具有声音交互功能的钢琴

摘要

本发明公开了一种具有声音交互功能的钢琴，包括钢琴本体，声音输入单元，用于采集琴键所产生的声音，并将该声音转化为相应的音频信号；控制单元，用于接收音频信号，并产生相应控制信号；视觉输出单元，根据所述控制信号实现形状变化；视觉输出单元由若干伸缩件组成，伸缩件包括表现面板，及受控于控制信号且用于驱动表现面板沿直线运动的驱动机构。本发明通过声音输入单元采集琴键的声音，然后根据所采集声音的音频高低，在控制单元的控制下实现不同音区内伸缩件的形状改变。观察者能通过视觉直观感受到声音音频的变化，该视觉感受直观性好，冲击效果较强，印象深刻，特别是对音乐初学者或失聪人员的乐感培养具有极佳的辅助教育效果。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钢琴，尤其是一种具有声音交互功能的钢琴。

背景技术

传统钢琴通过键盘上的琴键，牵动钢琴里面包有戎毡的小木槌，继而 敲击钢丝弦发出声音。随着电子技术的发展，电子钢琴也应运而生，虽说 音质方面还是很难和传统钢琴相媲美，但是用于教学练习等方面也已经绰 绰有余了。

目前，随着现代科技的不断进步，交互产品越来越多地出现在人们的 生活中，而具有声音交互技术的产品也越来越为人们接受和体验。其中， 声音交互已经成为世界上的热点话题，很多研究学者始终不懈地探求声音 交互给人们带来的影响，特别是联觉研究更是层出不穷。然而，现有声音 视觉化的产品大多始终停留在软件方面，即声音图像化研究层面，而声音 视觉转化器还属于新产品，故技术成熟度并不高。

如中国专利申请号为CN03157811.X，专利名称为“彩色可视音乐教 学钢琴”中公开的一种钢琴，包括计算机和钢琴，通过将计算机显示屏嵌 放在钢琴正中央最佳视觉区，钢琴琴键设计为彩色的，发出的音乐信号通 过计算机转换成彩色光电信号在显示屏上显示出来，形成彩色视觉，这些 彩色视觉可以通过制作音乐色谱染色软件、弹奏教学软件以及虚拟伴奏软 件来实现，使由原来单一的弹奏功能改变成具有声音、颜色、图像多功能 一体化的演奏欣赏乐器。该专利中通过钢琴和计算机的结合，使得钢琴所 弹奏的音乐能根据一定规律，以一种可视化的形式在显示屏上显示出来。 本专利通过听觉和视觉上的联系，更能引起人们的情感，尤其对于聋哑人 等特殊人群也具有特殊的意义，让他们能以视觉的形式看到声音，弥补并 丰富其听觉上的缺陷。

但是，对于现有联觉技术而言，由听觉所转化而来的视觉还停留在显 示屏的基础上，使得人们的视觉感受直观性较差，而且视觉冲击效果较弱， 印象不够深刻。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种视觉感受直观性好，视 觉冲击效果较强，印象更加深刻的具有声音交互功能的钢琴。

本发明技术方案是：一种具有声音交互功能的钢琴，包括钢琴本体， 还包括

声音输入单元，用于采集琴键所产生的声音，并将该声音转化为相应 的音频信号；

控制单元，用于接收所述音频信号，并产生相应控制信号；

视觉输出单元，根据所述控制信号实现形状变化；

所述视觉输出单元由若干伸缩件组成，伸缩件包括表现面板，及受控 于控制信号且用于驱动表现面板沿直线运动的驱动机构。

本发明通过声音输入单元对琴键所弹奏出的声音进行采集，然后将所 采集到的声音转化为电信号，该电信号是根据所采集声音的音频(即声音 频率)高低进行区分的音频信号，此时控制单元根据音频信号的高低，去 控制视频输出单元中对应位置上伸缩件的运动。

进一步设置是，所述驱动机构包括线圈和插设于线圈内的磁性杆，该 磁性杆的一端与表现面板联动，该线圈受控于所述控制信号。通过控制单 元的控制信号来控制线圈的通电时间和大小，从而实现磁性杆在线圈内的 运动，也即实现表现面板沿直线运动的速度和幅度，进而使得表现面板产 生不同的视觉效果。

进一步设置是，所述驱动机构包括活塞杆与表现面板固定的液压缸， 该液压缸受控于所述控制信号。通过控制单元的控制信号来控制液压缸上 活塞杆的伸出速度和事件，从而控制活塞杆上表现面板沿直线运动的速度 和幅度，进而使得表现面板产生不同的视觉效果。液压缸的反应速度和控 制效果都优于线圈和磁性杆的配合，因此可以作为本发明的优选。

为了提高表现面板的视觉效果，提高受众感受时的刺激强度，所述磁 性杆的一端部与表现面板中央固定，该表现面板上开设有螺旋环绕该固定 位置且贯穿表现面板设置的螺旋槽。其中固定位置即为磁性杆端部与表现 面板中央固定的位置，由于螺旋槽环绕固定位置且呈螺旋状分布，使得表 现面板上螺旋槽的两相邻圈间为螺旋的条状结构。那么，当固定位置在磁 性杆带动下收到沿直线方向的力时，则固定位置沿直线方向发生位置变 化，此时，由于惯性作用，使得表现面板上除了固定位置以外的部分都会 形成一个滞后，且距离固定位置越远，该滞后的表现越明显。因此，在表 现面板受驱动机构驱动时，则表现面板的固定位置部分将形成一个锥形结 构，而相对于平面结构，该锥形结构在视觉上根据冲击力，尤其对于听觉 有缺陷的人们来说，效果更是明显。

为了使得视觉上效果更加突出，特别是受众在一个位置能看到所有伸 缩件上表现面板的变化，则各磁性杆相互平行，且各表现面板均朝向同一 方向布置。另外，也可以使各表现面板在初始位置时围成一个弧形面，而 此处表现面板的初始位置即为表现面板受磁性杆作用距离线圈最近的位 置。而且，可以在不同音区的表现面板表面涂上不同的颜色，从而提高不 同音区的区分效果。

为了保证听觉和视觉间转换时，根据声音音频的高低实现不同的视觉 效果，所以使所述伸缩件构成若干代表不同音频的音区，其中音频最高的 音区位于中心，其他音区根据音频从高到低依次环绕中心布置。其中，音 区的多少可根据实际需要进行自行调整。

进一步优选为，所述音区有三个，分别为高音区、中音区和低音区。 其中，高音区为6K～20KHz，中音区为200Hz～6KHz，低音区为 20Hz～200Hz，三个音区基本能涵盖生活中常见声音所包含的音频范围。

进一步优选为，所述声音输入单元为麦克风。通过麦克风可有效且准 确地将琴键所弹出的声音转化为电子元件能识别的电信号，该电信号为音 频信号。麦克风处理正对琴键以采集琴键的声音，还可以作为其他声音的 采集器，如唱歌时也可以使用。

本发明的有益效果是，通过声音输入单元采集琴键的声音，然后根据 所采集声音的音频高低，在控制单元的控制下实现不同音区内伸缩件的形 状改变，而随着伸缩件形状的改变，则观察者能通过视觉直观地感受到声 音音频的变化，视觉感受直观性好，视觉冲击效果较强，印象更加深刻， 特别是对音乐初学者或失聪人员的乐感培养具有极佳的辅助教育效果。

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种视觉感受直观性好，视 觉冲击效果较强，印象更加深刻的具有声音交互功能的钢琴。

本发明技术方案是：一种具有声音交互功能的钢琴，包括钢琴本体， 还包括

琴键感应单元，用于感应受触发琴键的位置信号；

控制单元，接收并根据所述位置信号，产生相应控制信号；

视觉输出单元，根据所述控制信号实现形状变化；

所述视觉输出单元由若干伸缩件组成，伸缩件包括表现面板，及受控 于控制信号且用于驱动表现面板沿直线运动的驱动机构。

本发明中，由于不同琴键所产生的音调是一定的，故其音频也可以视 为固定，则控制单元能根据受触发的琴键位置而直接获得该琴键受触发时 将会产生的音频信息，从而直接根据该音频信息中音频的高低对视觉输出 单元进行控制，以控制伸缩件的运动。

为了感知受触发琴键的位置，则所述琴键感应单元为压力传感器，该 压力传感器根据所述琴键是否受压以判断受触发琴键的位置信号。其中， 压力传感器可采用FlexiForce压力传感器，该传感器具有柔软可弯曲，对 压力敏感的特性，并不会在使用者弹奏时造成任何有别于传统钢琴弹奏时 的感觉。压力传感器的数量和琴键相一致，且被安装在琴键下方，当琴键 被弹奏时，则该压力传感器能及时的感应到相应的压力信号，并将该压力 信号发送给控制单元。相对于所采用麦克风形式的声音输入单元，则采用 压力传感器形式的琴键感应单元能有效避免外界杂音的干扰。

本发明的有益效果是，事先测得不同琴键所能发出的音频高低，然后 通过琴键受触发的状况，控制单元能直接获得当前琴键能产生音频的高 低，故在控制单元的控制下实现不同音区内伸缩件的形状改变，而随着伸 缩件形状的改变，则观察者能通过视觉直观地感受到声音音频的变化，视 觉感受直观性好，视觉冲击效果较强，印象更加深刻，特别是对音乐初学 者或失聪人员的乐感培养具有极佳的辅助教育效果。

附图说明

图1为本发明实施例一的内部结构示意图。

图2为本发明实施例一伸缩件的结构示意图。

图3为本发明实施例一表现面板的结构示意图。

图4为本发明实施例一伸缩件的主视图。

图5为图4的剖视图。

图6为本发明实施例一音区的结构示意图。

图7为本发明实施例三的内部结构示意图。

图8为本发明实施例三琴键和压力传感器的装配示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述：

实施例一：

如图1、2、3所示，本实施例包括钢琴本体1，在钢琴本体1上正对 琴键11的位置放置一麦克风2，该麦克风2可用于采集琴键11声音，并 且将所采集到的声音转化为相应的音频信号；在钢琴本体1内部还安装有 一控制单元3，该控制单元3即为单片机，该控制单元3根据所采集的音 频信号而产生相应的控制信号；在钢琴本体1旁边或者其他房间安装一与 控制单元3电连接的视觉输出单元，该视觉输出单元有至少17个伸缩件4， 每个伸缩件4包括表现面板41，及受控于控制信号且用于驱动表现面板 41沿直线运动的驱动机构42，该驱动机构42包括线圈421和插设于线圈 421内的磁性杆422，该磁性杆422的一端与表现面板41联动，该线圈421 受控于控制信号。通过控制单元3的控制信号来控制线圈421的通电时间 和大小，从而实现磁性杆422在线圈421内的运动，也即实现表现面板41 沿直线运动的速度和幅度，进而使得表现面板41产生不同的视觉效果。 另外，由于控制单元3隐藏于钢琴本体1内，所以可避免对钢琴本体1美 观性的影响，而且也不容易因为裸露在外而造成损坏。

如图4、5所示，为了提高表现面板41的视觉效果，提高受众感受时 的刺激强度，所述磁性杆422的一端部与表现面板41中央固定，该表现 面板41上开设有螺旋环绕该固定位置412且贯穿表现面板41设置的螺旋 槽411。其中固定位置412即为磁性杆422端部与表现面板41中央固定的 位置，由于螺旋槽411环绕固定位置412且呈螺旋状分布，使得表现面板 41上螺旋槽411的两相邻圈间为螺旋的条状结构。那么，当固定位置412 在磁性杆422带动下收到沿直线方向的力时，则固定位置412沿直线方向 发生位置变化，此时，由于惯性作用，使得表现面板41上除了固定位置 412以外的部分都会形成一个滞后，且距离固定位置412越远，该滞后的 表现越明显。因此，在表现面板41受驱动机构42驱动时，则表现面板41 的固定位置412部分会先发生位移，其他部位后发生，从而形成一个锥形 结构。相对于平面结构，该锥形结构在视觉上根据冲击力，尤其对于听觉 有缺陷的人们来说，效果更是明显。

同时，为了使得视觉上效果更加突出，特别是观看者在一个静止位置 能看到所有伸缩件4上表现面板41的变化，则各磁性杆422相互平行， 且各表现面板41均朝向同一方向布置。另外，也可以使各表现面板41在 初始位置时围成一个弧形面，而此处所说的表现面板41的初始位置即为 表现面板41受磁性杆422作用距离线圈421最近的位置。

如图6所示，为了保证听觉和视觉间转换时，根据声音音频的高低实 现不同的视觉效果，所以使所述伸缩件4构成3个不同音频的音区5，分 别为高音区51、中音区52和低音区53。其中高音区51位于中心，其他 音区根据音频从高到低依次环绕中心布置。也即高音区51有1个伸缩件4 且位于中心，中音区52有6个伸缩件4且对称环绕高音区51周向分布， 低音区53有10个伸缩件4且对称环绕中音区52周向分布。其中，高音 区51的音频范围为6K～20KHz，中音区52的音频范围为200Hz～6KHz， 低音区53的音频范围为20Hz～200Hz，3个音区基本能涵盖生活中常见声 音所包含的音频范围。故当麦克风2接收到的声音范围为500Hz时，则 由麦克风2所接收到的声音被转化为对应的音频信号，该音频信号被传递 给控制单元3，此时控制单元3判断500Hz位于中音区52，因此将控制 中音区52的6个伸缩件4上升，且中音区52中伸缩件4上表现面板41 上升的时间和高度根据所接收声音的声压所决定的。另外，可以在不同音 区5的表现面板41表面涂上不同的颜色，从而提高不同音区5的区分效 果。

声压指的是声音的大小，而声音的大小用分贝(即dB)来表示，人 耳可听音强范围在0dB～140dB左右，如果定义0dB～50dB为低声区， 50dB-90dB为中声区，90-140为高声区。同一音区(也即同一圈)内运动 规律可分为单一运动、多个伸缩件4运动或整圈运动三种，具体是根据声 压来划分。即当声音处于低声区时，同一音区伸缩件4随机运动一个，当 声音处于中声区时，同一音区内伸缩件4随机运动数个(不是全部)，当 声音处于高声区时，同一音区伸缩件4全部一起运动。这里，为了便于检 测环境声音的声压，故还需要增加安装一个HBR-ZS1声音传感器，该声 音传感器的测量范围为30～120dB。

另外，音区的个数、每个音区的所代表的音频范围、及每个音区所含 有伸缩件4的个数均可根据需要进行人为设定。音区根据音频高低由中心 向周围排布，即中心为1个伸缩件4，第二圈为最多6个伸缩件4，依此 类推，圈数越多，伸缩件4的数量越多。中心的伸缩件4所表示的音频最 高，圈数越多，音频越低。实际应用中，圈数越多，对音频的范围划分越 细致，效果也越丰富。

音区的划分还可以更加丰富，如一个具有5圈的音区可按如下规律划 分：

20Hz--60Hz部分，这段能给音乐强有力的感觉，给人很响的感觉，如 雷声；

60Hz--250Hz部分，这段是音乐的低频结构，它们包含了节奏部分的 基础音；

250Hz--4KHz部分，这段包含了大多数乐器的低频谐波；

4kHz--5KHz部分，这是影响临场感(距离感)的频段；

6kHz--20kHz部分，这一频段控制着音色的明亮度，宏亮度和清晰度。

本发明的有益效果是，通过麦克风2采集琴键11的声音，然后根据 所采集声音的音频高低，在控制单元3的控制下实现不同音区5内伸缩件 4的形状改变，而随着伸缩件4形状的改变，则观察者能通过视觉直观地 感受到声音音频的变化，视觉感受直观性好，视觉冲击效果较强，印象更 加深刻，特别是对音乐初学者或失聪人员的乐感培养具有极佳的辅助教育 效果。

实施例二：

伸缩件4中的驱动机构可以采用液压缸，液压缸的活塞杆和表现面板 41固定，该液压缸受控于控制信号。通过控制单元3的控制信号来控制液 压缸上活塞杆的伸出速度和事件，从而控制活塞杆上表现面板41沿直线 运动的速度和幅度，进而使得表现面板41产生不同的视觉效果。液压缸 的反应速度和控制效果都优于线圈421和磁性杆422的配合，因此可以作 为本发明的优选。

实施例三：

如图7、8所示，本实施例包括钢琴本体1，在钢琴本体1上琴键11 的下方设有用于感知琴键11是否受压的FlexiForce压力传感器6，该压力 传感器6具有柔软可弯曲，对压力敏感的特性，并不会在使用者弹奏时造 成任何有别于传统钢琴弹奏时的感觉。压力传感器6的数量和琴键11相 一致，且被安装在琴键11下方，当琴键11被弹奏时，则该压力传感器6 能及时的感应到相应的压力信号；该压力传感器6与控制单元3电连接， 控制单元3接收压力信号并产生相应的控制信号；所产生的控制信号与实 施例一中一样，同样用于控制相同结构的视觉输出单元的形状变化。

本实施例的具体技术也可应用于电子琴中，在电子琴中通过琴键下方 的压力传感器接收压力信号，然后通过控制单元根据所按琴键的具体情况 发出相对应的声音，稍微有所不同的是，本实施例中的控制单元还判断该 琴键所能产生音频的大小，然后选择相应的音区5对伸缩件4进行控制。 因此，该技术方案实质等同于本发明实施例三的技术方案，故也落于本发 明的保护范围内。

本发明中，由于不同琴键11所产生的音调是一定的，故其音频也可 以视为固定，故，事先测得不同琴键11所能发出的音频高低，在控制单 元3的控制下实现不同音区5内伸缩件4的形状改变，而随着伸缩件4形 状的改变，则观察者能通过视觉直观地感受到声音音频的变化，视觉感受 直观性好，视觉冲击效果较强，印象更加深刻，特别是对音乐初学者或失 聪人员的乐感培养具有极佳的辅助教育效果。