CN218631356U - 一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种弹拨乐器，采用轻质金属型材作为主体框架，具有六根金属琴弦，每根金属琴弦均一端固定在主体框架后端，另一端与一个拉簧相连，拉簧的另一端连接的金属丝固定并缠绕在步进电机的输出轴上，拾音装置拾取金属琴弦的振动情况输入给控制处理器驱动六个独立的步进电机控制输出轴的旋转以自动调节拉簧的张力，进而通过改变金属琴弦张力的方式改变金属琴弦弹拨音调，同时每根金属琴弦弦身特定位置的上方固定有推拉式电磁铁，通过电磁铁的可动铁芯的伸出压住金属琴弦以改变金属琴弦弹拨时的有效振动长度，进而改变弹拨音调，该电控的类吉他乐器将传统吉他左手部分完全由电子元件控制取代，大大减小了乐器学习难度。

Description

一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器

技术领域

本实用新型涉及弹拨乐器技术领域，一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器。

背景技术

吉他作为传统弹拨乐器广受欢迎，作为弹拨乐器，吉他优点在于可以同时用六根弦弹奏多个不同频率的声音，演奏出复杂的乐曲，同时吉他手可以在弹拨过程中通过按压改变弦长的方法以弹奏出频率移动变化的长音。然而学习吉他过程中需要吉他手用左手将吉他弦精准按压在吉他指板上的品柱上，这个过程吉他弦对指尖产生的压力易造成疼痛，加大了吉他手弹奏成本，且用五指无法自由按压全部六根吉他弦，这对吉他编曲也造成了困扰，另外，对于初学者来说，左手五指精准按压在吉他纸板上的品柱上并配合右手弹拨、扫拨琴弦，具有很大的学习难度，因此便需要一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决吉他手按压弦困难的问题，提出了一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，包括六根间隔均匀分布且粗细均不相同的金属琴弦，琴头两侧固定设置有两两对称分布的共六个用于调整金属琴弦的松紧程度的拉紧弦装置，还包括一个矩形框架结构的主体框架，六根金属琴弦设置在主体框架内，琴头即为主体框架的前端，拉紧弦装置为步进电机，步进电机的壳体固定在主体框架前端两侧的上端面上，六根金属琴弦的前端与一根金属材质制成的拉簧的一端固定连接，拉簧的另一端与一根金属丝固定连接，六根金属琴弦的拉簧的设置位置相同，六根拉簧连接的金属丝分别固定并缠绕在对应的六个步进电机的输出轴上，六根金属琴弦的后端均固定在主体框架的后端，六根金属琴弦的前端的上方有一个弦枕的两端固定在主体框架的两侧，弦枕的两端固定在主体框架的两侧，弦枕的中部下方与六根金属琴弦对应的部位有六个槽，弦枕压紧六根金属琴弦的前端六根金属琴弦并使六根金属琴弦嵌入对应槽中，六根拉簧位于弦枕的前方，六根拉簧的材质、直径和硬度均相同，六根拉簧的直径和硬度均大于所有金属琴弦的直径和硬度，一个用于采集金属琴弦震动的拾音装置固定设置在主体框架中并位于六根金属琴弦的下方，主体框架的中部设置有一个按弦装置，按弦装置包括六个间隔均匀分布的推拉式电磁铁，六个推拉式电磁铁的壳体固定在一个开口向下的纵向截面为U形的按弦装置固定件的水平部，按弦装置固定件的两个竖直部分别固定设置在主体框架的两侧，六个推拉式电磁铁的可以伸出或者收缩的可动铁芯位于对应的六根金属琴弦的正上方，可动铁芯的末端固定连接有U型叉，U型叉的开口朝向金属琴弦，六根金属琴弦均位于对应的推拉式电磁铁的可动铁芯末端的U型叉中，六个步进电机、拾音装置、按弦装置的六个推拉式电磁铁均与一个控制处理器电路连接，控制处理器与外部的电源电连接。

进一步的技术方案包括：

六根金属琴弦中的拉簧的直径和硬度均大于该金属琴弦的直径和硬度。

主体框架由轻质金属型材制成。

轻质金属型材为铝型材或铝镁合金型材。

主体框架的后部两侧对称设置有两个镂空结构的支撑扶手。

控制处理器为单片机，控制处理器固定在主体框架的后端。

拾音装置位于按弦装置后方，拾音装置为吉他拾音器，拾音装置还与外部的音箱连接。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，创新性地通过改变金属琴弦振动的有效长度和张力的方式改变发声频率。虽然使用步进电机可以方便地通过收紧弦来改变弦内张力，还可以在弦振动过程中拉紧或松弛弦使之发出变声调的声音，但考虑到金属弦耐受张力是有限制的，且张力剧烈变动容易使金属弦疲劳断裂，而改变弦振动有效长度虽然难以使弦长连续变化，却可以在大范围改变金属弦振动频率的同时尽可能不使金属弦受损，结合以上两个方案，通过拾音装置和控制处理器使拉紧弦装置与按弦装置配合工作，既可以使该乐器在弹奏时发出平滑变化的声音，又可以使之发出频率范围大的声音。同时该弹拨乐器仅采用六个步进电机与六个推拉式电磁铁实现功能，结构简单可靠，节约成本。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1是本实用新型提供的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器的主体结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器的拉紧弦装置的局部放大示意图；

图3是本实用新型提供的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器的金属弦和按弦装置的结构示意图；

图4是本实用新型提供的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器的控制处理器与其他部件连接的示意图；

图5是本实用新型提供的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器的发音范围与工作状态的关系的示意图；

图中：1.主体框架，2.金属琴弦，3.拉紧弦装置，4.拾音装置，5.按弦装置，6.支撑扶手，7.音箱，8.控制处理器，9.拉簧，201.金属琴弦一弦，202.金属琴弦二弦，301.1号步进电机，302.2号步进电机，901.一弦拉簧，902.二弦拉簧，311.弦枕，501.按弦装置固定件，511.按弦装置一弦推拉式电磁铁，512.按弦装置二弦推拉式电磁铁。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

本实用新型提供了一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，如图1所示，包括六根间隔均匀分布且粗细均不相同的金属琴弦2，琴头两侧固定设置有两两对称分布的共六个用于调整金属琴弦2的松紧程度进而调整金属琴弦2的振动频率的拉紧弦装置3，还包括一个矩形框架结构的主体框架1，主体框架1由铝型材或铝镁合金型材制成，以保证在六根金属弦拉动下不会像木头材质发生缓慢的形变，在不增加太多重量同时确保整体框架的稳定。六根金属琴弦2设置在主体框架1内，琴头即为主体框架1的前端。

如图2所示，拉紧弦装置3为步进电机，步进电机的壳体固定在主体框架1前端两侧的上端面上，六根金属琴弦2的前端与一根金属材质制成的拉簧9的一端固定连接，拉簧9的另一端与一根金属丝固定连接，六根金属琴弦2的拉簧9的设置位置相同，六根拉簧9连接的金属丝分别固定并缠绕在对应的六个步进电机的输出轴上，六根金属琴弦2的后端均固定在主体框架1的后端，六根金属琴弦2的前端的上方有一个弦枕311，弦枕311的两端固定在主体框架1的两侧，弦枕311的中部下方与六根金属琴弦2对应处有六个槽，弦枕压紧六根金属琴弦2的前端并使六根金属琴弦2嵌入对应槽中，六根拉簧9位于弦枕311的前方，弦枕311的作用是统一金属琴弦2的弦长与间距，固定金属琴弦2的一端便于振动。控制步进电机旋转以拉紧或放松金属琴弦2，通过改变金属琴弦2内张力的方式改变金属琴弦2弹拨时发声频率的高低，六根拉簧9的材质、直径和硬度均相同，六根金属琴弦2中的拉簧9的直径和硬度均大于所有金属琴弦2的直径和硬度，确保拉紧金属琴弦2时拉簧9不会超出弹性限度范围，同时随着拉力变化拉簧9会伸缩一定距离，便于步进电机通过旋转角度控制金属琴弦2的拉力。

本乐器还包含拾音装置4，本实施例中，拾音装置4位于按弦装置5后方即主体框架1的中后部，拾音装置4使用现有技术中的吉他拾音器，拾音装置4可以将琴弦振动转化为电信号，拾音装置4安置在主体框架1内并位于六根金属琴弦2的正下方，现有的吉他拾音器包含外壳、线圈、磁柱三部分，外壳固定在主体框架1上，外壳内有椭圆形线圈横跨六根金属琴弦，磁柱处于线圈中央线性排列，每根磁柱均垂直于主体框架方向并与金属琴弦2一一对应，演奏时磁柱将磁化金属琴弦2，磁化的金属琴弦2振动会产生变化的磁场，其作用到线圈中产生不同频率的交流电信号，该信号将输入到音箱7与控制处理器8中。拾音装置4将起到校准拉紧弦装置3即步进电机的作用，考虑到步进电机在高速工作中可能会出现丢步情况，即实际工作旋转角度与驱动脉冲不对应，这将导致步进电机实际旋转角度不等于控制处理器8原定的旋转角度，通过拾音装置4可以获取金属琴弦2的振动频率并计算得到此时金属琴弦的实际拉力，由此拉力数据与控制处理器8中计划的拉力对比来校准步进电机旋转角度，消除步进电机丢步带来的误差。

如图1所示，主体框架1的中部设置有一个按弦装置5，按弦装置5包括六个间隔均匀分布的推拉式电磁铁，六个推拉式电磁铁的壳体均固定在一个开口向下的纵向截面为U形的按弦装置固定件的水平部，按弦装置固定件的两个竖直部分别固定设置在主体框架1的两侧，六个推拉式电磁铁的可以伸出或者收缩的可动铁芯位于对应的六根金属琴弦2的正上方，可动铁芯的末端固定连接有一个U型叉，U型开口朝向金属琴弦2并使金属琴弦2始终位于U型叉内，当通电时通过线圈排斥使可动铁芯伸出并带动U型叉按压对应金属琴弦，以改变金属琴弦弹拨时的有效长度，进而改变金属琴弦弹拨时发生频率；六个步进电机、拾音装置4、按弦装置5的六个推拉式电磁铁均与一个控制处理器8电路连接，控制处理器8与外部的电源电连接。控制处理器8为单片机，控制处理器8固定在主体框架1的后端。

主体框架1的后部两侧对称设置有两个镂空结构的支撑扶手6。保证实用性的同时减轻了重量，保证乐器重量适宜，同时镂空设计的支撑扶手6具有美感，支撑扶手6的造型参考吉他琴箱的造型设计，使乐手在演奏时手能放松状态自然垂下并处于金属弦位置。由于该弹拨乐器使用了金属材料的主体框架1以及六个步进电机，重量较比传统弹拨乐器有所提升，采用电吉他中使用的拾音器进行拾音并通过音箱7播放的方案，在控制总重量适中的同时保证了发声效果。

该弹拨乐器的拉紧弦装置3采用42BYGH48S型步进电机，扭矩0.55NM，如果选择半径5mm的输出轴进行绕线，最大可提供110N的拉力。对于42BYGH48S型步进电机，扭矩与转速呈负相关，通常在转速超过每分钟120转时扭矩开始缓慢减小，故该步进电机在提供最大拉力的同时转速最大可保持每秒转过两转，即每秒拉动0.0628m，该距离作用在拉簧9上将产生251.2n的力。故拉紧弦装置3工作时将拉力从最大变更至最小所需时间不超过0.2s，符合多数演奏要求。

本实用新型通过控制处理器8计算并控制拉紧弦装置3、按弦装置5，其中该弹拨乐器工作模式可具体分为校准模式和演奏模式。

在校准模式中该乐器会首先通过拉紧弦装置3将六根金属琴弦2的弦拉力设为初始拉力，并松开按弦装置5，此时乐手依次弹拨六根金属琴弦2，控制处理器8读取拾音装置4输入的该金属琴弦2振动的声音模拟信号并经处理得到金属琴弦2的振动频率，进而分析得到该金属琴弦2的拉力，由于弦老化以及步进电机工作丢步情况，金属琴弦2的实际拉力与控制处理器8预设的初始拉力略有不同，此时控制处理器8将调整拉紧弦装置3以使金属琴弦2的拉力回到预设的初始拉力，至此校准模式结束。

在演奏模式中需向控制处理器8上传即将要演奏的乐谱，控制处理器8将读取演奏速度、节奏与声调等信息，并将其转化为对拉紧弦装置3、按弦装置5的具体控制信号，当演奏开始时控制处理器8以乐谱速度与节奏适时对步进电机发送脉冲以及对按弦装置5推拉式电磁铁通断电，使金属琴弦2具有的振动频率恰符合乐谱要求，乐手在演奏时只需用右手依乐谱弹拨特定金属琴弦2即可发出所需的声音，无需像弹拨传统吉他一样用左手将金属琴弦按压至传统吉他的指板上的品柱上。演奏模式中拉紧弦装置3与按弦装置5配合工作，使单根金属琴弦发声范围达到14个半音，弹拨乐器总音域达到3个八度(如图5所示)，可以演奏大部分吉他乐曲。

下面以两根金属琴弦2为例，讲解该弹拨乐器演奏时工作方法：

例中乐手将使用此乐器在下一小节的第一拍演奏音C4与音D4，对应频率分别为262Hz与294Hz，考虑到弦振动公式f＝(F/ρ)⁰ _. ⁵/2L(其中f为金属琴弦2的振动频率，L为金属琴弦2参与振动的有效弦长，F为金属琴弦2的张力，ρ为金属琴弦2的线密度)，在拉紧弦装置3的作用下，相比于拉簧9，金属琴弦2的伸长量十分微小，所以拉簧9对金属琴弦2的振动的影响可以忽略不计，由于金属琴弦2的一端固定在步进电机上，因此认为步进电机输出轴的转动带动拉簧9为金属琴弦2提供的拉力等于金属琴弦2的张力F，当按弦装置5松开时，金属琴弦2与弦枕311正下方相接触的部位到金属琴弦2末端之间的长度为金属琴弦2参与振动的有效弦长L，当按弦装置5工作时，金属琴弦2与按弦装置5相接触的部位到金属琴弦2末端之间的长度为金属琴弦2参与振动的有效弦长L。例中，一弦拉簧901与二弦拉簧902劲度系数为4000N/m，金属琴弦2选取011号吉他弦，金属琴弦一弦201对应吉他弦一弦，金属琴弦二弦202对应吉他弦二弦，初始弦长为0.65m，金属琴弦一弦201的线密度为0.000483kg/m，初始拉力为39.5N，最大拉力88.9N，初始频率为220Hz(音A3)，金属琴弦二弦202的线密度为0.000783kg/m，初始拉力为36.0N，最大拉力80.7N，初始频率为165Hz(音E3)。

对于金属琴弦一弦201，为使振动提升至262Hz，1号步进电机302将转动47°，此时金属琴弦一弦201拉力提升至56N，小于金属琴弦一弦201最大拉力，是可取的。对于金属琴弦二弦202，为使频率提升至294Hz，若仅通过拉紧金属琴弦二弦202的方式提升频率，2号步进电机302将转动，金属琴弦二弦202的拉力将提升至114.4N，已显著超出金属琴弦二弦202的最大拉力，故应采用拉紧弦装置3和按弦装置5配合的方式完成频率提升，按弦装置5内的按弦装置二弦推拉式电磁铁512通电下压，使金属琴弦二弦202振动有效长度减少至0.41m，此时2号步进电机301旋转27°，金属琴弦二弦202的拉力提升至45.5N，振动频率恰好满足要求。故在乐手演奏这一小节之初，控制处理器8依照乐谱发送脉冲控制1号步进电机301旋转47°，控制2号步进电机302旋转27°，并给按弦装置二弦推拉式电磁铁512通电，此时乐手简单弹拨金属琴弦一弦201和金属琴弦二弦202即可弹奏出乐谱上的声音。

Claims (7)

1.一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，包括六根间隔均匀分布且粗细均不相同的金属琴弦(2)，琴头两侧固定设置有两两对称分布的共六个用于调整金属琴弦(2)的松紧程度的拉紧弦装置(3)，其特征在于，还包括一个矩形框架结构的主体框架(1)，六根金属琴弦(2)设置在主体框架(1)内，琴头即为主体框架(1)的前端，拉紧弦装置(3)为步进电机，步进电机的壳体固定在主体框架(1)前端两侧的上端面上，六根金属琴弦(2)的前端与一根金属材质制成的拉簧(9)的一端固定连接，拉簧(9)的另一端与一根金属丝固定连接，六根金属琴弦(2)的拉簧(9)的设置位置相同，六根拉簧(9)连接的金属丝分别固定并缠绕在对应的六个步进电机的输出轴上，六根金属琴弦(2)的后端均固定在主体框架(1)的后端，六根金属琴弦(2)的前端的上方有一个弦枕(311)，弦枕(311)的两端固定在主体框架(1)的两侧，弦枕(311)的中部下方与六根金属琴弦(2)对应的部位有六个槽，弦枕(311)压紧六根金属琴弦(2)的前端并使六根金属琴弦(2)嵌入对应槽中，六根拉簧(9)位于弦枕(311)的前方，六根拉簧(9)的材质、直径和硬度均相同，六根拉簧(9)的直径和硬度均大于所有金属琴弦(2)的直径和硬度，一个用于采集金属琴弦(2)震动的拾音装置(4)固定设置在主体框架(1)中并位于六根金属琴弦(2)的下方，主体框架(1)的中部设置有一个按弦装置(5)，按弦装置(5)包括六个间隔均匀分布的推拉式电磁铁，六个推拉式电磁铁的壳体固定在一个开口向下的纵向截面为U形的按弦装置固定件的水平部，按弦装置固定件的两个竖直部分别固定设置在主体框架(1)的两侧，六个推拉式电磁铁的可以伸出或者收缩的可动铁芯位于对应的六根金属琴弦(2)的正上方，可动铁芯的末端固定连接有U型叉，U型叉的开口朝向金属琴弦(2)，六根金属琴弦(2)均位于对应的推拉式电磁铁的可动铁芯末端的U型叉中，六个步进电机、拾音装置(4)、按弦装置(5)的六个推拉式电磁铁均与一个控制处理器(8)电路连接，控制处理器(8)与外部的电源电连接。

2.根据权利要求1所述的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，其特征在于，六根金属琴弦(2)中的拉簧(9)的直径和硬度均大于该金属琴弦(2)的直径和硬度。

3.根据权利要求1所述的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，其特征在于，主体框架(1)由轻质金属型材制成。

4.根据权利要求3所述的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，其特征在于，轻质金属型材为铝型材或铝镁合金型材。

5.根据权利要求1所述的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，其特征在于，主体框架(1)的后部两侧对称设置有两个镂空结构的支撑扶手(6)。

6.根据权利要求1所述的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，其特征在于，控制处理器(8)为单片机，控制处理器(8)固定在主体框架(1)的后端。

7.根据权利要求1所述的一种电控自动控制琴弦的弹拨乐器，其特征在于，拾音装置(4)位于按弦装置(5)后方，拾音装置(4)为吉他拾音器，拾音装置(4)还与外部的音箱(7)连接。

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