CN111260995A - 一种古筝训练器及古筝训练系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于弦乐器领域，其公开了一种古筝训练器及古筝训练系统，解决现有技术中的古筝体积大、重量大、不易携带以及音阶繁复不易掌握的问题。古筝训练器包括按键单元、压力传感检测单元、琴弦单元、琴弦触发检测单元、信号采集单元和信号传输单元；压力传感检测单元采集按键单元中的按键受到的压力信号；琴弦触发检测单元监测琴弦单元中的琴弦的触发状态；信号采集单元采集按键压力信号和琴弦触发状态并通过信号传输单元传送。用户终端根据按键压力信号计算音高值，根据琴弦触发状态识别当前动作的琴弦，并获取该琴弦对应的音频源，根据音高值对音频源的音调进行修改，然后播放对应音频，同时通过虚拟动画场景呈现用户的弹奏动作。

Description

一种古筝训练器及古筝训练系统

技术领域

本发明涉及一种古筝训练器及古筝训练系统，属于弦乐器领域。

背景技术

传统的弦乐器大多存在体积大、重量大、不易于携带的缺点。随着技术的发展，近年来，音乐的表现形式逐渐发展为从传统乐器到电子乐器的转变，创新设计在现代乐器发展中越来越受到青睐。如：在公开号为CN207517351U的专利申请中提出了一种新型电子古筝，其应用了拾音模块、DSP模块对古筝音色和频响均衡进行调节，可以获得更为宽泛的古筝音色效果，然而由于其仍是在传统古筝架构中设置相应电子功能模块，没有摆脱古筝本体的限制，依然存在体积大、重量大、不易携带的问题。同时，对于新手来说，复杂的音阶与不熟练的弹奏手法也是入门常遇到的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种古筝训练器及古筝训练系统，解决现有技术中的古筝体积大、重量大、不易携带以及音阶繁复不易掌握的问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一方面，本发明提供了一种古筝训练系统，所述古筝训练系统包括古筝训练器和用户终端，所述古筝训练器包括按键单元、压力传感检测单元、琴弦单元、琴弦触发检测单元、信号采集单元和信号传输单元；

所述压力传感检测单元用于采集按键单元中的按键受到的压力信号，并经过处理后传输给信号采集单元；所述琴弦触发检测单元用于监测琴弦单元中的琴弦的触发状态，并传输给信号采集单元；所述信号采集单元采集按键压力信号和琴弦触发状态，并通过信号传输单元传送给用户终端；

所述用户终端根据接收到的按键压力信号确定音高值，并根据琴弦触发状态识别当前动作琴弦并调取该琴弦对应的音频源，所述用户终端根据音高值对所述音频源的音调进行修改并输出对应音频。

而为了进一步提升用户体验，让用户获得良好的视觉反馈，所述用户终端还用于在播放对应音频的同时，通过虚拟动画场景呈现用户的弹奏动作。

具体而言，所述用户终端可以采用PC终端，所述PC终端中存储有对应各个琴弦的音频源，在根据接收到的琴弦触发状态判定某个琴弦被触发时，调用该琴弦对应的音频源，并利用音频混合器根据同时接收到的音高值对该琴弦对应的音频源的音调进行修改后播放，同时在创建的虚拟动画场景中呈现古筝的对应琴弦被按下的标记。

另一方面，本发明还提供了一种用于上述古筝训练系统的古筝训练器，所述古筝训练器包括左手部分和右手部分，所述按键单元和压力传感检测单元设置于左手部分，所述琴弦单元和琴弦触发检测单元设置于右手部分；

所述琴弦触发检测单元包括琴弦触发控制器以及成套设置的屏障、红外线发射器和红外线接收器；所述每套屏障、红外线发射器和红外线接收器分别对应一根琴弦，套内红外线接收器与红外线发射器分别位于该琴弦两侧，且所述红外线接收器位于对应红外线发射器所发出光束的同一直线上，对应屏障与对应琴弦随动并用于在琴弦未被拨动时遮挡红外线发射器所发出的光束；所述琴弦触发控制器根据对应红外线接收器的电平信号监听对应琴弦的触发状态。

所述压力传感检测单元包括顺次连接的压力传感器、放大电路、滤波电路和AD转换电路，且压力传感器的数量与所述按键单元的数量相对应。

通常在弹奏古筝时，对于左手而言最常用的是食指、中指和无名指上的指法，为了让用户获得尽量真实的古筝弹奏体验，按键单元中的按键为三个，每一个按键下方均设置有一个压力传感器，在后续对音高的计算中，可以根据三个按键感受的压力中的最大值计算对应的音高值。此外，为了在减小古筝的体积的同时尽量满足用户的右手指法练习需求，琴弦单元中的琴弦设计为十二根，这样可以覆盖绝大部分琴谱的音域范围，以此模拟古筝的缩小版本。

所述琴弦触发控制器包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器用于监听十二根琴弦中的六根琴弦对应的红外线接收器的电平信号来监听此六根琴弦的触发状态；所述第二控制器用于监听十二根琴弦中的另外六根琴弦对应的红外线接收器的电平信号来监听此六根琴弦的触发状态；所述信号采集单元包括第三控制器，所述第三控制器用于采集第一控制器、第二控制器的监听信号以及压力传感检测单元的检测信号，经过编码后传送给信号传输模块。

考虑到控制器的接口数量限制，本发明采用了两个控制器各采集六根琴弦的触发状态，再利用一个控制器对此两个控制器的监测状态和压力传感的检测信号进行汇总编码，从而实现相应数据的采集。具体而言，所述第一控制器、第二控制器和第三控制器均采用Arduino核心板；Arduino核心板具有简单、易用，接口丰富的特点，可以满足本方案中对信号的监测和采集需求。

作为一种具体的实施结构，所述琴弦单元包括底板、琴弦、第一弦支座和第二弦支座，所述第一弦支座和第二弦支座分别安装于底板，且所述第二弦支座上设置有调弦机构，所述琴弦一端固定于第一弦支座、另一端经调弦机构固定于第二弦支座；

所述屏障为套装于对应琴弦的筒状件；所述套内的红外线接收器与红外线发射器上下布置，并在与所述第一弦支座相邻处分别设置有用于固定红外发射器的红外发射器固定板和用于固定红外接收器的红外接收器固定板。

作为一种具体实施结构，所述红外发射器固定板设置于琴弦下方，所述红外接收器固定板设置于琴弦上方。

出于结构紧凑性的考虑，所述第一弦支座与按键单元相邻，所述信号采集单元和琴弦触发控制器均安装于按键单元相邻处的底板。

作为一种具体实施结构，所述按键单元包括按键座和按键，所述按键座安装于底板上，所述按键安装于按键座上；

所述底板上还安装有上安装板，所述上安装板上设置有容按键键帽穿过的孔，所述按键座、信号采集单元和琴弦触发控制器均位于底板和上安装板之间；所述第一弦支座、红外发射器固定板和红外接收器固定板均安装于上安装板。

本发明的有益效果是：

在设计的特殊古筝结构基础上，通过相关传感组件、控制组件和通信组件对用户手指动作信号进行检测、处理和传输，由用户终端根据对用户右手操作琴弦的动作识别来确定对应基础音频源，并结合对用户左手按压力的识别确定对应音高，根据音高对基础音频源进行修改后播放音频，并通过虚拟动画场景来优化视觉体验。

因此，本发明中的古筝训练器为一种基于VR技术模拟传统古筝的左右手弦触感和听觉音色的电子古筝，在硬件结构上可以极大地进行简化设计，由此可以缩小装置的体积和重量，但尽量保留了古筝真实的演奏风格和感觉，同时具有通过VR虚拟环境优化用户视听体验的功能。即，此古筝训练器将物理模型与三维可视化相结合，从而从视觉、听觉、触觉三个方面给予用户反馈，采用多感官的交互方式，也使得用户更加容易地学习古筝弹奏；此古筝训练器适用于无法携带真实大小古筝的音乐爱好者，方便人们在出行中也能领略古筝音乐之美。

附图说明

图1为本发明中的古筝训练器工作原理图；

图2为通过红外接收和发射进行琴弦触发检测的示意图；

图3为本发明实施例中古筝训练器的立体图；

图4为本发明实施例中古筝训练器的侧视图；

图5为本发明实施例中古筝训练器的俯视图；

图中标记解释：1为底板，2为上安装板，3为红外发射器固定板，4为红外接收器固定板，5为红外发射器，6为红外接收器，7为调弦下板，8为调弦上板，9为按键座，10为第二弦支座，11为按键，12为Arduino核心板，13为调弦旋钮，14为琴弦，15为第一弦支座，16为调弦转轴。

具体实施方式

本发明旨在提出一种古筝训练器及古筝训练系统，解决现有技术中的古筝体积大、重量大、不易携带以及音阶繁复不易掌握的问题。本发明为古筝训练器设计了一个特殊的造型，它可以提供与真正的古筝相同的体验。其由左手部分和右手部分组成，其中左手部分为按键部分，右手部分为琴弦部分，通过压力传感器采集按键的压力，通过红外检测技术监测琴弦的触发状态，并对这些采集信号进行收集通过wifi无线传输给用户终端，由用户终端根据对用户右手操作琴弦的动作识别确定对应基础音频源，并结合对用户左手按压力的识别确定对应音高，根据音高对基础音频源进行修改后播放音频，并通过虚拟动画场景来优化视觉体验，从而提供视觉、听觉、触觉等不同方面的反馈，原理如图1所示。本发明的古筝训练器能够在琴弦少、结构简单、易于携带及真实拨弦手感的基础上做到实时呈现弹奏模拟效果，解决了实物不便携带问题的同时保证了新手的弹奏手法练习与音感的培养。

在具体实现上，本发明中的古筝训练器，包括：按键单元、压力传感检测单元、琴弦单元、琴弦触发检测单元、信号采集单元和信号传输单元；所述压力传感检测单元用于采集按键单元中的按键受到的压力信号，并经过处理后传输给信号采集单元；所述琴弦触发检测单元用于监测琴弦单元中的琴弦的触发状态，并传输给信号采集单元；所述信号采集单元采集按键压力信号和琴弦触发状态并通过信号传输单元传送给用户终端。用户终端接收到古筝训练器的按键压力信号和琴弦触发状态后，根据按键压力信号计算音高值，根据琴弦触发状态识别当前动作的琴弦，并获取该琴弦对应的音频源，根据音高值对所述音频源的音调进行修改，然后播放对应音频，同时通过虚拟动画场景呈现用户的弹奏动作。

实施例：

参见图3至图5，本实施例中的古筝训练器结构由左手部分和右手部分组成，左手部分为按键部分，右手部分为琴弦部分，其中，琴弦部分用来提供弦音的模拟，而按键部分用来提供弦音的音高控制，符合古筝“左手司按、右手司弹”的手法技巧需求，从而尽量给用户以弹奏真实古筝的感觉。

该古筝训练器从功能单元上可以被划分为按键单元、压力传感检测单元、琴弦单元、琴弦触发检测单元、信号采集单元和信号传输单元；压力传感检测单元负责采集按键单元的按键压力信号，琴弦触发检测单元负责采集琴弦单元的琴弦触发状态信号，这两种信号均被信号采集单元收集后再通过信号传输单元传送给用户终端进行古筝弹奏音的模拟。

琴弦单元包括底板1、琴弦14、第一弦支座15和第二弦支座10，所述第一弦支座15和第二弦支座10设置于底板1上，所述琴弦14两端分别与第一弦支座15以及第二弦支座10相连接。

在保证产品所能发出的音高能覆盖绝大多数传统音乐作品的前提下，琴弦单元中的琴弦14采用十二根，以模拟古筝的缩小版本，在拨动琴弦时，通过识别哪根琴弦被触发，以在PC端上模拟对应的弦音。

要识别琴弦触发，就要涉及到琴弦触发检测单元，所述琴弦触发检测单元包括琴弦触发控制器、设置在每根琴弦上的屏障以及分别设置在每根琴弦上、下方的红外线发射器5和红外线接收器6；红外线发射器5和红外接收器6分别通过红外发射器固定板3和红外接收器固定板4来固定，并通过孔定位来保证发射器，接收器能够位于同一垂直面。由于光束的宽度大于琴弦的宽度，我们在琴弦上设置了屏障，所述屏障为套装于对应琴弦14上的筒状件；该屏障在琴弦未被拨动(未触发)时遮挡光束，使得红外接收器6无法接收到红外线发射器5的光束，而产生一个低电平信号，而当琴弦14被拨动时，它从静止位置振动，并且红外接收器6接收到光束，使得输出电平改变，原理如图2所示。

琴弦触发控制器通过检测琴弦对应的红外线接收器6的电平信号来监听此琴弦的触发状态。本实施例中采用Arduino核心板12来进行信号监听，由于琴弦有十二根，考虑到Arduino核心板12的接口数量限制，需要采用两个Arduino核心板12，每一个核心板负责监听6个琴弦的触发状态，监听到触发信号(对应琴弦的红外接收器输出电平发生变化)输入至信号采集单元。而信号采集单元采用第三个Arduino核心板12实现对十二根琴弦14的触发状态的收集。

为了能够更好地反馈琴弦14的力量，我们还在第二弦支座10上设置了调弦机构，来调节琴弦14的张力，使其更加接近于真实古筝琴弦的张力。所述调弦机构包括调弦板、与琴弦14一一对应的调弦转轴16以及调弦旋钮13，所述调弦转轴16设置于调弦板上，所述调弦旋钮13连接于调弦转轴16上，所述琴弦14绕接于调弦转轴16上。

出于结构的紧凑性和减小尺寸的考虑，将调弦板设计成上下两层结构，其包括位于上方的调弦上板8和位于下方的调弦下板7，所述调弦转轴16沿古筝训练器的宽度方向呈两排交错布置，其中一排的调弦转轴16的上端延伸出调弦上板8并连接有所述调弦旋钮13，下端与调弦下板7阻尼转动配合；另外一排的调弦转轴16的下端延伸出调弦下板7并连接有所述调弦旋钮13，上端与调弦上板8阻尼转动配合。通过此设计，我们可以单独对每一根琴弦14的张力进行调节。

对于左手部分的按键单元，其包括按键座9和按键11，所述按键座9设置于底板1上，所述按键11安装于按键座9上；底板1上还设置有上安装板2，所述上安装板2上设置有容按键11键帽穿过的孔，所述按键座9、信号采集单元和琴弦触发控制器均位于底板1和上安装板2之间；所述第一弦支座15、红外发射器固定板3和红外接收器固定板4均安装于上安装板2。

按键单元的按键压力信号是用来反映我们在拨动琴弦时需要模拟出的琴弦音的音高，由于力的大小和音高的关系难以直接测量，所以将电阻阻值用作中间变量进行测量。电阻和力之间的关系可以通过压力传感单元中的膜压力传感器测量，结合这两种关系可以揭示音高与力的动态反馈。

当手指触摸左手键盘时，膜压力传感器利用力电效应将力的大小转换为特定功能电信号(电压或电流等)。通常，电压信号非常小，因此需要通过前端信号处理电路进行精确的线性放大。放大后的模拟电压信号通过滤波器电路和A/D转换电路转换成数字信号，并发送到信号采集单元的Arduino核心板。

当信号采集单元的Arduino核心板同时收集到来自左手部分的按键压力信号和右手部分的琴弦触发状态信号时，会将这两种信号整合形成二进制编码后与信号传输单元通信。为了避免布线，使用方便，所述信号传输单元采用wifi模块。

wifi模块传输到PC端的数据为24个二进制位，前10位表示左手键盘力的大小，中间12位表示右手触动的琴弦编号，最后2位保留为0。当PC端的Unity动画接收3字节数据时，它将高10位转换为整数并通过计算获得浮点音高，这是演奏时基线音调音高增加的倍数。根据存储音频源的阵列中的行号确定与该琴弦对应的音频源，对应于该音频源的音频混合器根据音调进行修改。我们根据行号搜索中间12位以逐个确定琴弦编号，以此确定游戏场景中的琴弦，并将其颜色设置为红色以显示特定琴弦被按下，同时根据计算结果播放音频源。

需要说明的是，上述实施例中揭示的古筝训练器结构仅仅是一种较佳的实施方式，并不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明精神和原理下对上述实施例进行的等同修改、替换和变型均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种古筝训练系统，其特征在于，

所述古筝训练系统包括古筝训练器和用户终端，所述古筝训练器包括按键单元、压力传感检测单元、琴弦单元、琴弦触发检测单元、信号采集单元和信号传输单元；

所述压力传感检测单元用于采集按键单元中的按键受到的压力信号，并经过处理后传输给信号采集单元；所述琴弦触发检测单元用于监测琴弦单元中的琴弦的触发状态，并传输给信号采集单元；所述信号采集单元采集按键压力信号和琴弦触发状态，并通过信号传输单元传送给用户终端；

所述用户终端根据接收到的按键压力信号确定音高值，并根据琴弦触发状态识别当前动作琴弦并调取该琴弦对应的音频源，所述用户终端根据音高值对所述音频源的音调进行修改并输出对应音频。

2.如权利要求1所述的一种古筝训练系统，其特征在于：

所述用户终端还用于在播放对应音频的同时，通过虚拟动画场景呈现用户的弹奏动作。

3.用于如权利要求1或2所述古筝训练系统的一种古筝训练器，其特征在于：

所述古筝训练器包括左手部分和右手部分，所述按键单元和压力传感检测单元设置于左手部分，所述琴弦单元和琴弦触发检测单元设置于右手部分；

所述琴弦触发检测单元包括琴弦触发控制器以及成套设置的屏障、红外线发射器和红外线接收器；所述每套屏障、红外线发射器和红外线接收器分别对应一根琴弦，套内红外线接收器与红外线发射器分别位于该琴弦两侧，且所述红外线接收器位于对应红外线发射器所发出光束的同一直线上，对应屏障与对应琴弦随动并用于在琴弦未被拨动时遮挡红外线发射器所发出的光束；所述琴弦触发控制器根据对应红外线接收器的电平信号监听对应琴弦的触发状态。

4.如权利要求3所述的一种古筝训练器，其特征在于：所述压力传感检测单元包括顺次连接的压力传感器、放大电路、滤波电路和AD转换电路，且压力传感器的数量与所述按键单元的数量相对应。

5.如权利要求3或4所述的一种古筝训练器，其特征在于：

所述琴弦单元中的琴弦为十二根，所述按键单元中的按键为三个。

6.如权利要求3所述的一种古筝训练器，其特征在于：所述琴弦触发控制器包括第一控制器和第二控制器，所述第一控制器用于监听十二根琴弦中的六根琴弦对应的红外线接收器的电平信号来监听此六根琴弦的触发状态；所述第二控制器用于监听十二根琴弦中的另外六根琴弦对应的红外线接收器的电平信号来监听此六根琴弦的触发状态；所述信号采集单元包括第三控制器，所述第三控制器用于采集第一控制器、第二控制器的监听信号以及压力传感检测单元的检测信号，经过编码后传送给信号传输模块。

7.如权利要求3所述的一种古筝训练器，其特征在于，

所述琴弦单元包括底板(1)、琴弦(14)、第一弦支座(15)和第二弦支座(10)，所述第一弦支座(15)和第二弦支座(10)分别安装于底板(1)，且所述第二弦支座(10)上设置有调弦机构，所述琴弦(14)一端固定于第一弦支座(15)、另一端经调弦机构固定于第二弦支座(10)；

所述屏障为套装于对应琴弦的筒状件；所述套内的红外线接收器与红外线发射器上下布置，并在与所述第一弦支座(15)相邻处分别设置有用于固定红外发射器(5)的红外发射器固定板(3)和用于固定红外接收器(6)的红外接收器固定板(4)。

8.如权利要求7所述的一种古筝训练器，其特征在于：

所述红外发射器固定板(3)设置于琴弦(14)下方，所述红外接收器固定板(4)设置于琴弦(14)上方。

9.如权利要求7所述的一种古筝训练器，其特征在于：所述第一弦支座(15)与按键单元相邻，所述信号采集单元和琴弦触发控制器均安装于按键单元相邻处的底板(1)。

10.如权利要求7或9所述的一种古筝训练器，其特征在于，

所述按键单元包括按键座(9)和按键(11)，所述按键座(9)安装于底板(1)上，所述按键(11)安装于按键座(9)上；

所述底板(1)上还安装有上安装板(2)，所述上安装板(2)上设置有容按键(11)键帽穿过的孔，所述按键座(9)、信号采集单元和琴弦触发控制器均位于底板(1)和上安装板(2)之间；

所述第一弦支座(15)、红外发射器固定板(3)和红外接收器固定板(4)均安装于上安装板(2)。

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