且，傳統(tǒng)木材與皮革的養(yǎng)成需要較為漫長的時(shí)間周期，而人造新材料可隨時(shí)生產(chǎn)供應(yīng)，一旦生產(chǎn)線形成，便可大批量供給，大大減少了樂器制作的周轉(zhuǎn)過程。

其四，有利于環(huán)境與動(dòng)植物的保護(hù)。隨著城市的發(fā)展與人類棲息地的擴(kuò)張，植被與動(dòng)物的生存受到了嚴(yán)重的破壞，生產(chǎn)高端或特定樂器所需要從大自然攝取的材料變得越來越少，新材料的替代，可使這一情況得到好轉(zhuǎn)，更符合科學(xué)發(fā)展的觀念。

二、碳纖維材料的性能與應(yīng)用

碳素纖維在日常生活中的應(yīng)用已極為廣泛，其是指材料中碳的質(zhì)量達(dá)百分之90以上，既有碳素材料的結(jié)構(gòu)特性又有纖維形態(tài)特征的一種高性能纖維材料。碳纖維材料在樂器制作中的應(yīng)用經(jīng)歷了20余年的考驗(yàn)，事實(shí)證明，在中端樂器市場中來看，碳素纖維樂器的制造與質(zhì)量相對(duì)于傳統(tǒng)材料所制樂器，在性能方面表現(xiàn)得更加優(yōu)秀。

（一）碳纖維材料的制備

碳纖維的發(fā)現(xiàn)與研究早在愛迪生1879年申請(qǐng)制造電燈碳絲的時(shí)候就已開展，但是到了20世紀(jì)60年代前后，因航空材料的需求，更優(yōu)質(zhì)的碳纖維材料逐步進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)過程。碳纖維材料具有極多的優(yōu)點(diǎn)：密度低，質(zhì)量輕，耐高溫，耐腐蝕等。材料的制備可有多種渠道，不同種類碳纖維的特性不同：（1）由聚丙烯腈經(jīng)紡絲、預(yù)氧、碳化幾個(gè)階段形成的為聚丙烯腈基碳纖維;（2）由纖維素的粘膠纖維經(jīng)脫水、熱解、碳化等過程而制得粘膠基碳纖維;（3）以石油瀝青或煤瀝青為原料，經(jīng)瀝青得精制、紡絲、預(yù)氧化、碳化或石墨化而成瀝青基碳纖維。[1]

（二）碳纖維材料的優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)樂器材料大多選用木材，同時(shí)對(duì)所使用木材的要求非常高，對(duì)開裂、節(jié)子、蟲眼、年輪寬度、年份以及含水率都有較高要求，因此，適合制作樂器的木材僅限于少數(shù)幾種樹種。從生產(chǎn)制作來看，生產(chǎn)樂器共鳴板時(shí)，原木出材率一般在10%左右，即使剩余廢料可用作其他構(gòu)件的制作，但依然造成了巨大的浪費(fèi)。

碳釬維作為樂器制作材料時(shí)，不僅具有良好的穩(wěn)定性，在聲學(xué)振動(dòng)方面也可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行調(diào)整，是替代樂器生產(chǎn)材料的優(yōu)良選擇。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。

第一，可塑性強(qiáng)。傳統(tǒng)材料制作樂器時(shí)，其塑形制作等多用切割和熱壓的方式進(jìn)行，且具有一定的不可逆性。而碳纖維材料不同，其可以通過工藝與模具的控制將某種設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)完美地復(fù)制，甚至批量生產(chǎn)，這是其他傳統(tǒng)材料所不具有的特性。

第二，強(qiáng)度高，不易損壞。碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部是由千萬根小纖維組成，在外力作用下，小纖維之間互相傳遞分擔(dān)力的破壞，以防止材料的整體破壞。因此，使用碳纖維制作的樂器更加耐意外性損傷。

第三，耐腐蝕性好。傳統(tǒng)材料所制樂器在經(jīng)過長期使用后，會(huì)遭受外界陽光、風(fēng)沙以及人體皮膚汗液等酸堿性物質(zhì)的腐蝕，導(dǎo)致樂器油漆面的磨損甚至木制本體的損壞。而碳纖維材料在有機(jī)溶劑、酸、堿中不溶不脹，耐腐蝕性出類拔萃，因此其制作的樂器更加耐用。

第四，音色穩(wěn)定。木制樂器尤其是高檔木制樂器的保養(yǎng)要求極其嚴(yán)苛，例如音樂會(huì)大鋼琴在非演出時(shí)間需要放置在恒溫恒濕的屋子里，以防止環(huán)境溫濕度的變化影響音板和弦槌的含水率，導(dǎo)致音色的變化。且經(jīng)過琴弦長時(shí)間的拉力影響以及樂器使用年份的增加，其音色品質(zhì)會(huì)逐漸下降嚴(yán)重。而碳纖維樂器可以避免木制樂器的一些缺點(diǎn)，有效保證樂器音色。

（三）碳纖維材料在樂器領(lǐng)域的應(yīng)用

碳纖維材料在西洋樂器中的使用已較為普及，不僅被學(xué)習(xí)音樂的大眾所接受，也逐漸被成名的音樂家所青睞。而在國內(nèi)，因碳纖維材料發(fā)展起步較晚，加之民族樂器音色的多樣化，致使我國民族樂器使用碳纖維制作的例子較少，筆者從以下幾個(gè)例子說明碳纖維才料在樂器領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.碳纖維與吉他

1985年，英國期刊《加強(qiáng)塑料》報(bào)道過一種膠合滑音碳纖維吉他，并且其已在樂器市場中露面。為了增強(qiáng)其抵抗琴弦拉力的作用，編制碳纖維與木制音箱相連而成的吉他主體，這不僅大大減輕了電吉他的重量，而且使其擁有更優(yōu)良的性能。

2.碳纖維與胡琴

碳素纖維材料在我國民族樂器中的使用主要是在樂器構(gòu)件中，最常見的就是胡琴的的琴桿替換為碳素纖維材料，采用厚度為1-3mm的碳纖維復(fù)合材料制作的胡琴，手感與質(zhì)量均為上乘。

3.碳纖維與樂器零部件

因樂器種類繁多，用碳素纖維制作樂器音板時(shí)需探索其不同制作工藝，這是一個(gè)漫長而復(fù)雜的探索過程。但樂器的組成不只是音源系統(tǒng)，還有其他的構(gòu)件，且在日常使用過程中，樂器構(gòu)件的損耗較大，于是人們開始探索使用碳纖維替代樂器中不影響音色的構(gòu)件。例如，目前弦樂器的弓桿主要以木制為主，在制作過程中需要經(jīng)切割晾曬等一系列工序，并且要保證一定的曲度，以合適演奏。將其替換為碳纖維弓桿，克服了弓桿重量不一、曲度不一、易損壞的缺點(diǎn)，提供了一種成本低，質(zhì)量穩(wěn)定的弦樂器弓桿制作方法。再例如鋼琴擊弦機(jī)結(jié)構(gòu)，影響鋼琴音色的主要為音板、弦槌毛氈、琴弦三大構(gòu)件，但廠商在制作時(shí)，擊弦機(jī)零部件大多使用木制，在實(shí)際應(yīng)用中因鋼琴放置環(huán)境溫濕度的變化，導(dǎo)致?lián)粝覚C(jī)零部件易產(chǎn)生變形、脫膠等問題，最終導(dǎo)致鋼琴無法演奏。日本KAWAI公司最早使用工程塑料制作擊弦機(jī)零部件，但依然存在硬度缺陷問題。我國星海鋼琴公司在最新型的鋼琴中采用了碳素纖維擊弦機(jī)，保證了鋼琴演奏的穩(wěn)定性，使其有效適應(yīng)了南北氣候。

三、總結(jié)

碳素纖維作為樂器制作材料已有一些年頭，但對(duì)其性能的探索依然任重而道遠(yuǎn)。不同樂器、不同音色需求對(duì)碳纖維的制作工藝一次次的提出挑戰(zhàn)，所以，總體來講，碳纖維在樂器材料領(lǐng)域依然是一種新材料?，F(xiàn)今人們對(duì)樂器制作新材料的探索不僅僅局限于碳纖維，也更加注重音源系統(tǒng)制作材料的研發(fā)，主要新興材料為生物復(fù)合材料，以自然纖維為主制作板材或皮革，以求其音色更加貼近傳統(tǒng)材料所制樂器。對(duì)于樂器材料的探索因時(shí)代的發(fā)展而推動(dòng)，因科技的創(chuàng)新而前進(jìn)，這需要各行業(yè)研究者的共同努力、共同探索。

參考文獻(xiàn)

[1]周恒香，顧良娥，尚武林，等.碳纖維在樂器領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].紡織報(bào)告，2015（9）.

[2]汪懷正.Wessell，Nickel&Gross 碳纖維鋼琴擊弦機(jī)的性能和安裝[J].樂器，2014（3）.

[3]王毓祥.仿生材料的研究進(jìn)展[J].當(dāng)代化工研究， 2018（10）.