基于仿真微音电子琴码拉弦乐教学系统的研究

基于仿真微音电子琴码拉弦乐教学系统的研究
摘要：根据目前拉弦乐学习入门难、提高难、集体授课难且学习成本高的现状，介绍一种基于仿真微音电子琴码的拉弦乐教学系统。

该系统利用机械振动、共振及LC谐振原理设计的仿真微音电子琴码取代了传统拉弦乐器的琴码及谐振腔。

仿真微音电子琴码把弦振动转换成电信号输入到微处理器中，由微处理器进行鉴频，其配合不同的电子元件和不同的材料与结构，可仿真出不同拉弦乐器的音色。

微处理器采用Altera公司的CycloneⅡ系列FPGA设计的32位NIOS Ⅱ软核，并采用DSP软核和硬件FFT进行算法处理和数字滤波。

实践表明：该系统具有减少噪声污染，降低学习入门难度，便于集体授课和舞台表演等优点，在集体授课中极大地提高了教学效率并取得舞台表演理想的效果。

关键词：拉弦乐；微音;滤波器；教学系统
中图分类号：TN15文献标识码：A文章编号：1004373X(2008)2016603
Study about the StringedMusic Teaching System Based on the
Vivid Electronic QinMa with Microphony
YANG Shuqiang,YU Chengbo
( Research Institute of Remote Test & Control,Chongqing Institute of Technology,Chongqing,400050,China)
Abstract：According to the actuality that the stringed music study is difficult to access and improve.It is also hard to teach in groups,and cost of the study is dearness.A kind of system which is applied to the stringed music teaching is introduced.The system is based on mechanical vibration,resonance and LC resonance principle.The vivid electronic QinMa with microphony replaces the structure of the traditional QinMa and resonance cavity,transforming the vibration of strings to electrical signal.The signal is sent to the microprocessor,and it′s frequency is discriminated by the microprocessor.It can also emulate the tone of different kinds of stringed instruments by being assigned with different kind of electronic components,replacing material and modifying its
structure.Microprocessor based on 32-bit Nios Ⅱsoft
core,regarding CycloneII FPGA of ALTERA Company as the core is used.DSP soft core is embedded and FFT on hardware design is introduced to precess algorithms and digital
filter.Practice certificates that the system takes advantage in noise pollution reduction,accidence study lower,teaching groups convenience and arena performance,which has greatly improved
the teaching efficiency,and has got perfect stage performace effect.
Keywords：stringed music;microphony;filter;teaching system
1 引言
在初学者用传统拉弦乐器练习演奏时，难免会发出较大且难听的声音，事实上，即使演奏水平达到一定程度也会产生噪声污染。

特别是乐器教学，当多个学生在一起练习时，产生的声音既会相互干扰，也会干扰邻近教室的教学［1］。

初学者在没有教师手把手指导的情况下也很难入门，更难以提高。

教师授课一般只采用一对一的教学模式，教学效率低下，学习成本较高。

传统乐器在舞台表演时多采用有线或无线MIC来完成音频的采集，这就难免会引入环境噪声干扰，降低舞台表演效果。

这就迫切需要一种新的方案来减小练习时的噪音污染、降低初学者的学习难度、提高教学效率和舞台表演效果。

利用机械振动、共振及LC谐振原理设计的仿真微音电子琴码，是一个封闭的柱体，对外界发出的声音很小，有效降低了噪音污染。

其输出信号直接为电信号，排除了环境噪声对信号的影响［2,3］。

其配合不同的电子元件和不同的材
料与结构，可以仿真出不同拉弦乐器的音色，例如小提琴、大提琴、二胡琴、板胡琴、京胡琴、坠胡琴等音色。

通过仿真微音电子琴码把弦振动转换成电信号输入到微处理器中，由微处理器进行鉴频，与教学软件中预制的标准信号进行比较分析，从而给出比较结果并为练习者予以提示指导［4,5］。

系统还集合了无线传输模块、集体授课组网接口等。

由于仿真微音电子琴码本身具备电子化之功效，能够输出纯净的演奏音效，不但有利于教学，更使拉弦乐与舞台音响的连接不便得以解决，给舞台表演带来极大方便。

2 系统总体构成及基本原理
2.1 系统总体结构
系统由仿真微音电子琴码、教学辅助装置和教师控制台3部分组成如图1所示。

其工作原理是：教师控制台上有n个与学生人数对应的按钮开关，分别控制学生辅助教学装置的连接，教师可以监听某一学生的演奏或指导学生练习。

n个按钮开关对应n个学生终端接口，教师需要监听和指导哪个学生，就按哪个按钮开关，教师的声音通过话筒转换成电信号，经放大后传给那个学生，学生演奏的信号通过仿真微音琴码转换成电信
号，由辅助教学装置对信号进行采集处理，回传给指导教师，以便教师监听指导。

系统还可以提供定音、指法单音练习等功能，还可以按照音乐教材预置乐句，利用比对功能，判断初学者模仿的是否正确，正确进级，不正确重来，从而使学生的学习徐徐渐进，步步提高，以便于学生自学。

系统集成的高稳定性、高品质、高性能的无线模块又可提供优异的无线数据传输效果。

2.2 仿真微音电子琴码
仿真微音电子琴码结构如图2所示［2］,固定支架可以把仿真微音电子琴码安装在相关的拉弦乐器中取代传统的
拉弦乐琴码及共振腔。

演奏时弦振动带动弦振膜，改变空气腔中的声压从而激励电振膜，电振膜振动带动线圈在磁场中振动产生电信号，利用线圈的电感L再配一合适的电容C和电阻R形成LC谐振回路，可以改变电振膜的固有振动频率，起到增强或抑制某一段频率的作用［3］。

改变仿真微音电子琴码材料与结构的相关参数可以仿真板胡琴、二胡琴、坠胡琴、小提琴、大提琴、马头琴等的音色。

安装仿真微音电子琴码的拉弦乐器在结构和外形上保持与传统拉弦乐器相仿，从而可以取代传统乐器进行学习训练。

2.3 辅助教学装置
辅助教学装置由键盘、显示器和微控制处理器组成（如图3所示）。

采用集成度高的大规模集成电路，来实现整体
控制和数据处理，从而大大节省空间并提高了系统的稳定性。

辅助教学装置对来自仿真微音电子琴码的音频信号进行12 MHz 16位的高速高精度采样［4］；再利用4 096点FIR 滤波器对输入信号进行滤波以获取高保真的音品效果；利用FFT实现对音频信号的时域―频域变换以便于分析处理的［5］；然后再对获取数据进行处理、分析，将结果显示出来。

辅助教学系统具备网络数据接口和无线发射接口，用户可以根据具体的需要，选择辅助教学装置把从自仿真微音电子琴码获取的数据信号通过高稳定性、高品质、高性能的无线调频发射模块或教学网络接口发送出去，以便用于舞台表演或教师集体授课。

2.4 系统工作流程
系统工作流程如图4所示，辅助教学装置中可预置训练乐句。

系统会先发出标准音，提示初学者进行模仿，将获取的信号与库中的标准信号进行比对分析，判断初学者模仿的是否正确，正确则提示进级，不正确则提示错误所在并要求重新模仿。

从而使学生的学习循序渐进，步步提高，特别适合与初学者在没有教师在场时自学。

拉弦类乐器的定音问题不仅是初学者必须面临的倍感头疼的问题，也是许多专业人士所必须面临的棘手问题。

辅助教学装置具有乐器定音功能，可以帮助使用者快速准确地定音。

辅助教学装置除具有
定音功能外，还有节拍输出功能、拾音功能、响度判断功能、音准判别功能、助教提示功能、录音等功能，不论是对于初学者还是对于演奏者，学习和表演效果比传统形式强很多。

3 总结及前景展望
基于仿真微音电子琴码的拉弦乐电子辅助教学系统已
在教学实践中获得满意效果，仿真微音电琴码的音纯及音色效果也得到了洛阳二胡协会、西北民族大学等的多名专家的认可和赞赏。

由于基于仿真微音电子琴码的拉弦乐教学系统具有以
下主要优点：结构简单生产成本较低；可以有效解决噪声污染问题从而可随身携带，在家庭、公共场所练习；提供集体授课单独指导的课堂教学模式从而大大提高教学效率；有效地解决现代舞台移动表演问题；软件可升级，可编制技巧性曲子，引导学生自学提高。

因而具有良好的社会前景和广阔的市场前景。

不断纠正或放弃电容在EMC设计中的一些传统认识与做法。

电容在EMC设计中的作用大小与多种因素有关，且其中的很多因素一直在不断的研究与变化中。

所以，要充分发挥电容在EMC设计中的作用，及时了解相关研究的新进展，及时采用新技术，是非常重要的。

参考文献
［1］赵寒阳.怎样提高练琴的效率\.中国二胡
网. 专家讲坛.
［2］周小东.录音工程师手册――现代录音技术丛书\.北京:中国广播电视出版社，2006.
［3］彭曙光.二胡琴码制作初探\.乐器,2006(11):12.
［4］郭书军，王玉花，葛纫秋.嵌入式处理器原理及应用――Nios系统设计和C语言编程\.北京:清华大学出版社，2004.
［5］Vinay K.Ingle,\John G.Proakis.Digital Signal Processing\.刘树棠,译.西安：西安交通大学出版社,2002.
［6］邹崇涛,卢志华.NiosⅡ系统在数字式心电诊监测设备中的应用\.现代电子技术,2006,29(18):18-19,27.
作者简介杨数强男，1979年出生，重庆工学院，硕士研究生。

研究方向为信号与信息处理。

余成波男，1965年出生，教授，重庆大学工学博士，中北大学博士生导师，重庆工学院硕士生导师。

研究方向为远程测试与控制技术、信号与信息处理。