美国专利US3722352和US4457203公开了用不同方法照亮正在 演奏的乐器的琴键。美国专利US5907115公开了一种附加装置，用 于传统的键盘乐器，一些发光二极管(LED)配置于该装置之上。在上 述的三项专利中，琴键和显示元件之间，都是一个LED与一个琴键 对应的。它们都以预先在存储器中储存的曲调为基础，也都是只使 用发光类显示元件。

本发明是以输入声音信号为基础，为一个键盘乐器在弹奏乐曲 时显示其要被按下琴键的设备。不同声音输入的泛音成分(overtone 也被显示。
任何来自一个音阶与音乐参考标度(reference music scale)的声音 输入偏差都被显示。因此本发明的一个目的是提供一种设备，使人 们能够跟随来自其他表演者所演奏的乐器的声音或歌声，看到演奏 者要按下的琴键。本发明亦可用于处理来自另一发声设备的声音， 因而看见要按下的琴键。
本发明的另一目的是提供一种放置于键盘乐器上的设备，它让 人看见音乐参考标度在声音输入音阶的偏差。
本发明的另一目的是提供一种放置于键盘乐器上的设备，它使 人看见存在于一个声音信号的多个声音，以及每一个声音的音阶的 和泛音成分。
本发明的一个不同目的是提供一种帮助学习琴键盘乐器的工 具。
本发明还有一个目的是提供一种能令作曲家看见不同的乐器和 音阶的相互作用(Interplay)的设备。
本发明是一种用于键盘乐器的设备。它既可以是乐器的一部分， 又可以是分开放在琴键面上的附加设备。当作为附加设备时，定位 部件在该设备上是可配合琴键形状的。定位部件可使该附加设备放 在琴键上的适当位置。该附加设备可以组合成单一的长条，其长度 覆盖所有的琴键，也可以分拆成为短节。当分拆为短节和并排放置 时，它们可以被实际上连结起来。它们能彼此通信而作为一个单元 工作。它们也能彼此不通信地工作，但是各自负责显示不同的音阶 范围，并且本质上执行着同一个运算法则，所以它仍然是象单一的 设备工作。
本发明的一种用于键盘乐器的设备，包含：
a)一个输入声音信号的声音输入部分；
b)一个用于计算频率组合成分的处理部分，它对声音信号，频 率组合成分的最相近音阶，其偏差和它的泛音进行处理；对频率组 合成分进行分组，和输出在显示元件上显示的图形；
c)一个显示部分，在不工作的时候它就像琴键的一部分，且会 改变颜色以显示输入声音的音阶和跟标准音阶的偏差程度。
该设备还包含一个存储器。
该发明的声音输入部分可以是一个拾音装置，接收外部的声音。 它也能接收来自不同电子装置的输入，例如MP3播放机，光盘[CD] 播放机，乐器数字接口[MIDI]键盘或电子计算机。基本上，任何可以 产生模拟或数字形式的声音的乐器或音乐装置都是可以被使用。它 也能读出已经被储存在存储器中的声音数据。
输入的声音被传到处理元件，用于计算那些存在于声音信号里 的频率组合成分。有很多不同的转换方法，把时域数据转换为频域 数据，在这里都不深入地说明。举例来说，快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform)属于数字处理，而滤波器组(filter band)可以用数字或模拟 元件实施。
从时间转换到频率后，我们可以发现在频域里频率组合成分都 带有主要的高峰。组合成分是一个频率的简单倍数(泛音)的，都被一 一整合，被一个最低的频率组合成分所代表，这就是该组的基本频 率。群组(Group)的不同基本频率被分开地处理，使得该设备能够显 示多个声音，这些声音是从声音输入的部分接收的。那些共同成为 一组的组合成分的振幅象征着跟基本频率有关的声音特性。因此， 这个音阶的显示将会反映出那些不同的乐器所产生的声音以及其它 能影响泛音组合(composition)的声音产生条件。
至于从基频所得到的每个组群是与使用中的音调等级(tonal scale) 作比较。举例来说，在十二平均音调中，中间音阶C(middle C)是261.3 赫兹，而且每半个音阶(semi-note)是二的十二分之一次方，其值近乎 1.06。还有其它的音调例如自然[Natural]和毕氏[Pythagoras]音调。
需要按的琴键正是最靠近基频的频率的一个音阶。相应琴键的 一个或多个显示元件是被用来显示该音阶的特性。以音调为基础， 那些在被显示的有关琴键元件的邻近显示元件是用来指示跟基准频 率的偏差程度。
举例来说，一个基频是262赫兹的声音将会导致中间C调(middle C)的那些显示元件发光。元件发光是根据它的泛音组合。一个方法 是用一个唯一的显示元件在那个琴键，或用不同颜色的多个显示元 件来反映该基频的泛音组合。显示元件使用不同的颜色或亮度来反 映每个泛音的强度。除此之外，像颜色的混合，基频的每个泛音是 被指定一种不同的颜色所代表，而且颜色的比例以各自的泛音组合 成分振幅为依据。此外，那些不同的泛音可以再被分拆成子组(sub- group)，这样当某个子组没有组合成分存在时，对应这个子组的显示 元件就会完全黑暗。举例来说，假设那些泛音被分拆成为单和双倍 数的泛音，而对于基频只用一个分开的显示元件，然后对于一个没 有泛音的纯粹正弦波，只有基频的显示元件会光亮起来。单和双倍 数泛音的显示元件都是黑暗的。对于一些乐器如果只有单数倍数或 双数倍数泛音，只有基频的显示元件和另外两个显示元件中的一个 会发亮，光亮和它的颜色反映泛音组合。在相邻向着较高的音阶音 调显示元件是用作指示0.7赫兹的偏差。假设每个琴键只有一个显示 元件，那麽该邻近较高的音调音阶显示元件便是对应于C#(C Sharp) 的显示元件。它可以使用不同的颜色或亮度来指示偏差的程度。它 也可以是属于一种固定的颜色，用暗淡和变亮的闪动速度反映偏差 的程度。
在上面被描述的那些显示元件，在处理部分的控制下都被认为 能够显示不同的颜色。它是从来自一个反射型显示装置，或一个发 光装置，或一个连同光源的光阀所挑选出来的。它们可以有线条分 明的分界线，例如LCD[液晶显示器]，或使用一个用于覆盖着显示元 件的模糊分界的散光器(diffuser)。
附图说明
本发明的上述和其它目的，结构和特征结合附图阅读本申请时 就会显得更加清楚。其中：
图1表示本发明的设备的方框图；
图2表示两个本发明的设备排成一列放置在键盘乐器上的透视 图；
图3表示泛音的频率组分的图象；
图4表示一个琴键一个显示元件的本发明设备的顶视图；以及
图5表示一个琴键多个显示元件的本发明设备的顶视图。

现在参照附图通过实例说明本发明的设备。
首先参考图1，其中显示本发明设备的方块图，编号1表示声音 输入部分。2表示处理部分，3表示显示元件，和4表示存储器。声 音输入部分1与存储器4相连，以及与处理部分2相连。处理部分2 的输入端从声音输入部分1接收声音信号，然后依次进行频率成分 计算、分组处理和显示计算，处理部分2的输出端与显示元件3相 连，处理部分2的另一个端子与存储器4相连接。
图2显示设备放置在键盘乐器的琴键上的情况。如图所示，两 个设备20和30排成一列地放置，其覆盖范围比单一设备长。
图3表示该处理元件所用的主要方法。频率组合成分被检出 (Detected)，而且每个接近基本频率的倍数的频率成分(泛音)都被分 组。11表示第一个音阶和它的泛音，12表示第二个音阶和它的泛音， 13则表示第一个音阶和第二个音阶的泛音的相互作用。
图4表示一个本发明的最佳实施例，这里表示只有一个显示元 件与一个有关的琴键101。频率组合成分表示为在显示元件302的色 泽，或是完全没有色泽地被显示出来。声音输入与标准音阶的偏差 被附近的显示元件303的视觉效果表现出来。
图5表示本发明的另一个最佳实施例，每个琴键101都有一个 对应的显示元件302。当有输入的声音符合着这琴键的音阶，这个琴 键的显示元件就会发光。在对应那些琴键的显示元件之间是附加的 显示元件305；它是用来显示那些琴键所代表的频率偏差。与每个琴 键有关的显示元件304的另外一组是用来指示基频倍数的频率组合 成分。