CN108806652A - 一种弦乐器拾音装置及拾音方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种弦乐器拾音装置及拾音方法，其中拾音装置包括金属外壳，磁体装置，信号处理装置以及微型处理器，磁体装置位于金属外壳内部，磁体装置通过导线与所述信号处理装置电连接，信号处理装置与微型处理器电连接；磁体装置包括六组磁体，分别产生六路信号；拾音装置还包括两组压电拾音器，分别产生两路信号；上述八路信号经过信号处理装置放大和转换后，输出数字信号到微处理器，经过软件对输入信号进行滤波、音频检测以及合成处理后，通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备，直观显示音频波形。
Description
技术领域
本发明涉及采集声学设备领域，特别是涉及一种弦乐器拾音装置及拾音方法。
背景技术
目前，在整个声音放大系统里的第一件设备就是拾音器。随着科技的不断发展，拾音器设备以其独特的优点得到广泛的应用。拾音器的作用就是把弦类乐器的声音信号转化为电信号传输给放大器。这信号包括了音高、音色、音量、音头以及延音特征。在弦类乐器的拾音器领域，分为主动拾音和被动拾音，其核心结构就是在永磁体上缠绕线圈制成。当金属弦在磁场中振动的时候，线圈中产生微弱的电流，电信号通过电线被传送到放大器再被重新还原成声音。
现有的单线圈和双线圈拾音器，只能实现对琴弦整体振动信号的单通道采集和处理。对多条琴弦振动信号进行单一通道的采集和处理，使得拾音器对每条琴弦音频的识别不够精准，而且对采集的整体信号的处理，计算难度高，音准精确度低，不能实现对每条琴弦振动信号的多通道同时采集、处理，以及对每条琴弦所发出的声音实现很好的还原。
发明内容
本发明的目的是提供一种弦乐器拾音装置及拾音方法，以解决上述对多条琴弦振动信号多通道同时采集与处理的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种弦乐器拾音装置，其特征在于，包括金属外壳，磁体装置，信号处理装置以及微型处理器；
所述金属外壳位于所述磁体装置外，所述金属外壳与地连接；所述磁体装置通过导线与所述信号处理装置电连接；所述信号处理装置与所述微型处理器电连接；
所述磁体装置包括六组磁体，每组所述磁体包括两个永磁体，每个所述永磁体上均缠绕有线圈；每组中的一个所述线圈的中间部分与另一个所述线圈的边沿部分通过导线同相串行连接，所述线圈的一端与所述金属外壳连接，所述线圈的另一端由导线引出，用于输出琴弦振动产生的电信号；每组所述磁体包括的两个永磁体的排列方向与琴弦方向平行，每组所述磁体分别位于每根琴弦正下方，所述六组磁体依次排列设置于印制电路板上，同时采集六路琴弦振动产生的电信号，同时采集六路琴弦振动产生的电信号。
可选的，所述信号处理装置包括信号放大模块和ADC转换模块，所述信号放大模块的输入端与所述磁体装置的输出端连接，所述信号放大模块的输出端与所述ADC转换模块的输入端连接，所述ADC转换模块的输出端与所述微型处理器的输入端连接。
可选的，所述信号放大模块包括两个四路信号放大器；所述两个四路信号放大器包括八个输入端，其中六个输入端分别与所述六组磁体的六个输出端连接，两个输入端分别与所述两路压电拾音器的两个输出端连接；所述两个四路信号放大器的八个输出端分别与所述ADC转换模块的八个信号输入端连接。
可选的，所述磁体装置还包括条形永磁体，所述条形永磁体设置在印制电路板的另一侧，与所述六组磁体相对。
可选的，所述线圈的外部包裹有铜箔，所述铜箔宽度与所述线圈轴向长度相同，紧贴所述线圈外包裹两层以上。
可选的，所述的弦乐器拾音装置还包括两个压电拾音器，通过2.5mm的音频接口与印制电路板连接。
一种拾音方法，应用于所述的弦乐器拾音装置，包括金属外壳，磁体装置，信号处理装置以及微型处理器；
所述金属外壳位于所述磁体装置外，所述金属外壳与地连接；所述磁体装置通过导线与所述信号处理装置电连接；所述信号处理装置与所述微型处理器电连接；
所述磁体装置包括六组磁体，每组所述磁体包括两个永磁体，每个所述永磁体上均缠绕有线圈；每组中的一个所述线圈的中间部分与另一个所述线圈的边沿部分通过导线同相串行连接，所述线圈的一端与所述金属外壳连接，所述线圈的另一端由导线引出，用于输出琴弦振动产生的电信号；每组所述磁体包括的两个永磁体的排列方向与琴弦方向平行，并位于每根琴弦正下方，所述六组磁体设置于印制电路板上，分别同时采集六路琴弦振动产生的电信号；
具体包括以下步骤：
由所述磁体装置将琴弦振动信号转化成琴弦电信号；
由两路压电拾音器将敲击弦乐器面板的振动信号转换成击板电信号；
由所述信号处理装置将所述琴弦电信号和所述击板电信号进行放大和模数转换处理，得到数字信号；
将所述数字信号作为原始信号输入到微型处理器。
可选的，所述将所述数字信号作为原始信号输入到微型处理器之后，还包括步骤：
由微型处理器对所述原始信号进行带通滤波处理；
对滤波处理得到的信号进行音频检测；
由软件合成器对检测得到的信号进行合成处理生成数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种；
将所述数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备。
可选的，所述由微型处理器对所述原始信号进行带通滤波处理，具体包括：
由微型处理器对所述原始信号进行带通滤波处理，得到60～1200Hz的信号；
所述对滤波处理得到的信号进行音频检测，具体包括：
对滤波处理得到的每路信号进行音高以及振幅、频响的检测。
可选的，所述将所述数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备，具体包括：
将所述数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种，通过WiFi网络、TCP/IP协议、蓝牙、串口或USB中的任一方式，传输到有计算能力、能与用户交互的设备。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的一种弦乐器拾音装置和拾音方法，采用多组线圈和多个磁体的装置结构，实现对多根琴弦振动信号的多通道同时采集与处理，提高了音频识别的精准度，增大了输出信号的功率，克服了单一通道无法进行多通道信号同时采集的缺陷，对每个通道的信号进行单独的计算与处理，不仅简化了计算量，降低了计算难度，还可以辨别出弦乐器上每根琴弦各自的振动发音状态。
另外，通过软件算法对数字信号进行的每个通道的单独处理，解决了声音整体放大音准不清晰的问题；通过对音频信号的软件合成，使声音更加平整，高音更加富足，电流杂音低，在音频信号的高频段和低频段都有很好的表现。
本发明将最终合成的音频信号通过软件的模拟和编码，通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备进行播放，可以让使用者直观的观察自己所演奏曲子的音高及音准状态，通过波形对比从而纠正自己的演奏习惯。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例弦乐器拾音装置的内部结构示意图；
图2为本发明实施例弦乐器拾音装置的拾音原理图；
图3为本发明实施例弦乐器拾音装置的整体外观图；
图4为本发明系统结构框图；
图5为本发明USB3.1typeC的针脚定义图；
图6为本发明八通道信号传输针脚正反接对应通道序数图；
图7为本发明信号处理流程图。
图中：1为印制电路板，2为条形磁体，3为铜箔，4为永磁体，5为线圈，6为两线圈连接导线，7为电信号输出导线，8为琴弦，9为磁体装置，10为金属外壳，11为输出接口
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种弦乐器拾音装置及拾音方法，通过采用六组磁体和六组线圈对多根琴弦产生的信号分别同时采集，以及对每一路信号进行单独的处理，解决了传统的不能对多条琴弦振动信号进行多通道同时采集与处理的问题。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例：
如图1-7所示，本实施例是对本发明弦乐器拾音装置及拾音方法具体的装置结构和工作过程进进行详细的说明。
本实施例的拾音装置中的磁体装置所包括的磁体和线圈组数可以根据弦乐器的琴弦个数由0到8组任意选择，且每组磁体和线圈与弦乐器的每条琴弦相对应；压电拾音器组数也可以从0到8组中任意选择，由多组磁体与多组压电拾音器构成八路采集信号或者少于八路的采集信号。具体的，实施例以六组磁体与两组压电拾音器进行说明。
图1为本实施例弦乐器拾音装置的内部结构示意图。如图1所示，本实施例的弦乐器拾音装置包括磁体装置，所述磁体装置包括六组磁体，每组磁体包括两个永磁体4，每个永磁体上均缠绕有线圈5，每组磁体中的两线圈之间的圆心距离为1cm，每组中的一个所述线圈的中间部分与另一个所述线圈的边沿部分通过两线圈连接导线6同相串行连接，线圈5的一端与所述金属外壳10连接，另一端由电信号输出导线7引出，当琴弦振动时，每组中的两线圈5产生相同的电信号，并由电信号输出导线7输出所述电信号；由于每组磁体有两个线圈同时产生电信号，使总输出增强；由于每组磁体的两个线圈同相串联，在两个线圈上产生的琴弦感应电流方向相同，干扰感应电流方向相反，因此，使输出音量增大，音色宏厚，同时，在遇到其他琴弦振动信号的干扰时，干扰信号因方向相反，则相互抵消。
其中，所述线圈5采用直径为0.04mm的铜丝线，在永磁体4上缠绕5000匝，所述线圈5的具体规格为内径为3.2mm，外径为10mm，轴向长度为8mm。
每组磁体包括的两个永磁体4的排列方向与琴弦方向平行，每组磁体分别位于每根琴弦8的正下方，六组磁体依次排列设置于印制电路板1上，同时采集六路琴弦振动产生的电信号，将所采集的六路电信号通过导线输出，分别与信号放大模块的六个输入端一一对应连接。
所述磁体装置还包括条形永磁体2，所述条形永磁体2设置在印制电路板1的另一侧，与六组磁体相对；所述条形永磁体2提供近似均匀磁场；位于线圈5中心的永磁体4，与条形永磁体2产生的磁场方向一致，进一步增强磁场强度。
所述线圈5的外部包括有铜箔3，铜箔3的宽度设置为8mm，与线圈5的轴向长度相同，紧贴于线圈5外部，包裹两层以上，用于减少电磁的干扰。
所述的弦乐器拾音装置，还包括两个压电拾音器，两个所述压电拾音器通过2.5mm的音频接口与印制电路板1连接；将压电拾音器安装在弦乐器面板内侧，音孔两边各设置一个，用于采集打板时产生的声音；所述压电拾音器由压电陶瓷制成，在压电陶瓷受到压力或振动的时候，其两端会产生与外界压力频率相同、大小比例一致的感应电压信号；所述压电拾音器外部设置有保护层，两端由导线引出，一端与印制电路板1连接，另一端与信号放大模块的输入端连接。
图2为本实施例弦乐器拾音装置的拾音原理图。如图2所示，所述弦乐器拾音装置的拾音原理为，由磁体装置9产生磁场，琴弦8在磁场中振动，切割磁感线，在所述线圈5中产生微弱电流信号，通过所述电信号输出导线7输出产生的电信号。
图3为本实施例弦乐器拾音装置的整体外观图。如图3所示，所述的弦乐器拾音装置包括金属外壳10，所述金属外壳10接地；所述磁体装置通过电信号输出导线7上设置的输出接口11与信号处理装置电连接。
图4为本实施例系统结构框图。如图4所示，拾音部分(1)由磁体装置采集琴弦振动产生的琴弦电信号，由压电拾音器采集打板产生的击板电信号；六组磁体对应六根琴弦，同时采集每根琴弦的振动信号，两路压电拾音器分别同时采集击板的振动信号。所述信号放大模块(2)采用型号为LM6144的四个输入四个输出的多通道放大器，由于需要对八通道信号进行放大，所述信号放大模块采用两个四路放大器芯片组合；两个四路信号放大器包括八个输入端，其中六个输入端分别与六组磁体的六个输出端连接，两个输入端分别与两路压电拾音器的两个输出端连接，同时对产生的多路微弱电信号进行放大处理，使产生的电信号有较大的增益。
其中，ADC转换模块(3)采用AD7606高精度16位ADC芯片，具有8路模拟输入，最大采样频率为200Ksps。所述的两个四路信号放大器的八个输出端通过具有八针脚发送和接收对的USB数据线(如图5所示)，将八通道模拟信号传输到ADC转换模块(3)，进行模数转换，USB数据线中由复用针脚的GND端与VBUS端进行供电，仅用一根物理传输线完成八通道的信号传输以及供电，简化了线缆的布局。另外，如图6所示，信号传输的八个针脚正反接两种情况下对应的通道序数，用于检测线路出现的正反接问题，根据检测结果，在驱动层逻辑上进行映射上的改动，来解决线路正反接的问题。
所述信号处理装置中的ADC转换模块(3)将电信号进行模数转换后生成的模拟信号传输到微型处理器(4)。
如图7所示，本实施例还提供了一种应用于弦乐器拾音装置的拾音方法，包括：
步骤S1，由磁体装置将琴弦振动信号转化成琴弦电信号；
步骤S2，由两路压电拾音器将敲击弦乐器面板的振动信号转换成击板电信号；
步骤S3，由信号处理装置将所述琴弦电信号和所述击板电信号进行放大和模数转换处理，得到数字信号；
步骤S4，将所述数字信号作为原始信号输入到微型处理器(4)。
所述将所述数字信号作为原始信号输入到微型处理器(4)之后，还包括步骤：
步骤S5，由微型处理器(4)对所述的原始信号进行带通滤波处理；对滤波处理得到的信号进行音频检测；由软件合成器对音频检测得到的信号进行合成处理生成数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种；将生成的数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备。
其中，由微型处理器(4)对所述原始信号进行带通滤波处理，具体包括，由微型处理器(4)对所述原始信号进行带通滤波处理，得到60～1200Hz的信号；对滤波处理得到的信号进行音频检测，具体包括，对滤波处理得到的每路信号进行音高以及振幅、频响的检测；将所述数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备，具体包括，将数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种通过WiFi网络、TCP/IP协议、蓝牙、串口或USB中的任一方式，传输到有计算能力、能与用户交互的设备，例如：手机移动端、平板、PC等，进行波形的显示，让使用者更加直观的观察自己所演奏曲子的状态，还可以通过波形对比纠正自己的演奏习惯。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种弦乐器拾音装置，其特征在于，包括金属外壳，磁体装置，信号处理装置以及微型处理器；
所述金属外壳位于所述磁体装置外，所述金属外壳与地连接；所述磁体装置通过导线与所述信号处理装置电连接；所述信号处理装置与所述微型处理器电连接；
所述磁体装置包括六组磁体，每组所述磁体包括两个永磁体，每个所述永磁体上均缠绕有线圈；每组中的一个所述线圈的中间部分与另一个所述线圈的边沿部分通过导线同相串行连接，所述线圈的一端与所述金属外壳连接，所述线圈的另一端由导线引出，用于输出琴弦振动产生的电信号；每组所述磁体包括的两个永磁体的排列方向与琴弦方向平行，每组所述磁体分别位于每根琴弦正下方，所述六组磁体依次排列设置于印制电路板上，同时采集六路琴弦振动产生的电信号。
2.根据权利要求1所述的弦乐器拾音装置，其特征在于，所述信号处理装置包括信号放大模块和ADC转换模块，所述信号放大模块的输入端与所述磁体装置的输出端连接，所述信号放大模块的输出端与所述ADC转换模块的输入端连接，所述ADC转换模块的输出端与所述微型处理器的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的弦乐器拾音装置，其特征在于，所述信号放大模块包括两个四路信号放大器；所述两个四路信号放大器包括八个输入端，其中六个输入端分别与所述六组磁体的六个输出端连接，两个输入端分别与所述两路压电拾音器的两个输出端连接；所述两个四路信号放大器的八个输出端分别与所述ADC转换模块的八个信号输入端连接。
4.根据权利要求1所述的弦乐器拾音装置，其特征在于，所述磁体装置还包括条形永磁体，所述条形永磁体设置在印制电路板的另一侧，与所述六组磁体相对。
5.根据权利要求1所述的弦乐器拾音装置，其特征在于，所述线圈的外部包裹有铜箔，所述铜箔宽度与所述线圈轴向长度相同，紧贴所述线圈外包裹两层以上。
6.根据权利要求1所述的弦乐器拾音装置，其特征在于，所述弦乐器拾音装置还包括两个压电拾音器，通过2.5mm的音频接口与印制电路板连接。
7.一种拾音方法，其特征在于，应用于如权利要求1所述的弦乐器拾音装置，包括金属外壳，磁体装置，信号处理装置以及微型处理器；
所述金属外壳位于所述磁体装置外，所述金属外壳与地连接；所述磁体装置通过导线与所述信号处理装置电连接；所述信号处理装置与所述微型处理器电连接；
所述磁体装置包括六组磁体，每组所述磁体包括两个永磁体，每个所述永磁体上均缠绕有线圈；每组中的一个所述线圈的中间部分与另一个所述线圈的边沿部分通过导线同相串行连接，所述线圈的一端与所述金属外壳连接，所述线圈的另一端由导线引出，用于输出琴弦振动产生的电信号；每组所述磁体包括的两个永磁体的排列方向与琴弦方向平行，并位于每根琴弦正下方，所述六组磁体设置于印制电路板上，分别同时采集六路琴弦振动产生的电信号；
具体包括以下步骤：
由所述磁体装置将琴弦振动信号转化成琴弦电信号；
由两路所述压电拾音器将敲击弦乐器面板的振动信号转换成击板电信号；
由所述信号处理装置将所述琴弦电信号和所述击板电信号进行放大和模数转换处理，得到数字信号；
将所述数字信号作为原始信号输入到微型处理器。
8.根据权利要求7所述的拾音方法，其特征在于，所述将所述数字信号作为原始信号输入到微型处理器之后，还包括步骤：
由微型处理器对所述原始信号进行带通滤波处理；
对滤波处理得到的信号进行音频检测；
由软件合成器对音频检测得到的信号进行合成处理生成数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种；
将所述数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备。
9.根据权利要求8所述的拾音方法，其特征在于，所述由微型处理器对所述原始信号进行带通滤波处理，具体包括：
由微型处理器对所述原始信号进行带通滤波处理，得到60～1200Hz的信号；
所述对滤波处理得到的信号进行音频检测，具体包括：
对滤波处理得到的每路信号进行音高以及振幅、频响的检测。
10.根据权利要求8所述的拾音方法，其特征在于，所述将所述数字音频信号、MIDI信号或OSC信号中的一种或多种通过网络传输发送到有计算能力、能与用户交互的设备，具体包括：
将所述MIDI信号，通过WiFi网络、TCP/IP协议、蓝牙、串口或USB中的任一方式，传输到有计算能力、能与用户交互的设备。
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