CN106548769A - 触摸控制的数码筝 - Google Patents

Abstract

本发明描述一种触摸控制的数码筝。数码筝直接感知演奏者的弹奏触摸位置、触摸力度等物理量，将其作为控制参数，计算这些控制参数对应下虚拟乐器的声学结果，输出乐器的声音。本发明同时提出了关键部件的原理和实现方式。本发明描述的原理和数码乐器实例十分接近传统筝的演奏方式和表达要素，解决了传统筝音阶偏少的根本缺点，扩展了音域和功能，可携带性好。

Description

触摸控制的数码筝

技术领域

本发明涉及一种触摸控制的乐器：数码筝。

背景技术

筝音色靓丽优美，演奏技巧丰富表现力强，是我国较为完善的民族乐器之一，有着庞大的专业和业余演奏群体。筝又着明显的缺点，它遵循五声定音，每个八度仅配5根琴弦因此音阶偏少，音律受限转调困难，演奏现代乐曲时经常捉襟见肘。除了音阶问题外，筝也有一些次要的缺点：筝的音域只是基本够用，体型和重量偏大携带不便，众多琴弦张紧后琴身受到很大的应力寿命偏短。

完善传统筝的典型方法是在包括增加琴弦、通过装置改变琴弦长度或张力，例如实用新型96207310.5、CN103854630A的方法。这些手段一般带来各种各样的严重问题：例如筝体更加笨重；音色变尖、余音变短，失去筝的韵味；反复转调后机械装置松弛、音准漂移等。

当代出现了民族音乐与现代电声音乐结合的新民乐演奏趋势，乐曲风格向更具现代感的方向发展，筝的局限性表现得更加突出。在演奏需求的牵引下，也出现了以电声化、电子化为手段改进筝的思路，指导思想是一方面继承筝的外观、音色、表达特色，演奏形式，另一方面解决筝的局限性，或者扩展筝的表达能力。

最简单自然的电化方式是采集筝的振动并对之进行信号变换。例如CN201667196U所采用的方法，乐器外观几乎无变化，在乐器上安装拾音器将振动转换为电信号，然后进行放大、滤波、移调等变换最终生成声音。这种方式继承性很好，但是存在一些重大缺点：固定音阶数量没有变化，即使能够通过移调增加音阶，产生的声音与本音也难以融合；通过放大输出达到足够音量的话容易产生自激震荡，需要独立于乐器之外的放音设备，可携带性差。

实用新型2048226遵循了触控电子筝的思路。这种筝的每根琴弦不用来振动发音，而是在受触摸时将压力传递给压电器件，压电器件发出触发脉冲使后续电路开始工作，产生接近传统筝频域和时域信号规律的声音片段，可以用分频的方法实现较广的音域；这种电子筝上设有旋钮、滑块等控制元件及配套电路实现滑音、平直音-摇指音切换、转调、音色转换、伴奏功能。这种触控原理达到满意的效果是很困难的：触摸动作和声音触发的规律与传统筝有差距；用控制元件表达技法既不自然，也缺乏速度；模拟电路要产生逼真声音的话将会非常复杂。

近年来，数字化音乐技术取得了长足的进展，弹拨乐器的建模和仿真算法已经成熟，传感、运算、存储等器件发展迅速，有望通过这些技术逼真地再现传统筝的音色和演奏技巧，同时克服传统筝的局限性，在音律、音域、功能等方面有进一步的扩展。

发明内容

本发明描述一种触摸控制的数码筝。数码筝直接感知演奏者的弹奏触摸位置、触摸力度等控制参数，计算这些控制参数对应下虚拟乐器的声学结果，输出乐器的声音。本发明同时提出了关键部件的原理和实现方式。本发明描述的原理和数码乐器实例十分接近传统筝的演奏方式和表达要素，解决了传统筝音阶偏少的根本缺点，扩展了音域，可携带性好。

附图说明：

图1数码筝电路系统

图2传统筝侧视外观、发声原理

图3数码筝俯视外观

图4琴弦自由振动时的数字波导模型

图5单点触弦时的数字波导模型

图6两点触弦时的数字波导模型

图7电子琴弦的结构

图8电子琴弦等效电路

图9触摸传感电路

图10测量触摸位置的原理

图11测量触摸压力的原理

图12软件工作流程

图13扩展了定音数和音域的数码筝

图14数码筝基本配置流程

具体实施方法：

图1是数码筝电路系统的组成，其工作原理为：系统包含若干电子琴弦(11)，这些电子琴弦不参与振动，仅感知演奏者的触摸(弹拨、按压)，产生模拟量电信号后输入到电路及运算单元(13)；电路及运算单元(13)识别信号对应的触摸动作参数及演奏意图，作为乐器仿真模型的激励输入，计算出乐器对应的声音响应，最后将计算结果输出到放音设备(14)；系统中的控制器(12)向演奏者呈现乐器状态，接受演奏者的配置意图，并控制电路及运算单元(13)使乐器按照演奏者设定的工作规律工作。

电路及运算单元(13)至少包含触摸驱动器(131)、处理器(132)、输出电路(134)、输入分压电路(134)、软件(135)。输入分压电路(134)与电子琴弦(11)组合成触摸传感电路产生感知信号，触摸驱动器(131)控制输入分压电路(134)并周期性地读取感知参数输入给处理器(132)，处理器(132)及其加载运行的软件(135)根据感知参数推测出演奏动作及对应的声音响应，通过输出电路(133)驱动放音设备(14)。

图2是本发明需要参照的传统筝的侧视外观、发声原理。为了易于理解，图2仅画出了众多琴弦中的一根。琴弦(22、24)两端通过固定点(21、26)牵拉在琴体(25)上，由坐在琴体(25)中部上的琴马(23)支起并分为左右两段。这样的结构使琴弦维持一定的张力，受到弹拨后形成振动。琴弦(22、24)的振动由琴马(23)耦合到琴体(25)上，一起向外界发射能量形成声音。传统筝的音高由各个琴弦(22、24)的材料、直径、长度等物理参数和所受张力决定；筝的音色，即频域和时域特征主要由琴体(25)的材料、尺寸等物理参数决定。由于只能保证琴马(23)一侧琴弦的音高满足音律要求，因此一般仅将右侧琴弦定音作为弹拨段(24)，左侧一般作为按压段(22)赋予弹拨段(24)额外的音高变化。

传统筝演奏的技法较丰富，难以一一罗列，最常见的情况包括3种：

a)基本的情况是仅用右手一指弹拨发声。具体而言是对琴弦弹拨段(24)施加力F_R并滑动，带动弹拨段(24)位移后释放，形成振动和声音；

b)经常在右手弹拨的前后以左手一指施加力FL作用在琴弦按压段(22)，使按压段(22)的张力增加并传播到琴弦弹拨段(24)，使弹拨段(24)的振动基频升高，形成滑音或颤音效果；

c)有时在右手一指弹拨琴弦弹拨段(24)的同时，用左手一指以很小的力F_L轻触同段的驻波节点位置并迅速离开，使弹拨段(24)振动基频发声倍数变化，形成泛音效果。

一般来说最多有两指触摸琴弦，多于两点的触摸通常没有意义，多发生在误触等非常规情况下。

图3是具备基本功能的数码筝的俯视外观。琴体(31)上安装布放了图1所示的乐器电路系统。多条用于感知触摸的电子琴弦(11)贴合在琴体(31)上，此外控制器(12)、电路及运算单元(13)、放音设备(14)内置或嵌置在琴体(31)中。电子琴弦(11)上方跨一条琴桥(33)，这个琴桥与电子琴弦(11)并不接触，唯一的作用是在几何上将各电子琴弦(11)分为左侧的按压区L(32)和右侧的弹拨区R(34)，对应传统筝琴弦的按压段(22)和弹拨段(24)。

除了外观和物理结构上的安排，数码筝需要通过软件执行仿真模型，模拟传统筝的激励、响应过程。图4、图5、图6是传统筝在不同弹奏条件下对应的数字波导模型。由于振动基本上不传播到琴弦按压段(22)，模型中琴弦的建模仅包括弹拨段(24)。

图4是传统筝琴弦弹拨段(24)未被触摸时的数字波导模型，此时琴弦处于自由振动衰减或静止的状态，而静止状态也可以看为自由振动衰减状态到零的一个特例。图4中，振动波W(43)沿琴弦弹拨段(24)右行过程用延时线D(42)建模；振动波传到琴弦(24)尽头被固定端(26)反射回来，这一过程用增益为-1的比例器(44)来建模；振动波重新进入琴弦(24)向左传播用延时线D’(45)建模；接着振动波进入琴马(23)与琴体(25)，被发射衰减的同时振动剩余能量反射回琴弦(24)，这一过程由发射模块E(41)建模；发射模块E(41)包含滤波器H_B(412)和比例器-g(411)，代表琴马、琴体的滤波衰减作用，发射模块E(41)的一路输出Yo代表乐器振动形成的声音，另一路反射回代表琴弦的延时线D(42)。至此振动波的传播形成了环路。通过软件实现并持续迭代上述周期即可真实地产生振动声音Y_O。

图5是传统筝琴弦弹拨段(24)被一只手指触摸的数字波导模型，影响声音振动Yo的因素有所增加。代表琴马(23)、琴体(25)等部件的发射模块E(41)、比例器(44)不发生变化，但由于手指的触摸将琴弦(24)分为两段，图4中的延时线D(42)、D’(45)在图5中被非线性发散节S(52)分为左右两对延时线D_L(51)/D_L(57)’、D_R(54)/D_R(56)’。非线性发散节S(52)代表手指触摸产生的效果，在左行、右行的振动波上叠加手指触摸产生的振动增量，振动增量由触摸-振动模型M(521)生成，触摸-振动模型(521)来自弦振动微分方程，其输入包括琴弦受到的触摸力F(53)，以及触摸点上琴弦左行、右行波叠加而得到的振动Ys。

图6是传统筝琴弦弹拨段(24)被两只手指触摸的数字波导模型，影响声音振动Yo的因素进一步增加。代表筝琴马(23)、琴体(25)等部件的发射模块E(41)、比例器(44)不发生变化，但由于手指的触摸将琴弦分为三段，琴弦的建模被代表两个触摸点的非线性发散节S_L(62)、S_R(65)分为三对延时线D_L(61)/D_L’(6b)、D_M(64)/D_M’(6a)、D_R(68)/D_R’(69)，两个非线性发散节的工作规律与图5所示的非线性发散节S(52)相同。

图4、图5、图6所示的仿真模型中，各延时线的延时量反映了琴弦弹拨段(24)的振动基频即声音Yo的音高，其取值主要取决于两个方面：一是琴弦弹拨段(24)的物理参数，可由软件(135)灵活地赋值；二是手指触摸琴弦弹拨段(24)的位置及力度参数。演奏者触摸琴弦按压段(22)的力度也会改变琴弦张力，继而影响各延时线的值，但为了简洁的缘故，这个控制关系未在图内表达。发射模块E(41)中的滤波器H_B(412)和比例器-g(411)的参数反应了筝的音色，取决于琴体(25)、琴马(23)的物理参数，也可以由软件(135)灵活地赋值。对各物理参数的灵活虚拟赋值使数码筝的音高、音色不再像传统筝那样依赖于结构、材料、尺寸。

作为软件仿真的激励输入，演奏者的触摸位置、触摸力度是通过若干电子琴弦(11)感知的。参见图7，电子琴弦(11)由带状的力敏电阻(71)作为基底，力敏电阻(71)上布设一层带状的柔性薄膜(72)，柔性薄膜(72)朝向基底的一面印刷平行的两片柔性电极，此处分别称为上、下电极(73、76)，上下电极(73、76)之间相隔一条绝缘缝隙；柔性薄膜(72)被一对绝缘胶条(74)支撑固定在力敏电阻(71)上；力敏电阻(71)的两端分别附着一片电极，此处分别称为左、右电极(75、77)。在没有外力作用时，柔性薄膜(72)及上下电极(73、76)不与力敏电阻(71)接触，上下电极(73、76)之间绝缘；当有外力F作用时，柔性薄膜(72)及上下电极(73、76)发生形变与力敏电阻(71)接触，上下电极(73、76)之间通过力敏电阻(71)导通。

电子琴弦(11)可以有其他的实现形式，例如用模拟电阻矩阵(AMR)等二维触摸传感器替代。

电子琴弦(11)的等效电路参见图8。以受到两点触摸的场景为例，力敏电阻(71)在左右电极(75、77)之间被两个触摸点分为三段，等效为三个电阻：Rl、Rm和Rr，三个电阻的阻值与三段力敏电阻的长度成正比，因此通过测量这些阻值可以得知两个手指沿长度方向的触摸位置。触摸也使上下电极(73、76)通过力敏电阻(71)导通，力敏电阻上两个触摸点中心到上电极(73)之间的等效电阻分别为Rul、Rur，到下电极(76)之间的等效电阻分别为Rbl、Rbr，这几个电阻随压力增大会迅速减小，由于力敏电阻宽度足够窄，Rul、Rur、Rbl、Rbr的阻值可以被看作只与触摸压力的大小有关，这样通过测量电阻Rul、Rur，Rbl、Rbr或者它们复合电阻的参数便可以得到触摸力度。

图9是电子琴弦(11)感知触摸位置、触摸压力的电路原理，电子琴弦(11)被连接到图1中所示的输入分压电路(134)中。电子琴弦(11)的左电极(75)连接开关Kl，开关Kl、的另一端连接上拉电阻(Rpl)，继而接入电源Vcc；电子琴弦(11)的右电极(77)连接开关Kr，开关Kr的另一端连接上拉电阻(Rpr)，继而连接Vcc；电子琴弦(11)的下电极(76)接地，上电极(73)连接开关Ku，Ku另一端连接上拉电阻Rpu，继而接入电源Vcc。由图1中的触摸驱动器(131)控制开关Kl、Kr、Ku的打开闭合，使电路在感知触摸位置状态与测量触摸压力状态之间切换，切换的频率快到一定程度(例如1K赫兹)时便远远大于演奏者手指的运动频率，一个切换周期内分时得到的位置与压力可以看作没有时间差。

图9所示电路测量触摸的位置时，触摸驱动器(131)将开关Kl、Kr闭合，Ku打开，电路的工作原理如图10所示。当电子琴弦(11)受到两点触摸时，与上下电极(73、76)连接的电阻Rul、Rur、Rbl、Rbr急剧减小，与其他电阻相比可以忽略不计，触摸点的电位可以按接地看待。此时，左右电极(75、77)的电位由下述分压关系决定：

Vl＝Vcc×R1/(Rpl+Rl)

Vr＝Vcc×Rr/(Rpr+Rr)

触摸驱动器(131)读入电位Vr和Vl，便可根据上述两公式反推电阻Rr、Rl的大小。由于Rr、Rl的阻值正比于对应的力敏电阻(11)分段的长度，因此可以获得两个触摸点的位置。

除了两点触摸，电子琴弦(11)所处状态还可能有无触摸、单点触摸、多点触摸。当没有触摸时与上下电极(73、76)连接的电阻Rul、Rur、Rbl、Rbr被看作断开或者阻值无穷大，整个力敏电阻(71)都处于电源电位Vcc，因此Vl、Vr是否等于Vcc可以用来判断没有触摸发生；单点触摸发生的判断准则是Vr和Vl是否接近相等；图10所示电路原理无法辨识多点触摸，电路仅能检测出最靠近左右电极(75、77)的触摸点的电位，但按照两点触摸理解不会导致严重的问题。

用图9所示电路测量触摸压力时，触摸驱动器(131)将开关Kl、Kr打开，Ku闭合，电路的工作原理如图11所示。当触摸发生后，与上下电极(73、76)连接的电阻Rul、Rur、Rbl、Rbr随触摸力度增加而迅速减小。由于力敏电阻(11)长度方向上的Rm远大于上述几个电阻，而Rl、Rr不在回路中，因此可以忽略Rl、Rm、Rr的存在。Rul、Rur、Rbl、Rbr的串并联效果对外表现为上下电极(73、75)之间总的电阻参数Rf(图11中未标出)，此时，上电极(33)的电位为：

Vu＝Vcc×Rfl(Rpu+Rf)

触摸驱动器(131)读入Vu，便可以依据这个公式反推出电阻Rf的大小，继而可以根据力敏电阻(11)的压力-电阻规律反推触摸力度总的大小。

由于电子琴弦(11)的结构限制，在发生两点触摸时，电路只能感知所有触摸点的总和压力效应，而无法判断每个触点的压力值。每个触点的压力值需要结合演奏动作规律来推测。一般来说，两点触摸在时序上是先后发生的，第一个触摸是控制音高的压弦动作，第二个触摸是弹拨动作，在第二个触摸发生后，第一个触摸点的压力基本保持不变，此后压力的新增部分可以看作是第二个触摸点的压力，直至第二个触摸离弦终止。因此结合触摸点数量的判断，可以从总压力中分离出第一、第二触摸点的压力。

图12为软件(135)的处理流程。在每个时间步长的循环(C01)里，执行针对每条电子琴弦(11)的循环(C02)，循环(C02)包含激励感知-响应运算的各个步骤。在上述两级循环中，步骤(C03)、(C04)首先控制触摸驱动器(131)获取电子琴弦(11)受到的触摸压力、触摸位置；如果是单点触摸，软件在步骤(C12)跟随并记录第一触摸点的压力，如果是两点触摸，软件在步骤(C21)需推测出第二个触摸点的压力。在步骤(C06)开始，软件将触摸对象映射到虚拟的琴弦，首先判断琴弦按压段(22)受到的压力，并计算它自身以及传递到琴弦弹拨段(24)的张力；在步骤(C07)，软件计算琴弦弹拨段(24)的振动和声音，具体而言，步骤(C07)需要结合触摸位置判断琴弦弹拨段(24)有几个触摸点，以此选择图4、图5、图6所示的数字波导模型之一作为仿真模型；步骤(C08)为仿真模型设置参数并运算，参数包括琴弦张力、触摸位置、触摸压力等。

图13在图3的基础上对乐器的能力进行了进一步扩展。在软件(135)的运行逻辑下，图3中的弹拨区(34)在几何上被分为若干逻辑分区R1、R2、R3，按压区(32)也对称地划分为逻辑分区L1、L2、L3，使每条电子琴弦(11)可以映射到3条虚拟的传统筝的琴弦。通过设定琴弦的物理参数，在R1分区弹拨某条电子琴弦(11)时，数码筝产生的音高与传统筝相同弦位的音高相同；在R2分区弹拨时，产生的声音比R1分区升高1个半音；在R3分区弹拨时，产生的音高比R1升高2个半音；而按压L1、L2、L3区域分别影响R1、R2、R3区域的弹拨音高。进一步，软件可以对左侧逻辑分区R1、R2、R3也按照图4、图5、图6建模，使左右各分区都兼顾琴弦按压段(22)和弹拨段(24)的功能，并使琴桥(33)两侧对称分区的固定音高按一定的规律错开，典型的错开规律是左侧较右侧低1个八度，这样的安排充分利用了乐器的横向尺寸，在有限的空间里使筝的定覆盖了十二平均律的每个音阶，覆盖的总音域较传统筝更为宽广，而且并不导致电子琴弦(11)的数量、乐器的尺寸的增加。

图13只是乐器能力扩展的一个典型案例，实际上还有很多有意义的扩展选择，例如定义更多的逻辑分区来增加音阶数和音域、部分分区按照七声音阶定音等等。

电路及运算单元(13)以及其运行的软件(135)记录数码乐器的状态变量并根据这些变量改变乐器工作规律、适应环境变化。这些变量包括虚拟乐器及声学环境的物理参数、定调、音量、电子琴弦(11)逻辑分区的定义等，演奏者可以执行配置流程，设定、改变、保存这些变量并使之在电路及运算单元(13)中生效。配置的基本流程参见图14：

a)E01：电路及运算单元(13)向控制器(12)输出状态变量；这些状态变量来自默认设置或以往用户的设置结果；

b)E02：控制器(12)向演奏者呈现状态变量；常见的控制器(12)输出界面可以为简单的指示灯组合，或者显示屏等较为复杂的显示器件，也可以声音辅助呈现；

c)E03：用户向控制器(12)输入新的变量；控制器(12)的输入界面可以是简单的开关、按钮，旋钮组合、或者较为复杂的触控屏幕；

d)E04：控制器(12)将新输入的状态变量传递给电路及运算单元(13)；

e)E05：电路及运算单元(13)记录保存新的变量；保存介质包括ROM、FLASH等记忆器件；

f)E06：软件(135)根据新变量为仿真模型设定参数。

Claims (10)

1.一种数码筝，其特征为乐器系统感知演奏者弹奏动作的触摸位置和力度等物理量，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。

2.如权利要求1所述的数码筝，其特征为：具备若干电子琴弦、电路及运算单元、放音设备、控制器；其中：

a)电子琴弦感知到演奏者的动作参数，将其转换为模拟量电信号，输入到电路及运算单元；

b)电路及运算单元对动作参数信号进行加工和数字信号处理，产生乐器的输出，并将计算结果还原为电信号输出到放音设备；

c)控制器向演奏者呈现乐器状态，接受演奏者的控制意图，并控制电路及运算单元使乐器按照演奏者设定的工作规律工作。

3.如权利要求2所述的数码筝，其特征为：所述的电路及运算单元包含触摸驱动器、处理器、输出电路、输入分压电路和软件；其中：

a)输入分压电路与电子琴弦一起感知触摸；

b)触摸驱动器控制输入分压电路，采集触摸参数并输入给处理器；

c)处理器及其加载运行的软件计算出演奏动作对应的乐器的响应。

4.如权利要求2所述的数码筝，其特征为：所述的电子琴弦由两端附着电极的带状压敏电阻、印刷有两条电极的带状柔性薄膜、绝缘支撑胶条组成，其工作原理为：

a)柔性薄膜不受力时，其表面印刷的并行电极相互绝缘；

b)柔性薄膜受力时，其表面印刷的电极接触压敏电阻而导通，这两个电极间，以及压敏电阻两端附着电极之间的电阻随压力的位置和大小发生改变。

5.如权利要求3所述的数码筝，其特征为：所述的软件执行数字仿真模型，虚拟出传统筝及其部件的振动，以触摸参数作为仿真模型的激励输入。

6.如权利要求4所述的数码筝，其特征为：可选地，所述的电子琴弦可以用其他传感器件替代实现，例如模拟电阻矩阵(AMR)。

7.如权利要求3所述的数码筝，其特征为：所述的软件将电子琴弦按几何位置区别为不同的逻辑分区，使电子琴弦按分区被映射到数字仿真模型虚拟的多个琴弦或琴弦段。

8.如权利要求3所述的数码筝，其特征为：所述的电路及运算单元以及其包含的软件记录数码乐器的状态变量并根据这些变量控制乐器工作规律、适应环境变化，这些变量包括虚拟乐器及声学环境的物理参数、定调、音量、电子琴弦逻辑分区的定义等；演奏者可以执行配置流程，设定、改变、保存这些变量并使之在电路及运算单元中生效。

9.如权利要求2所述的数码筝，其特征为：控制器的输出界面可以为简单的指示灯组合，或者显示屏等较为复杂的显示器件，也可以声音辅助呈现。

10.如权利要求2所述的数码筝，其特征为：所述的控制器的输入界面可以是简单的开关、按钮，旋钮组合，或者较为复杂的触控屏幕。