Материал для изготовления колоколов и звучащих элементов ударных музыкальных инструментов

Изобретение относится к акустике, в частности к материалам для изготовления элементов ударных музыкальных инструментов и колоколов и колокольчиков: церковных, сувенирных, судовых. Материал для изготовления колоколов или элементов ударных музыкальных инструментов содержит медь, олово, свинец, дополнительно содержит сурьму. Соотношение компонентов (мас.%) следующее: медь 78,00-80,00, олово 8,00-10,00, сурьма 10,60-11,50, свинец 0,08-0,16. Технический результат изобретения - повышение прочности и пластичности готовых изделий при высоком качестве звучания и расширении тембрового диапазона.

 

Изобретение относится к акустике, а именно к материалам для изготовления колоколов и колокольчиков: церковных, сувенирных, судовых, а также элементов ударных музыкальных инструментов.

Известен звучащий материал для изготовления колоколов или элементов ударных музыкальных инструментов по патенту РФ №2050597 от 21.09.89, G 10 К 1/07, согласно которому в качестве материала используют стеклоуглерод, требующий специальной технологии получения материала, расчетов по генерации звуков за счет уменьшения или увеличения геометрических размеров пластин или объемов колоколов.

Для гармонизационной настройки соответствующих колоколов или элементов музыкальных инструментов из стеклоуглерода необходимо после получения заготовки или отливки провести анализ и расчет спектра звуковых частот для последующей настройки путем механической обработки, что представляет собой трудоемкий процесс, увеличивающий себестоимость музыкальных инструментов и колоколов.

Известны также колокольные материалы в виде сплавов на основе меди, олова и свинца, которые имеют достаточно широкие тембровые возможности и высокое качество звучания вследствие медленного затухания звука, например материал для колоколов и звучащих элементов ударных музыкальных инструментов, содержащий медь, олово, свинец и другие компоненты (см. Оловянишников Н.Н. История колоколов и колокололитейное искусство, М. НП и Д "Русская панорама", 2003, 520 с.), выбранный в качестве прототипа, см. с. 397.

Этот материал известен как высокооловянная бронза, в которой содержится в мас.%: медь 78-80, олово 20-22, свинец - не более 0,15, фосфор - не более 0,10, цинк и остальное в виде примесей - не более 0,75.

Недостатком этого материала является значительная хрупкость готовых отливок и низкая прочность, ограниченность тембрового звучания, большой вес колоколов или элементов ударных музыкальных инструментов, а также дефицит олова и его высокая стоимость.

Перед разработчиками была поставлена задача: создать материал для колоколов или элементов ударных музыкальных инструментов, обладающий структурой материала с определенным уровнем прочности, пластичности и демпфирующей способности, от которых зависят качество звучания за счет определенного времени затухания звука, расширение тембрового диапазона колоколов и элементов ударных музыкальных инструментов, а также обеспечение экономии дорогостоящих составляющих материала.

Целью предлагаемого технического решения является повышение прочности и пластичности готовых изделий при высоком качестве звучания и расширении тембрового диапазона.

Поставленная цель достигается тем, что материал для колоколов или элементов ударных музыкальных инструментов, содержащий медь, олово, свинец, дополнительно содержит сурьму, при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 78,0-80,0, олово 8,00-10,00, сурьма 10,60-11,50, свинец 0,08-0,16.

Сущность этого технического решения поясняется следующим.

Основным фактором, определяющим акустические свойства колокольного сплава, следует считать наличие интерметаллида Cu₃₁ Sn₈ с низким уровнем внутреннего рассеяния энергии колебания. Звучность - доля энергии удара, трансформируемая в звуковую энергию, зависит от структуры сплава. При этом содержание компонентов в сплаве определено исходя из следующих закономерностей.

При содержании олова более 10,00 мас.% снижается удароустойчивость в процессе эксплуатации и жидкотекучесть материала в процессе получения отливки.

При содержании олова менее 8,00 мас.% снижается твердость отливки, при этом нижний предел содержания олова определяется не только экономией, но и необходимостью получения минимального упрочнения.

Сурьма повышает литейные свойства сплава, улучшает чистоту поверхности готового изделия. С увеличением содержания сурьмы до 11,50 мас.%, твердость заметно повышается, временное сопротивление разрыву изменяется незначительно, а пластические свойства снижаются.

При содержании сурьмы менее 10,60 мас.% отливки имеют неудовлетворительную твердость.

Свинец благоприятно влияет на жидкотекучесть и плотность сплава, способствует закрытию усадочных пор, которые образуются при литье.

При небольшом содержании свинца - не более 0,16 мас.% - получаются плотные отливки, относительно ковкие, легко обрабатываемые и чеканящиеся.

При содержании свинца более 0,16 мас.% в структуре сплава образуется обособленная мягкая металлическая составляющая, при этом снижаются твердость и прочность.

Дополнительный поиск в фондах патентно-технической информации не позволил обнаружить идентичные или сходные материалы или сплавы для колоколов и звуковых ударных элементов музыкальных инструментов, содержащие медь, олово, сурьму и свинец в указанных соотношениях.

Материал для колоколов и звуковых ударных элементов музыкальных инструментов, содержащий медь, олово, сурьму и свинец в указанных соотношениях, производят в индукционных печах, например, типа ИЛТ-0,4 (см. Цветное литье: Справочник / Н.М.Галдин, Д.Ф.Чернега, Д.Ф.Иванчук и др. - М.: Машиностроение, 1989, 528 с.; см. с. 286.)

В хорошо прогретую печь загружают куски катодной меди и древесный уголь. По мере плавления меди добавляют ее остаток. После расплавления зеркало расплава должно быть покрыто сплошным слоем древесного угля, в качестве которого используют хорошо прожженный прокаленный березовый уголь. Под слоем древесного угля расплавляют медь, нагревая до температуры 1150-1175°С, затем сплав очищают от шлаков и проводят раскисление введением фосфористой меди в количестве 0,1% от веса металла сплава, затем вводят подогретые сурьму, олово, свинец и перегревают сплав до 1250-1300°С. Далее проводят дегазацию сплава продувкой аргоном через графитовые трубки в течение 4-5 минут. Готовый сплав, тщательно перемешивая, очищают от шлака и выпускают в разливной ковш, где он выдерживается в течение 5-10 минут, после чего металл разливают по формам для отливки колоколов.

Отливки колоколов получают литьем по выплавляемым моделям. Процесс состоит из следующих операций.

По шаблону изготавливают пресс-форму из гипса, в которую заливают легкоплавкую модельную массу, типа ПС 50-50 (см. Магницкий О.Н., Пирайнен В.Ю. Художественное литье. Учебник для технических вузов и художественно-реставрационных училищ. - СПб.: Политехника, 1996, 231 с.; см. с. 156). Затем изготавливают модельный блок, на который наносят огнеупорную суспензию и слой кварцевого песка и производят сушку блока. Таким образом формируют многослойную оболочковую форму, из которой модельную массу удаляют паром.

Оболочковую форму, установленную в емкости с песком, прокаливают при температуре 800-900°С и заливают жидкотекучим сплавом заявленного материала. Материал приобретает форму оболочки и затвердевает.

В таблице на странице 4 приведены данные о предлагаемом сплаве.

Обозначения характеристик в таблице: δ - пластичность сплава, σ_в - прочность сплава.

Таблица.
Сплав	Sb	Sn	Pb	Cu	σв, МПа	δ,%	ψ,%
1	9,60	7,0	0,06	Ост.	236	4-6	0,45
2	10,60	8,0	0,08	Ост.	333	3-4	0,15
3	11,0	9,0	0,10	Ост.	334	3-4	0,14
4	11,50	10,0	0,16	Ост.	330	3-4	0,13
5	12,0	11,0	0,5	Ост.	333	1-1,5	0,13
6. Прототип	-	22,0	0,15	Ост.	312	0,19	0,10
Примечание: ψ - относительное затухание колебаний, определяется методом свободно затухающих колебаний на приборе типа ИВТ-1.

Из таблицы видно, что прочность и пластичность предлагаемого сплава (2-4) выше, чем известного (6) при практически одинаковой демпфирующей способности. Выход по содержанию компонентов сплава за его пределы ведет к снижению прочности и пластичности и к повышению уровня демпфирования (1-5) по сравнению с прототипом.

Предлагаемое техническое решение позволяет получать колокола и звуковые ударные элементы музыкальных инструментов с большой длительностью звучания и равномерностью затухания звучания. При этом предлагаемый сплав гарантирует полноту звучания инструментов и высокое качество тембра, что выражено через число обертонов и соотношениями их интенсивности.

Материал для изготовления колоколов или элементов ударных музыкальных инструментов, содержащий медь, олово, свинец, отличающийся тем, что дополнительно содержит сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь	78,00-80,00
Олово	8,00-10,00
Сурьма	10,60-11,50
Свинец	0,08-0,16.