内置纸卷自动钢琴的成型与原理

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　　【题目】自动钢琴的发展与传承探究
　　【绪论  第一章】自动钢琴产生的历史背景回溯
　　【2.1】钢琴自动化意识萌芽时期
　　【2.2】柜式纸卷自动钢琴的诞生与发展
　　【2.3】内置纸卷自动钢琴的成型与原理
　　【2.4  2.5】纸卷自动钢琴成熟期--复奏纸卷自动钢琴
　　【第三章】电磁原理自动钢琴四大制造商及其系统
　　【第四章】自动钢琴在现代钢琴文化发展中的现实意义
　　【结语/参考文献】自动钢琴的发展脉络研究结语与参考文献
　　
   
　　第三节 纸卷自动钢琴发展时期--内置纸卷自动钢琴

　　从功能性来看，柜式纸卷自动钢琴完成了人们对于自动演奏钢琴的诉求，但从当时人们的审美角度和实用性来看，柜式纸卷自动钢琴的确存在很多弊端。因此如何将自动演奏系统添加到复杂的立式钢琴内部，成为越来越多发明家和钢琴制造商研发的重点。很快，基于柜式纸卷自动钢琴脚踏风箱和卷轴系统两大结构特征的内置纸卷自动钢琴开始被设计出来。

　　一、内置纸卷自动钢琴的诞生

　　内置纸卷自动钢琴真正获得成功的标志是 1897 年 4 月 7 日伍斯特的西奥多·P·布朗（Theodore P. Brown）为他发明的内置纸卷自动演奏系统申请了专利,如图 12 中所示。

　　这款自动演奏系统被安装在击弦机与上门板之间，具有纸卷自动钢琴最显着的两大结构脚踏踏板能量输出装置和卷轴装置，这一发明奠定了内置纸卷自动钢琴的型制基础。1898 年布朗将自己的专利权卖给了奥利亚公司（Aeolian Company），公司开始使用“Aeriol”为这款内置纸卷自动钢琴命名并进行销售，并取得了商业上的成功。1898 年 2 月 1 日和 4 月 26 日，F.恩格尔哈特父子（F. Engelhardt & Sons）在布朗“Aeriol”内置纸卷自动钢琴的基础上，推出一款被命名为“无敌”的投币式气动自动演奏钢琴（“Peerless Piano Player”）,并于同年被投放市场。这款投币式气动自动演奏钢琴受到了咖啡厅、酒吧、饭店等公共娱乐场所的欢迎，使得纸卷自动钢琴成为当时流行音乐新方式的传播。

　　二、内置纸卷自动钢琴改良成型

　　从 1898 年到 1906 年许多发明家对内置纸卷自动钢琴进行了改良，其中比较突出的有：梅尔维尔·克拉克（Melville Clark）发明的“阿波罗”自动演奏钢琴、托马斯·旦曲阿帝（Thomas Danquard）发明的“柔性手指”装置以及保罗·B·克鲁夫增加辅助键。

　　梅尔维尔·克拉克（Melville Clark）在 1901 年推出了他的“阿波罗”自动演奏钢琴26,首次将纸卷自动钢琴的演奏音域扩大到 88 个琴键。参照图 13 所示。在此之前，一些厂家也曾尝试生产可以演奏更多音符的纸卷卷轴，但由于这些卷轴的规格通常不与其他厂家的产品兼容，流通性较差，因此一直没有取得成功，例如霍普非公司曾推出了一种 73 个音符的纸卷卷轴系统。梅尔维尔·克拉克创新的 88 个音符的纸卷卷轴系统，很快便被大多数的自动演奏装置制造商应用于自己品牌的钢琴上，这一时期成为自动演奏卷轴由 65 个音符到 88个音符的逐步过渡时期。然而即便使用了 88 个音符的卷轴，生产厂家关于卷轴的尺寸长度也并不统一，梅尔维尔·克拉克后来甚至产生出了至少可以演奏五种尺寸卷轴的自动演奏装置。卷轴缺乏标准化的混乱状况，成为阻碍行业健康和进步的一个明显的障碍。幸运的是，在 1908 年纽约的一次自动乐器协会的商议中，制造商达成了《布法罗公约》，对卷轴的尺寸达成一致，完备了内置纸卷自动钢琴之间通用的使用标准。托马斯·旦曲阿帝（Thomas Danquard）于 1904 年 8 月 2 发明出“柔性手指”装置27,其原理主要是将击弦气动风箱末端的连接杆作为键盘末端的第二个卡钉，放置于联动器下方，而非之前将连接杆直接安装于弦槌上的做法。这种结构的改变，最大程度上的保护了传统机械钢琴的击弦机结构，尽可能地消除了自动演奏与机械演奏的音质差异。而后 1906 年 10月 9 日保罗·B·克鲁夫（Paul B. Klugh），申请在击弦气动风箱下方安装一个辅助键，这一配重的增加，解决了琴键起伏无法达到逼真效果这一难题，如图 14 中所示。
　　
　　三、内置纸卷自动钢琴的结构性能和发声原理
　　
　　内置纸卷自动钢琴从外观上看与现代的立式钢琴相似，但在内部结构中却与传统机械钢琴不同，其中安装有一个内置的自动演奏装置。这个概念很快被其他制造商接受并大量生产，最终导致柜式纸卷自动演奏装置逐渐消失。内置纸卷自动钢琴除了可以按照纸卷的编曲自动演奏以外，后期还增加了可以控制演奏速度、力度和踏板的全新装置。内置纸卷自动钢琴的出现标志着自动钢琴的发展开始走向成熟。内置纸卷自动钢琴成熟以来，虽然有很多发明家还在不断地改进，在某些方面还存在些细小的差异，但通过对多架内置纸卷自动钢琴的比较与分析，还是得到了内置纸卷自动钢琴结构的通用性标准，参见图 16 所示。本文按照不同结构的功能性和工作的顺序性将纸卷自动钢琴的结构大致分为三部分：能量输入体、传导体以及激发体。
　　
　　能量输入体包括：踏板、踏板连接杆、排气风箱、均衡风箱、排气总管和空气活塞。此部分的工作原理是通过人脚踩踏踏板做功，踏板连接杆带动排气风箱开合，空气经过均衡风箱的作用，通过排气总管均匀地推动空气活塞，将产生的气压传递到激发体。这里需要提到的是，内置纸卷自动钢琴的原动力的产生方式主要分为两种：一种是靠脚踏踏板带动风箱所产生的风能，另一种，则是随后出现的电动鼓风机所产生的风能。由于其他结构和基本原理相同不作展开性论述。纸卷自动钢琴的传导体包含：纸卷真空室、击弦真空室和传导管。纸卷真空室和击弦真空室这两部分是由于排气风箱的运动，将这两部分的空气排出，形成真空状态，当孔洞打开时空气由于压强差进入对应的传导管内，空气被传导给对应的激发体，为随后激发击弦机做好准备。激发体包含：卷轴气动风箱、卷轴（穿孔纸卷经过的卷轴）、击弦气流风箱、钢琴击弦机和风箱与击弦机连接杆。其工作原理是，首先要将纸卷固定在卷轴上，卷轴上有一排等距离的小孔，每个小孔都对应着一个音符，纸卷上的小孔要同卷轴上的小孔相对应，当空气进入卷轴气动风箱，纸卷卷轴开始转动，空气穿过纸孔进入卷轴和与之相对应的空气传导管，带动击弦气动风箱产生开合，推动连接杆，触发钢琴的击弦机做击弦运动，此时连接杆的作用与声学钢琴中琴键末端的顶杆作用相同。
　　
　　四、内置纸卷自动钢琴实用范例

　　图 20 中展示的是一台脚踏鼓风式内置纸卷自动钢琴，该琴现被收藏于厦门市鼓浪屿钢琴博物馆中，这台内置纸卷自动钢琴是由美国纽约州罗切斯特市的 FOSTER & CONPANY 钢琴生产公司制作。现在这台钢琴的上门板被换成了透明的玻璃，可以让人们更加清楚的看到内置纸卷自动钢琴的内部的。下面就以这台脚踏鼓风式内置自动钢琴为例，对于内置纸卷自动钢琴进行一些补充。

　　如图 19 中所示，钢琴的自动演奏装置是被安装在靠背档与上门板之间，对于钢琴的击弦机等其他结构没有任何的影响，所以说内置自动钢琴是一架既进行传统机械钢琴正常演奏，同时有可以完成自动演奏的钢琴。自动演奏装置的卷轴装置安装在钢琴的中音区部分，这部分主要由上下两根卷轴组成，如图 21 中所示。上边的铜轴上密密麻麻的布满一排 88的细小的孔洞，这些孔洞就是用来与纸卷上的孔眼相对的，每个孔洞都代表一个音符。下边更粗一点的木质卷轴的作用是将演奏过的纸卷进行回收。在这里需要补充的是，如图 22 所示，在卷轴装置的右侧有一个由 5 个小风箱组成的装置，装置的上方是一个弯曲的铁杆，这个装置的主要作用是通过改变风量的大小，控制自动钢琴演奏的速度。它的工作原理是当拨动位于钢琴锁门档附近的速度控制器簧片时，进入速度风箱的气流量就会有相应的变化，当风箱中进气量增加时，推动弯曲的铁杆转动加快，从而钢琴卷轴转动的速度加快，自动演奏时的速度也就随之加快。
　　
　　五、小结

　　基于柜式纸卷自动钢琴中踏板风箱和纸卷卷轴两大结构的应用，内置纸卷自动演奏装置安装于钢琴琴体内的设计，使得自动钢琴的实用性进一步加强。纸卷自动钢琴的结构性能和发声原理逐步稳定，其发展已经开始进入了逐步成熟的新时期。下面就将柜式纸卷自动钢琴的发展历程，按照时间的发展作为线索，将发明人、功能特点以及历史意义作以总结。