电子民族管乐合成器.pdf

本发明描述了电子民族管乐合成器，合成器最大限度地保留了中国民族管乐器外观形状、演奏技法、操作习惯。为此合成器包括身管和可以更换的系列吹奏头，合成器内部封装了包含处理器的电路系统。合成器身管上对应传统乐器音孔的位置处装有按指传感器，并由处理器来判断按指传感器反映的演奏意图。合成器提供了由处理器进行监控响应的各种控制接口，包括半音接口、八度接口、定调接口。合成器还设有自动环境检测补偿电路，避免需要演奏者人工进行调整。合成器也具备升级扩展接口。

1.  一种电子民族管乐合成器，主要外观结构部件包括管身和可更换的系列吹奏头，以保留多种传统民族管乐器的演奏举持姿势、吹气方式。可以发出多种民族管乐器的声音。

2.  合成器电路系统位于权利要求1所述的管身和吹奏头内。

3.  权利要求1所述的管身上设置若干按指传感器来感受演奏者手指的演奏意图。

4.  权利要求3所述按指传感器采用点阵感应或栅格感应器件，来感知用户按指的位置、接触面积。器件类型包括并不限于采用压电原理、光学原理、应变电阻原理、或者电容原理的器件。

5.  合成器的微处理器通过通道选择开关访问权利要求3所述的按指传感器，以减少所需要的信号通道数。

6.  权利要求1所述的管身与吹奏头之间有吹奏头身份识别接口，包括并不限于电路接口，机械结构接口。

7.  合成器的人机接口中包括并不限于半音接口，定调接口和八度接口，由微处理器响应各个接口的请求。

8.  合成器电路包含环境检测与自动补偿电路，避免演奏者在演奏之外分心考虑环境状况。检测与补偿电路包括并不限于温度检测补偿电路、湿度检测补偿电路。可选择的检测器件包括并不限于温度传感器、湿度传感器。

9.  权利要求2所述电路包含升级扩展接口，在权利要求1所述的管身上也为此接口留出插接位置，可选择的接口包括但不限于存储卡插槽、USB接口。

10.  本发明所述的合成器也可用于民族管乐器之外的其他自然乐器的合成模拟。

电子民族管乐合成器
技术领域
本发明涉及合成如竹笛、箫、唢呐等多种民族管乐器音色的电子民族管合成乐器。
背景技术
电子管乐器一般模仿传统管乐器的外观，增加气压检测器、控制器、乐音发生器等数部分组成。和传统管乐器相比，电子管乐器具有多音色，扩展音域，可增加和声等优势。本发明是一种沿用我国民族管乐器演奏技巧手法的电子管乐器，这种管乐器可以模拟多种民族管乐器如笛子、箫、唢呐等乐器的音色，并且扩展了表达能力和演奏技法。
在电子管乐器这一领域国内外均有一些成果和成熟产品。中国专利CN87212065、CN892070803、94222311.8。这些专利所描述的方案可以产生近似自然吹管乐器的音色。国外进口的一些电子吹管可以模拟的乐器种类也较多。但所有这些发明不能完全准确地模拟民族管乐器的丰富表达技巧，例如泛音、滑音等效果。
发明内容
本发明涉及一种电子民族管乐合成器(以下简称合成器)，在以往发明及产品的基础上进行了进一步改进。本发明描述的合成器采用以微处理器为核心的数字信号处理(DSP)技术实现乐器的信号采集、乐音发生、控制逻辑。本发明可以模拟多种传统民族管乐器的声音，最大限度支持传统乐器的演奏技法，并基本保持传统管乐器的主要演奏习惯，包括举持姿势、吹气和按指方式。
附图说明
附图-1是电子民族管乐合成器的外观结构图
附图-2是电子民族管乐合成器的电路原理图
附图-3是主要控制接口与处理器的信号流向关系
具体实施方式
合成器的结构外观如附图-1。合成器的主要部件为管身1和吹奏头7。在管身的内部放置以微处理器12为核心的电路板和电路元件。管身的外表面安置若干按指传感器4、控制接口器件2、显示器件5，扩展升级接口6。吹奏头7内设有吹口3，吹奏头7或管身内设有气压或气流传感器8。
合成器电路系统的工作原理参考附图-2，演奏者通过向吹奏头7上的吹口3吹气，表达音量相关的演奏意图，吹奏头7中的传感器8检测气流、气压的力度等物理特征，并转换为电信号。演奏者同时通过按压或释放按指传感器4来表达音高等频率相关的其他演奏意图，由按指传感器4转换为电信号。这些电信号经过输入滤波放大器10，进入ADC 11，转变为数字信号输入到微处理器12中，进行必要的运算后，微处理器12输出声音的数字信号，通过DAC 13转换器转换为模拟信号，然后通过输出滤波放大器14和音频输出装置15输出给合成器内置或外置的发声器件。
由于民族管乐器种类较多，传统管乐器管身的形式没有原则性的区别，但是手持方式主要有水平举持、垂直举持两种，吹孔的形式也也有圆开放口、方开放口、闭口等。不论模拟何种乐器，合成器的管身1通用，但是需要更换不同的吹奏头7来适应传统乐器的演奏习惯，为此管身1和吹奏头7的连接处设置可拆卸的紧固连接接口。不同吹奏头7气体信号的强度规律也不同。类似于笛子、箫等乐器的开放性吹口的气流较为强劲，气压较小；而类似于唢呐、葫芦丝等封闭性吹口气流较弱，气压较大。做信号处理时，不同的吹奏头需要区别对待，进行适当的信号调整，使演奏者的感受与吹奏传统自然乐器一致。为此吹奏头7和管身之间还要通过吹奏头类型识别接口16相连，识别接口16可以是电路形式，也可以是机械结构形式。吹奏头7连接到管身上后，位于管身1中的位处理器通过询问识别接口获知吹奏头7的种类，对来自吹奏头7的信号做适当的处理。
传统民族管乐器管身上有若干气流出孔，称为音孔或按指孔。当演奏者手指按下盖住一个音孔阻断出气，或者离开音孔释放气流时，乐器管身内气体的共振环境发生改变，使乐器表现出不同的音高。演奏半音或者滑音时，演奏者的手指按下时只覆盖音孔的部分面积，或者在音孔上滑动改变覆盖面积，更细腻地改变共振频率来达到演奏意图。
合成器在传统管乐器原音孔位置安装按指传感器4，按指传感器4不是简单地检测手指是否按下这一开关状态，而且进一步检查手指按压接触面的形状和位置，检测手指是否在原气孔位置做滑动。此信号最终进入微处理器12，由微处理器判12断演奏者按指对应的音高，而且判断音高是整度的音高，还是滑音和半音音高。要达到这个目的，按指传感器4可以是点阵式或栅格式接触感应元件，并且造型有适当的曲面与手指的形状相吻合，使演奏者按指时感受与传统乐器的气孔基本一致。可以适应这一要求的传感器类型包括压电原理、光学原理、应变电阻原理、或者电容原理的器件。
管身1上每个按指传感器4需要一路按指信号，而且每路信号反映的不是一个点的按压，而是演奏者手指的接触面，信号的内容具有一定的复杂性，多个手指需要的信息则更多，微处理器12无法提供这么多的接口通道。因此按指信号不能直接接入到处理器12中，而是先进入通道选择开关9。微处理器12以分时依次轮询，或中断触发的方式，快速检测各个按指传感器4的按压状况，汇总后形成所有手指按压的全貌。
传统民族管乐器一般没有按键系统，开孔较少，音域不够广，半音不足，因此转调较为困难。大多数演奏者都准备了数根不同调式的乐器来适应演奏曲目，如果使用一个调式的乐器来演奏其他调式的乐曲，演奏者需要准确记忆调式转换导致的按指关系改变，对演奏者的要求较高。本发明所描述的合成器对这一点进行了改善。在控制接口2中，包括了半音接口21、八度接口22、和定调接口23，接口的信号直接或间接送入微处理器12，参见附图-3。控制接口2可以选择按键、选择开关等常见形式。当演奏者触发半音接口21时，微处理器12将合成的音高瞬时降低或升高半音；当演奏者触发八度接口22时，微处理器将合成的音高瞬时升高或降低一个八度，当演奏者通过定调接口23改变定调时，微处理器12参照定调转换所有音高。演奏者不必再根据定调改变来改变按指关系，由此降低乐器对演奏者的要求。
合成器音色种类、变调设置等选择较多，用户切换各种设置时，有可能出现难以区分当前的设置的乐器种类、当前处于什么调式等问题，需要合成器以某种手段予以操作提示。另外，合成器自身也要向用户反馈当前运行是否正常，是否出现了故障，也需要反馈的手段。因此合成器为上述目的在人机接口中提供反馈显示器件5，显示器件5的类型可选择LED灯组、液晶显示屏。显示器件5由微处理器12直接或间接控制。
温度、湿度等环境因素对乐器的传感器可能产生干扰，使演奏者不得不分心纠正环境因素引发的误差，对演奏者也提出了较多要求。为了克服这一问题，本发明在合成器电路中引入环境自动检测与校正电路19，可选择的检测器件包括温度传感器、湿度传感器。
合成器的功能、音色种类等最好都可以根据用户需要进行升级和选择定制。为支持这一想法，电路中设计扩展升级接口6，并在管身1上为之开口。扩展升级接口6的形式可以选择存储卡插槽、USB插口等方式。