一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴的制作方法

本发明涉及超弹性形状记忆合金乐器领域，特别是涉及一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴。

背景技术：

超弹性形状记忆合金是一种由两种或两种以上的金属原料所构成的合金，具有超弹性形状记忆效应。对常温下处于奥氏体状态的记忆合金丝施加一定的载荷，使应力超过记忆合金丝的弹性极限后，继续加载奥氏体相变成马氏体，超弹性记忆合金丝伸长量增加，当应力去除后，伴随着马氏体逆相变，应变消失，超弹性记忆合金丝完全恢复到原始长度。记忆合金丝具有自感知的特性，当记忆合金丝的应力应变发生变化时，其电阻也产生相应的变化，通过测量电阻变化可以实现记忆合金丝张紧程度的控制，达到自感知的目的。

磁致伸缩材料是一种具有磁致伸缩效应的铁磁体，当对磁致伸缩材料施加一定外磁场时，其长度及体积均发生变化，当外加磁场消失后，磁致伸缩材料又恢复原来的尺寸，因此磁致伸缩效应是一个可逆的过程。而超磁致伸缩材料的磁致伸缩系数远大于一般的磁致伸缩材料，且输出力大，因而被广泛用于磁致伸缩致动器上。

弦乐器可以分为弓弦乐器、拨弦乐器和击弦乐器三种，其发音原理是靠张紧的琴弦振动发出声音的，琴弦的粗细、长短和张紧程度对弦乐器音调的高低有着至关重要的影响。弦乐器一般由不同的琴弦演奏不同的音，通过手指按压琴弦的不同位置改变琴弦的长度，从而弹奏出不同的音调。吉他可以通过调节一根材质、粗细、长短不变的琴弦的张紧程度，弹奏出14个不同的音调。

综上所述，可以用一根超弹记忆合金丝作琴弦，一个磁致伸缩杠杆做琴弦张紧装置，静音步进电机驱动弹奏片或琴弓做演奏装置，开发出一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴。可以通过控制信号发生器将对应的音调转化为电信号，经过功率放大器放大后，控制磁致伸缩杠杆调节记忆合金丝琴弦的张紧程度，在欧姆表反馈作用下，快速精确的自动调音。对于演奏装置方面，可以控制静音步进电机1上的弹奏片拨琴弦，或控制静音步进电机2上的琴弓拉琴弦，使记忆合金丝琴弦发出声音，实现乐曲的弹拉演奏。该技术对磁致伸缩致动器和超弹记忆合金丝的研究与应用具有先进的指导意义与实用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴。该装置可实现由一根记忆合金丝做琴弦，一个磁致伸缩致动器结合放大杠杆做琴弦张紧装置，静音步进电机1驱动弹奏片做弹奏装置，静音步进电机2驱动曲柄滑块机构上的琴弓做拉弦装置，自动实现可弹可拉的演奏乐曲功能。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴，主要由琴弦张紧装置、琴弦固定装置、演奏装置、电控装置4个部分所组成。其中琴弦张紧装置部分由磁致伸缩致动器和放大杠杆2个元件组成，琴弦固定装置部分由超弹记忆合金丝琴弦、琴弦固定螺柱、琴弦夹具3个元件组成，演奏装置部分由两个静音步进电机、弹奏片、琴弓和曲柄滑块机构组成，电控装置部分由控制信号发生器、功率放大器、步进电机驱动器和欧姆表组成。

为了能够使超弹记忆合金丝所受应力超过弹性极限，所述的琴弦张紧装置选用输出力大的磁致伸缩致动器，采用放大杠杆，可以大幅度提高磁致伸缩致动器的输出位移量，放大杠杆的支点位置有一v型槽，将放大杠杆安装在刀刃型支点上，可以使杠杆绕着支点转动，放大杠杆的输出端有两个螺纹盲孔，可用于安放琴弦夹具。

所述的琴弦固定装置包括琴弦夹具和琴弦固定螺柱，琴弦夹具由两个螺栓和开有两个孔的铜片组成，记忆合金丝琴弦一端可以夹紧在铜片和放大杠杆输出端之间，记忆合金丝琴弦的另一端可以穿过琴弦固定螺柱上方的通孔，二者配合可以使超弹记忆合金丝琴弦固定。

所述的演奏装置主要由静音步进电机控制，弹奏部分的静音步进电机1输出端安装有弹奏片，在步进电机驱动器1输出的控制信号作用下控制弹奏片拨动琴弦使其发声，拉弦部分的静音步进电机2输出端连接着曲柄滑块机构，滑块上安装有琴弓，在步进电机驱动器2输出的控制信号作用下控制琴弓往复拉动琴弦使其发声，可以实现可弹可拉的两种演奏功能。

所述的欧姆表连接在超弹记忆合金丝的两端，实时采集超弹记忆合金丝的电阻变化，根据记忆合金丝应力应变与电阻的对应关系，可以对琴弦的张紧程度进行快速精确的反馈控制。

附图说明

图1为超弹记忆合金丝单弦弹拉琴结构示意图。

图2为琴弦夹具结构示意图。

图3为超弹记忆合金丝单弦弹拉琴工作流程示意图。

图中：1为磁致伸缩致动器，2为超磁致伸缩材料，3为线圈，4为杠杆支点，5为放大杠杆，6为琴弦固定螺柱，7为弹奏片，8为静音步进电机1，9为超弹记忆合金丝琴弦，10为曲柄滑块机构，11为静音步进电机2，12为琴弓，13为琴弦夹具，14为欧姆表，15为固定螺栓，16为铜片。

具体实施方式

下面结合附图所示对本发明作以下详细的描述：

参照图1和图2，本装置为一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴。超弹记忆合金丝琴弦(9)一端穿过琴弦固定螺柱(6)，另一端穿过琴弦夹具(13)和放大杠杆(5)输出端之间，琴弦夹具(13)由固定螺栓(15)和铜片(16)组成。磁致伸缩致动器(1)安装在靠近杠杆支点(4)位置，其安装底座可以调节，可以增加放大杠杆(5)的位移输出比。控制信号发生器将音符转化为相应的电信号，电信号经过功率放大器放大后，控制磁致伸缩致动器(1)中的线圈(3)产生相应的磁场，在磁场作用下超磁致伸缩材料(2)输出相应的位移。磁致伸缩致动器(1)输出的位移经过放大杠杆(5)的放大作用后，由磁致伸缩致动器(1)输出端的微小位移量转化为放大杠杆(5)输出端的较大位移量，记忆合金丝琴弦(9)随着放大杠杆(5)输出端摆动的角度不同，琴弦的张紧程度随之改变，从而发出不同的音调。超弹记忆合金丝琴弦(9)的两端连接欧姆表(14)，可以通过测量记忆合金丝的电阻变化反应其长度变化，对记忆合金丝琴弦(9)的张紧程度实现精确的反馈控制。

参照图1和图3，控制信号发生器通过功率放大器传输给磁致伸缩致动器(1)一个放大的控制信号同时，在经过判断后也传输给两个步进电机驱动器一个控制信号，驱动静音步进电机1(8)上的弹奏片拨动琴弦，或驱动静音步进电机2(11)上的琴弓拉动琴弦，使琴弦发出声音，完成一个音符的演奏。

上述实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科研人员和工程技术人员能够了解本发明的内容并据此实施，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。

技术特征：

1.一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴，其特征在于：主要由磁致伸缩致动器(1)、超磁致伸缩材料(2)、线圈(3)、杠杆支点(4)、放大杠杆(5)、琴弦固定螺柱(6)、弹奏片(7)、静音步进电机1(8)、超弹记忆合金丝琴弦(9)、曲柄滑块机构(10)、静音步进电机2(11)、琴弓(12)、琴弦夹具(13)、欧姆表(14)，固定螺栓(15)、铜片(16)组成。

2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴，其特征在于：磁致伸缩致动器(1)主要由超磁致伸缩材料(2)和线圈(3)组成，其安装底座可进行位置调节，将磁致伸缩致动器(1)安装在靠近杠杆支点(4)的一侧，可用于驱动放大杠杆(5)绕着杠杆支点(4)转动，放大杠杆(5)在杠杆支点(4)位置有一v型槽，可将放大杠杆(5)安装在刀刃型杠杆支点(4)上，放大杠杆(5)输出端有两个螺纹盲孔，可用于琴弦夹具(13)在放大杠杆(5)输出端的固定。

3.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴的琴弦固定装置，其特征在于：琴弦夹具(13)由固定螺栓(15)和铜片(16)组成，可用于固定超弹记忆合金丝琴弦(9)一端，琴弦固定螺柱(6)上含有一圆形通孔，可用于固定超弹记忆合金丝琴弦(9)另一端，当线圈(3)产生的磁场不同时，磁致伸缩致动器(1)驱动放大杠杆(5)输出端的位移产生相应变化，进而使超弹记忆合金丝琴弦(9)的张紧程度发生变化，便可以奏出不同的音调。

4.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴的弹奏装置部分，其特征在于：静音步进电机1(8)输出端安装有弹奏片(7)，静音步进电机2(11)输出端连接曲柄滑块机构(10)，曲柄滑块机构(10)输出端安装琴弓(12)，可以用控制信号发生器输出的电信号控制步进电机驱动器，驱动两个静音步进电机实现弹奏片(7)弹奏或琴弓(12)拉琴弦两种演奏模式。

5.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴，欧姆表(14)通过导线连接在超弹记忆合金丝琴弦(9)的两端，根据记忆合金丝的自感知原理，当超弹记忆合金丝琴弦(9)的张紧程度不同时，电阻发生相应变化，欧姆表(14)采集到的信号反馈到控制信号发生器，实现琴弦张紧程度的精确反馈控制。

技术总结
本发明公开了一种磁致伸缩杠杆调音式自感知超弹记忆合金丝单弦弹拉琴，主要由磁致伸缩致动器、放大杠杆、琴弦夹具、静音步进电机、弹奏片、琴弓、曲柄滑块机构、超弹记忆合金丝琴弦、琴弦固定螺栓、欧姆表组成。该装置通过控制信号发生器将音符转化为对应电信号，经功率放大器放大后控制磁致伸缩杠杆，调节记忆合金丝琴弦的张紧程度，结合欧姆表精确的调节音调高低。同时，控制信号发生器传递给步进电机驱动器一个控制信号，使静音步进电机驱动弹奏片或琴弓演奏。该装置可实现由一根琴弦快速准确的自动调音，自动完成可拉可弹的演奏功能，对磁致伸缩致动器和超弹性形状记忆合金丝的研究与应用具有先进的指导意义与实用价值。

技术研发人员：裴永臣;隋文超
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2021.03.03
技术公布日：2021.06.18