非传统材料与钢琴
史蒂夫·布雷迪，RPT（2011年秋季）
钢琴已有300多年的历史，被视为“传统”乐器，如小提琴或吉他。与那些乐器一样，我们倾向于认为钢琴是由天然材料（木材，毛毡，皮革，铁，黄铜）制成的，实际上，第一批钢琴就是由这些东西制成的。然而，从最初只是大键琴的一个亚种开始，由于这种乐器能够产生强（Forte）和弱（Piano）的声音，因此被命名为“Pianoforte”。也称为“Gravicembalo col Piano e Forte”(意思是“一台可以弹奏强音和弱音的古键琴”)已经发展成为现代三角钢琴，并且在此过程中，其尺寸，重量，声音和结构材料都发生了巨大变化。确实，当今钢琴中使用的许多材料有时一次或多次被认为是“非传统的”，甚至是实验性的。
最初的钢琴实质上是装有弦槌的大键琴，用弦槌敲打琴弦，代替了大键琴的乌鸦羽毛拨子，后者将琴键拔出。琴弦由金属制成，高音琴弦为铁，贝司琴弦为黄铜或青铜。调音销，琴桥销，挂钩销，螺母销，钥匙销以及各种紧固件和杠杆也由金属制成。少量的羊毛布或毛毡可以使运动部件安静。第一架钢琴的弦槌带有皮革垫，垫有木头或小卷羊皮纸，并固定在木柄或茎上。乐器的其余部分将由木头制成——柏木、松木或云杉形成了音板和外壳，而音箱，琴桥和挂钩销则由山核桃，山毛榉或枫木等硬木制成。一个世纪过去了，钢琴的基本配件才开始发生重大变化。
铁支撑和回火钢
在整个18世纪，在大键琴和钢琴中使用的金属丝今天一直被称为软铁。1810年，巴黎的普雷耶公司为钢化钢丝的生产工艺申请了专利，并且在接下来的30年中逐步将其引入钢琴，这可能是对钢琴所用原始传统材料的真正迈出的第一步。调和的钢绞线可以比铁绞线更高的张力进行缠绕，以产生更强劲的声音，这种声音越来越受到音乐家的追捧，因此许多人将其视为对铁的改进。
大约在钢琴上开始出现钢弦的时候，铁支架也开始出现。即使使用较低张力的铁弦，钢琴结构上所有弦的总张力仍为数千磅—足以使乐器的外壳最终开始破裂。早在1800年，就进行了许多尝试，使用铁管和杆以及铁制的销钉板来支撑钢琴的结构以抵抗琴弦的拉力。随着回火钢丝的问世以及随之而来的弦线张力的普遍增加，对合适的支撑材料的研究便开始了。1825年，波士顿钢琴制造商阿尔菲斯·巴布科克成功地将铁制钢琴框架铸成一个整体，制成了方形三角钢琴。到19世纪末，几乎所有钢琴制造商都采用了这一元素，而今天，整体式铸铁板是现代钢琴的标志性特征之一。
皮革与毡锤
18世纪英国和维也纳学校的钢琴建筑中的钢琴锤头是由同心的皮革层粘在木制模具上制成的。皮革既柔软又结实，但硬度或柔软度却多种多样，从而产生了多种音质。根据罗莎蒙德E.M.哈丁的所说，在“钢琴——强项：它的历史可追溯到1851年的大型展览”（赫克斯彻，伦敦，1978年）中，甚至直到1856年鹿皮“仍被认为是覆盖锤头的最耐用的材料；如果表皮始终具有最佳质量，整个厚度均匀，甚至具有弹性，这将使所有人满意，不幸的是，情况并非如此。”到那时，进行实验以寻找比皮革更一致的锤子覆盖层的工作已经进行了很长时间，搜索包括对布，软木，印度橡胶，海绵和火药的试验。1826年，巴黎的让·亨利·帕佩获得了了第一套毛毡覆盖的锤子专利。在19世纪下半叶的大部分时间里，毛毡和皮革以各种构型层叠在一起，但最终却成为了一种非传统材料——成为了新的标准。
键盘：象牙还是塑料？
有时传统材料变得不可用，因此必须用非传统材料代替。也许最好的例子是用塑料代替象牙键盘。尽管早在1930年代钢琴制造商就开始在便宜的乐器上使用塑料键盘，甚至在1960年代甚至在高档钢琴上也使用塑料键盘，但直到1973年和1989年才通过禁止使用、进口和销售象牙法案。塑料才成为了钢琴键盘上的实际材料。
不过，早在18世纪未，人们就可能已经开始寻找用于键盘按键的替代材料。哈丁列出了1788年至1840年的几项专利，这些专利用玻璃，搪瓷，骨头，牛角，珍珠母和瓷器等材料覆盖钢琴琴键。哈丁说：“没有必要再列举更多。”“……玻璃，瓷器或搪瓷是象牙的廉价替代品。人们认为这种漂亮的象牙本身并不如那些平淡无奇的象牙好。”如今，一些制造商将其塑料键盘描述为人造象牙，并试图配制具有象牙一些理想特性的塑料，例如质地和吸湿能力。
合成革
直到最近，鹿皮还是钢琴演奏某些部分的首选材料。三角钢琴中的弦槌指节和后档板都被鹿皮覆盖，立式钢琴击弦机中的弦槌也是如此。早在1960年代和70年代，一些制造商就开始使用非传统材料来覆盖其中的某些零件，并且可以肯定地是有一个学习曲线。，鲍德温的Corfam锤击式覆盖物变得坚硬且嘈杂，该公司在保修期内定期用另一种合成材料Ecsaine对其进行更换。在1960年代，施坦威尝试用坚固的弦槌毡代替锤头大指节的覆盖物，而是整个指节。在对这些实验性指节进行了几年的反馈后，施坦威又回到了传统的鹿皮覆盖物上。
然而，最近，纽约和汉堡施坦威的工厂都用Ecsaine代替鹿皮，用于指关节和后挡板的覆盖。与150年前使用皮革作为弦槌一样，问题在于鹿皮的特性因皮肤而异。还很难找到足够柔软的鹿皮来防止这两个点的击弦机噪音。另一方面，Ecsaine具有鹿皮的所有特性，从一块到另一块完全统一。
家具
现在，大多数钢琴制造商在其外壳部件中都采用了非传统材料。在结构和非结构外壳部件（以及音板）中，层压实木产品已取代实木或单板木材，已变得司空见惯。工程木产品（例如中密度纤维板和塑料饰边）在非结构性地区经常替代木材。至少有一家欧洲的高级制造商在案件的非结构性区域使用优质SUND在非结构区域使用了一种类似纸板的纸基材料，我怀疑其他公司也在使用这种材料。
多年来，钢琴成品也发生了很大变化。18和19世纪的传统钢琴漆是虫胶和清漆。虫胶是由溶解在酒精中的昆虫壳制成的，是一种相对无毒的饰面，一旦损坏，很容易修复。但是，要大量均匀地涂敷是困难且耗时的，并且其最高的表现法式抛光需要很高的技能。
清漆是由溶解在油中的各种树脂制成，例如矿物油精。暴露于光线下，清漆随着年龄的增长会趋于变暗和起皱，形成20世纪早期钢琴常见的“混合”外观。从19世纪末到1928年纤维素漆问世为止，清漆是一种美观耐用的涂料，是钢琴的首选涂装。漆，基本上是由纤维素制成的合成虫胶，它是由溶解在挥发性溶剂（如丙酮）中的纤维素制成的，可喷涂并干燥。它比清漆更快，这使其在工厂环境中具有吸引力，但毒性很高。
在20世纪中叶，化学家开发了聚氨酯清漆和聚酯木饰面。聚氨酯是一种合成清漆，用于一些钢琴上以产生缎面效果。聚酯，基本上是塑料，已经非常流行，很可能是您在新乐器上看到的光泽，深层的饰面。聚酯是最坚硬的钢琴漆，其液体状态下具有极强的毒性，但可以抵抗钢琴通常可能接触到的所有东西，包括水，酒精和划伤。
击弦机中的塑料
从20世纪40年代末开始，PVC塑料的原始形式被用于某些立式钢琴击弦机部件，包括尖晶石弯头（右下）。这些部件将在大约十年内开始分解，给这一代钢琴技师带来了后续的工作，用木材或更耐用的现代塑料代替它们。罗伯特·卢米斯摄
所有这些导致自19世纪后半叶现代钢琴的发展以来，最传统的非传统材料在钢琴制造中的应用。一些钢琴制造商，尤其是梅森汉姆林和卡瓦依，在研发方面投入了巨资，以设计和生产用于他们的钢琴的塑料作用部件。与人们可能想到的相反，目标不是省钱，因为研发费用和零件生产成本都很高。梅森汉姆林及其附属钢琴演奏公司Wessell，Nickel＆Gross（WNG）的高级设计工程师克拉克表示：“这样做的唯一原因是制造更好的零件。1850年，木材是高科技钢琴演奏的最佳材料；这已经不复存在了。”
最早的塑料钢琴击弦机部件出现在1940年代后期制造的钢琴中，并且由于它们仅用于较小的钢琴，尤其是旋转钢琴，因此可以推断当时的目的是节省成本。但是，这些早期的塑料部件也出现在高端梅森汉姆林公司生产的电钢琴中，因此使用塑料可能还有其他好处，例如均匀性和稳定性。
左图：由枫木制成的施坦威三角钢琴击弦机组件。右图：由复合材料制成Wessell，Nickel&Gross 三角钢琴击弦机组件。史蒂夫·布雷迪摄
塑料制成的第一个击弦机部件包括肘部（独特的旋转钢琴），各种击弦机法兰，止回阀，甚至还有阻尼杆。不幸的是，所有这些早期的聚氯乙烯（PVC）零件都注定要失败，因为保持材料柔韧性的增塑剂会逐渐从零件中迁移出来，直到它们变脆并易于破碎为止，通常在5至15年内。作为一位在1970年代初成为钢琴技术员的人，在我工作的头几年里，我要为许多塑料弯头做更换工作！
自从早期以来，塑料技术已经走了很长一段路。卡瓦依在1960年代后期开始将丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）用于某些活动部件，事实证明该材料具有极高的耐用性。卡瓦依技术培训总监Don Mannino表示：“ 卡瓦依早就承诺在改善钢琴演奏方面的承诺，包括在手感和可靠性方面的一致性，并且早期将ABS应用到立式钢琴法兰上已经扩展到在三角钢琴团弦槌法兰，WIPPEN组件以及整个减震器下杆组件均由ABS制成。”在卡瓦依原装型号安装当前的千禧年III击弦机，它由ABS用碳纤维加固，使部件更坚固，质量更轻。据卡瓦依说，最终的击弦机是对玩家的意图反应更快，包括更快的重复。塑料的使用还使卡瓦依可以对某些接触表面进行微工程处理，以实现理想的形状和纹理，而这对于木制部件是不可能的。
最先进的复合材料
梅森汉姆林通过其WNG子公司，已大力推动非传统材料的使用。工程师克拉克为使用非传统材料寻求更好的零件提供了有力的依据。“当您使用一种新材料时，如果您不利用它的特性，那就没有必要使用它了。在我们的案例中，这种材料（碳纤维、尼龙以及玻璃的复合材料）的强度是枫木的10倍，但重量却是只有两倍。”通过从根本上重新设计组件以去除和重新分配质量，克拉克剩下的零件看起来像是微型桥架。虽然仍比同类枫木零件重一点，但强度却要高很多倍。他说：“为了减少惯性，我们将重心移到了旋转中心附近。”他说用现代复合材料代替木材的其他优点是，复合材料在重量和强度上更加一致，并且完全不受湿度和温度变化的影响。根据梅森汉姆林共同所有人柯克·伯格特的说法，WNG击弦机中的弦槌柄本质上是碳纤维管，他说，它不仅比传统的枫木柄更坚固，而且弯曲强度也更加一致。这种一致性可以使钢琴的音色更加一致。伯格特说：“为了使声音更均匀，我们必须对弦槌做很多事情，这是由于木制弦槌柄的不一致性所致。”“如果一个小腿比另一个小腿更柔韧，则该音调会更暗，并且可能包含有害的噪音元素。对于碳纤维小腿，我们发现需要的槌音要少得多。”自2010年1月以来，所有梅森汉姆林三角钢琴都配备了全复合顶级演奏击弦机。所有的复合式大阻尼器击弦机都可以使用，现在立式钢琴所用的全复合顶级演奏击弦机也已经配套使用了。WNG的所有零件也可用于钢琴重建者。
捍卫传统
在这一点上，大多数高端钢琴制造商仍在其最好的钢琴中使用木制击弦机部件。施坦威的立场是，不反对成功的立场。
施坦威父子公司在击弦机部位使用硬质枫木已有悠久而成功的历史。150多年来，全世界的艺术家都选择施坦威音色和触感作为卓越的标准。
这些艺术家每次演奏我们独有的施坦威钢琴时，都会期望某种声音和触感。我们对音乐世界有坚定的承诺，以确保继续满足这些演奏期望。关于这一承诺，施坦威公司感到我们在操作部件中所用材料的选择不仅会影响乐器的触感，而且还会对音色产生独特的影响。所有使用的天然硬质枫木击弦机部件都是施坦威经过时间考验的性能经验，我们会继续按照标准而非价格制造钢琴，并且我们会继续对枫木作为施坦威钢琴的首选材料感到非常满意。
同样，贝森朵夫说，该公司“在制造乐器时一直使用传统的零件和方法。没有理由改变已有180年历史的使用有机和天然成份零件的传统。”
击弦机中心销
即使钢琴制造商尝试使用塑料或复合式活动部件进行试验，他们通常还是停留在传统的活动中心上，即各个活动部件在其上摆动或旋转的枢轴点。传统上，中心销由固定在主体木材中的中心销组成，并由较小的木制法兰（铰链）中的羊毛布衬套包围，因此，击弦机中心的正确操作关键取决于法兰能否围绕销自由移动以受控的方式。但是，由于毡非常容易受到湿度变化的影响-在较高的湿度下会膨胀并变紧，在较低的湿度下会松弛——钢琴击弦机的感觉随季节而变化。在极端情况下，暴露在高湿度下的击弦机会变得沉重和迟缓，并且按键实际上可能会粘住，而在非常低的湿度下，法兰可能会变得非常松脱，从而产生击弦机噪音。
击弦机中心销特写镜头：图1：卡瓦依ABS部件，中心销为羊毛布；图2：施坦威枫木部件，中心销为特氟龙，大约在20世纪60年代后期；图3：Wessell，Nickel&Gross复合材料部件，中心为复合材料。黛布拉·赛尔摄
这种钢琴击弦机对极端湿度或干燥度反应不良的趋势导致施坦威寻求（其钢琴被运往热带地区的高温和潮湿以及西伯利亚地区的寒冷和干燥）的方法，以保护击弦机中心销免于在湿度中变化。他们最早的解决方案可以追溯到19世纪末和20世纪初，是用液体石蜡处理木质部件，从而密封部件并至少减慢了水分进出法兰的速度。这种方法的问题在于，在很长的一段时间内（在大多数情况下为数十年），石蜡迁移到击弱机中心销的羊毛套管中，在此与金属中心销发生反应，从而形成铜绿腐蚀。最终，铜绿会使击弦机迟钝，甚至无法弹奏。
下一步，非常重要的一步是1962年，施坦威率先推出了现代塑料在钢琴中的应用，推出了由铁氟龙制成的Permafree™作用法兰衬套。用对湿度变化无反应的惰性材料代替传统的羊毛衬套，似乎是朝着确保钢琴自由可靠一致击弦机迈出的革命性一步。但是在实际操作中，新的衬套并不是没有问题—施坦威没有意识到，木制法兰的尺寸变化会影响特氟龙衬套。当法兰因潮湿而膨胀时，它会在聚四氟乙烯上施加更大的压力，进而将其压紧在中心销上，从而使操作感觉沉重，有时会变慢。相反，当低湿度导致法兰木收缩时，特氟龙衬套在木质部分中变得松散，按下琴键时会引起明显的喀哒声。施坦威两次重新设计了特富龙衬套以克服这些问题，并且第三次迭代效果很好。但是在1981年，由于厌倦了糟糕的新闻发布，并且发现难以对钢琴技术人员进行维修Teflon衬套所需的新方法的教育，该公司用浸泡在液体Teflon中的羊毛布代替了固体Teflon，该工艺被施坦威称为Permafree的工艺II™。如今，该过程仍在使用中，效果很好。该公司用浸泡在液体铁氟龙中的羊毛布代替了固体铁氟龙，施坦威将该工艺命名为Permafree II™。今天仍在使用此过程，并取得了良好的效果。该公司用浸泡在液体铁氟龙中的羊毛布代替了固体铁氟龙，施坦威将该工艺命名为Permafree II™。如今，该过程仍在使用中，效果很好。
现在，梅森汉姆林将综合行动中心的概念提升到了一个新的高度。首先，他们用不锈钢滚针轴承代替了传统的黄铜或德国银（镍）中心销。“滚针轴承比传统的中心销要硬得多，” 伯格特说，“与传统的中心销相比，滚针轴承的增量为万分之一英寸，而其增量为千分之一英寸。我们对配合的出色控制。”另一个变化是用复合材料代替了传统的羊毛衬套。伯格特说，这种材料的实际成分是专有的，但他指出，这种新型衬套材料比毛毡或特氟龙坚硬，并且非常耐损坏。”新的击弦机中心销绝对不受湿度变化的影响，而且音符之间非常一致。这意味着我们对摩擦以及触摸重量具有非凡的控制能力。”
下一步是什么？
其他钢琴制造商也正在尝试复合材料。例如，德国高端钢琴制造商斯坦格列泊·索纳在其凤凰系统型号中使用碳纤维音板。我甚至认识一些人，他们试图用复合材料制造钢琴的整体结构（外壳和音板），梦想是制造轻巧的三角钢琴，一个或两个人可以轻松地抬起钢琴，然后放在面包车里，这样的乐器还将节省宝贵的木材资源，并且可能会比主要由木材制成的钢琴保持更好的音调。但是，尽管复合钢琴在这一点上只是一个梦想，但历史却清楚地表明了这一点：只要继续制造钢琴，非传统材料将在其结构中占有一席之地。
史蒂夫·布雷迪是《盖子下的秘密：音乐会钢琴技师的艺术与工艺》（Byzantium Books，2008年）的作者，目前每年夏天担任阿斯彭音乐节的首席钢琴技师。一年余下的时间，他在西雅图服务和重建钢琴，并教授钢琴技术。请访问他的网站stevebradypiano.com。