專(zhuān)利名稱(chēng)：電子鳴奏器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及電子音樂(lè)技術(shù)，具體而言，是一種運(yùn)用磁敏、光電耦合器、駐極話筒等傳感器的特殊應(yīng)用方法實(shí)現(xiàn)用常規(guī)的撥奏、吹奏方式來(lái)控制聲音大小及音形，并由單個(gè)音鍵適度的位移控制音高；借助于電子電路使輸出波形與常規(guī)樂(lè)器的輸出波形相似的新型電子鳴奏器。
常規(guī)管樂(lè)器(如笛、薩克斯)均采用多按鍵(或孔)組合控制音高；常規(guī)彈撥樂(lè)器(如琵琶、吉他)，采用多根弦倒把來(lái)確定音高；常規(guī)的電子琴多為鍵盤(pán)式，按下不同位置鍵，確定音高，這類(lèi)樂(lè)器由于演奏技巧性要求較高，因而通常都需要經(jīng)過(guò)專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)。
現(xiàn)有的電子樂(lè)器，例如電子琴模擬常規(guī)樂(lè)器的音色一直不很理想，只能形似而不能神似，模擬管樂(lè)器的音色只能在某一頻段上效果尚可，在整個(gè)鍵盤(pán)面不能做到統(tǒng)一。
本實(shí)用新型的目的是提供一種音高能簡(jiǎn)便控制，吹奏、撥奏可隨機(jī)選擇，音色模擬回歸自然的電子鳴奏器。


圖1、本實(shí)用新型原理方框圖圖2、本實(shí)用新型電原理圖圖3、本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖為敘述簡(jiǎn)便，現(xiàn)以普及型管樂(lè)電子鳴奏器為例，并結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型的目的是如何實(shí)現(xiàn)的。
現(xiàn)結(jié)合
圖1所示的原理方框圖來(lái)對(duì)本實(shí)用新型的工作原理作一說(shuō)明1、電平變換電路是利用位移傳感器的音階按鍵帶動(dòng)磁鐵相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生距離變化，使線性霍爾傳感器輸出轉(zhuǎn)換為相應(yīng)不同的電壓值，并經(jīng)放大后產(chǎn)生電壓擺幅。
2、多級(jí)電壓比較器的各級(jí)閥值分別設(shè)定在由低至高的多級(jí)分壓值上，與來(lái)自上述電路輸出的電壓進(jìn)行比較，從而獲得特定的多級(jí)比較器工作狀態(tài)(例如有3路比較器輸出為高電平，其余均為輸出低電平)。
當(dāng)音階按鍵上下移動(dòng)時(shí)，線性霍爾傳感器的輸出電壓隨之變低或變高，多級(jí)比較器輸出高電平的級(jí)數(shù)隨之減1或加1(例如由3路變?yōu)?路或4路比較器輸出為高電平，其余均為輸出低電平)。
3、脈沖形成電路接成電容充電式頻率變換電路，其特點(diǎn)在于充電電流的大小與前述多級(jí)比較器輸出為高電平的數(shù)量相關(guān)，因而脈沖頻率是階躍式的逐級(jí)變化，其各級(jí)音階的音準(zhǔn)在確定音調(diào)及分頻系數(shù)的條件下按十二平均律對(duì)照表所對(duì)應(yīng)的音名確定各級(jí)的頻率，并由相應(yīng)電位器分別進(jìn)行調(diào)整。
4、分頻器電路采用循環(huán)計(jì)數(shù)分配的方式，分頻系數(shù)依據(jù)基波與各高次諧波的比例(即音色)要求而定。
本實(shí)用新型的普及型分頻系數(shù)設(shè)定為6。
5、音色波形模擬電路是將時(shí)序和幅度不同的動(dòng)態(tài)信號(hào)疊加成與常規(guī)樂(lè)器的輸出波形相似的波形。
6、撥奏強(qiáng)度控制電路采用線性霍爾傳感器，借助于安裝在撥動(dòng)簧片上的磁鐵的振動(dòng)，使線性霍爾傳感器產(chǎn)生與磁鐵振幅相應(yīng)的交流信號(hào)，(即與撥奏力度相關(guān))。
吹奏強(qiáng)度控制電路采用駐極話筒，借助于相連接的吹氣管中吹氣氣流的強(qiáng)弱產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)(即與吹奏力度相關(guān))。
兩路信號(hào)疊加放大，再經(jīng)倍壓整流電路將上述放大信號(hào)轉(zhuǎn)換為低頻或直流包絡(luò)信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)撥奏和吹奏的兩種演奏方式，而且撥奏和吹奏可任意選擇，而無(wú)需轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)。
由以上敘述可以看出音高、音色波形與音強(qiáng)控制(撥奏或吹奏)電路是分別獨(dú)立的兩路隔離通道，這兩路信號(hào)可同時(shí)輸至光電隔離音強(qiáng)控制電路。
7、光電隔離音強(qiáng)控制電路，實(shí)際上是光電耦合器電路，其特點(diǎn)在于光電耦合器工作在轉(zhuǎn)移特性的線性工作區(qū)，即音色波形通過(guò)與否以及大小均受控于光電耦合器中的發(fā)光二極管工作狀態(tài)，這樣不難理解，只需將常規(guī)的吹奏或撥奏音形轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)即能控制音色波型渡越的大小，從而控制聲音的強(qiáng)弱。
8、音色濾波器是為了對(duì)來(lái)自音色波形通道的信號(hào)進(jìn)行二次模擬，旨在濾除高次諧波的干擾，使基波與各次諧波的比例適度，音色純正。
9、功率放大器采用普及型小功率功放集成電路和橢圓形揚(yáng)聲器，其中揚(yáng)聲器附設(shè)了共鳴腔；共鳴腔的幾何尺寸，材料及其厚度設(shè)計(jì)合理將會(huì)增加樂(lè)曲的明亮度，使聲音更豐滿(mǎn)。
圖2所示為本實(shí)用新型電原理圖，現(xiàn)將各部分組成及作用分述如下1、IC21～I(xiàn)C22為線性霍爾傳感器，當(dāng)音階按鍵的磁鐵T1在其間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)(如圖所示意)，傳感器將產(chǎn)生電壓變化信號(hào)。兩路信號(hào)同時(shí)輸出至由集成電路IC23，電阻R21～R24組成的減法器電路合成并經(jīng)由IC24、R25、W21接成的倒相放大器放大，使G點(diǎn)有較大的動(dòng)態(tài)電壓范圍。其中電位器W21用作增益調(diào)節(jié)。
2、G點(diǎn)信號(hào)輸至由集成電路IC1～I(xiàn)CN、電阻R1～RN+1等組成的多級(jí)(N級(jí))電壓比較器各級(jí)的同相輸入端，同時(shí)由R1～RN+1接成的多級(jí)串聯(lián)分壓電路，設(shè)置了由低至高的分壓值，分別接入多級(jí)比較器的反相輸入端，使各級(jí)比較器的閥值逐級(jí)升高。這樣，隨著G點(diǎn)電壓的變化，多級(jí)電壓比較器各級(jí)工作狀態(tài)隨之改變當(dāng)G點(diǎn)電壓最低時(shí)，各級(jí)均處于低電平輸出狀態(tài)；當(dāng)G點(diǎn)電壓升高至比較器ICN反相輸入端Y點(diǎn)的分壓值時(shí)，ICN輸出高電平；逐步提高G點(diǎn)電平，將逐級(jí)增加比較器輸出高電平的級(jí)數(shù)；當(dāng)G點(diǎn)電壓最高時(shí)，多級(jí)比較器各級(jí)均輸出高電平。
3、由多級(jí)電壓比較器的各級(jí)輸出電路二極管D1～DN，電位器W1～WN及由C1、C21、WN+1、R26～R31、IC25～I(xiàn)C26、BG1等組成電容充電式頻率變換電路。
電源通過(guò)WN+1對(duì)電容C1充電，使H點(diǎn)電平逐漸升高；IC25接成比較器電路，其反相端閥值設(shè)置在VB電平，當(dāng)上述充電過(guò)程使H點(diǎn)電平高于VB時(shí)，IC25輸出高電平(I點(diǎn))，經(jīng)由R27、R28、C21延遲電路使比較器IC26(閥值設(shè)置于VA)隨之亦輸出高電平，使由晶體管BG1、電阻R30、R31組成的放電電路導(dǎo)通，使電容C1放電并回零，IC25、IC26亦恢復(fù)低電平輸出。如此周而復(fù)始，在H點(diǎn)形成基本等幅度的鋸齒波，同時(shí)在IC25的輸出端I點(diǎn)獲得正脈沖信號(hào)，脈沖頻率與鋸齒波頻率相同。
鋸齒波的斜率和頻率取決于充電電流的大小，如前所述當(dāng)ICN輸出高電平時(shí)，二極管DN導(dǎo)通，電位器WN與WN+1并聯(lián)對(duì)電容C1充電，使鋸齒波斜率變陡，頻率升高，同理，逐級(jí)增加比較器輸出高電平的級(jí)數(shù)，I點(diǎn)輸出脈沖頻率將逐級(jí)升高，直至最高一級(jí)比較器IC1輸出高電平，D1導(dǎo)通，W1并聯(lián)接入時(shí)，頻率最高。
4、環(huán)形時(shí)序分配器IC27如接成6分頻電路，其6路輸出信號(hào)由電阻R41～R46構(gòu)成的音色波形模擬電路，按時(shí)序疊加于J點(diǎn)，合成為音色波形的基波信號(hào)，旨在模擬常規(guī)樂(lè)器實(shí)際波形。
由IC28、C22、R47～R49接成同相輸入放大器電路，其輸出端K點(diǎn)獲得被放大了的音色波形。
由音色模擬合成的過(guò)程可以看出，基波信號(hào)的周期應(yīng)為脈沖(或鋸齒波)周期的6倍，對(duì)應(yīng)的頻率為原脈沖頻率的1/6。
為了符合音樂(lè)理論中音階以十二平均律標(biāo)定的規(guī)定，當(dāng)確定音調(diào)為G調(diào)(1=G)，同時(shí)確定多級(jí)比較器為12級(jí)，并不設(shè)置半音時(shí)，其13級(jí)音名分別為D、E、#F、G、A、B、c、d、e、#f、g、a、b。每個(gè)音名對(duì)應(yīng)的頻率詳見(jiàn)十二平均律對(duì)照表(參見(jiàn)《電子琴原理、使用與維修》P237，電子工業(yè)出版社，1991年版)。
為此，在調(diào)試時(shí)，對(duì)應(yīng)電原理圖中G點(diǎn)電平最低即多級(jí)電壓比較器均為低電平輸出時(shí)，調(diào)節(jié)電位器WN+1，監(jiān)測(cè)基波頻率應(yīng)為73.418HZ，當(dāng)電壓比較器輸出高電平的數(shù)量加1時(shí)，調(diào)節(jié)電位器WN使基波頻率為82.407HZ，這樣逐級(jí)增加多級(jí)電壓比較器輸出高電平的級(jí)數(shù)，逐級(jí)按十二平均律音名頻率對(duì)照表調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的WN-1電位器……，直至各級(jí)均輸出高電平時(shí)，調(diào)節(jié)電位器W1使基波頻率為246.94HZ。
5、線性霍爾傳感器IC31借助撥奏彈簧片上磁鐵T2的振動(dòng)在其輸出端L點(diǎn)產(chǎn)生與撥奏力度相應(yīng)的交流信號(hào)；電阻R51和駐極話筒S組成吹氣氣流強(qiáng)弱的探測(cè)電路，在其輸出端M點(diǎn)產(chǎn)生與吹奏力度相應(yīng)的交流信號(hào)；兩路信號(hào)分別經(jīng)由電容C23、C24，電阻R52、R53合成于N點(diǎn)。
由R54～R58，IC32～I(xiàn)C33、W22等組成兩級(jí)放大器電路用以同時(shí)放大撥奏、吹奏強(qiáng)度信號(hào)，其中電位器W22用作增益的調(diào)整。
C25～C26、D21、D22、R59接成倍壓整流電路，在其輸出端Z點(diǎn)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的低頻音強(qiáng)電平，并經(jīng)由IC34、R60～R62接成的放大器放大，使其輸出端P點(diǎn)產(chǎn)生正比于撥奏或吹奏力度的音型包絡(luò)信號(hào)。
6、光電耦合器K1工作在其轉(zhuǎn)移特性小電流線性區(qū)，對(duì)照電原理圖可以看出，如前所述的K點(diǎn)音色波形經(jīng)光電耦合器在電阻R50上(即F點(diǎn))形成的波形將受控于該器件右側(cè)發(fā)光二極管工作電流的大小；在合理設(shè)計(jì)R63電阻值(使光電耦合器工作在線性范圍)的前提下，即受控于P點(diǎn)音型包絡(luò)信號(hào)。
7、光電耦合器的F點(diǎn)信號(hào)經(jīng)由IC35、R71～R72、C27接成的放大器，在其輸出端Q點(diǎn)獲得具有負(fù)載能力的被放大信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)音色濾波器電路。
R73～R74、L1、C28等組成音色濾波器電路，使其輸出端R點(diǎn)的信號(hào)波形與常規(guī)樂(lè)器的輸出波形更形象。
8、由IC36、R75等組成的放大器實(shí)現(xiàn)了阻抗匹配和信號(hào)放大。
9、分壓器R76、C29、W23和末級(jí)功率放大器IC37與電容C30～C31以及揚(yáng)聲器Y0組成輸出級(jí)，其中揚(yáng)聲器Y0附設(shè)共鳴腔，使輸出音響更豐滿(mǎn)。
10、閥值電壓VA、VB，由電阻R81～R83、C32～C33組成的電源Ec分壓電路確定。
綜上所述，本實(shí)用新型有如下的特點(diǎn)1、由于采用了高靈敏度的位移電平轉(zhuǎn)換電路，只需窄范圍單音階按鍵移動(dòng)即能清晰分辨多級(jí)音高，演奏一般樂(lè)曲所需的音階，因而具有簡(jiǎn)便易學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。
2、音準(zhǔn)精度是在電路調(diào)試過(guò)程中，由多個(gè)電位器逐級(jí)確定的，具有較高的精度和頻率穩(wěn)定性。
3、基波與各次諧波的比例主要依據(jù)分頻系數(shù)和音色波形的技術(shù)要求而合成的，與常規(guī)電子音樂(lè)的音色濾波器的設(shè)計(jì)思想不同，無(wú)需進(jìn)行分段補(bǔ)償，使電路簡(jiǎn)化，有利于降低成本，縮小體積，同時(shí)由于揚(yáng)聲器附設(shè)了共鳴腔，使音色回歸自然。
4、由于采用光電耦合器的隔離方式，音色信號(hào)和音型(吹奏或撥奏等)信號(hào)是兩路分別獨(dú)立的通道，為演奏帶來(lái)靈活的擴(kuò)展性和想象力，例如前述的吹奏音型采用的是駐極話筒聲音傳感器，設(shè)想若敲擊連接話筒的簧片將會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似于木琴的擊奏音型；又如若采用撥奏音型，演奏時(shí)其撥奏音型和特有顫音，為管樂(lè)音色帶來(lái)新鮮的感覺(jué)。
應(yīng)該說(shuō)明，本實(shí)用新型描述的音色電路依據(jù)音樂(lè)理論，只需加大分頻系數(shù)，即可獲得與常規(guī)某種樂(lè)器相似的波形和音色。事實(shí)上，本實(shí)用新型有其自身的獨(dú)特風(fēng)格，演奏時(shí)，音型的選擇，力度的選擇，甚至對(duì)每一個(gè)音符的處理等都可以注入演奏者的個(gè)性(特別在輕聲演奏時(shí))，而不必一味追求模擬的形象化。
5、本實(shí)用新型的電源即可由電池供電成為便攜式產(chǎn)品，適宜于自?shī)首詷?lè)，亦可根據(jù)需要外接電源。如果外接信號(hào)輸出，還可參與伴奏或獨(dú)奏。
6、由前述分頻器和音色波形時(shí)序疊加原理說(shuō)明分頻系數(shù)的改變將實(shí)現(xiàn)音調(diào)的改變，若分頻系數(shù)以2的倍數(shù)改變，將獲得低8度或高8度的演奏，以便擴(kuò)展音域。
7、本實(shí)用新型采用單個(gè)音階按鍵適度位移即可覆蓋三個(gè)以上8度音域，基波音高頻率自動(dòng)生成而且精度較高。
圖3所示為本實(shí)用新型實(shí)施例的組裝結(jié)構(gòu)示意圖，圖中1、外殼 2、印制板3、揚(yáng)聲器(Y0) 4、共鳴腔5、電池盒6、外接吹氣管接口7、內(nèi)吹氣管8、駐極話筒(S) 9、話筒支架10彈簧 11、彈簧片12、磁鐵(T1) 13、霍爾傳感器 14、音階簧片15、按鍵16、磁鐵(T2)如圖3所示，外殼1內(nèi)的印制板2上裝配著電子線路，電源由電池盒5提供，揚(yáng)聲器(Y0)3安裝在共鳴腔4內(nèi)。駐極話筒(S)9安裝在話筒支架8上，其涂黑部分露出外殼的外表面，敲擊該部位將發(fā)生擊奏音型；通過(guò)外殼上的外接吹氣管接上6內(nèi)吹氣管7及駐極話筒(S)8可獲得吹奏音型，彈簧片11上固定著磁鐵(T2)16，其上為霍爾傳感器13，彈簧片11與彈簧10連為一體固定，其上涂黑部分露出外殼的外表面，撥動(dòng)該部位將獲得撥奏音型。撥動(dòng)按鍵15，可使音階簧片14上的磁鐵(T1)在兩個(gè)霍爾傳感器13之間移動(dòng)，從而控制音階。
本實(shí)用新型實(shí)施時(shí)，主要電子元器件型號(hào)IC21、IC22、IC31采用線性霍爾元件3501型；K1采用光電耦合器4N25型；IC27采用十分頻計(jì)數(shù)時(shí)序分配集成電路4017型；IC1，IC2，…ICN及IC23，IC24均采用集成電路358型；IC37末級(jí)功率放大器采用2822型；阻容元件及其電位器等均采用小型通用型；L1電感的選用，電感量約1～2H，Q值為6～10。
權(quán)利要求1.一種電子鳴奏器，其特征在于音階控制是由位移傳感器及放大器構(gòu)成的電平轉(zhuǎn)換電路(IC21～I(xiàn)C24)確定多級(jí)電壓比較器(IC1～I(xiàn)CN)的工作狀態(tài)，經(jīng)脈沖形成電路(IC25、IC26、BG1)生成與音階頻率相應(yīng)的脈沖信號(hào)，再經(jīng)分頻器(IC27)和音色波形模擬電路(R41～R46)輸至光電隔離音強(qiáng)控制電路(K1)；撥奏強(qiáng)度控制電路(IC31)和吹奏強(qiáng)度控制電路(S、R51)輸出信號(hào)經(jīng)交流放大器(IC32、IC33)和倍壓整流電路(D21、D22)輸至光電隔離音強(qiáng)控制電路(K1)；光電隔離音強(qiáng)控制電路(K1)的輸出信號(hào)經(jīng)音色濾波器(R73、L1、C28)及功率放大器(IC37)至揚(yáng)聲器(Y0)輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的電子鳴奏器，其特征在于所述的位移傳感器(IC21、IC22)采用線性霍爾傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的電子鳴奏器，其特征在于所述的光電隔離音強(qiáng)控制電路的光電耦合器(K1)的轉(zhuǎn)移特性設(shè)定在線性工作區(qū)。
4.如權(quán)利要求1所述的電子鳴奏器，其特征在于音色波形模擬電路(R41～R46)的信號(hào)是經(jīng)放大器電路(IC28)后輸至光電隔離音強(qiáng)控制電路(K1)的。
5.如權(quán)利要求1所述的電子鳴奏器，其特征在揚(yáng)聲器(Y0)附設(shè)有共鳴腔。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型提供一種自?shī)首詷?lè)式演奏或伴奏用的電子鳴奏器,其主要由電平轉(zhuǎn)換電路、多級(jí)電壓比較器電路、脈沖形成電路、分頻器及音色波形模擬電路、光電隔離音強(qiáng)控制電路、撥奏強(qiáng)度控制電路和吹奏強(qiáng)度控制電路、以及放大器電路所構(gòu)成,能用撥奏、吹奏方式形成多種特色音型和音色,同時(shí)單個(gè)音階按鍵即可覆蓋三個(gè)以上8度音域,音階基波頻率自動(dòng)生成,且精度較高;本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,制作成本低,且簡(jiǎn)便易學(xué)。
文檔編號(hào)G10H5/00GK2419661SQ0020908
公開(kāi)日2001年2月14日 申請(qǐng)日期2000年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2000年4月12日
發(fā)明者周洪璋, 周昆, 周金, 周濱, 周桐 申請(qǐng)人:周洪璋