概述：

激光乐器（Laser musical instruments）是以激光传感器作为触发器件，用遮挡或拦截其激光束的方式，使激光传感器产生电信号，触发电子音源发出乐音的新型电子乐器。

激光乐器属特殊类型的电子乐器，从结构原理、音源、功能和声音效果等多方面考量，大致分为科普类产品和表演类产品。科普类产品如科技馆的各种“无弦琴”、“无皮鼓”等互动展品，主要用于普及传感器的科学知识，让观众体验到无接触激发声音的奇异效果，进而了解传感器的科学原理；而用于表演的产品则使用专业电子音源，其声音的音色、音质、音域和效果等参数指标均可与专业电子乐器媲美。

激光乐器的特点是奇异的外形设计，基本不受原有乐器形状的限制，几乎可以任意发挥。还有就是其独特的演奏形式，用手掌或琴锤、鼓棒等能够遮挡光线的物体在空中挥舞，拦截激光传感器发出的光线触发电子音源发出声音，动作幅度夸张，与音乐节奏协调合一，观赏性强，适合演奏快速、雄壮、激情的曲目，用于庆典、仪式等大型现场演出，博人眼球，令人振奋，无论是专门的激光乐队或是参与其它表演的激光乐器，都给观众带来耳目一新的感受。

 

基本原理：

电子键盘乐器是以弹奏键盘的方式及操作面板上的功能按钮赋予音源指令，使其发出需要的声音；电子打击乐器是以敲击各个鼓、镲等打击垫的方式及操作音源机上的功能按钮赋予音源指令，使其发出声音；激光乐器则是以拦截光束的方式，使激光传感器发出电信号来赋予音源指令，使其发出声音。

图1为激光乐器原理框图，基本构成主要包括激光传感器和电子音源两部分，激光传感器发出的激光束如果被手掌或鼓棒等遮挡物阻挡或拦截时，其输出端就会产生一个电信号，触发电子音源发出声音。根据有调乐器的音域和无调乐器的音色数量，激光乐器一般都会有多个激光传感器，对应多个音符或多个打击垫。也有的激光乐器只用一个激光器，采用分光技术产生多个光束以等效于多个激光传感器（参见图11）。

图1 激光乐器基本原理框图

音源的广义理解就是声音的来源，在电子乐器中也称为音色库，是电子乐器的核心部件，它能够根据不同的触发方式发出各种声音。音源大致分为硬件音源和软件音源两大类，硬件音源是把音色库集成在芯片上，安装在电子乐器设备中，软件音源则需要在电脑上运行，并且有软件的支持。音源的质量以开发商采样水准决定，优秀的音源可以达到以假乱真的效果。激光乐器使用的音源分为硬音源乐器和软音源乐器两类。

扩音设备并不属于激光乐器本身的组成部分，和其他电子乐器一样，电子音源发出声音的功率很小，有的甚至只有音频信号输出，需要通过扩音设备使声音放大。为了表达激光乐器发声原理的完整性，把扩音设备列入原理框图。

图2 升级的激光乐器原理框图

升级的激光乐器原理框图参见图2，在激光传感器和电子音源之间增加了信号处理系统，将激光传感器输出的信号进行不同算法的处理，以实现对演奏力度、遮光方向、响应特性和灯光效果等参数的控制，很大程度提升了激光乐器的性能。

 

分类：

1、有调激光乐器和无调激光乐器

激光乐器和传统乐器一样，也分为有调乐器和无调乐器两类，有调乐器是指可以演奏出明确音高的乐器，可以自由演奏出各种和音和旋律。无调乐器是指没有明确音高的乐器，例如常见的打击乐器等，这些乐器演奏时并不需要注意音高，只需要关注节奏和音色。

2、使用不同音源的激光乐器

使用硬音源的激光乐器，一般使用成品电子乐器的音源甚至整机，例如YAMAHA的PSR系列数码音乐工作站和Roland的TD系列电子鼓音源机等，其赋予音源指令的方式是由激光传感器产生的电信号，直接触发电子乐器键盘的琴键开关或电子打击乐器的打击垫输入端，使电子乐器的音源发出声音。这类激光乐器最大的优势是保持了原有音源音色的质量和数量，同时保留了原电子乐器操作面板上的所有功能。

使用MIDI音源的激光乐器，是将激光传感器的电信号转换成相应的MIDI信号，相当于MIDI键盘或MIDI打击垫，直接驱动有内置音源的MIDI设备或电脑里的软件发出声音。MIDI只是一个电子乐器的接口或通信规则，其音色的数量、质量和功能等完全取决于所使用MIDI设备的音源或电脑软件水平。

3、激光乐器使用的激光传感器

（1）按工作方式分为对射式和反射式两种

激光传感器由激光器和接收器两部分构成。对射式激光传感器的激光器和接收器是分立的两个器件，参见图3，接收器放在激光器的对向接收激光，平时激光器发出的激光始终照射在接收器上，形成检测状态，输出稳定的信号电平，当激光束被遮挡，接收器收不到激光时，输出端的信号电平就会发生突变，触发音源发出声音。特点是感应距离较长，而且在这个长度上的任何一点都能触发，用于开放的空间结构、以贯穿式敲击方式演奏的激光乐器，通常用来模仿弦乐器和开口结构的打击乐器。

图3 对射式激光传感器原理

反射式激光传感器的激光器和接收器封装在一个壳体内，参见图4，激光器的发射端和接收器的接收端同朝着一个方向，平时接收器收不到激光器发出的光束，也形成检测状态，输出稳定的信号电平，当有物体接近时，激光传感器发出的激光束会照射到物体上并反射到接收端，使接收器输出端信号电平发生改变，触发音源发出声音。这种激光传感器的感应距离可调，通常用于不能进行贯穿敲击的闭合平面，用来模仿各种有调打击乐器和无调打击乐器。

图4 反射式激光传感器原理

（2）按输出信号性质分为开关量和模拟量两种

开关量输出的激光传感器，被触发时输出信号发生高低电平的变化，即0和1的变化，至于触发状态的电平是0还是1，根据所使用音源的被触发端电平要求确定。

模拟量输出的激光传感器，也称为距离传感器或位移传感器，能够感应遮挡物体与传感器之间距离，并根据距离的远近输出连续变化的模拟电信号。这类传感器是反射式的，通常用于激光乐器的音调连续变化或力度控制功能。

（3）按激光波长和功率分类

激光传感器中的激光器有多种波长，含盖从各种颜色的可见光到不可见的红外波段。用于激光乐器的激光传感器，大部分是可见光波长的，其中又通常采用红色光束的，特点是能够看到光点，便于安装和调试，另外在人造烟雾环境能看到光线的效果，在舞台演出中营造气氛。

激光乐器使用的激光器通常采用半导体激光器，功率在毫瓦级，符合人眼安全标准，有足够的感应距离。采用大功率激光器的乐器，一般是把激光器和接收器作为两个单元分开使用的，并不是封装在一起的一个器件。这种大功率的可见激光能被空气中的尘埃反射，发出光线的效果，观众能够看到“演奏激光”的过程。

（4）按发光方向分为横向发光和纵向发光两种

发光方向并不是传感器自身的特性，而是根据激光乐器的具体形状设置的，水平方向发光的称为横向发光，竖直方向发光的称为纵向发光。从乐器演奏的方便程度考虑，反射式传感器以纵向发光为主，演奏时通常用手掌自上而下迎着发光方向“拍打”光线来触发；对射式传感器以横向发光为主，演奏时用手或鼓棒等遮挡物在垂直于光线的方向“斩切”光线来触发。

模拟量输出的传感器只能沿平行于光线方向遮挡光线，移动遮挡物体改变距离产生幅度连续变化的电信号，区别于开关量传感器的切光。

 

技术特点

激光乐器是激光传感器与电子音源相融合的技术产物，其中应用了一些特殊的技术和方法来完善功能及提升性能，主要有以下几种。

1、力度控制技术

传统乐器和电子乐器几乎都可以由演奏员来控制力度，使音量从弱到强有连续的变化，在控制音量的同时也能控制各种乐器的音色，无论是独奏还是合奏都尤为重要。激光乐器最大的缺陷就是力度控制问题，开关式激光传感器的输出信号是0和1的变化，即只有“有”和“无”两个状态，无法感应演奏力度信息；位移传感器也需要在传感器和音源之间增加信号处理环节，按照一定的规则把距离信息转换成力度信息。几种力度控制方法如下：

（1）平行双传感器力度控制方法

原理参见图5，使用两个激光传感器组合为一个触发器件，横向放置，水平方向发出两条具有一定间距的平行光线，演奏时顺次遮挡两条光线，两个传感器输出的信号产生一个时间差，包含了力度信息。力度越大，速度越快，时间差越小，通过信号处理系统，把时间差转换成幅值变化的信号电压，再去触发音源，得到随演奏力度变化的音量。

图5 平行双传感器力度控制原理

这种方法用遮挡两束激光的时间差作为力度信息，不仅能控制力度，还可以设置演奏方向，在处理程序中加一个判别，令先收到第一个传感器的信号为有效，反向无效，则只有向下敲击时会发出声音，返回时即使遮光也不发声，遵从了传统乐器的演奏习惯，当然也可以设置双向都发声。这种方法适用于贯穿敲击的音阶乐器和打击乐器，根据乐器形状设定两条光线的方向，反射式传感器和对射式传感器均适用。   

（2）垂直双传感器力度控制方法

原理参见图6。反射式激光传感器有个重要的特性就是感应距离可调，而且具有一定精度。使用两个反射式传感器组合为一个触发器件，竖直放置，向上发出两条光线，把它们的感应距离调整为具有一定的差值L，用手掌或遮挡物拍打演奏时，会先触发感应距离长的，再触发感应距离短的，其间的距离差产生一个时间差，这个时间差的大小直接表示了演奏力度的大小，通过后面的信号处理电路，转换成幅度变化的触发信号，触发音源发出大小不同的声音。主要用于“拍打”方式演奏的平面结构乐器。

图6 垂直双传感器力度控制原理

（3）单传感器力度控制方法

原理参见图7。单个传感器不能直接产生具有时间差的两个信号，获取力度信息的方法是采用具有一定投影面积的遮挡物体，如直径L大一些的鼓棒等，处理方法是从遮挡光线、传感器有输出信号时开始计时，信号停止时结束计时，得到鼓棒从遮挡光开始到结束的时间，这个时间的长短表达了演奏力度信息，演奏力度越大时间越短，通过处理系统转换成幅度随时间变化的信号，即可控制音量。

图7 单传感器力度控制原理

这种方法每个音阶或音色只用一个传感器，结构简单，适用范围与平行双传感器力度控制方法基本相同，还有一个特点是能够进行双向触发，增加演奏速度。

（4）位移传感器力度控制方法

激光位移传感器的输出信号是幅度随触发距离变化的，使用位移传感器作为触发器件，纵向安装，利用触发深度L的不同能够轻易获取力度大小的信号，只需将输出的模拟信号转换成不同特性的控制信号，即能控制音源发出不同强度的声音。

 

图8 位移激光传感器力度控制原理

激光位移传感器通常都是反射式传感器，适合于纵向安装、沿光线方向触发的有调乐器和打击乐器。优点是动态范围大并且可调，力度在一个长音符内可连续、任意变化或周期性重复，类似于“揉弦”效果，是力度控制的最佳方案，缺点是成本较高，不适合用于音域较宽的有调乐器、音色较多的打击乐器和横向触发光线方式的乐器。

（5）力度控制模式及特性

传统乐器的力度控制原理是由演奏者控制物理振动的幅度，在控制音量大小的同时还控制音色。高档一些的电子乐器内置了多种力度控制模式可供选择，例如线性模式、温柔模式、强烈模式、固定模式等，以符合不同人员的演奏习惯和适应不同演奏场合的需要。升级的激光乐器也具备力度模式选择和特性调节功能，其内含单片机的信号处理系统，能够以传感器输出的力度信息为变量，参照电子乐器不同力度控制模式的特性曲线，通过不同算法进行转换，实现多种力度控制模式，使激光乐器有更广泛的适应性。

 

上述各种力度控制方法，在使用MIDI音源的激光乐器中，还需转换成NIDI格式的力度信号，即0-127之间的力度数值，使MIDI音源能够识别。

 

2、多音符触发技术

众所周知，传统乐器有很多是复音乐器，能同时发出多个音符，以构成乐曲中的和弦。单音乐器无法演奏出复音，所以传统乐队中通常有两个或更多的相同乐器，演奏不同的音符来构成和弦。激光乐器通常是一个传感器触发一个音符或一个打击垫，又不太可能用多个乐器的相同音色构成和弦，限制了音乐的效果，因此激光乐器中产生了用一个传感器触发多个音符的技术。

原理框图参见图9（a），开关矩阵原理参见图9（b）。 

图9 多音符触发基本原理

基本原理是在激光传感器和音源之间插入一个开关矩阵，由n×m个实体开关或数字模拟开关组成，开关矩阵的n个输入端连接各个激光传感器，m个输出端连接音源的各个输入端，通过这些开关的开启与闭合，能使任意一个激光传感器连接音源的任意多个输入端，当触发一个激光传感器时，能够同时触发有调乐器的多个音符或打击乐器的多个打击垫同时发出声音，理论上可以构成音域内任意多个音符、任意关系的和弦，一个打击垫可以发出鼓组内任意多个打击垫的声音，这方面的能力是传统乐器所不具备的。

不足之处是和弦音中多个音符的强度分配需要预设，比较麻烦，而且一旦固定也不易在演奏过程中实时调节和变化。    

 

3、其它光学技术

激光乐器的触发媒介是激光束，演奏方法就是“拨弄”这些光线。激光束是接近理想的光线，符合几何光学的基本定律，可以根据需要进行分光、折反射等处理，应用在一些特殊需求的场合。

（1）改变光束的方向

激光乐器外形各异，没有统一标准，激光传感器也有各种形状和体积，因此有些时候需要改变激光传感器发出的光束，使其能够更好地适合乐器的形状以及切光的方向。例如图10的两种情况下，就需要用平面镜把光线折射出去，折射的角度也可在很大范围内选择。因为光路是可逆的，所以对于反射式传感器，被反射的光线仍然会回到传感器的接收端。对射式传感器在对向接收，只需将光线发射出去即可，体积可以做的更小。模拟量传感器在计算光程时需扣除这部分长度。

图10 用平面镜改变传感器的光束方向

（2）分光束技术的应用

大功率激光器的体积、成本和能耗都较高，不可能每个音阶或音色都用一个激光器，因此使用大功率激光器的乐器大都只采用一个激光器，通过分光的方法获取多条光线，并将这些光线的信息与音源的音阶一一对应起来，产生音符。原理参见图11。

图11 分光束的激光乐器原理

这种激光乐器通常采用反射式工作模式，过程是通过振镜扫描系统，把激光器发出的光束分成多条有固定位置的光线，遮挡这些光线时，反射的光线被接收器接收，信号处理系统能够判别出所遮挡的光线的位置及所代表的音乐信息，送到音源相应的端口，发出声音。

4、发光功能

除了演出时需要舞台灯光的配合外，一些激光乐器设计了自身发光功能，烘托演出气氛，体现激光乐器的科技含量。各种形状的激光乐器，都可设计出各种发光效果，有局部发光或整体发光、内部发光和向外辐射光等多种形式。

一个激光乐器通常由若干发音单元组成，例如模拟弦乐器的每根弦、有调打击乐器的每个音筒、无调打击乐器的每个打击垫等，同时也是都发光单元，在发音的同时可以单独发光，能够看出是哪个单元在发声，甚至知道是什么音符，生动有趣，但是弹错音的话会被行家发现，不易蒙混过关。

一件激光乐器整体发出的光称可为这个乐器的背景光，每个发声单元发出的光可称为音符光，音符光叠加在背景光之上，音符光和背景光的颜色分别可调。光源由三基色LED构成，理论上可以组合出1600多万种颜色，各乐器的灯光可以统一控制，预设或实时操作变化灯光颜色。也可以由DJ在调光台统一控制，按照事先编好的程序，随着乐曲的节奏和进度实时改变各个乐器的发光颜色，提升激光乐器的观赏性。

5、激光乐器的组合

单件激光乐器即可用于表演，但更多情况下都是与其他乐器组合表演或多件激光乐器组成激光乐队。激光乐器大致分为旋律乐器和打击乐器两类，发出声音的乐器种类取决于在音源上的选择和变化。激光乐器的风格和特点是粗狂豪放，适合演奏节奏强、音量大、速度快的曲目，不需要更多的细节。激光乐器的初衷并不是用来欣赏音乐的，大部分场合更像是用来“助兴”的。激光乐器有各种怪异的形状，因体型较大而限制了数量，不宜也不需要有更多的件数。一般有两件或以上的旋律乐器、一个低音乐器、一两件打击乐器就构成了激光乐队的基本配置，当然如果场地和条件允许的话还是多多益善。

用电子琴作音源的激光乐器，能同时发出两到三种乐器的声音，而且能够实时调用存储的预设，改变乐器的音色。所以少量的乐器辅以合理的编曲和配器，加上无限制的扩音设备，完全能满足大部分应用场景。

 

演奏方法

总体来说，激光乐器的演奏方式就是用手掌、手指或其它遮挡物（如鼓棒、琴槌等）去拦截激光传感器发出的光束，使激光乐器发出声音，特点是无接触物、动作幅度大、表演性强。演奏方法及练习方法与传统乐器的打击乐器基本相似，但是从上述激光传感器的细分类看，不同类型的激光乐器演奏方法也有区别。

横向发光的音阶乐器，一般采用徒手切光方式，手掌向内弯曲并稍倾斜一定角度，手指并拢以防止漏光，用小臂带动手腕，使手掌和手指同时伸缩击打光线。 

横向发光的开口式打击乐器通常使用鼓棒贯穿敲击，有方向性的乐器符合传统打击乐器的演奏方法，无方向性的乐器上下敲击都能触发，需要适应和利用，可以提高演奏速度。用两个鼓棒敲击一条光线时，两个鼓棒的交叉点要避开光线，以免传感器误认为是一次触发，这一点区别于传统架子鼓和电子鼓，也需要练习和适应。

纵向发光、使用反射式传感器的乐器，通常用手掌迎向传感器发光方向拍打，手心向下以获得最大遮挡面积，手指并拢并倾斜一定角度防止漏光。也可以在感应距离内用手指横向切光，相当于“弹拨”乐器，任意方向的往复运动都能触发，能够演奏速度较快的单音音符。

挥扫演奏法是激光乐器一个特点，无论是横向还是纵向发光的，因为没有任何障碍物，所以只要在感应区域内一挥手，就能瞬间完成全音阶或半音阶的爬音，音域视乐器不同能达到两至三个八度，速度超过大部分传统乐器。

需要注意的问题：有力度控制功能的乐器需要通过练习来适应感应距离；戴白手套能增加反射式传感器的感应距离，提高灵敏度；演奏双手交叠和音程较大的跨越音符时，即使通过训练也达不到很快的速度，编曲和配器要格外注意。