快速转调的新型电子古筝的探求与发明

顾先华 吴士广 陈思琪 黄 麟 刘松岩 北京邮电大学 北京 100876



快速转调的新型电子古筝的探求与发明

顾先华 吴士广 陈思琪 黄 麟 刘松岩 北京邮电大学 北京 100876

【文章摘要】

本电子古筝电路包括传感放大器电路、音源选择单片机和扩音器电路，是一种创新电子乐器，外形沿用传统古筝，创新运用电子电路进行发声变调。因此，电子古筝音律准确，音色优美，特别是快速转调——根据调子进行音源选择，解决了中国传统弦乐器转调靠耳力的世界难题，大大增强了电子古筝的艺木表现力。

【关键词】

电子古筝；快速转调；Arduino

0 引言

作为一群古筝爱好者，我们团队对于转调中的繁琐是绝对的深恶痛绝。在广泛的征集老师、同学、古筝专业演奏者后，我们发现古筝的笨重、转调的繁琐等等问题深深困扰着人们。产生这些问题的其中一个根源便是雁柱。传统古筝雁柱有着悠久的历史，是古人经过不断的改善而得到的，中国传统乐器不同于国外乐器，没有固定的数据，有着其独特的文化和魅力，不同的琴，是造琴者依托自己的感觉而打造出来，造成了中国传统乐器制作数据无法统一，但同时也给了不同琴的不同的个性。因此我们不希望去背离传统，而转向与传统古筝并列的电子古筝。

本电子古筝是一种创新电子乐器，外形沿用传统古筝的流线型, 演奏技巧上尊重传统。琴弦弹奏产生音符，压电陶瓷片将其转换为电流,电路放大信号，根据调子的选择利用Arduino进行音源选择实现快速转调功能，最后利用扩音器放音。现阶段，电子古筝实体已经基本完成，实现了传统古筝六调之间的快速转换。

1 正文

近年来，电子乐器发展迅速，形成一种独特的文化，而在电子古筝方面研究的人少之又少，所得的成果屈指可数。我们希望研制出一款轻便易携带，能接入耳机、电脑、音箱等电子设备的电子古筝。我们一是希望引导未来电子古筝的走向，鼓励更多的人研究电子古筝，关注中国的传统乐器，二是希望能为古筝爱好者、初学者提供一款轻便易携带、能快速录音等功能的电子古筝，方便人们能随时随地在不影响他人的情况下弹奏古筝。

传统古筝是靠弹拨琴弦产生振动，通过弦架等将振动传输到木质音箱共鸣而发声。本电子古筝是一种创新电子乐器，外形沿用传统古筝及其演奏技巧．利用电路产生音阶，利用扩音器放音，琴弦作为弹奏的载体。因此，电子古筝音律准确，音色优美，特别是快速转调——根据调子的选择进行音源选择，解决了中国传统弦乐器转调靠耳力、数据不统一的世界难题，大大增强了电子古筝的艺木表现力。

2 项目研究的主要内容

2.1信号的拾取与采集

我们对传统的古筝进行改造，将古筝的音箱去除，使它自身的声音变小或者没有，然后古筝的一边放置相应数量的压力传感器。同时我们为了古筝的美化，对相应的位置进行改造。在每根的琴弦下面安置一个压力传感器，通过该压力传感器可以检测到各个弦按压的力度。当某根琴弦被按压下时，压力传感器检测到信号，传输，并将信号进一步放大传输到下一级。

2.2信号的处理

压力传感器传输的信号输入到Arduino系统，通过Arduino的编程实现，进而控制相应的音源输出。在每根琴弦的输入线路中，都连接一个按钮。如果在信号传输中，有按钮按下时，系统就会识别，输出对应设定的音频，如果没有按钮按下，系统就会输出原本的音频。

2.3信号的输出

基于Arduino传输而来的信号，通过音频功率放大电路进行进一步的放大和输出。普通的音频功率放大电路支持的功率较小，我们选用较大的功率放大电路，使之能够符合演奏需要。

2.4古筝音高频率的推导计算

古筝的转调是指把原调升高或降低而变成另外一个调。古筝是五声音阶顶线，常用调都是以“移柱”达到转调的目的。根据十二平均音律，音高依次升高，相邻两个音高倍数为2^(1/12)倍（2的12分之一次方）

2.5实体改造

3 项目研究的特色

本项目---电子古筝，结合了变调与定位的两大功能，是项目中最大的创新点。其成本低廉，变调时间短，使用方法简洁易懂将成为它最大的竞争点。它将中国传统与现代科技结合起来，开辟出一个新的电子乐器领域。我们希望通过此项目的研究与发明，一方面为广大古筝爱好者在古筝的学习上提供一个良好的平台，另一方面宣扬中国传统音乐文化，让更多人了解古筝、学习古筝。

具体创新特色如下：

(1)项目具有艺术性：此项目涉及音乐领域，以艺术为起点，融合科技，将中国传统乐器映射到新的电子领域。希望以科学的数据承载音乐的曼妙，用艺术的手法点醒技术的优美。

(2)项目具有便利性：将古筝中难以变调这一最大的缺点攻破，仅需一个按键，告别“抬弦移码”的时代，方便广大古筝爱好者以及乐团工作者在演奏时方便快速变调，节约宝贵的演奏时间。

(3)项目具有多功能性：本电子古筝最后可接音箱、耳机、电脑，随心所欲。既可以向大家展示自己古筝才能，也可创造出自己的小小音乐世界，更可以接入电脑利用音乐软件作出自己想要的音乐。

(4)项目具有市场需求：在调查当中百分之九十的人都反映弹奏中变调的繁琐与费时，一部分人反映在保存古筝的过程中容易走音的现象。而现在市面上缺少电子古筝类似的产品，也缺少解决这类问题有效的古筝元件。

(5)项目具有实用性：项目最后的研究成果将以实体形式呈现在人们面前，且电子古筝不改变传统古筝指法技巧，且电子部分使用方法简洁易懂、装卸便利。

(6)项目具有美观性：我们可以改变传统古筝的外形（因为仅需琴弦的振动无需放大的共鸣箱），加入艺术的佐料，融合我们的个性，使之更加具有美观性。

(7)项目具有科学性：项目将从科学的角度出发，改造中国传统古筝，加入现代电子技术，让古筝就如古典吉他一般，在电子领域拥有它的一席之地。

4 项目研究的技术架构

新型电子古筝电路由拾音器，放大电路，主控，单片机Arduino，扩音器组成。

压力传感采用压电陶瓷片作为压力传感器，安装在古筝前岳山处每根琴弦之下，电路板置于面板右方黑色盒内。演奏时，拨动琴弦，压电陶瓷片产生形变，由于压电效应，松手瞬间，压电陶瓷片两面产生感应电荷，输出正向尖顶脉冲电压信号，输入到传感放大器电路。

放大部分是将信号输入到具有一定放大能力的前置放大电路，弱信号经过前置放大电路放大一定幅值后进入带通滤波电路，滤波完成后输入到下一个处理过程。由于电子古筝利用电路产生音阶和形成因素，能够解决传统古筝五声音阶致命的缺点，即不能方便地升降半音。如果将某一半音音名频率输出端与电子古筝某一根琴弦音名控制电路相连，就可以更改某一根琴弦上升或下降半音，就像竖琴一样通过脚踏板控制相应弦升降半音。那么将古筝传统六调21根弦音名全部输入到控制电路中，仅需一个按键，便可将输出21根琴弦音名在六调之间自由变化，达到自由升降调的目的。

经过功率放大电路的放大作用，以驱动扬声器发出声音，或者由USB接口连入其他电子设备进行录音，或者连接耳机在不打扰其他人的情况下创造一个自我娱乐的天地。

5 项目成果及其性能分析

电子古筝是以单片机为核心，通过外围电路（传感放大器电路、单片机外围电路、扩音器电路）实现琴弦的准确调弦。

改造后的古筝的五根琴弦与单片机相连接，拨动琴弦，采用压力传感器FSR400力敏电阻薄膜（循环压力传感器）接受振动信号，然后传入五个输入端口（模拟输入口），6个数字输入口连接6个按键，分别控制6种不同的音调，简单通俗的说5个压力传感器，实现了5*6个音调，并且11个元器件，均设置了11个保护电阻，以保证不会损坏。信号传入Arduino 开源 Arduino TTL串口语音播放器，发出已经存入的不同音调的声音，但是传统古筝是二十一根琴弦，因此，我们需要将剩余的琴弦同样装以单片机，将古筝完全电子化，以达到最终的目的。

这种技术使我们的电子古筝音色优美（在音源可见情况下能达到专业古筝音色），没有改变传统古筝演奏方式，即不论是托、劈、勾、剔、抹、挑，还是撮、轮、摇等诸多技法，都能播放出选定古筝琴音。虽然我们在多次尝试搭接电路时多出现接触不良而导致无法正常发声的情况，但是一次次的试验中，最后圆满实现上述功能。

6 项目成果的测试情况及数据处理

第一阶段：一根弦灯亮有声，说明接受到传感器传来的信号，初步测试成功；

第二阶段：一根弦两个调，转调电路已经实现，保证接下来5*2个音调的实现；

第三阶段：五根弦两个调，将五根琴弦分别连接5个压力传感器，连接到单片机，转置语音播放器，产生声音；

第四阶段：五根弦六个调，五根琴弦经过单片机后，可以产生5*6个音调，达到实验的最终目的。

7 项目成果的经济效益或社会效益分析

将木古筝改装成电子古筝的好处可以类比于电吉他之于木吉他所带来的进步，首先，将声音信号量化编码实现了古筝声音的数字化处理。方便了后期对声音的各种处理，使得古筝的声音色彩更加的丰富，极大的增强了古筝的表现力。

其次，古筝数字化电子化使得东方传统乐器真正迈入了电子乐的大门。将传统乐器同现代混声与朋克元素结合，一定会为古筝带来新的生命活力，释放出巨大的市场潜力。

8 结论

本项目的主体——电子古筝是以单片机为核心，通过外围电路（传感放大器电路、单片机外围电路、扩音器电路）实现琴弦的准确调弦。9月下旬至12月上旬，我们进行到了研究阶段的中期阶段——古筝音高频率推导常用五个调全部推导完毕，三个外围电路实现和测试成功，单片机基础代码编写完成和输入输出测试成功，古筝实体改造初步完成。2月下旬至5月上旬，我们进行到了研究阶段的终期阶段——古筝实体五根琴弦六个音调自由选择转换测试成功，古筝实体初步封装，外观美化。

由于项目的立意包括传统的改革，使得这个项目始终存在一定的困难和争议。传统古筝的观念已经被广大群众所喜欢，所以对原有古筝进行改造，增加电子设施，一些古筝师傅并不赞成这样的改动，认为传统古筝历史悠久，经过几千年的历史，已经很完美了。而我们必须要推陈出新，需要一步一步去摸索，原本项目初定仅仅实现变调的功能，改了很多次计划，起初希望直接对古筝增设器件来完成对古筝的转调，但是对古筝的改造对古筝的改动找不到合适的下手点，所以最终我们决定转换思路，采用压电陶瓷片来采集振动信号，集成电路来放大，最终通过单片机来将电信号转换成声音信号，为人耳所接受。结果发现集成电路放大倍数有一定的问题，单片机不易接受输入信号，最终决定采用压电陶瓷片拾取振动信号，单片机直接拾取电信号，并且完成转调的功能。项目不断的改善，需要搜集更多的资料以实现电子古筝的功能。

【参考文献】

[1]期刊：肖鸣山、张子清，《拾音器用的压电陶瓷传感器》[J]，《传感器技术》，1987年，第3期

[2]期刊：刘凯，《力控电子古筝》[J]，《青年科学》，2012年，第11期

[3]期刊：何明炜，《小型高音质电吉他放大器》[J]，《实用电子文摘》，1996年，第8 期

[4]期刊：鲍德培、陈益，《实用电吉他放大器》[J]，《实用影音技术》，2002年，第11期

[5]专著：童诗白、华成英，《模拟电子技术基础》[M]，北京：高等教育出版社，2006 年

指导教师：王菡 助理研究员