参数化数码乐器系统及乐器实例技术方案

本实用新型专利技术所描述了参数化数码乐器原理、传感元件以及具体的乐器实例。乐器系统的传感器组合采集演奏者动作导致的控制参数(例如按弦位置、运弓压力和速度)作为运算输入，计算这些控制参数对应下的声学结果，输出乐器的声音及震动。本实用新型专利技术描述的原理和数码乐器实例保留了自然乐器的演奏方式、演奏感受和表达要素，赋予乐器较大的音乐变换、润色空间，同时具有拆解灵活的优点。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及数码乐器的系统、关键元件及数码乐器实例。
技术介绍
随着电子及数码技术的发展，数码或者电子乐器已经有很多的种类，例如键盘类、拉弦类、吹管类。普及较广的键盘形式的电子乐器可以模拟几乎所有乐器的声音，通用性强，但是无法全面再现乐器丰富的演奏技巧和音色变化，模拟管弦类乐器时最为突出。市场上已有的拉弦类电子乐器如电小提琴最大限度地保留了自然乐器的结构和原理，演奏者利用琴弓或手指拨弦，激发琴弦振动，拾音器拾取琴弦振动信号后，然后通过电子线路或数字信号处理环节实施放大、滤波以及更复杂的处理，产生声音输出。这种原理有利于保留自然乐器的演奏技巧，但它是不彻底的电子化或数码化，信号产生过程中仍然依赖琴弦的物理振动，这带来了几个不利的结果:首先，这种原理造成了信号源与输出两套声音，容易在听觉上形成互为噪音的结果，同时也限制了信号系统变换、润色的空间，使电子乐器的优势难以体现；其次，电声输出和琴弦、琴体的振动之间容易发生耦合，形成自激嘯叫，为了抑制嘯叫，功率输出一般不得不从琴体中移出去，设计为独立的外部音箱，这种方案不利于乐器的紧凑性和便携性。比起拉弦类电子乐器，市场上已有的数码吹管、电子吹管不再依赖振动信号源，是较为彻底的电子或数码乐器。但是目前的控制输入方式接近西洋声学管乐器，控制以开关量为主，包括音高按键、八度开关等。在演奏中国民乐等灵活度较大的音乐时，用开关表达不了力度、姿态的全部信息，控制手法不够自然，限制了滑音、泛音等演奏技术的变化范围和灵活度。从音效、表达丰富性、便携性等需求出发，数字乐器需要抛弃中间性的振动信号源，并以模拟量为主要控制参数。【
技术实现思路
】本技术描述的参数化数码乐器系统实现这一目标。乐器系统直接感知演奏者各个运动器官的动作位置、位移、力度、速度的幅值，将其作为控制参数，计算这些控制参数对应下的声学结果，输出乐器的声音及力反馈。具体而言，由音高感知器、激励感知器直接采集演奏动作的模拟量，经输入电路整备为数字信号后，作为控制参数输入给数字信号运算器计算其对应的声学结果，结果经输出电路驱动放音设备；乐器系统同时通过制动器、振动器对演奏者施加反馈力感，通过姿态感知器为演奏者提供额外的控制及变换自由度，通过控制器完成人机交互。本技术同时提出了原理框架中关键传感部件的原理和实现和方式，以及基于此原理框架的弦乐器、管乐器实例的实现方式。本专利技术描述的原理和数码乐器实例保留了自然乐器的演奏方式、演奏感受和表达要素，赋予乐器较大的音乐变换、润色空间，同时具有拆解灵活的优点。【附图说明】:图1参数化数码乐器原理框架图2指压位置测量电路原理图3传感指板图4利用滚筒模拟弓弦激励的原理图5传感琴马图6利用舵扇组合模拟吹孔激励的原理图7传感吹口图8制动器工作原理图9数码提琴图10数码胡琴图11数码吹管具体实施方法:本技术所述的管弦类数码乐器系统框架如图1所示。乐器系统包音高感知器(11)、激励感知器(12)、输入电路(13)、控制器(15)、数字信号运算器(16)、输出电路(17)、放音设备(18)、振动器(19)、姿态感知器(Ia)几个单元。各单元的具体功能为:.音高感知器(11):演奏者手指操作的对象，承受并测量手指按压位置和压力，作为数字乐器的音高产生依据；.激励感知器(12):演奏者琴弓、嘴唇的操作对象，承受并测量激励的力度、和方向；.输入电路(13):将演奏动作参数由电信号转换为数字信号。输入电路包含可选的制动器(131);.控制器(15):负责人机沟通；.数字信号运算器(16):根据乐器建模产生声音信号、阻力及振动信号；.输出电路(17):将数码乐器产生的声音信号从模拟转换为电输出；.放音设备(18):是耳机、二次功放及音箱、无线外放设备之一或者组合。放音设备是可选择性包含的单元，依据成本等因素取舍；.姿态感知器(Ia):感知乐器在演奏者操纵下的倾角、加速度等姿态参数。图1所示数码乐器系统的主干性信号流程为:.音高感知器(11)、激励感知器(12)感知到演奏者的控制意图，将其转换为模拟量电信号，传送到输入电路(13);.输入电路(13)对参数信号进行加工，进行杂波滤除、模拟运算、量程转换等预处理工作、然后通过AD转换将参数信号转换为数字量，作为控制参数信号传给数字信号运算器(16);.数字信号运算器(16)在数字域根据参数信号进行运算，计算出乐器及声学环境的响应，将计算结果作为乐器的音乐输出，以数字形式传送到输出电路(17);.输出电路(17)通过DA转换把音乐输出转变为模拟量，对输出进行必要的功率放大和其他操作，通过有线及无线等传输通道，到达放音设备(18)转换为声音输出。.控制器(15)向演奏者呈现乐器状态，接受演奏者的控制意图，并控制输入电路(13)、数字信号运算器(16) (DSP)、输出电路(17)单元，使乐器按照演奏者的意图工作，改变乐器的工作规律。自然乐器的音高控制一般是通过手指按压琴弦或音孔改变位置和压力，导致参与振动的琴弦/气柱的长度和拉/压力发生改变，进而改变振动频率实现的。本技术为了模拟这一自然演奏方式，采用音高感知器(11)传达相同演奏意图但不引入物理振动。音高感知器根据电位器原理测量指压位置，其电路原理参见图2。模拟琴弦或吹管的长条状电位电阻R(21)与恒流源1(26)串联，使触点位置与测量的电位成正比。当手指按压时，检测触头受压而接触电位器的不同位置，感知到不同的电压，从而推测出指压位置。触点h和I模拟两个手指对琴弦/孔的按压，将电阻划分为3段:Rh(22)、R1 (24)和中间段。利用运算放大器对Rh (22)、R1 (24)两端的电位做减法得出其分压值Vh、V1,继而可以推算出按压位置。手指全部悬空的情况对应于触点h和I同时脱离接触，此时大阻值上拉电阻Rbh(23)、Rbl (25)将分压值拉向电位电阻(21)上端，此时测量的电位对应于自然乐器的琴弦/吹管全长，即空弦或筒音位置。图3是音高感知器(11)的一种具体实现一传感指板(31)，用以模拟自然弦乐器的按弦效果或者自然管乐器按孔效果。传感指板(31)固定在乐器的琴身/管身(32)上，当演奏者手指按下时，传感指板(31)将按指的位置和压力转换成电信号。传感指板(31)由多个功能呈长条状部件层叠而成。这些部件包括:.压力传感器(312):演奏者手指按下时，输出演奏者按指的压力信号；.位置传感器(313):演奏者手指按下时，输出演奏者按指的位置信号；.保护面板(311):覆盖在压力传感器(312)和位置传感器(313)上面，由柔性或半刚性材料制成，其作用包括传递手指压力，美化外观，保护传感器；传感指板(31)也可以是单一的复合型器件，同时兼顾压力传感器(312)、位置传感器(313)、保护面板(311)的功能。复合型器件的具体实现形式包括但不限于敏感电阻(FSR)或压力位置敏感电阻(FPSR)。自然乐器演奏时，琴弓对琴弦的激励，或者嘴唇气流对吹口的边棱的作激励，导致弦振动或者空气振动发声。激励作用力的大小、速度、方向决定了声音的幅值、声音的音色和其他特征。本技术采用激励感知器(12)传达相同演奏意图但不引入物理振动。本技术同时给出两种激励感知器(12)的具体实现形式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种参数化数码乐器系统；其特征是：a)包含音高感知器、激励感知器、输入电路、数字信号运算器、输出电路、制动器、振动器、控制器、姿态感知器；b)由音高感知器、激励感知器，直接采集演奏动作的模拟量；输入电路对模拟量进行整备并转换为数字化的乐器的控制参数；在数字信号运算器中根据控制参数计算乐器对应的声学结果信号：输出电路对声学结果信号进行数模转换和功率放大，并驱动放音设备；制动器和振动器于向演奏者提供反馈力感；控制器执行人机交互；姿态感知器为演奏者提供额外的控制自由度。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张大勇，程伟森，
申请(专利权)人：张大勇，程伟森，
类型：新型
国别省市：广东;44