CN105513575A - 一种模块化自动化弦乐器 - Google Patents

Abstract

本发明创造了一种新型的模块化自动化弦乐器，由琴头模块、琴轨模块、控弦模块、琴身模块、琴箱模块以及琴弦组成，以机械结构的锁紧动作代替演奏者以手指按压琴弦，来改变琴弦的音高，同时，可以在琴弦振动时改变琴弦振动部分的长度，实现滑弦、揉弦等高级指法，使弦乐器演奏的控弦完全自动化，此外，通过模块化地组合即可创造或模拟出不同的弦乐器，使弦乐器通用化。

Description

一种模块化自动化弦乐器

技术领域

弦乐器。

背景技术

弦乐器是乐器家族内的一个重要分支，在古典音乐乃至现代轻音乐中，几乎所有的抒情旋律都由弦乐声部来演奏。弦乐器的音色统一，有多层次的表现力，合奏时澎湃激昂，独奏时温柔婉约；又因为丰富多变的弓法和指法而具有灵动的色彩。

弦乐器的发音方式是依靠机械力量使张紧的弦线振动发音，故发音音量受到一定限制，因而常常需要在琴弦一侧加装共鸣箱以增大音量与改善音质。弦乐器通常用不同的弦演奏不同的音，有时则须运用手指按弦来改变弦长，从而达到改变音高的目的。

因此，通常弦乐器的演奏皆需要双手配合，演奏难度较大。特别是对于弓弦乐器和拨弦乐器，比如提琴和吉他，须一只手控弦（比如按压吉他的和弦），另一只手拉弓或拨弦。一般地，拉弓或拨弦的动作比较容易完成，但是控弦往往难度很大。比如，吉他有数千种和弦指法，演奏时需要快速切换，此外还有滑弦、揉弦等等指法，演奏难度很大。所以，熟练掌握此类弦乐器的演奏技法往往需要花费大量的时间。此外，以手指控制琴弦会给手指带来痛感，这也是很多初学者最终放弃学习演奏弦乐器的原因。而且，此类精巧的技法对存在肢体障碍的人来说，是不可能完成的。

对于弦乐器演奏难度大的问题，也曾有人提出了解决方案。这些解决方案的基本原理有两种，一是机械式的，二是机电结合式的。对于第一种机械式的，可参考发明专利CN103839536，发明专利US7812233，此类发明的特征是，设计一种可安装在琴颈上的机械装置，具有多个按键，按下按键时通过机械传递，按下对应的琴弦，这样不需要手指与琴弦的直接接触。对于第二种机电结合式的，可参考发明专利CN102163424，发明专利US6753466，发明专利US7812233，发明专利US4228718，此类发明的特征是，设计了一种安装在琴颈上的机电结合装置，一般地这种装置具有相互独立的对应于不同琴弦和音品的众多动作机构，这些机构受电气信号控制，可以驱动动作单元运动进而压紧琴弦。

对于以上第一种机械式的解决方案，显然地，结构过于复杂，而且能够实现的和弦指法有限，体积、重量较大；对于以上第二种的解决方案，其最大的缺陷在于，由于机构是固定在琴颈上的，所以无法实现在琴弦振动的时候连续地改变琴弦振动部分的长度，也就是无法实现滑弦、揉弦等指法。

此外，众多的弦乐器虽然具有相同或相似的发声原理、琴体结构，但至今仍未有一种通用化的集成的弦乐器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为：首先，简化弦乐器的演奏方法，实现自动控弦，并能实现滑弦、揉弦等指法，其次，根据弦乐器的原理，实现一种通用化的弦乐器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：发明一种模块化自动化弦乐器，由琴头模块、琴轨模块、控弦模块、琴身模块、琴箱模块以及琴弦组成，其特征是：琴头模块与琴轨模块、琴轨模块与琴身模块分别对接安装，控弦模块安装在琴轨模块上，琴箱模块安装在琴身模块上，琴头模块上安装有可更换的弦枕，琴身模块或琴箱模块上安装有可更换的弦桥，琴弦张紧于弦枕和弦桥之间，控弦模块由控弦基座、锁弦模块和基锁连接件组成，控弦基座安装在琴轨模块上并可在其上滑动，锁弦模块通过基锁连接件安装在控弦基座上，锁弦模块由锁弦滑轨、锁弦驱动和锁弦机构组成，锁弦滑轨连接基锁连接件，锁弦驱动驱动锁弦机构沿锁弦滑轨滑动，锁弦机构在锁紧琴弦时与琴弦接触并使琴弦在接触点相对琴体静止进而改变琴弦振动部分的长度。

琴轨模块由琴轨模块导轨和琴轨模块驱动构成，琴轨模块驱动驱动控弦模块在琴轨模块导轨上滑动并控制其位置。琴弦在空间的位置和分布由弦枕和弦桥的形状决定，各琴弦在三维空间始终相互平行。锁弦动作单元在锁紧琴弦时仍可在锁弦驱动或琴轨模块驱动的驱动下相对琴弦滑动，并可在琴弦振动时改变琴弦振动部分的长度。琴身模块与琴箱模块也可设计成一个整体式的模块。

本发明的有益效果是：以机械结构的锁紧动作代替演奏者以手指按压琴弦，来改变琴弦的音高，同时，可以在琴弦振动时改变琴弦振动部分的长度，实现滑弦、揉弦等高级指法，使弦乐器演奏的控弦完全自动化，此外，通过模块化地组合即可创造或模拟出不同的弦乐器，使弦乐器通用化。

附图说明

图1是本发明的一种实施实例的总体结构示意图。

图2是琴头模块的一种实施实例的示意图。

图3中A、B分别是琴轨模块的2个实施实例示意图。

图4是控弦模块的一个实施实例的总体示意图。

图5是控弦模块的一个实施实例的正视图。

图6是控弦模块的一个实施实例的俯视图。

图7是锁弦模块的一个实施实例的示意图。

图8是锁弦机构的一个实施实例空弦时的结构原理示意图。

图9是锁弦机构的一个实施实例锁弦时的结构原理示意图。

图10是琴弦空间分布的两种实施实例的示意图。

图1中，1为琴头模块，2为琴轨模块，3为控弦模块，4为琴身模块，5为琴箱模块，6为琴弦。

图2中，101为琴头模块主体，102为可更换的弦枕，103为一种紧弦装置。

图3中，A为直线电机驱动式琴轨模块的一个实施实例示意图，211为轨道，212为连接琴头模块的面，213为连接琴体模块的面；B为双导轨丝杆驱动式琴轨模块的一个实施实例示意图，221为琴轨模块导轨，222为琴轨模块驱动丝杆，223为连接琴头模块的面，224为连接琴体模块的面。

图4中，A方向视图为正视图，B方向视图为俯视图，211为琴轨模块导轨，3所示区域为控弦模块的一个实施实例，6所示区域为6根琴弦。

图5中，211为琴轨模块导轨，31为控弦基座，32为基锁连接件，33所示部分为锁弦模块，6为琴弦。

图6中，331-336所示为6个锁弦模块。

图7中，34为锁弦滑轨，35为锁弦驱动，36为锁弦机构，61为琴弦。

图8中，361为移动滑台，362为锁紧电机，363为内动环，364-367为锁弦柄，61为琴弦。

图9中各数字标记指示部分与图8中一致。

图10中，421和422为弦桥的两种实施实例，61-66为琴弦。

具体实施方式

本发明设计的一种模块化弦乐器，为作简洁地说明，以下简称为弦琴。

首先，描述弦琴的琴弦变音原理。

传统的弦乐器改变弦音的一般方法是将琴弦压在音品板或琴颈上。弦琴则摒弃了音品板或琴颈等结构，而通过锁弦机构将琴弦在与弦枕不同距离的位置上锁紧，从而实现调节各弦的弦长以改变弦音的功能。锁弦机构锁紧琴弦的动作指的是，通过机械结构（比如连杆、推杆等）在垂直于琴弦的平面内，从数个方向上向琴弦靠近并与琴弦接触压紧琴弦，使得琴弦在接触点相对于锁弦机构静止，也即相对于琴身静止。锁弦机构锁紧琴弦后，琴弦可振动部分的长度改变，进而其弦音也发生改变。由于锁紧机构彼此独立，所以通过调整紧弦机构的相对位置和锁紧状态，就可以在数根琴弦上实现类似和弦的功能；而且，锁弦装置在锁紧琴弦时仍可沿琴弦轴线滑动，于是琴弦振动部分的长度即使在琴弦振动时也可连续变化，这样就可以实现诸如滑弦、揉弦等指法的效果。

以下结合实施实例和附图，简述弦琴的各组成部分的功能结构特征。

弦琴为模块化结构，从琴头至琴尾由琴头模块、琴轨模块、控弦模块、琴身模块、琴箱模块以及琴弦组成。琴头模块与琴轨模块、琴轨模块与琴身模块分别对接安装，琴箱模块安装在琴身模块上，琴头模块、琴身模块或琴箱模块上分别安装定位琴弦的弦枕和弦桥，控弦模块安装在琴轨模块上并可在其上滑动。弦琴的一种实施实例的总体结构示意图如说明书附图1所示，其中1为琴头模块，2为琴轨模块，3为控弦模块，4为琴身模块，5为琴箱模块，6为琴弦。

琴头模块上安装有调节琴弦张紧力的紧弦装置和弦枕。弦枕可以更换。

琴轨模块连接琴头模块和琴身模块，由琴轨模块导轨和琴轨模块驱动组成。琴轨模块导轨上安装有可滑动的控弦模块，琴轨模块驱动控制控弦模块在琴轨上的位置。

控弦模块是完成自动控弦的核心模块，由控弦基座、锁弦模块和基锁连接件组成，控弦基座安装在琴轨模块上并可在其上滑动，锁弦模块通过基锁连接件安装在控弦基座上。锁弦模块由锁弦滑轨、锁弦驱动和锁弦机构组成，锁弦滑轨连接基锁连接件，锁弦驱动驱动锁弦机构沿锁弦滑轨滑动，锁弦机构在锁紧琴弦时与琴弦接触并使琴弦在接触点相对琴体静止进而改变琴弦振动部分的长度。锁弦机构与琴弦一一对应，锁弦机构的滑动方向与琴弦平行，各琴弦所对应的锁弦机构在与弦枕不同距离的位置上锁紧琴弦，从而实现调节各弦的弦长以改变弦音的功能。本发明颠覆传统多数弦乐器的音品板与琴颈的结构，以琴轨模块和控弦模块实现控弦。

琴身模块与琴轨模块连接，琴箱模块安装在琴身模块的一侧，可以放大琴音改善音色。琴身模块或琴箱模块上安装有固定和定位琴弦的尾柱和弦桥，弦桥可以更换。

琴弦张紧于紧弦装置和尾柱之间，并由弦枕和弦桥定位，通过更换不同形状的弦枕和弦桥可以改变琴弦在空间中的相对位置，从而可以创造出具有不同琴弦数目的以及可弹拨或弓拉的多种弦乐器。但是，琴弦之间始终保持平行，以保持与锁弦机构的滑动方向一致。

以下结合具体实施实例，对弦琴的各部分结构组成、功能特征和可能的变形改进作详细说明。

琴头模块。

传统的紧弦装置（如弦钮等）成熟可靠有效，在此不作说明。需要说明的是，琴头模块上安装有可更换的弦枕。图2为琴头模块的一个实施实例的示意图，其中101为琴头主体，其上有琴弦张紧装置103，102为可更换的弦枕，其上开有小凹槽，用来固定琴弦的位置，104为琴头模块、琴轨模块的对接安装面。

琴轨模块。

琴轨模块，主要由琴轨模块导轨和琴轨模块驱动构成，以完成支撑琴体的功能、承载控弦模块的功能和定位控弦模块的功能。在实现以上三种功能前提下，琴轨模块的结构形式可以千变万化。可以设计成一根主梁，也可以设计成多根梁组合；形状可直可弯甚至不规则；轨道形式也可千变万化；可以通过机械标记、丝杆、齿轮齿条、同步带、直线电机等原理实现对控弦模块的定位。图3为琴轨模块的2种实施实例：A图所示为单梁两侧凹槽直线电机驱动的琴轨模块，琴轨模块导轨和琴轨模块驱动集成在一起，211为导轨结构，212和213分别为琴轨模块与琴头模块和琴身模块的对接安装面；B图所示为双柱梁丝杆驱动式琴轨模块，其中221为两根支撑梁，同时作为琴轨模块导轨，222为琴轨模块驱动的丝杆，可通过伺服电机等驱动，223和224分别为琴轨模块与琴头模块和琴身模块的对接安装面。

控弦模块。

控弦模块安装在琴轨模块之上，由控弦基座、锁弦模块和二者之间的基锁连接件组成。控弦基座安装在琴轨模块导轨上，使控弦模块可在琴轨上滑动，根据琴轨模块形式的不同，采用不同的配合方式，如滑动式，滚动式和轴承式等等。锁弦模块通过基锁连接件安装在控弦基座上，锁弦模块可随控弦基座相对琴轨模块滑动。

图4为控弦模块的一个实施实例的轴侧视图。A方向视图为正视图，B方向视图为俯视图，211为琴轨模块导轨，3所示区域为控弦模块的一个实施实例，6所示区域为6根琴弦。

图5为控弦模块的一个实施实例的正视图，即图4中A方向的视图。图中211为琴轨模块导轨，31为控弦基座，安装在导轨211上并可在其上滑动，32为基锁连接件，33所示部分为锁弦模块，通过32基锁连接件与控弦基座31连接，6为琴弦。

图6为控弦模块的一个实施实例的俯视图，即图4中B方向的视图。331-336所示为6个锁弦模块，与图4中6所示的6根琴弦一一对应。

锁弦模块也是模块化结构，与琴弦一一对应。锁弦模块由锁弦滑轨、锁弦驱动和锁弦结构组成。锁弦机构可相对于锁弦滑轨在一定范围内滑动，锁弦驱动驱动锁弦机构在锁弦滑轨上滑动并控制其位置，锁弦驱动也有多种形式，如丝杆、齿轮齿条、直线电机等等。图7为锁弦模块的一种实施实例的示意图，它具有34锁弦滑轨，35锁弦驱动，36锁弦机构，61为琴弦，从锁弦机构的中心孔穿过。

锁弦机构也是模块化的结构，图8所示为锁弦机构一种实施实例的空弦状态时的工作原理示意图，该锁弦机构由移动滑台361，锁紧电机362，内动环363、和4个锁弦柄364-367构成。移动滑台361底部有螺纹孔，可与锁弦驱动的丝杆配合，实现锁弦机构的位置控制。移动滑台上部为圆环结构，内置一个与其配合的内动环363，该内动环在锁紧电机362驱动下可相对移动滑台旋转。内环与移动滑台的一侧的端面上，各有四个与锁弦柄364-367配合的安装柱。锁弦柄一侧有孔，与移动滑台端面上的安装柱配合，可绕其旋转，锁弦柄有长槽结构，内动环上的安装柱可在其中滑动，于是，内动环旋转可以驱动锁弦柄的摆动，锁弦柄的同时摆动实现开合进而实现锁弦和空弦的控制。图9所示为锁弦机构一种实施实例的锁弦状态时的工作原理示意图，图中锁弦柄364-367压紧琴弦61，即限制了琴弦在于锁弦柄接触的位置的振动。

基锁连接件将基座部分和锁弦机构连接在一起。根据弦枕和弦桥的形式，选择不同形状的基锁连接件，可以使锁弦机构与琴弦始终同轴，以适应不同的琴弦数目和琴弦空间相对位置。比如，选择一定形状的弦枕和弦桥，可以使琴弦在空间中的排列具有一定的弧度，这样可以使用弦弓拉响琴弦，实现如弓弦乐器一样的演奏方法。图10所示为弦桥的两种实施实例，61-66为琴弦（截面），421为琴弦处于平面分布时的弦桥，422为琴弦在空间处于弧面分布时的弦桥。

琴身模块和琴箱模块。

琴身模块为中空结构，与琴箱的音孔对应。琴身模块或琴箱模块上安装有尾柱和可更换的弦桥。琴身结构体与琴箱也可设计成一个整体式的模块。

以上为本发明所设计的弦琴的原理、结构和组成的基本说明。

为清楚地说明本发明的结构功能，本说明只列举了有限的结构形式。但是，在本发明之原理基础上衍伸出的任何类似结构，均应视作本发明之可能情形，而包括在本发明的范围之中。使用了本发明的设计原理和思想的相似装置，应在本发明的保护范围内。比如，通过在吉他、贝斯、提琴等乐器琴颈处加装导轨，而后在导轨上布置类似本发明中的控弦模块，以实现自动按弦等。

Claims (5)

1.一种模块化自动化弦乐器，由琴头模块、琴轨模块、控弦模块、琴身模块、琴箱模块以及琴弦组成，其特征是：琴头模块与琴轨模块、琴轨模块与琴身模块分别对接安装，控弦模块安装在琴轨模块上，琴箱模块安装在琴身模块上，琴头模块上安装有可更换的弦枕，琴身模块或琴箱模块上安装有可更换的弦桥，琴弦张紧于弦枕和弦桥之间，控弦模块由控弦基座、锁弦模块和基锁连接件组成，控弦基座安装在琴轨模块上并可在其上滑动，锁弦模块通过基锁连接件安装在控弦基座上，锁弦模块由锁弦滑轨、锁弦驱动和锁弦机构组成，锁弦滑轨连接基锁连接件，锁弦驱动驱动锁弦机构沿锁弦滑轨滑动，锁弦机构在锁紧琴弦时与琴弦接触并使琴弦在接触点相对琴体静止进而改变琴弦振动部分的长度。

2.根据权利要求1所述的模块化自动化弦乐器，其特征是：琴轨模块由琴轨模块导轨和琴轨模块驱动构成，琴轨模块驱动驱动控弦模块在琴轨模块导轨上滑动并控制其位置。

3.根据权利要求1所述的模块化自动化弦乐器，其特征是：琴弦在空间的位置和分布由弦枕和弦桥的形状决定，各琴弦在三维空间始终相互平行。

4.根据权利要求1所述的模块化自动化弦乐器，其特征是：锁弦动作单元在锁紧琴弦时仍可在锁弦驱动或琴轨模块驱动的驱动下相对琴弦滑动，并可在琴弦振动时改变琴弦振动部分的长度。

5.根据权利要求1所述的模块化自动化弦乐器，其特征是：琴身模块与琴箱模块可以设计成一个整体式的模块。