一种手感可调的数字键盘的构建方法

技术领域

本发明属于电子键盘乐器技术领域，涉及对电子键盘乐器的键盘的改进，具体涉及一种手感可调的数字键盘的构建方法。

背景技术

近年来，电子键盘乐器在模仿钢琴手感方面取得了一定的进展。为了实现更接近钢琴的演奏体验，现有技术采用了机械结构来模仿钢琴的触感。现有技术将琴键与一些具有较大转动惯量的重锤进行联动，以模仿钢琴击弦机的惯性，使得琴键在被按下时具有一定的阻力和回弹感，更接近传统钢琴键盘的触感；同时还在特定键程处引入断开联动的机构设计，以模仿钢琴琴键的段落感。

但是，由于现有技术中机械结构的固定性和复杂性，演奏者难以根据自己的喜好改变键盘的阻力、回弹力及触发力等，影响演奏者的弹奏体验。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种手感可调的数字键盘的构建方法，用电路系统来模仿钢琴手感，克服传统键盘乐器因为机械结构难以自行调整而无法让演奏者自行选择手感的缺点。

为了实现上述任务，本发明采用如下的技术解决方案：

一种手感可调的数字键盘的构建方法，其特征在于，该方法采用电路系统来模仿钢琴手感；具体实现的步骤包括：

将多组仅外形不同的单个琴键堆叠组成数字键盘，每个琴键由机械结构、位移传感器、电路系统和执行机构组成；其中：

所述机械结构提供琴键外形，并约束琴键外形的运动方式；

所述位移传感器采集琴键外形的位移，得到代表键程的信号，送至电路系统；

所述电路系统产生使乐器发声的必要信号，并按照某种力学模型计算触键力度，其中的力学模型参数可根据用户需求调节；

所述执行机构将来自于电路系统的代表触键力度的信号转换成对应大小的力，并将其作用于机械结构。

根据本发明，所述电路系统包括前置放大器、限位器模块、逻辑模块、模拟量计算模块、采样保持模块和功率放大器，其中：

所述前置放大器将传感器输出信号整形，调整信号的幅值和直流偏移，并将整形后的信号传递给限位器模块和模拟量计算模块；

所述限位器模块用于判断琴键外形位置、产生触后力度，即判断制音器是否抬起，测量触后力度大小，并将这些信息传递给乐器的其余部分；

所述逻辑模块为一时序逻辑电路，根据限位器模块输出的位置信号，实现力学模型图中的键程滞回，控制采样保持模块采集触键速度，控制模拟量计算模块的计算；

所述采样保持模块在逻辑模块的控制下，对模拟量计算模块输出的速度信号进行采样保持，保存触键瞬间的速度，传递给乐器的其余部分；

所述限位器模块和逻辑模块共同判断琴键外形是否按下，并将其传递给乐器的其余部分；

所述模拟量计算模块计算速度项和加速度项，在逻辑模块的控制下将需要的项相加，形成触键力度信号，经功率放大器放大后驱动音圈马达使相应的力作用于琴键外形。

具体地，所述机械结构包括琴键外形、运动约束机构、位移传感器安装支架、执行机构安装支架和基座，其中：

所述琴键外形具有钢琴键盘琴键的外形和尺寸，是与用户交互的部件；

所述运动约束机构由若干构件和运动副组成，将琴键外形、位移传感器安装支架、执行机构安装支架和基座连接在一起，使机械结构中的所有部件和钢琴一样在垂直平面内运动，同时约束琴键外形的运动方式，在小角度条件近似下，使其和钢琴琴键一样绕一固定支点旋转，并将这个旋转角度线性地转换成位移传感器支架的线性位移，同时将执行机构输出的力线性地转换成一个力矩施加于琴键外形；

所述位移传感器安装支架中安装位移传感器，位移传感器测量琴键外形的位移，送至电路系统；

所述执行机构安装支架中安装执行机构，执行机构按照电路系统输出的触键力度，将相应大小的力作用于琴键外形。

本发明的手感可调的数字键盘的构建方法，与现有技术相比，带来的有益积极效果有：

(1)构建的数字键盘对手感的模仿完全依赖电路系统实现，因此机械结构所实现的琴键支点可以自由调整，既可以模仿立式钢琴较短的支点距离，也可以模仿三角钢琴较长的支点距离。

(2)电路系统所实现的力学模型参数可根据用户需求调节，因此琴键的硬度和触发力度等手感参数都可以轻松由用户设定。

(3)对手感的仿真完全依赖电路系统，因此可以简单地通过修改替换电路模块轻松修改其实现的整个力学模型，或为键盘增加新的功能如震动反馈或测量琴键抬起速度。

(4)电路系统可以测量出琴键速度，在触发击弦事件时对该速度进行采样保持便可得到击键速度。

(5)电路系统对琴键状态完全知晓，因此可以轻松实现制音器传感，模仿钢琴的制音器功能，判断制音器是否抬起。

(6)力的作用是相互的，根据电路系统控制下执行机构输出的力的大小即可判断触键力度，因此也能轻松实现每个键都互相独立的触后控制功能。

附图说明

图1为所构建的数字键盘机械结构单体(左)和一个八度堆叠(右)示意图。

图2是霍尔传感器(左)和音圈马达(右)的结构示意图。

图3为数字键盘机械结构机械结构示意图。

图4为数字键盘机械结构单体的机械运动简图。

图5为数字键盘采用的力学模型示意图。

图6为电路设计框架图。

图7与图8共同构成的电路图。

图9为数字键盘机械结构的静态响应测试结果图。

图10为数字键盘机械结构的动态响应测试结果图。

图中的标记分别表示：A、上排支点孔，B、下排支点孔，1、琴键外形，2、磁铁固定架，3、音圈马达支架，4、支架吊篮，5、支架槽，6、基座，7、第二横连杆，8、第一横连杆，9、第二竖连杆，10、第三横连杆，11、马达输出连杆，12、第一竖连杆，13、斜拉杆，14、曲连杆，15、限位器模块，16、逻辑模块，17、模拟量计算模块。

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地详细说明。

具体实施方式

需要说明的是，在以下所述的实施例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参见图1，本实施例给出一种手感可调的数字键盘的构建方法，该方法用电路系统模仿钢琴手感；具体实现的步骤包括：

将多组仅外形不同的单个琴键堆叠组成数字键盘，每个琴键由机械结构、位移传感器、电路系统和执行机构组成。其中：

所述机械结构提供琴键外形，并约束琴键外形的运动方式；

所述位移传感器采集琴键外形的位移，得到代表键程的信号，送至电路系统；

所述电路系统产生使乐器发声的必要信号，并按照某种力学模型计算触键力度，其中的力学模型参数可根据用户需求调节；

所述执行机构将来自于电路系统的代表触键力度的信号转换成对应大小的力，并将其作用于机械结构；

本实施例中，所述电路系统包括前置放大器、限位器模块、逻辑模块、模拟量计算模块、采样保持模块和功率放大器，其中：

所述前置放大器将传感器输出信号整形，调整信号的幅值和直流偏移，并将整形后的信号传递给限位器模块和模拟量计算模块；

所述限位器模块用于判断琴键外形位置、产生触后力度，即判断制音器是否抬起，测量触后力度大小，并将这些信息传递给乐器的其余部分；

所述逻辑模块为一时序逻辑电路，根据限位器模块输出的位置信号，实现力学模型图中的键程滞回，控制采样保持模块采集触键速度，控制模拟量计算模块的计算；

所述采样保持模块在逻辑模块的控制下，对模拟量计算模块输出的速度信号进行采样保持，保存触键瞬间的速度，传递给乐器的其余部分；

所述限位器模块和逻辑模块共同判断琴键外形是否按下，并将其传递给乐器的其余部分；

所述模拟量计算模块计算速度项和加速度项，在逻辑模块的控制下将需要的项相加，形成触键力度信号，经功率放大器放大后驱动音圈马达使相应的力作用于琴键外形。

本实施例中，所述机械结构包括琴键外形、运动约束机构、位移传感器安装支架、执行机构安装支架和基座，其中：

所述琴键外形具有钢琴键盘琴键的外形和尺寸，是与用户交互的部件；

所述运动约束机构由若干构件和运动副组成，将琴键外形、位移传感器安装支架、执行机构安装支架和基座连接在一起，使机械结构中的所有部件和钢琴一样在垂直平面内运动，同时约束琴键外形的运动方式，在小角度条件近似下，使其和钢琴琴键一样绕一固定支点旋转，并将这个旋转角度线性地转换成位移传感器支架的线性位移，同时将执行机构输出的力线性地转换成一个力矩施加于琴键外形；

所述位移传感器安装支架中安装位移传感器，位移传感器测量琴键外形的位移，送至电路系统；

所述执行机构安装支架中安装执行机构，执行机构按照电路系统输出的触键力度，将相应大小的力作用于琴键外形。

本实施例中，数字键盘采用3D打印制作(以下称数字键盘试件)。位移传感器采用如图2(a)的霍尔传感器，它测量琴键外形1垂直方向的位移，它被安装在磁铁固定架2处。执行机构采用如图2(b)的音圈马达，它输出触键力度，产生手感。音圈马达被安装在音圈马达支架3处，其中，音圈马达的空心电感安装在支架吊篮4内，而钕铁硼合金磁铁插入到支架槽5中。

本实施例中，每个琴键的机械结构包括琴键外形1、磁铁固定架2、基座6、支架吊篮4、基座通过第二横连杆7、第一横连杆8、第二竖连杆9、第三横连杆10、马达输出连杆11、第一竖连杆12、斜拉杆13和曲连杆14组成的一体结构，在基座6上有上排支点孔A和下排支点孔B，在基座6上设置有音圈马达，所述音圈马达作为执行器输出触键力度，产生手感，安装在音圈马达支架3上；音圈马达的空心电感安装在支架吊篮4内，相邻单体的音圈马达支架3构成支架槽，钕铁硼合金磁铁插入到支架槽5中，霍尔传感器的磁铁固定架设置在第一竖连杆12上。

图中，琴键外形1是与用户交互的部件。基座6与琴体固定。上排支点孔A和下排支点孔B用于选择琴键1支点位置，可根据喜好选择上排支点孔A和下排支点孔B中的任意一对孔中插入轴，以满足用户对琴键手感的不同需求。

第二横连杆7、第一横连杆8、第二竖连杆9、第三横连杆10、马达输出连杆11、第一竖连杆12、斜拉杆13与曲连杆14与基座6和琴键外形1配合，约束琴键外形1的运动方式，在小角度下使琴键外形1能绕其反向延长线上一虚拟的支点旋转。该虚拟支点即为通过第一竖连杆12、斜拉杆13与曲连杆14，将连杆第二横连杆7、第一横连杆8与第二竖连杆9投射到对称位置后的上排支点孔A和下排支点孔B。

基座6、第二横连杆7、第一横连杆8与第二竖连杆9组成平行四连杆机构，对第一竖连杆12的自由度进行了限制。在小角度下，第一竖连杆12可认为是随着琴键外形1沿垂直方向运动，这样霍尔传感器便可以通过测量其位移来得知琴键外形1的位移即键程。

琴键外形1、第三横连杆10、马达输出连杆11与第一竖连杆12也组成了一个平行四连杆机构，因此马达输出连杆11也会始终保持垂直；安装在马达输出连杆11上的音圈马达随其在小角度条件下仅垂直运动，为琴键外形1施加垂直方向的力。

琴键按照图5所示的力学模型来模仿钢琴手感。其横轴为键程，正方向为琴键外形1按下的距离；其纵轴为触键力度，代表此时琴键外形1和手指之间所预期的相互作用力大小。实线段代表开启惯性项，这会使琴键1表现出较大惯性；虚线段代表关闭惯性项，这会使得琴键外形1表现出较小惯性。并且在图中所示的区域启用阻尼，消耗琴键1的动能。同时在图中所示的区域采集击弦速度，代表这个音符是以多大的速度演奏的。

琴键的电路系统的框图如图6所示，霍尔传感器测量出来的琴键外形1的位移信号被前置放大器放大，使键程0％时信号电压为1V，键程100％时电压为4V，生成键程信号。接下来这个信号会被送到限位器模块15和模拟量计算模块17。

限位器模块15把这个键程信号和钢琴的不同键程的相应信号进行比较以实现力学模型图中的关键点。同时模块中25％和100％的限位还会充当制音器限位和上限位，分别输出制音器开和关这两种状态的数字信号和触后通道的模拟信号，传递给乐器的其余部分。

逻辑模块16为一时序逻辑电路，根据限位器模块15输出的位置信号，实现力学模型图中的键程滞回，控制采样保持模块采集触键速度，控制模拟量计算模块17的计算。

采样保持模块在逻辑模块16的控制下，对模拟量计算模块17输出的速度信号进行采样保持，保存触键瞬间的速度，调整其幅值和直流偏移后传递给乐器其余部分。

限位器模块15和逻辑模块16共同判断琴键是否按下，生成相应的数字信号，传递给乐器的其余部分。

模拟量计算模块17计算琴键外形1的速度和加速度，并在逻辑模块16的控制下形成触键力度信号。模拟量计算模块17的电路参数由电位器来设置，因此琴键外形1的手感可根据用户需求调节。

模拟量计算模块17输出的触键力度信号经过D类功率放大器驱动音圈马达，使相应大小的力作用于琴键外形1。

具体的电路实现如图7和图8所示。其中J1插口为其供电。J2插口的1至4脚分别输出两个数字信号(琴键的制音器抬起、琴键外形1按下)，和两个模拟信号(触键速度、触后力度)，5脚输入D类功率放大器所需的三角波信号，所有琴键的电路系统都共享这个信号。J3用于连接音圈马达。琴的其余部分依次读取所有琴键的J2插口的1至4脚输出信号，按照一定的逻辑生成MIDI信号，利用合成器发声。

通过采集键程、触键力度、加速度等信号对数字键盘试件的静态响应和动态响应进行测试，得到图9和图10。

图9为键程与触键力度轨迹图，其纵轴为触键力度，横轴为键程，曲线方向为顺时针。由图9可见，琴键按下过程的触键力度基本与设计相符，由于机械部分存在的固有摩擦使琴键抬起过程的触键力度比设计值小约30克力。使用注塑等工艺可以减小机械摩擦。也可以引入补偿电路减小琴键抬起过程的触键力度误差。

琴键的动态响应测试结果如图10所示。由图10可见，本方法可使琴键外形1末端触键力度与所产生加速度的比值从55.1117±18.4830克上升至86.8140±10.0959克，改变了琴键手感。通过调节电位器的参数可使琴键表现出不同的手感。

当然，在上述实施例中，所述机械结构也可简单采用一根绕可选支点旋转的琴键；

所述霍尔传感器也可用光栅传感器、碳膜电位器等其它位移传感器；

所述电路系统的设计也可以通过ADC采样，利用数字电路计算后用DAC输出；

所述执行机构也可以采用齿轮和电机组合来替代，都能够构建成手感可调的数字键盘。

综上所述，采用本实施例的方法构建的数字键盘试件，其模仿钢琴手感是由电路系统所控制的，作为一个数字键盘，不仅可以为琴的其余部分提供必需的信号，同时也实现了手感可调的功能。