激光古筝

目录

• 项目的由来和创意
• 原理
• 音色的挑选
• 程序编写
• 万向节的使用
• 激光二极管的使用
• 项目的价值与展望
• 项目的由来和创意

古筝是我国的传统民间乐器，音色优美动人，许多古筝经典曲目都深受人们喜爱。但是在实际表演中，古筝传统的演奏中总会遇到调音繁复以及由于舞台过大、乐器音量较小，使得演出效果受影响的各种问题。于是我想到了利用科学技术的方式突破这些现实中遇到的问题，这就是我的课题激光古筝的来源。皮卡

传统古筝的发声原理是弹奏古筝时，拨动琴弦，琴弦震动，经给雁柱传到筝面板，再由面板传递到筝体内部，引起共振发声，最后由底板音孔传递出来。实质上琴体即木质共鸣箱，声波在琴体内声音得到反射放大。通过以上信息，我们可以发现，传统古筝的发音条件苛刻，十分容易受到外界的环境、琴体本身的材质的影响而导致发音异常。

在制作完成前，我们也查阅了各种资料，搜索关于激光古筝的相关报道，在国内外都有较多用音乐芯片和发生器所制作的激光乐器，然而，我们制作和研究的激光古筝使用真实的古筝音色而非蜂鸣器，并且通过单片机判断高低电平来控制乐音的播放。用最简单的串并联电路来完成。

原理

我们设计的激光古筝主要分为接收装置，单片机和PC控制三部分组成。在电路方面实质上是一个简单的串并联综合电路。当可见光的激光二极管照射到另一端的光敏电阻上时，光敏电阻的阻值减小，两端的电压也随之减小，因此我们并联的固定电阻两端电压变大。单片机测量的正是固定电阻两端电压，当电压增大时单片机收到的信号即高电平，运行其相应的程序播放一个MP3格式文件，即一个音。

音色的挑选

首先是挑选古筝的音色。经过各个音色软件资料的搜索和比较，我们在淘宝上购买了一款来自德国的音乐软件Kontakt5，价格低廉又实用经济。从这个较为全面的音乐库软件中挑选并获得了古筝多根琴弦的音色。操作主界面如下所示:

我们选择了其中的10个音源存储于电脑中，原理是单片机接受高低电平信号判断后，运行编写好的程序起到播放MP3格式文件的控制作用。

程序编写

在编写程序方面，我们在Visual Studio 2010 软件中，使用C Sharp （C#）语言来编写这样一个程序。首先创建一个窗体，接下来的程序代码编写都将在Fom1的基础上完成。

接下来，在窗体中加入Media Player控件和串口控件，同时电脑将随机分配一个串口名称（例如com3），核心代码如下：

SerialPort1.PortName=“com 即连接串口com3

SerialPort1.BaudRate=9600 调整波特率为9600

SerialPort1.Open. 那么串口就已打开

单片机通过串口向PC机发送代码，电脑接收到这个代码，电脑发出相应的乐音，使得单片机起到高低电平的判断作用。

万向节的使用

激光古筝的实体制作方面，我们主要材料是橡木板。经过准确的测量和计算，我们将两根木板横放，两侧采用较短的木板，一部分用于光敏电阻等接收装置的安装，另一部分用于激光二极管的调整和使用。

由于我们的光源——激光发光管——到光敏电阻有一段大约的距离，所以光源处轻微移动一点，在对面的光敏电阻都会难以对准真是失之毫厘谬以千里。若每次手动调整将耗费大量时间精力，实施较为困难。于是我们想到用万向节来解决此问题。万向节原是用于固定摄像头的传动装置所谓万向节；指的是利用球型等装置以实现不同方向的轴动力输出，使用它我们可以做到激光光源的360°全方位旋转，但对于目前来说只需要它的轴的可调节性进行校准。并且在淘宝网上搜索此类万向节，价格较为实惠。

如图，将万向节固定于抽屉的滑轨上，另一头将切割好的用于固定激光二极管的塑料板安装在万向节上。

激光二极管的使用

其次是激光光束的开关部分，下图是用arduino单片机板做的试验，光敏电阻外面包胶布是为了减少杂散光的影响，然后光敏电阻串联一个1.5k的电阻，光敏电阻的一端接单片机正5v, 电阻那端接地，中间端接单片机的输入口，把万用表接在电阻两端，从图上可见暗的情况下是1.175v。用激光笔照射后，电压是4.76v，4.78伏，经试验，能可靠地被单片机的数字输入端识别为1至1.175v，被单片机判断为0，这样就实现了挡住激光束输出一个开关信号。

转动5毫瓦安全激光管的调焦螺帽可以调焦调到光点最小，使得光线强度最大，达到激光照射的最佳效果，防止光线的发散。在木板的另一侧，即接受装置，将调整好的激光二极管用热熔胶粘在塑料板上固定。 接收装置主要是将光敏电阻并联在一起，与电源正极相连。其另一端串联一个电阻后与单片机的接地端相连，同时用一根导线连接单片机输入口。

激光二极管在使用上也需要做一系列调整，主要是由于每个光敏电阻阻值不尽相同，且发光强度不同，两端电压有较多差异。使得单片机读取高电平与低电平的效果和预期效果不同。例如，在我们实际操作中发现其中一个光敏电阻与临近一个光敏电阻受光照时阻值相比竟达到7-8倍，以至于电阻两端电压2V至0.2V，单片机无法判断高低电平。所以我们将串联的电阻更换成18K~20KΩ，使得单片机读取高电平与低电平的差异一致。均为0.3V至4.2V。

我们曾经在舞台上进行实验，被较强的舞台灯光干扰，使得光敏电阻受强光干扰，所以我们将材料进行了完善，将650nm的滤光片加入光敏电阻，以预防出现的光敏电阻被照射前后电阻比太小，我们进行了如下的测量：

将所有光敏电阻蒙上黑色胶布，使其处于电阻最大状态，测量其各自电阻并记录。

使用激光照射每个电阻使其处于电阻最小状态并且测量其各自电阻，再次记录。

将所得数据列成表格，进行计算。

结果如下表所示：

光敏电阻最大电阻最小电阻比值表（部分）

由此我们选出了10个比值较大且接近的光敏电阻。

项目的价值与展望

由MP3播放器原理控制有多种音色产生了自然界所不存在的声响，应用范围极为广泛。同时，激光古筝有效解决了民乐调音较繁复、乐器音量较小等问题，也丰富了普通乐器的音色，使得乐曲风格更为多样化。激光所作的琴弦等多种新元素使得舞台视觉效果更具有表现力和灵活性，将乐器演奏与灯光效果融为一体, 赋予了演奏者更大限度富有动感的表演空间。极大程度上促进了现代民乐结合科技的演奏方式的推广和应用。

固然，激光古筝仍然存在着无法表现传统古筝揉弦，遥指等富有感情色彩的指法，并且音色较为简易单调，与古筝唯美动人的长音略有差异。另一方面，fa和si两个半音的发声存在着不可忽视的问题。我设想可以在探测距离上作进一步改善：使用可以探测距离的超声波传感器，编写好单片机在arduino中的程序后可以使得激光古筝的音色更加多样化，弥补了其没有雁柱后无法弹出半音的缺陷。

图1

图2

图3

图4

图5

图6

图7