技术领域本发明涉及一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器。
背景技术：
音乐是人类情感的一种最佳表达方式，是触摸自己灵魂的一个载体。音乐从远古以来，音乐具有无法替代的魅力，不论是流传至今的古典音乐或是当今的音乐大师，无不被世人崇拜、敬仰。但受乐理和演奏技巧及自身条件的限制，使得大部分的世人被屏蔽在了音乐人之外，根本无法参与音乐的演奏及制作，只能用耳朵感受喇叭播放的音乐，也就是只有听的资格。为了能够使大部分音乐爱好者，经过几天的训练就能快速的演奏起来，我们将电子技术和当今的电子音色库有机的结合起来，利用移动终端的播放功能，使音乐爱好者可以在任何场所都可以方便、灵活的学习、演奏和欣赏乐曲。带上耳机又不会影响任何人，更不会像传统乐器的初学者那样害怕影响他人而无法尽情练习，或由于技能不到位而担心他人讥笑。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种实现了乐器的小型化，便于携带，能在手掌上演奏，有振动提醒功能，使学习者感知正确的按键，有利于练习和演奏的微感掌上乐器。为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器，包括微感琴体和微感琴弓，所述微感琴体上设置有第一组按键，所述第一组按键下方连接有第一组微型振动马达，所述微感琴体内还设置有第一微处理器、第一陀螺仪传感器、蓝牙模块和第一RF射频模块，所述第一微处理器分别与第一组按键、第一组微型振动马达、第一陀螺仪传感器、蓝牙模块和第一RF射频模块连接，所述微感琴弓上设置有第二组按键，所述第二组按键下方连接有第二组微型振动马达，所述微感琴弓内还设置有第二微处理器、第二陀螺仪传感器、压力传感器和第二RF射频模块，所述第二微处理器分别与第二组按键、第二组微型振动马达、第二陀螺仪传感器、压力传感器和第二RF射频模块连接，所述微感琴体和微感琴弓通过第一RF射频模块和第二RF射频模块无线连接。作为优选，模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的演奏方法，包括以下步骤：1)把位的确定，在垂直方向：使用第一陀螺仪传感器检测微感琴体的移动数据，以肘关节为轴心，当第一陀螺仪传感器绕Y轴转动产生角位移，根据位移的步长确定把位，并分成若干区域，第一微处理器实时判断微感琴体所在的把位区域，这时手指按下第一组按键就产生与把位对应的键值，作为计算音高的基础数据；2)弦位的确定，在水平方向：使用第一陀螺仪传感器检测微感琴体的移动数据，以肘关节为轴心，微感琴体绕Z轴转动时而给出的不同角位移，根据位移步长划分琴弦位置，并分为若干区域，第一微处理器判断微感琴体的具体弦位区域，当手指按下第一组按键就产生与弦位对应的键值，作为计算音高的基础数据。3)颤音的确定：以肘关节为轴心，微感琴体绕X轴转动给出的循环往复角位移，通过测定第一陀螺仪的转动频率和周期，作为模拟弓弦类乐器的颤音数据，传输到第一微处理器中作为演奏参数；4)滑音的确定：微感琴体演奏时以小手臂的关节为轴心，绕Y轴转动，即垂直方向用来确定不同的把位。而滑音也是绕Y轴转动，区别是先按下第一组按键再移动即为滑音。如果第一组按键没有按下，移动乐器只是寻找相应的把位区域，并没有产生实际的演奏数据。当按下第一组按键并绕Y轴转动，第一微处理器采集微感琴体位置，作为滑音的起点，在此处的音高就是滑音的开始。当微感琴体绕Y轴移动结束时，根据移动的角度大小由软件确定滑音结束时的音高，这样从滑音的起点开始，实时传输第一陀螺仪传感器产生的滑音位移数据，上滑、下滑和滑动范围，通过软件算法确定滑音的幅度，直到滑音结束，得到终止时的音高，完成了从起点到终点的滑音演奏过程。5)微感振动的提醒方法：微感琴体上设置有第一组按键(机械式按键或触摸屏式按键)，第一组按键分布在微感琴体表面，当按键采用机械式按键时，微型振动马达位于按键的下方，需要提醒时，由微处理器根据练习的乐谱MIDI数据，给出要按下的是哪个键，并对应微型振动马达产生振动提醒，由于练习时手指轻轻贴在按键上，能够感知哪个手指在振动，并及时触动该按键，达到练习的目的；当按键采用触摸屏式按键时，微型振动马达位于微感琴体背面，靠近手指根部的手掌区域，而不在触摸屏的下方，需要提醒时，由微处理器根据练习的乐谱MIDI数据，给出要按下的是哪个键，并对应微型振动马达产生振动提醒，而马达的振动部位贴近手指根部，能够感知振动对应的是哪个手指，并及时触动触摸屏上相应的区域，以此达到练习的目的。6)模拟弓弦类乐器的运弓方法：演奏时一只手戴着微感琴体，另一只手拿着微感琴弓，微感琴体通过第一RF射频模块，与微感琴弓第二RF射频模块通讯，将微感琴弓产生的数据实时传输到微感琴体之中，并汇同微感琴体自身产生的数据一并传输到移动设备端，由移动设备端的应用程序解析、修饰最终播放，微感琴弓按运弓模式移动产生乐音；模拟二胡的运弓，按第二陀螺仪传感器移动轨迹分为上、下两个区域作为里弦和外弦的区分标志，判断里外弦的标准：微感琴弓在初始化时，定义起点的位置作为分界面，以此分界面为基础沿垂直方向向上移动为外弦区域，向下移动为里弦区域，通过控制手上微感琴弓在各自的区域内水平往复移动即作为拉动琴弦的动作，即实现了模拟二胡的琴弓的拉动过程；模拟小提琴的运弓，通过采集第二陀螺仪传感器在空间的位移轨迹范围即可模拟微感琴弓拉琴的动作，以平拿微感琴弓，以肘关节为轴使微感琴弓水平移动，这时微感琴弓往复移动即定义为拉动D弦的动作；当手拿微感琴弓沿肘关节向逆时针旋转大约45度(与水平方向夹角)，并保持这个倾斜角度，这时微感琴弓往复移动即定义为拉动G弦的动作；当手拿微感琴弓沿肘关节向顺时针旋转约45度(与水平方向夹角)，并保持这个倾斜角度，这时的微感琴弓往复移动即定义为拉动A弦的动作；当手拿微感琴弓沿肘关节向顺时针旋转90度(与水平方向夹角)，并保持这个角度，这时的微感琴弓移动即定义为拉动E弦的动作。作为优选，模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的软件算法，包括：把位的模拟算法：BW＝120°/Scz其中，BW-微感乐器的把位总数目，即在垂直方向上(绕Y轴转动)可划分出的把位；Scz-每个微感乐器的把位所占据的垂直方向的角度；弦位的模拟算法：QX＝120°/Ssp其中，QX-微感乐器弦位的总个数，即在水平方向上(绕Z轴转动)可划分出的弦位；Ssp-每个微感乐器琴弦所占据的水平方向的角度；模拟弓弦乐器的颤音算法：F＝1000/T其中，T-颤音周期，单位毫秒，由演奏时根据陀螺仪角度的周期变化来测定；F-颤音的频率，即每秒往复颤动的次数；模拟弓弦乐器的滑音算法：Fh＝Fb+Lbh*(Fb-Fa)/Lab微感琴体上的按键，根据手指的大小划分为4个按键位置，分别是a、b、c和d键，Fh为h点的音高频率，Fa和Fb分别为第一组按键的相邻两个按键a键和b键的音高频率，Lab为第一组按键相邻两个按键a和b键之间的角度；Lbh为手指从b键滑动到h点的位移角度。本发明的有益效果为：可以模拟了一般弓弦类乐器的自然演奏模式，左手的手掌上戴着微感琴体，右手的手指拿着微感琴弓，模拟了正常乐器的演奏模式，实现乐器小型化，方便携带，便于练习；采用第一陀螺仪传感器，通过测定微感琴体三维角位移来划分琴弦的把位和弦位，并通过算法模拟颤音、滑音、以及采用通过第二陀螺仪传感器测定微感琴弓的拉弦动作，在三维空间的不同的位置产生不同的乐音，以达到模拟演奏乐器的效果；通过蓝牙模块与手机、iPAD、平板电脑、笔记本电脑和台式机中的蓝牙通讯，传递演奏信息，并在这些移动设备中实时乐音播放；在学习特定乐曲时由MIDI程序给出提醒音符，使学习者感知到应按哪个键才是正确的，有利于初学练习。附图说明图1为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的结构图。图2为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的三维移动示意图。图3为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的角位移划分把位示意图。图4为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的角位移划分琴弦示意图。图5为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的产生颤音示意图。图6为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的颤动参数采集示意图。图7为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的演奏滑音示意图。图8为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的作为二胡演奏示意图。图9为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的作为小提琴演奏示意图。图10为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的微感琴体原理图.图11为本发明一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的微感琴弓原理图。具体实施方式如图1所示，一种模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器，包括微感琴体1和微感琴弓2，所述微感琴体1上设置有第一组按键3，所述第一组按键3下方连接有第一组微型振动马达，所述微感琴体内还设置有第一微处理器、第一陀螺仪传感器、蓝牙模块和第一RF射频模块，所述第一微处理器分别与第一组按键、第一组微型振动马达、第一陀螺仪传感器、蓝牙模块和第一RF射频模块连接，所述微感琴弓2上设置有第二组按键4，所述第二组按键4下方连接有第二组微型振动马达，所述微感琴弓2内还设置有第二微处理器、第二陀螺仪传感器、压力传感器和第二RF射频模块，所述第二微处理器分别与第二组按键、第二组微型振动马达、第二陀螺仪传感器、压力传感器和第二RF射频模块连接，所述微感琴体1和微感琴弓2通过第一RF射频模块和第二RF模块无线连接。如图2所示，在使用时，为扩展微感乐器的演奏音域，采用空间位移法来扩大音域范围。利用第一陀螺仪传感器具有的角位移检测功能，将微感琴体1的位移轨迹划分成若干等分，形成由第一陀螺仪传感器来确定的多个把位、多个弦位、颤音和滑音演奏技巧。随着手掌沿肘关节为轴心的上下、左右和自传，完成乐器的音域扩展。理论上本乐器的按键可扩展到三维空间，形成多种演奏方法。其中绕X轴转动来描述颤音程度，绕Y轴转动来划分把位，绕Z轴转动来划分不同琴弦。模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的演奏方法，包括以下步骤：1)如图3所示，把位的确定(垂直方向)：使用第一陀螺仪传感器检测微感琴体的角移动数据，以肘关节为轴心，当第一陀螺仪传感器绕Y轴转动产生角位移，根据位移的步长确定把位，并分成若干区域，第一微处理器实时判断微感琴体所在的把位区域，这时手指按下第一组按键就产生与把位对应的键值，作为计算音高的基础数据；2)如图4所示，弦位的确定(水平方向)：使用第一陀螺仪传感器检测微感琴体的角移动数据，以肘关节为轴心，微感琴体绕Z轴转动时而给出的不同角位移，根据位移步长划分琴弦位置，并分为若干区域，第一微处理器判断微感琴体的具体弦位区域，当手指按下第一组按键就产生与弦位对应的键值，作为计算音高的基础数据；3)如图5所示，颤音的确定：以肘关节为轴心，微感琴体绕X轴转动给出的循环往复角位移数据，通过测定第一陀螺仪的转动频率和周期，作为模拟弓弦类乐器的颤音数据，传输到第一微处理器中作为演奏参数；4)滑音的确定：微感琴体演奏时以小手臂的关节为轴心，绕Y轴转动(即垂直方向)用来确定不同的把位，而滑音也是绕Y轴转动，区别是先按下第一组按键再移动即为滑音，如果第一组按键没有按下，移动乐器只是寻找相应的把位区域，并没有产生实际的演奏数据，当按下第一组按键并绕Y轴转动，第一微处理器采集微感琴体位置，作为滑音的起点，在此处的音高就是滑音的开始，当微感琴体绕Y轴移动结束时，根据移动的角度大小由软件确定滑音结束时的音高，这样从滑音的起点开始，实时传输第一陀螺仪传感器产生的滑音位移数据(上滑、下滑和滑动范围)，通过软件算法确定滑音的幅度，直到滑音结束，得到终止时的音高，完成了从起点到终点的滑音演奏过程；在使用时，在每个手指第一组按键下面连接第一组微型振动马达和发光二极管，在学习特定乐曲时由第一微处理器软件程序给出提醒音高(微振动提醒)和发光二极管给出空间把位提醒，使学习者感知到应按的按键和空间的把位，有利于初学练习。采用蓝牙模块，将演奏数据发送到带有蓝牙功能的移动设备或电脑设备中.在这些设备上运行演奏数据处理程序，并根据软件算法进行音效调整，将演奏数据按相应的音频播放出来，模拟了弓弦类乐器的演奏效果。5)微感振动的提醒方法：微感琴体上设置有第一组按键(机械式按键或触摸屏式按键)，第一组按键位于微感琴体的表面，当按键采用机械式按键时，微型振动马达位于按键的下方，需要提醒时，由微处理器根据练习的乐谱MIDI数据，给出要按下的是哪个键，并对应微型振动马达产生振动提醒，由于练习时手指轻轻贴在按键上，能够感知哪个手指在振动，并及时触动该按键，达到练习的目的；当按键采用触摸屏式按键时，微型振动马达位于微感琴体背面，靠近手指根部的手掌区域，而不在触摸屏的下方，需要提醒时，由微处理器根据练习的乐谱MIDI数据，给出要按下的是哪个键，并对应微型振动马达产生振动提醒，而马达的振动部位贴近手指根部，能够感知振动对应的是哪个手指，并及时触动触摸屏上相应的区域，以此达到练习的目的。6)模拟弓弦类乐器的运弓方法：演奏时一只手戴着微感琴体，另一只手拿着微感琴弓，微感琴体通过第一RF射频模块，与微感琴弓第二RF射频模块通讯，将微感琴弓产生的数据实时传输到微感琴体之中，并汇同微感琴体自身产生的数据一并传输到移动设备端，由移动设备端的应用程序解析、修饰最终播放，微感琴弓按运弓模式移动产生乐音；如图8所示，模拟二胡的运弓，按第二陀螺仪传感器移动轨迹分为上、下两个区域作为里弦和外弦的区分标志，判断里外弦的标准：微感琴弓在初始化时，定义起点的位置作为分界面，以此分界面为基础沿垂直方向向上移动为外弦区域，向下移动为里弦区域，通过控制手上微感琴弓在各自的区域内水平往复移动即作为拉动琴弦的动作，即实现了模拟二胡的微感琴弓的拉动过程；如图9所示，模拟小提琴的运弓，通过采集第二陀螺仪传感器在空间的位移轨迹范围即可模拟微感琴弓拉琴的动作，以平拿微感琴弓，以肘关节为轴使微感琴弓水平移动，这时微感琴弓往复移动即定义为拉动D弦的动作；当手拿微感琴弓沿肘关节向逆时针旋转45度(与水平方向夹角)，并保持倾斜角度，这时微感琴弓往复移动即定义为拉动G弦的动作；当手拿微感琴弓沿肘关节向顺时针旋转45度(与水平方向夹角)，并保持这个倾斜角度，这时的微感琴弓往复移动即定义为拉动A弦的动作；当手拿微感琴弓沿肘关节向顺时针旋转90度(与水平方向夹角)，并保持这个角度，这时的微感琴弓移动即定义为拉动E弦的动作。模拟弓弦类乐器的微感掌上乐器的软件算法，包括：把位的模拟算法：BW＝120°/Scz其中，BW-微感乐器的把位总数目，即在垂直方向(绕Y轴转动)上可划分出的把位；Scz-每个微感乐器的把位所占据的垂直方向的角度；把位的顺序，至上而下排列，按上下120度范围，每个把位占15--20度，最多可定义为6-8个把位。每个把位按手指顺序可产生4个乐音，第一把位空弦占一个乐音。其它把位，基本按手指动作能发出4个乐音，当手指移动到下一个把位时，又可产生4个新的乐音。以此类推，将不同把位联系起来，自上而下就能在空间上形成连续的不同乐音，实际上微感乐器是数字发生器，仅输入演奏时的按键数据、把位数据、弦位数据和演奏技巧数据等，当这些数据传送到移动设备端，并通过演奏算法及音色的修饰，最终形成不同的乐音效果，然后再通过播放器播放。弦位的模拟算法：QX＝120°/Ssp其中，QX-微感乐器弦位的总个数，即在水平方向(绕Z轴转动)上可划分出的弦位；Ssp-每个微感乐器琴弦所占据的水平方向的角度；琴弦的顺序，自左到右排列，按左右120度范围，每个弦占10-15度，最多可定义为12根琴弦。每根琴弦可根据模拟不同的乐器定义，二胡只需两根琴弦。手掌左右移动即可区分不同的琴弦，给演奏带来很大的方便。以此类推，可根据具体的乐器类型来选择不同的琴弦。模拟弓弦乐器的颤音算法：F＝1000/T其中，T-颤音周期，单位毫秒，由演奏时根据陀螺仪角度的周期变化来测定；F-颤音的频率，即每秒往复颤动的次数；如图6所示，当演奏时,由于微感琴体戴在手上可随着掌心摆动产生颤音信号,丰富了演奏效果。在掌心沿X轴往复摆动且手指按下某个音键的时候，产生颤音动作。此时采集X轴角度摆动的频率即是颤音的频率，反映了颤音的疏密程度。为避免误判，且保证有效捕获颤音特性，X轴角度曲线读取2个周期为颤音起始动作时间，此后连续测定周期数据，直到颤音停止。模拟弓弦乐器的滑音算法：在微感琴体上有4个按键，按把位的不同代表不同的音高，依次设为a、b、c和d键并按音高逐渐增加，设相邻两个琴键a键和b键的音高频率分别为Fa，Fb，且a键到b键的角位移为Lab，当滑音从b点开始滑动落在ab两键之间的h点时,其角位移为Lbh，则h点频率Fh的计算公式为：Fh＝Fb+Lbh*(Fb-Fa)/Lab如图7所示，通常情况下，Fa、Fb和Lab是已知的(由微感掌上乐器设定)，只有Lbh随演奏过程而逐渐变化，并实时通过数据采集而得到。演奏时，当按下b键的手指向上滑动时，每移动一个微小的步距，都由陀螺仪传感器测定，并由微处理器采样得到实时的位移Lbh，再由式(4)计算得到相应的频率Fh，只是要注意角位移移动的方向，如果由b点向上滑动，则位移采集后为负数，若由b点向下滑动，则采集的位移量为正数，即向上滑动为负，向下滑动为正，并通过采样来确定，这样就遵循了按键的音高频率自上而下越来越高的特点。绕Y轴转动用来确定不同的把位。而滑音也是绕Y轴转动，区别是先按下第一组按键3再移动即为滑音。如果没有按键按下，移动乐器只是寻找相应的把位区域，并没有产生实际的演奏数据。当按下第一组按键3并绕Y轴转动并有数据输出，即定义为滑音的起点，在此处的音高就是滑音的开始。当绕Y轴移动结束时，根据移动的角度大小由软件确定滑音结束时的音高，这样从滑音的起点开始，实时传输陀螺仪产生的滑音位移数据，通过软件算法确定滑音的幅度和音效，直到滑音结束，得到终止时的音高，完成了从起点到终点的滑音演奏。滑音有上滑音和下滑音，都是根据角位移变化的方向来定。如果定义向下位移为正，则向上位移为负值。演奏时根据数据的变化会自然得到区别。如图10所示，微感琴体工作原理：首先第一微处理器通过蓝牙模块与外部移动设备无线通讯，外部移动设备端装有APP应用程序，用来确定微感掌上乐器练习或演奏的乐器类型(二胡、小提琴、中提琴等)；再选定练习或演奏乐曲的乐谱的数字化接口文件(一般是MIDI格式)，通过蓝牙模块发送到第一微处理器以备练习或演奏时使用；再由第一微处理器中的第一RF射频模块与第二微处理器中的第二RF射频模块通讯将乐谱数据发送到微感琴弓中以备模拟运弓动作时使用。练习或演奏阶段：第一微处理器按着准备阶段由蓝牙模块送来的乐谱MIDI文件，解释成要练习或演奏乐曲的单个音高，依次驱动第一组微型振动马达提醒演奏人员应该按下第一组按键的哪一个；当有第一组按键被手指按下，第一微处理器采集第一组按键数据，再通过第一陀螺仪传感器的移动轨迹判断本乐器所在的把位和弦位，从而确定按下的第一组按键的音高；同时，也由第一微处理器采集来自第一RF射频模块的数据，也就是第一RF射频模块要与第二RF射频模块无线连接，接收微感琴弓发来的数据，代表着模拟乐器的运弓动作状态。只有微感琴弓有移动的运弓动作输出，第一微处理器才确认刚刚按下的第一组按键是否有效，这样，第一微处理器汇总各路器件接收的实时数据，根据算法确定演奏涉及的各类参数，实时通过蓝牙模块发送到移动设备端，由APP应用程序解释、赋值音色、修饰演奏参数，再由播放器播放。如图11所示，微感琴弓工作原理：由第二微处理器通过第二RF射频模块接收微感琴体发来的乐曲数字化乐谱数据(MIDI格式)，并由第二微处理器分离出对运弓动作有指导的数字化信息，以备工作时使用；水平拿好微感琴弓通过长按压力传感器启动设备的初始化，同时采集第二陀螺仪传感器的角位移作为原点信息。练习或演奏阶段：由第二微处理器根据已知的数字化乐谱数据，确定要拉动的是哪根琴弦，通过第二组微型振动马达给出振动提醒(二胡类乐器只有里弦和外弦，第二组微型振动马达有4个，两个分别代表里弦和外弦，另外两个不用；而小提琴类乐器有4根弦，第二组微型振动马达刚好分别代表G弦、D弦、A弦和E弦)，使练习者根据振动马达的提醒在规定的区域内运弓；在运弓过程中第二微处理器要实时采集被演奏者按压的压力传感器的数据，作为演奏音量的大小的依据；在运弓过程中第二微处理器还要实时采集第二陀螺仪传感器给出的位移轨迹数据，用以判断微感琴弓的位移轨迹区域并确定在拉动哪根琴弦；汇总各部件的演奏数据，通过软件计算和逻辑判断确定演奏参数，再由第二RF射频模块无线发送到第一RF射频模块中，由微感琴体的第一微处理器接收，作为实时演奏参数一并处理。本发明的有益效果为：可以模拟一般弓弦类乐器的自然演奏模式，左手的手掌上戴着微感琴体，右手的手指拿着微感琴弓，模拟了正常乐器的演奏模式，实现乐器小型化，方便携带，便于练习；采用陀螺仪传感器，通过测定转角位移来划分微感琴体的把位和不同弦位，并通过算法模拟颤音、滑音及微感琴弓的拉弦动作，在三维轨迹的不同位置产生不同的乐音，以达到模拟演奏乐器的效果；通过蓝牙模块与手机、iPAD、平板电脑、笔记本电脑和台式机中的蓝牙通讯，传递演奏信息，并在这些设备中实时乐音播放；采用MIDI协议，手机APP应用程序经过不同的音色选择来实现多种乐器的演奏效果；在每个手指按键下面连接微型振动马达，在学习特定乐曲时由MIDI程序给出提醒音符，使学习者感知到应按哪个键才是正确的，有利于初学练习。以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。