CN108513227B - 一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法。该方法采用麦克风矩阵对不同水平音质的钢琴拾音，声音信号经过麦克风和单片机转换为数字信号，且提取特征值作为已知音质水平的数据集，用于训练评价钢琴音质的神经网络模型。然后在现代电子琴的共鸣腔内排列组合放置不同种类的已编号的三维扬声器阵列，通过控制模块、单片机、驱动器、继电器控制待播放的扬声器阵列组合，播放相同旋律，使用同样的麦克风矩阵拾音，并将阵列样本输入神经网络进行评分，得出最佳的扬声器阵列设计方案，指导现代电子琴的制作。

Description

一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法

技术领域

本发明涉及现代电子琴的扬声器阵列设计，尤其涉及通过设计现代电子琴的扬声器阵列摆放方式以达到改进电子琴音质效果的方法。

背景技术

随着我国音乐教育意识的不断提升和人民生活水平的提高，越来越多的人萌发了学习琴类乐器的想法，很多学校也希望能开设相关方向的课程，将琴类音乐之美普及到大众。钢琴被称为“乐器之王”，在全频段的音质播放、欣赏体验丰富度和空间感以及演奏技艺的表达上有着非常杰出的表现。然而囿于价格、空间、维护成本、移动便捷性等各方面实际条件所限制，钢琴的普及存在一定实际难度。电子琴却以其成本相对较低、占地面积小、便于维护和移动等优点，在音乐普及教学中得到越来越广泛的应用。电子琴的音乐效果，给乐器初学者带来直观的音乐感受，在引起学生注意、激发情感共鸣方面也有很大贡献。

早期的电子琴不论形式多么复杂，究其原理, 都是由音源系统、音色形成电路、键盘系统、放大器、音响重放系统五个基本部分组成的。音源系统产生电震荡信号，振荡器可以是RC、LC或晶体滤波器。演奏者按动琴键，通过键盘开关，把音阶信号送到音色滤波器。音色滤波器改变基波与谐波的比例，产生具备各种音色的信号，将这些信号送到放大器，再推送到两个内置扬声器发声。现代的电子琴主要是在音源部分做出改进，先录制弹奏音符形成音源再进行回放，它采用超大规模集成电路，内部包括微处理器CPU、只读存储器ROM、读写存储器RAM、输入输出控制线接口I/O。在集成电路内部存储固化了键盘扫描、音阶程序、音色及编程等功能。音源的数据通过不同接口,由键盘和按钮控制读写输出，经过扬声器回放该音。

电子琴的出现和其他新事物一样，起到很大的作用，却也还有很多有待加强之处。电子琴在大部分频段能够演奏出音质良好的音乐，在其他小部分频段音质有待提高；电子琴的演绎效果较之钢琴相比，空间感、层次感方面一直有所欠缺，欣赏体验欠丰富。

纵观现在市场上的电子琴，随着技术水平的提升，音源已经有了非常好的音质，但是人耳接收到的效果与传统琴类相比依然有待提高，问题在于电子琴采用扬声器播放音乐，囿于扬声器的工艺限制，只能在某一频段内有极佳的演出效果，在另外一些频段音质欠佳；电子琴一般采用双扬声器，发生源是两点，用于播放左右两声道的音乐信息，而钢琴的发生源是一个阵列：琴弦产生振动能量，通过弦码，传递到音板，在共鸣腔内进行共鸣，然后传递给听众。由此产生一个设想，如果电子琴也能对如上问题做出改进，就能较大程度上获得更好的电子琴演奏效果，给音乐初学者带来更美妙的音乐体验。

发明内容

针对目前的电子琴存在的一些诸如无法模拟阵列音源，无法在全频段内取得好的模拟效果等不足。本发明旨在提出一种基于扬声器阵列设计的电子琴制作方法，利用三种不同扬声器所组成得扬声器阵列代替原有的双声道扬声器以模仿阵列音源；对于不同频段的音乐信息采用相应规格的扬声器播放以期获得良好的全频段演奏效果，使得演奏者的艺术处理效果被最大限度地还原。

本方法通过如下技术方案实现。

一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法，首先在多架音质水平不同的钢琴的共鸣腔外，高度平行于背板与弦的固定位置处放置用于录制钢琴发声的麦克风矩阵，录下被测钢琴在相同条件下同一位演奏者弹奏的指定一段简单旋律作为训练样本，使用神经网络学习不同音质水平的钢琴发声时麦克风矩阵录制下来的阵列声源中各个点之间的相关程度、延时程度等特征值，从而得到一个“音质高”的评判标准。再在现代电子琴的共鸣腔内排列组合放置不同种类的已编号的扬声器阵列，弹奏相同旋律，使用同样的麦克风矩阵录制，并将阵列声源样本输入神经网络进行评分。最后得到一种得分高的扬声器阵列组合形式。达到对现代电子琴进行扬声器阵列设计的目的。

进一步的，所述的麦克风矩阵连接有单片机处理模块，用独立电源控制其工作。打开独立电源，拾得的声音信号经过麦克风处理成电信号并输入到单片机处理模块。单片机处理模块将得到的电信号通过滤波器放大，采用模数转换的方法将其转换为数字信号并存储在内部的存储卡中。在处理这些最终的数字信号的时候可以取出存储卡，在电脑上计算分析研究所需的各种特征值。

进一步的，所述的扬声器阵列是一个m*n*l的三维空间阵列。扬声器的种类包括以下三类：一种是采用轻质高强度纤维多层次结合的振动膜的低频扬声器阵列；一种是采用比较轻薄坚韧的振动膜、口径较小的高频扬声器阵列；一种是振动膜材质介于两者中间的中频扬声器阵列。将扬声器从1开始编号，测试时彼此独立，放置在多层塑料制架子上排列组合播放音源。

进一步的，所述的扬声器阵列的工作是通过一个阵列选择控制器来进行的，它进行空间的选择，可以通过一个单片机来控制来实现；如阵列有N=m*n*l个阵元，那从N个阵元里面选择一些扬声器来工作，假设选M（M<N）个,则有

种可能，那单片机就控制这

种可能依次进行。

进一步的，所述的扬声器阵列的工作还可以通过选择扬声器的种类，即是在每个空间位置上都可以选择三种扬声器种类中的一种。这可以通过人为选择，也可以在每个空间位置上都摆放3个不同种类的扬声器用单片机来统一控制选择。通过上述的空间选择和种类选择，则有

种可能，后面的评价也即是从这些可能里面选择一种最好的作为扬声器阵列的布置。

进一步的，所述的制作方法以市面上已有的多架音质水平不同的钢琴音质为实验样本，使用神经网络训练和设立音质水平判断标准。过程描述如下：

（1）择一安静的环境如室内，放置若干架钢琴。同一演奏者依次在各个音质水平不同的钢琴上弹奏指定旋律。麦克风矩阵依次搬移使之与每次正在弹奏的钢琴相对位置固定开始拾音。

（2）麦克风矩阵所拾得的声音信号通过单片机处理模块的放大、滤波、模数转换等操作生成便于研究和分析的数字信号，根据所录制的钢琴的不同依次分类标记。

（3）在频域上选取阵列音源各个采样点相对于发声位置的频域相关系数矩阵，在时域上提取各个麦克风的延时曲线矩阵和响度曲线矩阵，以及表达音色特征的MFCC系数。

（4）将这些特征值作为一个已知答案的数据集分别输入建立的神经网络，调整选取的各个特征值的权重和阈值，不断实验和修正，拟合结果，最终得到神经网络模型。

所述的制作方法测试现代电子琴扬声器阵列不同组合演奏效果的过程如下：

（1）将上述三维扬声器阵列置入现代电子琴的共鸣腔处。

（2）为避免每次弹奏的差异，也为了节约人力成本，同一位演奏者在现代电子琴上弹奏一次，启动电子琴的录制功能，接下来测试扬声器矩阵的排列组合就使用现代电子琴的播放功能调取该段旋律。

（3）通过扬声器矩阵的外置控制模块设定待测的扬声器阵列组合。此处可以根据实际情况选择：如果待测的矩阵组合数量较小可以使用外置控制键盘阵列来操纵；如果待测的矩阵组合数量较大可以采用数字电路芯片控制，先将待测试的组合转换为十六进制的数字信息然后写入芯片，芯片连接单片机达到控制待播放的扬声器阵列组合的效果。

（4）单片机生成相应的控制信号，传递到驱动电路，驱动器与继电器相连，以此来控制电磁继电器的吸合或者释放动作，最终控制开关阵列的开与关，达到打通输出通道的目的，即选择出相应的扬声器阵列组合。

（5）将不同的扬声器阵列组合所播放的音乐信息通过上述麦克风矩阵定点采集，经过单片机处理模块的处理，提取对应特征值后，输入神经网络进行评估，确定最佳的扬声器组合方案。

与市面上流行的现代电子琴相比较，本发明具有如下优点：

（1）使用扬声器阵列组合代替现有的双扬声器，以达到模拟阵列音源，增强音乐的空间感的效果

（2）以市面上音质水平不同的钢琴作为参考样本训练出最佳的不同频段扬声器位置摆放方案，用较小的成本达到改进现代电子琴音质的效果。

（3）对于不同的音乐信号，采用不同种类的扬声器阵列播放，弥补电子琴不能再全频段取得良好的音质的缺陷。

附图说明

图1是实例中利用已知音质水平的钢琴训练评判音质神经网络的工作流程图。

图2是测试扬声器阵列不同组合演奏效果的控制原理图。

图3是测试扬声器阵列不同组合演奏效果的工作流程图。

图4是设计过程中使用的扬声器阵列的结构图。

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，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，是利用已知音质水平的钢琴训练评判音质神经网络的工作流程图。选择一个安静的环境如室内，放置若干架钢琴。同一演奏者依次在各个音质水平不同的钢琴上弹奏指定旋律。麦克风矩阵依次搬移，使之与每次正在弹奏的钢琴相对位置固定，开始拾音。接下来麦克风矩阵所拾得的声音信号通过单片机处理模块的放大、滤波、模数转换等操作生成便于研究和分析的数字信号，根据所录制的钢琴的不同依次分类标记。然后在频域上选取阵列音源各个采样点相对于发声位置的频域相关系数矩阵，在时域上提取各个麦克风的延时曲线矩阵和响度曲线矩阵，以及表达音色特征的MFCC系数作为特征值。将这些特征值作为一个已知答案的数据集分别输入建立的神经网络，调整选取的各个特征值的权重和阈值，不断实验和修正，拟合结果，最终得到评价音质的神经网络模型。

如图2所示，是测试扬声器阵列不同组合演奏效果的控制原理图。所述的扬声器阵列组合的控制是通过一个阵列选择控制器来进行的。它包括控制模块、单片机、驱动阵列、继电器阵列、开关阵列以及电源。控制模块可以是外置控制键盘阵列，也可以是将待测顺序转换成十六进制数字写入的数字电路芯片，这个依据待测扬声器阵列组合的数量多少而定。控制模块输入待测扬声器阵列编号组合，键值信息进入单片机。单片机发出控制数据信息，控制数据信息传递到驱动电路，驱动器与继电器相连，以此来控制电磁继电器的吸合或者释放动作，最终控制开关阵列的开与关，达到打通输出通道的目的，即是选择出相应的扬声器阵列组合。

如图3所示，是测试扬声器阵列不同组合演奏效果的工作流程图。将上述三维扬声器阵列置入现代电子琴的共鸣腔处。与在钢琴上演奏旋律的同一位演奏者在现代电子琴上弹奏一次后，启动电子琴的录制功能，接下来测试扬声器矩阵的排列组合就使用现代电子琴的播放功能调取该段旋律。通过扬声器阵列的外置控制模块，此处可以根据实际情况选择：如果待测的矩阵组合数量较小可以使用外置控制键盘阵列来操纵；如果待测的矩阵组合数量较大可以采用数字电路芯片控制，先将待测试的组合转换为十六进制的数字信息然后写入芯片，芯片连接单片机达到控制播放的扬声器阵列组合的效果。单片机生成相应的控制信号，传递到驱动电路，驱动器与继电器相连，以此来控制电磁继电器的吸合或者释放动作，最终控制开关阵列的开与关，达到打通输出通道的目的，即是选择出相应的扬声器阵列组合。播放指定旋律，与此同时麦克风矩阵拾音。播放完毕后，单片机会通过读取一个已经预设的休止信号的方法判断是否已将控制模块传递过来的键值信息全部读取完毕。如果是，则进行下一步；如果不是，则回到读取键值的部分并重复上述步骤。将不同的扬声器组合所播放的音乐信息通过上述麦克风矩阵定点采集，经过单片机处理模块的处理，提取对应特征值后，输入神经网络进行评估，确定最佳的扬声器组合方案。

如图4所示，是摸索设计过程中使用的扬声器阵列的结构图。所述的扬声器阵列是一个m*n*l的三维空间阵列，可以采用m*n*l塑料件2。扬声器1的种类包括高中低频段三类。将扬声器从1开始编号，背后内置含有与序号相同的标签的无线通信模块。测试时彼此独立，放置在多层塑料制架子上排列组合播放音源。每个空间位置上都摆放3个不同种类的扬声器来用单片机来统一控制选择。音乐信息从打通的通道处传递到指定编号的扬声器。每个编号处的高中低三个频段扬声器同时得到音乐信息，通过解析音乐信息在现代电子琴内部信号处理模块处根据琴键所在位置而打下的标记决定是否播放。

Claims (6)

1.一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法，其特征在于采用麦克风矩阵录制多架已知音质水平的钢琴的阵列音源信息，将其作为训练样本输入神经网络，计算阵列音源中各个点之间的特征值，学习与训练神经网络，从而得到一个音质高的评判标准即神经网络模型；然后在现代电子琴的共鸣腔内排列组合放置不同种类的已编号的扬声器阵列，弹奏相同旋律，使用同样的麦克风矩阵录制，并将阵列声源样本输入神经网络进行评分；最后得到一种得分高的扬声器阵列组合形式，用于现代电子琴的制作；所述神经网络模型的学习与训练包含以下步骤：

（1）在安静的环境中，放置若干架钢琴；同一演奏者依次在各个音质水平不同的钢琴上弹奏指定旋律；麦克风矩阵依次搬移使之与每次正在弹奏的钢琴相对位置固定开始拾音；

（2）麦克风矩阵所拾得的声音信号通过单片机处理模块的放大、滤波、模数转换操作生成数字信号，根据所录制的钢琴的不同依次分类标记；

（3）在频域上选取阵列音源各个采样点相对于发声位置的频域相关系数矩阵，在时域上提取各个麦克风的延时曲线矩阵和响度曲线矩阵，以及表达音色特征的MFCC系数；

（4）将步骤（3）提取到的特征参数即特征值作为一个已知答案的数据集分别输入建立的神经网络，调整选取的各个特征值的权重和阈值，不断实验和修正，拟合结果，最终得到神经网络模型。

2.根据权利要求1所述一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法，其特征在于设计过程中的录制音源是阵列音源，故在频域上选取阵列音源中各个采样点相对于发声位置的频域相关系数，在时域上按顺序绘制各个麦克风的延时曲线和响度曲线作为特征值，采用表达音色特征的MFCC系数作为特征数，一起输入神经网络。

3.根据权利要求1所述的一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法，其特征在于所述的扬声器阵列是一个m*n*l的三维空间阵列，扬声器的种类包括高中低频三类；将扬声器从1开始编号，背后内置含有与序号相同的标签的无线通信模块；扬声器阵列的工作是通过一个阵列选择控制器来进行的，实现进行空间的选择。

4. 根据权利要求3所述的一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法，其特征在于扬声器阵列有N=m*n*l个阵元，那从N个阵元里面选择一些扬声器来工作，假设选M个, 则有

种选择的可能，M<N；测试时彼此独立，放置在多层塑料架子上。

5.根据权利要求1所述的一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法，其特征在于确定最佳的扬声器阵列组合形式具体包括如下步骤：

（1）将三维扬声器阵列置入现代电子琴的共鸣腔处；

（2）同一位演奏者在现代电子琴上弹奏一次同一旋律，录入电子琴；

（3）通过扬声器矩阵的阵列选择控制器的外置控制模块将待测组合方式转换为键值输入阵列选择控制器的单片机达到控制播放的扬声器阵列组合的效果；

（4）单片机生成相应的控制信号，传递到驱动电路，驱动器与继电器相连，以此来控制电磁继电器的吸合或者释放动作，最终控制开关阵列的开与关，达到打通输出通道的目的，即选择出相应的扬声器阵列；

（5）使用指定的扬声器阵列组合播放音乐，并将所播放的音乐信息通过上述麦克风矩阵采集，提取对应特征值后，输入神经网络进行评估，确定最佳的扬声器组合方式。

6.根据权利要求3所述的一种基于扬声器阵列设计的现代电子琴制作方法，其特征在于所述阵列选择控制器包括顺次连接的控制模块、单片机、驱动阵列、继电器阵列、开关阵列以及电源。

Images