CN104732964A - 一种数字弦乐器 - Google Patents

Abstract

本发明创造的数字弦乐器为模块化结构，主要由由琴颈模块、琴体模块和弹奏交互模块组成，琴颈模块和琴体模块连接，数个弹奏交互模块并列安装在琴体模块上，弹奏交互模块主要由基座、转轴连接器、偏转体、偏转位移传感模块和复位器组成，偏转体通过转轴连接器安装在基座上并在被拨动时相对基座产生偏转，复位器连接偏转体与基座，在偏转体被拨动时提供反馈力并在拨动力撤销后恢复偏转体至初始位置，偏转体相对基座的偏转使偏转位移传感器模块的传感器电气特性改变从而获得弹奏动作及弹奏力度。

Description

一种数字弦乐器

技术领域

本发明涉及数字乐器和弦乐器。

背景技术

乐器数字接口（Musical Instrument Digital Interface，简称MIDI）是一个工业标准的电子通信协议，为电子乐器等演奏设备（如合成器）定义各种音符或弹奏码，容许电子乐器、计算机、手机或其它的舞台演出配备彼此连接，调整和同步，得以实时交换演奏数据。

具备MIDI输出功能的电子乐器（或数字乐器），在作为MIDI输出设备使用时又被称作MIDI控制器（MIDI controller）。一个MIDI控制器输出的包含了描述声音信息的MIDI代码主要且必须包括音高和速度的数值，音高即表明了需要演奏的音符，而速度则表示演奏这一音符的力度，所以，数字弦乐器必须具备获取演奏者所演奏的音符和力度的能力。

这类数字乐器大多是按键式或击打式的，比如电子钢琴，电子键盘，电子鼓等等。也存在一些拨弦、击弦和弓弦式的数字乐器，具备了MIDI的输出功能，但它们的原理比较复杂。有些数字弦乐器的原理是，通过拾音器拾取弦乐器的声音，进过处理分析，判断出所演奏的音符和演奏力度进而生成MIDI控制代码；此外还有一些数字弦乐器通过电磁、光学等传感器获取琴弦振动的形式，再通过信号处理分析，进而生成MIDI输出信号。

可见，这些数字弦乐器的原理都比较复杂，且一般都具有和原声弦乐器相仿的体型和结构，比如常见的电子吉他和电子提琴等，都具有和原声吉他和原声提琴相似的长长的琴弦、琴颈等结构，演奏方法也较为相似，演奏难度也比较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：简化数字弦乐器获取物理信号、进行信号处理进而生成MIDI控制代码的原理和过程，同时简化数字弦乐器的演奏方法，并使数字弦乐器的尺寸、重量、成本大大降低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：发明一种数字弦乐器，主要由由琴颈模块、琴体模块和弹奏交互模块组成，其特征是：琴颈模块和琴体模块连接，数个弹奏交互模块并列安装在琴体模块上，弹奏交互模块主要由基座、转轴连接器、偏转体、偏转位移传感模块和复位器组成，偏转体通过转轴连接器安装在基座上并在被拨动时相对基座产生偏转，复位器连接偏转体与基座，在偏转体被拨动时提供反馈力并在拨动力撤销后恢复偏转体至初始位置，偏转体相对基座的偏转使偏转位移传感器模块的传感器电气特性改变从而获得弹奏动作及弹奏力度。

琴颈模块，具有规则排列的多个按键和一个电子终端设备嵌入槽。偏转体，可由弦弓和琴弦构成，琴弓可设计成U型，琴弦张紧固定在其上部开口两端之间，琴弦被拨动使琴弓偏转；可为一个多边形框体结构，框体一边与基座连接，另一边在被拨动时框体发生偏转；可为一个薄板结构，薄板一侧与基座连接另一侧被拨动时薄板结构发生偏转。复位器，可由弹簧和阻尼器构成，弹簧一端连接基座一端连接偏转体，阻尼器抑制偏转体的震荡。偏转位移传感模块，主要由偏转位移传感器、传感器支架和随动干扰器组成。偏转位移传感器，可为电磁式传感器，以磁体作为随动干扰器安装在偏转体上，电磁式偏转位移传感器通过传感器支架固定在基座上，随动干扰器随偏转体偏转使偏转位移传感器的磁场环境改变从而使其电气特性改变；可为电阻应变式传感器，以一个弹性薄板作为传感器支架，电阻应变式传感器粘贴在该薄板上，该薄板一端固定于基座上，一端与安装在偏转体上的随动干扰器连接，偏转体偏转时薄板发生形变使偏转位移传感器的电气特性改变；可为电容式传感器，此电容式传感器通过传感器支架被固定在基座上，介电质材料体作为随动干扰器被安装在偏转体上并处于电容传感器的两个电极之间，偏转体偏转使电介质材料体对电容传感器的位置改变，并使其电气特性改变；可为光电式传感器，光电传感器及光源器件通过传感器支架固定在基座上，安装在偏转体上的反射板作为随动干扰器，光源器件发出光线经反射板反射被光电传感器接收，反射板随偏转体偏转使光电传感器获取的图像特征改变。

本发明的有益效果是：在尺寸外观上，琴弦长度的缩短可使乐器的整体长度大大缩短，从而更便携，在结构原理上，新的结构和原理使该电子弦琴乐器更加简单可靠，可以极大地降低成本，在使用体验上，演奏变得十分简单，同时与传统原声乐器相仿的琴弦的结构则尽可能地继承和保留了乐器的触感和演奏方法，因而增强了演奏的乐趣。

附图说明

以下对照本发明的实施实例对附图作说明。

图1是本发明的一个实例的总体模块化结构示意图。

图2中A、B分别为图1中1所示的琴颈模块的两个实例示意图。

图3是图1中3-8所示的弹奏交互模块的一个实施实例的结构示意图。

图4是采用了电磁式传感器、弦弓琴弦结构的弹奏交互模块的一个实施实例的分解示意图。

图5是弹奏交互模块的一个实施实例偏转体被拨动时的示意图。

图6是图5中A所示区域的局部放大。

图7是采用电磁式传感器作为偏转位移传感器时，当偏转体被拨动该传感器的输出变化示意图。

图8中A、B分别为偏转体的两个实施实例的示意图。

图9为采用了电阻应变式传感器的弹奏交互模块的一个实施实例在偏转体被拨动时的状态示意图。

图10中A为采用了电容式传感器的弹奏交互模块的一个实施实例在初始状态时的正视示意图，B为其偏转体被拨动并产生偏转时的状态示意图。

图11中A为采用了光电式传感器的弹奏交互模块的一个实施实例在初始状态时的正视示意图，B为其偏转体被拨动并产生偏转时的状态示意图。

以下说明各附图中不同标号所示的组成部分。标号相同的部分为同一组成部分不作重复说明。

图1中，1为琴颈模块，2为琴体模块，3-8为弹奏交互模块。

图2中，A为琴颈模块的一个实施实例，其中111为按键阵列，112为琴颈模块与琴体模块的连接头，B为琴颈模块的另一个实施实例，其中121为按键阵列，122为智能终端设备嵌入槽，123为一个智能终端设备。

图3中，31、32、33、34、35分别为基座、转轴连接器、偏转体、复位器、偏转位移传感模块。

图4中，31为基座，321、322为铰链式转轴连接器，3311为弦弓，3312为琴弦，341、342为复位弹簧，3511为电磁式偏转位移传感器，3512为传感器支架，3513为磁体式随动干扰器。

图5中，P为拨动偏转体的手指的示意图，F为拨弦力。

图6中，各数字标号指示部分与图4中相同。

图7中，I、II、III所示为三个时间段，L1所示为传感器的连续输出曲线，L2所示为对离散采样点做连续平均的曲线，FS为传感器输出信号的一个下降沿特征。

图8中，A、B中的332、333为偏转体的两个实施实例，A中323、324为两个滑动轴承座式转轴连接器。

图9中，3521为电阻应变式偏转位移传感器，3522为弹性薄板式传感器支架，3523为拨杆式随动干扰器。

图10中，3531为电容式偏转位移传感器，3532为传感器支架，3533为介电质式随动干扰器。

图11中，3541为光电式偏转位移传感器，3542为光源器件，3543为传感器支架，3544为随动干扰器。

具体实施方式

以下说明本发明的最佳实施方式。

本发明的最佳实施方式实例示意图如图1所示，主要包括1琴颈模块，2琴体模块，3-8共6个并列安装布置的弹奏交互模块。

琴颈模块如图2中B所示，主要包括一个按键阵列121，一个智能终端设备嵌入槽122，和与琴体模块对接安装的连接头112。智能终端设备嵌入槽中可以嵌入放置智能终端设备，如智能手机等。连接头112内含电路接口，可从琴体模块取电并与琴体模块交换数据。

多个弹奏交互模块并列安装在琴体模块上，弹奏交互模块如图3所示，主要包括基座31、转轴连接器32、偏转体33、复位器34、偏转位移传感模块35等5个组成部分。具体的如图4所示，在该实例中，转轴连接器为2个铰链321、322，偏转体由一个U形的弦弓3311和张紧于弦弓上端开口间的琴弦3312组成，复位器由341、342两个弹簧构成，偏转位移传感模块由电磁式偏转位移传感器3511（如霍尔元件等）、传感器支架3512、磁体式随动干扰器3513组成。

以下说明最佳实施方式的工作原理。

首先，说明该数字弦乐器获得演奏动作和演奏力度的原理。

如图5所示，手指P拨动琴弦，拨弦力F如图中所示，此时偏转体产生了偏转，图中A所示区域表示了由于偏转体的偏转使随动干扰器相对电磁式传感器产生了位移，进而改变了传感器的输出，局部放大如图6所示。

图6中3513为随动干扰器，此时其相对传感器3511产生了位移，传感器的输出变化如图7所示。

图7中，横轴t轴表示时间，上图L1所示为传感器的输出信号曲线，下图离散点表示对传感器输出的取样值，曲线L2为相邻数个取样值的连续移动平均趋势，t1时刻表示手指开始拨动琴弦，t2时刻表示拨动到一定位置动作完成，t3时刻表示手指迅速离开琴弦偏转体在复位器驱动下开始复位运动，t4时刻表示偏转体完全回到初始状态，I、II、III为t1-t4各自之间的时间段。在III时间段内，偏转体与复位器构成振动系统，因而信号出现震荡，可以在系统中加入阻尼器抑制震荡，使震荡迅速衰减。由于拨弦力与偏转体的偏转位移之间存在量化关系，所以拨弦力可以通过传感器的输出变化量来表示，即图7中II时间段内ΔV所示的值，进而可以由采样得到的数字量的变化值来表示，即图7中ΔVal所示的值。此外，在III时间段，采样输出信号出现明显的下降沿特征，即图中FS所示的下降线段，可以此作为琴弦被拨动的触发信号。于是，琴弦被拨动的识别以及拨动力度可以被获得。勾弦、扫弦等弹奏动作的识别原理与此相同。

其次，说明该数字弦乐器获得所需演奏音符的原理。

本实例共有6个弹奏交互模块，可以用吉他的原理来定义各个弹奏交互模块，即定义每个模块为对应的吉他琴弦，并用与吉他相同的和弦来定义各模块在对应和弦下的音高。具体的，可以定义弹奏交互模块3-8为吉他的6-1弦，于是，这6个模块对应的空弦音高与吉他的6个弦的空弦音高相同，即分别为E2、A2、D3、G3、B3、E4；在不同和弦下同样如此，比如吉他C和弦6-1弦音高分别为E2、C3、E3、G3、C4、E4，则弹奏交互模块3-8在C和弦下的音高也分别为E2、C3、E3、G3、C4、E4。

而获得所需要的和弦的方法有以下几种。一种是通过琴颈模块的按键阵列以相同的把位按出和弦，此时按键阵列为多行6列式布局，每列对应一根琴弦，每行对应一个品格。另一种方法是定义一个按键映射为一个和弦，即按下一个按键后，弹奏交互模块的音高与对应和弦下的音高一致。另一种方法是，将歌曲的和弦序列按时间存储在设备中，演奏时无需按键只需拨动弹奏交互模块即可。此外，还可以通过与智能终端设备通讯来获取所需和弦。当采用后两种方法时，演奏难度被大大降低。获得所需要的和弦的方法还有很多，这里只列举以上几种方法。

对于其他类型的弦乐器，比如电吉他、贝斯、提琴等，可同样通过以上的方法来实现对演奏力度和音符的获取。

综上所述，本发明最佳实施方法的该数字弦乐器的实施实例能够非常完善地解决以上提及的技术问题，并能很好地实现以上提及的有益效果。

以下结合附图说明本发明的其他实施方式。

琴颈模块。如说明书附图2中A所示，该琴颈模块取消了智能设备嵌入槽，增加了按键阵列111的行数，同样具有一个与琴体模块对接安装、数据交换的连接头112。

偏转体。说明书附图8中A、B为另外两种偏转体的实施实例。A中所示的偏转体为一个框形结构332，该框形结构的一边通过滑动轴承座形式的转轴连接器323、324与基座31连接，另一边在被拨动时该框形结构整体发生偏转。B中所示的偏转体为一个薄板结构333，该薄板结构一侧通过铰链式转轴连接器321、322与基座31连接，另一侧在被拨动时该薄板结构整体发生偏转。

偏转位移传感模块。附图9、10、11为偏转位移传感模块的另外3中实施实例。

附图9中的偏转位移传感模块采用了电阻应变式传感器，此时以一个弹性薄板3522作为传感器支架，电阻应变式传感器3521粘贴在该薄板上，该薄板一端固定于基座上，一端与安装在偏转体的弦弓3311上的随动干扰器3523连接，偏转体偏转时薄板3522发生形变使偏转位移传感器3521的电气特性改变，进而检测出弹奏动作和弹奏力度。

附图10中的偏转位移传感模块采用了电容式传感器，A图为该实例的弹奏交互模块的局部正视图，B图为局部轴侧视图。此时电容式传感器3531通过传感器支架3532被固定在基座31上，介电质材料体3533作为随动干扰器被安装在偏转体弦弓3311上并处于电容传感器的两个电极之间，偏转体偏转使电介质材料体对电容传感器的位置改变，进而改变其电气特性，从而获取弹奏动作和弹奏力度。

附图11中的偏转位移传感模块采用了光电式传感器，A图为该实例的弹奏交互模块的局部正视图，B图为局部轴侧视图。此时光电传感器3541及光源器件（如LED灯珠）3542通过传感器支架3543固定在基座31上，安装在偏转体弦弓3311上的反射板3544作为随动干扰器，光源器件3542发出光线经反射板反射被光电传感器3541接收，反射板3544随偏转体偏转使光电传感器获取的图像特征改变进而获得偏移量的大小，从而获得弹奏动作和弹奏力度。

以上对本发明所提出的一种数字弦乐器结构、原理和实施实例做了详细说明，指明了其有益之处，并明确了技术实现方案。由于以本发明所提及的技术方案、结构原理为基础，可能的实施实例形式多变，无法穷举，比如，以压缩弹簧代替以上提及的拉伸弹簧作为复位器、弹奏交互模块的基座与琴体合并为一个整体、弹奏交互模块不同的空间排列形式、偏转位移传感器安装在偏转体而非基座上等等。涉及本发明中提出的基本原理和技术方案的可能变形可能实例包括在本发明保护范围之中。

Claims (11)

1.一种数字弦乐器，主要由由琴颈模块、琴体模块和弹奏交互模块组成，其特征是：琴颈模块和琴体模块连接，数个弹奏交互模块并列安装在琴体模块上，弹奏交互模块主要由基座、转轴连接器、偏转体、偏转位移传感模块和复位器组成，偏转体通过转轴连接器安装在基座上并在被拨动时相对基座产生偏转，复位器连接偏转体与基座，在偏转体被拨动时提供反馈力并在拨动力撤销后恢复偏转体至初始位置，偏转体相对基座的偏转使偏转位移传感器模块的传感器电气特性改变从而获得弹奏动作及弹奏力度。

2.根据权利要求1所述的数字弦乐器，其特征是：琴颈模块，具有规则排列的多个按键和一个电子终端设备嵌入槽。

3.根据权利要求1所述的数字弦乐器，其特征是：偏转体，可由弦弓和琴弦构成，琴弓可设计成U型，琴弦张紧固定在其上部开口两端之间，琴弦被拨动使琴弓偏转。

4.根据权利要求1所述的数字弦乐器，其特征是：偏转体，可为一个多边形框体结构，框体一边与基座连接，另一边在被拨动时框体发生偏转。

5.根据权利要求1所述的数字弦乐器，其特征是：偏转体，可为一个薄板结构，薄板一侧与基座连接另一侧被拨动时薄板结构发生偏转。

6.根据权利要求1所述的数字弦乐器，其特征是：复位器，可由弹簧和阻尼器构成，弹簧一端连接基座一端连接偏转体，阻尼器抑制偏转体的震荡。

7.根据权利要求1所述的数字弦乐器，其特征是：偏转位移传感模块，主要由偏转位移传感器、传感器支架和随动干扰器组成。

8.根据权利要求7所述的数字弦乐器，其特征是：偏转位移传感器，可为电磁式传感器，以磁体作为随动干扰器安装在偏转体上，电磁式偏转位移传感器通过传感器支架固定在基座上，随动干扰器随偏转体偏转使偏转位移传感器的磁场环境改变从而使其电气特性改变。

9.根据权利要求7所述的数字弦乐器，其特征是：偏转位移传感器，可为电阻应变式传感器，以一个弹性薄板作为传感器支架，电阻应变式传感器粘贴在该薄板上，该薄板一端固定于基座上，一端与安装在偏转体上的随动干扰器连接，偏转体偏转时薄板发生形变使偏转位移传感器的电气特性改变。

10.根据权利要求7所述的数字弦乐器，其特征是：偏转位移传感器，可为电容式传感器，此电容式传感器通过传感器支架被固定在基座上，介电质材料体作为随动干扰器被安装在偏转体上并处于电容传感器的两个电极之间，偏转体偏转使电介质材料体对电容传感器的位置改变，并使其电气特性改变。

11.根据权利要求7所述的数字弦乐器，其特征是：偏转位移传感器，可为光电式传感器，光电传感器及光源器件通过传感器支架固定在基座上，安装在偏转体上的反射板作为随动干扰器，光源器件发出光线经反射板反射被光电传感器接收，反射板随偏转体偏转使光电传感器获取的图像特征改变。