相较传统胡琴扩展了功能与性能的数码胡琴的制作方法

1.一种相较传统胡琴扩展了功能、性能的数码胡琴。


背景技术：

2.我国胡琴乐器家族大多有四个形制特征，这四个要素各自带来明显的利弊。第一个要素是振动面采用莽皮，膜振动能量集中在主谐振频率附近，产生胡琴独有的音色个性；但副作用是高音衰减明显，狼音、噪音较采用板面的拉弦乐器更为严重；第二个要素是琴弓弓毛夹在两根琴弦间，运弓方向可以与振动面垂直，使振动充分音量大、演奏姿势自然放松，但也导致独立琴弦数量无法再增多，因此胡琴的音域，音高机动性都偏弱；第三个要素是第二个要素间接导致的，琴弦夹弓特点允许并要求两根琴弦间距很近，但两弦因此基本上失去独立性，使拨奏、双音多音表达能力严重受限；第四个要素是胡琴演奏时将琴筒依靠于人的腰腿结合部，演奏姿态放松自然，但演奏者自己听到的声音偏弱，在乐队合奏时回馈尤差。
3.迄今为止，要显著改良传统胡琴的缺点，本质途径包括利用其它材质替换莽皮、增加琴弦、改变琴筒的尺寸形状位置等，借助这些手段时不得不突破上述形制特征。
4.实用新型cn2045531u、cn2353012y、cn2667610y、cn2416568y将传统胡琴的琴弦数增加到3根至4根，扩展了音域和演奏技法。这些改良保留了胡琴琴弦夹弓的形制特点，但琴弦不得不分布于两个并行平面上，手指和琴弓选弦困难增大；琴弦增加后莽皮面板等部件受力过大，音色严重畸变，结构加强后恶化外观。
5.电子化、数字化的乐器形态可以对声音信号进行灵活的加工和美化，也使声音的产生不必严格取决于部件的物理特性、空间布置与机械耦合方式，信号的传播路径可以弯曲多变，有助于解绑胡琴特征的利弊伴生关系，因此提供了一个胡琴改良、扩展的途径，既做到神形相似，又大幅提升音质、拓展乐器的表达能力，还有可能用单一乐器复用为多种胡琴乐器。
6.实用新型cn87210916、cn2045531u、cn2847451y、cn201266484y、cn205016235u、cn202373288u、cn103578457a等用传感器采集莽皮等面板的振动，增加了回声等美化音效及伴奏功能，通过电子方法使乐器可以复用为多种胡琴乐器。但这种思路的电子胡琴保留了物理琴弦及两弦夹弓形制，部分振动特征无法改变，继承了主要的两弦形制弊端。
7.实用新型cn204332345描述了一种参数化数码乐器系统，以及基于该系统框架实现的数码胡琴等乐器，基于演奏者动作参数和乐器数字模型产生声音，信号过程彻底不依赖机械振动，有更大改良扩展空间。但是cn204332345描述的措施并没有具体阐述数码胡琴如何扩展功能、改善音质，有的局部实现方式也不是最优的。


技术实现要素：

8.一种相较传统胡琴乐器有明显扩展提升的数码胡琴，延伸了胡琴的音域，提高了音高变化的机动性，增强了对拨弦、多音等演奏技法的支持，抑制了狼音、噪音，同时最大限
度地继承了传统胡琴的音色特征、外观和演奏姿态。
附图说明：
9.图1活动琴弓形式的数码胡琴总体结构
10.图2信号系统构成与处理步骤
11.图3含三层力敏电阻的按弦传感器三视图
12.图4按弦传感器等效与测量电路
13.图5带接地层的按弦传感器结构
14.图6带接地层的按弦传感器等效电路
15.图7运弓传感器布局
16.图8运弓传感器实现方法
17.图9利用琴身倾角扩展逻辑琴弦数
18.图10琴弦复用的软件实现
19.图12固定形式的数码胡琴总体结构
20.图13软件多琴筒建模
21.图14抑制狼音和噪音的机制
22.图15琴筒主谐振滤波器调节规律具体实施方法：
23.图1表示了数码胡琴的一种结构：活动琴弓结构，类似于传统胡琴的双弦夹弓结构。数码胡琴外部可见的主要部件包括：琴杆(1)、按弦传感器(2)、琴筒(3)、电子琴弓(5)、运弓传感器(5)、近耳扬声器(6)、电子弦轴(7)。琴杆(1)与琴筒(3)固定在一起，一般不分解，合称琴体。
24.在琴杆(1)的柱面，或平行于柱面的指板上布设有一组电子形态的琴弦-按弦传感器(2)，感知演奏者按弦动作，如按压、弹拨。按弦传感器为长条形触摸传感器。各按弦传感器表面大致平行于琴筒端面。
25.琴杆(1)底部或其他合适位置设置过弓孔(11)，过弓孔(11)侧壁设置运弓传感器(3)，感知演奏者的运弓动作。
26.琴筒(4)内部或周边设置主电路(41)、弦复用传感器(42)和主扬声器(43)。其中弦复用传感器(42)用于将每根按弦传感器(41)复用为2根逻辑琴弦，以扩展总弦数和音域。
27.电子琴弓(5)像传统胡琴琴弓一样沿弓长方向推拉运动，主体为柔性的运弓传感器动栅(51)，由弓杆(52)绷直，作用类似传统琴弓的弓毛。
28.近耳扬声器(6)安装在琴杆(1)上接近演奏者耳朵的位置，或者琴筒上朝向演奏者耳朵的位置。近耳扬声器(6)在必要时输出乐器声音，使演奏者获得足够的反馈音量，并在乐队合奏场景，让演奏者从背景声音中辨识自己的琴声。
29.电子弦轴(7)包含旋转电位器或者旋转编码器，其输出用于调整按弦传感器(21)表征的音高。
30.图2为数码胡琴的信号系统构成与处理步骤。在主电路(41)中，adc(411)采集按弦传感器(2)、运弓传感器(3)等传感装置的模拟信号，将模拟信号转换为数字输入；数字输入进入cpu(412)，在此处运行胡琴软件，数字输入被施加给乐器的数学模型，产生声音数值；
声音数值进入dac(413)，被转换为模拟量输出信号；模拟输出信号被驱动电路(414)放大后馈入放音设备如主扬声器(43)、近耳扬声器(6)、或未图示的外接音箱等，变成人耳可感受的琴声。声音信号不依赖琴弦、面板等振动源。
31.从弦乐器演奏技法需要出发，按弦传感器(2)至少应支持两点触摸，不但应能测量两点触摸的位置，也必须能测量两点分别的压力，而且需适应两点间距可能在零到至弦长范围内无缝变动，现有的方法和设备较少处理这样的需求，需要专门解决。
32.图3是以力敏电阻作为核心组件的按弦传感器(2)三视图，包含3层相同的条形柔性力敏电阻膜(21)，电阻膜之间由绝缘的柔性隔离层(22)相隔并胶合，两端通过引线(23)与外部电路连接。当触摸压力fa、fb被施加到传感器顶层并达到一定阈值时，力敏电阻膜在压力点形变相互接触，被触摸点分为la、lm、lb三段。
33.图4是图3所示按弦传感器(2)的等效及测量电路图。力敏电阻膜(21)各段la、lm、lb对应的电阻分别为rla、rlm、rlb，其阻值与长度成正比；两个压力点导致的膜间接触电阻分别为rfa、rfb，与压力存在负相关单调函数关系。给顶部电阻膜两端施加电流i，其他两层电阻膜两端悬空，可测得各电阻膜两端的电压ua3、ub3、ua2、ub2，ua1、ub1，以此求各电阻。
34.令：
[0035][0036]
可得：
[0037][0038]
测得上述电阻后，可以进一步计算出la、lb、lc即触摸位置，以及触摸压力fa、fb。这个模型假设触摸集中在理想的一点，会带来相应的误差。
[0039]
图3与图4中所示传感器有大同小异的近似方案，图5是一个例子，这个结构可以缓解触摸点分布带来的误差。图中为传感器的横截面，让中间层的力敏电阻膜电阻率减小趋近于零，变为薄膜电极层(24)，电极层的下表面接触面积远小于上表面。图5结构两点受压的等效电路参见图6，电极层接地，电极层与顶层电阻膜的接触面积大，接触电阻可以忽略，通过ua3/ia3可以求得ra，ub3/ib3求得rb。电极层与底层电阻膜之间的接触面积小，接触电阻rfa
′
、rfb
′
较大，不可以忽略，结合已经求出的ra、rb数值，测量求解电极层与底层电阻膜构成的三端电路可获得rfa
′
、rfb
′
、rm。最后将各个电阻转换为压力与位置。
[0040]
图7表示了过弓孔(11)内运弓传感器(3)的安装及工作方式。过弓孔(11)位于琴杆(1)的底部，限制琴弓(5)的运动方向和范围，琴弓类似于弓毛的组件穿过弓孔推拉。过弓孔
(11)左右侧壁上对称地贴装2个运弓传感器(3)感知琴弓的接触与摩擦。各运弓传感器呈短条形，表面沿水平方向形状略有弧度以适应琴弓水平角度变化，数量与按弦传感器(2)的数量一致，且激励关系一一对应。琴弓运行中借助向两侧平动以选择运弓传感器(3)接触摩擦。运弓传感器(3)测量弓压、弓速，主电路(41)及其软件依据弓压、弓速值计算对应琴弦的振动。当演奏者想达成双音演奏意图时，可操作电子琴弓(5)在水平面内沿图示的虚弧线绕琴轴(1)转动，到a、b表示的边缘角度可同时接触两个运弓传感器(3)，此时乐器计算两根琴弦同时被激励的振动，形成双音。
[0041]
图8表示了运弓传感器(3)的实现方法，该方法基于栅极电容感应原理测量弓压与弓速，琴弓不必与琴体间有机械连接，也不必有电源和信号连线，活动范围较大。运弓传感器(3)包含定栅和动栅两部分，定栅贴装在琴体上，根据测量相数需要由若干极片(31)组成，图示的定栅为单相2极片。动栅(51)位于电子琴弓(5)上，作用类似于传统琴弓的弓毛；包含一组沿弓长方向均匀分布的动栅极片(511)，动栅极片附着于柔性介质条(512)表面。并被介质条(512)与定栅隔开。当动栅(51)以速度v沿定栅(31)表面滑动时，双方极片间的耦合面积发生周期变化，从而导致运弓传感器(3)的电容值发生周期性变化，变化频率与动栅(51)滑动的速度成正比；当动栅(51)以一定压力f压迫定栅(31)时，柔性介质条(512)厚度受到压缩，影响动栅极片(511)与定栅极片(31)之间的耦合距离，进而影响了运弓传感器(3)的平均电容；测量定栅极片(31)的引出端p、n间的电容变化周期和均值，可推导出弓压f和弓速v。除容栅外，运弓传感器(3)也也可以采用磁栅、光栅等栅式感器来实现，效果类同。
[0042]
如图9所示，演奏者可以通过改变琴体的倾斜角度来将每根按弦传感器(2)映射到两根定音不同的逻辑琴弦，以此增加音域、提升音高机动性。用途例如：演奏者左手的按弦位置保持不变，推动琴杆(1)使琴身从角度a
′
转动到角度b
′
时，音高即可提高一个八度。弦复用传感器(42)负责感知选弦意图，弦复用传感器(42)测量琴体倾斜角度，乐器根据其输出的测量值，切换对应的逻辑琴弦来承受按弦指、运弓的激励信号。弦复用传感器(42)可以由加速度传感器、角位置传感器、弯折传感器实现。
[0043]
图10表示了胡琴软件对弦复用意图的理解与处理。图中，激励函数负责产生胡琴的振源，按弦传感器(2)、运弓传感器(3)产生的参数组合是激励函数的一部输入，包括按指位置、按指压力信号、琴弓速度、琴弓压力；另一部输入是振动信号v，来自于逻辑琴弦的数字信号处理模型——琴弦延时线。一个按弦传感器(2)可以代表参数不同的两根逻辑琴弦，分别建模为琴弦延时线1和琴弦延时线2。弦复用传感器(42)产生的弦复用信号驱动选路开关，控制激励函数连接选中的琴弦延时线。激励函数计算响应后迭代振动信号v，回馈给琴弦延时线。
[0044]
如图11所示，弦复用意图可以借助倾角以外的表达途径。相较图7所示的2个运弓传感器(3)，可以在过弓孔(11)内沿高度方向成对增加运弓传感器(3)，运弓传感器对数与逻辑琴弦对数一致。当琴弓摩擦不同高度的运弓传感器(3)时，感知结果成为逻辑琴弦选弦判断依据。可选地，也可在过弓孔内沿横向成对增加运弓传感器(3)，琴弓在水平面绕琴杆转动，摩擦不同角度的运弓传感器(3)，激励不同的逻辑琴弦。
[0045]
图12表示了电子胡琴另一种总体结构：固定琴弓结构。电子琴弓(5)连接在琴杆(1)上，不再沿弓长方向活动。电子琴弓(5)含刚性的基体(52
′
)，基体造型大致可为长条板形、长条框形，在基体(52
′
)上下表面或侧立面布置若干运弓传感器(51
′
)，数量与按指传感
器(2)一致，持弓姿势与传统胡琴相仿。演奏者手指接触一个或两个运弓传感器(51
′
)并沿其长度方向相对滑动，触摸点代表了琴弓擦弦点。由于琴弓与琴体的电路可直接连接，运弓传感器(51
′
)可全部布置在琴弓内，由电阻、电容、压电等多种线性位置-压力传感器来实现，而琴体上不再保留琴弓传感部件。乐器根据各运弓传感器(51
′
)输出的压力值、位置值，理解演奏者单音或多音演奏意图。为兼顾演奏与收纳需要，琴弓通过铰链(8)连接在琴杆(1)上，演奏时打开，收纳时折起。与活动琴弓结构方案一样，琴筒中配置弦复用传感器(42)，演奏者通过改变琴身倾角来扩展琴弦数，切换演奏者激励的逻辑琴弦。
[0046]
在图12所示固定琴弓方案中，琴筒里的倾角传感器(42)可以被替代取消。例如当铰链(8)是由旋转位置传感器兼任时，演奏者可以通过改变琴弓(5)在垂直面的倾斜角度来表达选弦意图，而不必倾斜整个琴身。用途例如：演奏者左手的按弦位置保持不变，控制琴弓(5)倾角从a
″
变化到b
″
时，可使演奏的音高升高一个八度。
[0047]
数码胡琴的逻辑琴弦数量扩展后，在主电路(41)中运行的软件给乐器建模赋予多个虚拟琴筒，以适应更多琴弦带来的阻抗匹配需要，使共鸣在全部频段更充分，进一步改善胡琴常见的音域偏小问题。图13表示了琴弦与琴筒之间耦合关系的建模。琴弦延时线1～4是4根逻辑琴弦的数学模型，定音从低依次走高；琴筒滤波器1～2表示2个琴筒的数学模型，其主谐振频率分别位于较低音区和较高音区。依据琴弦音域与琴筒主谐振频率就近匹配的原则，琴弦延时线1～4分别耦合不同的琴筒滤波器，产生振动信号v1～v4。琴筒模型输出共鸣后的信号，汇总后得到声音输出vout。
[0048]
数码胡琴以数字信号处理的手段进行狼音的压制。狼音是弦乐器普遍存在的现象，当琴弦振动基频与琴体主谐振频率重合或接近重合时，琴体与琴弦相互驱动，产生不规则的振动，严重破坏了频谱的和谐性，听觉上表现为刺耳的噪音，称作“狼音”，狼音现象使乐器在较关键的音高点完全不可用。此外，琴弦振动、琴筒频谱响应都包含丰富的谐波，在其他频率，较弱的峰值重叠也可产生温和一些的噪音。
[0049]
图14说明了数码胡琴抑制狼音的机制，软件将琴筒滤波器分为主谐振频响滤波器、非主谐振频响滤波器两部分，其中主谐振滤波器的参数可调。软件根据按弦传感参数、运弓传感参数计算琴弦振动基频，判断是否接近琴筒主谐振频率，进而计算并动态设置主谐振滤波器的合理参数，避免主谐振向琴弦的回馈过大导致狼音振动。
[0050]
图15是主谐振滤波器调整遵循的规律：图中，原琴筒幅频响应曲线为a1，在主谐振频率fm附近。当琴弦振动基频f0＝fm时，修正后的幅频响应曲线为a2，使峰值最小。当琴弦振动基频f0远离fm时，调整琴筒滤波器参数，使其频响曲线更接近原响应a1，以在绝大多基频范围保持乐器声音的逼真度和特色；琴弦基频f0越靠近fm，频响曲线越接近a2，以在个别基频f0附近消除狼音；
[0051]
相同的机制也可以用于较温和的噪音抑制。在其他较小琴弦谐波频率-琴筒峰值频率重叠处，在更多的琴弦振动基频点，如f0＝fm/2、f0＝fm/3等频点进行琴筒滤波器参数调整。