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小小的电机竟然能突破传统钢琴极限,辅助演绎完美乐章!

供稿:福尔哈贝传动技术(太仓)有限公司 2018/8/31 11:42:19

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  • 关键词: FAULHABER 福尔哈贝 电机 钢琴
  • 摘要:如今,钢琴演奏家为了呈现高水平演绎,尤其是在大型演奏会上,通常会不断探索手指力量和演奏技巧的极限。物理学家兼业余钢琴家Dr Antoine Letessier - Selvon计划通过FAULHABER的直线电机来挑战这些极限。

 

如今,钢琴演奏家为了呈现高水平演绎,尤其是在大型演奏会上,通常会不断探索手指力量和演奏技巧的极限。

 

   

物理学家兼业余钢琴家Dr Antoine Letessier - Selvon计划通过FAULHABER的直线电机来挑战这些极限。

 

作为著名的粒子天体物理学家,您对弹钢琴的兴趣从何而来?

   

在决定从事物理学研究之前,我的目标是成为一名钢琴演奏家。我家有一架大钢琴,我的孩子们也弹钢琴,由于需要调音,因此认识了巴黎爱乐乐团的钢琴调音师Laurent Bessières。

 

当我们谈到了钢琴机械时,他问我作为一名物理学家,是否有办法让琴键弹奏更有力。

 

为什么需要更有力?

 

莫扎特和贝多芬演奏钢琴协奏曲时,听众最多几百人。如今,我们的音乐厅可容纳2500人。乐团成员越来越多, 声音也越来越大。

 

然而,钢琴结构一百多年来几乎没有改变。特别是在弹奏声音很大或很安静的快速乐章时,琴键已达到其物理界限,钢琴家根本无法演奏超出这些界限的音调。

 

 

这些界限是如何界定的呢?

 

即使是进行最严酷的训练,手指施加的力量也存在自然极限。

 

其次,钢琴的结构会受到物理学影响,其影响因素最重要是琴键的弹奏路径,紧接着是该路径传递给弦槌运动的杠杆比,最后是弦槌的重量。

 

弹奏的距离可随着时间延长,从大约7毫米到一厘米,这是钢琴家能弹奏快速乐章的最大值。

 

由于设计原因,大多数杠杆比都为5,而弦槌重量为10至12克,也已达到极限。如果加大重量则会影响演奏的惯性。

 

这一极限可提高到何种程度?

 

我向Laurent Bessières建议将发声与弹奏完全分开,并引入机械动力源,这也是我们开始研究的方向。

在网上看过无数模型后,我发现了FAULHABER的LM 1247直线电机非常强大,而且尺寸恰到好处,其宽度与琴键的宽度正好匹配!

   

接下来呢?

 

近年来,我们在Centre National de la Recherche Scientifique(CNRS)启动了一个研究项目。

 

作为CNRS的研究负责人,我接触到许多优秀的电子和机械专家,他们为我们的研究做出了重大贡献,而且帮我找到了合适的电机,还幸运地得到了创新钢琴制造商Stephen Paulello的支持。

 

在技术层面上它是如何工作的?

 

我们将加速传感器固定在弦槌柄上,然后通过施加在琴键上的压力移动。

 

它能非常精确地记录琴键敲击动作的力度和速度。信号通过电子控制装置传输到直线电机上,然后转化为高精度的弦槌运动。

 

 

弦槌位于电机轴线上,与传统结构一样位于弹簧下方。想说明的是,我们并未试图设计自动演奏的钢琴,因为它已经存在,但其产生的声音不是真正的音乐。

 

相反,我们的目标是辅助钢琴家,让其完全控制声音,我们称之为辅助钢琴。

 

这种辅助有什么好处?

 

外部能量源可带来一些改变,弦槌的重量可增至50克或以上。弦槌越重,音量则越大,从而触发更广泛的泛音。

 

我们还可动态地改变敲击和弦槌路径之间的杠杆比,例如通过引入第四个踏板来增加或减少“杠杆臂”,即电机的力。

 

这为钢琴家安静或恢弘地演奏极快速的乐章提供了全新可能性。

 

   

此外,我们还能根据艺术家的喜好调整琴键的路径。钢琴调音师可在十分钟内更换所有弦槌,如果使用传统的机械技术则需数小时。

 

钢琴会因传感器、控制器和电机的介入在敲击琴键和发出声音之间出现延迟吗?

 

其实正好相反,传统机械具有相当大的惯性。例如,轻轻弹奏时,弦槌每秒移动约0.5米,而演奏强音时,这一数字要放大十倍。

 

对于钢琴家而言,“十倍”不是问题。快速演奏时,仅击键就需约10毫秒,而慢速演奏时需要的时间更长。

 

电机的反应时间明显低于10毫秒,甚至可能低于1毫秒。我们的电子产品也可在微秒范围内响应。

 

FAULHABER还测量了系统中控制器输出电流和电机待机电流之间的延迟时间。事实证明,间隔仅在几百微秒内,明显低于1毫秒。我确信钢琴家不会察觉到这一延迟。

 

您的研究项目目前进展到哪个阶段?

 

去年,我们从单弦乐器开始检测这一技术的可行性。从那时起,我们就确定已找到正确的加速传感器和电机。

 

FAULHABER还开发了一款比传统调速驱动器更适合该仪器的加速控制器。现在,我们正在完善辅助结构细节。我们的目标是覆盖距八度的键,也就是十二个音符。然后,我们将为整个三角钢琴装上辅助结构,希望明年能举办第一场音乐会。

 

电机对这一项目有多重要?

 

没有它,我们甚至无法启动。此前,我们一直没找到可满足我们性能需求的电机。

 

该电机必须非常强大,但尺寸又得很小,加速过程需极其迅速,且能实现高精度控制。同时,还必须完全安静地工作。

 

近几年钕永磁体的发展使得这类电机成为可能,当然这也与FAULHABER高水平的研发能力密不可分。

审核编辑(王静)
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