基于智能控制技術(shù)的曾侯乙編鐘鍵盤化演奏系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張昕怡

(武漢音樂(lè)學(xué)院 音樂(lè)學(xué)系,湖北 武漢 430060)

0 引言

古老樂(lè)器如何與現(xiàn)代科技相結(jié)合,是當(dāng)前音樂(lè)學(xué)理論研究的重要課題。曾侯乙編鐘出土以后,研究編鐘科技的學(xué)者和機(jī)構(gòu)越來(lái)越多。作為最為知名的青銅樂(lè)器,曾侯乙編鐘高達(dá)數(shù)噸的體量及其卓越的音樂(lè)性能,體現(xiàn)了古代中國(guó)高超的青銅鑄造水平及嫻熟的加工技藝,為聲學(xué)、音律學(xué)、冶金技術(shù)和精密鑄造技藝等學(xué)科的研究提供了方向[1]。曾侯乙編鐘出土至今,一共奏響過(guò)3次,編鐘的3次原鐘演奏讓全世界聆聽(tīng)到中國(guó)古代樂(lè)器的音律之美,在眾多曾侯乙編鐘的科學(xué)研究中,如何仿造曾侯乙編鐘,實(shí)現(xiàn)曾侯乙編鐘的現(xiàn)場(chǎng)演奏成為學(xué)者們關(guān)注的熱點(diǎn)。為解決曾侯乙編鐘仿制與演奏的問(wèn)題,本文提出借助電子智能控制技術(shù),選擇STC89C51單片機(jī)嵌入式控制方法和Python編程軟件,完成電子編鐘演奏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。

1 編鐘仿制與演奏面臨的問(wèn)題

當(dāng)前,為了實(shí)現(xiàn)曾侯乙編鐘的現(xiàn)場(chǎng)演奏,眾多文物學(xué)家、音樂(lè)學(xué)家、精密鑄造科研人員都投入同比例復(fù)制編鐘的研究之中,但要復(fù)制一套能夠演奏的編鐘,就要從材質(zhì)到制作方式,都要嚴(yán)格按照原來(lái)的編鐘去做,這不僅涉及精密鑄造技術(shù),也涉及更為復(fù)雜的編鐘定音技術(shù),曾侯乙編鐘一鐘雙音的鑄造技法對(duì)現(xiàn)代人而言依然難以輕易實(shí)現(xiàn)[2]。另外,按照曾侯乙編鐘的演奏規(guī)范,編鐘音樂(lè)曲目需要10～18位專業(yè)演奏人員協(xié)同作業(yè),才能完成一套完整編鐘樂(lè)器的完美演奏,這些限制直接導(dǎo)致了編鐘演奏無(wú)法普及到非專業(yè)演出團(tuán)體。如何讓更多的音樂(lè)人能夠輕松演奏編鐘樂(lè)器,成為學(xué)界關(guān)切的焦點(diǎn)。

為了解決編鐘演奏的難題,2017年2月,武漢音樂(lè)學(xué)院、湖北省博物館與煙臺(tái)豪特樂(lè)器有限公司聯(lián)手,以仿制曾侯乙編鐘為文化元素,設(shè)計(jì)制作了智能新編鐘。智能新編鐘的設(shè)計(jì),解決了曾侯乙編鐘需要多人協(xié)同演奏的問(wèn)題,但是,由于智能編鐘制作工藝和成本限制,鐘體的鑄造與調(diào)律依然制約編鐘音樂(lè)的傳播,智能新編鐘依然無(wú)法滿足音樂(lè)人隨時(shí)隨地演奏、民眾隨心所欲聆聽(tīng)編鐘音樂(lè)的需求。

2 曾侯乙編鐘的鍵盤化演奏設(shè)計(jì)理念的提出

曾侯乙編鐘作為敲打型樂(lè)器,其仿制的難點(diǎn)是編鐘鑄造和定音極為復(fù)雜,難以批量生產(chǎn)。為了解決編鐘鑄造和定音的難題,本文提出借助電子智能控制技術(shù),讓規(guī)模龐大的編鐘轉(zhuǎn)變成為電子編鐘,進(jìn)而借助鍵盤進(jìn)行編鐘演奏的設(shè)計(jì)理念。這樣設(shè)計(jì)的電子編鐘不僅可以輕松完成編鐘曲譜的演奏,而且可以大批量生產(chǎn)與推廣,實(shí)現(xiàn)編鐘音樂(lè)的傳播與普及。該設(shè)計(jì)理念主要包括3項(xiàng)核心內(nèi)容:

(1)曾侯乙編鐘音律的原音采集,這為電子編鐘音樂(lè)演奏的發(fā)聲提供基本的音源支持。

(2)電子編鐘演奏鍵盤的設(shè)計(jì),這一設(shè)計(jì)要參考編鐘音源的特征,結(jié)合演奏人員的演奏習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(3)電子編鐘演奏控制元件的設(shè)計(jì),為實(shí)現(xiàn)電子編鐘的演奏控制提供技術(shù)支撐。

為了保證電子編鐘音律的原生態(tài),電子編鐘的設(shè)計(jì)需要保持編鐘音色的純正性、音律的準(zhǔn)確性和音域的全面性,同時(shí)也要具備樂(lè)器演奏的便捷性、制造的批量性等特征。

3 電子編鐘設(shè)計(jì)的基本原理和關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 電子編鐘設(shè)計(jì)的基本原理

電子編鐘是利用電子電路產(chǎn)生各種音階的半音來(lái)推動(dòng)揚(yáng)聲器演奏樂(lè)曲的電子樂(lè)器。電子編鐘由琴鍵,優(yōu)先編碼器,程控半音音階發(fā)生器,最高、高、中、低音階組別選擇器,低通濾波器,音量控制器,功率放大器和揚(yáng)聲器組成。琴鍵把樂(lè)曲音階的半音送進(jìn)編碼器進(jìn)行編碼,以區(qū)別12個(gè)不同的半音。編碼器輸出到譯碼器譯碼,譯碼器可分別輸出12個(gè)控制信號(hào)。這些控制信號(hào)對(duì)半音音階發(fā)生器進(jìn)行程控,最后音頻信號(hào)通過(guò)功率放大器放大,推動(dòng)揚(yáng)聲器產(chǎn)生樂(lè)曲,樂(lè)曲音符借助編鐘原音采集獲取。

3.2 電子編鐘設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)分析

電子編鐘的設(shè)計(jì)參考現(xiàn)行電子琴或電鋼琴的發(fā)聲原理,按照技術(shù)流程,電子編鐘設(shè)計(jì)主要包括以下關(guān)鍵步驟:

3.2.1 編鐘音源采集

為了保證電子編鐘音色的純正性,首先需要完成曾侯乙編鐘音律的采集,對(duì)64件編鐘(曾侯乙編鐘共有65座單體鐘組成,其中64件具有音律屬性,大镈鐘沒(méi)有音律屬性)的每一件鐘體的正音和側(cè)音進(jìn)行逐一采集編號(hào),按照音律的高低和屬性分布存儲(chǔ)。編鐘64座鐘體音律的高質(zhì)量采集是該設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),只有保證音源的純正,才能保證后續(xù)電子編鐘發(fā)音合成的質(zhì)量。

3.2.2 演奏鍵盤設(shè)計(jì)

根據(jù)編鐘的音域設(shè)計(jì)演奏鍵盤,每個(gè)按鍵對(duì)應(yīng)一個(gè)音符,并按照音高序列排列,構(gòu)成電子編鐘的演奏鍵盤。電子編鐘的演奏鍵盤實(shí)際是一些開(kāi)關(guān),按下鍵盤的一只鍵就等于接通一只開(kāi)關(guān),揚(yáng)聲器就發(fā)出與該鍵對(duì)應(yīng)的鐘聲。這樣,按照一定的演奏技法和編鐘曲譜,就可彈奏出優(yōu)美的編鐘之曲。

3.2.3 電子編鐘的發(fā)聲和控制元件設(shè)計(jì)

在編鐘控制電子元件的設(shè)計(jì)中,可以使用PCM采集音源,將其數(shù)字化后存入ROM或FLASH,然后按下演奏鍵盤,CPU或DSP芯片接到指令后會(huì)發(fā)出ROM或FLASH里預(yù)先存儲(chǔ)的鐘聲,這與現(xiàn)場(chǎng)敲擊編鐘樂(lè)器的音色完全一致。

另外,在電子編鐘設(shè)計(jì)的過(guò)程中,鍵盤的演奏力度感應(yīng)控制與處理也是影響電子編鐘設(shè)計(jì)品質(zhì)的關(guān)鍵。

4 電子編鐘的產(chǎn)品設(shè)計(jì)

根據(jù)編鐘演奏的市場(chǎng)需求,電子編鐘產(chǎn)品設(shè)計(jì)包括2種類型:

4.1 專業(yè)演奏級(jí)電子編鐘產(chǎn)品

針對(duì)專業(yè)音樂(lè)演奏人員和音樂(lè)愛(ài)好者對(duì)傳統(tǒng)樂(lè)器的需求,設(shè)計(jì)音域覆蓋全面、音色準(zhǔn)確、做工精良的專業(yè)演奏級(jí)電子編鐘。該類產(chǎn)品需要滿足音樂(lè)演奏人員和音樂(lè)愛(ài)好者專業(yè)演奏的市場(chǎng)需求,在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中,需要建立全面的技術(shù)工藝標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝控制,還是電子元件的加工與調(diào)試,音色、音準(zhǔn)、音域的檢驗(yàn)都需要由專業(yè)人員按照要求嚴(yán)格控制[3]。專業(yè)演奏級(jí)電子編鐘產(chǎn)品研發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)是曾侯乙編鐘中64座鐘體的音源采集,由于編鐘敲擊位置、角度、敲擊方式和力度的不同,所采集到的音源都會(huì)有一定的差異,所以必須由專業(yè)的人員完成曾侯乙編鐘音源的采集和錄音處理工作[4]。

4.2 網(wǎng)絡(luò)版電子編鐘演奏系統(tǒng)

針對(duì)當(dāng)前手機(jī)、平板等電子設(shè)備普及的情況,按照電子編鐘設(shè)計(jì)的方法,借助網(wǎng)絡(luò)編程設(shè)計(jì)電子編鐘網(wǎng)絡(luò)版演奏系統(tǒng)軟件。軟件分為PC端和移動(dòng)端2種類型,網(wǎng)絡(luò)用戶下載安裝后,可以借助平板、手機(jī)或者電腦觸摸屏,完成電子編鐘的演奏。網(wǎng)絡(luò)版電子編鐘演奏軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)主要集中在軟件編碼和軟件系統(tǒng)的集成,為了保證電子編鐘演奏軟件系統(tǒng)的兼容性,在開(kāi)發(fā)軟件的選擇上,選擇功能強(qiáng)大、集成性高的主流開(kāi)發(fā)工具Python作為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件。電子編鐘演奏軟件開(kāi)發(fā)包括編鐘音源數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)、編鐘演奏控制的內(nèi)核開(kāi)發(fā)和軟件外觀界面的開(kāi)發(fā)3部分,其中軟件外觀界面開(kāi)發(fā)主要完成電子編鐘演奏琴鍵的樣式設(shè)計(jì)和彈奏控制的設(shè)計(jì)工作;數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)主要解決音頻的存儲(chǔ)與調(diào)用問(wèn)題;內(nèi)核開(kāi)發(fā)主要是完成琴鍵演奏輸入后樂(lè)譜音律的生成工作,解決編鐘音源的集成、音高的協(xié)同控制、音響的調(diào)節(jié)和雜音的過(guò)濾等問(wèn)題。

5 電子編鐘設(shè)計(jì)的元件選型與編碼設(shè)計(jì)

在專業(yè)演奏級(jí)電子編鐘產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,可以選擇STC89C51單片機(jī)完成。STC89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器。在電子編鐘的設(shè)計(jì)中,STC89C51為電子編鐘的嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供較為高效的解決方案[5]。

在網(wǎng)絡(luò)版電子編鐘演奏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,為了完成網(wǎng)絡(luò)版電子編鐘的界面和音頻控制,可以選擇Python創(chuàng)建界面與按鈕,并給每個(gè)按鈕綁定播放音階的函數(shù),在此借助playsound庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。

fromplaysoundimportplaysound

playsound('bianzhong.wav')

上面代碼完成了編鐘音符的播放,但無(wú)法指定播放時(shí)長(zhǎng)等功能,如果一個(gè)音階時(shí)長(zhǎng)8 s,必須要等上一個(gè)播放完畢才能播放下一個(gè),這樣輸出的聲音就不能連貫。為此,需要借助pygame實(shí)現(xiàn)音頻播放的控制處理,配合time庫(kù)可以音符播放時(shí)長(zhǎng),例如每個(gè)音階只播放 1 s。編碼如下:

frompygameimportmixer

pygame.mixer.music.play()

time.sleep(10)

pygame.mixer.music.stop()

按照以上控制流程,在兩個(gè)音階之間切換時(shí)會(huì)有一個(gè)爆音,于是可以使用fadeout(time)進(jìn)行淡出,在指定時(shí)間內(nèi)音量由初始值漸變?yōu)?,最后停止播放。當(dāng)然也是使用mixer.Sound方法來(lái)播放編鐘音符,且可以同時(shí)按下多個(gè)按鍵形成和聲效果,編碼如下:

frompygameimportmixer

mixer.Sound("mp3/bianzhong.wav").play()

另外,為了在電子編鐘演奏過(guò)程中,能對(duì)演奏者按鍵的力度和時(shí)間進(jìn)行自動(dòng)化控制,需要系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)聽(tīng)系統(tǒng)鍵盤按下(press)與釋放(release)的速度和延續(xù)的時(shí)長(zhǎng),借此智能化控制演奏的音節(jié)與音高。至此,網(wǎng)絡(luò)版電子編鐘控制編碼的關(guān)鍵性問(wèn)題可以得到解決。

6 結(jié)語(yǔ)

Python作為面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言,被廣泛應(yīng)用于人工智能等領(lǐng)域,在電子編鐘的設(shè)計(jì)中,使用MIDI庫(kù)開(kāi)發(fā)電子編鐘具有較強(qiáng)的適用性,是一個(gè)非常高效的音樂(lè)類軟件編程工具。在電子編鐘硬件設(shè)計(jì)上,選擇STC89C51單片機(jī)完成電子編鐘的嵌入式控制設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)編鐘電子演奏的智能化控制,具有良好的實(shí)驗(yàn)效果和較強(qiáng)的可行性。本文運(yùn)用音樂(lè)學(xué)原理、電子技術(shù)、智能技術(shù)等多個(gè)交叉學(xué)科知識(shí),完成曾侯乙編鐘的電子化設(shè)計(jì),為我國(guó)編鐘音樂(lè)的鍵盤化演奏設(shè)計(jì)提供了一條新的路徑,具有一定的科學(xué)價(jià)值和實(shí)踐參考意義。