发明:自动调音钢琴

与大多数乐器不同,钢琴调音是一项专业工作。但如果钢琴能自我调音呢?
Don Gilmore

大多数音乐家可以随时为自己的乐器调音。钢琴家是个例外,他们通常没有经过训练来调音钢琴上200多根琴弦。相反,无论是业余还是专业钢琴演奏者,都必须聘请调音师来让他们的乐器恢复状态。但 Don Gilmore 完成了一项工程壮举——他声称这项发明可以淘汰调音师:一台可自我调音的钢琴。

Gilmore 是一名机械工程师,他的本职工作是为军用弹药行业制造定制机械,他于1993年开始开发一种机械式自我调音装置。但一个新想法很快就让这个项目黯然失色。

一天晚上,Gilmore 在堪萨斯城的家中观看“Cheers”重播时,他产生了发明家灵光一闪的想法:为什么不让电流通过每根琴弦来改变其频率呢?于是,Gilmore 走到他堆放的乐器旁边——他是一位业余音乐家,来自一个音乐世家,包括一位创作了卫理公会圣歌的曾祖父,以及一位乐队指挥、萨克斯演奏家和歌手的祖父——他抓起他的钢弦吉他。他将一根琴弦连接到一台可变桌面直流电源的鳄鱼夹上,通过施加一到两伏特的电压,他能够改变琴弦的音高。

他心想,同样的方法也可以应用于钢琴。

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工作原理

首先,专长是机械学的 Gilmore 不得不自学电子学。他经历了大约12个原型机,最终才得到了他电子钢琴调音器的最新版本。

系统启动时,演奏者按下位于键盘下方右侧的“开”按钮。接着,独立的电路板激活磁线圈,同时维持钢琴所有琴弦的音符。一个红外传感器测量每根琴弦的频率,也就是它的振动速度,然后计算机将该频率与由专业(人工)钢琴调音师调音后预先录制的音符进行比较。如果原始音高出现偏差——例如,房间大小和温度会影响钢琴的声音——则用户可以重新调音钢琴,并将该设置保存在计算机中。

如果音高需要调整,系统会将电流通过接触每根琴弦调音钉的弹簧,使其轻微加热到大约95华氏度(约35摄氏度)。加热后的琴弦会膨胀,从而降低音高。

但是,琴弦不能通过冷却来提高音高。Gilmore 解释道:“钢琴是在琴弦发热时调音的。当关闭电源时,所有琴弦冷却后会变尖(更紧),这是它们自然的状态。”所以,理论上,该设备永远不需要提高任何琴弦的频率。

该系统可在两分钟内调完一架钢琴,并且设备在演奏过程中保持开启状态。Gilmore 估计运行该调音器的成本为每小时七美分。

修修补补

QRS,一家生产自动演奏钢琴的公司,于1999年获得了 Gilmore 技术(首先是机械装置,随后是电子版本)的授权。但该公司未能投入足够的时间和资金来进一步开发这项技术,五年合同到期后,Gilmore 决定不再续约。

如今,他正在独立地对该设备进行修修补补,将 CAD 电路图发送给加州 Sunnyvale 的 Sierra Circuits 公司。这个过程存在缺点。Gilmore 说,有一次,主电路板上的一半芯片被意外地焊反了。还有一次,Gilmore 的电压过高,烧毁了另一个电路板上的所有电路。每一次错误都需要将电路板在堪萨斯城和加州之间重新邮寄。

谁会使用它?

另一个问题是设备的使用者。Gilmore 估计其价格约为1000美元。一次常规调音的费用约为100美元,而一般的演奏者一年只会给钢琴调音一到两次。如果将每天保持钢琴音准的成本计算进去,1000美元的价格标签也并非不能接受。尽管如此,普通演奏者可能仍然会因为价格而犹豫。

另一方面,音乐会钢琴每天都会调音一到两次。但是,新英格兰音乐学院的钢琴系主任 Bruce Brubaker 表示,自我调音钢琴可能无法解决所有问题。除了调音,影响钢琴声音的两个关键因素是发声(voicing),它影响音色,以及机械调整(regulation),它改变琴键的触感。Brubaker 说,在音乐会钢琴中,技术人员通常会同时进行调音、发声和机械调整。虽然调音比其他方面的服务更频繁,但自动调音器并不能完全取代他们。房间大小和温度造成的钢琴声音变化也可能需要额外的服务。

纽约皇后区钢琴制造商 Steinway and Sons 的技术经理 Kent Webb(该公司也为卡内基音乐厅和纽约爱乐乐团提供钢琴维修服务)担心电路板的放置位置,调音器能否很好地匹配每个音符的细微差别,以及热量对钢琴木材的影响:“我们总是对人们尝试用钢琴做一些新事物感到兴奋,但我们也不能忽视它将如何影响乐器长期的完整性。”

但是,如果 Gilmore 能够克服这些障碍,“它可能是一款非常有市场潜力和有用的设备。”

Gilmore 仍在寻找一家制造商,之后他将决定是让他的发明在钢琴制造时就安装好,还是作为一种用户可以在家安装的套件。

Webb 怀疑 Steinway(美国为数不多的仍在生产钢琴的公司之一)会采用目前设计的设备。尽管如此,Steinway 每年仅生产2500架钢琴。全球每年仍有至少一百万架钢琴被制造出来,其中大部分在中国,大规模生产“自动调音钢琴”可能会降低价格。Gilmore 说:“即使我得到其中百分之一的份额,我也会欣喜若狂。”

Don Gilmore
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布鲁克·博雷尔(Brooke Borel)是《大众科学》的特约编辑,她也为 Slate、Aeon 和 NOVA Next 等杂志撰稿。她的第一本书《受感染:臭虫如何侵入我们的卧室并占领世界》(Infested: How the Bed Bug Infiltrated Our Bedrooms and Took Over the World)于 2015 年由芝加哥大学出版社出版。

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