CN112216260A - 一种电子二胡*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电子二胡***，属于音乐器械技术领域。该***包括：同源替换音频流***、演奏分析***、播放***和音色库；同源替换音频流***，用于建立二胡不同技法对应的模型，并将模型发送给演奏分析***；演奏分析***，用于检测二胡琴码的振动信号，根据检测到的振动信号和模型，确定二胡当前的演奏信息，并将演奏信息发送给播放***；播放***，用于根据演奏信息，调用音色库中的波表，采用波表合成的方式合成并播放对应的音乐。本发明中通过使用音色库中的声音来替代二胡本身发出的声音，使得其发声方式和材料无关，仅仅和音色库的质量有关，彻底摆脱了二胡对材料的依赖，大大降低了电子二胡的制作成本。

Description

一种电子二胡***
技术领域
本发明涉及音乐器械技术领域，特别涉及一种电子二胡***。
背景技术
二胡，即二弦胡琴，是一种拉弦乐器，有两根弦，称“奚琴”，又名“南胡”、“嗡子”，是中华民族乐器家族中主要的弓弦乐器(擦弦乐器)之一，始于唐朝，至今已有一千多年的历史，是一种中国传统拉弦乐器。现代二胡以纯五度定弦，在胡琴之中属于中高音域乐器，现在各地方根据需要的条件，独立发展出不同形状的弓弦乐器，如高胡、京胡、板胡、二弦、喇叭弦等。
传统的二胡是由弦振动产生声音的，并通过共振使声音放大，因而二胡的发声方式和材料有关。现有技术中，制琴师通常以木材制作二胡，如红木、小叶紫檀、乌木、鸡翅木、血檀、大叶紫檀、非洲红花梨、非洲紫檀等，也有制琴师以象牙、玉石、塑胶等材料制作二胡，因为他们有声学以外的考量。琴筒一端蒙以蛇皮，这是二胡独特音色的来源，一些高级的二胡则采用蟒蛇皮。也就是说，传统二胡的音质由材料决定，二胡材料的选择对琴身的影响非常大，一把优质的二胡需要非常昂贵的木材，成本非常高昂。另外，现有技术中的电子二胡是通过检测琴弦的震动，并对震动信号功率放大后进行播放，同样对材料的依赖非常大，导致二胡的制作成本居高不下。
发明内容
为了摆脱二胡对材料的依赖，本发明实施例提供了一种电子二胡***，所述***包括：同源替换音频流***、演奏分析***、播放***和音色库，所述音色库采用波表合成技术；
所述同源替换音频流***，用于建立二胡不同技法对应的模型，并将所述模型发送给所述演奏分析***；
所述演奏分析***，用于检测二胡琴码的振动信号，根据检测到的振动信号和所述模型，确定二胡当前的演奏信息，并将所述演奏信息发送给所述播放***；
所述播放***，用于根据所述演奏信息，调用所述音色库中的波表，采用波表合成的方式合成并播放对应的音乐。
可选地，所述同源替换音频流***具体用于：
对二胡声音中的包络曲线进行建模，得到二胡不同技法对应的时域模型；
将所述时域模型转换为频域模型，并将所述频域模型发送给所述演奏分析***。
可选地，所述演奏分析***包括振动检测分析模块和信号分析模块，所述振动检测分析模块、所述信号分析模块均与电源进行电性连接，且所述振动检测分析模块与所述信号分析模块进行无线连接；
所述振动检测分析模块，用于检测二胡琴码的振动信号，进行A/D转换，生成序列S(n)，并将所述序列S(n)发送给所述信号分析模块；
所述信号分析模块，用于对所述序列S(n)进行离散的快速傅里叶变换，得到频域函数，根据所述频域函数，确定二胡振动信号的参数，并根据所述参数和所述模型确定二胡当前的演奏信息。
可选地，所述振动检测分析模块包括压电陶瓷、滤波电路和控制器，
所述压电陶瓷设置在二胡琴码的位置处，连接有电荷放大器和运算放大器，并连接到所述滤波器，所述压电陶瓷用于检测二胡琴码的振动信号，并将所述振动信号经所述电荷放大器和运算放大器进行放大，然后输送至滤波器；
所述滤波器用于对所述振动信号的杂波进行过滤，然后将过滤后的振动信号发送给所述控制器；
所述控制器用于对所述过滤后的振动信号进行A/D转换，生成所述序列S(n)，并将所述序列S(n)发送给所述信号分析模块。
可选地，所述演奏信息包括演奏方式、演奏力度和演奏音高，所述信号分析模块具体用于：
对所述序列S(n)进行离散的快速傅里叶变换，得到振动信号的频域函数；
根据所述频域函数，确定二胡振动信号的基率、幅值、幅频变化规律；
将所述基率、幅值、幅频变化规律与所述模型进行比对，确定演奏方式、演奏力度和演奏音高，并将所述演奏方式、演奏力度和演奏音高通过扩展后的MIDI协议发送至所述播放***。
可选地，所述根据所述演奏信息，调用所述音色库中的声音，合成并播放对应的音乐之前，还包括：
对二胡声音进行取样，获得多个样本音；
确定每个所述样本音的频率；
每两个相邻样本音中一个样本音为低频率，另一个样本音为高频率，通过变速变调算法，将低频率的样本音升调到低频率与高频率之间的多个中间频率，以另外获得多个中间频率的样本音，形成扩展后的音色库。
可选地，所述音色库具体用于：
根据所述演奏信息，向波表发出指令；
从表格中，逐一找出对应的声音信息；
将所述声音信息发送给所述播放***进行合成播放。
可选地，所述音色库存贮于SD卡上，所述根据所述演奏信息，调用所述音色库中的声音，合成并播放对应的音乐之前，还包括：
将SD卡***计算机设备中，下载对应的音色库，并烧录在所述SD卡中；
将SD卡放回所述电子二胡***中。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
值得说明的是，本发明中提供了一种以MIDI技术为基础的电子二胡***，通过使用音色库中的声音来替代二胡本身发出的声音，使得其发声方式和材料无关，仅仅和音色库的质量有关，彻底摆脱了二胡对材料的依赖，大大降低了电子二胡的制作成本。其次，本发明中对MIDI音色库进行了扩展，在十二平均律的基础上，在相邻音符之间***了更多的音，也即添加了非标准音，使得电子二胡***的演奏效果更加接近优质声学二胡的演奏效果，同时音质也有了非常大提升，且MIDI技术的采用，保证了特殊技巧的处理，增加了声音的多样性，保证了技巧曲目的演奏效果。另外，压电陶瓷的价格相对低廉，用压电陶瓷贴在琴码上来检测琴弦的振动，可以避免振动传感器的昂贵成本，进一步降低了电子二胡的制作成本。再者，音色库可以存贮在SD卡中，使得每一个演奏者可以对音色进行优化，也可以下载不同的音色，使得音色库可以满足不同演奏者的演奏需求，简单方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的一种电子二胡***的结构框图；
图2是本发明实施例提供的一种压电陶瓷的位置示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
需要说明的是，除非另有定义，本发明所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体地实施例目的，不是旨在于限定本发明。本发明所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
以下将结合附图1-附图2对本发明实施例提供的一种电子二胡虚拟扬琴***进行详细介绍。
图1是本发明实施例提供的一种电子二胡***的结构框图。参见图1，该***包括：同源替换音频流***、演奏分析***、播放***和音色库，音色库采用波表合成技术；同源替换音频流***，用于建立二胡不同技法对应的模型，并将该模型发送给演奏分析***；演奏分析***，用于检测二胡琴码的振动信号，根据检测到的振动信号和该模型，确定二胡当前的演奏信息，并将演奏信息发送给播放***；播放***，用于根据演奏信息，调用音色库中的波表，采用波表合成的方式合成并播放对应的音乐。
需要说明的是，波表合成是对乐器声音取样，存贮为一个波表文件，重播时根据音乐文件记录的乐曲信息向波表发出指令，从表格中，逐一找出对应的声音信息，经声卡上的微处理器或PC***的CPU合成，加工后放出来。根据取样文件放置位置和由专用微处理器或CPU来处理的不同，波表合成又常被分为软波表和硬波表，现在所称的"波表"声卡，一般又称为"OPL4"，这类声卡除了16位录音和OPL3的FM合成器，亦有混音器、MIDI等。
进一步地，同源替换音频流***具体用于：对二胡声音中的包络曲线进行建模，得到二胡不同技法对应的时域模型，然后将该时域模型转换为频域模型，并将该频域模型发送给演奏分析***。
需要说明的是，二胡的声音可以分解为基本声音序列A(n)和包络曲线B(n)，即：S(n)＝A(n)·B(n)。由于基本声音序列A(n)是固定的，因而只需要对包络曲线B(n)进行建模即可。二胡声音的前三部分是线性曲线，第四部分是阻尼衰减，而影响二胡声音特性的是前三部分，所以建模的主要是前三部分，将前三部分归结为一个函数：B(n)＝k·x(n)+b，对其中的k、b值进行调整，就可以得到二胡不同技法下相对应的时域模型。由于二胡的演奏需要实时分析，因而再将包络曲线的时域模型转换为频域模型：F(n)＝f(x(n))。
进一步地，演奏分析***包括振动检测分析模块和信号分析模块，振动检测分析模块、信号分析模块均与电源进行电性连接，且振动检测分析模块与信号分析模块进行无线连接；
振动检测分析模块，用于检测二胡琴码的振动信号，进行A/D转换，生成序列S(n)，并将序列S(n)发送给信号分析模块；
信号分析模块，用于对序列S(n)进行离散的快速傅里叶变换，得到频域函数，根据频域函数，确定二胡振动信号的参数，并根据该参数和建立好的模型确定二胡当前的演奏信息。
需要说明的是，信号分析模块由一片DSP(Digital Signal Processing，数字信号)及其驱动电路构成，与为其提供电压的电源相连接，以进行相应的操作。DSP处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。由于音色库中可能并没有存储所有的音色，因而可以通过DSP技术对某一个或某几个音色进行混响、长短变换等处理，从而得到合成所需的音色，进而合成对应的音乐。
另外，傅里叶变换是数字信号处理领域一种很重要的算法，傅里叶变换可以将原来难以处理的时域信号转换成易于分析的频域信号(信号的频谱)。离散傅里叶变换是对于时间连续信号，可利用傅里叶变换获得其频谱函数，或由其频谱函数通过反变换得到原时间函数。快速傅里叶变换(fast Fourier transform)，即利用计算机计算离散傅里叶变换(DFT)的高效、快速计算方法的统称，简称FFT，快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的，采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。
进一步地，振动检测分析模块包括压电陶瓷、滤波电路和控制器。
参见图2，压电陶瓷设置在二胡琴码的位置处，连接有电荷放大器和运算放大器，并连接到滤波器，且本发明中还使用薄木板替换了二胡的蛇皮，并将压电陶瓷贴在琴码正对着的薄木板后面。压电陶瓷用于检测二胡琴码的振动信号，并将振动信号经电荷放大器和运算放大器进行放大，然后输送至滤波器；
滤波器用于对振动信号的杂波进行过滤，然后将过滤后的振动信号发送给控制器；
控制器用于对过滤后的振动信号进行A/D转换，生成序列S(n)，并将序列S(n)发送给信号分析模块。
需要说明的是，压电陶瓷具有敏感的特性，可以将极其微弱的机械振动转换成电信号，因而设置在琴码处的压电陶瓷可以检测到琴码的振动，并将其转换成电信号，从而通过压电陶瓷可以简单准确地检测到琴弦的振动。另外，压电陶瓷的价格相对低廉，用压电陶瓷来检测琴弦的振动，可以避免振动传感器的昂贵成本，大大降低二胡的制作成本。
进一步地，演奏信息包括演奏方式、演奏力度和演奏音高，信号分析模块具体用于：
对序列S(n)进行离散的快速傅里叶变换，得到振动信号的频域函数；
根据所述频域函数，确定二胡振动信号的基率、幅值、幅频变化规律；
将基率、幅值、幅频变化规律与建立好的模型进行比对，确定演奏方式、演奏力度和演奏音高，并将演奏方式、演奏力度和演奏音高通过扩展后的MIDI协议发送至播放***。
需要说明的是，MIDI指令属于二进制文件，这种文件一般都包括文件头和数据描述，与波形文件不同，MIDI文件不对音乐进行抽样，而是对音乐的每个音符记录为一个数字，所以与波形文件相比，文件要小得多，可以满足长时间音乐的需要；另外，MIDI标准规定了各种音调的混合及发音，通过输出装置可以将这些数字重新合成为音乐。
进一步地，本发明中在根据演奏信息，调用音色库中的声音，合成并播放对应的音乐之前，还要先生成音色库，并对音色库中包括的标准音进行扩展，获得包括非标准音的音色库。具体地，先对二胡声音进行取样，获得多个样本音，并确定每个样本音的频率；每两个相邻样本音中一个样本音为低频率，另一个样本音为高频率，通过变速变调算法，可以将低频率的样本音升调到低频率与高频率之间的多个中间频率，以另外获得多个中间频率的样本音，形成扩展后的音色库。
需要说明的是，音乐中，音符是按照十二平均律设定的，即每个音之间有间隔的频率。例如，音符1和音符2之间，是440Hz到460Hz的，在获得了样本音1和2后，可以通过变速变调算法，将440Hz升调到441Hz、442Hz、……、459HZ等中间频率，获得多个中间频率的样本音(即非标准音)，形成扩展后的音色库。
值得说明的是，电钢琴和电子琴中，通常使用的是MIDI技术，并且对MIDI技术进行大量的扩展，逐渐形成了以MIDI技术为基础的一系列技术。但是由于MIDI设计之初是按照键盘乐进行制定的，因而MIDI仅仅适用于键盘乐中，并没有考虑其在弦乐中的应用。MIDI对高音的表示，有126个音，包括了键盘上的所有音，但是在两个相邻音高之间，存在大量连续音高的声音，这些声音用MIDI是无法表现出来的，如果将原始的MIDI技术直接应用于电子二胡中，就不能表现出二胡的滑音、揉弦以及跳弓等技巧。因而，本发明中提供的电子二胡***对标准MIDI进行了扩展，在音色库中原有两个样本音之间，***了多个中间频率的样本音，保证了声音的连续性。
再者，包络曲线是反应不同的时间段内声音演奏的强度，如钢琴声音，最开始声音很大，然后逐渐减弱。由于每个演奏者实时演奏的力度可能并不相同，也即对同一个音来说，可能存在不同力度的演奏方式，因而本发明中还可以将音色库***包络曲线，以对包络曲线进行实时修改，即根据用户演奏的不同时刻的动作，即时修改当前演奏的力度。如此，本发明中是实时修改演奏力度，音色库中并不需要存储采用所有力度演奏样本音的声音，不仅减小了存储空间，也进一步保证了声音的连续性。
进一步地，音色库具体用于：根据演奏信息，向波表发出指令，从表格中，逐一找出对应的声音信息，然后将该声音信息发送给播放***进行合成播放。
需要说明的是，本发明中的音色库存贮为一个波表文件，当需要调用音色库重播音乐时，可以根据确定出的演奏信息向波表发出指令，从表格中，逐一找出对应的声音信息，通过播放***采用波表合成的方式合成并播放对应的音乐。
进一步地，音色库存储于SD卡上；在根据演奏信息，调用音色库中的声音，合成并播放对应的音乐之前，还可以将SD卡插在计算机设备中，下载对应的音色库，并烧录在该SD卡中；然后再将该SD卡放回电子二胡***中，使得后续播放***可以根据演奏信息，向音色库(波表)发出指令，从表格中，逐一找出对应的声音信息，对该声音信息进行合成并播放，简单方便。
本发明提供的电子二胡***的完整使用流程可以为：
在使用本发明提供的电子二胡***之前，需要先对二胡声音进行取样，并存贮为一个波表文件，这个波表文件就是音色库。另外，还需要通过同源替换音频流***建立二胡不同技法对应的模型，使得后续可以根据该模型确定出二胡当前的演奏信息。
当演奏者弹奏电子二胡的琴码时，设置在琴码处的压电陶瓷就可以检测到弹奏的振动信号，并将该振动信号经电荷放大器和运算放大器进行放大，输送至滤波器进行滤波，然后控制器可以对过滤后的振动信号进行A/D转换，生成序列S(n)，并将序列S(n)发送给信号分析模块。信号分析模块对序列S(n)进行离散的快速傅里叶变换，得到振动信号的频域函数，然后根据该频域函数，确定二胡振动信号的基率、幅值、幅频变化规律，再将基率、幅值、幅频变化规律与预先建立好的模型进行比对，确定演奏方式、演奏力度和演奏音高，并将演奏方式、演奏力度和演奏音高通过扩展后的MIDI协议发送至播放***。最后，播放***根据该演奏信息，向音色库(即波表)发出指令，从表格中，逐一找出对应的声音信息，对该声音信息进行合成并播放。
值得说明的是，本发明中提供了一种以MIDI技术为基础的电子二胡***，通过使用音色库中的声音来替代二胡本身发出的声音，使得其发声方式和材料无关，仅仅和音色库的质量有关，彻底摆脱了二胡对材料的依赖，大大降低了电子二胡的制作成本。其次，本发明中对MIDI音色库进行了扩展，在十二平均律的基础上，在相邻音符之间***了更多的音，也即添加了非标准音，使得电子二胡***的演奏效果更加接近优质声学二胡的演奏效果，同时音质也有了非常大提升，且MIDI技术的采用，保证了特殊技巧的处理，增加了声音的多样性，保证了技巧曲目的演奏效果。另外，压电陶瓷的价格相对低廉，用压电陶瓷贴在琴码上来检测琴弦的振动，可以避免振动传感器的昂贵成本，进一步降低了电子二胡的制作成本。再者，音色库可以存贮在SD卡中，使得每一个演奏者可以对音色进行优化，也可以下载不同的音色，使得音色库可以满足不同演奏者的演奏需求，简单方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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 (8)

1.一种电子二胡***，其特征在于，所述***包括：同源替换音频流***、演奏分析***、播放***和音色库，所述音色库采用波表合成技术；
所述同源替换音频流***，用于建立二胡不同技法对应的模型，并将所述模型发送给所述演奏分析***；
所述演奏分析***，用于检测二胡琴码的振动信号，根据检测到的振动信号和所述模型，确定二胡当前的演奏信息，并将所述演奏信息发送给所述播放***；
所述播放***，用于根据所述演奏信息，调用所述音色库中的波表，采用波表合成的方式合成并播放对应的音乐。
2.根据权利要求1所述的电子二胡***，其特征在于，所述同源替换音频流***具体用于：
对二胡声音中的包络曲线进行建模，得到二胡不同技法对应的时域模型；
将所述时域模型转换为频域模型，并将所述频域模型发送给所述演奏分析***。
3.根据权利要求1所述的电子二胡***，其特征在于，所述演奏分析***包括振动检测分析模块和信号分析模块，所述振动检测分析模块、所述信号分析模块均与电源进行电性连接，且所述振动检测分析模块与所述信号分析模块进行无线连接；
所述振动检测分析模块，用于检测二胡琴码的振动信号，进行A/D转换，生成序列S(n)，并将所述序列S(n)发送给所述信号分析模块；
所述信号分析模块，用于对所述序列S(n)进行离散的快速傅里叶变换，得到频域函数，根据所述频域函数，确定二胡振动信号的参数，并根据所述参数和所述模型确定二胡当前的演奏信息。
4.根据权利要求3所述的电子二胡***，其特征在于，所述振动检测分析模块包括压电陶瓷、滤波电路和控制器，
所述压电陶瓷设置在二胡琴码的位置处，连接有电荷放大器和运算放大器，并连接到所述滤波器，所述压电陶瓷用于检测二胡琴码的振动信号，并将所述振动信号经所述电荷放大器和运算放大器进行放大，然后输送至滤波器；
所述滤波器用于对所述振动信号的杂波进行过滤，然后将过滤后的振动信号发送给所述控制器；
所述控制器用于对所述过滤后的振动信号进行A/D转换，生成所述序列S(n)，并将所述序列S(n)发送给所述信号分析模块。
5.根据权利要求3所述的电子二胡***，其特征在于，所述演奏信息包括演奏方式、演奏力度和演奏音高，所述信号分析模块具体用于：
对所述序列S(n)进行离散的快速傅里叶变换，得到振动信号的频域函数；
根据所述频域函数，确定二胡振动信号的基率、幅值、幅频变化规律；
将所述基率、幅值、幅频变化规律与所述模型进行比对，确定演奏方式、演奏力度和演奏音高，并将所述演奏方式、演奏力度和演奏音高通过扩展后的MIDI协议发送至所述播放***。
6.根据权利要求1所述的电子二胡***，其特征在于，所述根据所述演奏信息，调用所述音色库中的声音，合成并播放对应的音乐之前，还包括：
对二胡声音进行取样，获得多个样本音；
确定每个所述样本音的频率；
每两个相邻样本音中一个样本音为低频率，另一个样本音为高频率，通过变速变调算法，将低频率的样本音升调到低频率与高频率之间的多个中间频率，以另外获得多个中间频率的样本音，形成扩展后的音色库。
7.根据权利要求1所述的电子二胡***，其特征在于，所述音色库具体用于：
根据所述演奏信息，向波表发出指令；
从表格中，逐一找出对应的声音信息；
将所述声音信息发送给所述播放***进行合成播放。
8.根据权利要求1所述的电子二胡***，其特征在于，所述音色库存贮于SD卡上，所述根据所述演奏信息，调用所述音色库中的声音，合成并播放对应的音乐之前，还包括：
将SD卡***计算机设备中，下载对应的音色库，并烧录在所述SD卡中；
将SD卡放回所述电子二胡***中。
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