专利名称：电子鸣奏器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电子音乐技术，具体而言，是一种运用磁敏、光电耦合器、驻极话筒等传感器的特殊应用方法实现用常规的拨奏、吹奏方式来控制声音大小及音形，并由单个音键适度的位移控制音高；借助于电子电路使输出波形与常规乐器的输出波形相似的新型电子鸣奏器。
常规管乐器(如笛、萨克斯)均采用多按键(或孔)组合控制音高；常规弹拨乐器(如琵琶、吉他)，采用多根弦倒把来确定音高；常规的电子琴多为键盘式，按下不同位置键，确定音高，这类乐器由于演奏技巧性要求较高，因而通常都需要经过专业培训。
现有的电子乐器，例如电子琴模拟常规乐器的音色一直不很理想，只能形似而不能神似，模拟管乐器的音色只能在某一频段上效果尚可，在整个键盘面不能做到统一。
本实用新型的目的是提供一种音高能简便控制，吹奏、拨奏可随机选择，音色模拟回归自然的电子鸣奏器。
图1、本实用新型原理方框图图2、本实用新型电原理图图3、本实用新型结构示意图为叙述简便，现以普及型管乐电子鸣奏器为例，并结合附图来说明本实用新型的目的是如何实现的。
现结合
图1所示的原理方框图来对本实用新型的工作原理作一说明1、电平变换电路是利用位移传感器的音阶按键带动磁铁相对运动产生距离变化，使线性霍尔传感器输出转换为相应不同的电压值，并经放大后产生电压摆幅。
2、多级电压比较器的各级阀值分别设定在由低至高的多级分压值上，与来自上述电路输出的电压进行比较，从而获得特定的多级比较器工作状态(例如有3路比较器输出为高电平，其余均为输出低电平)。
当音阶按键上下移动时，线性霍尔传感器的输出电压随之变低或变高，多级比较器输出高电平的级数随之减1或加1(例如由3路变为2路或4路比较器输出为高电平，其余均为输出低电平)。
3、脉冲形成电路接成电容充电式频率变换电路，其特点在于充电电流的大小与前述多级比较器输出为高电平的数量相关，因而脉冲频率是阶跃式的逐级变化，其各级音阶的音准在确定音调及分频系数的条件下按十二平均律对照表所对应的音名确定各级的频率，并由相应电位器分别进行调整。
4、分频器电路采用循环计数分配的方式，分频系数依据基波与各高次谐波的比例(即音色)要求而定。
本实用新型的普及型分频系数设定为6。
5、音色波形模拟电路是将时序和幅度不同的动态信号叠加成与常规乐器的输出波形相似的波形。
6、拨奏强度控制电路采用线性霍尔传感器，借助于安装在拨动簧片上的磁铁的振动，使线性霍尔传感器产生与磁铁振幅相应的交流信号，(即与拨奏力度相关)。
吹奏强度控制电路采用驻极话筒，借助于相连接的吹气管中吹气气流的强弱产生相应的信号(即与吹奏力度相关)。
两路信号叠加放大，再经倍压整流电路将上述放大信号转换为低频或直流包络信号，同时实现拨奏和吹奏的两种演奏方式，而且拨奏和吹奏可任意选择，而无需转换开关。
由以上叙述可以看出音高、音色波形与音强控制(拨奏或吹奏)电路是分别独立的两路隔离通道，这两路信号可同时输至光电隔离音强控制电路。
7、光电隔离音强控制电路，实际上是光电耦合器电路，其特点在于光电耦合器工作在转移特性的线性工作区，即音色波形通过与否以及大小均受控于光电耦合器中的发光二极管工作状态，这样不难理解，只需将常规的吹奏或拨奏音形转换为电压或电流信号即能控制音色波型渡越的大小，从而控制声音的强弱。
8、音色滤波器是为了对来自音色波形通道的信号进行二次模拟，旨在滤除高次谐波的干扰，使基波与各次谐波的比例适度，音色纯正。
9、功率放大器采用普及型小功率功放集成电路和椭圆形扬声器，其中扬声器附设了共鸣腔；共鸣腔的几何尺寸，材料及其厚度设计合理将会增加乐曲的明亮度，使声音更丰满。
图2所示为本实用新型电原理图，现将各部分组成及作用分述如下1、IC21～IC22为线性霍尔传感器，当音阶按键的磁铁T1在其间相对运动时(如图所示意)，传感器将产生电压变化信号。两路信号同时输出至由集成电路IC23，电阻R21～R24组成的减法器电路合成并经由IC24、R25、W21接成的倒相放大器放大，使G点有较大的动态电压范围。其中电位器W21用作增益调节。
2、G点信号输至由集成电路IC1～ICN、电阻R1～RN+1等组成的多级(N级)电压比较器各级的同相输入端，同时由R1～RN+1接成的多级串联分压电路，设置了由低至高的分压值，分别接入多级比较器的反相输入端，使各级比较器的阀值逐级升高。这样，随着G点电压的变化，多级电压比较器各级工作状态随之改变当G点电压最低时，各级均处于低电平输出状态；当G点电压升高至比较器ICN反相输入端Y点的分压值时，ICN输出高电平；逐步提高G点电平，将逐级增加比较器输出高电平的级数；当G点电压最高时，多级比较器各级均输出高电平。
3、由多级电压比较器的各级输出电路二极管D1～DN，电位器W1～WN及由C1、C21、WN+1、R26～R31、IC25～IC26、BG1等组成电容充电式频率变换电路。
电源通过WN+1对电容C1充电，使H点电平逐渐升高；IC25接成比较器电路，其反相端阀值设置在VB电平，当上述充电过程使H点电平高于VB时，IC25输出高电平(I点)，经由R27、R28、C21延迟电路使比较器IC26(阀值设置于VA)随之亦输出高电平，使由晶体管BG1、电阻R30、R31组成的放电电路导通，使电容C1放电并回零，IC25、IC26亦恢复低电平输出。如此周而复始，在H点形成基本等幅度的锯齿波，同时在IC25的输出端I点获得正脉冲信号，脉冲频率与锯齿波频率相同。
锯齿波的斜率和频率取决于充电电流的大小，如前所述当ICN输出高电平时，二极管DN导通，电位器WN与WN+1并联对电容C1充电，使锯齿波斜率变陡，频率升高，同理，逐级增加比较器输出高电平的级数，I点输出脉冲频率将逐级升高，直至最高一级比较器IC1输出高电平，D1导通，W1并联接入时，频率最高。
4、环形时序分配器IC27如接成6分频电路，其6路输出信号由电阻R41～R46构成的音色波形模拟电路，按时序叠加于J点，合成为音色波形的基波信号，旨在模拟常规乐器实际波形。
由IC28、C22、R47～R49接成同相输入放大器电路，其输出端K点获得被放大了的音色波形。
由音色模拟合成的过程可以看出，基波信号的周期应为脉冲(或锯齿波)周期的6倍，对应的频率为原脉冲频率的1/6。
为了符合音乐理论中音阶以十二平均律标定的规定，当确定音调为G调(1=G)，同时确定多级比较器为12级，并不设置半音时，其13级音名分别为D、E、#F、G、A、B、c、d、e、#f、g、a、b。每个音名对应的频率详见十二平均律对照表(参见《电子琴原理、使用与维修》P237，电子工业出版社，1991年版)。
为此，在调试时，对应电原理图中G点电平最低即多级电压比较器均为低电平输出时，调节电位器WN+1，监测基波频率应为73.418HZ，当电压比较器输出高电平的数量加1时，调节电位器WN使基波频率为82.407HZ，这样逐级增加多级电压比较器输出高电平的级数，逐级按十二平均律音名频率对照表调节对应的WN-1电位器……，直至各级均输出高电平时，调节电位器W1使基波频率为246.94HZ。
5、线性霍尔传感器IC31借助拨奏弹簧片上磁铁T2的振动在其输出端L点产生与拨奏力度相应的交流信号；电阻R51和驻极话筒S组成吹气气流强弱的探测电路，在其输出端M点产生与吹奏力度相应的交流信号；两路信号分别经由电容C23、C24，电阻R52、R53合成于N点。
由R54～R58，IC32～IC33、W22等组成两级放大器电路用以同时放大拨奏、吹奏强度信号，其中电位器W22用作增益的调整。
C25～C26、D21、D22、R59接成倍压整流电路，在其输出端Z点转换为相应的低频音强电平，并经由IC34、R60～R62接成的放大器放大，使其输出端P点产生正比于拨奏或吹奏力度的音型包络信号。
6、光电耦合器K1工作在其转移特性小电流线性区，对照电原理图可以看出，如前所述的K点音色波形经光电耦合器在电阻R50上(即F点)形成的波形将受控于该器件右侧发光二极管工作电流的大小；在合理设计R63电阻值(使光电耦合器工作在线性范围)的前提下，即受控于P点音型包络信号。
7、光电耦合器的F点信号经由IC35、R71～R72、C27接成的放大器，在其输出端Q点获得具有负载能力的被放大信号用以驱动音色滤波器电路。
R73～R74、L1、C28等组成音色滤波器电路，使其输出端R点的信号波形与常规乐器的输出波形更形象。
8、由IC36、R75等组成的放大器实现了阻抗匹配和信号放大。
9、分压器R76、C29、W23和末级功率放大器IC37与电容C30～C31以及扬声器Y0组成输出级，其中扬声器Y0附设共鸣腔，使输出音响更丰满。
10、阀值电压VA、VB，由电阻R81～R83、C32～C33组成的电源Ec分压电路确定。
综上所述，本实用新型有如下的特点1、由于采用了高灵敏度的位移电平转换电路，只需窄范围单音阶按键移动即能清晰分辨多级音高，演奏一般乐曲所需的音阶，因而具有简便易学的优点。
2、音准精度是在电路调试过程中，由多个电位器逐级确定的，具有较高的精度和频率稳定性。
3、基波与各次谐波的比例主要依据分频系数和音色波形的技术要求而合成的，与常规电子音乐的音色滤波器的设计思想不同，无需进行分段补偿，使电路简化，有利于降低成本，缩小体积，同时由于扬声器附设了共鸣腔，使音色回归自然。
4、由于采用光电耦合器的隔离方式，音色信号和音型(吹奏或拨奏等)信号是两路分别独立的通道，为演奏带来灵活的扩展性和想象力，例如前述的吹奏音型采用的是驻极话筒声音传感器，设想若敲击连接话筒的簧片将会产生类似于木琴的击奏音型；又如若采用拨奏音型，演奏时其拨奏音型和特有颤音，为管乐音色带来新鲜的感觉。
应该说明，本实用新型描述的音色电路依据音乐理论，只需加大分频系数，即可获得与常规某种乐器相似的波形和音色。事实上，本实用新型有其自身的独特风格，演奏时，音型的选择，力度的选择，甚至对每一个音符的处理等都可以注入演奏者的个性(特别在轻声演奏时)，而不必一味追求模拟的形象化。
5、本实用新型的电源即可由电池供电成为便携式产品，适宜于自娱自乐，亦可根据需要外接电源。如果外接信号输出，还可参与伴奏或独奏。
6、由前述分频器和音色波形时序叠加原理说明分频系数的改变将实现音调的改变，若分频系数以2的倍数改变，将获得低8度或高8度的演奏，以便扩展音域。
7、本实用新型采用单个音阶按键适度位移即可覆盖三个以上8度音域，基波音高频率自动生成而且精度较高。
图3所示为本实用新型实施例的组装结构示意图，图中1、外壳 2、印制板3、扬声器(Y0) 4、共鸣腔5、电池盒6、外接吹气管接口7、内吹气管8、驻极话筒(S) 9、话筒支架10弹簧 11、弹簧片12、磁铁(T1) 13、霍尔传感器 14、音阶簧片15、按键16、磁铁(T2)如图3所示，外壳1内的印制板2上装配着电子线路，电源由电池盒5提供，扬声器(Y0)3安装在共鸣腔4内。驻极话筒(S)9安装在话筒支架8上，其涂黑部分露出外壳的外表面，敲击该部位将发生击奏音型；通过外壳上的外接吹气管接上6内吹气管7及驻极话筒(S)8可获得吹奏音型，弹簧片11上固定着磁铁(T2)16，其上为霍尔传感器13，弹簧片11与弹簧10连为一体固定，其上涂黑部分露出外壳的外表面，拨动该部位将获得拨奏音型。拨动按键15，可使音阶簧片14上的磁铁(T1)在两个霍尔传感器13之间移动，从而控制音阶。
本实用新型实施时，主要电子元器件型号IC21、IC22、IC31采用线性霍尔元件3501型；K1采用光电耦合器4N25型；IC27采用十分频计数时序分配集成电路4017型；IC1，IC2，…ICN及IC23，IC24均采用集成电路358型；IC37末级功率放大器采用2822型；阻容元件及其电位器等均采用小型通用型；L1电感的选用，电感量约1～2H，Q值为6～10。
权利要求1.一种电子鸣奏器，其特征在于音阶控制是由位移传感器及放大器构成的电平转换电路(IC21～IC24)确定多级电压比较器(IC1～ICN)的工作状态，经脉冲形成电路(IC25、IC26、BG1)生成与音阶频率相应的脉冲信号，再经分频器(IC27)和音色波形模拟电路(R41～R46)输至光电隔离音强控制电路(K1)；拨奏强度控制电路(IC31)和吹奏强度控制电路(S、R51)输出信号经交流放大器(IC32、IC33)和倍压整流电路(D21、D22)输至光电隔离音强控制电路(K1)；光电隔离音强控制电路(K1)的输出信号经音色滤波器(R73、L1、C28)及功率放大器(IC37)至扬声器(Y0)输出。
2.如权利要求1所述的电子鸣奏器，其特征在于所述的位移传感器(IC21、IC22)采用线性霍尔传感器。
3.如权利要求1所述的电子鸣奏器，其特征在于所述的光电隔离音强控制电路的光电耦合器(K1)的转移特性设定在线性工作区。
4.如权利要求1所述的电子鸣奏器，其特征在于音色波形模拟电路(R41～R46)的信号是经放大器电路(IC28)后输至光电隔离音强控制电路(K1)的。
5.如权利要求1所述的电子鸣奏器，其特征在扬声器(Y0)附设有共鸣腔。
专利摘要本实用新型提供一种自娱自乐式演奏或伴奏用的电子鸣奏器,其主要由电平转换电路、多级电压比较器电路、脉冲形成电路、分频器及音色波形模拟电路、光电隔离音强控制电路、拨奏强度控制电路和吹奏强度控制电路、以及放大器电路所构成,能用拨奏、吹奏方式形成多种特色音型和音色,同时单个音阶按键即可覆盖三个以上8度音域,音阶基波频率自动生成,且精度较高;本实用新型结构简单,制作成本低,且简便易学。
文档编号G10H5/00GK2419661SQ0020908
公开日2001年2月14日 申请日期2000年4月12日 优先权日2000年4月12日
发明者周洪璋, 周昆, 周金, 周滨, 周桐 申请人:周洪璋