液态金属在音乐器材上的应用

基于传统材料的乐器已经有悠久的历史了，例如天然的木材，人造的金属、玻纤、塑料、碳纤维都曾用于乐器。每种材料在不同的时期依据其可获得性、成本、耐用性、制作复杂度被及时用于乐器，特别是对于音乐家和听者，尤其关注材料的声学特性。

一个简单音符的声学特征和音符如何传播到人类的听力范围很难描述清楚。声音具有以下6个特征：

（1）基本音符（频率/音调）；

（2）乐器的音域（振幅/音量）；

（3）一个突出的音符衰减至听力范围外的持续时间（时值）；

（4）声音的饱和度（频谱/音色）；

（5）声音随时间演变的轮廓（包络）；

（6）声音合适的倾听位置（位置）；

音量和衰减期都很容易理解和测量，音调的饱和度却是很难量化和理解。乐器产生的一个音符很少是单一频率，相反它一般包含基本频率和常被称为“谐音”的和声。一个音符可以包含八度和声和和声之前的非八度如“3”、“5”、“7”、“9”、“11”。一个单独的音符包含各种频率的和声，根据人们听到的感觉可以被描述为“丰富”、“暖和”、“黑暗”、“沉重”、“干瘪”、“尖锐”。如今，精确测量工具可以帮助乐师理解材料和几何形状如何影响和声和最后形成的声音。

吉他是一种一直在改善的乐器，其从13世纪埃及法老时代的便一直流行。其采用了利于声音通过振动放大的部件和采用了在传输中尽量减少能量损失的结构。就吉他来说，共鸣板一般用质轻且硬的木头如云杉制作，通过弹拨穿过琴桥的琴线发生振动。在琴桥和琴线之间的导路通常叫做弦枕。过去600多年，各种材料用于制作弦枕，包括高密度的黑檀木、枫木、玫瑰木，动物的角、骨、象牙，各种晶体金属如黄铜、青铜、铝、钛、钢，还有增强热塑性塑料、树脂/矿物合成物，甚至石墨材料。

曾经多少年，天然象牙是吉他制作者的默认选择，其容易得到，容易加工成需要的形状，成本合理，具有很好的音质。随着长期使用在琴弦与弦枕接触的地方容易产生裂纹，而象牙受压时不产生永久变形。如今由于伦理原因以及国际间类似CITIES的条约禁止用象牙制作的商品在合约国之间交易。因而吉他制造商开始依赖牛肉的副产品牛骨用于制作弦枕。由于不同的牛种类和习性，其用于制作弦枕的骨头密度和拉伸强度差异较大。一些企业希望用热塑性成型或者铸造的树脂制作弦枕。这种人造材料经常添加碎骨、天然矿物或者玻纤以提高拉伸强度、硬度和减少压缩变形和蠕变等。

液态金属是全新的材料（学名为大块非晶合金），首次在商业上满足乐器设计者的需求。其可以增强乐器部件的音质，与传统材料相比，还可以提供独有的机器卓越的物理性能。此外，通过模具成型的液态金属制造工艺可以为设计者提供传统材料不可达到的几何形状，而且可以精确的复制。由于独特的非晶结构（液态原子排列），液态金属压缩强度比骨头的高10倍，还有用于传统音乐设备的金属所不可比拟的弹性变形能力。

实验计划

为了证明液态金属比传统材料更利于发挥乐器的音质效果，下面设计了一个简单的实验。用不同材料制作弦枕和琴桥栓，对比其音质特征（上面描述的6项中的前4项）。有策略的选择了弦枕和琴桥栓是因为它们都是琴弦和吉他体之间通过振动放大传递音质能量的关键部件。测试选用高级琴师制造的民间风格的钢弦吉他。所有的测试都在70-72F°的室温和45-50%的湿度环境下进行，因为在这个环境下吉他的木质结构不会因为湿度的改变而产生较大的分贝输出差异。

测试用吉他弦枕是漂白的母牛骨，琴桥栓是典型的塑料。吉他已经用了10年，从材料和结构方面讲，都是相当成熟和稳定的了。

弦枕描述

液态金属弦枕是用LM105的长方形条按照原来的骨弦枕形状CNC加工的，一样的长宽，包括上面的圆弧半径都是一样的。为了对比，订制了一个工程级热塑性树脂的市场化的弦枕，其尺寸也和原始的牛骨枕一样。由于液态金属密度比塑料和牛骨大（虽然比不锈钢轻，密度为6.57g/cc），为了更有意义的对比，在弦枕上做了7个小“窗口”（这样三种材料的弦枕重量差不多）。在每2个小“窗口”之间整合了垂直支撑，这样就提供了一个不间断的路径让振动能量通过琴桥传递到音板上。从机械工程的角度，如果用牛骨由于其自身的强度限制，是不可能加工这么复杂的形状的。但是液态金属的加工工艺完全可以做到更复杂的几何形状，而且价格更低。

琴桥栓描述

液态金属琴桥栓是在Engel液态金属专用版注塑机上用LM105材料模具一模一穴净成型制备的。然后从流道上切下抛光至镜面。琴桥栓的尺寸差不多为直径2A .220”，长1.1英寸。液态金属琴桥栓是直接与典型的塑料件对比，没有做特别的处理以减轻重量。

测试电子装置

实验前开发了一套测试装置，以保证每次测试用一样长度的琴和同样的力来波动琴弦。这套装置包含了一个小型的线性划片，一个连接在划片移动端的拨片和一个高度可调节的夹持部件。慢慢的移动拨片使琴拨接触要波动的琴弦，然后拉动琴拨使琴弦拨动，通过这种方法，可以保证测试结果的重复性。分别对三种材料的琴弦/弦枕组合进行了大量精准和有意义的测试。

将吉他连接于K&K Sound Pure Mini Transducer System直接采集振动信号，这些信号来自于琴桥下的云杉木及基上镶着的枫树木板。分析声音采用的是iPad上安装的牛津大学牛津波动研究院开发的app SpectumView+。软件分析和测试的是相对全分贝（dBFS所有基本和谐波产生的频率输出），与K&K Sound Pure Mini Transducer System采集的完全一致。

测试中吉他采用的新的琴弦和牛骨弦枕，调到标准的“E”调。SpectrumView+软件测试时，每根琴弦由测试装置单独拨动，其它琴弦保持自由状态。每根琴弦测试在2次以上，软件记录声音分贝直到人耳无法听到的安静状态，然后再进行下一根琴弦测试。每根琴弦按照E, A, D, G, B, E这样的顺序调调，重复测试2次以上，然后解调，换上另外的弦枕，再次调整到标准的“E”调测试。

结果

1）弦枕

首先测试的是牛骨弦枕，取记录的三次最高分贝做加权平均。6根弦的测试都是一样。然后测试塑料弦枕，最后测试液态金属的。至于振幅测试，液态金属的弦枕比传统的牛骨和塑料材料的高出2-7分贝。这与琴师听到的结果一致；6根琴弦从低音到高音产生的音量都更高。图1显示了用之前描述的测试装置测试记录的3种材料制作的弦枕产生的全分贝。

图 1:用牛骨（虚线）、Tusq（点线）和液态金属LM105（黑色连线）做弦枕弹奏6根弦测得振幅（dBFS）

第二项评估，每种材料的弦枕测试以理解液态金属如何影响和声的特征。结果显示液态金属增强了和声和谐音的效果，并且没有偏调。图2对比显示了不同材料弦枕时单根琴弦（B）产生的和声。液态金属的基频、6、7和声都显著更高。

图 2:吉他B弦用牛骨弦枕（连线）和液态金属LM105弦枕（深蓝线）

2）琴桥栓

用同样的测试装置测试3种材料的琴桥栓，液态金属也是表现优异。图3可以看出，液态金属所有的6根弦平均高出3.6分贝。同时也可以看到六根弦中的其中一根弦拨动时，液态金属音符持续时间大约比其它材料平均长3秒。这是一个简单的改变琴桥栓材料带来的显著变化。

图 3: 液态金属琴桥栓（灰色）和塑料琴桥栓（橙色）测试的音量和音延。每根弦独立测试的基频。

结论

总之，此研究证明液态金属是一种很好的声学材料，它能够在听力范围内更加高效，一致的传递声音。当经过细致的设计并应用到乐器后，液态金属可以很好得增强音量、使声音更持久，而且音质还更好。此外，还能通过模具成型任何复杂形状，比不锈钢更耐腐蚀，可以用CNC加工成形，极好的外观视觉效果作为装饰也非常不错。