专利名称：概念钢琴的制作方法
技术领域：
本发明属于乐器制造技术领域，具体涉及到一种新式结构的钢琴，特别涉及到运用现代高科技手段对传统钢琴结构的变革与生产制造业的改造。
背景技术：
钢琴在乐器分类学上属于“击奏弦鸣乐器”，之所以被称为乐器之王，不仅仅因为它的体积硕大，更主要是因为它的构造十分复杂；钢琴是由上万个零部件来组成的，仅作为钢琴心脏的击弦机就约有五千多个零部件，键盘与击弦机构成了一体化键盘机械系统，可将敲击琴键时的敲击力通过键杆传递给击弦机，由击弦机中联动杠杆使弦槌致动击弦而发出声音。
回顾现代钢琴的发展史，从自意大利人克里斯托福里发明第一台钢琴至今已有近300年的历史，现代钢琴的基本结构也早已在19世纪就基本确定。近一百年来，虽然有许许多多关于钢琴的设计发明，对钢琴提出了种种的改进，但这些改进都仅仅是围绕着诸如外观造型或非关键性部件的材料替代上提出的，在钢琴的基本结构上特别是在关键的键盘机械系统的结构、方式与原理上并没有大的改变，因此可以说现代钢琴技术还是传统钢琴技术的一种延续。
现代钢琴在结构上可分为四个系统1、外壳系统——外壳系统的功能主要是安装和保护机件，起稳固连接各系统部件的作用，并具有音箱的功能；在外观上有造型、装饰作用。
2、键盘机械系统——由琴键、联动器、转击器、弦槌、止音器等部件组成的传动系统，这些功能部件以简单的杠杆原理构成了一个结构复杂、相互制约、相互影响的并行执行机系统，是钢琴的动力源；它能将手指对琴键的弹奏力迅速传递为弦槌对弦的击发力；键盘机械的传动性能决定了触感和演奏的灵敏度。
3、踏瓣系统——一组由脚来控制的依附在键盘机械系统上的杠杆系统，2或3个踏瓣可对击弦器上的琴槌位置、击弦点与击弦方式进行微调，分别起改变声音的强弱、共鸣和延音的作用。
4、张弦系统——钢琴的发声体，由木支架、铁支架、音板、琴弦、弦轴板和调音钉、别弦钉、弦码等部件组成；琴弦被琴槌击发后产生振动，振动波由弦码与别弦钉传递至音板，通过音板的谐振产生共鸣而发出洪亮的声音；琴弦组(弦列)的长度、粗细、张力等决定了声音的振动基频及泛音的产生，设置准确、合理的击弦点更是取得优良声学品质的重要保证，在现代的钢琴系统中尽管对击弦点的选取有着巧妙的设计，但是在目标实施上还有着许多不足之处；张弦系统在现代钢琴的整体结构中相对其它系统独立，有着自主的声学设计方法，是人们喜爱的钢琴(钢琴的音色)的根本所在。
从上述对现代钢琴的四个基本系统的简单介绍不难看出由于受结构僵化的键盘机械系统的束缚，使得现代钢琴无论是在声学品质的提高上，还是在操控演奏的灵活性上都很难有进一步提高与改进，以至于使得艺术家们为了追求更高层次的艺术表现、不断地向钢琴制作师提出的要求和钢琴制作师们为能设计做出的性能更好的钢琴所作出的各种努力变得徒劳。
此外由于现代钢琴中的零部件在加个制造上标准宽泛、不严谨，造成了组装调试工艺环节上的落后，组装调试中还要不断的对零部件进行修修补补，使得产品在质量上很难做到统一、一致，依旧属于手工制造模式。史坦威钢琴堪称世界一流，它之所以能成为世界上最优良的品牌钢琴的主要原因其一是选择优良的木材做为制作零部件的材料；其二是他们拥有许多经验丰富的工匠师，虽然在生产加工过程中采用了现代化的加工机械与加工工艺，但在许多木工制作和装配调试环节中仍然要依靠那些富有经验的能工巧匠通过手工方式来制作完成。
还有在钢琴零部件结构中，除了铸铁铁骨、琴弦、轴钉以及螺钉等少数是采用金属材料外，绝大部分的零部件是由木质材料制成的，其中鱼鳞云杉也称白松，用来制作音板、肋木、琴键、键盘架等；槭木也称色木，用来制作击弦机零件、琴码等等，消耗浪费了大量的自然资源，不利于环保。
种种原因表明，由于现代钢琴一直沿用传统的一体化键盘击弦机杠杆结构，导致了现代钢琴制造中的产品性能一致性差、产品质量不统一，装配调试工艺落后、手工为主，产品中科技含量低的落后局面。因此对已有300多年发展史的现代钢琴来说，若不采用新技术、新工艺进行改造就很难有变化创新，满足不了人们对钢琴的艺术追求与消费需求了，这正是本发明的目的所在。
发明内容
本发明的目的是用高新技术手段对现代钢琴在结构上进行优化、改造、整合；其核心是将现代钢琴的一体化键盘击弦机杠杆结构用以电子、计算机控制及计算机网络等高新技术为手段设计的结构简单、操控灵活、装配方便的电子击弦器来取代，设计一种各功能系统相互独立的分体化结构的概念钢琴。
本发明在结构上设计成响板系统、电子击弦器、主控制器和键盘及踏瓣系统四个部分，技术方案如下1、响板系统——这是本发明的发声系统。
弦列对称分布在两面或者多面响板上，见附图2及附图3。
响板外壳在造型设计上可根据响板结构形式的不同进行灵活多样化的设计，如圆形、方形、心形等各种形状，这样可以使钢琴的在外观上被设计成多种形状，见附图4(a)(b)中所例的两款外观设计。
钢琴的声音源于琴弦、音色取决于共振板(音板)结构。现代钢琴共有220多根琴弦，平均每根琴弦的张力平均在100Kg左右，这样琴弦张力的总合约为22,000Kg。为了减少由于琴弦张力的影响，本发明的张弦系统中弦列被对称分布在两面或多面共振板上，使得张力的向心力相互抵消，极大的减小了由于弦张力导致的共振板的形变，稳定了发声系统和共振效果。
在分布各弦列时，充分考虑了弦的振动频率以及弦被激发后振动波通过弦码耦合到共振板上的最佳位置，各弦码放置在共振板的有效谐振区及泛音丰富区中；另外在击弦点设置上，选取能使弦充分振动最佳的波节点，以此追求优良的声响效果和完美的声学品质。
2、电子击弦器——这是本发明的致动系统。
对应于响板系统中的每个弦列设置一个电子击弦器，电子击弦器悬挂在弦列最佳击弦点的前方，安放位置可灵活选择、互不影响，电子击弦器原理框图如附图5所示。
电子击弦器由一个MCU作为控制器，MCU通过接收系统主控机发来的动作命令信息控制电子击弦器中设有的弦槌和止音装置的致动，完成音乐表现时的击弦行为。弦槌的致动是由4个无壳螺管式电磁铁所组成的4联并行击发装置实现的，击发力度(电磁力的强弱)的控制由参数IN(激磁安匝)来决定，采用单电压脉宽调制方式即VPWM调制方式对电流进行控制，实现十六等级以上的连续线性变化的弦槌致动力度；VPWM频率设计为25Hz，可实现最大的击弦频率为每秒25次；弦槌的击弦距离设计为4.5mm。
止音装置的致动也采用电磁致动方式，平时止音器靠机械力(如压簧)使止音装置附着在弦列上，需要抬起的时靠电磁力将其抬起，抬起的时间由MCU中的定时计数器通过时值参数进行控制。
系统中各弦列所对应的电子击弦器是以互连总线形式机联在一起，构成电子击弦器阵列系统，电子击弦器阵列和主控制机联构成本发明的系统主体。
3、主控制器——是本发明的灵魂部件。
由微处理器、点阵液晶显示器、操作键盘和USB接口电路所组成。点阵液晶显示器与操作键盘组成窗口式的管理介面，供人机对话使用；内置有音频软波表播放器，将数字音频信号合成为模拟音频信号。
4、键盘及踏瓣系统——由踏瓣系统控制机、12个不同八度中同名按键的信号采集处理器、钢琴键盘及踏瓣构成。踏瓣系统控制机和12个不同八度中同名按键的信号采集处理器均由微处理器来控制，以总线互连形式机联在一起，构成钢琴键盘及踏瓣系统。见附图6。
踏瓣系统控制机由微处理器、点阵液晶显示器、操作键盘组成；12个不同八度中同名按键的信号采集处理器通过每个琴键与踏瓣上设置的3对红外光电传感器对键盘和踏瓣动作过程进行采集。采集的信号经参数提取转变为音程、力度、时值等数字量。
钢琴键盘的结构尺寸是按原标准钢琴键盘设计，每个按键设置有20g力的机械阻尼机构，以体现在弹奏时的击键感觉。
具体操作如下1.在主控制器的控制下本发明设有两种工作模式①弹奏模式使用者敲击琴键后，琴键的运动过程及状态由键盘及踏瓣系统中按键信号采集电路采集并整理成力度、时值与分属的八度区号三个参数的数字信息，并将该信息通过网络即时的传递给键盘及踏瓣系统控制机，经键盘及踏瓣系统控制机整理成音程、力度、时值参量即时的发送到系统主控机中，由系统主控机将数据发送到电子击弦器阵列系统中，地址与音程相匹配的电子击弦器将会按照力度、时值参数控制琴槌和止音装置的致动，完成一次击弦动作；同时主控制器按照整体节奏，给出节拍参数，将音程、力度、时值与节拍四个参数打包成一个事件(即一次击弦动作)，主控制器可将每次弹奏的全过程中的所有事件进行记录，形成规格化乐曲数据流文件，该文件可在播放模式进行重复播放，或通过USB接口电路将该文件保存到外置的USB存储设备的曲库中，还可将该文件传递给键盘及踏瓣系统控制机中进行编辑、修改。
②播放模式对以规格化形式存储的乐曲数据流文件通过概念钢琴进行自动重复演奏，在此模式下主控制器将规格化乐曲数据流文件中的每个事件分解出来，在主控制器的时序节拍控制下按照音程地址将力度与时值参数发送给电子击弦器阵列中，由相应的电子击弦器完成击弦动作。；在播放节奏即时序节拍上设有7种选择模式，分别为正常、1～3级加快及1～3级减慢模式；在音程(调性)调整上提供7种选择模式，分别为正常1～3级升调及1～3及降调模式。另外还设有播放、暂停/继续、停止等基本控制功能。
在上述两种工作模式中对电子击弦器的琴锤致动力还可进行力度等级选择控制，力度等级分为正常力度、1～3级力度减弱、1～3级力度增强7级模式、方便在训练时与正常演奏时对声音大小进行控制的需要。
2.USB接口电路及功能USB接口电路提供了主控制器与外部USB存储设备的接入介面，可通过USB存储设备(如U盘、移动硬盘等)作为曲库存储器，用来存放以规格化形式保存的乐曲数据流文件。主控制器可通过USB接口电路读取曲库中所存储的乐曲数据流文件，将钢琴音轨上所记录的音乐控制信息(事件)流解析出来，作为电子击弦器的致动控制信息，通过互连总线控制连接在网络上的电子击弦器的致动，实现乐曲数据流文件所记录的钢琴音乐的再现(参见播放模式)。
所谓的音乐控制信息流文件是一种类似于MIDI格式的数字音乐文件，所谓的规格化是将乐曲中的每个音作为一个事件，事件是以音程、力度、时值、节拍4个参数来进行描述的，这样每首乐曲的全部记录点的数据集合就形成乐曲数据流文件；事件中4个参数的具体功能定义如下音程在电子击弦器阵列所对应的弦组中，每个弦组都有一个固定的音高，也就是说在电子击弦器阵列中每个电子击弦器都控制一个音高弦组的击弦致动，从网络角度上来说，每个电子击弦器都具有唯一的一个网络地址，这个网络地址就被表示成音程，本发明中音程的编址是用7位二进制表示的，最多可对应128个弦组。在音程(调性)调整上提供7种选择模式，分别为正常1～3级升调及1～3及降调模式，实现方法是由主控制器对电子击弦器的目标地址进行相应的调整。
力度音乐表现时的击弦力度，本发明同样也采用了7位二进制编码来表示电子击弦器的击弦力度，其中低4位的编码表示正常方式下所产生的50g～3000g之间的十六级的线性击弦力，各级间的力度差大约是180g左右。高3位则以补码的形式表示了在弹奏模式或播放模式中的7级力度增强与力度减弱的变化；其中000为正常、0xx为力度增强、1xx为力度减弱，力度增强与力度减弱的变化信息是通过力度选择，由主控制器在对电子击弦器的控制中叠加的(相当于音量大小控制)。
时值在电子击弦器上的弦槌被致动击弦时，一直吸附在弦组上的止音器将被抬起，以保证弦组的充分振动，时值是表示弦组被击发振动后需要保持的时间，也就是止音器的归位时间，在现代钢琴弹奏时，时值表示琴键从被按下到返回到回程的二分之一处所需要的时间，另外它还与增音踏瓣有关系，在增音踏瓣踏下时所有的止音器全部被打开。本发明采用了1位二进制编码来表示止音器的致动关系，即所谓的时值控制。
节拍表示每个音符出现时相对乐曲起始点的时间，该时间的单位是拍，即节拍表示的是每个音符相对于乐曲起点的拍子数。本发明采用16位二进制编码来表示节拍，其中低13位表示正常节拍，可表示的拍子数位为8192；高3位用补码表示的7级节奏控制模式。同样在播放节奏即时序节拍上设有7种选择模式，分别为正常、1～3级加快及1～3级减慢模式；加快与减慢是将正常模式中时序节拍作为当量值进行缩小(加快)、扩大(减慢)的。
3.音频软波表播放器的应用主控制器中设有软波表播放器，将其他乐器的合奏、伴奏等数字音频信息以不同的记录轨迹在统一的节拍下合成为一个规格化的乐曲数据流文件，这些表现其它乐器声音的数据与钢琴音轨上所记录的音乐控制信息流在节奏和音量大小上有着密切的相关性。在联合播放时将数字音乐文件中的其它记录轨迹中记录的由其它乐器演奏的伴奏、合奏等形式的数字音频信息经软波表合成为模拟的音频信号，经外置音频功率放大器、音响播放出来，与真实的钢琴音色合在一起丰富了音乐的表现形式。另外在此应用模式中，还可以一边用音频软波表播放器将其记录的音乐信息播放出来，一边同步的弹奏钢琴，为演奏训练提供了便捷的形式，达到了没有乐队也能进行合练的目的。
4.键盘及踏瓣系统功能键盘及踏瓣系统可独立工作，键盘及踏瓣系统的管理机中设有编、作曲的功能模式，在此模式中设有记录、修改与回放功能，即对弹奏模式下的弹奏全过程进行记录，整理形成数字流文件暂存在内部存储器中，通过点阵液晶显示器以线谱或简谱的格式将所记录的乐谱显示出来，可对其中的部分小节进行修改、替换，确认要永久保存时可传到系统主控机中，由系统主控机转存到外部存储器中。
键盘及踏瓣系统中设有钢琴音频波表播放器，通过耳机或音响设备将编辑的曲目播放出来，为练习、编曲提供了灵活方便的模式。
本发明的效果和益处是1、本发明利用了计算机、微电子及计算机网络等高新技术手段，在保持现代钢琴所具有的声音特色，丰富的音乐表现力、高深的演奏技巧的前提下从整体构造上进行变革、综合优化形成全新概念钢琴的设计及其制作方法。
2、本发明在响板尺寸及张弦机构的设计上灵活多样，不受尺寸的约制，可以追求更加完美的音色，在外观造型上更加现代化、美观化，可以个性设计，使得钢琴不再局限在现代钢琴的只有立式、卧式两种主流结构上。
3、本发明的各功能部件相对独立、相互影响小，便于现代化批量生产，组装与调试极为方便，各部件功能扩充极为方便，相互制约性小。
4、由于采用了电子击弦器阵列系统结构，在击弦点的选择上更加准确、合理，击弦力度设置可以多样化，使得在以音量大小作为功能指标的应用上更灵活多样。
5、在主控器的控制、不用键盘系统控制的状态下，可依据提供的曲库进行自动演奏，形成了一套纯正钢琴音色的音响系统，并且通过软波表播放器将其他乐器的合奏、伴奏等声音效果叠加到自动演奏的效果里面。由于形成了规格化的乐曲数据流文件，各种乐器的声音数据在节奏和音量大小上有密切的相关性，所以在调性、节奏和力度(音量大小)上可以调整，方便欣赏。
6、采用了独立的键盘及踏瓣系统，除了具有进行正常的弹奏功能之外，还具有独立练习、编辑曲目的功能，更重要的是由于可以自由放置和多键盘及踏瓣系统的网络串接，使得弹奏的位置和姿态方便灵活，可以进行多人并行弹奏。
7、大部分的功能部件是电子元件，其它的元件在材料的选用上可用非木质材料，因此对材料的选择和加工都极为方便，和以木材为主要零部件选材的现代钢琴相比，更加环保、属绿色产品。
图1为本发明的系统结构框图。
图2为双面响板和张弦分布的结构示意图。
图3为椭圆型响板和张弦分布的结构示意图。
图4(a)、图4(b)为主体外观造型示意图。
图5为电子击弦器及其阵列系统原理框图。
图6为键盘及踏瓣系统原理框图。
具体实施例方式
下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式
。
实施例1在主控制器的控制下弹奏模式使用者敲击琴键后，琴键的运动过程及状态由键盘及踏瓣系统中按键信号采集电路采集并整理成力度、时值与分属的八度区号三个参数的数字信息，并将该信息通过网络即时的传递给键盘及踏瓣系统控制机，经键盘及踏瓣系统控制机整理成音程、力度、时值参量即时的发送到系统主控机中，由系统主控机将数据发送到电子击弦器阵列系统中，地址与音程相匹配的电子击弦器将会按照力度、时值参数控制琴槌和止音装置的致动，完成一次击弦动作；同时主控制器按照整体节奏，给出节拍参数，将音程、力度、时值与节拍四个参数打包成一个事件(即一次击弦动作)，主控制器可将每次弹奏的全过程中的所有事件进行记录，形成规格化乐曲数据流文件，该文件可在播放模式进行重复播放，或通过USB接口电路将该文件保存到外置的USB存储设备的曲库中，还可将该文件传递给键盘及踏瓣系统控制机中进行编辑、修改。
实施例2键盘及踏瓣系统功能键盘及踏瓣系统可独立工作，键盘及踏瓣系统的管理机中设有编、作曲的功能模式，在此模式中设有记录、修改与回放功能，即对弹奏模式下的弹奏全过程进行记录，整理形成数字流文件暂存在内部存储器中，通过点阵液晶显示器以线谱或简谱的格式将所记录的乐谱显示出来，可对其中的部分小节进行修改、替换，确认要永久保存时可传到系统主控机中，由系统主控机转存到外部存储器中。
键盘及踏瓣系统中设有钢琴音频波表播放器，通过耳机或音响设备将编辑的曲目播放出来，为练习、编曲提供了灵活方便的模式。
权利要求
1.一种概念钢琴，由响板系统、电子击弦器、主控制器和键盘及踏瓣系统四个部分组成，其特征是(1)响板系统弦列对称分布在两面或多面响板上，按被激发后的弦振动频率和通过弦码将弦振动波耦合到共振板上的最佳位置来排布弦列，击弦点设置在使弦最佳振动的波节点上；(2)电子击弦器对应前述响板系统中的每个弦列设置一个电子击弦器，每个电子击弦器由一个微处理器做控制器；各弦列所对应的电子击弦器是以互连总线形式机联在一起，构成电子击弦器阵列系统，电子击弦器阵列和主控制机联构成本发明的系统主体；微处理器受主控制器发出的致动命令控制电子击弦器中的弦槌和止音装置的致动；弦槌致动由4个无壳螺管式电磁铁组成的4联并行击发装置实现；止音装置致动采用电磁吸附装置实现；(3)主控制器由微处理器、点阵液晶显示器、操作键盘和USB接口构成，主控制器可以总线互连形式与钢琴键盘及踏瓣系统控制机级联在一起，形成全系统的网络控制；(4)钢琴键盘及踏瓣系统由钢琴键盘及踏瓣系统控制机、12个不同八度中同名按键的信号采集处理器、钢琴键盘及传感装置、踏瓣及传感装置构成。踏瓣系统控制机和12个不同八度中同名按键的信号采集处理器均由微处理器来控制，以总线互连形式级联在一起，钢琴键盘及踏瓣系统控制机可以总线互连形式与主控制器级联在一起，形成全系统的网络控制；踏瓣系统控制机设有微处理器、点阵液晶显示器和操作键盘；12个同名按键的信号采集处理器设有3对红外光电传感装置，通过传感装置实现对键盘和踏瓣动作过程的实时采集。
2.根据权利要求1所述的一种概念钢琴，其特征在于所述响板的外观造型根据实际需要能够设计成为多种形状。
3.根据权利要求1所述的一种概念钢琴，其特征在于所述主控制器与电子击弦器组成播放系统，储存在外部存储器中的规格化信息通过主控制器设置的USB接口读入主控制器，主控制器以致动命令形式控制电子击弦器中的弦槌和止音装置的致动。
4.根据权利要求1所述的一种概念钢琴，其特征在于通过主控制器内置的音频软波表播放器，将由其它乐器演奏的规格化音频信息合成为模拟的音频信号，经外置音频功率放大器与电子击弦器的致动同步播放。
全文摘要
本发明属于乐器制造技术领域；用计算机、微电子及计算机网络等高新技术作为手段实现系统控制、电控击弦功能，给出本发明的总体结构设计及主要功能部件实现方法。在保持现代钢琴优美音色前提下，用电控击弦方式取代现代钢琴的杠杆致动方式，对整体结构进行变革、综合优化形成全新概念钢琴的设计及其制作方法；响板及张弦机结构灵活多样设置合理，可精确选择弦码位置与击弦点；外观造型根据实际需要能够设计成为多种形状；各功能部件互相独立独成系统，便于现代化批量生产，组装与调试极为方便；自动演奏功能，形成了具有纯正钢琴音色的音响系统、方便欣赏；可净音练习、编辑曲目、多人、多键盘联合弹奏，丰富了演奏形式及音乐表现力。
文档编号G10F3/00GK1881408SQ20061007699
公开日2006年12月20日 申请日期2006年4月14日 优先权日2006年4月14日
发明者刘军 申请人:大连理工大学