[发明专利]一种直观控制基音和泛音并合成声音的学习教具系统

说明书

本发明公开了一种直观控制基音和泛音并合成声音的学习教具系统，包括一个内置嵌入式控制系统的盒子，盒子上顶面设有按照矩阵阵列方式排列的可抽出的控制条，控制条的阵列有n行m列，每根控制条均连接一个行程开关，通过控制条的纵向方向上拉出的高度控制行程开关打开的大小，行程开关与所述嵌入式控制系统相耦接；盒子内置一组n个扬声器、与所述嵌入式控制系统相耦接，盒子设有开关和播放按键，播放按键与所述嵌入式控制系统相耦接，按下播放按键后盒子内的扬声器按照控制条的设置依次发出m×0.25秒的声音。本发明容易操作，呈现结果直观清晰，适合儿童学习使用。

技术领域

本发明涉及嵌入式开发技术、声音合成技术，涉及知识领域为音色的基音与泛音（谐振）理论，直接应用于教育教具、玩具等领域，具体地说，是涉及一种直观控制基音和泛音并合成声音的学习教具系统。

背景技术

目前已有的各种乐器具有恒定的音色，虽然可以带来良好的听觉体验，但对于解释音色或旋律的形成原因及规律没有太大意义。专业的数字音频合成设备虽然功能强大，但操作过于复杂，需要专门的训练，且无法直观呈现形成不同音色和频率的原理规律。相关的数字软件虽然操作方便，但缺乏实际的操作感受，由于这类软件所运行的平台往往只有一个或两个扬声器，因此声音是通过软件合成后发出的，这对于解释导致音色差异的因素缺乏足够的说服力。而且形成音色与旋律的因素至少包括频率、响度、时间三个维度的控制条件，在二维平面的屏幕上很难将这些信息间的关系及规律直观地呈现出来。

发明内容

本发明的目的是解决上述技术的不足，提供一种直观控制基音和泛音并合成声音的学习教具系统。以直观可视化、可实物操作化的方式，让儿童认识理解构成不同音色的物理原因，也就是基音与泛音（谐振）之间的关系。进而通过同样直观可视化、可实物操作化的方式，让儿童理解旋律是各种声音在时间维度上有规律（重复、递增、递减等）排布的结果。最终达到从理性角度认识音色与旋律的规律，激发学习的兴趣，并能实际操作、自己打造旋律。该系统采用单片机嵌入式开发和声音合成技术。主要基于声音理论中由于不同比例基音与泛音（谐振）合成形成不同音色的知识，采用实物化的方式合成各种不同的音色。

不同音色的本质是一定频率的基音与倍数关系的泛音（谐振）共同合成的。这其中的规律可以通过该教具系统清晰直观地呈现出来，儿童还可以通过实际操作教具自己合成新的音色。音乐旋律的形成同样具有规律，是各个声音在时间维度上有序的排列组合（重复、递增、递减等），儿童同样可以通过实际操作该教具系统直观地看到这些规律。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种直观控制基音和泛音并合成声音的学习教具系统，其特征在于，包括一个内置嵌入式控制系统的盒子，盒子上顶面设有按照矩阵阵列方式排列的控制条，控制条的阵列有m列、n行，每根控制条均连接一个行程开关，通过控制条的纵向方向上拉出的高度控制行程开关打开的大小，行程开关与所述嵌入式控制系统相耦接；

盒子内置一组n个扬声器、与所述嵌入式控制系统相耦接，以20Hz为单位将20Hz到20kHz的声音频率n等分，嵌入式控制系统内置的程序设置每个扬声器的发声频率与n等分相对应，第x个扬声器的固定发声频率即是x20000/n Hz，其中1000是n的整数倍，每个扬声器依次序被命名为1、2 … n；每一列上的n个控制条控制对应扬声器的发声音量大小，每一行的m个控制条按照时间次序依次触发对应扬声器发出声音，每行相邻两个控制条触发发声的时间间隔为0.25秒；

盒子设有开关和播放按键，播放按键与所述嵌入式控制系统相耦接，按下播放按键后盒子内的扬声器按照控制条的设置依次发出m×0.25秒的声音。

优选地，所述嵌入式控制系统，进一步为51单片机。

与现有技术相比，本发明所述直观控制基音和泛音并合成声音的学习教具系统，达到了如下效果：