顧先華 吳士廣 陳思琪 黃 麟 劉松巖 北京郵電大學(xué) 北京 100876

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快速轉(zhuǎn)調(diào)的新型電子古箏的探求與發(fā)明

顧先華 吳士廣 陳思琪 黃 麟 劉松巖 北京郵電大學(xué) 北京 100876

【文章摘要】

本電子古箏電路包括傳感放大器電路、音源選擇單片機(jī)和擴(kuò)音器電路，是一種創(chuàng)新電子樂器，外形沿用傳統(tǒng)古箏，創(chuàng)新運(yùn)用電子電路進(jìn)行發(fā)聲變調(diào)。因此，電子古箏音律準(zhǔn)確，音色優(yōu)美，特別是快速轉(zhuǎn)調(diào)——根據(jù)調(diào)子進(jìn)行音源選擇，解決了中國傳統(tǒng)弦樂器轉(zhuǎn)調(diào)靠耳力的世界難題，大大增強(qiáng)了電子古箏的藝木表現(xiàn)力。

【關(guān)鍵詞】

電子古箏；快速轉(zhuǎn)調(diào)；Arduino

0 引言

作為一群古箏愛好者，我們團(tuán)隊(duì)對于轉(zhuǎn)調(diào)中的繁瑣是絕對的深惡痛絕。在廣泛的征集老師、同學(xué)、古箏專業(yè)演奏者后，我們發(fā)現(xiàn)古箏的笨重、轉(zhuǎn)調(diào)的繁瑣等等問題深深困擾著人們。產(chǎn)生這些問題的其中一個(gè)根源便是雁柱。傳統(tǒng)古箏雁柱有著悠久的歷史，是古人經(jīng)過不斷的改善而得到的，中國傳統(tǒng)樂器不同于國外樂器，沒有固定的數(shù)據(jù)，有著其獨(dú)特的文化和魅力，不同的琴，是造琴者依托自己的感覺而打造出來，造成了中國傳統(tǒng)樂器制作數(shù)據(jù)無法統(tǒng)一，但同時(shí)也給了不同琴的不同的個(gè)性。因此我們不希望去背離傳統(tǒng)，而轉(zhuǎn)向與傳統(tǒng)古箏并列的電子古箏。

本電子古箏是一種創(chuàng)新電子樂器，外形沿用傳統(tǒng)古箏的流線型, 演奏技巧上尊重傳統(tǒng)。琴弦彈奏產(chǎn)生音符，壓電陶瓷片將其轉(zhuǎn)換為電流,電路放大信號(hào)，根據(jù)調(diào)子的選擇利用Arduino進(jìn)行音源選擇實(shí)現(xiàn)快速轉(zhuǎn)調(diào)功能，最后利用擴(kuò)音器放音?，F(xiàn)階段，電子古箏實(shí)體已經(jīng)基本完成，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)古箏六調(diào)之間的快速轉(zhuǎn)換。

1 正文

近年來，電子樂器發(fā)展迅速，形成一種獨(dú)特的文化，而在電子古箏方面研究的人少之又少，所得的成果屈指可數(shù)。我們希望研制出一款輕便易攜帶，能接入耳機(jī)、電腦、音箱等電子設(shè)備的電子古箏。我們一是希望引導(dǎo)未來電子古箏的走向，鼓勵(lì)更多的人研究電子古箏，關(guān)注中國的傳統(tǒng)樂器，二是希望能為古箏愛好者、初學(xué)者提供一款輕便易攜帶、能快速錄音等功能的電子古箏，方便人們能隨時(shí)隨地在不影響他人的情況下彈奏古箏。

傳統(tǒng)古箏是靠彈撥琴弦產(chǎn)生振動(dòng)，通過弦架等將振動(dòng)傳輸?shù)侥举|(zhì)音箱共鳴而發(fā)聲。本電子古箏是一種創(chuàng)新電子樂器，外形沿用傳統(tǒng)古箏及其演奏技巧．利用電路產(chǎn)生音階，利用擴(kuò)音器放音，琴弦作為彈奏的載體。因此，電子古箏音律準(zhǔn)確，音色優(yōu)美，特別是快速轉(zhuǎn)調(diào)——根據(jù)調(diào)子的選擇進(jìn)行音源選擇，解決了中國傳統(tǒng)弦樂器轉(zhuǎn)調(diào)靠耳力、數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的世界難題，大大增強(qiáng)了電子古箏的藝木表現(xiàn)力。

2 項(xiàng)目研究的主要內(nèi)容

2.1信號(hào)的拾取與采集

我們對傳統(tǒng)的古箏進(jìn)行改造，將古箏的音箱去除，使它自身的聲音變小或者沒有，然后古箏的一邊放置相應(yīng)數(shù)量的壓力傳感器。同時(shí)我們?yōu)榱斯殴~的美化，對相應(yīng)的位置進(jìn)行改造。在每根的琴弦下面安置一個(gè)壓力傳感器，通過該壓力傳感器可以檢測到各個(gè)弦按壓的力度。當(dāng)某根琴弦被按壓下時(shí)，壓力傳感器檢測到信號(hào)，傳輸，并將信號(hào)進(jìn)一步放大傳輸?shù)较乱患墶?/p>

2.2信號(hào)的處理

壓力傳感器傳輸?shù)男盘?hào)輸入到Arduino系統(tǒng)，通過Arduino的編程實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而控制相應(yīng)的音源輸出。在每根琴弦的輸入線路中，都連接一個(gè)按鈕。如果在信號(hào)傳輸中，有按鈕按下時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)識(shí)別，輸出對應(yīng)設(shè)定的音頻，如果沒有按鈕按下，系統(tǒng)就會(huì)輸出原本的音頻。

2.3信號(hào)的輸出

基于Arduino傳輸而來的信號(hào)，通過音頻功率放大電路進(jìn)行進(jìn)一步的放大和輸出。普通的音頻功率放大電路支持的功率較小，我們選用較大的功率放大電路，使之能夠符合演奏需要。

2.4古箏音高頻率的推導(dǎo)計(jì)算

古箏的轉(zhuǎn)調(diào)是指把原調(diào)升高或降低而變成另外一個(gè)調(diào)。古箏是五聲音階頂線，常用調(diào)都是以“移柱”達(dá)到轉(zhuǎn)調(diào)的目的。根據(jù)十二平均音律，音高依次升高，相鄰兩個(gè)音高倍數(shù)為2^(1/12)倍（2的12分之一次方）

2.5實(shí)體改造

3 項(xiàng)目研究的特色

本項(xiàng)目---電子古箏，結(jié)合了變調(diào)與定位的兩大功能，是項(xiàng)目中最大的創(chuàng)新點(diǎn)。其成本低廉，變調(diào)時(shí)間短，使用方法簡潔易懂將成為它最大的競爭點(diǎn)。它將中國傳統(tǒng)與現(xiàn)代科技結(jié)合起來，開辟出一個(gè)新的電子樂器領(lǐng)域。我們希望通過此項(xiàng)目的研究與發(fā)明，一方面為廣大古箏愛好者在古箏的學(xué)習(xí)上提供一個(gè)良好的平臺(tái)，另一方面宣揚(yáng)中國傳統(tǒng)音樂文化，讓更多人了解古箏、學(xué)習(xí)古箏。

具體創(chuàng)新特色如下：

(1)項(xiàng)目具有藝術(shù)性：此項(xiàng)目涉及音樂領(lǐng)域，以藝術(shù)為起點(diǎn)，融合科技，將中國傳統(tǒng)樂器映射到新的電子領(lǐng)域。希望以科學(xué)的數(shù)據(jù)承載音樂的曼妙，用藝術(shù)的手法點(diǎn)醒技術(shù)的優(yōu)美。

(2)項(xiàng)目具有便利性：將古箏中難以變調(diào)這一最大的缺點(diǎn)攻破，僅需一個(gè)按鍵，告別“抬弦移碼”的時(shí)代，方便廣大古箏愛好者以及樂團(tuán)工作者在演奏時(shí)方便快速變調(diào)，節(jié)約寶貴的演奏時(shí)間。

(3)項(xiàng)目具有多功能性：本電子古箏最后可接音箱、耳機(jī)、電腦，隨心所欲。既可以向大家展示自己古箏才能，也可創(chuàng)造出自己的小小音樂世界，更可以接入電腦利用音樂軟件作出自己想要的音樂。

(4)項(xiàng)目具有市場需求：在調(diào)查當(dāng)中百分之九十的人都反映彈奏中變調(diào)的繁瑣與費(fèi)時(shí)，一部分人反映在保存古箏的過程中容易走音的現(xiàn)象。而現(xiàn)在市面上缺少電子古箏類似的產(chǎn)品，也缺少解決這類問題有效的古箏元件。

(5)項(xiàng)目具有實(shí)用性：項(xiàng)目最后的研究成果將以實(shí)體形式呈現(xiàn)在人們面前，且電子古箏不改變傳統(tǒng)古箏指法技巧，且電子部分使用方法簡潔易懂、裝卸便利。

(6)項(xiàng)目具有美觀性：我們可以改變傳統(tǒng)古箏的外形（因?yàn)閮H需琴弦的振動(dòng)無需放大的共鳴箱），加入藝術(shù)的佐料，融合我們的個(gè)性，使之更加具有美觀性。

(7)項(xiàng)目具有科學(xué)性：項(xiàng)目將從科學(xué)的角度出發(fā)，改造中國傳統(tǒng)古箏，加入現(xiàn)代電子技術(shù)，讓古箏就如古典吉他一般，在電子領(lǐng)域擁有它的一席之地。

4 項(xiàng)目研究的技術(shù)架構(gòu)

新型電子古箏電路由拾音器，放大電路，主控，單片機(jī)Arduino，擴(kuò)音器組成。

壓力傳感采用壓電陶瓷片作為壓力傳感器，安裝在古箏前岳山處每根琴弦之下，電路板置于面板右方黑色盒內(nèi)。演奏時(shí)，撥動(dòng)琴弦，壓電陶瓷片產(chǎn)生形變，由于壓電效應(yīng)，松手瞬間，壓電陶瓷片兩面產(chǎn)生感應(yīng)電荷，輸出正向尖頂脈沖電壓信號(hào)，輸入到傳感放大器電路。

放大部分是將信號(hào)輸入到具有一定放大能力的前置放大電路，弱信號(hào)經(jīng)過前置放大電路放大一定幅值后進(jìn)入帶通濾波電路，濾波完成后輸入到下一個(gè)處理過程。由于電子古箏利用電路產(chǎn)生音階和形成因素，能夠解決傳統(tǒng)古箏五聲音階致命的缺點(diǎn)，即不能方便地升降半音。如果將某一半音音名頻率輸出端與電子古箏某一根琴弦音名控制電路相連，就可以更改某一根琴弦上升或下降半音，就像豎琴一樣通過腳踏板控制相應(yīng)弦升降半音。那么將古箏傳統(tǒng)六調(diào)21根弦音名全部輸入到控制電路中，僅需一個(gè)按鍵，便可將輸出21根琴弦音名在六調(diào)之間自由變化，達(dá)到自由升降調(diào)的目的。

經(jīng)過功率放大電路的放大作用，以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音，或者由USB接口連入其他電子設(shè)備進(jìn)行錄音，或者連接耳機(jī)在不打擾其他人的情況下創(chuàng)造一個(gè)自我娛樂的天地。

5 項(xiàng)目成果及其性能分析

電子古箏是以單片機(jī)為核心，通過外圍電路（傳感放大器電路、單片機(jī)外圍電路、擴(kuò)音器電路）實(shí)現(xiàn)琴弦的準(zhǔn)確調(diào)弦。

改造后的古箏的五根琴弦與單片機(jī)相連接，撥動(dòng)琴弦，采用壓力傳感器FSR400力敏電阻薄膜（循環(huán)壓力傳感器）接受振動(dòng)信號(hào)，然后傳入五個(gè)輸入端口（模擬輸入口），6個(gè)數(shù)字輸入口連接6個(gè)按鍵，分別控制6種不同的音調(diào)，簡單通俗的說5個(gè)壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了5*6個(gè)音調(diào)，并且11個(gè)元器件，均設(shè)置了11個(gè)保護(hù)電阻，以保證不會(huì)損壞。信號(hào)傳入Arduino 開源 Arduino TTL串口語音播放器，發(fā)出已經(jīng)存入的不同音調(diào)的聲音，但是傳統(tǒng)古箏是二十一根琴弦，因此，我們需要將剩余的琴弦同樣裝以單片機(jī)，將古箏完全電子化，以達(dá)到最終的目的。

這種技術(shù)使我們的電子古箏音色優(yōu)美（在音源可見情況下能達(dá)到專業(yè)古箏音色），沒有改變傳統(tǒng)古箏演奏方式，即不論是托、劈、勾、剔、抹、挑，還是撮、輪、搖等諸多技法，都能播放出選定古箏琴音。雖然我們在多次嘗試搭接電路時(shí)多出現(xiàn)接觸不良而導(dǎo)致無法正常發(fā)聲的情況，但是一次次的試驗(yàn)中，最后圓滿實(shí)現(xiàn)上述功能。

6 項(xiàng)目成果的測試情況及數(shù)據(jù)處理

第一階段：一根弦燈亮有聲，說明接受到傳感器傳來的信號(hào)，初步測試成功；

第二階段：一根弦兩個(gè)調(diào)，轉(zhuǎn)調(diào)電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，保證接下來5*2個(gè)音調(diào)的實(shí)現(xiàn)；

第三階段：五根弦兩個(gè)調(diào)，將五根琴弦分別連接5個(gè)壓力傳感器，連接到單片機(jī)，轉(zhuǎn)置語音播放器，產(chǎn)生聲音；

第四階段：五根弦六個(gè)調(diào)，五根琴弦經(jīng)過單片機(jī)后，可以產(chǎn)生5*6個(gè)音調(diào)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的最終目的。

7 項(xiàng)目成果的經(jīng)濟(jì)效益或社會(huì)效益分析

將木古箏改裝成電子古箏的好處可以類比于電吉他之于木吉他所帶來的進(jìn)步，首先，將聲音信號(hào)量化編碼實(shí)現(xiàn)了古箏聲音的數(shù)字化處理。方便了后期對聲音的各種處理，使得古箏的聲音色彩更加的豐富，極大的增強(qiáng)了古箏的表現(xiàn)力。

其次，古箏數(shù)字化電子化使得東方傳統(tǒng)樂器真正邁入了電子樂的大門。將傳統(tǒng)樂器同現(xiàn)代混聲與朋克元素結(jié)合，一定會(huì)為古箏帶來新的生命活力，釋放出巨大的市場潛力。

8 結(jié)論

本項(xiàng)目的主體——電子古箏是以單片機(jī)為核心，通過外圍電路（傳感放大器電路、單片機(jī)外圍電路、擴(kuò)音器電路）實(shí)現(xiàn)琴弦的準(zhǔn)確調(diào)弦。9月下旬至12月上旬，我們進(jìn)行到了研究階段的中期階段——古箏音高頻率推導(dǎo)常用五個(gè)調(diào)全部推導(dǎo)完畢，三個(gè)外圍電路實(shí)現(xiàn)和測試成功，單片機(jī)基礎(chǔ)代碼編寫完成和輸入輸出測試成功，古箏實(shí)體改造初步完成。2月下旬至5月上旬，我們進(jìn)行到了研究階段的終期階段——古箏實(shí)體五根琴弦六個(gè)音調(diào)自由選擇轉(zhuǎn)換測試成功，古箏實(shí)體初步封裝，外觀美化。

由于項(xiàng)目的立意包括傳統(tǒng)的改革，使得這個(gè)項(xiàng)目始終存在一定的困難和爭議。傳統(tǒng)古箏的觀念已經(jīng)被廣大群眾所喜歡，所以對原有古箏進(jìn)行改造，增加電子設(shè)施，一些古箏師傅并不贊成這樣的改動(dòng)，認(rèn)為傳統(tǒng)古箏歷史悠久，經(jīng)過幾千年的歷史，已經(jīng)很完美了。而我們必須要推陳出新，需要一步一步去摸索，原本項(xiàng)目初定僅僅實(shí)現(xiàn)變調(diào)的功能，改了很多次計(jì)劃，起初希望直接對古箏增設(shè)器件來完成對古箏的轉(zhuǎn)調(diào)，但是對古箏的改造對古箏的改動(dòng)找不到合適的下手點(diǎn)，所以最終我們決定轉(zhuǎn)換思路，采用壓電陶瓷片來采集振動(dòng)信號(hào)，集成電路來放大，最終通過單片機(jī)來將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)，為人耳所接受。結(jié)果發(fā)現(xiàn)集成電路放大倍數(shù)有一定的問題，單片機(jī)不易接受輸入信號(hào)，最終決定采用壓電陶瓷片拾取振動(dòng)信號(hào)，單片機(jī)直接拾取電信號(hào)，并且完成轉(zhuǎn)調(diào)的功能。項(xiàng)目不斷的改善，需要搜集更多的資料以實(shí)現(xiàn)電子古箏的功能。

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指導(dǎo)教師：王菡 助理研究員