阅读说明：本技术 一种钢琴弹奏的教学辅助系统 (Teaching auxiliary system for piano playing ) 是由 赵妍 郑清 李媛 于 2020-05-18 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种钢琴弹奏的教学辅助系统。将电子结构安装到机械钢琴上,避免了现有的数字钢琴或者电子钢琴其本身的手感不适或者声音不真实的问题；其次使用电容的力度采集方式,采集时对于手感的影响降至最低；使用力度采集和音频采集双采集模式,采集力度时多线程处理,提高采集速度,降低采集延迟,且可以将力度和响度同时对比,避免了钢琴不同键位区声音对于力度的响应的非线性问题。标准电子乐谱可以随意编辑,增强了系统对于不同阶段练习者的适应性。此外,本系统的设备都不影响机械钢琴本身的结构,音频采集器和力度感应器都可以安装在普通的机械钢琴上,经济性更强。(The invention relates to a teaching auxiliary system for piano playing. The electronic structure is arranged on the mechanical piano, so that the problems of uncomfortable hand feeling or unreal sound of the conventional digital piano or electronic piano are solved; secondly, a strength acquisition mode of capacitance is used, and the influence on hand feeling during acquisition is reduced to the minimum; by using the dual acquisition mode of force acquisition and audio acquisition, multithreading processing is performed during force acquisition, the acquisition speed is improved, the acquisition delay is reduced, the force and the loudness can be simultaneously compared, and the problem of nonlinearity of response of sounds of different key position areas of the piano to the force is avoided. The standard electronic music score can be edited at will, so that the adaptability of the system to trainees in different stages is enhanced. In addition, the equipment of the system does not influence the structure of the mechanical piano, the audio collector and the force sensor can be arranged on the common mechanical piano, and the economical efficiency is higher.)

一种钢琴弹奏的教学辅助系统

技术领域

本发明涉及乐器领域，尤其涉及一种钢琴弹奏的教学辅助系统。

背景技术

钢琴（意大利语：pianoforte）是西洋古典音乐中的一种键盘乐器，有“乐器之王”的美称。随着物质文化的发展，越来越多的人开始学***的提高。

CN104766505A公开了一种智能教学钢琴及钢琴教学方法。学***的使用者进行指导；

CN108364528A公开了钢琴弹奏音符矫正系统及方法，学员在练***的演奏者来说，电子钢琴并不十分适用，此外对于家中已经购置了钢琴的家庭来说，再购买一套电子钢琴设备也是一种浪费。

发明内容

针对上述内容，为解决上述问题，提供一种钢琴弹奏的教学辅助系统，包括主控制模块、机械钢琴、力度感应器、音频采集器、音频播放器、比对处理器、显示器、存储器、输入设备；

力度感应器、音频采集器、音频播放器、比对处理器、显示器、存储器、输入设备均连接之主控制模块；

主控制模块同时收集力度感应器和音频采集器采集的力度信号和音频信号，并将力度信号和音频信号转换成演奏电子乐谱，比对处理器将演奏电子乐谱和存储器内存储的标准电子乐谱进行比对；主控制器将比对的结果显示在显示器上。

机械钢琴为普通的立式钢琴或者三角钢琴，具有琴键和音板；力度感应器设置在琴键下方，可以采集每一个琴键被按下时的时间、释放的时间和力度，并将琴键的编码、按压时间、释放时间和力度发送给主控制模块；音频采集器设置于机械钢琴的音板上，可以采集机械钢琴发出的声音，并将声音转换成数字信号发送至主控制模块；音频播放器包括扩音器，用于在主控制模块的控制下播放存储在存储器内的音频文件；

输入设备包括输入键盘，用于向主控制模块内输入控制信号，实现对主控制模块内软件的控制。

每一个琴键设置一个力度感应器，力度感应器包括第一电容传感器、第二电容传感器和信号处理器；机械钢琴包括琴键以及用于安装琴键的支架底板，第一电容传感器包括两个电极片，分别设置在靠近琴键根部的琴键下侧和其对应位置的支架底板上，第二电容传感器包括两个电极片，分别设置在靠近琴键头部的琴键下侧和其对应位置的支架底板上；当按压琴键时，第一电容传感器的两个电极片之间的距离变化，导致第一电容传感器的电容值发生变化，同时第二电容传感器的电容值也发生变化，且第二电容传感器的电容变化比第一电容传感器的变化更大；信号处理器采集第一电容传感器的电容值曲线和第二电容传感器的电容值曲线；

当第一电容传感器和第二电容传感器的电容值变化时，信号处理器将第一电容传感器的电容值进入一定阈值范围的时刻记录为琴键按下的时刻，将第一电容传感器的电容值离开一定阈值范围的时刻记录为琴键释放的时刻；信号处理器将琴键按下时刻对应的第二电容值变化曲线的导数记录为按下的力度；

第一电容传感器和第二电容传感器并行工作，且信号处理器对第一电容传感器和第二电容传感器的分析并行处理。

音频采集器采集音板发出的声音，并将其转换成音频数字信号；主控制器模块收集音频数字信号，并对其进行分析，将音频数字信号和力度感应器发送的数据进行时间上的对准；然后主控制模块将每一个琴键被按下时刻到琴键释放时刻时间段内的音频数字信号进行傅里叶变换；从傅里叶变换后的频谱信号中筛选出与被按下的琴键的音对应的频率范围，并计算该频率范围的响度；此时获得了琴键的编码N，琴键被按下的时刻T1，琴键释放的时刻T2，琴键被按下的力度F，产应的音频数字信号的响度I；

主控制器获取每一个琴键的上述N、T1、T2、F、I；然后根据N、T1、T2、F、I得到演奏电子乐谱，显示在显示器上；演奏电子乐谱以时间为横轴，然后以琴键的编码N为纵轴，每一个琴键编码对应一纵轴的范围，从而可以使得琴键被按下到释放的时间段在演奏电子乐谱中显示为一个小矩形；用小矩形的灰度值表示响度I；并在小矩形上用数字表示力度F。

存储器内存储有标准电子乐谱，标准电子乐谱同样包括N、T1、T2、F、I的数值，比对处理器将演奏电子乐谱和标准电子乐谱进行比对，然后沿着时间轴顺序，依次对比演奏电子乐谱和标准电子乐谱中产生的N、T1、T2、F、I，待乐曲完成后，将比较结果显示在显示器上，使用红颜色标记出演奏电子乐谱和标准电子乐谱差异最大的多个位置。

标准电子乐谱是由记录的演奏家演奏时产生的演奏电子乐谱得到的。

标准电子乐谱是在教学辅助系统的编辑模式下由输入设备输入每一组N、T1、T2、F、I的值得到的。

标准电子乐谱是记录的演奏家演奏时产生的演奏电子乐谱后在教学辅助系统的编辑模式下由输入设备对每一组N、T1、T2、F、I的值进行调整得到的。

音频播放器用于播放存储在存储器内的其他乐器的伴奏或者节拍器生音。

教学系统包括多个使用模式：编辑模式、演奏模式、练习模式；

处于编辑模式时，可以由输入设备通过主控制模块向存储器中增加、删除、修改标准电子乐谱；

处于演奏模式时，主控制模块播放存储器中的伴奏，此时可以通过演奏机械钢琴实现乐曲的演奏，音频采集器采集此时的音频，并将其发送给主控制器，主控制器将采集音频信号和播放的伴奏的音频信号进行减除，然后将减除后得到的音频信号存储在存储器内实现录音；

处于练习模式时，可以通过输入设备选取标准电子乐谱中的一部分，并将选取的部分的时间轴进行时间上的缩放调整，即可以在不同的速度之下不断练习，且练习生成的演奏电子乐谱可以和标准电子乐谱进行比较，并将比较结果显示在显示器上。

本发明将电子结构安装到机械钢琴上，避免了现有的数字钢琴或者电子钢琴其本身的手感不适或者声音不真实的问题；其次使用电容的力度采集方式，采集时对于手感的影响降至最低；使用力度采集和音频采集双采集模式，采集力度时多线程处理，提高采集速度，降低采集延迟，且可以将力度和响度同时对比，避免了钢琴不同键位区声音对于力度的响应的非线性问题。标准电子乐谱可以随意编辑，增强了系统对于不同阶段练习者的适应性。此外，本系统的设备都不影响机械钢琴本身的结构，音频采集器和力度感应器都可以安装在普通的机械钢琴上，经济性更强。

附图说明

被包括来提供对所公开主题的进一步认识的附图，将被并入此说明书并构成该说明书的一部分。附图也阐明了所公开主题的实现，以及连同详细描述一起用于解释所公开主题的实现原则。没有尝试对所公开主题的基本理解及其多种实践方式展示超过需要的结构细节。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明的琴键结构示意图；

图3为本发明的曲谱外观示意图。

具体实施方式

本发明的优点、特征以及达成所述目的的方法通过附图及后续的详细说明将会明确。

实施例1：

结合图1-3，一种钢琴弹奏的教学辅助系统，包括主控制模块、机械钢琴、力度感应器、音频采集器、音频播放器、比对处理器、显示器、存储器、输入设备；

力度感应器、音频采集器、音频播放器、比对处理器、显示器、存储器、输入设备均连接之主控制模块；

主控制模块同时收集力度感应器和音频采集器采集的力度信号和音频信号，并将力度信号和音频信号转换成演奏电子乐谱，比对处理器将演奏电子乐谱和存储器内存储的标准电子乐谱进行比对；主控制器将比对的结果显示在显示器上。

机械钢琴为普通的立式钢琴或者三角钢琴，具有琴键1和音板；力度感应器设置在琴键1下方，可以采集每一个琴键1被按下时的时间、释放的时间和力度，并将琴键1的编码、按压时间、释放时间和力度发送给主控制模块；音频采集器设置于机械钢琴的音板上，可以采集机械钢琴发出的声音，并将声音转换成数字信号发送至主控制模块；音频播放器包括扩音器，用于在主控制模块的控制下播放存储在存储器内的音频文件；

输入设备包括输入键盘，用于向主控制模块内输入控制信号，实现对主控制模块内软件的控制。

每一个琴键1设置一个力度感应器，力度感应器包括第一电容传感器4、第二电容传感器5和信号处理器3；机械钢琴包括琴键1以及用于安装琴键1的支架底板2，第一电容传感器4包括两个电极片，分别设置在靠近琴键1根部的琴键1下侧和其对应位置的支架底板2上，第二电容传感器5包括两个电极片，分别设置在靠近琴键1头部的琴键1下侧和其对应位置的支架底板2上；当按压琴键1时，第一电容传感器4的两个电极片之间的距离变化，导致第一电容传感器4的电容值发生变化，同时第二电容传感器5的电容值也发生变化，且第二电容传感器5的电容变化比第一电容传感器4的变化更大；信号处理器3采集第一电容传感器4的电容值曲线和第二电容传感器5的电容值曲线；

当第一电容传感器4和第二电容传感器5的电容值变化时，信号处理器3将第一电容传感器4的电容值进入一定阈值范围的时刻记录为琴键1按下的时刻，将第一电容传感器4的电容值离开一定阈值范围的时刻记录为琴键1释放的时刻；信号处理器3将琴键1按下时刻对应的第二电容值变化曲线的导数记录为按下的力度；

第一电容传感器4和第二电容传感器5并行工作，且信号处理器3对第一电容传感器4和第二电容传感器5的分析并行处理。

音频采集器采集音板发出的声音，并将其转换成音频数字信号；主控制器模块收集音频数字信号，并对其进行分析，将音频数字信号和力度感应器发送的数据进行时间上的对准；然后主控制模块将每一个琴键1被按下时刻到琴键1释放时刻时间段内的音频数字信号进行傅里叶变换；从傅里叶变换后的频谱信号中筛选出与被按下的琴键1的音对应的频率范围，并计算该频率范围的响度；此时获得了琴键的编码N，琴键1被按下的时刻T1，琴键1释放的时刻T2，琴键1被按下的力度F，产应的音频数字信号的响度I；

主控制器获取每一个琴键1的上述N、T1、T2、F、I；然后根据N、T1、T2、F、I得到演奏电子乐谱，显示在显示器上；演奏电子乐谱以时间为横轴，然后以琴键的编码N为纵轴，每一个琴键编码对应一纵轴的范围，从而可以使得琴键1被按下到释放的时间段在演奏电子乐谱中显示为一个小矩形；用小矩形的灰度值表示响度I；并在小矩形上用数字表示力度F。

存储器内存储有标准电子乐谱，标准电子乐谱同样包括N、T1、T2、F、I的数值，比对处理器将演奏电子乐谱和标准电子乐谱进行比对，然后沿着时间轴顺序，依次对比演奏电子乐谱和标准电子乐谱中产生的N、T1、T2、F、I，待乐曲完成后，将比较结果显示在显示器上，使用红颜色标记出演奏电子乐谱和标准电子乐谱差异最大的多个位置。

标准电子乐谱是由记录的演奏家演奏时产生的演奏电子乐谱得到的。

标准电子乐谱是在教学辅助系统的编辑模式下由输入设备输入每一组N、T1、T2、F、I的值得到的。

标准电子乐谱是记录的演奏家演奏时产生的演奏电子乐谱后在教学辅助系统的编辑模式下由输入设备对每一组N、T1、T2、F、I的值进行调整得到的。

音频播放器用于播放存储在存储器内的其他乐器的伴奏或者节拍器生音。

教学系统包括多个使用模式：编辑模式、演奏模式、练习模式；

处于编辑模式时，可以由输入设备通过主控制模块向存储器中增加、删除、修改标准电子乐谱；

处于演奏模式时，主控制模块播放存储器中的伴奏，此时可以通过演奏机械钢琴实现乐曲的演奏，音频采集器采集此时的音频，并将其发送给主控制器，主控制器将采集音频信号和播放的伴奏的音频信号进行减除，然后将减除后得到的音频信号存储在存储器内实现录音；

处于练习模式时，可以通过输入设备选取标准电子乐谱中的一部分，并将选取的部分的时间轴进行时间上的缩放调整，即可以在不同的速度之下不断练习，且练习生成的演奏电子乐谱可以和标准电子乐谱进行比较，并将比较结果显示在显示器上。

实施例2：

针对初学者，可以直接在编辑模式编辑练习曲，此时可以不必注重力度和响度；因此在编辑练习曲时可以直接用输入设备输入所需的练习曲谱，例如不断重复的各个调式的音阶、各个和弦的转位等，然后将力度和响度的数值设置为空白；然后处于练习模式时，选中需要使用的练习曲谱，然后开始练习，练习后产生一个演奏电子乐谱；产生的演奏电子乐谱和标准电子乐谱可以进行手动对齐，也可以使用主控制模块自动实现对齐；对齐后由于没有力度和响度的数值，比对处理器就不会比对力度和响度数值，仅仅比较按键是否正确，时值是否正确；

针对节奏的加强训练，还可以不输入琴键的编码，或者将琴键编码输入为一个琴键上不存在的编码，或者某一个预先设定的值，此时在比对时，比对处理器仅仅比对时值和力度等。

针对有一定基础的演奏者，可以从网络上下载所需的标准电子曲谱，然后将其输入到存储器中，在练习时选择对应的曲谱开始练习；由于不仅比对音阶、时值、还比对力度和响度，这就可以快速提高练习者对于细节和感情的控制。当出现难点时，用输入设备选择该难点，从低速不断重复练习，可以提高练习的有效性。

针对高水平的演奏者，可以直接开启编辑模式练习，然后自己将自己产生的电子曲谱进行手动的编辑，在电子曲谱的层面上发现自己在细节上的缺陷，然后使用输入设备调整电子曲谱，使得其满足自己的要求，针对性的练习即可。在调整电子曲谱时还可以使用音频播放设备将调整后的曲谱进行试听播放，直到调整满意为止。

此外还可以单独的练习力度，即不断重复一段标准电子曲谱，然后单独将响度进行比较，判断响度上的差异，练习时调整力度，增强对于力度的掌握和控制。

以上所述，仅为本发明的优选实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。