CN112509540B - 一种光学琴弦装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光学琴弦装置，主要包括光学琴弦和光路系统两部分。所述光学琴弦包括具有应变信息传感功能的第一功能型传感光纤和具有位置信息传感功能的第二功能型传感光纤，以及加强单元和保护层；所述光路系统包括光源模块、第一耦合器、光学拾音器以及扬声器；所述光学拾音器包括声音频率信息处理部分和声音强度信息处理部分。利用光学琴弦实现对外力作用点的位置和作用强度的同时传感，进一步利用光学拾音器将外力作用点的位置信息转化为声音频率信息，将外力作用的强度信息转化为声音强度信息，再通过扬声器配合输出，为弦乐器的设计、制备提供了全新的思路，也将极大地丰富弦乐器的表现形式，为乐器领域的发展提供更多的可能性。
Description
技术领域
本发明属于乐器技术领域，尤其是涉及一种光学琴弦装置。
背景技术
琴弦是弦乐器的重要组成部分之一。琴弦有规律的振动使弦乐器产生声音强度和声音频率的变化，是弦乐器演奏的基本原理。现有琴弦往往需要双手配合进行演奏，如一只手拨动琴弦，控制声音强度，另一只手通过改变按弦位置以改变有效弦长，从而产生声音频率的变化，进而达到演奏的目的，即现有琴弦往往需要两只手配合进行操作，其中一只手用于控制声音强度，另一只手用于控制声音频率。然而，这种双手配合的演奏方式不利于单手演奏，对于只能靠一只手演奏的残疾人士而言更是莫大的挑战。
为解决现有琴弦不易于单手演奏的问题，本发明提供一种光学琴弦。将具有应变信息传感功能的光纤与具有位置信息传感功能的光纤集成在一根功能型光纤传感器内，制作出光学琴弦，利用光学琴弦实现对外力作用点的位置和作用强度的同时传感。
基于本发明提供的一种光学琴弦装置，可以进一步利用光学拾音器将外力作用点的位置信息转化为声音频率信息；将外力作用的强度信息转化为声音强度信息；再通过扬声器配合输出，实现了弦乐器的单手演奏。
本发明提供的一种光学琴弦装置，用光学琴弦代替传统琴弦，利用光学传感原理，代替了传统琴弦依赖于振动的发声原理，实现了只用一只手就可以同时获得声音强度与声音频率信号的目的，为弦乐器的设计、制备提供了全新的思路，也将极大地丰富弦乐器的表现形式，为弦乐器领域的发展提供更多的可能性。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明提供一种光学琴弦装置。通过设计光学琴弦，将具有应变信息传感功能的光纤与具有位置信息传感功能的光纤集成在一根功能型光纤传感器内，制作出光学琴弦。利用光学琴弦实现对外力作用点的位置和作用强度的同时传感。基于本发明提供的光学琴弦，进一步利用光学拾音器将外力作用点的位置信息转化为声音频率信息，将外力作用的强度信息转化为声音强度信息，再通过扬声器配合输出，实现了由单点触及即可同时获得声音强度信号与声音频率信号的目的。
本发明提供的一种光学琴弦，用光学琴弦代替传统琴弦，利用光学传感原理，代替了传统琴弦依赖于振动的发声原理，实现了由单点触及即可同时获得声音强度与声音频率信号的目的，为弦乐器的设计、制备提供了全新的思路，也将极大地丰富弦乐器的表现形式，为弦乐器领域的发展提供更多的可能性。
本发明所采用的技术方案包括：
一种光学琴弦装置，包括光学琴弦和光路系统；
所述光学琴弦，其具体结构包括：第一功能型传感光纤、第二功能型传感光纤、加强单元以及保护层；所述光路系统，其具体结构包括：光源模块、第一耦合器、光学拾音器以及扬声器；
一种光学琴弦装置，其具体连接方式为：光源模块与第一耦合器连接，光学琴弦两端与第一耦合器连接形成光纤环，第一耦合器再与光学拾音器连接，扬声器与光学拾音器连接。
进一步地，所述光学琴弦外径不小于360微米，可满足的弯曲半径小于30mm，在1310nm工作波长下，其宏弯损耗100圈增加的损耗小于0.1dB。
进一步地，所述第一功能型传感光纤包括：单模光纤纤芯、单模光纤包层、单模光纤涂覆层；所述第一功能型传感光纤具有应变传感功能，用于对作用点的强度信息进行传感；
其中，所述第一功能型传感光纤直径为130-150微米；应变灵敏度0.012nm/με，应变范围±300.00με；工作温度范围-30℃～80℃；工作波长1310nm；
其中，所述单模光纤纤芯直径9微米，材质为掺锗二氧化硅；所述单模光纤包层直径为125微米，材质为纯二氧化硅；所述单模光纤涂覆层厚度为10微米，材质为聚酰亚胺；
进一步地，所述第二功能型传感光纤包括：多模光纤纤芯、多模光纤包层、多模光纤涂覆层；所述第二功能型传感光纤用于对作用点的位置信息进行传感；
其中，所述第二功能型传感光纤直径为130-150微米。以双折射光纤长度为L＝600mm，双折射率B＝2.6×10-4，双折射应变系数k＝7.3×0.001ε为例，选取典型的通讯波长1310nm，传感器的灵敏度可达到0.36nm/με，位置传感精度±1.0mm；工作温度范围：-30℃～80℃；
其中，所述多模光纤纤芯直径60微米，材质为石英；所述多模光纤包层直径125微米，材质为纯二氧化硅；所述多模光纤涂覆层厚度为10微米，材质为丙烯酸树脂；
进一步地，所述加强单元直径为100-120微米，材质为FRP(纤维增强复合材料)，抗张强度大于1000Mpa，抗伸弹性模量大于20Gpa，弯曲强度大于50Mpa，用于加强光学琴弦的机械性能；
进一步地，所述保护层厚度不小于30微米，用于保护光学琴弦内部的传感光纤；
进一步地，所述光学拾音器包括声音强度处理部分和声音频率处理部分。其中，所述声音频率信息处理部分将输入的外力作用点的位置信息处理为声音频率信号；所述声音强度信息处理部分将输入的外力作用强度的信息处理为声音强度信号。
进一步地，所述光学拾音器将声音频率信号和声音强度信号输出至扬声器，完成光学传感信息到电学信号的转换；最后通过扬声器实现声音输出；
上述技术方案中，所述的光学琴弦其传感功能主要由第一功能型传感光纤和第二功能型传感光纤共同实现，将手指压力作用点的位置信息及手指压力的强度信息同时传输至光学拾音器中；所述光学拾音器将外力作用点的位置信息转化为声音频率信息，将外力作用的强度信息转化为声音强度信息；再通过扬声器进行播放；从而达到将演奏操作通过光纤传感、光学拾音和扬声器实现电声信号输出的目的。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1，以光学琴弦代替传统琴弦，将具有应变信息传感功能的光纤与具有位置信息传感功能的光纤集成在一根功能型光纤传感器内，实现了对作用点的位置信息和作用强度信息的同时传感；再通过光学拾音器将作用点的位置信息转化为频率信号，将作用强度信息转化为声音强度信号，最后通过扬声器配合输出；实现了传统琴弦的基本功用，且通过单点触及即可同时获得声音强度与声音频率信号，具有便于单手操作等优点；
2，通过设计加强单元以提高光学琴弦的机械强度，通过调节光学琴弦保护层的厚度以匹配传统琴弦的直径，达到与传统弦乐器琴弦的外形尽可能一致的目的；
3，利用光学传感、光学拾音处理等设计，实现由单点触及同时获得声音强度信号与声音频率信号的目的，代替传统琴弦依赖于双手演奏的发声过程；具有便于单手操作等优点，为今后的弦乐器设计、制备提供了全新的思路，也将极大地丰富弦乐器的表现形式，为弦乐器领域的发展提供更多的可能性。
附图说明
图1为本发明专利的光学琴弦结构示意图
图2为本发明专利的光路系统示意图
图3为本发明专利的基于微弯损耗原理示意图
图4为本发明专利的基于Sagnac光纤环应力传感定位原理示意图
图1至图4中的附图编号：1-光学琴弦；2-光源模块；3-第一耦合器；4-光学拾音器；5-扬声器；11-第一功能型传感光纤；12-第二功能型传感光纤；13-加强单元；14-保护层；111-单模光纤；112-单模光纤包层；113-单模光纤涂覆层；121-多模光纤；122-多模光纤包层；123-多模光纤涂覆层；41-声音频率信息处理部分；42-声音强度信息处理部分
具体实施方式
本发明提供了一种光学琴弦装置，下面结合附图和具体施方式对本发明做进一步说明。需要说明的一点是，为了清晰地描述本发明而不被一些不必要的细节所模糊，实施例中只示出与本发明密切相关的装置结构制作过程或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其它细节。
一种光学琴弦装置，如图1到4所示，包括光学琴弦和光路系统；
如图1为本发明专利的光学琴弦结构示意图，所述光学琴弦1包括：第一功能型传感光纤11，第二功能型传感光纤12，加强单元13和保护层14；所述第一功能型传感光纤11具体结构包括单模光纤111，单模光纤包层112和单模光纤涂覆层113，所述第二功能型传感光纤12具体结构包括多模光纤121，多模光纤包层122和多模光纤涂覆层123；
其中，所述保护层将所述第一功能型传感光纤、所述第二功能型传感光纤和所述加强单元同时包覆；所述第一功能型传感光纤与所述第二功能型传感光纤数量均为1，所述加强单元数量为2。
其中，所述第一功能型传感光纤11外径为130-150微米，所述第二功能型传感光纤12外径为130-150微米，所述加强单元13外径为100-120微米，所述保护层14的厚度不小于30微米且厚度可根据具体需要进行设计，以达到匹配传统弦乐器琴弦外径、演奏手感的目的；
如图2为本发明专利的光路系统示意图，所述光路系统包括光源模块2，第一耦合器3，光学拾音器4以及扬声器5；
所述光学拾音器具体包括：声音频率信息处理部分41和声音强度信息处理部分42；其中，所述声音频率信息处理部分41将输入的外力作用点的位置信息，处理为声音频率信号，所述声音强度信息处理部分42将输入的外力作用强度的信息，处理为声音强度信号；所述光学拾音处理器4内部的连接方式为声音频率信息处理部分41与声音强度信息处理部分42并行连接；
一种光学琴弦装置，其具体连接方式为：
所述光源模块2与所述第一耦合器3连接，所述第一耦合器3与所述光学琴弦1的两端连接形成光纤环；所述第一耦合器3与所述光学拾音处理器4连接，所述光学拾音器4与所述扬声器5连接；
具体地，本发明结构新颖，设计巧妙，利用光源模块2提供入射光，利用光学琴弦1进行演奏信号的传感，经过光学拾音器4对携带演奏信息的光学信号进行处理后可通过扬声器5播放。利用光学传感、光学拾音处理等设计，实现由单点触及同时获得声音强度信号与声音频率信号的目的，代替传统琴弦依赖于双手演奏的发声过程；具有便于单手操作等优点，为今后的弦乐器设计、制备提供了全新的思路，也将极大地丰富弦乐器的表现形式，为弦乐器领域的发展提供更多的可能性。
具体地，所述第一功能型传感光纤可以是微弯应变传感光纤，所述第二功能型传感光纤可以是高双折射光纤；
具体地，本发明的工作原理：
光源模块2接通电源后，光源发出1310nm中心波长宽谱光束经第一耦合器3分为两路等能量但传输方向相反的光束，当外力作用于光学琴弦时，会引起光学琴弦1中的第一功能型光纤11和第二功能型光纤12产生相应的变化：
以所述第一功能型传感光纤为微弯应变传感光纤为例，如图3所示为本发明专利的基于微弯损耗原理示意图。外力作用使得微弯应变传感光纤11中产生模式耦合，导波模泄露，从而引起损耗，通过控制微弯应变传感光纤的形变量的范围，来控制光功率的损耗范围，进而达到控制输出声音强度的目的；
其具体传感原理如下：
所述微弯应变传感光纤利用光纤微弯损耗效应技术构成。光纤受到微弯扰动时会产生微弯损耗，将随引起光纤微弯扰动物理量的变化而变化，将应变通过微弯调制机构对光纤进行应变调制，可实现对应变的传感；将光纤传感器埋入复合材料，当复合材料试件发生微弯曲时，带动光纤传感器发生弯曲，光纤传感器的弯曲使得在光纤传感器中传输的光由纤芯向包层泄漏，出现泄漏模，从而影响输出光强，弯曲程度愈大，光泄漏愈严重，输出光强愈小。这样，通过监测输出光强就可以监测复合材料的弯应变。
设光纤微弯应变量为Δx，其引起的微弯损耗的变化量为Δα，则有：Δα＝KΔx；式中K为灵敏度系数，与光纤的传输特性、微弯调制机构的空间周期和齿数有关。
设由微弯损耗的变化量Δα引起的光功率变化量为Δp，在一定范围内Δp与Δα呈线性关系，则有：Δp＝AΔα；式中A为光功率损耗系数；
设由光功率变化量Δp经放大后产生的声音强度信号为F，则有：F＝BΔp，式中B为放大电路光电转换系数；
经上述推导，则有光纤微弯形变量与输出声音强度F之间的关系式：Δx＝βFD，式中D＝1/ABK，β为非理想系数；则光纤最大微弯应变量X与输出声音强度的最大值Fm之间的关系式：X＝βFmD；
确定了光纤最大微弯应变量X与输出声音强度的最大值Fm之间的关系以后，通过调整关系式中的各系数，使演奏时光学琴弦上各位置可产生的声音强度范围一致。
特别地，对于吉他等有品弦乐器，在设计应变量的变化范围时，应该考虑到品丝的高度所带来的应变量。具体的设计方式此处不再进行说明。
以所述第二功能型传感光纤为高双折射光纤为例，如图4所示为本发明专利的基于Sagnac光纤环应力传感定位原理示意图。外力作用使得高双折射光纤12的长度、纤芯直径和折射率发生改变，从而引起光纤环中两束相向传输的光的相位在该外力作用点发生变化，两束光相位差的大小与外力作用点位置、外力作用引起光波相位变化速率成比例，利用信号的宽频特性从两束光的相位变化频谱中分析出外力作用点的位置；
其具体传感原理如下：
高双折射光纤在受到外力作用时，光纤中两偏振模发声耦合，使输出发生变化；再利用连续波调频技术(FMCW)确定外力点的位置，即可实现位置信息传感。如前所述，当有外力作用在高双折射光纤上时，光线的长度、纤芯的直径和折射率都会发生变化，从而引起光纤环中两束相向传输的光的相位在该点发生变化，两束光相位差的大小与泄露点位置、泄露噪声引起光波相位变化速率成比例，利用信号的宽频特性从两束光的相位变化频谱中分析泄露发生的位置。
设光纤总长度为L，泄漏点R距离光纤一端的距离为L1。光比沿光纤传播一周延迟时间τ＝Ln/c，其中n为光纤芯的折射率。
光线环内两束相向传播的光波从泄露点传播到断点所产生的延迟时间差τd＝n(L-2L1)/c。
由此可以导出：L1＝(L-cτd/n)/2；
由上式可以看出，泄露点的位置R与两光波的延迟时间差τd成正比；
调制频率与泄露位置L1间的关系为：fm＝Nc/2n(L-2L1),式中，N为整数，N为奇数时，基频信号输出为最大值；N为偶数时，基频信号输出为零值。
通过所述光学拾音处理器中的位置信息处理模块，将获得的调制频率fm转化为位置信息，再将特定弦上的位置信号转化为特定频率输出至扬声器，从而实现了对声音频率的控制。
例如，对于吉他等有品弦乐器，可以在声音频率信息处理模块41中进行设置，将特定的位置区间信息转化为特定的声音频率信号进行输出，以获得演奏时的声音频率信号。对于小提琴等无品乐器，按照传统琴弦在不同有效弦长时所对应的声音频率，在声音频率信息处理模块41中进行设置，将特定的位置信息转化为特定的声音频率信号进行输出，以获得演奏时的声音频率信号。具体的设置方式此处不再进行说明。
当有外力作用于光学琴弦时，会在光学琴弦内部同时产生携带有位置信息和声音强度信息的调制光波，通过光学拾音处理器转化处理为声音频率、声音强度，再通过扬声器进行播放；
本发明的以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当利用上述揭示的技术内容作出些许变更或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。
本发明未尽事宜为公知技术。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种光学琴弦装置，其特征在于，包括：光学琴弦和光路系统；所述光学琴弦包括第一功能型传感光纤、第二功能型传感光纤、加强单元以及保护层；所述第一功能型传感光纤是具有应变信息传感功能的光纤，其具体结构包括单模光纤纤芯，单模光纤包层和单模光纤涂覆层；所述第二功能型传感光纤是具有位置信息传感功能的光纤，其具体结构包括多模光纤纤芯，多模光纤包层和多模光纤涂覆层；所述光路系统包括光源模块、第一耦合器、光学拾音器以及扬声器；所述光学拾音器包括声音频率信息处理部分和声音强度信息处理部分；
其中，所述声音频率信息处理部分将输入的外力作用点的位置信息，处理为声音频率信号，所述声音强度信息处理部分将输入的外力作用强度的信息，处理为声音强度信号；所述光学拾音处理器内部的连接方式为声音频率信息处理部分与声音强度信息处理部分并行连接；
所述第一功能型传感光纤是微弯应变传感光纤，所述第二功能型传感光纤是高双折射光纤；
所述光学琴弦装置的工作原理：
所述光源模块接通电源后，光源发出1310nm中心波长宽谱光束经第一耦合器分为两路等能量但传输方向相反的光束，当外力作用于光学琴弦时，会引起光学琴弦中的第一功能型光纤和第二功能型光纤产生相应的变化：
具体的，外力作用使得微弯应变传感光纤中产生模式耦合，导波模泄露，从而引起损耗，通过控制微弯应变传感光纤的形变量的范围，来控制光功率的损耗范围，进而达到控制输出声音强度的目的；
其具体传感原理如下：
所述微弯应变传感光纤利用光纤微弯损耗效应技术构成，光纤受到微弯扰动时会产生微弯损耗，将随引起光纤微弯扰动物理量的变化而变化，将应变通过微弯调制机构对光纤进行应变调制，可实现对应变的传感；将光纤传感器埋入复合材料，当复合材料试件发生微弯曲时，带动光纤传感器发生弯曲，光纤传感器的弯曲使得在光纤传感器中传输的光由纤芯向包层泄漏，出现泄漏模，从而影响输出光强，弯曲程度愈大，光泄漏愈严重，输出光强愈小，这样，通过监测输出光强就可以监测复合材料的弯应变；
设光纤微弯应变量为Δx，其引起的微弯损耗的变化量为Δα，则有：Δα＝KΔx；式中K为灵敏度系数，与光纤的传输特性、微弯调制机构的空间周期和齿数有关；
设由微弯损耗的变化量Δα引起的光功率变化量为Δp，在一定范围内Δp与Δα呈线性关系，则有：Δp＝AΔα；式中A为光功率损耗系数；
设由光功率变化量Δp经放大后产生的声音强度信号为F，则有：F＝BΔp，式中B为放大电路光电转换系数；
经上述推导，则有光纤微弯形变量与输出声音强度F之间的关系式：Δx＝βFD，式中D＝1/ABK，β为非理想系数；则光纤最大微弯应变量X与输出声音强度的最大值Fm之间的关系式：X＝βFmD；
确定了光纤最大微弯应变量X与输出声音强度的最大值Fm之间的关系以后，通过调整关系式中的各系数，使演奏时光学琴弦上各位置可产生的声音强度范围一致；
外力作用使得高双折射光纤的长度、纤芯直径和折射率发生改变，从而引起光纤环中两束相向传输的光的相位在该外力作用点发生变化，两束光相位差的大小与外力作用点位置、外力作用引起光波相位变化速率成比例，利用信号的宽频特性从两束光的相位变化频谱中分析出外力作用点的位置；
其具体传感原理如下：
高双折射光纤在受到外力作用时，光纤中两偏振模发声耦合，使输出发生变化；再利用连续波调频技术确定外力点的位置，即可实现位置信息传感；当有外力作用在高双折射光纤上时，光线的长度、纤芯的直径和折射率都会发生变化，从而引起光纤环中两束相向传输的光的相位在该点发生变化，两束光相位差的大小与泄露点位置、泄露噪声引起光波相位变化速率成比例，利用信号的宽频特性从两束光的相位变化频谱中分析泄露发生的位置；
设光纤总长度为L，泄漏点R距离光纤一端的距离为L1，光比沿光纤传播一周延迟时间τ＝Ln/c，其中n为光纤芯的折射率；
光线环内两束相向传播的光波从泄露点传播到断点所产生的延迟时间差τd＝n(L-2L1)/c；
由此可以导出：L1＝(L-cτd/n)/2；
由上式可以看出，泄露点的位置R与两光波的延迟时间差τd成正比；
调制频率与泄露位置L1间的关系为：fm＝Nc/2n(L-2L1)，式中，N为整数，N为奇数时，基频信号输出为最大值；N为偶数时，基频信号输出为零值；
通过所述光学拾音处理器中的位置信息处理模块，将获得的调制频率fm转化为位置信息，再将特定弦上的位置信号转化为特定频率输出至扬声器，从而实现了对声音频率的控制。
2.根据权利要求1所述的一种光学琴弦装置，其特征在于：所述光源模块与所述第一耦合器连接，所述第一耦合器与所述光学琴弦的两端连接形成光纤环；所述第一耦合器与所述光学拾音处理器连接，所述光学拾音器与所述扬声器连接。
3.根据权利要求1所述的一种光学琴弦装置，其特征在于：所述第一功能型传感光纤外径为130-150微米；所述第二功能型传感光纤外径为130-150微米，所述加强单元外径为100-120微米，所述保护层的厚度不小于30微米。
4.根据权利要求1或3所述的一种光学琴弦装置，其特征在于：所述保护层将所述第一功能型传感光纤、所述第二功能型传感光纤和所述加强单元同时包覆。
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