一种电子打击乐器的工作原理的制作方法
【专利摘要】本发明涉及乐器设备领域，公开了一种电子打击乐器的工作原理。通过所述电子打击乐器的工作原理，可根据动态空间位置和压力测量用户的击打速度和击打键上的X/Y轴的偏移量，并通过傅里叶级数变换获得对应的信号频谱图，最终在亥姆霍兹共鸣器的映射作用下，发出一段频率在20?50Hz之间的声音。此工作原理可应用于作曲创作、乐器演奏练习等场景，并将在音乐启蒙教育和音乐治疗领域中发挥巨大作用。
【专利说明】
-种电子打击乐器的工作原理
技术领域
[0001] 本发明设及乐器设备领域，具体地，设及一种电子打击乐器的工作原理。
【背景技术】
[0002] 传统乐器对演奏者要求较高，且只能演奏出单一的一种乐器的声音。人们需要进 行多年的专业学习才能达到自如演奏某种乐器的水准。但对于普通的业余音乐爱好者来 说，操作简单且可W演奏出多种音乐的乐器才是满足其需求的最佳解决工具。
【发明内容】
[0003] 针对上述目前传统乐器设备的问题，本发明提供了一种电子打击乐器的工作原 理，可根据动态空间位置和压力测量用户的击打速度和击打键上的X/Y轴的偏移量，并通过 傅里叶级数变换获得对应的信号频谱图，最终在亥姆霍兹共鸣器的映射作用下，发出一段 频率在20-50HZ之间的声音。此工作原理可应用于作曲创作、乐器演奏练习等场景，并将在 音乐启蒙教育和音乐治疗领域中发挥巨大作用。
[0004] 本发明采用的技术方案，提供了一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，包括 如下步骤:SlOl.采用一站法布局技术计算击打点的动态空间位置P，同时采用压力传感测 量技术周期性地计算击打点的动态压力值F;S102.对所述动态空间位置P和所述动态压力 值F进行傅立叶变换，得到WS角形傅里叶级数形式展开的周期信号f(t);S103.对所述周 期信号f(t)进行频谱分析处理，获取周期信号f(t)的第一信号频谱图；S104.对所述第一信 号频谱图进行离散采样处理，得到由有限个正弦波叠加而成的第二信号频谱图；S105.根据 亥姆霍兹共鸣器原理对所述第二信号频谱图进行语音映射处理，得到频率介于20-50HZ的 低频正弦波电信号;S106.将所述低频正弦波电信号送至扬声器，进行语音播放。
[0005] 具体的，在所述采用压力传感测量技术周期性地计算击打点的动态压力值F的步 骤中包括如下步骤:S201.周期性地采集多个压力传感器产生的感应电压信号；S202.根据 如下公式计算各压力传感器所受的压力和值Fsum和压力中屯、位置(X〇，Y〇):
式中，n为压力传感器的总数，Xo为压力中屯、位置的横坐标，Yo为压力中屯、位置的纵坐 标，Uon为第n个压力传感器的感应电压值，U'on为第n个压力传感器的工作电压值，矩阵K为 将各个压力传感器的感应电压值及工作电压值映射为所述压力和值Fsum和所述压力中屯、位 置(X〇，Y〇)的常系数映射矩阵；S203.将所述压力中屯、位置(X〇，Y〇)与击打点的动态空间位置 P进行对应，并根据所述压力和值Fsum和所述压力中屯、位置(X〇，Y〇)计算击打点的动态压力值 F。
[0006] 进一步具体的，所述常系数映射矩阵K的表达式为：
式中，n为压力传感器的总数，Un为第n个压力传感器的基准电压，Rnf为第n个压力传感 器的反馈电阻，kkn为第n个压力传感器的特性曲线斜率，Pnx为第n个压力传感器的横坐标， Pny为第n个压力传感器的纵坐标。
[0007]具体的，所述周期信号f(t)的S角形傅里叶级数展开形式如下：
式中，O Q = 2化为基波频率，m CO Q为m次谐波频率，Am为m次谐波对应的傅立叶=角形傅 立叶系数，9m为m次谐波初相。
[000引具体的，所述步骤S103包括如下步骤:S301.对所述周期信号f(t)进行逐帖加窗处 理，得到若干个信号帖;S302.逐帖计算对应的FFT频谱;S303.对所有的FFT频谱进行伪彩色 映射，得到所述周期信号f(t)的第一信号频谱图。
[0009]进一步具体的，在所述步骤S301中，使用Matlab系统的分帖加窗函数：hamming (N) ,hanning(N) ,blackman(N)和ba;rtlett(N)对所述周期信号f (t)进行逐帖加窗处理，其 中，N为帖长;在所述步骤S302中，使用Matlab系统的FFT函数:fft(S)和复数取共辆函数： conj(Z)计算对应的FFT频谱，其中，S为加窗后的一帖信号，Z为fft(S)函数的计算结果;在 所述步骤S303中，使用Matlab系统的伪彩色映射函数COlormap(MAP)对所有的FFT频谱进行 伪彩色映射，其中，MAP为伪彩色映射矢量。
[0010] 进一步具体的，在所述步骤S303之后还包括如下步骤:S304.使用Matlab系统的频 谱图显示函数：imagese(t，f，C)显示所述第一信号频谱图，其中，t为时间坐标，f为频率坐 标，C为从幅度谱值经伪色彩映射后的彩色电平值。
[0011] 具体的，在所述步骤S104中包括如下步骤:S401.采用周期计点法获取所述周期信 号f(t)的周期T;S402.使用所述周期T对所述周期信号f(t)进行离散采样处理，获取对应的 离散采样值序列f(At ? i)，（i = 0，l，…，No);S403.对所述离散采样值序列f(At?n)进行 判断读取，从尾部截去不足一个信号周期的部分，得到含有整数个信号周期的数据f/ ( A t* i)，（i = 〇，l，…，N〇-l);S404.联立解得如下各次频点的参数，得到由有限个正弦波叠加而 成的第二信号频谱图：
式：
[0012] 具体的，在所述步骤S105中包括如下步骤:S501.按照帖间频率匹配准则对所述第 二信号频谱图中的各次正弦波进行峰值匹配，得到匹配的正弦波参数;S502.对已匹配的正 弦波参数进行插值处理;S503.将经插值处理的正弦波参数与预设的亥姆霍兹共鸣器音阶 进行语音映射，得到频率介于20-50HZ的低频正弦波电信号。
[0013] 综上，采用本发明所提供的电子打击乐器的工作原理，具有如下有益效果：（1)采 用一站法布局技术测量击打点的动态空间位置，可满足动态空间位置实时精确测量的需 求，可运用于可嵌入式设备中；（2)使用压力测量传感技术，周期性地采集多个薄膜压力传 感器的信息，可精准计算出被测击打点的压力值；（3)独创了一种将位置和压力传感参数展 开为S角型傅里叶级数，并使用基于Matlab系统对傅里叶级数处理结果实现信号频谱的分 析与显示，作出对应的频谱图，属多领域的交叉创新成果；（4)根据亥姆霍兹共鸣器的设计 原理，将测量所得的正弦波叠加进行映射处理可得一段特定频率的正弦波信号，其频率介 于20-50HZ之间，经扬声器播放后，由于其频率维度的独特性，产生的音乐能给人屯、理和生 理上的快感和陶醉感，具有医学上的治疗作用。
【附图说明】
[0014] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W 根据运些附图获得其他的附图。
[0015] 图1是本发明提供的电子打击乐器的工作原理流程图。
[0016] 图2是本发明提供的电子打击乐器的工作原理中一站法测量数学模型。
[0017] 图3是本发明提供的电子打击乐器的工作原理中用Matlab系统实现信号频谱分析 与显示方法的一句语音的信号动态频谱图。
【具体实施方式】
[0018] W下将参照附图，通过实施例方式详细地描述本发明提供的电子打击乐器的工作 原理。在此需要说明的是，对于运些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对 本发明的限定。
[0019] 本文中描述的各种技术可W用于但不限于乐器设备领域，还可W用于其它类似领 域。
[0020] 本文中术语"和/或"，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可W存在=种关 系，例如，A和/或B，可W表示：单独存在A，单独存在B，同时存在A和B =种情况，本文中术语 7和"是描述另一种关联对象关系，表示可W存在两种关系，例如，A/和B，可W表示:单独存 在A，单独存在A和B两种情况，另外，本文中字符7"，一般表示前后关联对象是一种"或"关 系。 实施例一
[0021] 图1示出了本发明提供的电子打击乐器的工作原理流程图，图2示出了本发明提供 的电子打击乐器的工作原理中一站法测量数学模型，图3示出了本发明提供的电子打击乐 器的工作原理中用Matlab系统实现信号频谱分析与显示方法的一句语音的信号动态频谱 图。本实施例提供的所述电子打击乐器的工作原理包括如下步骤。
[0022] SlOl.采用一站法布局技术计算击打点的动态空间位置P，同时采用压力传感测量 技术周期性地计算击打点的动态压力值F。
[0023] 在步骤SlOl中，所述采用一站法布局技术计算击打点的动态空间位置P的方法如 下:如图2所示，设定P点为击打点的动态空间位置(即被测击打键的坐标点），通过角度传感 器测量得到点P与测量坐标系中屯、点0的垂直方向角度为a和水平方向角度为e，通过距离传 感器测量得到0点至P点的距离为d，从而可W根据系统模型计算得出点P的空间位置坐标 值。
[0024] 在步骤SlOl中，具体的，在所述采用压力传感测量技术周期性地计算击打点的动 态压力值F的步骤中包括如下步骤:S201.周期性地采集多个压力传感器产生的感应电压信 号;S202.根据如下公式计算各压力传感器所受的压力和值Fsum和压力中屯、位置(姑，机）：
式中，n为压力传感器的总数，)(〇为压力中屯、位置的横坐标，Yo为压力中屯、位置的纵坐 标，Uon为第n个压力传感器的感应电压值，U'on为第n个压力传感器的工作电压值，矩阵K为 将各个压力传感器的感应电压值及工作电压值映射为所述压力和值Fsum和所述压力中屯、位 置(Xo，Yo)的常系数映射矩阵；S203.将所述压力中屯、位置(Xo，Yo)与击打点的动态空间位置 P进行对应，并根据所述压力和值Fsum和所述压力中屯、位置(Xo，Yo)计算击打点的动态压力值 F。
[0025] 所述压力传感器可W但不限于为薄膜式压力传感器，W手碟为例，在手碟的打击 部位布置有8个薄膜压力传感器，每个薄膜式压力传感器具有高灵敏度，可W在用户拍打 时，通过产生感应电压信号实时记录用户的击打速度、击打部位上的X/Y轴的微弱偏移量和 力的作用点上的压强化。所述常系数映射矩阵K的表达式为：
式中，n为压力传感器的总数，Un为第n个压力传感器的基准电压，Rnf为第n个压力传感 器的反馈电阻，kkn为第n个压力传感器的特性曲线斜率，Pnx为第n个压力传感器的横坐标， Pny为第n个压力传感器的纵坐标。在步骤S201中，可W但不限于WlOms为周期，采集8个薄膜 压力传感器的产生的感应电压信号， 然后按照步骤S202和步骤S203即可精准计算出击打点的动态压力值。
[0026] S102.对所述动态空间位置P和所述动态压力值F进行傅立叶变换，得到W =角形 傅里叶级数形式展开的周期信号f(t)。
[0027] 立取"no A 田冊/兰且^t)的S角形傅里叶级数展开形式如下：
式中，O Q = 2化为基波频率，m CO Q为m次谐波频率，Am为m次谐波对应的傅立叶=角形傅 立叶系数，9m为m次谐波初相。
[0028] S103.对所述周期信号f(t)进行频谱分析处理，获取周期信号f(t)的第一信号频 谱图。
[0029] 在步骤S104中，具体的，所述步骤S103包括如下步骤:S301.对所述周期信号f(t) 进行逐帖加窗处理，得到若干个信号帖；S302.逐帖计算对应的FFT(Fast Fourier Transf ormat ion，快速傅氏变换）频谱；S303 .对所有的FFT频谱进行伪彩色映射，得到所述 周期信号f(t)的第一信号频谱图。进一步具体的，可W但不限于基于Matlab系统(MAhix LABorato巧，矩阵实验室，是一款由美国化e MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算 法开发、数据可视化、数据分析W及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境;除了矩阵 运算、绘制函数/数据图像等常用功能外，MATLAB还可W用来创建用户界面及与调用其它语 言（包括C，C++和FORTRAN)编写的程序)对傅里叶级数处理实现信号频谱分析，做出精准的 第一信号频谱图：在所述步骤S301中，使用Matlab系统的分帖加窗函数：hamming(N), hanning(N) ,blackman(N)和ba;rtlett(N)对所述周期信号f (t)进行逐帖加窗处理，其中，N 为帖长;在所述步骤S302中，使用Matlab系统的FFT函数:fft(S)和复数取共辆函数：conj (Z)计算所述周期信号f(t)的FFT频谱，其中，S为加窗后的一帖信号，Z为fft(S)函数的计算 结果;在所述步骤S303中，使用Matlab系统的伪彩色映射函数COlormap(MAP)对FFT频谱进 行伪彩色映射，其中，MAP为伪彩色映射矢量。MAP是一个64X3的矩阵，其第一、第二和第S 列的值分别表示红色、绿色和蓝色的饱和度。例如，MP= [0 0 0]表示一个纯黑的映射;MAP =[1 1 1]表示一个纯白的映射;MAP=[1 0 0]表示一个纯红的映射。
[0030] 进一步具体的，在所述步骤S303之后还包括如下步骤:S304.使用Matlab系统的频 谱图显示函数：imagese(t，f，C)显示所述第一信号频谱图，其中，t为时间坐标，f为频率坐 标，C为从幅度谱值经伪色彩映射后的彩色电平值。C是从幅度谱值经伪彩色映射后的彩色 电平值。如果整段语音的分帖数为M，则t是一个M维的行矢量，它的值是每帖起点所对应的 时间序号，频谱的频域有效样点为N/2,所Wf是一个N/2的行矢量，每个元素对应于频谱幅 度值。相应地，C是一个MX (N/2)维的矩阵。
[0031] 如图3所示的一个用Matlab系统实现信号频谱分析与显示方法的一句语音的信号 动态频谱图。在调用spgram()函数时所用的部分参数设为:Winsiz = 256,化ift = 64,Base =0，Co I type = I (MAP = ho t)。在此图中把频谱值由大到小映射到由明亮到黑暗的伪彩色显 示，由此可W清楚地观察到浊音段的共振峰结构。
[0032] S104.对所述第一信号频谱图进行离散采样处理，得到由有限个正弦波叠加而成 的第二信号频谱图。
[0033] 在所述步骤S104中，具体的，包括如下步骤:S401.采用周期计点法获取所述周期 信号f(t)的周期T;S402.使用所述周期T对所述周期信号f(t)进行离散采样处理，获取对应 的离散采样值序列f( At ? i)，（i=0，l，…，No);S403.对所述离散采样值序列f(At?n)进 行判断读取，从尾部截去不足一个信号周期的部分，得到含有整数个信号周期的数据f/ ( A t*i)，（i = 0，l，…，N〇-l);S404.联立解得如下各次频点的参数，得到由有限个正弦波叠加 而成的第二信号频谱图：
式中，Cm、锐、A〇、Am和Bm为所述第二信号频谱图对应周期函数的傅立叶级数表达式：
軒的参数。
[0034] S105.根据亥姆霍兹共鸣器原理对所述第二信号频谱图进行语音映射处理，得到 频率介于20-50HZ的低频正弦波电信号。
[0035] 在所述步骤S105中，具体的，包括如下步骤:S501.按照帖间频率匹配准则对所述 第二信号频谱图中的各次正弦波进行峰值匹配，得到匹配的正弦波参数;S502.对已匹配的 正弦波参数进行插值处理;S503.将经插值处理的正弦波参数与预设的亥姆霍兹共鸣器音 阶进行语音映射，得到频率介于20-50HZ的低频正弦波电信号。
[0036] 在步骤S501中，通过进行所述匹配，可W得到匹配的正弦波频率、幅度和相位参 数，但是由于运些参数的时变性，直接用运些参数合成语音将会导致帖与帖之间的不连续 性，会降低合成语音信号的质量。因此，必须在帖与帖之间采取措施而使得帖之间平滑过 渡，一种常用的方法就是对正弦波信号参数进行插值，其具体方法可W但不限于为:对已经 匹配的相位和幅度分别进行立方插值和一次插值，然后求得插值后的语音信号参数。此外， 仍W手碟为例说明所述亥姆霍兹共鸣器音阶的预设参数:在手碟的底部中屯、设有一个根据 亥姆霍兹共鸣器原理设计的"Gu"孔，然后在其上部设有7个音部，绕中屯、点基础音部"Ding" 从低至高WZ字形排列，并使各音部能够与主体的亥姆霍兹共鸣器产生共鸣，同时设定基础 音为D2，中屯、可ing"为D3，往下五阶为音环中最低音A3，包括其八个度音阶中的D4与A4， "Gu"为D5。最后将经插值处理的正弦波参数与预设的亥姆霍兹共鸣器音阶进行语音映射， 得到频率介于20-50HZ的低频正弦波电信号。
[0037] S106.将所述低频正弦波电信号送至扬声器，进行语音播放。
[0038] 依据W上步骤，可最终实现一种基于位置和压力传感技术的电子打击乐器的工作 原理，可应用于作曲创作、乐器演奏练习等场景。
[0039] 本实施例提供的所述电子打击乐器的工作原理，具有如下技术效果：（1)采用一站 法布局技术测量击打点的动态空间位置，可满足动态空间位置实时精确测量的需求，可运 用于可嵌入式设备中；（2)使用压力测量传感技术，周期性地采集多个薄膜压力传感器的信 息，可精准计算出被测击打点的压力值；（3)独创了一种将位置和压力传感参数展开为=角 型傅里叶级数，并使用基于Matlab系统对傅里叶级数处理结果实现信号频谱的分析与显 示，作出对应的频谱图，属多领域的交叉创新成果；（4)根据亥姆霍兹共鸣器的设计原理，将 测量所得的正弦波叠加进行映射处理可得一段特定频率的正弦波信号，其频率介于so- so 化之间 ，经扬声器播放后，由于其频率维度的独特性，产生的音乐能给人屯、理和生理上的 快感和陶醉感，具有医学上的治疗作用。
[0040] 如上所述，可较好的实现本发明。对于本领域的技术人员而言，根据本发明的教 导，设计出不同形式的电子打击乐器的工作原理并不需要创造性的劳动。在不脱离本发明 的原理和精神的情况下对运些实施例进行变化、修改、替换、整合和变型仍落入本发明的保 护范围内。
【主权项】
1. 一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，包括如下步骤： 5101. 采用一站法布局技术计算击打点的动态空间位置P，同时采用压力传感测量技术 周期性地计算击打点的动态压力值F; 5102. 对所述动态空间位置P和所述动态压力值F进行傅立叶变换，得到以三角形傅里 叶级数形式展开的周期信号f(t); 5103. 对所述周期信号f(t)进行频谱分析处理，获取周期信号f(t)的第一信号频谱图； 5104. 对所述第一信号频谱图进行离散采样处理，得到由有限个正弦波叠加而成的第 二信号频谱图； 5105. 根据亥姆霍兹共鸣器原理对所述第二信号频谱图进行语音映射处理，得到频率 介于20-50HZ的低频正弦波电信号； 5106. 将所述低频正弦波电信号送至扬声器，进行语音播放。2. 如权利要求1所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，在所述采用压力传 感测量技术周期性地计算击打点的动态压力值F的步骤中包括如下步骤： 5201. 周期性地采集多个压力传感器产生的感应电压信号； 5202. 根据如下公式计算各压力传感器所受的压力和值Fsum和压力中心位置(X〇，Y〇):式中，η为压力传感器的总数，Xo为压力中心位置的横坐标，Yo为压力中心位置的纵坐 标，Uon为第η个压力传感器的感应电压值，U'Qn为第η个压力传感器的工作电压值，矩阵K为 将各个压力传感器的感应电压值及工作电压值映射为所述压力和值Fs?和所述压力中心位 置(Xo，Yo)的常系数映射矩阵； 5203. 将所述压力中心位置(Χ〇，Υ〇)与击打点的动态空间位置P进行对应，并根据所述压 力和值Fs?和所述压力中心位置(Xo，Yo)计算击打点的动态压力值F。3. 如权利要求2所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，所述常系数映射矩 阵K的表达式为：式中，η为压力传感器的总数，Un为第η个压力传感器的基准电压，Rnf为第η个压力传感 器的反馈电阻，kkn为第η个压力传感器的特性曲线斜率，ρηχ为第η个压力传感器的横坐标， p ny为第η个压力传感器的纵坐标。4. 如权利要求1所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，所述周期信号f(t) 的三角形傅里叶级数展开形式如下：式中，ω Q = 23it为基波频率，m ω Q为m次谐波频率，Am为m次谐波对应的傅立叶三角形傅 立叶系数，为m次谐波初相。5. 如权利要求1所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，所述步骤S103包括 如下步骤： 5301. 对所述周期信号f(t)进行逐帧加窗处理，得到若干个信号帧； 5302. 逐帧计算对应的FFT频谱； 5303. 对所有的FFT频谱进行伪彩色映射，得到所述周期信号f(t)的第一信号频谱图。6. 如权利要求5所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，包括如下： 在所述步骤S301中，使用Matlab系统的分帧加窗函数：hamming(N)，hanning(N)， blackman(N)和bartlett(N)对所述周期信号f(t)进行逐帧加窗处理，其中，N为帧长； 在所述步骤S302中，使用Matlab系统的FFT函数:fft(S)和复数取共辄函数:conj(Z)计 算对应的FFT频谱，其中，S为加窗后的一帧信号，Z为fft(S)函数的计算结果； 在所述步骤S303中，使用Matlab系统的伪彩色映射函数colormap(MAP)对所有的FFT频 谱进行伪彩色映射，其中，MAP为伪彩色映射矢量。7. 如权利要求6所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，在所述步骤S303之 后还包括如下步骤:S304.使用Matlab系统的频谱图显示函数:imagese(t，f，C)显示所述第 一信号频谱图，其中，t为时间坐标，f为频率坐标，C为从幅度谱值经伪色彩映射后的彩色电 平值。8. 如权利要求1所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，在所述步骤S104中 包括如下步骤： 5401. 采用周期计点法获取所述周期信号f(t)的周期T; 5402. 使用所述周期T对所述周期信号f(t)进行离散采样处理，获取对应的离散采样值 序列 f( At· i)，（i = 0，l，，，_，No); 5403. 对所述离散采样值序列f( △ t · η)进行判断读取，从尾部截去不足一个信号周期 的部分，得到含有整数个信号周期的数据f' ( A t*i)，（ i = 0，1，…，Ν〇-1); 5404. 联立解得如下各次频点的参数，得到由有限个正弦波叠加而成的第二信号频谱 图：式中，Cm、A、如^和仏为所述第二信号频谱图对应周期函数的傅立叶级数表达式：的参数。9. 如权利要求1所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，在所述步骤S105中 包括如下步骤： 5501. 按照帧间频率匹配准则对所述第二信号频谱图中的各次正弦波进行峰值匹配， 得到匹配的正弦波参数； 5502. 对已匹配的正弦波参数进行插值处理； 5503. 将经插值处理的正弦波参数与预设的亥姆霍兹共鸣器音阶进行语音映射，得到 频率介于20-50HZ的低频正弦波电信号。10. 如权利要求2或3所述的一种电子打击乐器的工作原理，其特征在于，所述压力传感 器为薄膜式压力传感器。
【文档编号】G10H3/12GK106023973SQ201610317076
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月12日
【发明人】刘德文, 阮广璇, 陈洪波
【申请人】成都云创新科技有限公司