CN108877743B - 一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置及使用方法，提高了钢琴的调音效率，改善钢琴的质量，包括校准支架和信号采集装置，校准支架设置有两处，两处校准支架之间设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠上设置有螺母副I和螺母副II，螺母副I的外部设置有移动支撑板I，螺母副II的外部设置有移动支撑板II，移动支撑板I上设置有下压板，移动支撑板II上设置有牵引板，下压板通过牵引线连接牵引板，下压板的下部设置有下压块；本发明设置有下压块，通过下压块下压琴键对琴弦产生振动，下压块压完琴键后返回原位，以此保证每次下压的力度一致。

Description

一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置及使用方法

技术领域

本发明涉及钢琴校音技术领域，特别是指一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置及使用方法。

背景技术

钢琴音质的好坏直接影响着钢琴演奏的效果，长期使用的过程中，钢琴有可能出现零部件的磨损和机械故障，经常性的较音是维持钢琴音准、延长钢琴使用寿命的必要手段。

钢琴的音色、音调和响度是乐音的三个基本特征，其中频谱决定着乐音的音色，频率决定着乐音的音调，响度标志着钢琴的演奏方式，且在相当程度上影响着聆听者对乐音音色的判断，但通常不较音的新钢琴，两年内就会变得五音不全，音律不准确。

然而较音调律要求十分专业的钢琴调音师，且较音调律的费用也相当昂贵，给经济条件一般的普通家庭造成很大的负担。此外，在钢琴的较音调律过程中，主要依赖于钢琴调音师的对音律的敏感和长期的较音经验，同时受到心理、生理及其它客观环境的影响，误差大小也会因人而异。

鉴于此，亟需一种操作使用方便、检测精度高、易普及推广的钢琴较音调律***和方法，以提高钢琴生产厂家和演奏者对钢琴调音的效率，减少人工调音过程中客观因素的影响，提高和改善钢琴的质量。

发明内容

本发明提出一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置及使用方法，提高了钢琴的调音效率，改善钢琴的质量。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，包括校准支架和信号采集装置，校准支架设置有两处，两处校准支架之间设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠上设置有螺母副I和螺母副II，螺母副I的外部设置有移动支撑板I，螺母副II的外部设置有移动支撑板II，移动支撑板I上设置有下压板，移动支撑板II上设置有牵引板，下压板通过牵引线连接牵引板，下压板的下部设置有下压块，所述信号采集装置包括振动传感器，振动传感器位于琴弦固定柱上。

所述连接块上由上至下设置有两处固定孔II，所述移动支撑板I上设置有和固定孔II配合的连接孔，螺栓穿过通过固定孔II和连接孔将连接块和移动支撑板I连为一体，所述连接块通过销轴连接下压板，连接块的侧壁上设置有限位板。

所述下压板上由上至下设置有两处固定孔I，所述下压块上设置有和固定孔I配合的连接孔，螺栓穿过通过固定孔I和连接孔将下压板和下压块连为一体。

所述两处校准支架之间设置有导向杆，导向杆由移动支撑板I和移动支撑板II内穿过。

所述螺母副II、移动支撑板II和牵引板均设置有两处，两处牵引板之间设置有转轴，转轴的中部设置有缠线轮，缠线轮连接牵引线的一端，牵引线的另一端连接下压板，牵引线的中部设置有限位凸起。

所述两处牵引板之间设置有固定轴，固定轴上设置有伸缩柱，伸缩柱包括固定柱，固定柱内设置有移动柱I和弹簧I，弹簧I一端连接固定柱，弹簧I的另一端连接移动柱I，移动柱I内设置有移动柱II和弹簧II，弹簧II的一端连接移动柱I，弹簧II的另一端连接移动柱II，移动柱II的顶部设置有穿线部，穿线部上设置有穿线孔，牵引线由穿线孔内穿过。

所述下压块34的底部设置有橡胶垫片。

所述校准支架内设置有轴承I，滚珠丝杠的两端均位于轴承I内，滚珠丝杠的一端连接电机I，所述牵引板内设置有轴承II，转轴的两端均位于轴承II内，转轴的一端连接电机II。

所述移动支撑板I上设置有固定板，所述牵引线的一端连接下压板，牵引线的另一端穿过固定板，牵引线的中部设置有限位凸起。

一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：连接块上端的固定孔II连接移动支撑板I，下压板下端的固定孔I连接下压块，滚珠丝杠转动带动下压板移动，移动过程中每经过一个白键，滚珠丝杠停止转动，下压块下压接触白键，接触白键后下压块向上升起，滚珠丝杠继续转动，带动下压块向前移动下压后一个白键，依次压完所有的白键，下压白键时振动传感器根据琴弦的振动依次输出振动信号；

步骤2：连接块下端的固定孔II连接移动支撑板I，下压板上端的固定孔I连接下压块，滚珠丝杠转动带动下压板移动，移动过程中每经过一个黑键，滚珠丝杠停止转动，下压块下压接触黑键，接触黑键后下压块向上升起，滚珠丝杠继续转动，带动下压块向前移动下压后一个黑键，依次压完所有的黑键，下压黑键时振动传感器根据琴弦的振动依次输出振动信号；

步骤3：对步骤1和步骤2中输出的振动信号依次进行时域分析、自相关分析，得出振动信号的振幅、相位信息，对步骤1和步骤2中输出的振动信号依次进行频域分析，得出振动信号的基频、谐频信息，并以图形化的方式将相应的分析结果在显示屏中显示；

步骤4：将步骤3中振动信号的振幅、相位信息转换为钢琴待校准音弦的音强、响度信息，将步骤3中振动信号的基频、谐频信息转换为钢琴待校准音弦的频率信息；

步骤5：将步骤4中钢琴待校准音弦的音强、响度信息与国际标准音强、标准响度进行对比分析，将钢琴待校准音弦的的频率信息与国际标准基频进行比对分析，并在显示屏上显示测量值、标准值以及需校准量的信息；

步骤6：根据显示屏中显示的校准量对待校准音弦进行校音调律操作，直至待校准音弦的音强、响度与基频信息达到使用要求为止。

本发明设置有下压块，通过下压块下压琴键对琴弦产生振动，下压块压完琴键后返回原位，以此保证每次下压的力度一致，将下压待校准的钢琴后产生的振动信号和下压标准钢琴后产生的振动信号进行对比分析并输出，方便调节待校准钢琴的音强、响度与基频信息，使之和标准钢琴的音强、响度与基频信息一致或在一定的误差范围内，完成校准操作；该方法不仅效率高，而且减少了人工调音过程中客观因素的影响，提高和改善钢琴的质量。

附图说明

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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的主视图；

图2为本发明实施例1的俯视图；

图3为图2的A—A剖视图；

图4为图3中下压板压到琴键上的示意图；

图5为伸缩柱的剖视图；

图6为本发明实施例2的俯视图；

图7为图6的B—B剖视图；

图8为信号采集装置在琴弦上的安装示意图；

图9为经时域分析后得到的振动信号的振幅信息示意图；

图10为经频域分析得到的振动信号的基频、谐频信息示意图；

图11为将钢琴待校准音弦的的频率信息与国际标准基频进行比对分析的示意图。

图中：1、钢琴 11、黑键 12、白键 13、琴弦固定板 14、琴弦 15、传感器固定夹 16、振动传感器 21、校准支架 22、下压板 23、牵引板 24、牵引线 25、电机I 26、滚珠丝杠 27、移动支撑板I 28、移动支撑板II 29、缠线轮 30、转轴 31、导向杆 32、电机II 33、固定孔I34、下压块 35、连接块 36、限位板 37、销轴 38、限位凸起 39、螺母副I 40、固定孔II 41、橡胶垫片 42、轴承I 43、轴承II 44、伸缩柱 45、固定柱 46、移动柱I 47、弹簧I 48、弹簧II49、移动柱II 50、穿线部 51、穿线孔 52、固定轴 53、固定板。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1—5、8所示，本发明实施例提供了一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，包括校准支架21和信号采集装置，校准支架21设置有两处，两处校准支架21之间设置有滚珠丝杠26，滚珠丝杠26上设置有螺母副I39和螺母副II，螺母副I39的外部设置有移动支撑板I27，螺母副II的外部设置有移动支撑板II28，移动支撑板I27上设置有下压板22，移动支撑板II28上设置有牵引板23，下压板22通过牵引线24连接牵引板23，下压板22的下部设置有下压块34，所述信号采集装置包括振动传感器，振动传感器位于琴弦固定柱13上，方便采集在下压块34下落时压中琴键，对琴弦14产生的振动信息，琴弦14的两端均通过琴弦固定柱13固定在钢琴座上。

所述连接块35上由上至下设置有两处固定孔II40，所述移动支撑板I27上设置有和固定孔II40配合的连接孔，螺栓穿过通过固定孔II40和连接孔将连接块35和移动支撑板I27连为一体，所述连接块35通过销轴37连接下压板22，下压板22可以在连接线24松开时自由下落，下压琴键，连接块35的侧壁上设置有限位板36，用于在下压板22下落时限位，使得下压板22下落的极限位置为水平，下压块34正好接触到琴键，防止下压块34的下落位移过大，导致琴键被挤压变形，对钢琴造成损坏。

所述下压板22上由上至下设置有两处固定孔I33，所述下压块34上设置有和固定孔I33配合的连接孔，螺栓穿过通过固定孔I33和连接孔将下压板22和下压块34连为一体，钢琴中白键12的尺寸较长，黑键11的高度较高，当连接块35上端的固定孔II40连接移动支撑板I27，下压板22下端的固定孔I33连接下压块34时，下压块34下落压中白键12；当连接块35下端的固定孔II40连接移动支撑板I17，下压板22上端的固定孔I33连接下压块34时，下压块34下落压中黑键11。

所述两处校准支架21之间设置有导向杆31，导向杆31由移动支撑板I27和移动支撑板II28内穿过，使得滚珠丝杠26转动时移动支撑板I27和移动支撑板II28的移动过程平稳不晃动，方便滚珠丝杠26停转时下压板22下压琴键。

所述螺母副II、移动支撑板II28和牵引板23均设置有两处，两处牵引板23之间设置有转轴30，转轴30的中部设置有缠线轮29，缠线轮29连接牵引线24的一端，牵引线24的另一端连接下压板22，缠线轮29顺时针转动时将牵引线24收起，带动下压板22上移，缠线轮29逆时针转动时将牵引线多4抖开，下压板22在重力作用下自然下落，下压钢琴琴键；牵引线24的中部设置有限位凸起38，牵引线24在收起过程中，当收到限位凸起38处时无法继续收线，用于固定下压板22的下落位置，使得下压板22下落时均是由同一位置下落，方便对测量的振动参数进行对比；限位凸起38通过绑扎设置在牵引线24上，可以方便地移动位置，当从某一位置对琴弦校核完毕后，可以更换限位凸起38在牵引线24上的位置，再次对琴弦进行校核操作，进一步调节钢琴琴弦音律，使之更加接近标准钢琴。

所述两处牵引板23之间设置有固定轴52，固定轴52上设置有伸缩柱44，伸缩柱44包括固定柱45，固定柱45内设置有移动柱I46和弹簧I47，弹簧I47一端连接固定柱45，弹簧I47的另一端连接移动柱I46，移动柱I46内设置有移动柱II49和弹簧II48，弹簧II48的一端连接移动柱I46，弹簧II48的另一端连接移动柱II49，移动柱II49的顶部设置有穿线部50，穿线部50上设置有穿线孔51，牵引线24由穿线孔51内穿过，收线时伸缩柱44收缩；放线时伸缩柱44在弹簧作用下自然弹出，使得牵引线24始终处于张紧状态，防止其过松出现打结现象，影响再次收紧；穿线孔51的内壁上套有塑料片，避免牵引线24在其中往复移动时对其造成磨损。

所述下压块34的底部设置有橡胶垫片41，下压接触琴键时对琴键起到保护作用；下压块34为拱形，模拟弹奏者的手指下压琴键，使得产生的琴弦振动更能描述演奏过程中产生的琴弦振动。

所述校准支架21内设置有轴承I42，滚珠丝杠26的两端均位于轴承I42内，滚珠丝杠26的一端连接电机I25，所述牵引板23内设置有轴承II43，转轴30的两端均位于轴承II43内，转轴30的一端连接电机II32，通过电机I25驱动滚珠丝杠26转动，带动下压板22前后移动；通过电机II32带动缠线轮29转动，通过收线和放线使得下压板22上下移动。

一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置的使用方法，包括以下步骤：

步骤1：连接块35上端的固定孔II40连接移动支撑板I27，下压板22下端的固定孔I33连接下压块34，滚珠丝杠26转动带动下压板22移动，移动过程中每经过一个白键12，滚珠丝杠26停止转动，下压块34下压接触白键12，接触白键12后下压块34向上升起，滚珠丝杠26继续转动，带动下压块34向前移动下压后一个白键12，依次压完所有的白键12，下压白键12时振动传感器16根据琴弦14的振动依次输出振动信号；

步骤2：连接块35下端的固定孔II40连接移动支撑板I17，下压板22上端的固定孔I33连接下压块34，滚珠丝杠26转动带动下压板22移动，移动过程中每经过一个黑键11，滚珠丝杠26停止转动，下压块34下压接触黑键11，接触黑键11后下压块34向上升起，滚珠丝杠26继续转动，带动下压块34向前移动下压后一个黑键11，依次压完所有的黑键11，下压黑键11时振动传感器16根据琴弦14的振动依次输出振动信号；

步骤3：对步骤1和步骤2中输出的振动信号依次进行时域分析、自相关分析，得出振动信号的振幅、相位信息，对步骤1和步骤2中输出的振动信号依次进行频域分析，得出振动信号的基频、谐频信息，并以图形化的方式将相应的分析结果在显示屏中显示；

所述时域分析是经过DSP数据处理器处理后的信号，能够得到振动信号的均值、均方根值、峭度值、峰值等幅域参数，包括以下步骤：

a）均值表征了音弦振动信号变化的中心波动，是振动信号的常量分量，其表达式为：

其中，

为总的采样点数；

表示音弦振动信号的样本函数，

。

b）均方根值是对音弦振动信号先平方，再求取平均值后开方得到的，其表达式为：

，

c）峭度是直接体现概率密度的一种可靠参数，其表达式为：

，

d）峰值是直接体现音弦振动信号波形最大值，其表达式为：

，

通过对音弦振动信号进行时域分析，能够得到音弦振动信号的振幅信息，如图9所示，即为经过时域分析后得到的振动信号的振幅信息示意图；

所述自相关分析能够提取音弦振动信号的相位信息，其表达式为：

其中，

，

为音弦振动信号中的直流分量；

为音弦振动信号基频的振幅；

为选定采样频率下音弦振动对应的数字频率；

为音弦振动信号基频的相位；

为其它频率振动信号的振幅；

为选定的采样频率下其它频率对应的数字频率；

为其它频率振动信号的相位；

为干扰信号，通过对音弦振动信号进行自相关分析，能够得到音弦振动信号的相位信息；

所述频域分析是指通过对音弦振动信号进行傅里叶变换，得到音弦振动信号的基频、谐频信息，如图10所示，即为经频域分析得到的振动信号的基频、谐频信息图，其傅里叶变换级数的表达式为：

，

其中，

，

，

，

。

步骤4：将步骤3中振动信号的振幅、相位信息转换为钢琴待校准音弦的音强、响度信息，将步骤3中振动信号的基频、谐频信息转换为钢琴待校准音弦的频率信息；

步骤5：将步骤4中钢琴待校准音弦的音强、响度信息与国际标准音强、标准响度进行对比分析，将钢琴待校准音弦的的频率信息与国际标准基频进行比对分析，并在显示屏上显示测量值、标准值以及需校准量的信息，如图11所示，即为将钢琴待校准音弦的的频率信息与国际标准基频进行比对分析的示意图；

步骤6：根据显示屏中显示的校准量对待校准音弦进行校音调律操作，直至待校准音弦的音强、响度与基频信息达到使用要求为止。

实施例2

如图6—8所示，所述移动支撑板I27上设置有固定板53，所述牵引线24的一端连接下压板22，牵引线24的另一端穿过固定板53，牵引线24的中部设置有限位凸起38，此实施例中，通过操作者手动收线、放线，实现下压板22的下压、上移动作；操作者也可以手动转动滚珠丝杠26，实现下压板22的前后移动动作，当电力不足或临时停电时，可以采用此实施例。

本实施例的其他结构同实施例1。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，包括校准支架(21)和信号采集装置，其特征在于：校准支架(21)设置有两处，两处校准支架(21)之间设置有滚珠丝杠(26)，滚珠丝杠(26)上设置有螺母副I(39)和螺母副II，螺母副I(39)的外部设置有移动支撑板I(27)，螺母副II的外部设置有移动支撑板II(28)，移动支撑板I(27)上设置有下压板(22)，移动支撑板II(28)上设置有牵引板(23)，下压板(22)通过牵引线(24)连接牵引板(23)，下压板(22)的下部设置有下压块(34)，下压板(22)可以在牵引线(24)松开时自由下落，下压琴键，所述信号采集装置包括振动传感器，振动传感器位于琴弦固定柱(13)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：还包括连接块(35)，所述连接块(35)上由上至下设置有两处固定孔II(40)，所述移动支撑板I(27)上设置有和固定孔II(40)配合的连接孔，螺栓穿过通过固定孔II(40)和连接孔将连接块(35)和移动支撑板I(27)连为一体，所述连接块(35)通过销轴(37)连接下压板(22)，连接块(35)的侧壁上设置有限位板(36)。

3.根据权利要求1所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：所述下压板(22)上由上至下设置有两处固定孔I(33)，所述下压块(34)上设置有和固定孔I(33)配合的连接孔，螺栓穿过通过固定孔I(33)和连接孔将下压板(22)和下压块(34)连为一体。

4.根据权利要求1所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：所述两处校准支架(21)之间设置有导向杆(31)，导向杆(31)由移动支撑板I(27)和移动支撑板II(28)内穿过。

5.根据权利要求1所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：所述螺母副II、移动支撑板II(28)和牵引板(23)均设置有两处，两处牵引板(23)之间设置有转轴(30)，转轴(30)的中部设置有缠线轮(29)，缠线轮(29)连接牵引线(24)的一端，牵引线(24)的另一端连接下压板(22)，牵引线(24)的中部设置有限位凸起(38)。

6.根据权利要求5所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：所述两处牵引板(23)之间设置有固定轴(52)，固定轴(52)上设置有伸缩柱(44)，伸缩柱(44)包括固定柱(45)，固定柱(45)内设置有移动柱I(46)和弹簧I(47)，弹簧I(47)一端连接固定柱(45)，弹簧I(47)的另一端连接移动柱I(46)，移动柱I(46)内设置有移动柱II(49)和弹簧II(48)，弹簧II(48)的一端连接移动柱I(46)，弹簧II(48)的另一端连接移动柱II(49)，移动柱II(49)的顶部设置有穿线部(50)，穿线部(50)上设置有穿线孔(51)，牵引线(24)由穿线孔(51)内穿过。

7.根据权利要求1—6任一项所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：所述下压块(34)的底部设置有橡胶垫片(41)。

8.根据权利要求1—6任一项所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：所述校准支架(21)内设置有轴承I(42)，滚珠丝杠(26)的两端均位于轴承I(42)内，滚珠丝杠(26)的一端连接电机I(25)，所述牵引板(23)内设置有轴承II(43)，转轴(30)的两端均位于轴承II(43)内，转轴(30)的一端连接电机II(32)。

9.根据权利要求1所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置，其特征在于：所述移动支撑板I(27)上设置有固定板(53)，所述牵引线(24)的一端连接下压板(22)，牵引线(24)的另一端穿过固定板(53)，牵引线(24)的中部设置有限位凸起(38)。

10.根据权利要求1—6任一项所述的一种基于音弦振动信号的钢琴音律校准装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：连接块(35)上端的固定孔II(40)连接移动支撑板I(27)，下压板(22)下端的固定孔I(33)连接下压块(34)，滚珠丝杠(26)转动带动下压板(22)移动，移动过程中每经过一个白键(12)，滚珠丝杠(26)停止转动，下压块(34)下压接触白键(12)，接触白键(12)后下压块(34)向上升起，滚珠丝杠(26)继续转动，带动下压块(34)向前移动下压后一个白键(12)，依次压完所有的白键(12)，下压白键(12)时振动传感器(16)根据琴弦(14)的振动依次输出振动信号；

步骤2：连接块(35)下端的固定孔II(40)连接移动支撑板I(27)，下压板(22)上端的固定孔I(33)连接下压块(34)，滚珠丝杠(26)转动带动下压板(22)移动，移动过程中每经过一个黑键(11)，滚珠丝杠(26)停止转动，下压块(34)下压接触黑键(11)，接触黑键(11)后下压块(34)向上升起，滚珠丝杠(26)继续转动，带动下压块(34)向前移动下压后一个黑键(11)，依次压完所有的黑键(11)，下压黑键(11)时振动传感器(16)根据琴弦(14)的振动依次输出振动信号；

步骤3：对步骤(1)和步骤(2)中输出的振动信号依次进行时域分析、自相关分析，得出振动信号的振幅、相位信息，对步骤(1)和步骤(2)中输出的振动信号依次进行频域分析，得出振动信号的基频、谐频信息，并以图形化的方式将相应的分析结果在显示屏中显示；

步骤4：将步骤(3)中振动信号的振幅、相位信息转换为钢琴待校准音弦的音强、响度信息，将步骤(3)中振动信号的基频、谐频信息转换为钢琴待校准音弦的频率信息；

步骤5：将步骤(4)中钢琴待校准音弦的音强、响度信息与国际标准音强、标准响度进行对比分析，将钢琴待校准音弦的频率信息与国际标准基频进行比对分析，并在显示屏上显示测量值、标准值以及需校准量的信息；

步骤6：根据显示屏中显示的校准量对待校准音弦进行校音调律操作，直至待校准音弦的音强、响度与基频信息达到使用要求为止。

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