专利名称：圆滑音力度电子琴键盘系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有圆滑音和力度演奏功能的电子琴键盘及相应的辅助电路。
在现有技术中，可以演奏圆滑音的电子琴键盘尚没有出现。所谓圆滑音，是指类似管弦乐演奏中滑音的演奏效果。力度键盘在电子钢琴中则有所应用，一般由以下几种原理来实现力度控制1.电磁感应原理导体在磁场中运动切割磁力线产生感生电流，其运动速度快，感生电流强，反之电流便弱，利用这个感生电流控制电子开关即可实现力度控制。
2.利用电容效应将平板电容的二板设计成一个定片和一个动片，动片用弹簧支撑。对动片作用越大，电容量越小。因此，电容量的大小与力度成反比，以此原理来实现力度控制。
上述两种原理的力度控制方法，其主要缺点是每一个键的力度控制只能一次性完成，即在弹奏一个音时，只有一个固定的力度强度，在发音过程中无法再进行力度转变，只有再弹下一次才能另外实现其它强度的力度。由于这个问题的存在，使得上述力度控制原理只能应用于钢琴，吉它等弹奏音形，而对于吹拉音形，拔奏音形和击奏音形则无法实现力度演奏功能。
本发明的目的是提出一种新电子琴键盘系统，采用该系统，配合电子琴中已有的各种电路，可以实现电子琴中所有音形、音色的圆滑音和力度演奏功能。
本发明的要点在于采用压阻式力敏器件作为力能电能的转换器，其中力敏器件14与传力构件18及相应的辅助电路构成力度控制器1，由力度控制器1产生的正比于弹奏力的电压信号经包括电路(音形门)3到功率输出电路8，从而得到音量正比于弹奏力的各种音形的乐音。本发明的另一个特征在于由包含力敏器件的传力构件21，22与可换向的传力操作杆29及相应的辅助电路构成圆滑音控制器2，圆滑音控制器2产生的正比和反比于操作力F1，F2的电压信号输入压控分频器4，压控分频器4的分频系数正比于输入电压，压控分频器4的输出经音色形成电路6，包括电路3到功率输出电路8，从而得到相关于操作力F1，F2的各种音形的上滑音和下滑音。
前述压力控制器中的传力构件18是由压力作用板11，传力栓12，元件室13，力敏器件14，橡胶层15，支架板16，元件板17组成，其中力敏器件置于元件板上的元件室中，力敏器件与传力栓下部相接触，传力栓上部与橡胶层接触，橡胶层由支架板支撑、橡胶层上面为压力作用板，琴键底设有力度控制触点，演奏时该触点作用于压力作用板。
前述圆滑音控制器中可换向的传力操作杆为一L形结构，一端镶操作钮，另一端置于两个传力构件21，22之间，在琴键中心或两个琴键之间开孔，操作杆从孔中穿过，孔的大小以琴键的运动不受操作杆的影响为准，传力操作杆的拐点有转轴支撑使之可绕转轴转动。
压控分频器由石钟振荡器、计数器和分频系数控制电路组成，分频系数控制电路由开关元件BGi(i＝1，2，…n)，跳变分压电路Ai(i＝1，2，…n)和电阻分压电路Ri(i＝0，1，2…n)组成;其中开关元件BGi与n位计数器的几个控制端联接，BGi的输入端接Ai，Ai与Ri-1、Ri之间的分压点相接，Ai是由多个单元电路Bi串联组成，Bi的级数应使BGi的开关状态按二进制规律排列并以此作为几位计数器的分频系数。
本发明的目的是设计一种新型键盘，对所有音形、音色进圆滑音演奏和力度演奏。
本发明是在已有的电子琴和电子合成器的基础上设计的，完成其全部功能的一部分，必须与其它部分配合使用。本发明应用的方框原理图如图(1)。其中，力度控制器和圆滑音控制器由键盘操作。力度控制器与包络电路共同完成力度控制。圆滑音控制器与压控分频器共同完成圆滑音控制。力度控制器、圆滑音控制器和压控分频器为本发明的核心内容。
力度控制器由力敏器件和辅助电路组成。力敏器件可选择无源传感器中的力敏电阻，其中包括电位计式、金属应变式和半导体压阻式、高分子薄膜式等;也可以选择有源传感器中的压电式传感器。对于力敏电阻，辅助电路可采用电阻分压电路如图(2)。图中RO为固定电阻。力敏电阻受到外力作用阻值发生相应变化，根据分压定律可知Vx将随其变化。Vx即为工作的力度控制电压。若Vx不能满足强度要求，可加放大装置将它放大后投入工作。对于压电式传感器，由于传感器直接产生电压信号，只需按要求适当放大即可投入工作。
力敏器件在使用中安装在按键下面，每一个键下都有一个力敏器件。对于滑线或电位计式力敏电阻，可将滑动触点与适当的弹性弹簧或弹性片相连。按键作用在弹簧(弹性片)上，再带动力敏电阻的滑动触点进行工作。对于其余力敏器件，一般需附加力的衰减装置，因为它们直接可以承受的力都很小。这里提出两种指力衰减办法。第一种一般用于半导体压阻式力敏电阻，办法是将半导体力敏电阻应变计粘贴在弹性材料上，指力通过按键作用在弹性材料上，弹性材料通过形变将力传给力敏电阻，从而进行工作。弹性材料可做成任何形状。第二种见图(3)。指力F通过按键作用在压力作用板的中央部位，再通到软橡胶层均匀地作用在支架板上与力作用板正对的面积上，显然这块面积也为S。S与S′共面，由压强公式P＝F/S由此推出作用于传力栓上的力F′＝ (S′)/(S) F。适当设置 (S′)/(S) 的值，即可满足需要的衰减倍数。传力栓与力学传感器间空隙足够小，整个衰减装置几乎无宏观机械运动。如果传感器的承受能力足够大，则无需附加任何衰减装置而直接受按键作用，这是比较好的发展方向。
力度控制器产生的电信号作用于包络电路。图(4)为典型的包络电路。其中(a)为吹拉包络电路。(c)为拔、击奏包络电路。由图(a)、(b)中可以看出这样的性质在一定范围内增大+E，则C3经充电所得到的电位增高，则运算放大器的运算增益增高，以至输出音频信号增强;反之，输出音频信号弱。利用这个性质，用力度控制器产生的电压Vx替换图(4)(a)、(b)中+E，实现了力度控制。对于图(c)拔击奏包络电路，由图中可知电源+E的大小不光影响锯齿电压的大小，而且影响其频率。因此对于图(c)的包络电路需在音频输入或输出端加一个电子开关(如运算放大器)，用力度控制器产生的电压Vx控制电子开关的导通程度，实现力度控制。
考虑力度键盘可手控音频信号强弱这一特性，可将图4(a)的吹拉包络电路中的R4短路，这样吹拉音形的音头完全手控。或将C3也略去，音尾也完全手控。
圆滑音控制器的结构和原理与力度控制器相同，只是设计取值存在差异。
由于按键已经用来进行力度控制，还要另设装置将指力传向圆滑音，控制器的力学传感器。
对于普通键盘设计装置如图(5)。操作钮可接受图中箭头所示两个方向的作用力F1、F2。在传动点A上下两端装有X1、X2两个传感器。其中传感器X1连成图(2)(b)所示电路，传感器X2连成图(2)(a)所示电路。所以X1、X2的工作状态相反，X1产生的电压是衰减的，X2产生的电压是增加的(设计传感电阻受力值减小)。利用这两个相反的状态实现同一音的上滑音和下滑音演奏。
另外，若将普通键盘的机械触点用触摸电子开关或力控电子开关代替，制成平面键盘，即所有按键(无论黑键还是白键)的手指作用面都在同一平面，并且键是固定不动的，无机械运动。这样，可以方便地把图(5)中传导指力的部分转过90°，安装在两键之间，如图(6)。设计向左施加力F1、X2工作，演奏右侧键的下滑音;向右施加力F2、X1工作，演奏左侧键的上滑音。由于键盘向左弹下行，向右弹音调上行。这使得用这种滑音装置演奏时，手指用力方向与滑音方向相同，演奏感觉很好，也比普通键盘中的方式易于演奏。
圆滑音控制器产生的电压Vx输入音源，控制压控分频器。
如图(7a)压控分频器由计数器、开关元件BGi(i＝1，2…n)和跳变分压电路Ai(i＝1，2…n)组成。Vx为圆滑音控制器产生的变化电压。Vx经R9～Rn按一定比例调整为Vi(i＝1，2…n下同)。Vi输入Ai经Ai作用输出Vai，Vai的值在BGi的导通值左右反复升降，从而使BGi在导通和截止这两个状态间交替变化。在计数器的工作中，BGi的导通作为“0”，截止作为“1”，使BGi排成一个二进制数码作为计数器的分频系数n。若石钟振荡器产生的频率为fc，则计数器输出信号频率为fc/n。通过滑音控制器产生Vx控制n值，就控制了输出音频的频率。
图(7b)为跳变分压电路Ai的结构框图，其中Bi′(i′＝1，2…mi)为Ai的一个跳变分压单元，所有Bi′的结构、原理完全相同。元件参数有所差异。Bi′的功能是1。输入电压持续上升(下降)，输出电压由某一初始值随之上升(下降)，当输入电压达到某一定值时，输出电压跳变回初始值;输入电压继续上升(下降)，输出电压随之上升(下降)，不再跳变。2.在前述基础上，输入电压若回到初始值，则输出电压也回到初始值，电路回复到初始工作状态。将Bi′串联构成Ai，如图(7b)，每个单元的输入电压都是前一级单元电路的输出电压。对B1～Bmi中元件参数进行适当选择可实现下述功能以Vi持续上升为例，当Vi从某一初始值起上升，则Vai和Vb1～Bbmi随之从各自初始值开始上升。当增量为△V伏时，B1跳变使Vai回到初始值重新随Vi上升;当增量为2△V伏时，B2跳变，使Vb1回复到初使值，即B1的输入电压回到了初始值，则B1回复到最初工作状态从头开始工作。同理当增量为3△V伏时B3跳变使B1、B2回到初使工作状态重新工作…。这样就实现了Vai的多次跳变、即实现了Vai值在BGi导通值左右多次反复升降。
调整图(7a)中R0～Rn值，使A1～An的输出电压按二进制数码的进位规律变化，则实现了对分频系数n的控制。
图7c)为Bi′的电路原理图，Vbi′上升，则Vbi′-1和Vci′随之上升，当Vci′达到BGai′的导通值，BGai′被打通，R3分流，Vbi′-1下降。适当选择R3，可以Vbi′-1跳变回初始值。Vbi继续上升，则Vbi-1只能随其上升，不能再跳变。若Vbi′转而下降，则Vbi′-1和Vci′随之下降，当Vci′小于BGai′的导通值时，BGai′截止，R3不分流Vbi△l升高。Vbi′继续降至初始值;Vbi′-1随之降至自己的初始值。
本发明实现了电子琴所具有的一切音色的力度演奏，大大提高了电子琴的演奏能勉。本发明中圆滑的实现由电压控制，稳定性容易保证，不会出现音准混乱。
若力学传感器能按本发明要求制作，压控分频器制成集成电路，则成本大大降低，容易推广，经济效益、文化效益都很可观。
附图
图(1)发明实际应用的方框原理(2)力敏电阻辅助电路(3)一种指力衰减装置传力构件结构(4)典型包络电路原理(5)滑音操作钮在普通键盘上安装示意(6)滑音操作钮在平面键盘上安装示意(7)压控分频器原理图，图中a为原理框图，b为Ai单元框图，c为Bi单元电路原理图。
权利要求
1.一种用于演奏圆滑音和具有力度控制的电子琴键盘，包括包络电路(音形门)3音色形成电路6，功率输出电路8和音源5，其特征在于采用压阻式力敏器件作为力能一电能转换器件，力敏器件14与传力构件18及相应的辅助电路构成力度控制器1，由力度控制器1产生的正比于弹奏力的电压信号经包络电路(音形门)3到功率输出电路8，得到音量正比于弹奏力的各种音形的乐音，本发明的另一个特征在于由包含力敏器件的传力构件21，22与可换向的传力操作杆29及相应的辅助电路构成圆滑音控制器2，圆滑音控制器2产生的正比和反比于操作力F1，F2的电压信号输入压控分频器4，压控分频器4的分频系数正比于输入电压，压控分频器4的输出经音色形成电路6，包络电路3到功率输出电路8，得到相关于操作力F1，F2的各种音形的上滑音和下滑音。
2.根据权利要求1所述的电子琴键盘系统，其特征在于所述力度控制器中的传力构件18是由压力作用板11，传力栓12，元件室13，力敏器件14，橡胶层15，支架板16，元件板17组成，其中力敏器件置于元件板上的元件室中，力敏器件与传力栓下部相接触，传力栓上部与橡胶层接触，橡胶层由支架板支撑，橡胶层上面为压力作用板，琴键底部没有力度控制触点，演奏时该触点作用于压力作用板。
3.根据权利要求1所述的电子琴键盘系统，其特征在于所述圆滑音控制器中可换向的传力操作杆为一L形结构，在琴键中心或两个琴键之间开孔，操作杆从孔中穿过，孔的大小以琴键的运动不受操作杆的影响为准，传力操作杆的拐点有转轴支撑使其可绕转轴转动，传力操作杆一端镶操作钮，另一端置于两个传力构件21，22之间。
4.根据权利要求1所述的电子琴键盘系统，所述的压控分频器包括石钟振荡器，计数器，其特征在于由分频系数控制电路控制计数器的n个控制端，分频系数控制电路由开关元件BGi(i＝1，2，…n)，跳变分压电路Ai(i＝1，2…n)和电阻分压电路Ri(i＝0，1，2…n)组成，其中开关元件BGi与n位计数器的几个控制端连接，BGi的输入端Ai，Ai与Ri-1，Ri之间的分压点相接，Ai是由多个单元电路Bi串联组成，Bi的级数应按照使BGi的开关状态按二进制规律排列并以此作为n位计数器的分频系数。
全文摘要
一种用于演奏圆滑音和具有力度控制的电子琴键盘系统，包括圆滑音控制器，力度控制器和压控分频电路。本发明的特征在于采用力敏器件，传力构件及相应的辅助电路组成力度控制器和圆滑音控制器，力度控制器用于控制音量大小，圆滑音控制器和压控分频器用于控制上滑音和下滑音的产生。本发明大大提高了电子琴的演奏功能，可以模仿各种乐器的各种演奏效果。
文档编号G10H1/34GK1063958SQ9110071
公开日1992年8月26日 申请日期1991年2月2日 优先权日1991年2月2日
发明者刘丹, 侯彩虹 申请人:刘丹, 侯彩虹