一种键盘乐器数字化输入系统
阅读说明：本技术 一种键盘乐器数字化输入系统 (Keyboard musical instrument digital input system ) 是由 徐璟 宋晓勇 于 2021-08-19 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种键盘乐器数字化输入系统,其包括琴架和设在琴架上的黑键和白键,黑键的上表面设有黑键手指施压区,白键的上表面设有白键手指施压区,黑键和白键的下表面设有磁力发生器,琴架位于磁力发生器的下设有传感器采集板,传感器采集板面向磁力发生器的一侧设置有与磁力发生器一一对应的磁力传感器,磁力传感器与传感器采集板电连接,琴架上设有主控制板,主控制板与传感器采集板电连接,主控制板与后端设备电连接。本系统将极大提高磁力发生器移动到磁力传感器位置的精准度,从而可以有效提高磁力发生器运动速度的测量精度,进而提高本系统中,琴键按下时按键力度的测量精度,即对应琴键按下时钢琴发声的响度的测量精度。(The utility model relates to a keyboard instrument digital input system, it includes the musical instrument frame and establishes black key and white key on the musical instrument frame, the upper surface of black key is equipped with black key finger and applies the nip, the upper surface of white key is equipped with white key finger and applies the nip, the lower surface of black key and white key is equipped with the magnetic force generator, the musical instrument frame is located having the sensor acquisition board of magnetic force generator, one side that the sensor acquisition board was provided with to the magnetic force generator is provided with the magnetic force sensor with the magnetic force generator one-to-one, magnetic force sensor is connected with sensor acquisition board electricity, be equipped with the main control board on the musical instrument frame, the main control board is connected with sensor acquisition board electricity, the main control board is connected with rear end equipment electricity. This system will greatly improve the magnetic force generator and remove the precision to the magnetic force sensor position to can effectively improve the measurement accuracy of magnetic force generator velocity of motion, and then improve this system, the measurement accuracy of button dynamics when the key is pressed, the measurement accuracy of the loudness of piano sound production when corresponding the key promptly and pressing down.)
技术领域
本申请涉及乐器设备的领域，尤其是涉及一种键盘乐器数字化输入系统。
背景技术
传统钢琴的发声原理是通过物理敲击发声，因此传统钢琴的一大优势在于，通过不同的敲击力度可以弹奏出不同的音色，从而可以创造出优美的乐曲。而电子琴的发声原理是以琴键为控制开关，依靠各种音频芯片合成声音，通过扬声器单元将乐曲弹奏播放出来。
其中，传统钢琴的不足点是音色固定，功能单一，弹奏时，声音无法消除，易扰民，而电子琴的优点则可以补足传统钢琴的不足点，因此，如何将电子琴的优点赋予传统钢琴，其具有较大的研究意义。
发明内容
为了有助于提高传统钢琴的功能性，本申请提供一种键盘乐器数字化输入系统。
本申请提供的一种键盘乐器数字化输入系统采用如下的技术方案：
第一方面，一种键盘乐器数字化输入系统，包括琴架和设在琴架上的黑键和白键，所述黑键的上表面设有黑键手指施压区，所述白键的上表面设有白键手指施压区，所述黑键和白键的下表面设有磁力发生器，位于所述黑键上的磁力发生器靠近黑键手指施压区的背面设置，位于所述白键上的磁力发生器靠近白键手指施压区的背面设置，所述琴架位于磁力发生器的下方安装有承托板，所述承托板背离琴架的一侧安装有传感器采集板，所述传感器采集板面向磁力发生器的一侧设置有与磁力发生器一一对应的磁力传感器，所述磁力传感器与传感器采集板电连接，所述琴架上设有主控制板，所述主控制板与传感器采集板电连接，所述主控制板与后端设备电连接。
通过采用上述技术方案，当磁力发生器和磁力传感器的位置发生相对变化时，磁力传感器可以检测附近的磁感应强度变化数值，磁力传感器可以将测得的数值反馈到传感器采集板，并最终反馈到后端设备，通过测得的数值来判断琴键的状态并反馈相应的响度，实现机械动作转换为数字信号的过程。该方案的优点在于，黑键处的磁力发生器和白键处的磁力发生器交错安装，且均靠近各自的手指施压区的背面，手指在按压琴键时，磁力发生器移动到磁力传感器位置的精准度会得到极大提高，从而可以有效提高磁感应强度变化的监测精度，进而提高对琴键状态的判断精度，同时，这样的设置可以使黑键检测到的数值精度与白键检测到的数值精度保持一致，以便于后续分析并提高反馈精度。
可选的，若干所述磁力传感器位于同一块传感器采集板上，若干所述磁力传感器交错设置。
通过采用上述技术方案，同一块传感器采集板可以将所有的磁力传感器的数据进行输送，便于统一管理，同时简化安装结构。
可选的，与所述黑键上的磁力发生器对应的磁力传感器位于一块传感器采集板上，与所述白键上的磁力发生器对应的磁力传感器位于另一块传感器采集板上。
通过采用上述技术方案，分开对两块不同的传感器采集板进行管理，可以提高后续维护的便捷性，并且可以简化传感器采集板的结构，提高传感器采集板的生产效率。
可选的，所述琴架的上表面安装有与黑键连接的黑键扁销以及与白键连接的白键扁销，所述黑键上的磁力发生器到黑键扁销中心点的距离为L1，L1为60mm-62mm，所述白键上的磁力发生器到白键扁销中心点距离为L2，L2为80mm-82mm。
通过采用上述技术方案，确定琴键上磁力发生器的安装位置，在该范围的安装位置处，磁力发生器移动到磁力传感器的检测精度较高，磁力传感器与磁力发生器的设计安装位置更加合理，黑白琴键的力度检测更加均衡科学，且不干扰琴体结构。
可选的，所述L1为60mm，所述L2为80mm。
通过采用上述技术方案，磁力发生器在该安装位置处，磁力发生器移动到磁力传感器的检测精度最高，从而可以有效提高磁力发生器运动速度的测量精度，磁力发生器运动速度的测量精度越高，琴键按下时钢琴发声的响度的测量精度越高，后续通过转换，使琴键可以准确发出相应的音色。
可选的，所述磁力发生器通过粘接件粘贴在黑键或白键的下表面。
通过采用上述技术方案，方便调控磁力发生器的安装位置，同时减少对磁力发生器磁性的影响，方便调试人员快速安装磁力发生器，减少总体安装时间。
可选的，所述磁力发生器的一侧面固定有螺纹柱，所述螺纹柱与黑键或白键的底部螺纹连接。
通过采用上述技术方案，磁力发生器与黑键或白键的底部贴合，利用螺纹柱对磁力发生器进行固定，提高了磁力发生器安装的稳定性，也有利于后续维护的拆装。
可选的，所述黑键或白键的下表面安装有固定座，所述固定座上可拆卸式安装有磁力发生器。
通过采用上述技术方案，后续维护需要拆装磁力发生器时，可从固定座上拆装磁力发生器，避免磁力发生器与琴键接触导致磁力发生器后续在拆装时损坏琴键，进而提高琴键的使用寿命。
可选的，所述主控制板通过外设接口与后端设备电连接，所述外设接口为标准MIDI接口、USB接口或蓝牙接口。
通过采用上述技术方案，测得的数据通过外设接口传输到后端设备，这些数据转换为响度数据后，响度数据可供他人查看，进而可以应用于远程教育，外设接口的设置提高了其可适配性。
第二方面，一种基于键盘乐器数字化输入系统的响度判断方法，包括以下步骤：S1、对钢琴上任一黑键或者白键，根据按键对应位置采集传感器采集板上安装的磁力传感器测得的磁感应强度，可以计算得到磁力传感器与磁力发生器之间的相对位置关系；S2、主控制板按照特定采样率不断采样每个磁力传感器上测得的磁感应强度B；S3、当某个琴键与磁力传感器之间的距离D达到阈值D1时，记录时间T1；S4、当某个琴键与磁力传感器之间的距离D达到阈值D2时，记录时间T2；S5、根据V=(D2-D1)/（T2-T1）的结果换算出对应的力度数据，并结合按下琴键的序号，编码MIDI数据并发送；S6、当某个琴键与磁力传感器之间的距离D达到阈值D3，认为琴键被松开，编码对应MIDI数据并发送。
通过采用上述技术方案，与传统的电子琴采用接触式传感器的原理相比，该方案中的磁力发生器和磁力传感器的设计安装位置更加合理，黑白琴键的力度采集更加精确，工作稳定，基本不受光线、温度、湿度和琴体结构变形的影响。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.该系统将极大提高磁力发生器移动到磁力传感器位置的精准度，从而可以有效提高磁力发生器运动速度的测量精度，进而提高本系统中，琴键按下时按键力度的测量精度，即对应琴键按下时钢琴发声的响度的测量精度；
2.磁力发生器与琴键可拆卸式连接，方便调控磁力发生器的安装位置，同时减少对磁力发生器磁性的影响，并且提高了磁力发生器安装的便利性；
3.与传统的电子琴采用接触式传感器的原理相比，该方案中传感器安装位置更加合理，力度采集更加精确，工作稳定，基本不受外界影响。
附图说明
图1是本申请实施例1的整体结构示意图。
图2是本申请实施例1的整体结构的俯视图。
图3是本申请实施例1的的侧视图。
图4是图3中A部分的放大示意图。
图5是本申请实施例2的整体结构的俯视图。
图6是本申请实施例3主要展示磁力发生器与琴键连接的侧视图。
图7是本申请实施例4主要展示磁力发生器与琴键连接的侧视图。
图8是本申请实施例5主要展示磁力发生器与琴键连接的侧视图。
图9是本申请实施例6主要展示磁力发生器与琴键连接的侧视图。
附图标记说明：10、琴架；11、黑键；111、黑键手指施压区；112、黑键扁销；12、白键；121、白键手指施压区；122、白键扁销；13、凹槽；2、磁力发生器；3、承托板；4、传感器采集板；5、磁力传感器；6、主控制板；71、胶布；72、螺纹柱；73、固定座；731、安装槽；74、锁紧螺钉；75、胶粘剂。
具体实施方式
以下结合附图1-9对本申请作进一步详细说明。
第一方面，本申请实施例公开一种键盘乐器数字化输入系统。
实施例1
参照图1和图2，输入系统包括琴架10和设在琴架10上交错设置的黑键11和白键12，黑键11的上表面设有黑键手指施压区111，白键12的上表面设有白键手指施压区121，黑键11和白键12的下表面设有磁力发生器2，本实施例中，磁力发生器2选用磁铁。
同时，琴架10位于磁力发生器2的下方通过螺钉安装有承托板3，承托板3的顶侧通过螺钉安装有传感器采集板4，传感器采集板4面向磁力发生器2的一侧电连接有磁力传感器5，磁力传感器5与磁力发生器2一一对应。其中，琴架10上还设有主控制板6，主控制板6通过数据总线与传感器采集板4电连接，主控制板6通过外设接口与后端设备电连接，外设接口为标准MIDI接口、USB接口或蓝牙接口，以提高其适配性。
其中，位于黑键11上的磁力发生器2靠近黑键手指施压区111的背面设置，位于白键12上的磁力发生器2靠近白键手指施压区121的背面设置。
参照图3，琴架10的上表面对应于黑键11的位置安装有黑键扁销112，黑键扁销112与黑键11的前支点连接，琴架10的上表面对应于白键12的位置安装有白键扁销122，白键扁销122与白键12的前支点连接。
具体的，黑键11上的磁力发生器2到黑键扁销112中心点的距离为L1，L1为60mm-62mm，在该位置处，磁力发生器2移动到磁力传感器5位置的检测精度为0.02mm。白键12上的磁力发生器2到白键扁销122中心点距离为L2，L2为80mm-82mm，在该位置处，磁力发生器2移动到磁力传感器5位置的检测精度为0.02mm。
更具体的，当L1为60mm，L2为80mm时，此时检测精度最佳，检测精度可达到0.01mm。
参照图2，与黑键11上的磁力发生器2对应的磁力传感器5和与白键12上的磁力发生器2对应的磁力传感器5均位于同一传感器采集板4上，从而可以预先在传感器采集板4上设置好磁力传感器5的位置，固定传感器采集板4后，后续再对磁力发生器2进行调试。
参照图4，为了方便对磁力发生器2的位置进行调试，磁力发生器2通过粘接件粘贴在黑键11或白键12的下表面，本实施例中，粘接件设为胶布71，胶布71覆盖磁力发生器2的周表面，通过对磁力发生器2位置的精准调试保证磁力的均匀性。
本申请实施例一种键盘乐器数字化输入系统的实施原理为：按压黑键11或白键12时，磁力发生器2和磁力传感器5的位置发生相对变化，磁力传感器5可以检测附近的磁感应强度数值，并将测得的数值反馈到传感器采集板4，最终由主控制板6反馈到后端设备，通过测得的数值来判断琴键的状态并反馈相应的响度，实现机械动作转换为数字信号的过程。
该方案的优点在于，黑键11处的磁力发生器2和白键12处的磁力发生器2交错安装，且均靠近各自的手指施压区的背面，手指在按压琴键时，磁力发生器2移动到磁力传感器5位置的精准度会得到极大提高，从而可以有效提高磁感应强度变化的监测精度，进而提高对琴键状态的判断精度，同时，这样的设置可以使黑键11检测到的数值与白键12检测到的数值保持一致，以便于后续分析并提高反馈精度。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，传感器采集板4的结构不同。参照图5，本实施例中，传感器采集板4设为两块，与黑键11上的磁力发生器2对应的磁力传感器5位于一块传感器采集板4上，与白键12上的磁力发生器2对应的磁力传感器5位于另一块传感器采集板4上，两块传感器采集板4位于同一平面上且均与主控制板6电连接。
从而可以预先固定磁力发生器2，再对两传感器采集板4的位置分别进行调节，提高调试安装的便利性。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，磁力发生器2与黑键11或白键12固定方式的不同。参照图6，本实施例中，磁力发生器2的一侧面垂直固定有螺纹柱72，螺纹柱72从下到上沿竖直方向穿入黑键11或白键12内，螺纹柱72与黑键11或白键12螺纹连接，磁力发生器2的上表面与黑键11或白键12的下表面贴合。
本实施例相比于实施例1的优点之处在于，磁力发生器2的安装更加稳定，且有利于拆装更换。
实施例4
本实施例与实施例1的不同之处在于，磁力发生器2与黑键11或白键12固定方式的不同。参照图7，本实施例中，黑键11或白键12的下表面开设有凹槽13，凹槽13内通过螺钉固定有固定座73，固定座73远离凹槽13的一侧延伸出黑键11或白键12的下表面，固定座73远离凹槽13的一侧开设有安装槽731，磁力发生器2嵌设于安装槽731内。
同时，固定座73的侧壁螺纹连接有锁紧螺钉74，锁紧螺钉74的头端沿固定座73的径向贯穿固定座73的侧壁并抵压磁力发生器2的侧壁，实现对磁力发生器2的固定。
本实施例相比于实施例1的优点之处在于，后续维护需要拆装磁力发生器2时，可从固定座73上拆装磁力发生器2，避免磁力发生器2与黑键11或白键12直接接触，导致磁力发生器2后续多次拆装时损坏黑键11或白键12，进而提高琴键的使用寿命。
实施例5
本实施例与实施例4的不同之处在于，磁力发生器2与固定座73安装方式的不同。参照图8，本实施例中，磁力发生器2的一侧面固定有螺纹柱72，螺纹柱72沿竖直方向穿入固定座73内且与固定座73螺纹连接，磁力发生器2面向螺纹柱72的一侧与固定座73远离凹槽13的一侧平齐贴合。
本实施例相比于实施例4的优点之处在于，旋转磁力发生器2即可在固定座73上拆装磁力发生器2，提高了拆装的便捷性，并且避免了磁力发生器2与黑键11或白键12的直接接触，减少磁力发生器2多次拆装对黑键11或白键12使用寿命的影响。
实施例6
本实施例与实施例1的不同之处在于，磁力发生器2与黑键11或白键12固定方式的不同。参照图9，本实施例中，粘接件选用胶粘剂75，胶粘剂75位于磁力发生器2与黑键11或白键12下表面之间，磁力发生器2通过胶粘剂75粘贴在黑键11或白键12的下表面。
本实施例相比于实施例1的优点之处在于，磁力发生器2的安装速度更快。
第二方面，本申请实施例还公开了一种基于键盘乐器数字化输入系统的响度判断方法，包括以下步骤：
S1、对钢琴上任一黑键11或者白键12，根据按键对应位置采集传感器采集板4上安装的磁力传感器5测得的磁感应强度，可以计算得到磁力传感器5与磁力发生器2之间的相对位置关系。
S2、主控制板6按照特定采样率不断采样每个磁力传感器5上测得的磁感应强度B。
S3、当某个琴键上的磁力发生器2与磁力传感器5之间的距离D达到阈值D1时，记录时间T1。
S4、当某个琴键上的磁力发生器2与磁力传感器5之间的距离D达到阈值D2时，记录时间T2。
S5、根据V=D2-D1/（T2-T1）的结果换算出对应的力度数据，并结合按下琴键的序号，编码MIDI数据并发送。
S6、当某个琴键上的磁力发生器2与磁力传感器5之间的距离D达到阈值D3，认为琴键被松开，编码对应MIDI数据并发送。
进一步的，可以根据实际情况调整钢琴整体的响度，即调整琴键速度V与琴键力度的查找表，比如时间V=0.1m/s时，琴键力度可以为64（MIDI标准中规定力度数值应在0到127之间，且为整数）或其它数值，提高响度的可调整性。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。