快速轉調的新型電子古箏的探求與發明

顧先華 吳士廣 陳思琪 黃 麟 劉松巖 北京郵電大學 北京 100876

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快速轉調的新型電子古箏的探求與發明

顧先華 吳士廣 陳思琪 黃 麟 劉松巖 北京郵電大學 北京 100876

【文章摘要】

本電子古箏電路包括傳感放大器電路、音源選擇單片機和擴音器電路，是一種創新電子樂器，外形沿用傳統古箏，創新運用電子電路進行發聲變調。因此，電子古箏音律準確，音色優美，特別是快速轉調——根據調子進行音源選擇，解決了中國傳統弦樂器轉調靠耳力的世界難題，大大增強了電子古箏的藝木表現力。

【關鍵詞】

電子古箏；快速轉調；Arduino

0 引言

作為一群古箏愛好者，我們團隊對于轉調中的繁瑣是絕對的深惡痛絕。在廣泛的征集老師、同學、古箏專業演奏者后，我們發現古箏的笨重、轉調的繁瑣等等問題深深困擾著人們。產生這些問題的其中一個根源便是雁柱。傳統古箏雁柱有著悠久的歷史，是古人經過不斷的改善而得到的，中國傳統樂器不同于國外樂器，沒有固定的數據，有著其獨特的文化和魅力，不同的琴，是造琴者依托自己的感覺而打造出來，造成了中國傳統樂器制作數據無法統一，但同時也給了不同琴的不同的個性。因此我們不希望去背離傳統，而轉向與傳統古箏并列的電子古箏。

本電子古箏是一種創新電子樂器，外形沿用傳統古箏的流線型, 演奏技巧上尊重傳統。琴弦彈奏產生音符，壓電陶瓷片將其轉換為電流,電路放大信號，根據調子的選擇利用Arduino進行音源選擇實現快速轉調功能，最后利用擴音器放音。現階段，電子古箏實體已經基本完成，實現了傳統古箏六調之間的快速轉換。

1 正文

近年來，電子樂器發展迅速，形成一種獨特的文化，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。我們希望研制出一款輕便易攜帶，能接入耳機、電腦、音箱等電子設備的電子古箏。我們一是希望引導未來電子古箏的走向，鼓勵更多的人研究電子古箏，關注中國的傳統樂器，二是希望能為古箏愛好者、初學者提供一款輕便易攜帶、能快速錄音等功能的電子古箏，方便人們能隨時隨地在不影響他人的情況下彈奏古箏。

傳統古箏是靠彈撥琴弦產生振動，通過弦架等將振動傳輸到木質音箱共鳴而發聲。本電子古箏是一種創新電子樂器，外形沿用傳統古箏及其演奏技巧．利用電路產生音階，利用擴音器放音，琴弦作為彈奏的載體。因此，電子古箏音律準確，音色優美，特別是快速轉調——根據調子的選擇進行音源選擇，解決了中國傳統弦樂器轉調靠耳力、數據不統一的世界難題，大大增強了電子古箏的藝木表現力。

2 項目研究的主要內容

2.1信號的拾取與采集

我們對傳統的古箏進行改造，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數量的壓力傳感器。同時我們為了古箏的美化，對相應的位置進行改造。在每根的琴弦下面安置一個壓力傳感器，通過該壓力傳感器可以檢測到各個弦按壓的力度。當某根琴弦被按壓下時，壓力傳感器檢測到信號，傳輸，并將信號進一步放大傳輸到下一級。

2.2信號的處理

壓力傳感器傳輸的信號輸入到Arduino系統，通過Arduino的編程實現，進而控制相應的音源輸出。在每根琴弦的輸入線路中，都連接一個按鈕。如果在信號傳輸中，有按鈕按下時，系統就會識別，輸出對應設定的音頻，如果沒有按鈕按下，系統就會輸出原本的音頻。

2.3信號的輸出

基于Arduino傳輸而來的信號，通過音頻功率放大電路進行進一步的放大和輸出。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計算

古箏的轉調是指把原調升高或降低而變成另外一個調。古箏是五聲音階頂線，常用調都是以“移柱”達到轉調的目的。根據十二平均音律，音高依次升高，相鄰兩個音高倍數為2^(1/12)倍（2的12分之一次方）

2.5實體改造

3 項目研究的特色

本項目---電子古箏，結合了變調與定位的兩大功能，是項目中最大的創新點。其成本低廉，變調時間短，使用方法簡潔易懂將成為它最大的競爭點。它將中國傳統與現代科技結合起來，開辟出一個新的電子樂器領域。我們希望通過此項目的研究與發明，一方面為廣大古箏愛好者在古箏的學習上提供一個良好的平臺，另一方面宣揚中國傳統音樂文化，讓更多人了解古箏、學習古箏。

具體創新特色如下：

(1)項目具有藝術性：此項目涉及音樂領域，以藝術為起點，融合科技，將中國傳統樂器映射到新的電子領域。希望以科學的數據承載音樂的曼妙，用藝術的手法點醒技術的優美。

(2)項目具有便利性：將古箏中難以變調這一最大的缺點攻破，僅需一個按鍵，告別“抬弦移碼”的時代，方便廣大古箏愛好者以及樂團工作者在演奏時方便快速變調，節約寶貴的演奏時間。

(3)項目具有多功能性：本電子古箏最后可接音箱、耳機、電腦，隨心所欲。既可以向大家展示自己古箏才能，也可創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)項目具有市場需求：在調查當中百分之九十的人都反映彈奏中變調的繁瑣與費時，一部分人反映在保存古箏的過程中容易走音的現象。而現在市面上缺少電子古箏類似的產品，也缺少解決這類問題有效的古箏元件。

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

(6)項目具有美觀性：我們可以改變傳統古箏的外形（因為僅需琴弦的振動無需放大的共鳴箱），加入藝術的佐料，融合我們的個性，使之更加具有美觀性。

(7)項目具有科學性：項目將從科學的角度出發，改造中國傳統古箏，加入現代電子技術，讓古箏就如古典吉他一般，在電子領域擁有它的一席之地。

4 項目研究的技術架構

新型電子古箏電路由拾音器，放大電路，主控，單片機Arduino，擴音器組成。

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。演奏時，撥動琴弦，壓電陶瓷片產生形變，由于壓電效應，松手瞬間，壓電陶瓷片兩面產生感應電荷，輸出正向尖頂脈沖電壓信號，輸入到傳感放大器電路。

放大部分是將信號輸入到具有一定放大能力的前置放大電路，弱信號經過前置放大電路放大一定幅值后進入帶通濾波電路，濾波完成后輸入到下一個處理過程。由于電子古箏利用電路產生音階和形成因素，能夠解決傳統古箏五聲音階致命的缺點，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弦升降半音。那么將古箏傳統六調21根弦音名全部輸入到控制電路中，僅需一個按鍵，便可將輸出21根琴弦音名在六調之間自由變化，達到自由升降調的目的。

經過功率放大電路的放大作用，以驅動揚聲器發出聲音，或者由USB接口連入其他電子設備進行錄音，或者連接耳機在不打擾其他人的情況下創造一個自我娛樂的天地。

5 項目成果及其性能分析

電子古箏是以單片機為核心，通過外圍電路（傳感放大器電路、單片機外圍電路、擴音器電路）實現琴弦的準確調弦。

改造后的古箏的五根琴弦與單片機相連接，撥動琴弦，采用壓力傳感器FSR400力敏電阻薄膜（循環壓力傳感器）接受振動信號，然后傳入五個輸入端口（模擬輸入口），6個數字輸入口連接6個按鍵，分別控制6種不同的音調，簡單通俗的說5個壓力傳感器，實現了5*6個音調，并且11個元器件，均設置了11個保護電阻，以保證不會損壞。信號傳入Arduino 開源 Arduino TTL串口語音播放器，發出已經存入的不同音調的聲音，但是傳統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，將古箏完全電子化，以達到最終的目的。

這種技術使我們的電子古箏音色優美（在音源可見情況下能達到專業古箏音色），沒有改變傳統古箏演奏方式，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多出現接觸不良而導致無法正常發聲的情況，但是一次次的試驗中，最后圓滿實現上述功能。

6 項目成果的測試情況及數據處理

第一階段：一根弦燈亮有聲，說明接受到傳感器傳來的信號，初步測試成功；

第二階段：一根弦兩個調，轉調電路已經實現，保證接下來5*2個音調的實現；

第三階段：五根弦兩個調，將五根琴弦分別連接5個壓力傳感器，連接到單片機，轉置語音播放器，產生聲音；

第四階段：五根弦六個調，五根琴弦經過單片機后，可以產生5*6個音調，達到實驗的最終目的。

7 項目成果的經濟效益或社會效益分析

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步，首先，將聲音信號量化編碼實現了古箏聲音的數字化處理。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，極大的增強了古箏的表現力。

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

8 結論

本項目的主體——電子古箏是以單片機為核心，通過外圍電路（傳感放大器電路、單片機外圍電路、擴音器電路）實現琴弦的準確調弦。9月下旬至12月上旬，我們進行到了研究階段的中期階段——古箏音高頻率推導常用五個調全部推導完畢，三個外圍電路實現和測試成功，單片機基礎代碼編寫完成和輸入輸出測試成功，古箏實體改造初步完成。2月下旬至5月上旬，我們進行到了研究階段的終期階段——古箏實體五根琴弦六個音調自由選擇轉換測試成功，古箏實體初步封裝，外觀美化。

由于項目的立意包括傳統的改革，使得這個項目始終存在一定的困難和爭議。傳統古箏的觀念已經被廣大群眾所喜歡，所以對原有古箏進行改造，增加電子設施，一些古箏師傅并不贊成這樣的改動，認為傳統古箏歷史悠久，經過幾千年的歷史，已經很完美了。而我們必須要推陳出新，需要一步一步去摸索，原本項目初定僅僅實現變調的功能，改了很多次計劃，起初希望直接對古箏增設器件來完成對古箏的轉調，但是對古箏的改造對古箏的改動找不到合適的下手點，所以最終我們決定轉換思路，采用壓電陶瓷片來采集振動信號，集成電路來放大，最終通過單片機來將電信號轉換成聲音信號，為人耳所接受。結果發現集成電路放大倍數有一定的問題，單片機不易接受輸入信號，最終決定采用壓電陶瓷片拾取振動信號，單片機直接拾取電信號，并且完成轉調的功能。項目不斷的改善，需要搜集更多的資料以實現電子古箏的功能。

【參考文獻】

[1]期刊：肖鳴山、張子清，《拾音器用的壓電陶瓷傳感器》[J]，《傳感器技術》，1987年，第3期

[2]期刊：劉凱，《力控電子古箏》[J]，《青年科學》，2012年，第11期

[3]期刊：何明煒，《小型高音質電吉他放大器》[J]，《實用電子文摘》，1996年，第8 期

[4]期刊：鮑德培、陳益，《實用電吉他放大器》[J]，《實用影音技術》，2002年，第11期

[5]專著：童詩白、華成英，《模擬電子技術基礎》[M]，北京：高等教育出版社，2006 年

指導教師：王菡 助理研究員