基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的制作方法
本发明涉及电子乐器实现和电子设备领域，具体涉及一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴。
背景技术：
钢琴被誉为“乐器之王”，由88个琴键(52个白键，36个黑键)和金属弦音板组成，演奏者通过按下键盘上的琴键，牵动钢琴里面包着绒毡的小木槌，继而敲击钢丝弦发出声音。钢琴的音域很广，最低音的震动频率是27.5hz，最高音的震动频率是4.186khz。尽管如此，与人耳的可听域频率范围(20hz～20khz)相比，钢琴仍有较大的频率范围尚未覆盖。究其原因，主要是由于传统钢琴的机械结构以及人体的听觉特性所致。人耳对不同音高的响度感知不同，高频和低频声音需要更大的强度方能被感知。比如：200hz到1khz的纯音在0db声压级下就可被察觉，而20hz的纯音在70db声压级下才可被察觉，15khz的纯音在20db声压级下才可被察觉。因此，同等的按键力度下，人耳对不同琴键所感知的声音响度也是不同的。传统钢琴由于采用机械装置发声，在高频区和低频区，不能有效产生较大的响度，这在一定程度上限制了钢琴音色的表现力，包括韵味、情感、个性等。
此外，在人耳的可听域以外，频率小于20hz的声波称为次声波，频率大于20khz的声波称为超声波。次声波和超声波人耳虽然不能直接听到基音，但可以听到次声波的谐波分量以及叠加在超声波上的低频音频信号，同时也可以通过皮肤等其他感觉器官近距离感知次声波和超声波。如果乐器的音域除了覆盖人耳的可听域，还能覆盖部分次声波和超声波的频率范围，必定能大大增强乐器演奏者的体验及表现力。然而，传统钢琴由于自身机械结构制约，很难发出次声波和超声波。针对这一难题，本发明基于数码琴展开研究。随着电子技术的迅猛发展，数码琴逐渐进入千家万户。数码琴是一种电子装置，其利用现代数码技术，不但实现了对传统钢琴的逼真模仿，还可以灵活调节各个频率声音的响度。基于数码琴，本发明可以实现超过人耳可听域的音域范围，我们称之为“超音域”。
在琴键排列方面，传统钢琴的88个琴键分为两排，52个白键从左到右并列排列，在白键的上半部分并列排列了36个黑键。钢琴键盘是根据十二平均律来设计的。88个琴键分成低音区、中音区和高音区，每个区再分组。如中音区又被分成三组：小字组、小字一组和小字二组，每组为一个八度。十二平均律中，一个八度的音程(二倍频程)按频率等比例地分为十二等份，每一份是一个半音，两个半音等于一个全音。因此，钢琴键盘的一个八度中有12个键，其中7个白键，5个黑键。白键宽约23mm，黑键宽9-10.5mm，因此，一个八度的琴键之间的最大距离超过160mm。在演奏含八度组合的乐曲时，手小的演奏者由于手指的跨度小，必然演奏更加费力。由于数码琴最初是模仿钢琴而推出的，因此，现有数码琴的琴键分布也基本上是按照传统钢琴来设计的。如果能结合人体特性，对琴键进行重新布局，使其更便于操作，必定能吸引更多的音乐爱好者投身钢琴演奏中。尤其是手指跨度较小的儿童，在初学钢琴时，如果琴键便于弹奏，必然能增加他们的学习信心和热情。
此外，演奏者在练琴时，为了不影响他人，通常会佩戴耳机，不少琴房也有类似要求。但佩戴耳机往往会带来不适感，从而降低学琴效率。如果数码琴的扬声器能够进行定向传声，使琴声只局限于指定范围，这样演奏者就不必再配戴耳机，从而更投入地练琴。然而，目前使用最为广泛的扬声器——电动式扬声器，并不具备定向传声功能。电动式扬声器由振膜、音圈、永磁铁、支架等组成。永磁铁产生一个大小和方向不变的恒定磁场。当扬声器的音圈通入交变电流后，音圈在交变电流的作用下产生交变磁场。恒定磁场和交变磁场相互作用使音圈沿垂直于音圈所在平面的方向运动。由于音圈和振膜相连，音圈的运动带动振膜产生振动，从而引起空气振动发出声音。为了实现定向传声，本发明采用具有较好指向性的超声波作为载波传送声音。超声波的频率大于20khz，因此，扬声器将工作在高频范围，振膜会在音圈带动下作高速运动，因此要求扬声器的振膜能够对瞬变的高频信号作出迅速反应.并且能够承受高速运动而产生的空气压力，所以振膜既要轻，又要有足够的强度。球顶形扬声器是目前音箱中使用最广泛的电动式扬声器之一，它最大的优点是中高频响应优异。球顶形扬声器的振膜一般设计为半球顶形，以增加振膜的强度。球顶形扬声器的振膜通常用刚性好、质量轻的材料制成，振膜的口径一般较小。球顶形扬声器指向性较宽，因此，不利于定向传声。
综上所述，设计音域更广、更易于演奏者操作、具有定向传声功能的数码琴，不但能增强乐器本身的表现力、更能增加演奏者发挥的空间、表演的信心以及练习的效率。
技术实现要素：
针对传统钢琴以及现有数码琴音域相对人耳可听域较窄、琴键布局不适合小手型演奏者、不同琴键位置等按键力度下响度不同、以及无定向传声功能等局限性，本发明提出一种利用规整音程矩阵以及人体特性、音域超过人耳可听域频率范围、基于简谱标识键盘的数码琴。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴包括简谱键盘、功能面板、屏幕、音源模块、控制模块、音源调节模块、等响度调节模块和发声模块。简谱键盘用于接收按键信息，并将按键信息发送给控制模块；功能面板按需设置若干功能键，如：音色选择键、音律选择键、音调选择键；屏幕按需要进行显示，可显示功能键的信息、也可显示其他内容；音源模块负责存储各种乐器的音色文件；控制模块负责对按键信息及功能键的选择进行解析，并发出控制命令指示音源模块将相应的音色文件发送给音源调节模块，指示音源调节模块和等响度调节模块对音色文件进行相应调整；音源调节模块负责根据控制模块的指令，对音色文件的幅度、播放时长进行调整，并将处理后的音色文件发送给等响度调节模块；等响度调节模块负责根据控制模块的指令，将音色文件在同等按键力度下的高音、中音、低音调整为相同的响度感觉，并将处理后的音色文件发送给发声模块；发声模块负责播放所接收的音色文件。
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的简谱键盘，包括琴键矩阵和琴键标识。其中琴键矩阵为琴键按规整音程关系构成的n行m列矩阵。音程指音与音之间音高的距离。琴键矩阵按某种规律性的音程关系进行矩阵排列，形成规整音程矩阵，以实现紧凑的空间分布。音程关系可按实际需求设计，比如：琴键矩阵的每一行琴键从左到右依次升高一个全音，琴键矩阵的每一列琴键从上到下依次降低一个半音。琴键标识为标注在琴键上的该琴键所对应的唱名。本发明基于简谱中的符号来标识每个琴键的唱名，即用简谱唱名实现琴键标识，以便于辨认。琴键可配程控背光进行显示，以使各类和弦的音程乐理关系更加清晰直观、更容易辨识。由于简谱键盘的琴键按照规整音程关系进行排列，音程关系相同的和弦，其各个音在简谱键盘上的相对位置关系是相同的，这有助于理解与记忆和弦各个音的组合关系。此外，不同的和弦(三和弦、七和弦或其他和弦)，只要音程关系相同，其弹奏指法就是一样的，即手型相同，按根音平移即可。琴键还可提供力度、姿态的信息，比如：通过变换程控背光的颜色来指示不同信息，从而提示演奏者丰富演奏的表现力。
所述琴键矩阵的琴键，可根据期望的音域范围，设置琴键中最低音和最高音的基音频率，琴音的基音频率范围不仅可以覆盖人耳所能听到的全音域(20hz～20khz)，还能覆盖部分次声波和超声波的频率范围，即实现超音域，以增强乐器演奏者的体验及表现力。琴键可按多种乐律(如：十二平均律、纯律)设置乐音体系。
所述琴键标识中的简谱唱名，用符号“1、2、3、4、5、6、7”代表音阶中的7个基本音级，分别对应唱名“duo、re、mi、fa、sol、la、si”。中音“1”到高音
所述琴键矩阵中的琴键，可根据需求设计为均匀尺寸或非均匀尺寸。比如：琴键宽度可设为固定宽度，并根据传统钢琴黑键的宽度设计，使小手型的演奏者也能轻松弹出八度组合音。又如：为了使弹奏概率高的琴键更容易被定位，可根据琴键的弹奏概率设计琴键面积，弹奏概率越高，琴键面积越大；若固定琴键宽度，则可设置不同的琴键长度，弹奏概率越高，琴键长度越长。比如：基本音级(即，1、2、3、4、5、6、7)对应琴键的面积可以大于变化音级(如，1#、2#、4#、5#、6#)对应琴键的面积；当琴键宽度固定时，基本音级对应琴键的长度可以大于变化音级对应琴键的长度。
所述琴键矩阵，可划分为若干区域，在不同区域对同一唱名的琴键进行重复布置。这类似于计算机键盘，可以通过位于不同区域的按键，输入相同的“0-9”，“+”，“-”及“回车”。琴键矩阵的不同区域可以有不同的音程关系，以便于理解、记忆、演奏各类和弦。同一唱名的琴键分布在多个空间区域，可方便多人联奏。
所述琴键标识中的简谱唱名，标记高音和低音可以沿用简谱中的记法，即在音符的上边加“.”，表示高八度，如：
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的音源模块，负责采集多种乐器的演奏声音以及软件编辑、合成或处理过的声音，存为音色文件，加入音色库。音色库中的音色文件需要至少覆盖所期望的音域范围。
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的控制模块，负责对按键信息(如：按键对应唱名、按键力度、按键时长)及功能键的选择(如：音色选择、音律选择、音调选择)进行解析，并发出控制命令指示音源模块将相应的音色文件发送给音源调节模块，指示音源调节模块和等响度调节模块对音色文件进行相应调整。
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的音源调节模块，根据控制模块的指令，对音色文件进行处理，并将处理后的音色文件发送给等响度调节模块。上述处理包括：根据按键时长对音色文件的时长进行调整，如按键时长超过音色文件的时长则增加播放的周期数，按键时长比音色文件的时长短则减少播放的周期数；根据按键力度对音色文件的幅度进行调整，如按键力度大则加大幅度，按键力度小则减小幅度。
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的等响度调节模块，接收音源调节模块发来的音色文件，并根据控制模块的指令，将音色文件进行等响度处理，然后将处理后的音色文件发送给发声模块。上述等响度处理包括：根据等响曲线，对不同基音频率的音色文件的幅度进行调整，即对高音和低音的音色文件进行幅度补偿，使在同等按键力度下，高音和低音与中音的响度感觉相同。
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的发声模块，包括声电转换器、载波信号发生器、调制器、滤波器、功率放大器、多孔振膜电动式超声波扬声器。其中声电转换器将音色文件对应的声信号转换为电信号；载波信号发生器产生频率大于20khz的信号作为载波；调制器将声电转换器输出的电信号调制到载波上；滤波器对调制器的输出进行滤波；功率放大器对输入信号进行功率放大；多孔振膜电动式超声波扬声器将所接收的电信号转换为超声波并发射出去。包含音频信号的超声波在空气中自解调，还原出与音频信号对应的声音。
所述多孔振膜电动式超声波扬声器，包括永磁铁、音圈、振膜、防护罩、支撑部分。其中永磁铁产生一个大小和方向不变的恒定磁场；音圈通入交变电流后，交变电流产生交变磁场，音圈在恒定磁场和交变磁场相互作用下沿垂直于音圈所在平面的方向运动；振膜与音圈相连，在音圈带动下产生振动，从而引起空气振动发出超声波；防护罩对振膜起到一定的保护作用；支撑部分对整个系统起支撑作用。由于超声波的频率大于20khz，振膜会在音圈带动下作高速运动，因此要求振膜既要轻，又要有足够的强度，且具有较强的指向性(比如：平面振膜或凹面振膜)。针对这一问题，本发明借鉴了扇动翅膀最快的昆虫——摇蚊的翅膀构造原理。摇蚊1秒钟可扇动翅膀1000多次，其薄膜状的翅膀上有许多微孔，以实现翅膀强度与重量之间的折中。本发明基于仿生学，在振膜上开孔，以兼顾振膜的强度和重量，同时将振膜设计为平面振膜或凹面振膜，以实现更好的定向效果。通过设计振膜上孔的分布，可以使振膜的受力更均匀，振动幅度更大，即发出的超声波功率更大、且不失真。同样，通过设计振膜上孔的分布，还可以有效调节超声波的发射功率。
一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴，其工作流程如下：
步骤1：演奏者打开装置的电源，在功能面板进行设置，比如：选择音色、音律、音调，设置完成后开始弹奏，所设置的信息可显示在屏幕上；
步骤2：简谱键盘中的琴键被按下，简谱键盘获取按键信息并将其发送至控制模块；
步骤3：控制模块对按键信息及功能键的选择进行解析，并发出控制命令指示音源模块将相应的音色文件发送给音源调节模块，指示音源调节模块和等响度调节模块对音色文件进行相应调整；
步骤4：音源调节模块根据控制模块的指令，对音色文件的幅度、播放时长进行调整，并将处理后的音色文件发送给等响度调节模块；
步骤5：等响度调节模块根据控制模块的指令，将音色文件在同等按键力度下的高音、中音、低音调整为相同的响度感觉，并将处理后的音色文件发送给发声模块；
步骤6：发声模块播放所接收的音色文件。下一个音符被弹奏又跳到步骤2，直至整个乐曲演奏完成。
与现有的数码琴相比，本发明具有以下优点：
(1)音域更广，可根据期望的音域范围，设置琴键中最低音和最高音的基音频率，琴音的基音频率范围可超越覆盖人耳所能听到的全音域(20hz～20khz)，即实现超音域，从而使数码琴的表现力更为丰富。
(2)结合人体特性，将键盘按规整音程关系进行矩阵排列，以实现紧凑的空间分布，和弦中各个音的组合关系也更容易辨识、理解和记忆。
(3)数码琴的键盘设计更为灵活直观，琴键可根据需求设计为均匀尺寸或非均匀尺寸，每个琴键采用固定的简谱唱名进行标识，琴键可分为若干区域，不同区域对同一唱名的琴键可进行重复布置，既能满足不同人群的需求，也更容易定位琴键，还可方便多人联奏。
(4)数码琴根据人耳的等响度感知原理，对不同音高的琴音以不同幅度进行调整，使在同等按键力度下，高音、中音及低音的响度感觉一致，从而使演奏者更容易控制琴音的响度，更好地演绎乐谱。
(5)数码琴采用超声信号作为载波，可实现定向传声，使演奏者练琴时，不会影响他人。
(6)数码琴的发声模块采用多孔振膜电动式超声波扬声器，通过在振膜上开孔，兼顾了振膜的强度和重量，同时将振膜设计为平面振膜或凹面振膜，实现了更好的定向传声效果。此外，通过设计振膜孔的分布，能够有效调节超声波的发射功率。
附图说明
图1是本实施例的结构示意图。
图2是本实施例的系统框图。
图3(a)是一种三行排列简谱键盘的示意图。
图3(b)是一种四行排列简谱键盘的示意图。
图4(a)是一种均匀尺寸琴键的示意图。
图4(b)是一种非均匀尺寸琴键的示意图。
图4(c)是一种非均匀尺寸等宽度琴键的示意图。
图5是本实施例基于十二平均律的音高与频率对照表。
图6是本实施例发声模块的结构示意图。
图7(a)是本实施例基于平面振膜的多孔振膜电动式超声波扬声器结构示意图。
图7(b)是本实施例基于凹面振膜的多孔振膜电动式超声波扬声器结构示意图。
图8是多孔振膜孔的分布示意图。
图9是本实施例的工作流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，但本发明的实施不限于此。
如图1所示，一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴包括简谱键盘101、功能面板102、屏幕103、音源模块、控制模块、音源调节模块和等响度调节模块集成在数码琴内部，发声模块104。简谱键盘101用于接收按键信息，并将按键信息发送给控制模块；功能面板102按需设置若干功能键，如：音色选择键、音律选择键、音调选择键；屏幕103按需要进行显示，可显示功能键的信息、也可显示其他内容；音源模块负责采集多种乐器的演奏声音以及软件编辑、合成或处理过的声音，存为音色文件，加入音色库，音色库中的音色文件需要至少覆盖所期望的音域范围；控制模块负责对按键信息及功能键的选择进行解析，并发出控制命令；音源调节模块负责对音色文件的幅度、播放时长进行调整；等响度调节模块负责将音色文件在同等按键力度下的高音、中音、低音调整为相同的响度感觉；发声模块104负责播放所接收的音色文件。
如图2所示，简谱键盘接收按键信息，并将按键信息发送给控制模块；控制模块对按键信息及功能键的选择进行解析，并发出控制命令指示音源模块将相应的音色文件发送给音源调节模块，指示音源调节模块和等响度调节模块对音色文件进行相应调整；音源调节模块根据控制模块的指令，对音色文件的幅度、播放时长进行调整，并将处理后的音色文件发送给等响度调节模块；等响度调节模块根据控制模块的指令，将音色文件在同等按键力度下的高音、中音、低音调整为相同的响度感觉，并将处理后的音色文件发送给发声模块；发声模块播放所接收的音色文件。
图3(a)和图3(b)分别为一种三行排列简谱键盘和四行排列简谱键盘的示意图。一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的简谱键盘，包括琴键矩阵和琴键标识。图3(a)的琴键矩阵由琴键按规整音程关系排列为三行m列矩阵。琴键之间的音程关系设计为：琴键矩阵的每一行琴键从左到右依次升高一个全音，琴键矩阵的每一列琴键从上到下依次降低半个音。图3(b)的琴键矩阵由琴键按规整音程关系排列为四行m列矩阵。琴键之间的音程关系同图3(a)。琴键标识为标注在琴键上的该琴键所对应的简谱唱名。简谱键盘中的每个琴键与固定的简谱唱名对应。不同调式通过数码合成的方式实现。简谱唱名用符号“1、2、3、4、5、6、7”代表音阶中的7个基本音级，并对基本音级符号进行扩展，在“1”和“2”、“2”和“3”、“4”和“5”、“5”和“6”、“6”和“7”之间分别插入一个变化音级符号，形成扩展唱名组。扩展唱名组包括12个符号，可与传统钢琴一个八度中的十二个琴键所表现的音符一一对应，且相邻符号固定相差半个音，从而使琴键的音程具有规律性，容易记忆，方便操作。所插入变化音级符号样式可以根据演奏者的偏好来定义。图3(a)和图3(b)中，用“#”表示升高半个音，用“b”表示降低半个音。将“#”置于基本音级符号的右(或左)上角，来表示较原基本音级升高半个音，相应的扩展唱名组为“1、1#、2、2#、3、4、4#、5、5#、6、6#、7”(或“1、#1、2、#2、3、4、#4、5、#5、6、#6、7”)；将“b”置于基本音级符号的右(或左)上角，来表示较原基本音级降低半个音，相应的扩展唱名组为“1、2b、2、3b、3、4、5b、5、6b、6、7b、7”(或“1、b2、2、b3、3、4、b5、5、b6、6、b7、7”)。上述几种方式中，1#＝#1＝2b＝b2；2#＝#2＝3b＝b3；4#＝#4＝5b＝b5；5#＝#5＝6b＝b6；6#＝#6＝7b＝b7。简谱键盘的琴键标识可以根据演奏者的偏好，混合几种不同的符号样式，比如：图3(a)和图3(b)中，混合了基于“#”和“b”的符号样式，且对应低音和中音的琴键将“#”和“b”标识在基本音级符号的右上角，对应高音的琴键将“#”和“b”标识在基本音级符号的左上角，以便快速定位。
简谱唱名可以沿用简谱中的记法标记高音和低音，即在音符的上边加“.”，表示高八度，如：
对应同一唱名的琴键在简谱键盘的不同空间区域可以重复出现，比如：图3(b)中，位于不同区域的琴键301和琴键302对应同一唱名。这类似于计算机键盘，可以通过位于不同区域的按键，输入相同的“0-9”，“+”，“-”及“回车”。对应同一唱名的琴键分布在多个空间区域，可以帮助理解、记忆、演奏各类和弦，也可方便多人联奏。比如：图3(b)中，.1在两个位置出现，演奏三和弦(.1.51)时，演奏者可以根据自身手型，比如：手型大小、手指长短、手指灵活度和习惯偏好，选择位置更合适的.1进行演奏。
如果同一唱名的琴键在简谱键盘的不同位置出现，可在不同位置采用不同但等价的符号样式，比如：图3(b)中，琴键303的琴键标识为2#，琴键304的琴键标识为3b，两者对应同一唱名，为等价的符号样式。之所以采用不同的符号样式是为了更清晰地展示琴键之间的音程关系，比如：图3(b)中，琴键303和琴键304所在列，琴键的符号样式从上至下分别为“3、2#、2、2b”和“4#、4、3、3b”，清晰地展示了琴键从上到下依次降低半个音的音程关系。
简谱键盘的琴键可配程控背光进行显示，以使各类和弦的音程乐理关系更加清晰直观。由于简谱键盘的琴键按照规整音程关系进行排列，音程关系相同的和弦，其各个音在简谱键盘上的相对位置关系是相同的。比如：图3(b)中，两个三和弦(.1.51)与(.74#7)(如虚线所连接的)，其根音、三音与五音的音程关系是完全一样的，即根音.1和.7分别与其对应的三音.5和.4#相差三个全音加半个音的音程，三音.5和.4#分别与其对应的五音1和7相差两个全音加半个音的音程。因此，上述两个三和弦各个音在简谱键盘上的相对位置关系相同，这有助于理解与记忆和弦各个音的组合关系。此外，不同的和弦(三和弦、七和弦或其他和弦)，只要音程关系相同，其弹奏指法就是一样的，即手型相同，按根音平移即可。简谱键盘的琴键还可提供力度、姿态的信息，比如：通过变换程控背光的颜色来指示不同信息，从而提示演奏者丰富演奏的表现力。
图4(a)是一种均匀尺寸琴键的示意图。图4(a)中，各琴键尺寸一致。琴键宽度可根据传统钢琴黑键的宽度设计，使小手型的演奏者也能轻松弹出八度组合音。图4(b)是一种非均匀尺寸琴键的示意图。图4(b)中，根据琴键的弹奏概率相应设置其面积，即弹奏概率高的琴键，其面积越大，从而使弹奏概率高的琴键更容易被定位。由于基本音级(即，1、2、3、4、5、6、7)的弹奏概率大于变化音级(如，1#、2#、4#、5#、6#)，因此，图4(b)中，基本音级对应琴键的面积大于变化音级对应琴键的面积，即琴键401的面积大于琴键402的面积。图4(c)是一种非均匀尺寸等宽度琴键的示意图。对于非均匀尺寸琴键，如果固定琴键宽度，则可设置不同的琴键长度，即弹奏概率越高的琴键其长度越长。图4(c)中，基本音级对应琴键的长度大于变化音级对应琴键的长度，即琴键403的长度大于琴键404。图4(a)、4(b)、4(c)中，变化音级对应琴键的底色设置为深色，以便于与基本音级对应琴键进行区分。
本发明所述琴键矩阵的琴键，可根据期望的音域范围，设置琴键中最低音和最高音的基音频率，琴音的基音频率范围不仅可以覆盖人耳所能听到的全音域(20hz～20khz)，还能覆盖部分次声波和超声波的频率范围，即实现超音域，以增强乐器演奏者的体验及表现力。琴键可按多种乐律(如：十二平均律、纯律)设置乐音体系。图5是本实施例基于十二平均律的音高与频率对照表。其频率覆盖范围是13.750hz～21096.16hz，超过了人耳所能听到的全音域，实现了超音域。图5中底色为白色的频率值为钢琴频率覆盖范围(27.5hz～4.186khz)内的频率值，底色为灰色的频率值为本实施例在钢琴频率覆盖范围之外所能达到的频率值。由此可见，本实施例的音域远远超过传统钢琴，因此，本发明可大大增强演奏者的体验及表现力。
图6是本实施例发声模块的结构示意图。一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的发声模块，包括声电转换器、载波信号发生器、调制器、滤波器、功率放大器、多孔振膜电动式超声波扬声器。其中声电转换器601将音色文件对应的声信号转换为电信号；载波信号发生器602产生频率大于20khz的信号作为载波；调制器603将声电转换器输出的电信号调制到载波上；滤波器604对调制器的输出进行滤波；功率放大器605对输入信号进行功率放大；多孔振膜电动式超声波扬声器606将所接收的电信号转换为超声波并发射出去。包含音频信号的超声波在空气中自解调，还原出与音频信号对应的声音。
图7(a)和图7(b)分别是基于平面振膜和凹面振膜的多孔振膜电动式超声波扬声器的结构示意图。多孔振膜电动式超声波扬声器，包括永磁铁701、音圈702、振膜(703和704)、防护罩(705和706)、支撑部分707。其中永磁铁701产生一个大小和方向不变的恒定磁场；音圈702通入交变电流后，交变电流产生交变磁场，音圈在恒定磁场和交变磁场相互作用下沿垂直于音圈所在平面的方向运动；振膜(703和704)与音圈相连，在音圈带动下产生振动，从而引起空气振动发出超声波；防护罩(705和706)对振膜起到一定的保护作用；支撑部分707对整个系统起支撑作用。由于超声波的频率大于20khz，振膜会在音圈带动下作高速运动，因此要求振膜既要轻，又要有足够的强度，且具有较强的指向性(比如：平面振膜或凹面振膜)。本实施例在振膜上开孔，以兼顾振膜的强度和重量，同时将振膜设计为平面振膜703或凹面振膜704(其对应防护罩分别为平面防护罩705和凹面防护罩706)，以实现更好的定向效果。
图8是多孔振膜孔的分布示意图。通过设计振膜上孔的分布，可以使振膜的受力更均匀，振动幅度更大，即发出的超声波功率更大、且不失真。同样，通过设计振膜上孔的分布，还可以有效调节超声波的发射功率。
图9是本实施例的工作流程图。一种基于规整音程矩阵及人体特性的超音域数码简谱键盘琴的工作流程如下：
步骤1：步骤1：演奏者打开装置的电源，在功能面板进行设置，比如：选择音色、音律、音调，设置完成后开始弹奏，所设置的信息可显示在屏幕上；
步骤2：简谱键盘中的琴键被按下，简谱键盘获取按键信息并将其发送至控制模块；
步骤3：控制模块对按键信息(如：按键对应唱名、按键力度、按键时长)及功能键的选择(如：音色选择、音律选择、音调选择)进行解析，并发出控制命令指示音源模块将相应的音色文件发送给音源调节模块，指示音源调节模块和等响度调节模块对音色文件进行相应调整；
步骤4：音源调节模块根据控制模块的指令，对音色文件的幅度、播放时长进行调整，并将处理后的音色文件发送给等响度调节模块；
上述处理包括：根据按键时长对音色文件的时长进行调整，如按键时长超过音色文件的时长则增加播放的周期数，按键时长比音色文件的时长短则减少播放的周期数；根据按键力度对音色文件的幅度进行调整，如按键力度大则加大幅度，按键力度小则减小幅度；
步骤5：等响度调节模块根据控制模块的指令，将音色文件在同等按键力度下的高音、中音、低音调整为相同的响度感觉，并将处理后的音色文件发送给发声模块；
上述等响度处理包括：根据等响曲线，对不同基音频率的音色文件的幅度进行调整，即对高音和低音的音色文件进行幅度补偿，使在同等按键力度下，高音和低音与中音的响度感觉相同；
步骤6：发声模块播放所接收的音色文件。下一个音符被弹奏又跳到步骤2，直至整个乐曲演奏完成。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围。
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