专利名称：一种无源电弦乐器的制作方法
技术领域：
本发明涉及不需要电源供电并可以变换音色的一种无源电弦乐器。
背景技术：
民族拉弦乐器，如二胡、马头琴、胡琴等，西洋弓弦乐器，如小提琴、中提琴、大提琴、贝提琴，拔弦乐器，如木吉它等，利用拉奏时琴弓与琴弦之间摩擦，或拔弦使琴弦发生振动，利用琴腔共鸣现象，发出柔和优美的乐音。如初学者练琴时，会发出难听的声音，即使练到一定的程度，在夜深人静等不适宜场合演奏时也会产生环境噪音。特别是作为乐器音乐教学，产生的声音不仅干扰邻近教室的教学，而且也干扰练琴者对音高的辨别能力。因此，需要一种静音电声弦乐器，即拉奏时，机械振动产生的琴声很弱，用耳机可以听到响亮的演奏琴声。
中国专利公告号ZL00212889.6名称为“多功能电声二胡”，该申请案公开了琴杆上设有用于七档变调的活动千斤组件，多功能电声二胡其特征在于电声设备采用双合音电路，一路为传统音色，另一路加效果器。现有技术中存在的缺陷和不足，在于电声二胡利用传感器将琴弦的振动转变为电信号，其微弱的电信号不足以直接驱动耳机发声，还需要放大电路和功率放大器，使电声二胡成本增加，不如传统二胡携带、使用和维修方便。此外，放大电路和功率放大器都需要电源供电，特别是使用交流电源使演出地点受到限制，失去了传统二胡便于携带和演奏方便的特点，初学者难于掌握使用。也存在一些不安全因素，特别是少年儿童使用时，有发生触电的危险；使用电池时，演奏时需要消耗电能，更换电池带来麻烦，废弃电池也会污染环境。此外，多功能电声二胡的成本不利于中小学乐器音乐教学和家庭娱乐使用，也难于普及。到目前为止，在市场上还未见到不用电源供电就可以利用耳机放音的电声弦乐器。
发明内容
本发明的目的在于改进现有技术没有静音电声弦乐器和有源二胡不安全、消耗电能的缺点，提供利用压电式琴弦振动传感器，将琴弦的机械振动转化为音频电流，直接驱动耳机发声，成为一种不需要电源供电，并具有静音功能的一种无源电弦乐器。本发明所要解决的技术问题是，电声弦乐器不需要电源供电，也就是说必须取消电声弦乐器所需的放大电路和功率放大器，因而也就省去了电源供电问题。随之而产生问题是必须增加传感器将琴弦的振动转变为电信号的强度，以便有足够电功率直接驱动耳机发声。为此，本发明利用输出电压可达300mV的压电式琴弦振动传感器，将琴弦的机械振动转化为音频电流，通过阻抗匹配器提高电能传输效率，并通过音色变换电路中的LC并联谐振回路，提高了谐振电流的强度，使耳机获得20mW电功率，驱动耳机发出响亮的声音，成为一种不需要电源供电，并具有变换音色和静音功能的无源电弦乐器。为实现上述目的，本发明采取以下设计方案本发明由琴体和无源电路两部分组成。无源电路部分由压电式琴弦振动传感器、阻抗匹配器、电路输出组成。压电式琴弦振动传感器由压电陶瓷片、谐振腔、减震胶垫和屏蔽引线组成。阻抗匹配器采用带有初次级绕组的音频变压器。压电陶瓷片固定在谐振腔上，谐振腔粘结在减震胶垫上，使之与琴腔不直接接触，减震胶垫粘结在琴腔内部固定的隔板上，阻抗匹配音频变压器以及连接的压电式琴弦振动传感器引出隔离线和连接导线。
本发明的压电式琴弦振动传感器安装在琴腔内侧隔板上，固定在琴腔内靠近琴码的一端。所述压电式琴弦振动传感器拾取琴弦的振动，利用压电陶瓷片的压电效应产生音频电流；它不仅将琴弦的振动转换为相应的音频电流，而且产生可以直接驱动耳机发声所需的电能，因而不再需要放大器及供电装置，是本发明最主要的特征所在。
阻抗匹配器利用带有初、次级线圈绕组的音频变压器进行阻抗变换，音频变压器的初级线圈两端与压电陶瓷片相连，音频变压器的次级线圈与耳机两端相连。由于压电陶瓷片阻抗10kΩ，当它利用压电效应作为音频电流源时，呈现出高阻抗，也就是说电源内阻高，而耳机为低阻抗32Ω，若压电陶瓷片直接与耳机并联，阻抗不匹配，使得电能传输效率低。也就是说，压电陶瓷片输出的电能大部分消耗在压电陶瓷片内部所呈现的高阻抗上，耳机所得到的电能减少，不能产生出足够的放音音量。本发明利用音频变压器实现阻抗匹配，能使低阻抗的耳机从高阻抗的压电陶瓷片发电器件上得到足够的驱动耳机发声的电流，因此不再需要额外的放大器以及放大器所需的供电装置，成为一种不需要电源的无源电弦乐器，这是本发明的另一个特征。此外，无源电弦乐器可以像传统弦乐器一样，不用电源，具有使用方便的特点。
本发明在电路中增加音色变换器，音色变换器由音频变压器初级线圈、音色变换开关和电容器组成，利用音色变换开关选择不同的电容器选择音色。音色变换器利用作为阻抗匹配器的音频变压器的初级线圈与音色变换的电容器组成并联谐振回路，具有音色带通滤波功能。利用音色变换开关分别接通电容器，由于电容器数值不同，音色带通滤波效果也不同，可以分别产生音色对比鲜明的深沉、圆润和明亮音色。音色变换器利用阻抗匹配器线圈和电容器并联，兼有阻抗匹配和音色变换功能，特别是LC谐振回路产生电流谐振，这种阻抗与音色变换合一的电路增加了输出电流的强度，推动耳机发声可以得到满意的音量，是本发明特征之一。本发明由于阻抗匹配与音色变化电路一体化，简化了电路，降低了成本。
本发明无源电弦乐器利用耳机放音时，既可以满足演奏者监听，又不对外发出声音，具有静音功能。此外，所述耳机插口也可以作为线路信号输出口，输入到扩音机，具有扩音功能。
本无源电弦乐器之所以不用电源供电，其原因有如下三个方面1.压电式琴弦振动传感器采用灵敏度高、线性好的机械能—电能换能器件压电陶瓷片，拾取琴弦的机械振动输出300mV的音频电流，为直接驱动耳机发声创造了内在的条件。压电陶瓷片固定在注塑的谐振腔上，能够使其自由振动，不会减弱压电式琴弦振动传感器输出的音频电流。
2.采用阻抗匹配音频变压器，进行阻抗匹配，使作为高内阻抗的电流源压电陶瓷片输出与低阻抗的耳机负载相匹配，提高音频电流传输效率，使耳机获得20mW电功率，产生出满意的音量。
3.由阻抗匹配音频变压器初级线圈与电容器C1～C3等组成带通滤波音色变换电路，由于其并联谐振特性，能够提高谐振电流的振幅，也是使耳机获得满意音量的原因之一。
此外，电路设计简洁，一些元器件公用，并采用介质损耗小的涤纶电容器，以便减少音频电流输出损耗。
本发明具有的优点1.无源电弦乐器采用在通常演奏力度下输出电压可达300mV的压电式琴弦振动传感器，利用阻抗匹配器提高电能传输效率，并通过音色变换的并联谐振回路，提高谐振电流的强度，使耳机获得20mW电功率，驱动耳机发出清晰可辨的声音，成为一种不需要电源供电的无源电弦乐器。
2.无源电弦乐器没有放大电路和放大器，不用电源供电，具有结构简单，成本低，便于制造，携带使用、维修方便，有利于中小学音乐教学和民族乐器的普及。
3.无源电弦乐器具有静音功能，练习时几乎不发出声音，避免练习者相互干扰或者打扰邻人，适用于音乐电化教室器乐教学、家庭娱乐使用，也可用于专业演出使用。
4.无源电弦乐器具有音色变换功能，可以根据演奏者爱好或者乐曲表现需要，选择所需明亮、圆润和深沉音色，还可以产生模拟立体声效果。
5.无源电弦乐器不使用交流电源或电池，安全和环保。
6.无源电弦乐器中压电式琴弦振动传感器、阻抗匹配器、音色变换器技术可用于胡琴类拉弦乐器，用在高胡、中胡、大胡和低胡上，西洋弓弦乐器，如小提琴、中提琴、大提琴、贝提琴，拔弦乐器，如木吉它等，拨(击)弦乐器，如柳琴、月琴、儿童琵琶、成人琵琶、阮、三弦、古琴(筝)、扬琴等。
7.无源电弦乐器利用线路信号输出可以进行无声的演奏电信号传输，老师进行监听、互动交流、录音和放音，特别适于中小学音乐电化教室使用。
图1为本发明结构示意2为本发明结构示意3为电路原理4为电路原理中减震胶垫1 压电陶瓷片2 琴码3 谐振腔4 琴托5 弦轴6 千斤7 琴弦8 琴杆9 琴弓10 琴腔11 音色变换开关旋钮12附加耳机插口头13 附加耳机14 压电式琴弦振动传感器引出隔离线15琴腔蒙皮16 琴弦固定螺丝17 隔板18 电路板19 电路板固定螺丝20 电容器21 阻抗匹配音频变压器22 音色变换开关23 耳机插口座24 琴腔花窗隔板25 连接导线26 琴腔装饰圆筒2具体实施例方式实施例1本发明由琴体和无源电路两部分组成。琴体为二胡或高胡、中胡、大胡、低胡、小提琴、中提琴、大提琴、贝提琴、木吉它、柳琴、月琴、琵琶、阮、三弦、古琴(筝)、扬琴琴体等。无源电路部分由压电式琴弦振动传感器BZ、阻抗匹配器、电路输出组成。压电式琴弦振动传感器BZ由压电陶瓷片2、谐振腔4、减震胶垫1和屏蔽引线组成。阻抗匹配器采用带有初次级绕组的音频变压器B。压电陶瓷片2固定在谐振腔4上，谐振腔4粘结在减震胶垫1上，使之与上述的琴体的琴腔不直接接触，减震胶垫1粘结在琴腔内部固定的隔板18上，阻抗匹配音频变压器B以及连接的压电式琴弦振动传感器BZ引出隔离线和连接导线。
实施例2如图1所示，本发明由琴体和无源电路两部分组成。琴体为高胡琴体，琴体主要包括有琴杆9、弦轴6、琴弦5、千斤7、琴腔11、琴腔装饰圆筒27、琴腔蒙皮16、琴托5、琴码3和琴弓10。如图3所示，无源电路部分由压电式琴弦振动传感器BZ、阻抗匹配器、音色变换器、电路输出和附加耳机组成。压电式琴弦振动传感器BZ由压电陶瓷片2、谐振腔4、减震胶垫1和屏蔽引线组成。阻抗匹配器采用带有初次级绕组的音频变压器B。音色变换器由阻抗匹配器的初级线圈和并联电容器或至少2个电容器以及音色变换开关组成。此实施例并联3个电容器C1、C2、C3，所述的连接导线接入耳机插口座CZ，音色变换开关为单刀三掷开关S。
在图1中，蒙在琴腔上的琴腔蒙皮16已被揭去，可以看到无源电路部分元器件减震胶垫1、压电陶瓷片2、谐振腔4以及音色变换开关旋钮12和附加耳机14。
图2为图1的A-A剖面图，是无源电路元器件安装示意图。在图2中，琴弦8经过琴码3后，其终端套在琴托5上的琴弦固定螺丝17上，当琴弦被弦轴6拉紧后，琴码3便被紧压在琴腔蒙皮16上。琴腔蒙皮16下面紧挨着的是压电陶瓷片2，因此在拉奏时，琴弦8的振动通过琴码3和琴腔蒙皮16传到压电陶瓷片2上，引起压电陶瓷片2的机械振动。压电陶瓷片2固定在塑料谐振腔4上，由于谐振腔4是空心的，使固定在上面的压电陶瓷片2的振动不受影响。谐振腔4粘结在柔性的减震胶垫1上，使之与与琴腔11不直接接触，由于减震胶垫1对振动的吸收和阻断作用，防止琴腔11发生共鸣作用，才有可能保持拉奏时的静音功能。减震胶垫1粘结在琴腔11内部固定的隔板18上，以防止减震胶垫1的滑脱。电路板19通过电路板固定螺丝20固定在隔板18上，板上有电容器21、阻抗匹配音频变压器22以及连接的压电式琴弦振动传感器引出隔离线15和连接导线26。连接导线26把电路板19与音色变换开关23、耳机插口座24连接起来。在图2中，琴杆9下半截插在琴腔11的固定孔上，琴托5利用琴弦固定螺丝17拧固在琴腔11上面。琴腔装饰圆筒27是琴腔11的延伸部分，琴腔花窗隔板25固定在琴腔装饰圆筒27上。琴腔花窗隔板25上固定有音色变换开关23、耳机插口座24，音色变换开关旋钮12固定在音色变换开关23的圆轴上，附加耳机14的附加耳机插口头13插接在耳机插口座24上。耳机插口座24兼有线路信号输出口的作用，必要时可以对输出的线路信号进行放大，连接扩大器放音。
压电式琴弦振动传感器，即图3中的压电式琴弦振动传感器BZ，由图2中的压电陶瓷片2、谐振腔4、减震胶垫1和压电式琴弦振动传感器引出隔离线15组成。压电式琴弦振动传感器BZ的功能是拾取琴弦8的机械振动，把机械能转变为电能，产生出相应的音频电流变化，并得到一定的电功率能够直接驱动耳机发声。
阻抗匹配器由图3中的阻抗匹配音频变压器B承担，其初级线圈L1两端与阻抗为10kΩ的压电式琴弦振动传感器BZ相连，其次级线圈L2为双绕组，分别与阻抗为2×32Ω的附加耳机14的耳机插口座24相连。阻抗匹配器的作用是把高阻抗的压电式琴弦振动传感器BZ音频电流输出与低阻抗的附加耳机14负载相匹配，提高电流传输效率，使压电式琴弦振动传感器BZ输出驱动耳机发声的功率尽可能得到充分利用，使耳机得到20mW驱动功率，可以得到满意的耳机放音音量。
音色变换器由图3中的阻抗匹配音频变压器B初级线圈L1、电容器C1、C2、C3、单刀三掷开关S组成。当单刀三掷开关S掷在触点S1时，阻抗匹配音频变压器B初级线圈L1与电容器C1相并联，组成并联谐振，形成带通滤波。由于电容器C1的电容量较小，并联谐振频率较高，因而滤波后的音色明亮。同理，当单刀三掷开关S掷在触点S2时，产生圆润音色；当单刀三掷开关S掷在触点S3时，由于电容器C3电容量较大，生深沉音色。当然，该音色变换器电路除与阻抗匹配音频变压器B初级线圈L1、电容器C1、C2、C3参数有关外，还与压电式琴弦振动传感器BZ输出的容抗、匹配音频变压器B初次级线圈的反射阻抗有关。显然，该音色滤波电路无需电源供电，是无源音色滤波电路。
输出电路由图3中的阻抗匹配音频变压器B双绕组次级线圈L2、耳机插口座CZ和图1中的附加耳机1 4的附加耳机插口头13插在图2中的耳机插口座24，也就是图3中的耳机插口座CZ。耳机插口座CZ为立体声耳机插座，其两个触点J1和J2分别与阻抗匹配音频变压器B双绕组次级线圈L2两端相连，其中心头与耳机插口座24公用地端相连。当外接立体声附加耳机14时，由于左右耳机所获得的音频电流相位相反，可以得到模拟立体声的效果，特别是通过耳机插口座24输出的信号接到立体声扩音器时，由于左右两只立体声音箱放音相位相反，由于放音频率不同声波在空气中产生叠加效果也不同，会产生音源定位飘渺不定，模拟出立体声的效果。
通过音色变换器中的单刀三掷开关S可以预制或变换音色，包括有明亮，圆润和深沉三种音色，再加上由于左右耳机所获得的音频电流相位相反，产生模拟立体声的效果，可以改善音色单调和音响效果。
实施例3同实施例2结构不同的是琴体为琵琶琴体，压电陶瓷片与琵琶琴体的弦接触，无源电路与实施例2相同。
实施例4在古琴(筝)、扬琴等多弦的结构，采用至少2个上述的无源电路含有相对应的压电陶瓷片，分别安装在琴体上的琴码下。
权利要求
1.一种无源电弦乐器由琴体和无源电路两部分组成，其特征在于无源电路部分由压电式琴弦振动传感器、阻抗匹配器组成，压电式琴弦振动传感器由压电陶瓷片、谐振腔、减震胶垫和屏蔽引线组成，阻抗匹配器采用带有初次级绕组的音频变压器，压电陶瓷片固定在谐振腔上，谐振腔粘结在减震胶垫上，使之与琴腔不直接接触，减震胶垫粘结在琴腔内部固定的隔板上，阻抗匹配音频变压器以及连接的压电式琴弦振动传感器引出隔离线和连接导线。
2.根据权利要求1所述的一种无源电弦乐器，其特征在于无源电路部分有音色变换器，音色变换器由音频变压器初级线圈连接电容器。
3.根据权利要求1或2所述的一种无源电弦乐器，其特征在于无源电路部分有音色变换器，音色变换器由阻抗匹配器的初级线圈并联至少2个电容器以及音色变换开关连接，阻抗匹配音频变压器的初级线圈两端与压电式琴弦振动传感器相连，阻抗匹配音频变压器初级线圈与电容器相并联。
4.根据权利要求1或2所述的一种无源电弦乐器，其特征在于所述的连接导线与固定在琴腔上的耳机插口座连接。
5.根据权利要求3所述的一种无源电弦乐器，其特征在于所述的连接导线与固定在琴腔上的耳机插口座连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种无源电弦乐器，其特征在于采用至少2个上述的无源电路含有相对应的压电陶瓷片，分别安装在琴体上的琴码下。
7.根据权利要求3所述的一种无源电弦乐器，其特征在于采用至少2个上述的无源电路含有相对应的压电陶瓷片，分别安装在琴体上的琴码下。
全文摘要
本发明公开了一种无源电弦乐器由琴体和无源电路两部分组成。有压电式琴弦振动传感器、阻抗匹配器、音色变换器和附加耳机，有压电陶瓷片、谐振腔、减震胶垫和屏蔽引线，利用压电式琴弦振动传感器拾取琴弦的振动产生音频电流；将琴弦的振动转换为相应的音频电流，产生直接驱动耳机发声所需的电能，不再需要放大器及供电装置，利用阻抗匹配器线圈和电容器并联，兼有阻抗匹配和音色变换功能，推动耳机发声可以得到满意的音色，具有静音功能，避免练琴者打扰邻人，无源电路可用于胡琴类拉弦乐器，可以进行无声的演奏电信号传输，监听、互动交流，适用于音乐电化教室器乐教学、家庭娱乐使用，也可用于专业演出使用。
文档编号G10H3/00GK1555045SQ20031012344
公开日2004年12月15日 申请日期2003年12月29日 优先权日2003年12月29日
发明者孙心若, 王文龙 申请人:孙心若, 王文龙