雷射樂器

雷射樂器是以雷射感測器為觸發器件，通過遮擋雷射束觸發電子音源發聲的新型電子樂器。其核心結構包括雷射感測器與電子音源兩部分，分為科普類與表演類：前者用於科技館等場景的互動展示，後者採用專業音源，音質媲美傳統電子樂器。按功能可分為有調（旋律演奏）與無調（節奏控制）兩類，感測器技術包含對射式與反射式，音源則涵蓋硬體、軟體及MIDI驅動設備。演奏時通過空中攔截光束觸發音效，結合LED燈光設計增強視覺表現力。

該技術最早見於2002年文獻，基於雷射的精準定位特性實現聲光聯動。2014年成立的雷射樂隊通過科博會等活動推廣其套用，2023年成都大運會閉幕式上，世界首創的雷射德朗琴、電子弓琴等樂器完成國際首演，設計融合體育器材元素並具備自主智慧財產權。技術疊代中增加了信號處理系統，最佳化力度控制與回響特性。目前其套用場景涵蓋教育互動、舞台演出及家庭創客項目，例如通過Arduino編程實現DIY雷射鋼琴。

基本介紹

• 中文名：雷射樂器
• 外文名：Laser musical instrument
• 適用領域：樂隊、演出、科學普及
• 所屬學科：樂器、雷射技術

概述

雷射樂器屬特殊類型的電子樂器，從結構原理、音源、功能和聲音效果等多方面考量，大致分為科普類產品和表演類產品。科普類產品如科技館的各種“無弦琴”、“無皮鼓”等互動展品，主要用於普及感測器的科學知識，讓觀眾體驗到無接觸激發聲音的奇異效果，進而了解感測器的科學原理；而用於表演的產品則使用專業電子音源，其聲音的音色、音質、音域和效果等參數指標均可與專業電子樂器媲美。

雷射樂器的特點是奇異的外形設計，基本不受原有樂器形狀的限制，幾乎可以任意發揮。還有就是其獨特的演奏形式，用手掌或琴錘、鼓棒等能夠遮擋光線的物體在空中揮舞，攔截雷射感測器發出的光線觸發電子音源發出聲音，動作幅度誇張，與音樂節奏協調合一，觀賞性強，適合演奏快速、雄壯、激情的曲目，用於慶典、儀式等大型現場演出，博人眼球，令人振奮，無論是專門的雷射樂隊或是參與其它表演的雷射樂器，都給觀眾帶來耳目一新的感受。

基本原理

電子鍵盤樂器是以彈奏鍵盤的方式及操作面板上的功能按鈕賦予音源指令，使其發出需要的聲音；電子打擊樂器是以敲擊各個鼓、鑔等打擊墊的方式及操作音源機上的功能按鈕賦予音源指令，使其發出聲音；雷射樂器則是以攔截光束的方式，使雷射感測器發出電信號來賦予音源指令，使其發出聲音。

雷射樂器的基本構成主要包括雷射感測器和電子音源兩部分，雷射感測器發出的雷射束如果被手掌或鼓棒等遮擋物阻擋或攔截時，其輸出端就會產生一個電信號，觸發電子音源發出聲音。根據有調樂器的音域和無調樂器的音色數量，雷射樂器一般都會有多個雷射感測器，對應多個音符或多個打擊墊。也有的雷射樂器只用一個雷射器，採用分光技術產生多個光束以等效於多個雷射感測器。

音源的廣義理解就是聲音的來源，在電子樂器中也稱為音色庫，是電子樂器的核心部件，它能夠根據不同的觸發方式發出各種聲音。音源大致分為硬體音源和軟體音源兩大類，硬體音源是把音色庫集成在晶片上，安裝在電子樂器設備中，軟體音源則需要在電腦上運行，並且有軟體的支持。音源的質量以開發商採樣水準決定，優秀的音源可以達到以假亂真的效果。雷射樂器使用的音源分為硬音源樂器和軟音源樂器兩類。

升級的雷射樂器，在雷射感測器和電子音源之間增加了信號處理系統，將雷射感測器輸出的信號進行不同算法的處理，以實現對演奏力度、遮光方向、回響特性和燈光效果等參數的控制，很大程度提升了雷射樂器的性能。

分類

1、有調雷射樂器和無調雷射樂器

雷射樂器和傳統樂器一樣，也分為有調樂器和無調樂器兩類，有調樂器是指可以演奏出明確音高的樂器，可以自由演奏出各種和音和旋律。無調樂器是指沒有明確音高的樂器，例如常見的打擊樂器等，這些樂器演奏時並不需要注意音高，只需要關注節奏和音色。

2、使用不同音源的雷射樂器

使用硬音源的雷射樂器，一般使用成品電子樂器的音源甚至整機，例如YAMAHA的PSR系列數碼音樂工作站和Roland的TD系列電子鼓音源機等，其賦予音源指令的方式是由雷射感測器產生的電信號，直接觸發電子樂器鍵盤的琴鍵開關或電子打擊樂器的打擊墊輸入端，使電子樂器的音源發出聲音。這類雷射樂器最大的優勢是保持了原有音源音色的質量和數量，同時保留了原電子樂器操作面板上的所有功能。

使用MIDI音源的雷射樂器，是將雷射感測器的電信號轉換成相應的MIDI信號，相當於MIDI鍵盤或MIDI打擊墊，直接驅動有內置音源的MIDI設備或電腦里的軟體發出聲音。MIDI只是一個電子樂器的接口或通信規則，其音色的數量、質量和功能等完全取決於所使用MIDI設備的音源或電腦軟體水平。

3、雷射樂器使用的雷射感測器

（1）按工作方式分為對射式和反射式兩種

雷射感測器由雷射器和接收器兩部分構成。對射式雷射感測器的雷射器和接收器是分立的兩個器件，接收器放在雷射器的對向接收雷射，平時雷射器發出的雷射始終照射在接收器上，形成檢測狀態，輸出穩定的信號電平，當雷射束被遮擋，接收器收不到雷射時，輸出端的信號電平就會發生突變，觸發音源發出聲音。特點是感應距離較長，而且在這個長度上的任何一點都能觸發，用於開放的空間結構、以貫穿式敲擊方式演奏的雷射樂器，通常用來模仿弦樂器和開口結構的打擊樂器。

反射式雷射感測器的雷射器和接收器封裝在一個殼體內，雷射器的發射端和接收器的接收端同朝著一個方向，平時接收器收不到雷射器發出的光束，也形成檢測狀態，輸出穩定的信號電平，當有物體接近時，雷射感測器發出的雷射束會照射到物體上並反射到接收端，使接收器輸出端信號電平發生改變，觸發音源發出聲音。這種雷射感測器的感應距離可調，通常用於不能進行貫穿敲擊的閉合平面，用來模仿各種有調打擊樂器和無調打擊樂器。

（2）按輸出信號性質分為開關量和模擬量兩種

開關量輸出的雷射感測器，被觸發時輸出信號發生高低電平的變化，即0和1的變化，至於觸髮狀態的電平是0還是1，根據所使用音源的被觸發端電平要求確定。

模擬量輸出的雷射感測器，也稱為距離感測器或位移感測器，能夠感應遮擋物體與感測器之間距離，並根據距離的遠近輸出連續變化的模擬電信號。這類感測器是反射式的，通常用於雷射樂器的音調連續變化或力度控制功能。

（3）按雷射波長和功率分類

雷射感測器中的雷射器有多種波長，含蓋從各種顏色的可見光到不可見的紅外波段。用於雷射樂器的感測器，大部分是可見光波長的，其中又通常採用紅色光束的，特點是能夠看到光點，便於安裝和調試，另外在人造煙霧環境能看到光線的效果，在舞台演出中營造氣氛。

雷射樂器使用的雷射器通常採用半導體雷射器，功率在毫瓦級，符合人眼安全標準，有足夠的感應距離。採用大功率雷射器的樂器，一般是把雷射器和接收器作為兩個單元分開使用的，並不是封裝在一起的一個器件。這種大功率的可見雷射能被空氣中的塵埃反射，發出光線的效果，觀眾能夠看到“演奏雷射”的過程。

（4）按發光方向分為橫向發光和縱向發光兩種

發光方向並不是感測器自身的特性，而是根據樂器的具體形狀設定的，水平方向發光的稱為橫向發光，豎直方向發光的稱為縱向發光。從樂器演奏的方便程度考慮，反射式感測器以縱向發光為主，演奏時通常用手掌自上而下迎著發光方向“拍打”光線來觸發；對射式感測器以橫向發光為主，演奏時用手或鼓棒等遮擋物在垂直於光線的方向“斬切”光線來觸發。

模擬量輸出的感測器只能沿平行於光線方向遮擋光線，移動遮擋物體改變距離時會產生幅度連續變化的電信號，區別於開關量感測器的切光。

技術特點

雷射樂器是雷射感測器與電子音源相融合的技術產物，其中套用了一些特殊的技術和方法來完善功能及提升性能，主要有以下幾種。

1、力度控制

傳統樂器和電子樂器幾乎都可以由演奏員來控制力度，使音量從弱到強有連續的變化，在控制音量的同時也控制了各種樂器的音色，無論是獨奏還是合奏都尤為重要。雷射樂器最大的缺陷就是力度控制問題，開關式雷射感測器的輸出信號是0和1的變化，即只有“有”和“無”兩個狀態，無法感應演奏力度信息；位移感測器雖然能夠感知距離，但也需要在感測器和音源之間增加處理環節，按照一定的規則把距離信息轉換成力度信息。幾種力度控制方法如下：

（1）平行雙感測器力度控制方法

使用兩個雷射感測器組合為一個觸發器件，橫向放置，水平方向發出兩條具有一定間距的平行光線，演奏時順次遮擋兩條光線，兩個感測器輸出的信號產生一個時間差，包含了力度信息。力度越大，速度越快，時間差越小，通過信號處理系統，把時間差轉換成幅值變化的信號電壓，再去觸發音源，得到隨演奏力度變化的音量。

這種方法用遮擋兩束雷射的時間差作為力度信息，不僅能控制力度，還可以設定演奏方向，在處理程式中加一個判別，令先收到第一個感測器的信號為有效，反向無效，則只有向下敲擊時會發出聲音，返回時即使遮光也不發聲，遵從了傳統樂器的習慣，當然也可以設定雙向都發聲。這種方法適用於貫穿敲擊的音階樂器和打擊樂器，根據樂器形狀設定兩條光線的方向，反射式感測器和對射式感測器均適用。

（2）垂直雙感測器力度控制方法

反射式雷射感測器有個重要的特性就是感應距離可調，而且具有一定精度。使用兩個反射式感測器豎直放置，向上發出兩條光線，把它們的感應距離調整為具有一定的差值，用手掌或遮擋物拍打演奏時，會先觸發感應距離長的，再觸發感應距離短的，其間的距離差產生一個時間差，這個時間差的大小直接表示了演奏力度的大小，通過後面的信號處理電路，轉換成幅度變化的觸發信號，觸發音源發出大小不同的聲音。主要用於“拍打”方式演奏的平面結構樂器。

（3）單感測器力度控制方法

單個感測器不能直接產生具有時間差的兩個信號，獲取力度信息的方法是採用具有一定投影面積的遮擋物體，如直徑大一些的鼓棒等，處理方法是從遮擋光線、感測器有輸出信號時開始計時，信號停止時結束計時，得到鼓棒從遮擋光開始到結束的時間，這個時間的長短表達了演奏力度信息，演奏力度越大時間越短，通過處理系統轉換成幅度隨時間變化的信號，即可控制音量。

這種方法每個音色只用一個感測器，結構簡單，適用範圍與平行雙感測器力度控制方法基本相同，還有一個特點是能夠進行雙向觸發，增加演奏速度。

（4）位移感測器力度控制方法

雷射位移感測器的輸出信號是幅度隨觸發距離變化的，使用位移感測器作為觸發器件，利用觸發深度的不同能夠輕易獲取力度大小的信號，只需將輸出的模擬信號轉換成不同特性的控制信號，即能控制音源發出不同強度的聲音。

雷射位移感測器通常都是反射式感測器，適合於縱向安裝、沿光線方向觸發的有調樂器和打擊樂器。優點是動態範圍大並且可調，力度在一個長音符內可連續、任意變化或周期性重複，類似於“揉弦”效果，是力度控制的最佳方案，缺點是成本較高，不適合用於音域較寬的有調樂器、音色較多的打擊樂器和橫向觸發光線方式的樂器。

（5）力度控制模式及特性

傳統樂器的演奏力度是由演奏者控制物理振動的幅度，在控制音量大小的同時還控制音色。高檔一些的電子樂器內置了多種力度控制模式可供選擇，例如線性模式、溫柔模式、強烈模式、固定模式等，以符合不同人員的演奏習慣和適應不同演奏場合的需要。升級的雷射樂器也同樣具備力度模式選擇和特性調節功能，其內含單片機的信號處理系統，能夠以感測器輸出的力度信息為變數，參照電子樂器不同力度控制模式的特性曲線，通過不同算法進行轉換，實現多種力度控制模式，使雷射樂器有更廣泛的適應性。

上述各種力度控制方法，在使用MIDI音源的雷射樂器中，還需轉換成NIDI格式的力度信號，即0-127之間的力度數值，使MIDI音源能夠識別。

2、多音符觸發

眾所周知，傳統樂器有很多是複音樂器，能同時發出多個音符，以構成樂曲中的和弦，單音樂器無法演奏出複音，所以傳統樂隊中通常有兩個或更多的相同樂器，演奏不同的音符來完成和弦。雷射樂器通常是一個感測器觸發一個音符或一個打擊墊，又不太可能用多個樂器的相同音色構成和弦，限制了音樂的效果，因此雷射樂器中產生了用一個感測器觸發多個音符的技術。

多音符觸發的基本原理是在雷射感測器和音源之間插入一個開關矩陣，由n×m個實體開關或數字模擬開關組成，開關矩陣的n個輸入端連線各個雷射感測器，m個輸出端連線音源的各個輸入端，通過這些開關的開啟與閉合，能使任意一個雷射感測器連線音源的任意多個輸入端，當觸發一個雷射感測器時，能夠同時觸發有調樂器的多個音符或打擊樂器的多個打擊墊同時發出聲音，理論上可以構成音域內任意多個音符、任意關係的和弦，一個打擊墊可以發出鼓組內任意多個打擊墊的聲音，這方面的能力是傳統樂器所不具備的。

不足之處是和弦音中多個音符的強度分配需要預設，非常麻煩，而且一旦固定也很難在演奏過程中實時調節和變化。

3、其它光學技術

雷射樂器的觸發媒介是雷射束，是接近理想的光線，符合幾何光學的基本定律，可以根據需要進行分光、折反射等處理，套用在一些特殊需求的場合。

（1）改變光束的方向

雷射樂器外形各異，沒有統一標準，雷射感測器也有各種形狀和體積，因此有些時候需要改變雷射感測器發出的光束，使其能夠更好地適合樂器的形狀以及切光的方向。例如在形狀結構的末梢等不能安裝感測器的狹小空間，就需要用平面鏡把光線折射出去，折射的角度也可在很大範圍內選擇。因為光路是可逆的，所以對於反射式感測器，被反射的光線仍然會回到感測器的接收端。對射式感測器在對向接收，只需將光線發射出去即可，體積可以做的更小。模擬量感測器在計算光程時需扣除這部分長度。

（2）分光束技術的套用

大功率雷射器的體積、成本和能耗都較高，不可能每個音階或音色都用一個雷射器，因此使用大功率雷射器的樂器大都只採用一個雷射器，通過分光的方法獲取多條光線，並將這些光線的信息與音源的音階一一對應起來，產生音符。

這種雷射樂器通常採用反射式工作模式，過程是通過二維振鏡掃描系統，把雷射器發出的光束分成多條有固定位置的光線，遮擋這些光線時，反射的光線被接收器接收，信號處理系統能夠判別出所遮擋的光線的位置及所代表的音樂信息，送到音源相應的連線埠，發出聲音。

4、發光功能

除了演出時需要舞檯燈光的配合外，一些雷射樂器設計了自身發光功能，烘托演出氣氛，體現雷射樂器的科技含量。各種形狀的雷射樂器，都可設計出各種發光效果，有局部發光或整體發光、內部發光和向外輻射光等多種形式。

一個雷射樂器通常由若干發音單元組成，例如模擬弦樂器的每根弦、有調打擊樂器的每個音筒、無調打擊樂器的每個打擊墊等，同時也是都發光單元，在發音的同時可以單獨發光，能夠看出是哪個單元在發聲，甚至知道是什麼音符，生動有趣，但是彈錯音的話會被行家發現，不易矇混過關。

一件雷射樂器整體發出的光稱可為這個樂器的背景光，每個發聲單元發出的光可稱為音符光，音符光疊加在背景光之上，音符光和背景光的顏色分別可調。光源由三基色LED構成，理論上可以組合出1600多萬種顏色，各樂器的燈光可以統一控制，預設或實時操作變化燈光顏色。也可以由DJ在調光台統一控制，按照事先編好的程式，隨著樂曲的節奏和進度實時改變各個樂器的發光顏色，提升雷射樂器的觀賞性。

5、雷射樂器的組合

單件雷射樂器即可用於表演，但更多情況下都是與其他樂器組合表演或多件雷射樂器組成雷射樂隊。雷射樂器大致分為旋律樂器和打擊樂器兩類，發出聲音的樂器種類取決於在音源上的選擇和變化。雷射樂器的風格和特點是粗狂豪放，適合演奏節奏強、音量大、速度快的曲目，不需要更多的細節。雷射樂器的初衷並不是用來欣賞音樂的，大部分場合更像是用來“助興”的。雷射樂器有各種怪異的形狀，因體型較大而限制了數量，不宜也不需要有更多的件數。一般有兩件或以上的旋律樂器、一個低音樂器、一兩件打擊樂器就構成了雷射樂隊的基本配置，當然如果場地和條件允許的話還是多多益善。

用電子琴作音源的雷射樂器，能同時發出兩到三種樂器的聲音，而且能夠實時調用存儲的預設，改變樂器的音色。所以少量的樂器輔以合理的編曲和配器，加上無限制的擴音設備，完全能滿足大部分套用場景。

演奏方法

總體來說，雷射樂器的演奏方式就是用手掌、手指或其它遮擋物（如鼓棒、琴槌等）去攔截雷射感測器發出的光束，使雷射樂器發出聲音，特點是無接觸物、動作幅度大、表演性強。演奏方法及練習方法與傳統樂器的打擊樂器基本相似，但是從上述雷射感測器的細分類看，不同類型的雷射樂器演奏方法也有區別。

橫向發光的音階樂器，一般採用徒手切光方式，手掌向內彎曲並稍傾斜一定角度，手指併攏以防止漏光，用小臂帶動手腕，使手掌和手指同時伸縮擊打光線。

橫向發光的開口式打擊樂器通常使用鼓棒貫穿敲擊，有方向性的樂器符合傳統打擊樂器的演奏方法，無方向性的樂器上下敲擊都能觸發，需要適應和利用，可以提高演奏速度。用兩個鼓棒敲擊一條光線時，兩個鼓棒的交叉點要避開光線，以免感測器誤認為是一次觸發，這一點區別於傳統架子鼓和電子鼓，也需要練習和適應。

縱向發光、使用反射式感測器的樂器，通常用手掌迎向感測器發光方向拍打，手心向下以獲得最大遮擋面積，手指併攏並傾斜一定角度防止漏光。也可以在感應距離內用手指橫向切光，相當於“彈撥”樂器，任意方向的往復運動都能觸發，能夠演奏速度較快的單音音符。

揮掃演奏法是雷射樂器一個特點，無論是橫向還是縱向發光的，因為沒有任何障礙物，所以只要在感應區域內一揮手，就能瞬間完成全音階或半音階的爬音，音域視樂器不同能達到兩至三個八度，速度超過大部分傳統樂器。

需要注意的問題：有力度控制功能的樂器需要通過練習來適應感應距離；戴白手套能增加反射式感測器的感應距離，提高靈敏度；演奏雙手交疊和音程較大的跨越音符時，即使通過訓練也達不到很快的速度，編曲和配器要格外注意。