技术领域
[0001] 本实用新型涉及数码乐器的系统、关键元件及数码乐器实例。
背景技术
[0002] 随着
电子及数码技术的发展，数码或者电子乐器已经有很多的种类，例如
键盘类、拉弦类、吹管类。
[0003] 普及较广的键盘形式的电子乐器可以模拟几乎所有乐器的声音，通用性强，但是无法全面再现乐器丰富的演奏技巧和音色变化，模拟管弦类乐器时最为突出。
[0004] 市场上已有的拉弦类电子乐器如电小提琴最大限度地保留了自然乐器的结构和原理，演奏者利用琴弓或
手指拨弦，激发琴弦振动，
拾音器拾取琴弦振动
信号后，然后通过电子线路或
数字信号处理环节实施放大、滤波以及更复杂的处理，产生声音输出。这种原理有利于保留自然乐器的演奏技巧，但它是不彻底的电子化或数码化，信号产生过程中仍然依赖琴弦的物理振动，这带来了几个不利的结果：首先，这种原理造成了信号源与输出两套声音，容易在听觉上形成互为噪音的结果，同时也限制了信号系统变换、润色的空间，使电子乐器的优势难以体现；其次，电声输出和琴弦、琴体的振动之间容易发生耦合，形成自激啸叫，为了抑制啸叫，功率输出一般不得不从琴体中移出去，设计为独立的外部音箱，这种方案不利于乐器的紧凑性和便携性。
[0005] 比起拉弦类电子乐器，市场上已有的数码吹管、电子吹管不再依赖振动信号源，是较为彻底的电子或数码乐器。但是目前的控制输入方式接近西洋声学
管乐器，控制以
开关量为主，包括音高按键、八度开关等。在演奏中国民乐等灵活度较大的音乐时，用开关表达不了
力度、
姿态的全部信息，控制手法不够自然，限制了滑音、泛音等演奏技术的变化范围和灵活度。
[0006] 从音效、表达丰富性、便携性等需求出发，数字乐器需要抛弃中间性的振动信号源，并以模拟量为主要控制参数。实用新型内容
[0007] 本实用新型描述的参数化数码乐器系统实现这一目标。乐器系统直接
感知演奏者各个运动器官的动作
位置、位移、力度、速度的幅值，将其作为控制参数，计算这些控制参数对应下的声学结果，输出乐器的声音及
力反馈。具体而言，由音高感知器、激励感知器直接采集演奏动作的模拟量，经输入
电路整备为数字信号后，作为控制参数输入给数字信号运算器计算其对应的声学结果，结果经输出电路驱动放音设备；乐器系统同时通过
制动器、振动器对演奏者施加反馈力感，通过姿态感知器为演奏者提供额外的控制及变换
自由度，通过
控制器完成
人机交互。本实用新型同时提出了原理
框架中关键传感部件的原理和实现和方式，以及基于此原理框架的
弦乐器、管乐器实例的实现方式。
[0008] 本
发明描述的原理和数码乐器实例保留了自然乐器的演奏方式、演奏感受和表达要素，赋予乐器较大的音乐变换、润色空间，同时具有拆解灵活的优点。
附图说明：
[0009] 图1参数化数码乐器原理框架
[0010] 图2指压位置测量电路原理
[0011] 图3传感指板
[0012] 图4利用滚筒模拟弓弦激励的原理
[0015] 图7传感吹口
[0016] 图8制动器工作原理
[0017] 图9数码提琴
[0018] 图10数码胡琴
[0019] 图11数码吹管
[0020] 具体实施方法：
[0021] 本实用新型所述的管弦类数码乐器系统框架如图1所示。乐器系统包音高感知器(11)、激励感知器(12)、输入电路(13)、控制器(15)、数字信号运算器(16)、输出电路(17)、放音设备(18)、振动器(19)、姿态感知器(1a)几个单元。各单元的具体功能为：
[0022] ● 音高感知器(11)：演奏者手指操作的对象，承受并测量手指按压位置和压力，作为数字乐器的音高产生依据；
[0023] ● 激励感知器(12)：演奏者琴弓、嘴唇的操作对象，承受并测量激励的力度、和方向；
[0024] ● 输入电路(13)：将演奏动作参数由
电信号转换为数字信号。输入电路包含可选的制动器(131)；
[0025] ● 控制器(15)：负责人机沟通；
[0026] ● 数字信号运算器(16)：根据乐器建模产生
声音信号、阻力及振动信号；
[0027] ● 输出电路(17)：将数码乐器产生的声音信号从模拟转换为电输出；
[0028] ● 放音设备(18)：是
耳机、二次功放及音箱、无线外放设备之一或者组合。放音设备是可选择性包 含的单元，依据成本等因素取舍；
[0029] ● 姿态感知器(1a)：感知乐器在演奏者操纵下的倾
角、
加速度等姿态参数。
[0030] 图1所示数码乐器系统的主干性信号流程为：
[0031] ● 音高感知器(11)、激励感知器(12)感知到演奏者的控制意图，将其转换为模拟量电信号，传送到输入电路(13)；
[0032] ● 输入电路(13)对参数信号进行加工，进行杂波滤除、模拟运算、量程转换等预处理工作、然后通过AD转换将参数信号转换为
数字量，作为控制参数信号传给数字信号运算器(16)；
[0033] ● 数字信号运算器(16)在数字域根据参数信号进行运算，计算出乐器及声学环境的响应，将计算结果作为乐器的音乐输出，以数字形式传送到输出电路(17)；
[0034] ● 输出电路(17)通过DA转换把音乐输出转变为模拟量，对输出进行必要的功率放大和其他操作，通过有线及无线等传输通道，到达放音设备(18)转换为声音输出。
[0035] ● 控制器(15)向演奏者呈现乐器状态，接受演奏者的控制意图，并控制输入电路(13)、数字信号运算器(16)(DSP)、输出电路(17)单元，使乐器按照演奏者的意图工作，改变乐器的工作规律。
[0036] 自然乐器的音高控制一般是通过手指按压琴弦或音孔改变位置和压力，导致参与振动的琴弦/气柱的长度和拉/压力发生改变，进而改变振动
频率实现的。本实用新型为了模拟这一自然演奏方式，采用音高感知器(11)传达相同演奏意图但不引入物理振动。音高感知器根据电位器原理测量指压位置，其电路原理参见图2。模拟琴弦或吹管的长条状电位
电阻R(21)与恒流源I(26)
串联，使触点位置与测量的电位成正比。当手指按压时，检测触头受压而
接触电位器的不同位置，感知到不同的
电压，从而推测出指压位置。触点h和l模拟两个手指对琴弦/孔的按压，将电阻划分为3段：Rh(22)、Rl(24)和中间段。利用
运算放大器对Rh(22)、Rl(24)两端的电位做减法得出其分压值Vh、Vl，继而可以推算出按压位置。手指全部悬空的情况对应于触点h和l同时脱离接触，此时大阻值上拉电阻Rbh(23)、Rbl(25)将分压值拉向电位电阻(21)上端，此时测量的电位对应于自然乐器的琴弦/吹管全长，即空弦或筒音位置。
[0037] 图3是音高感知器(11)的一种具体实现一传感指板(31)，用以模拟自然弦乐器的按弦效果或者自然管乐器按孔效果。传感指板(31)固定在乐器的
琴身/管身(32)上，当演奏者手指按下时，传感指板(31)将按指的位置和压力转换成电信号。传感指板(31)由多个功能呈长条状部件层叠而成。这些部件包括：
[0038] ● 压力
传感器(312)：演奏者手指按下时，输出演奏者按指的压力信号；
[0039] ●
位置传感器(313)：演奏者手指按下时，输出演奏者按指的位置信号；
[0040] ● 保护面板(311)：
覆盖在
压力传感器(312)和位置传感器(313)上面，由柔性或半刚性材料制成，其作用包括传递手指压力，美化外观，保护传感器；
[0041] 传感指板(31)也可以是单一的复合型器件，同时兼顾压力传感器(312)、位置传感器(313)、保护面板(311)的功能。复合型器件的具体实现形式包括但不限于敏感电阻(FSR)或压力位置敏感电阻(FPSR)。
[0042] 自然乐器演奏时，琴弓对琴弦的激励，或者嘴唇气流对吹口的边棱的作激励，导致弦振动或者空气振 动发声。激励作用力的大小、速度、方向决定了声音的幅值、声音的音色和其他特征。本实用新型采用激励感知器(12)传达相同演奏意图但不引入物理振动。本实用新型同时给出两种激励感知器(12)的具体实现形式：用于数码弦乐器的传感琴马(51)、应用于数码管乐器的传感吹口(71)。
[0043] 图4是用于弦乐器的激励感知器(12)的模拟原理。当琴弓(41)作用于滚筒(42)时，滚筒(24)承受的径向力向量F反映琴弓(41)的压力幅值和方向，通过压力方向角度间接也可以推测出若干虚拟的琴弦中哪一个是受力的，运弓速度由滚筒(42)受摩擦产生的转速V模拟。这些物理量测量出后，可以作为参数推算弓弦激励产生的声音结果。
[0044] 图5所示的传感琴马(51)是基于图4所示原理实现的一种激励感知器(12)，应用于数码拉弦乐器。传感琴马(51)的组成零件及工作原理为：
[0045] ● 摩擦筒(511)：承受和传递琴弓的径向压力和周向
摩擦力，并传递到
转轴，对琴弓施加反作用，由轻质、高表面
摩擦系数的材料制成；
[0046] ● 转轴(512)：用来
支撑摩擦筒(511)，传递摩擦筒(511)的转动和径向压力到
转速传感器(513)、二维压力传感器(514)；
[0047] ● 转速传感器(513)：测量转轴的旋转速度，将琴弓速度转换为电信号输出。实现形式包括但不限于选择测速
电机；
[0048] ● 二维压力传感器(514)：用来测量转轴(512)传来的摩擦筒(511)所承受的径向力向量，将琴弓压力转换为电信号输出。实现形式包括但不限于电阻应变片、压力感应电阻或MEMS压力传感器；
[0049] ● 支座(515)：支撑传感器的运动部件，连接琴身。
[0050] 当转速传感器(513)是测速电机等换能原理的类型时，其输出可以用来拖动负载电路，模拟自然乐器振动的耗能、阻尼，并提供对激励的反作用力。
[0051] 图6是适用于吹管乐器的激励感知器(12)的模拟原理。气流的方向由舵面(61)受力后使转轴偏转的仰角A代表，气流的速度由
风扇(62)的转速V代表。这些物理量测量出后，可以作为参数用来推算吹孔激励的声学结果。
[0052] 图7所示的传感吹口(71)是基于图6原理实现的一种激励感知器(12)，应用于数码吹管乐器。传感吹口(71)的组成与工作原理为：
[0053] ● 吹口壁(711)：形成气流通道，封装、支撑运动部件；
[0054] ● 转轴(712)：支撑舵面(714)和风扇(715)，传递其承受的气流速度和压力；
[0055] ● 转速传感器(713)：测量转轴(712)等活动部件的旋转速度。实现形式包括但不限于测速电机。
[0056] ● 舵面(714)：用来感知激励气流的方向；气流沿径向的压力分量抬压舵面，并通过转轴传到二维压力传感器(717)；
[0057] ● 风扇(715)：感知激励气流的速度，在气流作用下发生转动；
[0058] ● 二维压力传感器(717)：用来测量由转轴(712)传来的径向压力向量，并转换为电信号输出。其实现形式包括但不限于电阻应变片、压力感应电阻或MEMS压力传感器；
[0059] 当转速传感器(713)是测速电机等基于机电
能量转换原理的类型时，其输出可以用来拖动负载电路，模拟乐器振动的耗能、阻尼，并提供对激励的反作用力。
[0060] 自然乐器受到琴弓或气流的激励后产生振动，振动过程中将能量散发出去，同时对琴弓等激励源产生反作用力，使演奏者感觉到阻力感。本实用新型采用制动器(131)来模拟这种物理过程。图8是制动器(131)的工作原理。制动器包括可调负载(83)和可调电源(82)。激励感知器(12)中的转速传感器(81)的
输出电压Vo加在可编程负载上，将能量输出给可调负载(83)进行消耗或衰减，转速传感器同时给激励源施加反作用力。可调电源(82)提供转速传感器(81)的励磁电压，进一步丰富调节规律。数字信号运算器(16)依据乐器的数学模型控制负载和励磁电压的大小，使反作用力的大小依据乐器的物理规律而变化。
[0061] 图1中的姿态感知器(1a)感知乐器在演奏者操纵下的倾角、加速度等姿态参数，输入到数字信号运算器(16)中，数字信号运算器(16)可以基于姿态参数理解演奏者动态的演奏意图并生成对应的信号输出。姿态感知器(1a)可以为演奏者提供额外的控制自由度，赋予乐器更多的功能和变化。典型的扩展功能包括乐器种类的动态切换、演奏音高的动态变化、
和声。姿态感知器(1a)的实现方式包括但不限于MEMS倾角传感器、或MEMS加速度传感器。
[0062] 由于图1中的数字信号运算器(16)、输出电路(17)、控制器(15)、振动器(19)、姿态感知器(1a)这几个单元在个人计算设备(14)(例如
平板电脑、智能手机等)里普遍被包含，而且是主要构成部分，因此可以选择在系统中直接集成个人计算设备(14)，在一个设备内同时提供这几个功能单元来实现相同作用。输入电路(13)与数字信号运算器(16)单元之间可选择USB
接口传送数据，这种接口在个人计算设备(14)中广泛配备。
[0063] 图9所示的数码提琴是图1所述原理的一个具体实现形态。为了提高携带方便性，数码提琴可以分解为基本琴体(91)和可选装的低音扩展琴体(92)。基本琴体(91)包含了主要功能部件，可以独立运行，其外观接近于小提琴或中提琴，其组成为：
[0064] ● 琴干(95)及其附件：支撑、固定数码提琴电、声部件；
[0065] ● 传感指板(31)；
[0066] ● 传感琴马(51)；
[0067] ● 输入电路(13)；
[0068] ● 个人计算设备(14)；
[0069] ● 中高音音箱(93)：输出中高频段的声音。
[0070] 所示的数码提琴还包括可拆卸的低音扩展琴体(92)。低音扩展琴体(92)用于丰满低音频段声音输出，与基本琴体(91)组合后的形状接近于大提琴的外观。低音扩展琴体(92)主要包括：
[0071] ● 扩展琴干(96)及其附件：支撑、固定低音音箱，在结构和电路上连接基本琴体(91)；
[0072] ● 低音音箱(97)：输出低音频段的声音。
[0073] 图10所示的数码胡琴是图1所述原理的另一个具体实现形态。为了提高携带方便性，数码胡琴可以分解为基本琴体(a1)和可选装的低音扩展琴体(a2)。基本琴体(a1)的外观接近于二胡或中胡，包含了主要的功能部件，可以独立运行，其组成为：
[0074] ● 琴杆(a3)及其他附件：支撑、固定数码胡琴的电、声部件；
[0075] ● 传感指板(31)；
[0076] ● 传感琴马(51)：配置2个，分别对应大多数胡琴的内外弦，延续演奏者的演奏习惯；
[0077] ● 输入电路(13)；
[0078] ● 个人计算设备(14)；
[0079] ● 中高音音箱(a9)：输出中高频段的声音。
[0080] 图10所示的数码胡琴还包括可拆卸的低音扩展琴体(a2)。低音扩展琴体(a2)用于丰满低音频段声音输出，其组成主要包括：
[0081] ● 低音音箱(aa)：输出低音频段的声音；
[0082] ● 其他附件：支撑、固定低音音箱，在结构和电路上连接基本琴体(a1)。
[0083] 图11所示的数码吹管是图1所述数码乐器系统原理的另一个具体实现形态。数码吹管的组成包括：
[0084] ● 传感指板(31)；
[0085] ● 音箱(b2)：输出数码吹管产生的声音；
[0086] ● 管身(b3)：支撑、固定其他部件；
[0087] ● 输入电路(13)；
[0088] ● 传感吹口(71)；
[0089] ● 输入电路(13)；
[0090] ● 个人计算设备(14)。
