專利名稱：用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種電子樂器，具體地說是一種用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴。
管風(fēng)琴是一種具有兩千余年歷史的古老樂器，至今仍主要應(yīng)用于教堂、音樂廳演奏古典音樂之用。目前廣范使用的是電動管風(fēng)琴，它是靠電動機帶動空氣壓縮機產(chǎn)生氣流，經(jīng)管路去吹響音管，而琴體鍵盤實質(zhì)是一組機械或電氣開關(guān)，去控制氣流閥門開啟，使音管發(fā)聲或止音。管風(fēng)琴的音高取決于音管的長短，最長十幾米，最短幾厘米，音色是靠簧管音管(類似笙發(fā)聲)、笛管音管(類似豎笛發(fā)聲)自身發(fā)聲音色及相互組合而成的合成音色，往往需要成千上萬支音管，有的大型管風(fēng)琴竟用三萬兩千支管子。1990年北京音樂廳安裝竣工一臺捷克生產(chǎn)的電動管風(fēng)琴，它屬于中型大號琴。它由一臺古典式機械臺及一臺電腦控制的電子演奏臺操縱，并有4859個音管陣列，78個音栓。琴高13.8米，寬19米，厚3米，重26噸，本身出廠價15萬美元，建筑改建及安裝費800萬人民幣。
本實用新型的目的在于提出一種既保留傳統(tǒng)管風(fēng)琴外觀、演奏方法及逼真的音色效果，又能使造價大大降低、體積小、重量輕、便于安裝及維修的電子管風(fēng)琴。
為達(dá)到上述目的，本實用新型采用的解決方案是用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴由電腦控制演奏臺和共鳴音管陣列兩大部分構(gòu)成。電腦控制演奏臺是該琴的主體部分，主要功能是實施演奏和用電路產(chǎn)生音階及音色。共鳴音管陣列是該琴的附屬部分，主要功能是共鳴發(fā)音。用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴保留了傳統(tǒng)管風(fēng)琴的外形及演奏方法。電腦控制演奏臺由琴體、鍵盤和樂器數(shù)字接口電腦控制電路組成，作為電腦控制演奏臺關(guān)鍵部分的樂器數(shù)字接口電腦控制電路，它由樂器數(shù)字接口電腦主接電路、鍵盤電路、電源電路及外圍控制按鈕電路組成，用以產(chǎn)生音階及音色。共鳴音管陣列由共鳴音管和安裝在其下方的聲波激勵器組成，按照音管布置形式可分為雙列式共鳴音管陣列和蝸旋式共鳴音管陣列，聲波激勵器裝有大功率揚聲器、分頻器和專業(yè)號角式揚聲器，它利有高保真功效輸送來的音頻電流來驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，做為聲源來激勵音管陣列共鳴。
本實用新型用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴優(yōu)點是1、用電路產(chǎn)生音階及音色。本琴完全依靠電路發(fā)音，避免了環(huán)境溫度、壓力、濕度等對音管的發(fā)音的影響；而且用電路發(fā)音音階準(zhǔn)確、音色優(yōu)美多變，并易于產(chǎn)生各種控制效果，如混響等。由于本琴采用數(shù)字采樣電路發(fā)音，還音逼真，可控性高。
2、采用樂器數(shù)字接口(MIDI)技術(shù)。本琴用樂器數(shù)字接口電腦控制電路(含程序)產(chǎn)生符合國際標(biāo)準(zhǔn)的MIDI數(shù)碼，并實現(xiàn)電子管風(fēng)琴演奏所需的各種功能控制。除此以外，本琴通過電腦控制板MIDI輸出接口可與進口音序器、音樂電腦等外部設(shè)備相聯(lián)，實現(xiàn)彈奏樂曲數(shù)碼錄放、編輯作曲等功能。
3、利用共鳴音管陣列產(chǎn)生共鳴音，減少互調(diào)失真，改進音響效果。由于本琴放音系統(tǒng)采用共鳴音管陣列共鳴發(fā)聲，不僅僅使長短不同的每一音管對相應(yīng)的音名頻率發(fā)生共鳴現(xiàn)象，使這一音名的基波振幅最大，聲音最響，而且使在空間排列的各間管發(fā)聲產(chǎn)生定位性，有聲像位置空間感，摸擬出傳統(tǒng)管風(fēng)琴音管發(fā)聲的音響效果。此外由于各音管獨立共鳴發(fā)聲，相互之間互調(diào)作用減到最低限度，因而和弦音層次分明，無互調(diào)音，增強樂器表現(xiàn)力與藝術(shù)感染力。
4、繼承傳統(tǒng)管風(fēng)琴的外形及功能。本琴雖然利用電路發(fā)音，但鍵盤設(shè)置，各控制按鈕功能都符合管風(fēng)琴的傳統(tǒng)特征以及所實施的彈奏方法與技巧，再加上共鳴音管陣列的應(yīng)用，使本琴比電子風(fēng)琴更趨近于傳統(tǒng)管風(fēng)琴。
5、體積小、重量輕、成本低、便于安裝、保養(yǎng)及維修。本琴由于利用電路發(fā)音，音管減少到64支，使體積和重量縮小了中型大號管風(fēng)琴的 1／100，成本的1／50。由于電路發(fā)音采用大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路芯片，壽命長，耗電省，不需經(jīng)常保養(yǎng)及維修。
6、實用性強。由于上述優(yōu)點，易于普及，特別適用于教堂、音樂廳演奏古典音樂、音樂院校教學(xué)及文化團體演出、娛樂之用。
以下結(jié)合附圖對本實用新型的實施例作進一步的詳細(xì)描述。


圖1是本實用新型用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴電腦控制演奏臺的透視圖。
圖2中的(a)和(b)分別是
圖1所示電腦控制演奏臺的正視圖和俯視圖。
圖3中的(a)和(b)分別是圖2(a)所示電腦控制演奏臺沿A－A和沿B－B線的剖視圖。
圖4是本實用新型用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴共鳴音管陣列的透視圖，其中(a)和(b)分別是雙列式和蝸旋式共鳴音管陣列。
圖5中的(a)和(b)和(c)分別是圖4(a)所示雙列式共鳴音管陣列的正視圖、側(cè)視圖和俯視圖。
圖6是
圖1所示電腦控制演奏臺的樂器數(shù)字接口電腦控制電路的主控電路圖。
圖7至圖9分別是圖6所示主控電路圖中框出的左、中、右三部分的放大圖。
圖10是
圖1所示電腦控制演奏臺的樂器數(shù)字接口電腦控制電路的鍵盤電路圖。
圖11是
圖1所示樂器數(shù)字接口電腦控制電路的外圍控制按鈕電路圖。
由
圖1、圖2和圖3可知，鍵盤中的手鍵鍵盤1由三層61鍵標(biāo)準(zhǔn)鍵盤組成，演奏樂曲旋律用，每個鍵盤通過音栓5可任意設(shè)定出128種音色，腳鍵鍵盤2有二層32鍵腳鍵，其音量由滾筒式腳鍵鍵盤音量踏板3控制，總音量感情踏板4對腳鍵與手鍵鍵盤音量配平、調(diào)整。在手鍵鍵盤左側(cè)控制面板21上分兩排安裝有8個音栓按鈕5，主要用于預(yù)置手鍵鍵盤及腳鍵鍵盤音色。在手鍵鍵盤左右兩側(cè)控制面板下方的左側(cè)控制面板前檔板22及右側(cè)控制面板前檔板23上，分段安裝有12個存貯控制開關(guān)6，用于設(shè)定或選定某一組預(yù)制音色。在左側(cè)控制面板21上安裝有數(shù)碼顯示板7，用于分別顯示鍵盤序號、音色序號、音組序號、八度音連鎖升降調(diào)音程數(shù)碼?？傠娫撮_關(guān)8、工作燈開關(guān)9、變調(diào)開關(guān)10及復(fù)位開關(guān)11安裝在手鍵鍵盤右側(cè)控制面板24上，排列成一排，分別用于電源總開關(guān)控制，擴音機照明燈20開關(guān)控制、預(yù)置升降調(diào)控制及升降調(diào)恢復(fù)控制。在總音量感情踏板4左右兩側(cè)的左活動檔板25及右活動檔板26上安裝有兩組足踏連鎖控制開關(guān)12，主要用于控制手鍵鍵盤八度音連鎖。在手鍵鍵盤上方的手鍵檔板27安裝有MIDI音源13，它接收樂器數(shù)字接口電腦主控電路輸出的含有控制及演奏信息的MIDI數(shù)碼指令，受控而產(chǎn)生相應(yīng)樂音及效果。在總音量感情踏板窗口28上方安裝有高保真功放14，其輸出的音頻電流，用以驅(qū)動共鳴音管陣列發(fā)聲，左、右監(jiān)聽音箱15用于彈奏者監(jiān)聽演奏效果。在用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴電腦控制演奏臺中還包括有電腦演奏臺底座16、可調(diào)節(jié)高度的琴凳17、演奏臺可折疊蓋板18、樂譜架19、左側(cè)板29、右側(cè)板30、頂板31、背板32、腳鍵復(fù)位壓簧33、壓簧座34、磁控開關(guān)支架35及樂器數(shù)字接口電腦主控電路板36。
如圖4和圖5所示，聲波激勵器38形體酷似音箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝大功率揚聲器、分頻器，側(cè)面安裝有專業(yè)號角式揚聲器39等，箱體上有倒相孔40、箱體把手41和箱體包角42。共鳴音箱37安裝在聲波激勵器38上面板上，它由一系列長短、粗細(xì)不同的按一定方式排列的圓管組成。本琴所用共鳴音管陣列可選用如圖4所示的兩種形式的一種，各由相同的一對組成立體聲左、右兩個聲道。蝸旋式共鳴音管陣列借鑒中國民族樂器笙笛管的排列形式，最長最粗的音管在一簇音管中央，該管長的音管在一簇音管中央，該管長3.145米，共鳴基頻為54.63赫茲(大字一組A1音)。以上述中央管為中心，其余音管按共鳴音名的順序以蝸旋線向外擴散排列，直至最短最細(xì)第32根音管，長度為0.164米，共鳴頻率為2017赫茲，音名小字四組C4。雙列式外形采用燕尾式，每一聲道分成兩排按共鳴音名順序排列。共鳴音管的作用是在聲波激勵下，使音管內(nèi)空氣柱發(fā)生共鳴現(xiàn)象，使某一頻率的聲波振幅最大，選擇適當(dāng)?shù)墓荛L，即當(dāng)管長為聲波基頻的波長1／2時，恰好應(yīng)某一音名樂音頻率。各共鳴音管的序號、音名、頻率、管長見附表。
從圖6至圖9可出，樂器數(shù)字接口電腦主控電路由單片機片8751等組成的硬件電路及支持此硬件電路進行的程序組成。用樂器數(shù)字接口電腦主控電路的主要功能是(1)、接收電腦控制演奏臺的演奏信息包括三個手鍵鍵盤1、一個腳鍵鍵盤2的鍵盤開關(guān)通斷情況及滾筒式腳鍵鍵盤音量踏板3和總音量感情踏板4力度電平高低情況，經(jīng)樂器數(shù)字接口電路電腦主控電路處理、產(chǎn)生并輸出攜帶有演奏信息的、符合國際電子樂器通用標(biāo)準(zhǔn)的MIDI數(shù)碼，以傳輸給MIDI音源，使之受控產(chǎn)生所需音名及力度。(2)、通過樂器數(shù)字接口電腦主控電路及外圍控制按鈕實現(xiàn)本琴所需的各種功能控制。主要控制功能有利用音栓5、存貯控制開關(guān)6的觸發(fā)情況，經(jīng)樂器數(shù)字接口電腦主控電路處理，選擇本琴所需音色音色組合的存貯與讀出，并輸出符合GS標(biāo)準(zhǔn)－－國際規(guī)定電子樂器音色代碼的MIDI數(shù)碼，傳輸給MIDI音源，使之受控產(chǎn)生所需音色及音響效果；利用變調(diào)10及復(fù)位11開關(guān)的觸發(fā)情況，產(chǎn)生升降調(diào)信息的MIDI數(shù)碼；利用足踏連鎖控制開關(guān)12的觸發(fā)情況，產(chǎn)生三個手鍵鍵盤自身及相互之間八度音連鎖發(fā)音的MIDI數(shù)碼。(3)、控制及驅(qū)動數(shù)碼顯示板7上的四位數(shù)碼管，以數(shù)碼形式顯示出控制結(jié)果一包括鍵盤號碼、音色號碼、音色存貯組合號碼、鍵盤八度音連鎖號碼及升降調(diào)音程數(shù)碼。
圖10所示的樂器數(shù)字接口電腦控制電路中的鍵盤電路是用于第一層61鍵鍵盤的鍵盤電路，本鍵盤電路連線有19條，與樂器數(shù)字接口電腦主控電路圖6中的P220線插座相連。對應(yīng)的線號是IN11～16，OUT1～12及接地。當(dāng)IN11通過第一層61鍵手鍵鍵盤大字組的12個開關(guān)K1～K12及相連的隔離二極管D分別與OUT1～OUT12相通時，可產(chǎn)生大字組的12個音名(C、＃C、D、bE、F、＃F、G、bA、A、bB及B)，同樣IN12與OUT1～12組合產(chǎn)生小字組12個音名，直至IN16與OUT1組合產(chǎn)生C4音名。地線接鍵盤鐵底座。同理，圖6中的P3、P4及P5分別與第二、三層61鍵手鍵鍵盤及腳鍵鍵盤電路相連。
樂器數(shù)字接口電腦控制電路的外圍控制按鈕電路見
圖11。它與圖6中的P5有關(guān)接線相連。IN45分別與OUT1～12相觸發(fā)時，開關(guān)C1～C4是選擇所要設(shè)置鍵盤號碼的音栓按鈕，分別控制第一、二、三層手鍵鍵盤及腳鍵鍵盤。C5為升降調(diào)控制按鈕，開關(guān)＋1、－1、＋10及－10是預(yù)置號碼的音栓按鈕，C7、C8是八度音連鎖控制開關(guān)。IN46與OUT1～12組合，開關(guān)B1～B12為12個音色組合存貯控制開關(guān)。
權(quán)利要求1.一種用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴，其特征在于它由實施演奏及用電路產(chǎn)生音階音色的電腦控制演奏臺和用于產(chǎn)生共鳴發(fā)音的共鳴音管陣列構(gòu)成，電腦控制演奏臺由琴體、鍵盤和樂器數(shù)字接口電腦控制電路組成，樂器數(shù)字接口電腦控制電路由樂器數(shù)字接口電腦主控電路、鍵盤電路、電源電路及外圍控制按鈕電路組成，共鳴音管陣列由共鳴音管和安裝在其下方的聲波激勵器組成，共鳴音管陣列可以是雙列式共鳴音管陣列或蝸旋式共鳴音管陣列。
2.按照權(quán)利要求所述的用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴，其特征在于樂器數(shù)字接口電腦主控電路由帶EPROM51系列單片機片8751及外圍元器件組成，采用樂器數(shù)字接口技術(shù)，每組鍵盤電路連線有19條，與樂器數(shù)字接口電腦主控電路中的P2至P520線插座相連。
3.按照權(quán)利要求2所述的用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴，其特征在于聲波激勵器內(nèi)裝大功率揚聲器、分頻器，側(cè)面安有專業(yè)號角式揚聲器。
4.按照權(quán)利要求3所述的用樂器數(shù)字接口的電子管風(fēng)琴，其特征在于蝸旋式共鳴音管陣列借鑒中國民族樂器笙笛管的排列形式，最長最粗的音管在一簇音管中央，該管長3.145米，共鳴基頻為54.63赫茲(大字一組A1音)，以上述中央管為中心，其余音管按共鳴音名的順序以蝸旋線向外擴散排列，直至最短最細(xì)第32根音管，長度為0.164米，共鳴頻率為2017赫茲，音名小字四組C4。
專利摘要本琴是一種利用電子技術(shù)發(fā)音并激勵音管共鳴的電子樂管，特別適用于教堂、音樂廳等演奏古典音樂及音樂院校教學(xué)。本琴由電腦控制演奏臺及共鳴音管陣列等組成，采用單片微機系統(tǒng)，將三層61鍵手鍵盤、兩層32鍵腳鍵盤及力度踏板所產(chǎn)生的演奏信息轉(zhuǎn)換成MIDI數(shù)碼，去控制數(shù)字音源再現(xiàn)采樣音色，并實現(xiàn)任意設(shè)定128種音色、存儲及八度音連鎖等控制功能。本琴具有成本低、保養(yǎng)維修容易，繼承傳統(tǒng)管風(fēng)琴演奏技巧音響逼真等優(yōu)點。
文檔編號G10H7/00GK2168314SQ9324159
公開日1994年6月8日 申請日期1993年10月21日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月21日
發(fā)明者孫心若 申請人:孫心若