SE531305C2 - Strängar för musikinstrument - Google Patents

Description

25 30 531 305 En annan egenskap är möjligheten att producera tråd till de önskvärda dimensionerna. Det ska vara möjligt att kalldra strängens material ner till fina tråddiametrar utan att tråden blir spröd och till och med går sönder. En orsak till sådan sprödhet är bildandet av töjningsinducerad martensit orsakad av deformationen. Ytterligare ett exempel på en orsak till sprödhet är att materialet innehåller intermetalliska faser eller partiklar som agerar som initieringspunkter för sprickbildning när materialet utsätts för omfattande deformation under trådtillverkning. Vidare kan strängen bestå av en enkel tråd, en eller flera tvinnade trådar eller en omlindad tråd. Detta ger i sin tur ett behov av att trådmaterialet är tillräckligt duktilt för att bl.a. kunna tvinnas när det är i form av en tråd d.v.s. i ett redan betydligt deformerat tillstånd. l fallet med en sträng för elektroniskt instrument, såsom en elektrisk gitarr, är ljudet som genereras av strängen ett resultat av strängens elektromagnetiska egenskaper. De flesta elektriska gitarrer använder elektromagnetiska nålmikrofoner, även om piezoelektriska nålmikrofoner också används. Den elektromagnetiska nålmikrofonen består av en spole med en permanentmagnet.

De vibrerande strängarna orsakar förändringar i det magnetiska flödet genom spolen, därmed inducerande elektriska signaleri spolen. Signalerna överförs sedan till en gitarrförstärkare där signalen behandlas och förstärks. Ju mer magnetisk en sträng är desto högre spänning kommer att produceras och följaktligen ett starkare ljud.

Dessutom kan en sträng i ett musikinstrument utsättas för flertalet olika typer av i korrosion. Korrosionen kommer med tiden att försämra både de mekaniska egenskaperna och stämmningsegenskaperna. En typ av korrosion som strängen utsätts för är atmosfärisk korrosion resulterande från omgivningen i vilken instrumentet förvaras eller hanteras. Denna korrosion kan vara väsentlig under till exempel fuktiga förhållanden eller på varma platser. Till exempel kan ett instrument som används för att spela utomhus utsättas för en väsentlig 10 15 20 25 30 531 BÜE atmosfärisk korrosion med tiden. Dessutom kan substanser, såsom svett eller fett, överföras från musikern till strängen när strängen spelas. Sådana substanser kan också orsaka korrosion av strängen. Mänsklig svett till exempel innehåller natriumklorld vilket kommer att korrodera strängen. Dessutom kommer feta substanser på strängen att agera som bindemedel för andra substanser som kan korrodera strängen och därmed bilda en beläggning eller film på ytan av strängen.

En vanlig gitarrsträng är vanligtvis gjord av en vanlig högkolhaltig stållegering dragen till olika tråddiametrar. Kolstål har många goda kvaliteter men även några stora nackdelar. Det är enkelt att dra kolstål till höga draghållfastheter och sträckgränser utan att påträffa sprödhet. Dock är korrosionsegenskaperna hos kolstål inte tillräckliga. Vidare används strängar av nylon i till exempel moderna klassiska och flamenco-gitarrer. De tre högsta strängarna är vanligtvis enfibertråd av nylon, medan de tre lägsta strängarna har nylonkämor omlindade med en metallindning. Dessutom används ståltråd för de högsta två strängarna samt ibland den tredje i flat top- eller folk-gitarrer, medan de övriga strängarna har stålkärnor lindade med kolstål, nickelstål, mässing eller rostfritt stål. Vanligtvis består omslaget av en fin tråd med cirkelformigt tvärsnitt Ground-wound” strängar), men ibland används ett platt band av rostfritt stål för omslaget (“flat- wound” strängar). Andra varianter är “flat-ground"-strängen (lindad med rund tråd som sedan poleras platt) och sammansatta strängar med en lindning av silke mellan stålkärnan och den yttre metallindningen. Som nämnts tidigare är korrosion den största nackdelen med strängar av kolstål och många försök att hindra korrosion har gjorts utan framgång. Idéer att belägga stålsträngarna med olika material såsom naturliga och syntetiska polymerer har funnits. Olyckligtvis minskar beläggning strängarnas vibrationer vilket leder till minskad klarhet och försämrad ljudkvalitet.

Följaktligen är syftet med uppfinningen att åstadkomma en sträng för ett musikinstrument med förlängd livstid. 10 15 20 25 30 533 395 Sammanfattning Det angivna syftet uppnås genom en sträng såsom inledningsvis definierats och som har särdragen enligt den kännetecknande delen av krav 1.

Genom att utnyttja ett duplext rostfritt stål i en sträng till ett musikinstrument förbättras korrosionsegenskaperna avsevärt jämfört med vanligen använda material. Likväl uppfylls kraven på mekaniska egenskaper och motstånd till relaxation och de är till och med förbättrade jämfört med vanligen använda material. Strängen kan användas både där ljudet alstras genom vibration enbart och genom vibration som ger upphov till en förändring i magnetfält.

Strängen enligt föreliggande beskrivning kan användas i alla typer av strängade instrument såsom gitarrer, fioler, pianon, harpor m.m..

Kort beskrivning av ritningarna Figur 1 åskådliggör resultatet av -dragprov av strängar med diametrarna 0,33 mm och 0,43 mm i enlighet med uppfinningen samt åtta jämförande strängsammansättningar.

Figur 2 åskådliggör resultatet av ett relaxatlonstest av strängar med diameter 0,33 mm i enlighet med uppfinningen samt en jämförande sträng.

Figur 3 åskådliggör resultatet av ett relaxationstest av en sträng med diameter 0,43 mm i enlighet med uppfinningen samt jämförande strängar. 10 15 20 25 30 533 3GB 5 Figur 4 åskådliggör resultaten från ett test av magnetisk resonans hos en sträng i enlighet med föreliggande uppfinning.

Figur 5 åskådliggör resultatet av ett test av magnetisk resonans hos en sträng av ett jämförande exempel.

Detaljerad beskrivning De olika egenskaper som har visat sig viktiga för förståelsen av beteendet hos en musiksträng är sträckgränsen och draghåilfastheten, värmebehandlingen, ytbehandling, korrosionsmotstånd, akustiskt ljud, motstånd till relaxation (tonstabilitet) och i vissa fall även de elektromagnetiska egenskaperna.

Vikten av hållfasthet, relaxation, korrosionsmotstånd och magnetism har diskuterats tidigare. Strängens ytbeskaffenhet är viktig för att uppnå ett harmoniskt ljud och en bra känsla av strängen när den spelas. Det akustiska ljudet är en egenskap som inte kan kvantifieras men är viktig för hur musikern (och möjligtvis publiken) upplever strängen. Upplevelsen av det akustiska ljudet hos stängen i enlighet med föreliggande uppfinning är inte annorlunda från den hos vanligen använda kolstålssträngar.

Strängen i enlighet med föreliggande beskrivning har en hög mekanisk hållfasthet, såsom en draghållfasthet av minst 2700 MPa när den har en diameter av 0,33 mm och är i kalldraget skick. Dessutom har den ett relaxationsmotstånd som inte gör det nödvändigt att stämma om mer frekvent än en gång var 10:e timme när den spelas på under normala betingelser.

Dessutom har strängen enligt föreliggande beskrivning utmärkt motstånd mot korrosion orsakad av omgivningen eller substanser som överförs till strängen under dess användning. Exempel på sådana substanser är svett eller fett som 10 15 20 25 30 531 365 överförts från en person som spelar på instrumentet. Som ett resultat av detta höga korrosionsmotstånd behöver inte strängenbeläggas för förbättrat skydd.

Duplexa rostfria stål består av två separata faser, en austenitisk fas och en ferritisk fas vanligtvis med 30-70 % av vardera. Den ferritiska fasen är magnetisk medan den austenitiska fasen är icke-magnetisk. Eftersom strängen i enlighet med föreliggande upptäckt innehåller båda faserna har den även magnetiska egenskaper. Under tillverkningen av strängen, som kommer att beskrivas längre ner, kommer dessutom den austenitiska fasen i stålet åtminståne delvis ombildas till martensit. Eftersom även martensit är en magnetisk fas kommer magnetismen i strängen att öka ytterligare eftersom strängen består av en högre procent magnetiska faser efter framställning. Om strängen skulle användas i ett instrument som kräver magnetiska egenskaper, såsom en elektrisk gitarr, kan de magnetiska egenskaperna även förbättras ytterligare genom att till exempel linda/omslå eller tvinna det duplexa rostfria .stålet med andra metalltrådar som har goda magnetiska egenskaper, eller till och med belagd med sådant material.

Exempel på sådana material är Ni, Cu och Cu-legeringar.

Lämpliga duplexa rostfria stål att använda l en sträng innehåller vanligtvis 19-28 viktprocent Cr och 4-10 viktprocent Ni, företrädelsevis 21-26 vikt- % Cr och 4-8 vikt- % Ni. Ett duplext rostfritt stål i enlighet med föreliggande uppfinning skulle till exempel kunna ha följande sammansättning i viktprocent: C max 0,5 Si max 1 Mn max 2 Cr 20-27 Ni 4-10 Mo+0,5 W 0-5 N max 0,5 Cu max 0,7 V + Ti max 0,5 10 15 20 25 30 53? 3135 REM+B+Ca återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar. max 0,5 Exempel på sådana rostfria stål är UNS S31803, UNS 832304 och UNS S32750.

Enligt en föredragen utförningsform är det duplexa stålet UNS 331803.

Ett viktigt kriterium när man väljer mellan olika duplexa rostfria stål till en sträng i ett musikinstrument är förmågan att tillverka trådar av materialet för att kunna tillverka strängen. Det är en nödvändig förutsättning att den utvalda sammansättningen kan kalldras till mycket fina diametrar, såsom 0,254 mm eller 0,33 mm, utan att bli spröd. Därför är det tillrådligt att inte välja duplexa rostfria stål med stor risk att bilda den spröda sigma-fasen under tillverkning. Generellt innebär ett överflödigt Mo-innehåll i kombination med en hög Cr-halt att risken för att bilda intermetalliska utskiljningar ökar. Dessutom ökar höga N-halter risken för utskiljning av kromnitrider, särskilt när även kromhalten är hög. Det är därför önskvärt att inte samtidigt maximera Cr, Mo och N samtidigt inom omfånget som givits ovan.

Strängen produceras genom kalldragning i enlighet med sedvanliga processer för trådproduktion. Kalldragningsprocessen ger upphov till bildning av deformationsinducerad martensit vilket leder till ökad mekanisk hållfasthet samt ett mer magnetiskt material. Mängden kalldeformation är viktig för att uppnå den önskade hållfastheten och de magnetiska egenskaperna. Strängen kan även värmebehandlas efter deformationen till den önskade dimensionen.

Värmebehandlingen kan ytterligare förbättra materialets egenskaper. Om deformationen resulterar i ett allt för sprött material kan det dessutom utsättas för en värmebehandling för att minska den införda spänningen och därmed öka duktiliteten hos materialet. Dessa värmebehandlingsprocesser är allmänt kända av en fackman inom området för duplexa rostfria stål. 10' 15 20 25 30 53? 3135 8 Tillverkningsprocessen för att framställa trådar av duplext rostfritt stål resulterar i trådar med bra ytbeskaffenhet. Detta innebär att musikern erfar en sträng som är bekväm att spela på. Vidare finns ingen risk att strängen erfar försämrade egenskaper såsom oharmoni.

Gropfrätning är en typ av lokaliserad korrosionsattack på ett material. Det kan till exempel orsakas av kloridjoner, som i fallet med musiksträngar kan komma i kontakt med materialet genom mänskligt svett från musikern. Motståndskraften mot gropfrätning kan uttryckas med den kritiska gropfrätningstemperaturen (Crittical Pitting Temperature - CPT) vilken anger den maximala temperaturen som materialet kan utsättas för utan att riskera att gropfrätningsattacker inträffar.

Vidare anges ofta gropfrätningsmotståndet hos ett rostfritt stål som det teoretiska PRE-värdet (Pitting Resistance Equivalent) och ges av Ekvation 1.

Ekvation 1. PRE: %Cr + % 3,3 % Mo + 0,16 %_ N Detta innebär att korrosionsmotståndet hos det rostfria stålet förbättras om Cr-, M0- och/eller N-halterna ökas.

Enligt en utföringsform förses strängen med ett ytskikt. Detta ytskikt kan till exempel ha en estetisk funktion eller en stämningsfunktion, till exempel för ökad magnetism.

Enligt en annan utföringsform, består strängen av en kärna lindad med metalltrådar. I denna utföringsform består åtminstone kärnan av duplext rostfritt stål.

Strängen enligt föreliggande beskrivning kan användas ialla typer av strängade instrument, såsom gitarrer, fioler, pianon, harpor etc.. Strängen kan vara en enkel 10 015 20 25 30 531 BÛE 9 tråd, men den kan även vara i form av en vlrad eller lindad sträng. Strängen kan även vara tvinnad.

Exempel 1 Provtrådar tillverkades av ett duplext rostfritt stål med följande sammansättning (alla i viktprocent): 0,03 % C 0,4 % Si 1,5 % Mn 22 % Cr 5,2 % Ni 3,2 % Mo 0,17 % N återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar.

Denna legering är standardiserad under US-standard AlSl UNS S31803.

Trådar kalldrogs till diametrar av 0,254 mm, 0,33 mm respektive 0,43 mm. En av trådarna av varje diameter värmebehandlades efter dragning vid en temperatur av 475 °C i ungefär 10 minuter, vilket resulterade i en ökad hållfasthet och högre motstånd till relaxation av materialet.

Sträckgränsen och draghållfastheten mättes genom ett dragprov enligt SS- EN10002-1 och jämfördes med 8 olika jämförande exempel av strängar av kolstål. Den ungefärliga sammansättningen hos de jämförande exemplen visas i Tabell 1, tillsammans med strängdiametrarna hos de jämförande exemplen. 10 SPN! 395 10 Resultatet av sträckgräns (Rp0_2)- och dragprovet (Rm) är listade i Tabell 2 och illustrerade i Figur 1. Från dessa test är det uppenbart att bytet av material till ett duplext rostfritt stål inte väsentligen minskar den mekaniska hållfastheten hos strängen. Det är till och med möjligt att förbättra hållfastheten, speciellt i det fall där det duplexa rostfria stålet värmebehandlats efter dragning.

Tabell 1.

Jämförande Fe Si Mn Diameter hos exempel nr. sträng [mm] 1 99,2 0,2 0,7 0,43 2 98,9 0,3 0,7 0,43 3 99,3 0,2 0,5 0,43 4 99,2 0,2 0,7 0,43 5 99,3 0,2 0,5 0,43 6 99,1 0,2 0,7 0,43 7 99,3 0,3 0,5 0,43 8 99,2 0,2 0,6 0,33 Tabell 2.

Rpoz Rm Prov [M Pa] [MPa] Jmf. ex. 1 2307 2384 Jmf. ex. 2 2076 2446 Jmf. ex. 3 2140 2322 Jmf. ex. 4 2348 2392 Jmf. ex. 5 2239 2394 Jmf. ex. 6 2251 2300 Jmf. ex. 7 2408 2772 10 15 20 53% 3135 ll Jmf. ex. 8 2455 2665 Uppf. 0,33 kalldragen 2305 2795 Uppf. 0,43 kalldragen 2183 2644 Uppf. 0,33 värmebehandlad 2969 3178 Uppf. 0,43 värmebehandlad 2801 3007 Exempel 2 Relaxationsmotståndet testades genom att slå an strängar med 0,33 mm diameter och 0,43 mm diameter ungefär 200 gånger per minut med ett plektrum.

Sammansättningarna är de i exempel 1. Testet genomfördes över 24 timmar.

Plektrumets anslagningspunkt sattes 18 cm från en kraftsensor kopplad till en dator. Den totala längden av varje sträng var 65 cm och strängarna vilade på två plaststycken vid vardera ända. Avståndet mellan vardera ända och kraftsensorerna var 5 cm. Diametern och dess respektive ljudfrekvens ges i Tabell 3 tillsammans med strängarnas ursprungliga dragspänning samt spänningen per ytarea hos strängarna.

Tabell 3.

Diameter Ljudfrekvens Dragspänning Spänning per ytarea [mm] [Hz] [N] [M Pa] 0,33 247 68,5 801 0,43 196 73,9 509 Resultaten av relaxationstesten av strängar med diameter 0,33 mm illustreras i Figur 2 och resultaten av relaxationstesten av strängar med diameter 0,43 mm illustreras i Figur 3. Resultaten är listade i Tabell 4 i form av den linjära 10 15 531 BÜS 12 Ekvationen 2, där y är kraften, k är en konstant, x är tid i timmar och m är en konstant.

Ekvation 2. y=k*x+m Ju lägre k-värde/lutning den linjära ekvationen för varje stäng har desto bättre är relaxationsegenskaperna. Resultaten visar att det duplexa rostfria stålet i kalldraget skick har samma relaxationsegenskaper som kolstålen som används idag för gitarrsträngstillämpningen. Men relaxationsegenskaperna ökar betydligt när det värmebehandlas.

Tabell 4.

Prov Start- Spänning F rekvensförlust k-värde spänning efter 24 h [Hz] [N] [NI 0 0125 68 4 y=.. y X+ , Jmf. ex. 3 0,33 68,4 68,1 0,54 y=-0,05x+72,9 Jmf' ex' 4 72,9 71,7 1,82 y=-0,0625x+73,8 Jmf' ex' 7 73,8 72,8 2,02 y=-0,0125x+68,4 Jmf' ex' 8 88,4 88,1 0,42 Uppf. 0,33 y=-0,0375x+68,1 kalldragen 68,1 67,2 1162 Uppf_ 0,43 y=-0,0375x+74,7 kalldragen 7417 73,8 1,20 Uppf. 0,33 y=-0,0125x+68,1 värmebehandlad 68,1 67,8 1,09 Det mänskliga örat kan uppfatta en ändring i tonfrekvens på 1 Hz. Strängen i Jämförande Exempel 7 hade tappat 1,5 N (motsvarande en frekvensminskning 10 15 20 25 30 53% 3535 13 av ungefär 2 Hz) efter 24 timmar vilket innebär att en musiker måste stämma om en sträng av Jämförande Exempel 7 en gång var 12:e timme. Detta kan jämföras med uppfinningen som i en diameter av 0,43 mm och i kalldraget skick tappade 0,9 N motsvarande en frekvensminskning av omkring 1,2 Hz vilket resulterar i ett behov av omstämning en gång var 20:e timme. Detta resulterar i en mycket längre livslängd av strängen enligt uppfinningen jämfört med Jämförande Exempel 7.

Exempel 4 Den magnetiska resonansen av legeringen i Exempel 1 testades på en gitarr och jämfördes med Jämförande Exempel 6. Strängarna slogs an på ett avstånd av 10 cm från bryggan och utsattes för en kraft motsvarande skjuvnings- bristningspunkten hos en 0,10 mm koppartråd. Koppartråden lades i en ögla vinkelrätt mot den anslagna strängen och drogs sedan till bristningspunkten. På detta sätt användes samma kraft vid varje testomgång. Bristningspunkten på koppartråden måste även vara vid kontaktpunkten med den anslagna strängen, om koppartråden brast vid någon annan punkt upprepades proceduren. En serie av fem godkända test gjordes på varje sträng. Data från dessa fem tester samlades sedan ihop och diagram från varje testserie presenteras i Figur 4 och 5.

Dessutom testades den magnetiska vikten av materialen och jämfördes med Jämförande Exempel 4. En magnetisk våg användes för att mäta mängden magnetisk och icke-magnetisk fas. Den magnetiska vågen innefattar två huvudsakliga beståndsdelar, en elektromagnet och en töjningsmätare.

Elektromagneterna genererar ett starkt, inhomogent magnetiskt fält mellan två kilformade poler i vilken provet är beläget. Om det finns några magnetiska faser i provet kommer det att dras ner av den magnetiska kraften. Kraften, som är proportionell mot mängden magnetisk fas, uppmäts sedan av töjningsmätaren.

Denna mätning ger mättningsmagnetiseringen hos provet och genom att beräkna 10 15 20 25 satåaofi 14 den teoretiska mättningsmagnetiseringen för detta stål är det möjligt att bestämma mängden magnetisk fas som finns i provet, d.v.s. den magnetiska vikten. värdena från testen av magnetisk vikt illustreras i Tabell 5.

Det är uppenbart att legeringen enligt föreliggande uppfinning har mycket lägre magnetism än vanligen använda kolstål-trådar vilket är åskådliggjort genom det jämförande exemplet. Detta indikerar att en sträng av ett duplext rostfritt stål i enlighet med föreliggande uppfinning skulle i valfria utföringsformer dra fördel av att av att lindas eller tvinnas med en extra tråd av ett material med högre magnetism när den avses användas i tillämpningar som kräver hög magnetism såsom elektriska gitarrer.

Tabell 5.

Prov Längd [mm] Vikt [g] os [gauss*cm3/g] Uppfinning 0,43 mm 0,70 0,423 94,2 Jämförande 0,57 0,164 193,8 Exempel 4 Exempel 5 Korrosionsegenskaperna hos legeringen i Exempel 1 var tidigare kända och därför inte testade. Sammansättningen i enlighet med föreliggande exempel har ett överlägset korrosionsmotstånd. Detta kan illustreras genom den kritiska gropfrätningstemperaturen (CPT) som är ungefär 82 °C för det duplexa rostfria stålet i Exempel 1 när det testas I en 0,5 % C Flösning som har pH 6,0 och 300 mV SCE (Standard Calomel Etektrod). Detta antyder att materialet är motståndskraftigt mot gropfrätningskorrosion, till följd av exempelvis kloridjoner förekommande i mänskligt svett, upptill en temperatur av 82 °C. Detta kan till exempel jämföras med ett CPT vid 25 °C för det rostfria stålet AlSl 304 vilket 5535 3135 15 skulle kunna göra det senare stålet mycket mindre lämpligt när det exponeras för svett i miljöer med högre temperaturer än rumstemperatur.

Dessutom, för referens har UNS S32304 ett CPT värde av 23 °C och UNS 832750 har ett CPT värde av >100 °C (inte testat över detta värde) när de testats under samma förhålianden.

Claims (13)

10 15 20 25 30 53 'll BBS PATENTKRAV

1. Sträng för musikinstrumentkännetecknad av att den innefattar duplext rostfritt stål.

2. Sträng enligt krav 1 kän netec kn ad av att det duplexa rostfria stålet innefattar 19-28 viktprocent Cr och 4-10 viktprocent Ni.

3. Sträng enligt krav 2 kän netecknad av att det duplexa rostfria stålet har en sammansättning, alla i viktprocent, av: C max 0,5 Si max 1 Mn max 2 Cr 20-27 Ni 4-10 Mo+0,5 W 0-5 N max 0,5 Cu max 0,7 V + Ti max 0,5 FtEM+B+Ca max 0,5 återstoden Fe och normalt förekommande föroreningar

4. Sträng enligt krav 3 kânneteckn ad av att det duplexa rostfria stålet är UNS S31803.

5. Sträng enligt krav 2 känneteckn ad av att det duplexa rostfria stålet är UNS S32750.

6. Sträng enligt krav 2 kän netecknad av att det duplexa rostfria stålet är UNS S32304. 10 15 20 533 BÜE I?

7. Sträng enligt krav 1 kännetecknad av att den har en draghållfasthet av minst 2700 MPa när den är av en diameter av 0,33 mm.

8. Sträng enligt krav 1 kännetecknad av att den har en motståndskraft till relaxation sådan att den kommer att stå emot en frekvensförlust av 2 Hz i minst 10 timmar.

9. Sträng enligt något av föregående krav kännetecknad av att det duplexa rostfria stålet är i kalldraget skick.

10. Sträng enligt något av kraven 1-7 känn etecknad av att det duplexa rostfria stålet är i värmebehandtat skick.

11.Sträng enligt krav 1 kännetecknad av att den innefattar en käma av duplext rostfritt stål lindad med metalltrådar.

12. Sträng enligt något av kraven 1-10 kännetecknad av att den är försedd med ett ytskikt.

13. Musikinstrument kän neteckn ad av att det innefattar en sträng i enlighet med något av föregående krav.