CN107424593B - 一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器，包括触控输入面阵、立体曲面扬声器阵列、控制模块。触控输入面阵包含触控阵列、压力传感模块，触控阵列用于用户输入和演奏，可以是排列为面阵的按键或者是电子触摸屏，用于模拟打击乐、管乐、弦乐演奏时的输入；立体曲面扬声器是根据传统乐器发音装置的形状来设计和制作的立体的、曲面的薄膜扬声器，多个立体曲面扬声器形成阵列，用于模拟相应乐器的空间感和音色；本发明基于传统打击乐、弦乐和管乐的机械发声机理、演奏习惯和电子乐器播放声音的原理，形成轻松演奏打击乐、弦乐和管乐并具有空间音效的电子乐器。

Description

一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器

技术领域

本发明涉及电子乐器实现和电子设备技术，具体涉及一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器。

背景技术

管乐、弦乐、打击乐是乐队中不可缺少的部分。管乐是指以管发声的乐器及其所奏的音乐，常见的西洋管乐器包括单簧管，双簧管，萨克斯，长笛，巴松等木管乐器；小号，中音号，长号，圆号，大号等铜管乐器。弦乐器依靠机械力量使张紧的弦振动发音，分为拉弦乐器（如提琴类和胡琴类）、拨弦乐器（如吉他和阮）和击弦乐器（扬琴类）。打击乐器是一种以打、摇动、摩擦、刮等方式产生效果的乐器族群，在西洋乐和民族乐中均有，代表性乐器有小鼓、大鼓、钹、木琴等。

上述几类乐器演奏时的难点在于演奏力量的控制和技巧，因此不易于学习和推广。与键盘乐相比，这几种乐器演奏起来更耗费人力，比如管乐是依靠吹气来演奏的，在演奏时非常讲究气息的运用，如果气息运用不当或者没有经过专门的训练以正确控制气息，会直接影响吹奏的效果，还要训练舌头与口型，以形成各种不同的音。吹奏萨克斯就更加费力和需要专业的训练。如果能实现相应的电子乐器用键盘弹奏划动的模式来代替吹奏、拉弦和打击，可以减轻演奏者体力上的消耗。

与键盘乐相比，上述几类乐器在演奏时具有的显著不同在于其音准并不是固定的，需演奏者把握并在演奏的时候输入给乐器。键盘乐（比如钢琴）发音是由敲击键盘带动弦振动，并带动共鸣腔的振动而产生的，每一个琴键的音准有固定频率，且该频率与弦的张力和共鸣腔的性能有关，音准由专业调音师定期调整。管乐、弦乐、打击乐则是依靠演奏者自身对音准的把握，在演奏时更需要准确把握正确的弹奏位置和演奏方式。比如，弹奏吉他时，在弦不同位置弹奏产生不同频率的音。所以如果要将上述乐器改为用键盘弹奏划动的形式，就需要该电子乐器的输入能够有效地模拟现有管乐、弦乐、打击乐频率变化多、演奏输入不固定的特点，避免只有传统键盘乐器（比如钢琴）那样固定频率的音。

电子乐器主要是通过特定的方式触发电子信号，利用电子合成技术或是采样技术使得电声设备发出声音来模拟传统乐器的声音，而不需要传统乐器的发声和共鸣装置，比如电钢琴。电钢琴兴起于二十世纪六七十年代，通过电子元器件传感模拟传统钢琴发声，集成电路经过对按键力度、踏板情况、按键速度等物理状况进行运算，调用相应的采样信号，经过一定的运算后回放。电钢琴由于其体积小、重量轻、价格便宜、音量可调等特点，使用已相当普及，在某些场合代替钢琴，成为很多非专业人士的选择。然而前面提到的几类乐器（管乐、弦乐、打击乐）的电子乐器并不多，这与用电子器件模拟上述乐器的音色具有一定的难度有关。乐器的音色与基准频率以及高阶谐波（即泛音）的位置和能量有关。演奏钢琴时，槌子击弦产生振动，击弦的位置和弦距两边的距离是固定的，因此弦上产生单一的驻波，琴音经过共振板传出来，从频谱上看，钢琴音的频谱是非常规律的基频频率及其谐波。而打击乐、管乐是通过共鸣腔产生多样的驻波，并通过开放的环境向外传播，从频谱上看，具有很多分数谐波。对于电子乐器来说，模拟由驻波产生的具有规律整齐的谐波分量的声音比较容易，而分数阶谐波则难以模拟。另外，电子乐器的发音设备是扬声器，而传统乐器是通过机械装置发音的，两者发音原理不同导致了音效不同。现在的电子乐器大多是配置少量或者单一扬声器发音，甚至现有的电子小提琴、电子吉他等都需要外接扬声器，因此并不能模拟传统小提琴、吉他的共鸣腔带来的演奏空间感。

发明内容

针对目前管乐、弦乐、打击乐等乐器吹奏费力难学、演奏方式多样、相应的电子乐器空间音效差，本发明提出一种可以区域划动触控输入、可有效模拟管乐等乐器演奏的立体扬声器的电子乐器，本发明通过如下技术方案实现：

一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器，是通过划动触控按键或电子触摸屏的方式弹奏的数码乐器，并能形成空间音效，包括触控输入面阵、立体曲面扬声器阵列、控制模块。触控输入面阵用于用户弹奏和输入音符给数码乐器，立体曲面扬声器阵列用于播放音频文件并形成空间感，控制模块用于存储从传统乐器上采集的音频文件并根据触控输入面阵的弹奏情况重新合成音频文件发送给立体曲面扬声器阵列。

触控输入面阵包含触控阵列、压力传感模块，触控阵列用于用户输入和演奏，可以是排列为面阵的按键或者是电子触摸屏，用于模拟打击乐、管乐、弦乐演奏时的输入，比如打击乐的鼓面锤击、弦乐的琴弦拨动、管乐的吹奏等，如果是按键面阵，演奏时可以按动单个按键，也可以划动以同时触动若干个按键；如果是电子触摸屏，演奏时可以触动屏幕单个位置，也可以划动触动屏幕。弹奏或划动所述按键或者屏幕上的不同区域时所产生的乐音信号由控制模块根据实际弹奏需求确定。所述压力传感模块安装于按键面阵或电子触摸屏上，用来检测弹奏力度，演奏时由演奏者单手同时给出演奏内容和力度；压力传感模块也可以独立于按键面阵或者电子触摸屏，演奏时由演奏者双手完成，分别给出演奏内容和力度。

所述的立体曲面扬声器阵列是由立体曲面扬声器组成的扬声器阵列，立体曲面扬声器是根据乐器发音装置的形状来设计实现的薄膜式扬声器，扬声器的形状不拘泥于常见的圆形，是立体的、曲面的，根据具体的传统乐器，设计为更能体现传统乐器声波传播特性的形状，比如环形。将立体曲面扬声器排列为阵列，用于模拟相应乐器的空间感和音色。比如萨克斯，可以设计为管状立体的薄膜式扬声器，并将多个立体曲面扬声器根据萨克斯的发音装置的形状来排列，形成立体曲面扬声器阵列；如果是大鼓，则设计为环形的薄膜扬声器，并按照大鼓的共振腔形状来排列立体曲面扬声器形成阵列。

控制模块中含有处理单元和存储单元，存储单元用于存储传统乐器演奏时所采集的音频文件。处理单元则根据触控输入面阵输入的相应按键或者区域以及压力传感模块检测到的压力值，合成各个扬声器播放的音频文件。为了更好地模拟管乐、弦乐、打击乐的分数阶谐波及空间感，各个扬声器播放的音频文件是控制模块根据各个扬声器所在位置，将存储的从传统乐器上采集的音频文件给予一定的时延、并调整各次谐波和分数阶谐波的相对大小重新合成得到的。

与现有的传统乐器相比，本发明具有以下优点：

（1）将管乐、弦乐、打击乐转换为按键面阵或者电子触摸屏弹奏划动模式，其弹奏不像现有的管乐、打击乐、弦乐那样需要费力演奏，降低了对演奏者气息控制的技能要求以及演奏体力方面的消耗。

（2）该数码乐器的扬声器是按照乐器的发音装置的空间特点和发音特点设计和制作的，并形成立体曲面扬声器阵列，与现有的单一扬声器或者外接扬声器相比，能更好地产生空间感。

（3）该数码乐器各个扬声器播放的音频文件是控制模块根据扬声器的位置和形状，对所采集的音频文件进行延时、谐波分量幅度调整处理后重新合成的，能更好地模拟管乐、弦乐、打击乐中分数阶谐波的音效。

附图说明

图1一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器的结构框图。

图2（a）是传统的吉他。

图2（b）是本实施例区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器——吉他。

图3（a）是传统的大鼓。

图3（b）是本实施例区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器——大鼓。

图4（a）是传统的笛子。

图4（b）是本实施例区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器——笛子。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

如图1所示，是一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器的结构框图。一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器，包括触控输入面阵、立体曲面扬声器阵列、控制模块。触控输入面阵包括触控阵列和压力传感模块，用于用户弹奏和输入音符给数码乐器，立体曲面扬声器阵列用于播放音频文件并形成空间感。触控阵列用于用户输入和演奏，可以是排列为面阵的按键或者是电子触摸屏，用于模拟打击乐、管乐、弦乐演奏时的输入。立体曲面扬声器按照传统乐器的发音装置的形状设计和制作，不局限于传统的圆形扬声器，可以是其他形状的、立体的、曲面的，根据具体的应用需求而定。本实施例中采用压电薄膜聚偏二氟乙烯PVDF技术来制作曲面立体扬声器，这是一种新型超薄的薄膜扬声器，可以切割或塑造成任何形状。控制模块用于存储从传统乐器上采集的音频文件并根据触控输入面阵的弹奏情况重新合成音频文件发送给立体曲面扬声器阵列。

如图2所示，是一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器的实施例，以弦乐器中的吉他为例。图2(a)是一把传统的吉他，吉他有6根弦，又称为六弦琴，吉他的发音原理是：手指拨动琴弦，琴弦开始振动。琴弦振动时，振动传给吉他上用于固定琴弦的琴码，琴码将振动传给面板，面板与琴身的共振压缩箱体里的空气振动产生声波，声音通过背板的反射从音孔传出。因此，是通过六根弦来弹奏，而通过琴身的共振箱体发出声波的。本实施例用图2(b)示意数码乐器，如图中201所示，是电子触摸屏，用来模拟琴弦，其上划分了6个区域，每个区域代表一根琴弦，电子触摸屏上具有压力传感模块，演奏者触动电子屏幕的不同区域相当于拨动不同的琴弦，触动区域202相当于拨动琴弦1，触动该区域的上下不同位置相当于拨动琴弦的不同位置；触动区域203相当于拨动琴弦2，其它依次类推。通过压力传感模块获得触动的力度和触动的方式，以表现不同的弹奏力度和方式。另外，也可以在电子触摸屏上划动，以模拟在琴弦上划动。204是本实施例所使用的立体曲面扬声器阵列，根据吉他共鸣箱体的形状设计立体曲面扬声器，为葫芦形的立体薄膜扬声器，其外侧是发音面，扬声器的数量按照应用需求而定，在本实施例中，立体曲面扬声器层层嵌套，排列成吉他的共振压缩箱体的形状，以模拟整个共鸣箱体发出声音的空间感。每个扬声器播放的音频文件由控制单元根据弹奏者对电子触摸屏弹奏的手法以及各个立体曲面扬声器的位置调整信号的时延、以及各个谐波和分数谐波的大小，再重新合成，并输出给各个立体曲面扬声器播放。

如图3所示，是一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器的实施例，以打击乐器中的大鼓为例。图3(a)是传统的大鼓。鼓的发音原理是，敲击鼓面，鼓面振动带动鼓腔振动，从而发出共鸣声音。如图3(b)所示，301是按键面阵，按键上配有压力传感模块，不同位置的按键代表鼓面的不同位置，敲击不同位置的按键相当于敲击鼓面的不同位置，压力传感模块感应敲击的力度，输出给控制模块。鼓锤的敲打改变为按键形式，使得演奏更为轻松，不像传统击鼓费力。302是本实施例所使用的立体曲面扬声器阵列，按照大鼓共鸣腔的结构，设计了平面环形扬声器303和曲面立体环形扬声器304，分别按照大鼓的形状排列在鼓面和鼓侧边，以更好地模拟大鼓在空间各个位置发出的声音。每个扬声器播放的音频文件由控制单元依据敲击鼓面的按键位置及力度调整相对时延和谐波幅度大小而合成。

如图4所示，是一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器的实施例，以管乐中的笛子为例，笛子是中国乐器中最具代表性最有民族特色的吹奏乐器。笛子的吹奏虽然没有西洋乐器中的萨克斯那么费力，但是也需要很好地掌握呼吸和气息的控制。口型、角度和舌头的变化都会对吹奏结果产生影响。要吹出美妙动听的笛音，需要正确的呼吸方法和口形。要吹出笛子的高音、低音、强音、弱音，需要呼吸与口形的变化相互配合协调一致。还有单吐、双吐、三吐、花舌等演奏技巧需要反复练习。因此，传统笛子的吹奏比较难掌握。图4（a）为传统笛子，如图4（b）所示，本实施例中的笛子以18个音为例，设置18个按键形成面阵，如401所示。演奏笛子的时候，舌头的姿态对产生的声音具有重要的作用，因此，402是另一个按键面阵并配有压力传感模块，用于演奏者输入舌头的姿态，以形成不同的演奏效果，四个按键分别表示产生单吐、双吐、三吐和花舌效果。演奏的时候，可以由演奏者两个手配合完成。压力传感模块检测演奏者的弹奏力度并输出给控制单元。403是曲面立体扬声器阵列，该曲面立体扬声器是按照笛身的形状制作的环形曲面薄膜扬声器，多个曲面立体扬声器按照笛子的空间特点形成阵列。控制模块根据401输入的音准、402输入的演奏方式和力度，以及各个扬声器的位置，合成不同的声音文件发送给不同的扬声器播放。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器，是通过划动触控按键或电子触摸屏的方式弹奏的数码乐器，并能形成空间音效，其特征在于，所述数码乐器包括触控输入面阵、立体曲面扬声器阵列、控制模块；所述触控输入面阵用于用户弹奏和输入音符给数码乐器，所述立体曲面扬声器阵列用于播放音频文件并形成空间感，所述控制模块用于存储从传统乐器上采集的音频文件并根据触控输入面阵的弹奏情况重新合成音频文件发送给立体曲面扬声器阵列；所述的立体曲面扬声器是薄膜式立体的、曲面的扬声器，扬声器的形状包括圆形、葫芦形、平面环形和曲面环形；将立体曲面扬声器按照乐器发音装置排列为阵列，用于模拟相应乐器的空间感和音色。

2.根据权利要求1所述的一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器，其特征在于，所述的触控输入面阵包含触控阵列、压力传感模块，触控阵列用于用户输入和演奏，可以是排列为面阵的按键或者是电子触摸屏，用于模拟打击乐、管乐、弦乐演奏时的输入，如果是按键面阵，演奏时可以按动单个按键，也可以划动以同时触动若干个按键；如果是电子触摸屏，演奏时可以触动屏幕单个位置，也可以划动触动屏幕；弹奏或划动按键或者屏幕上的不同区域时所产生的乐音信号由控制模块根据实际弹奏乐器确定；所述压力传感模块安装于按键面阵或电子触摸屏上，用来检测弹奏力度，演奏时由演奏者单手同时给出演奏内容和力度；压力传感模块也可以独立于按键面阵或者电子触摸屏，演奏时由演奏者双手完成，分别给出演奏内容和力度。

3.根据权利要求1所述的一种区域划动触控式曲面立体扬声器阵列的数码乐器，其特征在于，所述控制模块中含有处理单元和存储单元，存储单元用于存储传统乐器演奏时所采集的音频文件；处理单元则根据触控输入面阵输入的相应按键或者区域以及压力传感模块检测到的压力值，合成各个立体曲面扬声器播放的音频文件，即各个立体曲面扬声器应该播放的音频文件是控制模块根据各个立体曲面扬声器所在位置，将存储的音频文件给予一定的时延、并调整各次谐波、分数阶谐波的相对大小重新合成得到的。

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