日本金属学会誌

J‑STAGE 早期公開

シンバルの減衰特性に対する金属組織の影響
小川
渉1
文 珠 義 之1

菖 蒲 敬 久2
水 田 泰 次1

1

株式会社 大阪合金工業所

2

国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構

3

福井県工業技術センター

4

福井大学

5

株式会社 小出製作所

筧

瑞 恵3

鞍 谷 文 保4

小 出 俊 雄5J. Japan Inst. Met. Mater.
Ⓒ 2019 The Japan Institute of Metals and Materials

Effect of Metal Structure on Damping Characteristics of Cymbals
Wataru Ogawa 1, Takahisa Shobu 2, Mizue Kakehi 3, Fumiyasu Kuratani 4, Toshio Koide 5, Yoshiyuki Monju 1
and Taiji Mizuta 1
1Osaka Alloying Works, Co., Ltd., Fukui 910‑3138

2Japan Atomic Energy Agency, Sayo‑gun, Hyogo 679‑5148

3

Industrial Technology Center of Fukui Prefecture, Fukui 910‑0102

4

University of Fukui, Fukui 910‑8507

5

Koide Industrial Co. Ltd., Osaka 547‑0006

Cymbals are percussion musical instruments with a simpler structure than other musical instruments. Therefore, their material composition basically decides the sound quality and decay time rather than the skill of the player. In this study, specimens of cymbals to which Titanium, Zirconium and Iron were added were prepared. From the difference of diffraction rings by synchrotron radiation X‑rays, the crystal
structure of the specimens of cymbals prepared by various manufacturing processes was analyzed in order to investigate the relationship between the crystal structure associated with the material and manufacturing process used and the damping of the sound of cymbals. As a result,it was found that the changes in the crystal structure were due to the manufacturing process used. In addition, it was clarified that the changes
affected the damping of the sound of cymbals. ［doi:10.2320/jinstmet.J2018056］（Received October 5, 2018; Accepted January 8, 2019; Published February 18, 2019）

Keywords: X‑ray scattering, body musical instrument, cymbal, damping, synchrotron

1.

緒

言

変化させることに関しては，これまであまり研究されなかった 1）．
筆者らは国内唯一のシンバルメーカーである
（株）
小出製作

シンバルは体鳴楽器と呼ばれ，アジアを中心に紀元前所に対して，シンバル用の素材の開発を 10 年以上前から実3000 年以前から作られている 1）．シンバルの加工工程は，ま施するとともに，供給を行っている．本研究の目的は，シンず円形にカットされた素材に熱間プレスで
「ベル」
と呼ばれる

バルの音において重要な要素となる音の減衰時間と材料の金突起部分を成型し，ヘラで押しながら成形する「ヘラ絞り加属組織の相関を明らかにすることにより，音を制御するため工」で全体の形状を整形する．その後，ハンマーで無数に叩の材料設計及び加工工程設計の指針を得ることである．

いて音を調整するハンマリング加工工程および旋盤加工で厚

これまでに，加工工程において素材の Sn 濃度が上がるとみを調整する音溝加工を経て出来上がるが，シンバルの基本

加工性が悪くなることを経験的に明らかにしている．一方となる音は形状およびその合金成分で変わる．その主成分はで，Sn 濃度を高くすると音が変化することも経験的に明らCu と Sn で，特に Cu に 20 mass％Sn 以上含まれているもの

かにしていたが，このままでは加工が非常に難しかったことは通称ベルメタルと称され，シンバルの他にもチャーチベル

から，21〜23 mass％Sn と Sn 濃度を高くしつつ Zr，Ti およなどの様々な体鳴楽器に使用されており，古くからその組成

び Fe など第 3・第 4 元素を添加することで加工性を向上さは変わっていない．その理由は，シンバルを製造するメー

せる材料開発を行ってきた．この結果，主添加元素として

カーは組成に関して保守的であり，シンバルの最大手メー

Ti を添加（Cu‑23 mass％Sn‑0.3 mass％Ti‑0.03 mass％Zr，以後カーでは代々受け継がれてきた門外不出の製法であるため，

Cu‑23Sn‑0.3Ti‑0.03Zr と記す）することにより音の減衰が遅

組成を約 500 年間変えることはなかった．ゆえに組成が音をいシンバル，Zr を添加（Cu‑21Sn‑0.1Zr‑0.03Fe）することによ日 本 金 属 学 会 誌

2

り音の減衰が早いシンバルをそれぞれ製作することに成功し音の減衰の早さを制御するためであるが，23 mass％の Sn 濃

た．特に，後者の減衰が早いシンバルは，演奏のピッチが度のブロンズはほとんど伸びず，ヘラ絞り加工で割れてしま

年々速くなっているドラム用としてニーズが高まっている．

うため，加工性を向上させる目的で Ti を添加している．Fe故に，これら減衰の原因を解明することで，クラシック向けを添加しているのは硬度を上げるためである．溶解・鋳造法の静かな音やロック向けの明るい音などもっと多様なジャンとしては，Zr や Ti が活性金属であること，および Sn の逆ルのニーズに答えられるシンバルの材料・加工工程設計の指偏析を抑えるため，溶湯を坩堝ごと水で冷却し鋳造する水田針を得られることが期待される．

式溶製法を用いた 2）．鋳造したビレットを切断し直径 430
mm，厚み 1.6 mm まで 730℃で熱間圧延により加工したあシンバルの構造および製造工程

2.

と，730℃から水焼入れをそれぞれの組成で行った．その後，①熱間圧延上がりの 1 枚を残し，（株）
小出製作所において②Fig. 1 にシンバルの基本構造と各部位を示す．シンバルは

熱間カップ成型後，③冷間ヘラ絞り加工の加工を行い，それ中央の突起部分をベル，外周をエッジ，およびそれ以外の部

ぞれの加工工程毎に 20 mm 角の試験片を切り出した．また，分をボウと呼ぶ．シンバルは，「①熱間加工上がり」の薄い円

ベル部およびボウ部で組織の違いがあるか検討するため，ベ板を，「②熱間プレス加工」でベルを成形し，全体を「③ヘラ

ル部では中心から 60 mm，ボウ部では中心から 120 mm の位

絞り加工」して成型される．この時，真ん中の熱間カップ成置でそれぞれ 2 枚ずつ試験片を切り出した．したがって試験形部分は焼入れで少しゆがむため，ヘラ絞り加工でゆがみを片の枚数は，各素材が 21F，21ZF および 23ZT の 3 種類で，取っている．その後，音を調整するための調整加工工程に入

1 種類につきそれぞれ 5 枚，合計 15 枚である．Table 1 に試る．本研究では，素材と音との関係を議論するため，小出製

験片の種類を示す．また，加工過程③については，音の周波作所において成形加工であるヘラ絞り加工後のシンバルを作

数分析を行うため，もう一枚ずつ φ406 mm × 1.3 mmt で Bell

製し，Zr や Ti 等の添加元素がシンバルの金属組織に与える部の直径が 120 mm のシンバルを作製して，音の評価を行っ変化を調査した．

た．

3.

実

験

3.1

試験片

方

3.2

法

音の周波数分析

添加した Ti および Zr がシンバルの音響特性にどのような影響を与えるか調査するため，音の周波数分析を行った．一

試験片は，Zr および Ti の添加効果，特に減衰が早くなる

般的には叩く位置によって励起される振動モードが変わる．

理由を調査するため，Zr を添加していない標準試験片 Cu‑

そのため，シンバルを外縁から 20 mm で叩く力を 40N と一

21Sn‑0.03Fe（以下 21F とする）
を含め，Cu‑21Sn‑0.1Zr‑0.03Fe定にした．解析条件としては，周波数の範囲を 40 kHz，サ（ 以 下 21ZF と す る ）お よ び Cu‑23Sn‑0.3Ti‑0.03％Zr（以下

ンプリング点数を 16384 点とし，スペクトログラムによる周23ZT とする）の 3 種類の組成のものを準備した．ここで Ti

波数解析を行い評価した．また，どの素材のシンバルに関しを添加した試験片のみ Sn 濃度を 23 mass％としているのは，ても 4 kHz 近傍の周波数のピークが大きく他の周波数より読み取り易かったため，FFT タイムトレンド解析結果から 4
kHz 付近のピークをもとに読み取り，ヒルベルト変換を用いて減衰比 τ を算出した．

Fig. 1

Cross section of a cymbal.
Table 1

τ = D/(8.68 × 2π f )（1）

ここで，8.68 は dB 値を変換するための定数値，τ は減衰比，Types of specimens and collection part（◯ mark）.

シンバルの減衰特性に対する金属組織の影響

3

D は音の減衰度で 1 s 当たりの減衰量（dB 値）で，1/3 オク
ターブ分析で得られたスペクトルの波形崩落から求めた．また，f はそのスペクトルの周波数である．今回はどの組成のシンバルに関しても時間に比例して減衰しているため，D は
2.5 s 後および 5 s 後の音圧の値がどのくらい小さくなっているかをグラフから読み取り算出した．また，τ は減衰比で減
衰振動の減衰特性を表す量（％）である．この τ の値が小さいほど減衰は遅いこと，すなわち音が長くなることを示している．
組織観察および硬度測定

3.3

試験片を樹脂埋めして研磨した後，硝酸の希釈水を用いてエッチングし，日本電子（株）製の電子線マイクロプローブア
ナライザー（EPMA

Fig. 2

Set‑up around specimen on X‑ray diffractometer.

Fig. 3

Area detector（Image plate）behind specimen.

JXA‑8500F）を用いて相がどのように存在するかを確認するため組織観察を行った．
また，材料評価の一環として，（株）明石製作所製のビッカース硬度計を用いて 20N の力で硬度を測定した．ここで，シンバルの組織は 2 相であることから，比較のため，単相のα 相として Cu‑15 mass％Sn，β 相として Cu‑24 mass％Sn の試験片を作製し硬度評価を行った．なお，β 相は 720℃で 5
min 熱したのち水焼き入れを行い，組織を凍結させて作製した．
3.4

金属結晶構造解析

3.1 で切り出した試験片を用いて，シンバルの組成および加工工程毎で金属の転位密度および結晶構造を解析した．実
験は，大型放射光施設 SPring‑8，BL19B2 で実施した．Fig.
2，3 に SPring‑8 での測定の様子を示す．放射光 X 線のエネ
ルギーは，Si（311）面から得られる 72 keV を使用した．本エ

的に音の減衰時間が長い．また，4 kHz，10 kHz 付近の音がネルギーを使用した理由は，シンバルから切り出すため表面

大きく鳴っている．

がいびつであることから，表面解析よりも，透過で材料内部

次に 3 種類ともピークが大きくなっている 4 kHz 付近に着を含めた平均的な結晶構造の評価が，音の変化との相関を見目し，それぞれの減衰比を算出した．その結果を Table 2 に出せると考えたことによる．BL19B2 の大型 X 線回折計の中示す．減衰比は大きいほど，その周波数の減衰時間が早いこ央に試験片をセットし，回折計の上部に整備した入射スリッとを示している．解析の結果，小さい順で 23ZT → 21F →トにより 0.2 mm × 0.2 mm に成形された X 線を試料に照射し21ZF と な っ て お り，23ZT と 21ZF で は 3 倍 の 差 が あ る．

た（Fig. 2）
． 試 験 片 か ら の 透 過 回 折 X 線 を， 試 験 片 か ら

23ZT は減衰が長く，21ZF では減衰が極端に短く，21F はそ

952.5 mm 離れた位置にセットした 400 mm × 200 mm のイの中間となった．この結果から，組成の違いがシンバルの音

メージングプレート（以下 IP）で 3.6 ks 露光し，試験片からに大きく影響を与えていることがわかる．そこで，シンバルの回折リングを計測した（Fig. 3）．これらの一連のデータのの音の減衰に与える影響を解析するため，組織観察，硬度測

1 次元変換には Fit2D を使用した 3）．

定及び X 線回折による結晶構造解析を行い評価した．

4.

実

験

結

果

4.1

21F，21ZF および 23ZT の音の周波数解析結果

4.2

組織観察結果Fig. 5 に Cu‑Sn 合金の 2 元系状態図を示す 4）．このシンバルの成分では α，β 相の近くに γ 相および ε 相が存在するこFig. 4 に 21F，21ZF および 23ZT のスペクトログラムによとがわかる．また，硬くて脆い δ 相も存在する．この δ 相がる音の周波数解析結果を示す．これは，どの周波数帯域の音あるとそこを起点に簡単に割れが発生してしまうため，シン成分が響いているのか，残響に影響する周波数成分を調べる

バルにおいてはヘラ絞り加工ができないことから，720℃のために解析した結果で，白から黒に変わると音が無くなるこ

水焼入れにより δ 相を高温相である β 相に相転移させ，組織とを示している．21F では，特に 2〜6 kHz 付近の音が鳴りを β 相に凍結させる必要がある．

続く．21ZF では 2 kHz および 4 kHz 付近の音でピークが高Fig. 6 に，21F，23ZT の組織観察の結果を示す．2 次電子

くなっているが，4 kHz 以上ではピークがほとんどない．一像（以下 SEI）で観察すると主に β 相（灰色）と α 相（黒）の 2 相方，23ZT では全域で鳴っており，他の組成に比べると全体である．α 相は初晶としてデンドライト状に晶出するが，ヘ日 本 金 属 学 会 誌

4Fig. 4Frequency analysis results by spectrogram of 21F, 21ZF and 23ZT.

Table 2

Calculation results of the damping ratios τ of 21F, 21ZF and 23ZT.

ラ絞り加工後の組織を見ると α 相が 30〜100 μm の大きさでると白い部分が存在する．これは数 μm の大きさの Zr 炭化

分散していることがわかる．これはヘラ絞り加工により初晶物であり，本測定から Zr 炭化物が分散しているのが観察さのデンドライトが崩されて細かくなったと推察される．まれた（Fig. 8）．21F と 21ZF で減衰比が 3 倍になったのは，こた，β 相を見ると針状組織が見られるが，これは β 相のマルの Zr 炭化物が何らかの影響を与えていると推察される．

テンサイト相の βʼ 相である 5,6）．したがって，Sn 濃度が 21％
だと主に α 相，β 相および βʼ 相の 3 相ということがわかる．
次に 23ZT で観察すると，この組織は主に β 相で，α 相は見4.3

硬度測定結果音響と硬度との相関を明らかにするため，硬度測定を行っられない．また，21F 同様，2 次電子像で β 相を見るとマルた．Table 3 に加工工程ごとに切り出した 21F，21ZF およびテンサイト相である βʼ が観察される．このことから，23ZT

23ZT の硬度測定結果を示す．また合わせて測定した単相材

は β 相および βʼ 相の 2 相で構成されているということがわの硬度を示す．α 相および β 相の硬度は，それぞれ約 110

かる．

HV，約 310 HV となり，β 相の方が約 3 倍硬度が高い．

Fig. 7 に 21ZF の反射電子像（以下 COMP）による組織観察

一方，どの素材でもヘラ絞り加工前までは，硬度は変わらを示す．主な組織は 21F と同様，α 相，β 相および βʼ 相の 3ない．これは，熱間上がりおよび熱間プレス後は割れる原因

相から構成されている．21ZF ではこの組織に加え，拡大すとなる δ 相の析出を抑えるために 720〜730℃での 2 次再結シンバルの減衰特性に対する金属組織の影響

Fig. 5

Fig. 6

Fig. 7

5

Phase diagram of Cu‑Sn alloy 4）.

Results of tissue observation of 21F（left）and 23ZT（right）（SEI）.

Structure observation of 21ZF（COMP）.

晶温度で熱処理を行っており，加工硬化の影響が少ないと推Fig. 8Zr carbide of 21ZF
（COMP）.

度が高くなっている．

察される．しかし，冷間でのヘラ絞り加工後に関して，21F

硬度が上がる理由としては，冷間加工によるヘラ絞り加工

および 23ZT では大きく変化しないのに対して，21ZF は硬により析出物周辺の転位密度が上がること，もしくは加工に日 本 金 属 学 会 誌

6
Table 3Vickers hardness of Bell and Bow in 21F, 21ZF and 23ZT. and α, β phase.

より金属の結晶が変化する加工誘起相転移により硬い組織が析出するためであると推察される．21ZF では Zr 炭化物が存在するため，その周りの転位密度が上がった，もしくは硬い組織が析出したことが，シンバルの音の減衰に影響を与えていると推察される．
4.4

IP による X 線回折リング測定結果

2 次元検出器である IP を用いて，測定される回折リング
から結晶構造を解析した．また，21F および 23ZT に関しても 21ZF シンバルのような加工誘起相転移と想定される現象が起きているかどうかを比較検証した．Fig. 9 に 21F，21ZF
および 23ZT 素材で作製した熱処理後，ベル部の熱間プレス
後，ヘラ絞り加工後における回折リングを示す．いずれも複数の回折リングが得られているが，明瞭な線になっている部
分が α 相，点線になっているのは β および γ 相，それに加えて βʼ 相が得られた．次に加工工程毎に回折リングの変化を解析した結果，21F では加工を経ることで回折リングがぼ
やけ，加えてヘラ絞り加工後はストリーク状の回折が見られる．これは加工により塑性変形されて結晶が細かくなっているためと推察される．また，ストリーク状の回折は βʼ および γ 相で見られた．23ZT では，α 相はなく，βʼ および γ 相であり上記同様にストリーク状の回折が見られた．
21ZF では熱間加工上がりの材料に関して 21F と同様の回
折リングが得られるが，熱間プレス後でストリークが大きくなり，ヘラ絞り加工後では全体的に回折リングがぼやけ，新しい相の回折リングが確認できる．この新しく析出した相を同定するため，回折リングから得られる 1 次元変換した X

Fig. 9X‑ray diffraction patterns of each processing step.

線回折パターンから，相同定を行った．
4.5

一次元化した X 線回折パターン解析結果

新しい相が出現した 21F，21ZF および 23ZT で新しい相がないため，相はほとんど変化していないといえる．しかし
21ZF では冷間加工であるヘラ絞り加工を施すことで，6.24°
でピークが確認された．Cu‑Sn の 2 元系合金は様々な相があ析出しているか検証するため，X 線回折パターンを一次元化り，その中で相同定した結果，新しいピークは ε 相（2 10 1）

して解析した．Fig. 10 に Fig. 9 を一次元化した X 線回折パ面または（0 20 2）面もしくはその両方であると推察できる．

ターンを，Fig. 11 には Fig. 10 の 5.8°から 6.8°まで範囲を拡

そして，この ε 相はビッカース硬度で 377〜393 HV と硬い

大した X 線回折パターンをそれぞれ示す．なお，相同定にことから 7），この相の析出が 21ZF の硬度を硬くしたと推察

は JCPD カードを用いた．21F および 23ZT ではヘラ絞り加される．また，α 相より βʼ 相と γ 相のピーク強度が小さく工で回折プロファイ幅の広がりに変がないことから，転位密なっていることから，加工を加えることでこれらの相が ε 相度の変化もほとんどない．また，新しいピークが出現していに変化したものと考えられる．

シンバルの減衰特性に対する金属組織の影響

次に 21ZF に関して，どの加工工程で ε 相が析出したかを調査した．Fig. 12 に加工工程ごとの 21ZF の回折プロファイ

り加工後のベル部とボウ部の硬度差として現れたと推察される．

ルを示す．どの部位においても熱間プレスまでは ε 相は析出していない．しかし，冷間加工であるヘラ絞り加工で ε 相が析出していることが確認できる（赤線および緑線）．ここでヘ
ラ絞り加工後の ε 相のピークの大きさについて，ベル部とボ

7

5.

考

察

音の減衰比と組織の関係について考察した．今回測定したウ部で比較すると，ベル部ははっきりとピークが見えるのに

3 つの組成に対して，減衰比は 23ZT → 21F → 21ZF の順で大

対して，ボウ部はわずかにピークが見えている程度とベル部きくなっている．21F と 23ZT を比較すると，21F の方が減よりもピーク強度が弱い．これは析出している ε 相の析出し衰比の値が約 1.3 倍大きい．組織観察および X 線回折では αた割合がベル部の方が多かったためであり，この差がヘラ絞相の割合が 23ZT に比べて 21F の方が非常に多く，硬度測定

Fig. 10

Fig. 11

Diffraction pattern of 21F, 21ZF and 23ZT after spinning.

Diffraction pattern of 21F, 21ZF and 23ZT enlarged from 5.8 to 6.8 degrees.

Fig. 12Diffraction pattern for each processing step of 21ZF.

日 本 金 属 学 会 誌

8から α 相と β 相では α 相の方が柔らかいことを明らかにしきい，すなわち減衰時間が早いことを明らかにした．また，ている．以上の結果から，21F の減衰比が大きい要因は，ヘZr 炭化物が存在している素材においては，さらに減衰比がラ絞り加工により分散された α 相が振動を吸収することで大きくなり，その要因は，ヘラ絞り加工を施すことで加工誘減衰比が大きくなったと推察される．逆に α 相がほとんど起相転移により硬度が高い ε 相が析出し，母相との粒界で振ない 23ZT は減衰比が小さくなっていると考えられる．音の動エネルギーが熱エネルギーに変換されて振動がさらに減衰

減衰に関しては，単相よりも 2 つ以上の相が存在し，各相のするためであると推察された．

硬さが異なる場合，柔らかい相が振動を吸収することが報告

これまで経験的に音の制御が行われてきたシンバルである

されている 8）．そして，これらの 2 つよりも減衰率が高いが，本研究により組織制御と析出物の制御により自在に音を21ZF に関して α 相の割合が高いことも明らかにしている．

制御できる糸口が見出された．

以上を踏まえると，Sn の割合が 21％付近の Cu‑Sn 合金にお本研究は SPring‑8 のビームラインにおける共同利用課題

ける基本的な減衰比は α 相の量に依存し，この量を調整することで音の減衰の制御ができると考えられる．

の成果である（課題番号 2017B1599）．実験に際してご支援頂

一方，21ZF は，音の減衰比が 21F と比べて約 2 倍大きい．

いた産業利用推進室の佐藤眞直様に感謝の意を表する．本論

回折測定の結果，21ZF では，前述した α 相の量の違いに加文を作成するにあたり，JCPD カードをご提供頂いた京都大

えてヘラ絞り加工による加工誘起相転移により 21F および学の野瀬嘉太郎准教授，ご助言頂いた関西大学の大石敏雄元

23ZT では析出しなかった硬い ε 相が Zr 炭化物の周りに析出教授に感謝するともに，心から敬意を表する．なお，本研究した．

は戦略的基盤技術高度化支援事業の助成を受けたものであ

この硬い相があると，母相との粒界で摩擦が生じ，その摩る．

擦により，振動エネルギーが熱エネルギーに変換されたた
め，振動が減衰することが報告されている 9）．ゆえに，ヘラ
絞りにより析出した ε 相が，シンバルの音の減衰比を最も大きくした要因であると推察される．

6.

結

言

本 論 文 で は，Ti，Zr お よ び Fe 等 を 添 加 し た シ ン バ ル（Cu21〜23 mass％Sn 合金）の素材を作成し，シンバルとして加工する工程ごとの組織および硬度の変化と，素材ごとのシンバルの音，特に減衰比に与える影響との関係を調べた．
基本的なシンバルの音の減衰比については，単相の組織よりも 2 相以上の組織になっているシンバルの方が減衰比が大文献1） H. Pinksterboer: The Cymbal Book（Hal Leonard, Milwaukee, WI
1993）pp. 111‑179.
2） H. Taniguchi, K. Osamura, A. Kikuchi and T. Mizuta: TEION KOGAKU（J. Cryo. Super. Soc. Jpn.）50（2015）186‑193.
3） A. P. Hammersley, S. O. Svensson, M. Hanfland, A. N. Fitch and D.
Hausermann: High Press. Res. 14（1996）235‑248.
4） T. B. Massalski and H. Okamoto: Binary Alloy Phase Diagrams（ASM International, Material Park, OH, 1990）pp. 1481‑1483.
5） H. Morikawa, K. Shimizu and Z. Nishiyama: Trans. JIM 8（1967）
145‑152.
6） N. F. Kennon and T. M. Miller: Trans. JIM 13（1972）322‑326.
7） F. Miyashita, S. Okuda and G. Miyatani: Kinzoku Hyomen Gijutsu 32（1981）453‑458.
8） The Japan Institute of Metals and Materials: Metal handbook（ 6th edition）,（Maruzen Publishing Co., Ltd., Tokyo, 2000）pp. 783‑787.
9） M. Kasai, F. Fujitsuka and A. Hibino: J. Jpn. Soc. Powder Powder
Metallurgy 62（2015）400‑407.