CN1004731B - 人机合作音乐演奏仪系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及乐谱信息数据处理，数据处理设备和传动机械装置。本发明是用电脑装置和存储装置预制和存储乐谱演奏指令，用控制电路和执行装置共同控制指令输出，使人在视奏乐谱和演奏指法技术上获得很强的能力，只要弹奏控制键就能在力度、节奏、速度上自由发挥地表现自己的音乐情感。此技术还能应用至其它自控领域。

Description

人机合作音乐演奏仪系统

本发明涉及乐谱信息的数据处理、数据处理设备和传动机械装置。

目前试制演奏音乐的机器人的工作还在探索之中。此类机器人的缺点是造价极高，自动演奏不能体现人奏时自由发挥的音乐情感。因而想用高价购买这种机器人代替自己演奏的家庭是极少的。目前也无这种专利产品。

本发明的目的是：用简捷的方法，创造一种能记录和读出并演奏乐谱，使人在视奏乐谱和演奏指法等技术上获得很强的能力，而在演奏力度、节奏、速度等方面又能自由地表达自己的音乐情感的人机合作音乐演奏仪系统。

本发明的目的是这样实现的：整个演奏仪由电脑装置、存储器装置、控制电路、执行装置和请求信号器组成。

电脑装置由微型计算机、单板机、单片微机、直接存储器存取的DMA或能响应请求信号进行读出写入的存储器组件之一的器件组成。电脑装置的作用是向存储器输入和输出动作指令或乐谱演奏指令，这种指令是按动作或乐谱要求编出的，用以确定各受控单元开关状态的二进制数构成。

本发明独特的乐谱指令制作方法的诞生，导至发明了人机合作音乐演乐演奏仪系统这种独特的数据处理机。因此特别对这种乐谱指令制作方法的原理和特征作如下说明。

本发明的乐谱指令制作方法的基本原理是：利用乐谱信息的自然规律，将需要一次同时奏响的乐音与此时不奏响的音经电脑装置进行数据处理成一组二进制数的主位乐谱指令，并在这组数附上不参加移调的其它控制信息，作为这组数的次位。再根据乐谱信息的延续、更新、叠加、休止等自然规律将其它各次应奏响与不奏响的音分别进行数据处理成各组二进制数的主位。同时也分别给各组数附上次位，将上述各组数依次经本发明的电脑装置送往存储器装置就能制成各种ROM、EPROM，计算机磁带、软、硬磁盘片、合式磁带、光学信息盘、数字式唱片等乐谱指令固件，以供使用和出售。

本发明的乐谱指令制作方法是：对一组乐谱指令分为主位与次位，对主位乐谱指令可用移位法、乘除法进行移调处理，而不改变内部的音程关系;主位的各位经控制电路数据处理后与各琴键形成一一对应的关系，并与控制键一起共同控制这些琴键，未经压缩处理的主位位数等于或大于受控琴键的总数;未经压缩处理的次位数等于或大于非琴键受控单元的总数;主位和次位最终决定本数据处理装置控制电路输出部分的并行输出位的总数;主位乐谱指令的制作是根据乐谱信息的应响音与不响音的相对性、延续、更新、休止等自然规律制作出来。

本发明的乐谱指令制作方法与本发明硬件的各部分数据处理装置在设计、制造和使用中始终形成不可分割的相辅相成的整体关系。

当电脑装置接到由于控制键动作而传来的一个请求信号时，就立即把存储器中的一组上述指令传送到控制电路，接着等待下一个请求信号，使本发明能连续工作。

电脑装置对上述乐谱演奏指令的主位进行简单运算后，能使输出乐谱移调。

存储器装置是由计算机磁带机，软磁盘机、硬磁盘机、合式录音机、计算机光盘存储机、数字式唱片、各种ROM、各种RAM和各种EPROM等存储器中的一种或数种组成，读出指令可在电脑的中央处理器或DMA等电路的控制下送到控制电路。

控制电路由输入部分和输出部分组成，它们主要由锁存器一类的电子元件构成。输入部分的锁存器有输出控制门取名B，输出部分锁存器有允许输入门取名C，它们与请求信号A的逻辑关系为：B＝A，C＝A，无请求信号时B使输入部分向输出部分并行输出确定各受控单元状态的二进制数，C使输出部分锁存器并行接收上述二进制数。有请求信号时，B使输入部分的锁存器关闭输出门，并接收由电脑、存储器装置输出的上述二进制数。C使输出部分不接收输入部分的新指令，并继续并行输出锁存的原指令，直至请求信号A变化。

控制电路输出的动作指令是用发光元件根据受控设备的工作规律有意义的排列，并以直观的形式显示。如发光元件装在受控设备的各受控单元或键盘琴的各键上，或五线谱的各线上，演奏时可同时视奏，听音。

执行装置用三种方式构成：电子元件构成，机械传动装置构成，机械与电子元件共同构成。这三种执行装置都有1至99个操纵键，普及型为1至10个操纵键，各种执行装置的结构都是按如下逻辑公式或该逻辑式的负逻辑式设计制造的：

1、MNQ＝MK·ND

2、NY＝MNQ＝MK·ND

3、NY＝INQ+2NQ+…MNQ

其中：M：是标明某控制键顺序号常数;

N：是标明控制电路输出二进制数某位顺序号的常数;

K：代表控制键;

D：代表输出二进制数的某位;

MK：代表某顺序号控制键的逻辑状态;

ND：代表输出二进制数某顺序号位的逻辑状态;

MNQ：代表某序号键同某序号数位进行“与”逻辑运算的结果;

NY：代表受控单元的逻辑状态。

按上述逻辑公式设计制造的执行装置具有如下特点：根据逻辑式（2）可知受控单元的状态是在输出数据和控制键共同作用下才变化的，也就是说，如果控制键不动，有指令琴也不响，控制键动，如无指令，琴也不响。控制键动，又有指令，琴才响。但奏哪几个琴键不是由控制键决定，而是由指令决定的。这个特点使演奏人在视奏乐谱和演奏指法技术上获得了超人的能力。

根据逻辑公式（3）可知，前后输出的指令可以叠加，也就是说如果先按住一个控制键不释放，指令奏出了一个和弦再弹另几个控制键，后几条指令奏出的和弦与旋律可与第一个和弦叠加，这个特点在音乐演奏上是极需要的。

电子执行装置用门电路、锁存器等集成电路，按上述逻辑式（1）、（2）、（3）设计制造。集成电路具有可代换性，根据专门的手册可选择各种芯片和装配方法实现上述逻辑，这在实施例中有进一步说明。其控制键与增音器（可调节电源、电压的电子元件）一起构成，因而能控制音的强弱。此装置可以控制电子琴、音响合成器等键盘乐器。

机械执行装置也是按上述逻辑式（1）、（2）、（3）设计制造的。演奏时施于控制键上的力通过传动机械传递到受控单元，使之产生动作变化，如使钢琴键动作弹奏琴弦，因而演奏者可自由掌握弹琴力度。用传动机械实现上述逻辑式的方式多种多样，这在实施例中有进一步的说明。

机械执行装置和电子执行装置结合就成为机械电子执行装置。它可以同时控制多种受控设备，如控制电子琴和钢琴合奏。

请求信号器是由单脉冲发生部件构成，它的输入来自控制键，它的输出接到控制电路和电脑装置，协调本发明整机连续工作。

从整个装置看，只要陆续地按动控制键就能使电脑装置将存储器中的指令陆续地送往控制电路，控制电路陆续地并行输出指令和控制键一道驱动受控单元，使演奏陆续地进行。演奏者只要弹控制键，就能在强弱、节奏、速度上自由发挥地奏出各种难度的预制乐曲。

本发明所述人机合作音乐演奏仪系统是用音乐信息数据处理技术，使人们在视奏乐谱和演奏指法的技术上获得很强的能力。演奏不必在琴键上，只要按动控制键就能用任意所需的力度、节奏、速度演奏出表现演奏者情感的音乐，使广大缺少音乐专业学习与长期刻苦练习条件的人们转瞬就能获得演奏高难复杂音乐的能力。

本发明不但能提高受控键盘琴的表现能力，还能保留键盘琴的各种优点，如本发明具有相继重叠音的功能，能奏出极好的渐强效果，用一般的电子琴模仿这种奏法是不可能的，这就显著地提高了电子琴的表演能力。当本发明控制钢琴时，钢琴的音色控制、音量控制、力度控制等各种特点都能保留和加以发挥。

本发明的表现力体现在手指上，克服了电子琴的表现力被限定在表情踏板（增音器踏板）上，解决了这一电子琴诞生以来难以改进的难题，对演奏的需要来说是一大飞跃。

本发明还具有能灵活地进行移调的功能，只要按一下键，移调就能实现。

本发明扩大了音乐创作领域，历来音乐创作受演奏技术的局限，如用十个指头不能弹十一个音的和弦，而本发明使创作乐曲可以由作者任凭想象自由发挥，就是八十八个音一齐弹响也易如反掌。因此，作者完全不必为演奏指法所局限，为演奏难度而操心了。

综上所述，本发明解决了人们一直渴望解决，但始终未能获得成功的技术难题。

下面结合附图说明本发明的实施例。

附图1为方框原理图

附图2为实施例原理图

附图3为机械执行装置实施例剖视图

附图4为机械执行装置外形图

图1、2中的标号（C）为存储器装置，（AP）为电脑装置，（K）为控制电路。（Z）为执行装置。（S）为受控设备。（Q）为请求信号器。

本例用APPLE微型计算机做电脑装置，用软磁盘驱动器作存储器装置，使这二件装置的功能如说明书所述。

本例用八D型锁存器74L S373分别装在控制电路的输入、输出部分。LS373锁存器是透明的D型锁存器，即当允许端（LS373的11脚）、是高电平时，输出（第2、5、6、9、12、15、16脚）将跟随数据输入（第3、4、7、8、13、14、17、18脚）。当允许端为低电平时，输出端将被锁存在已经建立起的数据电平上，本例将所有用在控制电路中的74LS373的第1脚输出控制和11脚允许端经过非门按图所示接至请求信号A上，使之符合逻辑式B＝A、C＝A。

本例用发光二极管将输出数据显示于各琴键上。

在电子执行装置中，将所有的74L S373和或门，按图连接使之符合逻辑式（1）、（3）、（2）MNQ＝MK，ND，NY＝1NQ+…MNQ，NY＝MNQ＝MK·ND。

电子执行装置采用开关和增音器制成控制键，每个控制键都能控制琴演奏的总音量，以控制电子琴，音响合成器按所需音量、力度，节奏进行演奏。

机械执行装置由一组机械传动构件，按说明书上所说逻辑公式（1）、（2）、（3）设计制造。在钢琴上装一付主支架（9），支承转动轴（8），传动桥（11）为一长条形的薄板，它固定在转动轴下，可与转动轴一起摆动并能触发请求信号开关（13），控制键（2）的一端固定在传动桥下，另一端延伸至琴面，以便弹奏，传动杆（7）的上端与传动桥连接，下端挂勾与摆杆（12）的挂勾一一对应，摆杆下端的牵引索（6）与琴键联接。每个控制键与一块传动桥联接，每块传动桥联接88个传动杆，每个传动杆都可通过摆杆和牵引索与琴键相联，这样每个控制键都可以牵动88个琴键，实际工作时是根据乐谱指令决定牵动哪个琴键动作的。电磁铁线圈（4）在有电流时（即指令信号）力臂（5）可以顶动摆杆，亦即摆杆挂钩与传动杆挂钩处于牵挂状态，反之，传动杆动作时不牵动摆杆。在有指令的同时按动控制键（2），就可以把运动传递到琴键（1），通过击弦机械（3）使钢琴发音，显然按动控制键与按动琴键一样力度是可以随意控制的。

电子执行装置的工作过程是，将预先制作好的乐谱指令软磁盘片插入软磁盘驱动器，开启APPLE电脑，软磁盘中的第一组乐谱指令就经过控制电路的输入、输出部分传递到执行装置中的对应的各74LS373中。

当按动某一控制键时，与该键相连的所有的74LS373的允许端（第11脚）和输出控制端（第1脚）立即由高电平变为低电平，使这些74LS373停止接收新的乐谱指令，并将第一组乐谱指令并行输出到电子琴或音响合成器的各键开关，使这些键按指令发音。

当按动控制键的同时，也使请求信号电路发出信号使控制电路输出部分所有的74LS373允许端（第11脚）电平暂时由高变为低，使控制电路中所有的74LS373的输出控制端（第1脚）电平暂时由低变为高，即使控制电路输出部分暂不接受输入部分的乐谱指令。

当按动控制键的同时也使请求信号电路发出信号使电脑装置输出第二组乐谱指令并传递到控制电路的输入部分的各74LS373中。

传递完后数毫秒请求信号电路又使控制电路输入部分向输出部分传递乐谱指令，并由执行装置中各连结于未按下控制键的所有74LS373接收。

当第二次按下控制键时，如第一次按下的控制键仍未释放，能使琴保留已发的音，同时还能按第二组乐谱指令增加新的音。

当第二次按下控制键时，如前按下的控制键都已释放，则使琴只按新乐谱指令发音。

按乐谱时值、节奏和力度依次按动控制键，就能使演奏仪控制电子琴、音响合成器或钢琴等按演奏者的情感奏出音乐。

机械执行装置的工作程序和电子执行装置一样，同出于一个逻辑式，这里不再重复。

本发明所独创的乐谱指令编制法为移调作了特别的设计（即分为主位、次位），因而可以用移位法和乘除法方便地进行移调。

其方法是在需要移调时只要对各组乐谱指令二进制数进行乘除运算，就达到向高或低移调的目的。如有某组乐谱指令主位二进制数是000010100100此数输出为C调。如需从C调移到D调，电脑装置便将上述二进制数乘二进制数100，其结果为001010010000，将此数输出，在键盘上已移调为D调了。

Claims (15)

1、一种人机合作音乐演奏仪系统，包括电脑装置，存储器，以及控制电路，所述演奏仪还包括1～99枚控制键，以一定节奏按动控制键，从而依次从存储器中取出动作指令，其特征在于，二进制动作指令的主位指令与受控键盘琴的琴键或发音单元一一对应，指令每一位上的数值通过一个离合装置或相当于离合装置的电子开关元器件控制相应琴键或发音单元与控制键之间联结与否，从而使得在按动控制键时驱动与其联结的若干琴键或发音单元并使其奏出音响，同时由控制键控制所奏出音的力度、节奏和速度的连续变化量。

2、一种用于权利要求1所述演奏仪系统的乐谱指令固件制作方法，其特征在于，

A.将乐谱某一时间里应响与不响的音符信息经电脑装置进行数据处理成一组二进制数的主位乐谱指令，并在这组数里附上其它控制信息作为这组数的次位;

B.对后续的需要延续、更新、叠加、休止的音符的乐谱指令制作方法也是将在后续的同一时间里应响和不应响的音符信息进行如A所述的处理;

C.主位的各位指令经电脑和控制部分数据处理后与受控琴的各琴键形成一一对应的关系，未经压缩处理的主位位数不少于受控琴键的总数;

D.重复B中的过程，直到对所有乐谱信息处理完毕;

E.将以上处理得的各组二进制的乐谱指令分为主位、次位写入存储器内形成乐谱指令固件产品;

F.对主位乐谱指令可用移位法，乘除法进行移调处理，而不改变内部的音程关系。

3、根据权利要求1的人机合作音乐演奏仪系统，其控制部分特征在于，

控制电路用锁存器一类的电子元件构成，分为输入部分和输出部分，在有请求信号时，输入部分可接收并锁存下一组乐谱指令，输出部分并行输出和保持着当时启用的与琴键一一对应的乐谱指令，在无请求信号时输入部分将指令传输到输出部分，以达到演奏所需的高速度和连续性。

4、按照权利要求1的演奏仪，其中的机械执行装置的特征在于：

把机械执行装置中不少于一个的控制键与请求信号器连结组合，使每一枚控制键动作时都能触发请求信号，使执行装置中每一个离合装置都能接受因响应请求信号而输入的二进制动作指令的主位中与受控琴的键一一对应的某一位的指令以控制相应琴键与控制键联结与否，从而使得在按动控制键时驱动与其联结的若干琴键并使其奏出音响，同时由控制键控制所奏出音的力度、节奏和速度的连续变化量，机械执行装置中与受控琴的琴键一一对应的离合装置都可在主位指令控制下把琴键与不少于一个的控制键连接起来，任一控制键都可触发请求信号使主位中与受控琴的琴键一一对应的指令传送到每一离合装置中去，同时也使本控制键在受指令控制的离合装置的作用下把弹奏力量直接传递到任一或若干琴键上去，并能任意控制音量和速度。

5、按照权利要求1的演奏仪，其中的电子执行装置的特征在于：

把电子执行装置中不少于一个的控制键与请求信号器和增音器连结组合，使每一枚控制键动作时都能触动请求信号器和增音器，使执行装置中每一个相当于离合装置的电子开关元器件都能接受因响应请求信号而输入的二进制动作指令的主位中与受控键盘琴的发音单元一一对应的某位的指令以控制相应发音单元与控制键联结与否，从而使得在按动控制键时驱动与其联结的若干发音单元并使其奏出音响，同时由控制键控制所奏出音的力度、节奏和速度的连续变化量，电子执行装置中与受控琴的发音单元一一对应的相当于离合装置的电子开关元器件都可在主位指令控制下把琴的发音单元与不少于一个的控制键的电路连接起来，任一控制键动作时都能触动请求信号器和增音器，使主位中与受控琴的琴键一一对应的指令传送到每一相当于离合装置的电子开关元器件中去，同时也使本控制键在受指令控制的离合装置的作用下触发任一或若干发音单元发声，并能任意控制音量和速度。

6、根据权利要求5，所述电子执行装置的控制键上都连接有一组锁存器，当某控制键按下时能控制和保持若干发音单元发音，同时又不妨碍其它控制键按下时控制和保持任意若干发音单元发音，陆续按下而不释放控制键能使受控琴同时发出由若干条指令叠加而造成不同时间奏出的音相继重叠的混合音。

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