一種無源電弦樂器的製作方法

2023-07-07 14:18:06

專利名稱：一種無源電弦樂器的製作方法
技術領域：
本發明涉及不需要電源供電並可以變換音色的一種無源電弦樂器。
背景技術：
民族拉弦樂器，如二胡、馬頭琴、胡琴等，西洋弓弦樂器，如小提琴、中提琴、大提琴、貝提琴，拔弦樂器，如木吉它等，利用拉奏時琴弓與琴弦之間摩擦，或拔弦使琴弦發生振動，利用琴腔共鳴現象，發出柔和優美的樂音。如初學者練琴時，會發出難聽的聲音，即使練到一定的程度，在夜深人靜等不適宜場合演奏時也會產生環境噪音。特別是作為樂器音樂教學，產生的聲音不僅幹擾鄰近教室的教學，而且也幹擾練琴者對音高的辨別能力。因此，需要一種靜音電聲弦樂器，即拉奏時，機械振動產生的琴聲很弱，用耳機可以聽到響亮的演奏琴聲。
中國專利公告號ZL00212889.6名稱為「多功能電聲二胡」，該申請案公開了琴杆上設有用於七檔變調的活動千斤組件，多功能電聲二胡其特徵在於電聲設備採用雙合音電路，一路為傳統音色，另一路加效果器。現有技術中存在的缺陷和不足，在於電聲二胡利用傳感器將琴弦的振動轉變為電信號，其微弱的電信號不足以直接驅動耳機發聲，還需要放大電路和功率放大器，使電聲二胡成本增加，不如傳統二胡攜帶、使用和維修方便。此外，放大電路和功率放大器都需要電源供電，特別是使用交流電源使演出地點受到限制，失去了傳統二胡便於攜帶和演奏方便的特點，初學者難於掌握使用。也存在一些不安全因素，特別是少年兒童使用時，有發生觸電的危險；使用電池時，演奏時需要消耗電能，更換電池帶來麻煩，廢棄電池也會汙染環境。此外，多功能電聲二胡的成本不利於中小學樂器音樂教學和家庭娛樂使用，也難於普及。到目前為止，在市場上還未見到不用電源供電就可以利用耳機放音的電聲弦樂器。

發明內容
本發明的目的在於改進現有技術沒有靜音電聲弦樂器和有源二胡不安全、消耗電能的缺點，提供利用壓電式琴弦振動傳感器，將琴弦的機械振動轉化為音頻電流，直接驅動耳機發聲，成為一種不需要電源供電，並具有靜音功能的一種無源電弦樂器。本發明所要解決的技術問題是，電聲弦樂器不需要電源供電，也就是說必須取消電聲弦樂器所需的放大電路和功率放大器，因而也就省去了電源供電問題。隨之而產生問題是必須增加傳感器將琴弦的振動轉變為電信號的強度，以便有足夠電功率直接驅動耳機發聲。為此，本發明利用輸出電壓可達300mV的壓電式琴弦振動傳感器，將琴弦的機械振動轉化為音頻電流，通過阻抗匹配器提高電能傳輸效率，並通過音色變換電路中的LC並聯諧振迴路，提高了諧振電流的強度，使耳機獲得20mW電功率，驅動耳機發出響亮的聲音，成為一種不需要電源供電，並具有變換音色和靜音功能的無源電弦樂器。為實現上述目的，本發明採取以下設計方案本發明由琴體和無源電路兩部分組成。無源電路部分由壓電式琴弦振動傳感器、阻抗匹配器、電路輸出組成。壓電式琴弦振動傳感器由壓電陶瓷片、諧振腔、減震膠墊和屏蔽引線組成。阻抗匹配器採用帶有初次級繞組的音頻變壓器。壓電陶瓷片固定在諧振腔上，諧振腔粘結在減震膠墊上，使之與琴腔不直接接觸，減震膠墊粘結在琴腔內部固定的隔板上，阻抗匹配音頻變壓器以及連接的壓電式琴弦振動傳感器引出隔離線和連接導線。
本發明的壓電式琴弦振動傳感器安裝在琴腔內側隔板上，固定在琴腔內靠近琴碼的一端。所述壓電式琴弦振動傳感器拾取琴弦的振動，利用壓電陶瓷片的壓電效應產生音頻電流；它不僅將琴弦的振動轉換為相應的音頻電流，而且產生可以直接驅動耳機發聲所需的電能，因而不再需要放大器及供電裝置，是本發明最主要的特徵所在。
阻抗匹配器利用帶有初、次級線圈繞組的音頻變壓器進行阻抗變換，音頻變壓器的初級線圈兩端與壓電陶瓷片相連，音頻變壓器的次級線圈與耳機兩端相連。由於壓電陶瓷片阻抗10kΩ，當它利用壓電效應作為音頻電流源時，呈現出高阻抗，也就是說電源內阻高，而耳機為低阻抗32Ω，若壓電陶瓷片直接與耳機並聯，阻抗不匹配，使得電能傳輸效率低。也就是說，壓電陶瓷片輸出的電能大部分消耗在壓電陶瓷片內部所呈現的高阻抗上，耳機所得到的電能減少，不能產生出足夠的放音音量。本發明利用音頻變壓器實現阻抗匹配，能使低阻抗的耳機從高阻抗的壓電陶瓷片發電器件上得到足夠的驅動耳機發聲的電流，因此不再需要額外的放大器以及放大器所需的供電裝置，成為一種不需要電源的無源電弦樂器，這是本發明的另一個特徵。此外，無源電弦樂器可以像傳統弦樂器一樣，不用電源，具有使用方便的特點。
本發明在電路中增加音色變換器，音色變換器由音頻變壓器初級線圈、音色變換開關和電容器組成，利用音色變換開關選擇不同的電容器選擇音色。音色變換器利用作為阻抗匹配器的音頻變壓器的初級線圈與音色變換的電容器組成並聯諧振迴路，具有音色帶通濾波功能。利用音色變換開關分別接通電容器，由於電容器數值不同，音色帶通濾波效果也不同，可以分別產生音色對比鮮明的深沉、圓潤和明亮音色。音色變換器利用阻抗匹配器線圈和電容器並聯，兼有阻抗匹配和音色變換功能，特別是LC諧振迴路產生電流諧振，這種阻抗與音色變換合一的電路增加了輸出電流的強度，推動耳機發聲可以得到滿意的音量，是本發明特徵之一。本發明由於阻抗匹配與音色變化電路一體化，簡化了電路，降低了成本。
本發明無源電弦樂器利用耳機放音時，既可以滿足演奏者監聽，又不對外發出聲音，具有靜音功能。此外，所述耳機插口也可以作為線路信號輸出口，輸入到擴音機，具有擴音功能。
本無源電弦樂器之所以不用電源供電，其原因有如下三個方面1.壓電式琴弦振動傳感器採用靈敏度高、線性好的機械能—電能換能器件壓電陶瓷片，拾取琴弦的機械振動輸出300mV的音頻電流，為直接驅動耳機發聲創造了內在的條件。壓電陶瓷片固定在注塑的諧振腔上，能夠使其自由振動，不會減弱壓電式琴弦振動傳感器輸出的音頻電流。
2.採用阻抗匹配音頻變壓器，進行阻抗匹配，使作為高內阻抗的電流源壓電陶瓷片輸出與低阻抗的耳機負載相匹配，提高音頻電流傳輸效率，使耳機獲得20mW電功率，產生出滿意的音量。
3.由阻抗匹配音頻變壓器初級線圈與電容器C1～C3等組成帶通濾波音色變換電路，由於其並聯諧振特性，能夠提高諧振電流的振幅，也是使耳機獲得滿意音量的原因之一。
此外，電路設計簡潔，一些元器件公用，並採用介質損耗小的滌綸電容器，以便減少音頻電流輸出損耗。
本發明具有的優點1.無源電弦樂器採用在通常演奏力度下輸出電壓可達300mV的壓電式琴弦振動傳感器，利用阻抗匹配器提高電能傳輸效率，並通過音色變換的並聯諧振迴路，提高諧振電流的強度，使耳機獲得20mW電功率，驅動耳機發出清晰可辨的聲音，成為一種不需要電源供電的無源電弦樂器。
2.無源電弦樂器沒有放大電路和放大器，不用電源供電，具有結構簡單，成本低，便於製造，攜帶使用、維修方便，有利於中小學音樂教學和民族樂器的普及。
3.無源電弦樂器具有靜音功能，練習時幾乎不發出聲音，避免練習者相互幹擾或者打擾鄰人，適用於音樂電化教室器樂教學、家庭娛樂使用，也可用於專業演出使用。
4.無源電弦樂器具有音色變換功能，可以根據演奏者愛好或者樂曲表現需要，選擇所需明亮、圓潤和深沉音色，還可以產生模擬立體聲效果。
5.無源電弦樂器不使用交流電源或電池，安全和環保。
6.無源電弦樂器中壓電式琴弦振動傳感器、阻抗匹配器、音色變換器技術可用於胡琴類拉弦樂器，用在高胡、中胡、大胡和低胡上，西洋弓弦樂器，如小提琴、中提琴、大提琴、貝提琴，拔弦樂器，如木吉它等，撥(擊)弦樂器，如柳琴、月琴、兒童琵琶、成人琵琶、阮、三弦、古琴(箏)、揚琴等。
7.無源電弦樂器利用線路信號輸出可以進行無聲的演奏電信號傳輸，老師進行監聽、互動交流、錄音和放音，特別適於中小學音樂電化教室使用。


圖1為本發明結構示意2為本發明結構示意3為電路原理4為電路原理中減震膠墊1 壓電陶瓷片2 琴碼3 諧振腔4 琴託5 弦軸6 千斤7 琴弦8 琴杆9 琴弓10 琴腔11 音色變換開關旋鈕12附加耳機插口頭13 附加耳機14 壓電式琴弦振動傳感器引出隔離線15琴腔蒙皮16 琴弦固定螺絲17 隔板18 電路板19 電路板固定螺絲20 電容器21 阻抗匹配音頻變壓器22 音色變換開關23 耳機插口座24 琴腔花窗隔板25 連接導線26 琴腔裝飾圓筒2具體實施例方式實施例1本發明由琴體和無源電路兩部分組成。琴體為二胡或高胡、中胡、大胡、低胡、小提琴、中提琴、大提琴、貝提琴、木吉它、柳琴、月琴、琵琶、阮、三弦、古琴(箏)、揚琴琴體等。無源電路部分由壓電式琴弦振動傳感器BZ、阻抗匹配器、電路輸出組成。壓電式琴弦振動傳感器BZ由壓電陶瓷片2、諧振腔4、減震膠墊1和屏蔽引線組成。阻抗匹配器採用帶有初次級繞組的音頻變壓器B。壓電陶瓷片2固定在諧振腔4上，諧振腔4粘結在減震膠墊1上，使之與上述的琴體的琴腔不直接接觸，減震膠墊1粘結在琴腔內部固定的隔板18上，阻抗匹配音頻變壓器B以及連接的壓電式琴弦振動傳感器BZ引出隔離線和連接導線。
實施例2如圖1所示，本發明由琴體和無源電路兩部分組成。琴體為高胡琴體，琴體主要包括有琴杆9、弦軸6、琴弦5、千斤7、琴腔11、琴腔裝飾圓筒27、琴腔蒙皮16、琴託5、琴碼3和琴弓10。如圖3所示，無源電路部分由壓電式琴弦振動傳感器BZ、阻抗匹配器、音色變換器、電路輸出和附加耳機組成。壓電式琴弦振動傳感器BZ由壓電陶瓷片2、諧振腔4、減震膠墊1和屏蔽引線組成。阻抗匹配器採用帶有初次級繞組的音頻變壓器B。音色變換器由阻抗匹配器的初級線圈和並聯電容器或至少2個電容器以及音色變換開關組成。此實施例並聯3個電容器C1、C2、C3，所述的連接導線接入耳機插口座CZ，音色變換開關為單刀三擲開關S。
在圖1中，蒙在琴腔上的琴腔蒙皮16已被揭去，可以看到無源電路部分元器件減震膠墊1、壓電陶瓷片2、諧振腔4以及音色變換開關旋鈕12和附加耳機14。
圖2為圖1的A-A剖面圖，是無源電路元器件安裝示意圖。在圖2中，琴弦8經過琴碼3後，其終端套在琴託5上的琴弦固定螺絲17上，當琴弦被弦軸6拉緊後，琴碼3便被緊壓在琴腔蒙皮16上。琴腔蒙皮16下面緊挨著的是壓電陶瓷片2，因此在拉奏時，琴弦8的振動通過琴碼3和琴腔蒙皮16傳到壓電陶瓷片2上，引起壓電陶瓷片2的機械振動。壓電陶瓷片2固定在塑料諧振腔4上，由於諧振腔4是空心的，使固定在上面的壓電陶瓷片2的振動不受影響。諧振腔4粘結在柔性的減震膠墊1上，使之與與琴腔11不直接接觸，由於減震膠墊1對振動的吸收和阻斷作用，防止琴腔11發生共鳴作用，才有可能保持拉奏時的靜音功能。減震膠墊1粘結在琴腔11內部固定的隔板18上，以防止減震膠墊1的滑脫。電路板19通過電路板固定螺絲20固定在隔板18上，板上有電容器21、阻抗匹配音頻變壓器22以及連接的壓電式琴弦振動傳感器引出隔離線15和連接導線26。連接導線26把電路板19與音色變換開關23、耳機插口座24連接起來。在圖2中，琴杆9下半截插在琴腔11的固定孔上，琴託5利用琴弦固定螺絲17擰固在琴腔11上面。琴腔裝飾圓筒27是琴腔11的延伸部分，琴腔花窗隔板25固定在琴腔裝飾圓筒27上。琴腔花窗隔板25上固定有音色變換開關23、耳機插口座24，音色變換開關旋鈕12固定在音色變換開關23的圓軸上，附加耳機14的附加耳機插口頭13插接在耳機插口座24上。耳機插口座24兼有線路信號輸出口的作用，必要時可以對輸出的線路信號進行放大，連接擴大器放音。
壓電式琴弦振動傳感器，即圖3中的壓電式琴弦振動傳感器BZ，由圖2中的壓電陶瓷片2、諧振腔4、減震膠墊1和壓電式琴弦振動傳感器引出隔離線15組成。壓電式琴弦振動傳感器BZ的功能是拾取琴弦8的機械振動，把機械能轉變為電能，產生出相應的音頻電流變化，並得到一定的電功率能夠直接驅動耳機發聲。
阻抗匹配器由圖3中的阻抗匹配音頻變壓器B承擔，其初級線圈L1兩端與阻抗為10kΩ的壓電式琴弦振動傳感器BZ相連，其次級線圈L2為雙繞組，分別與阻抗為2×32Ω的附加耳機14的耳機插口座24相連。阻抗匹配器的作用是把高阻抗的壓電式琴弦振動傳感器BZ音頻電流輸出與低阻抗的附加耳機14負載相匹配，提高電流傳輸效率，使壓電式琴弦振動傳感器BZ輸出驅動耳機發聲的功率儘可能得到充分利用，使耳機得到20mW驅動功率，可以得到滿意的耳機放音音量。
音色變換器由圖3中的阻抗匹配音頻變壓器B初級線圈L1、電容器C1、C2、C3、單刀三擲開關S組成。當單刀三擲開關S擲在觸點S1時，阻抗匹配音頻變壓器B初級線圈L1與電容器C1相併聯，組成並聯諧振，形成帶通濾波。由於電容器C1的電容量較小，並聯諧振頻率較高，因而濾波後的音色明亮。同理，當單刀三擲開關S擲在觸點S2時，產生圓潤音色；當單刀三擲開關S擲在觸點S3時，由於電容器C3電容量較大，生深沉音色。當然，該音色變換器電路除與阻抗匹配音頻變壓器B初級線圈L1、電容器C1、C2、C3參數有關外，還與壓電式琴弦振動傳感器BZ輸出的容抗、匹配音頻變壓器B初次級線圈的反射阻抗有關。顯然，該音色濾波電路無需電源供電，是無源音色濾波電路。
輸出電路由圖3中的阻抗匹配音頻變壓器B雙繞組次級線圈L2、耳機插口座CZ和圖1中的附加耳機1 4的附加耳機插口頭13插在圖2中的耳機插口座24，也就是圖3中的耳機插口座CZ。耳機插口座CZ為立體聲耳機插座，其兩個觸點J1和J2分別與阻抗匹配音頻變壓器B雙繞組次級線圈L2兩端相連，其中心頭與耳機插口座24公用地端相連。當外接立體聲附加耳機14時，由於左右耳機所獲得的音頻電流相位相反，可以得到模擬立體聲的效果，特別是通過耳機插口座24輸出的信號接到立體聲擴音器時，由於左右兩隻立體聲音箱放音相位相反，由於放音頻率不同聲波在空氣中產生疊加效果也不同，會產生音源定位飄渺不定，模擬出立體聲的效果。
通過音色變換器中的單刀三擲開關S可以預製或變換音色，包括有明亮，圓潤和深沉三種音色，再加上由於左右耳機所獲得的音頻電流相位相反，產生模擬立體聲的效果，可以改善音色單調和音響效果。
實施例3同實施例2結構不同的是琴體為琵琶琴體，壓電陶瓷片與琵琶琴體的弦接觸，無源電路與實施例2相同。
實施例4在古琴(箏)、揚琴等多弦的結構，採用至少2個上述的無源電路含有相對應的壓電陶瓷片，分別安裝在琴體上的琴碼下。
權利要求
1.一種無源電弦樂器由琴體和無源電路兩部分組成，其特徵在於無源電路部分由壓電式琴弦振動傳感器、阻抗匹配器組成，壓電式琴弦振動傳感器由壓電陶瓷片、諧振腔、減震膠墊和屏蔽引線組成，阻抗匹配器採用帶有初次級繞組的音頻變壓器，壓電陶瓷片固定在諧振腔上，諧振腔粘結在減震膠墊上，使之與琴腔不直接接觸，減震膠墊粘結在琴腔內部固定的隔板上，阻抗匹配音頻變壓器以及連接的壓電式琴弦振動傳感器引出隔離線和連接導線。
2.根據權利要求1所述的一種無源電弦樂器，其特徵在於無源電路部分有音色變換器，音色變換器由音頻變壓器初級線圈連接電容器。
3.根據權利要求1或2所述的一種無源電弦樂器，其特徵在於無源電路部分有音色變換器，音色變換器由阻抗匹配器的初級線圈並聯至少2個電容器以及音色變換開關連接，阻抗匹配音頻變壓器的初級線圈兩端與壓電式琴弦振動傳感器相連，阻抗匹配音頻變壓器初級線圈與電容器相併聯。
4.根據權利要求1或2所述的一種無源電弦樂器，其特徵在於所述的連接導線與固定在琴腔上的耳機插口座連接。
5.根據權利要求3所述的一種無源電弦樂器，其特徵在於所述的連接導線與固定在琴腔上的耳機插口座連接。
6.根據權利要求1或2所述的一種無源電弦樂器，其特徵在於採用至少2個上述的無源電路含有相對應的壓電陶瓷片，分別安裝在琴體上的琴碼下。
7.根據權利要求3所述的一種無源電弦樂器，其特徵在於採用至少2個上述的無源電路含有相對應的壓電陶瓷片，分別安裝在琴體上的琴碼下。
全文摘要
本發明公開了一種無源電弦樂器由琴體和無源電路兩部分組成。有壓電式琴弦振動傳感器、阻抗匹配器、音色變換器和附加耳機，有壓電陶瓷片、諧振腔、減震膠墊和屏蔽引線，利用壓電式琴弦振動傳感器拾取琴弦的振動產生音頻電流；將琴弦的振動轉換為相應的音頻電流，產生直接驅動耳機發聲所需的電能，不再需要放大器及供電裝置，利用阻抗匹配器線圈和電容器並聯，兼有阻抗匹配和音色變換功能，推動耳機發聲可以得到滿意的音色，具有靜音功能，避免練琴者打擾鄰人，無源電路可用於胡琴類拉弦樂器，可以進行無聲的演奏電信號傳輸，監聽、互動交流，適用於音樂電化教室器樂教學、家庭娛樂使用，也可用於專業演出使用。
文檔編號G10H3/00GK1555045SQ20031012344
公開日2004年12月15日 申請日期2003年12月29日 優先權日2003年12月29日
發明者孫心若, 王文龍 申請人:孫心若, 王文龍