專利名稱：一種音樂路面及音樂產(chǎn)生方法
技術領域：
本發(fā)明涉及交通工程技術與聲學領域，尤其涉及一種通過在道路表面構造周期性起伏結構，使車輛在行駛過程中通過輪胎與路面起伏結構間的周期性接觸產(chǎn)生具有周期性的聲音，并最終產(chǎn)生音樂的方法。
背景技術：
車輛輪胎與路面接觸時會發(fā)出聲音，傳統(tǒng)的觀點將這種聲音視為噪聲，一般稱為輪胎噪音。輪胎噪音一般被認為對駕駛員及乘客有負面影響，會造成注意力分散、疲勞、煩躁等不良反應。而當前的一種觀點認為，可以通過改變路面的物理結構使輪胎噪音成為一種具有周期性的聲音，使駕乘人員感知到音高，從而產(chǎn)生音樂，消除輪胎噪音給駕乘人員帶來的不良影響。目前存在一種利用刻槽機在道路表面的不同區(qū)段內(nèi)刻槽從而產(chǎn)生音樂的方法(申請?zhí)?01110007756.5)。在這種方法中，區(qū)段內(nèi)的凹槽間距和寬度決定了其與輪胎接觸產(chǎn)生的聲音的音高，區(qū)段的長度決定了聲音的持續(xù)時間，且每一區(qū)段內(nèi)凹槽的間距、深度、覽度相問。音樂中的聲音作為人的一種感知對象，具有以下四種屬性:基頻(其對應的心理量稱為音高)、音長、音強和音色，這四種屬性在音樂演奏過程中隨時間變化，使聽者產(chǎn)生悅耳的美感。現(xiàn)存的在道路路面產(chǎn)生音樂的方法只考慮了基頻和音長兩種屬性，不足以刻畫具有實際欣賞價值的音樂。另外，現(xiàn)存方法沒有考慮聲音屬性隨時間變化的特性，具體來說，其每個刻槽的區(qū)段內(nèi)部，凹槽的物理屬性是相同，所以其產(chǎn)生的音符內(nèi)部的聲音屬性也是固定不變的，因此無法刻畫聲音隨時間的變化特性。并且，音樂中同時演奏的音符經(jīng)常不只一個，該現(xiàn)象一般稱為復音(Polyphonic)，而現(xiàn)有技術并沒有針對同時發(fā)出多個不同音符的情況給出解決方法。此外，在道路表面刻槽的施工方式會對道路表面造成不可逆的破壞，一旦施工完成，很難拆除其凹槽，另外，其對應的樂譜也固定了下來，很難對其修改或更新。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提出一種新的在車輛行駛過程中，通過輪胎與道路表面接觸的方式產(chǎn)生音樂聲的方法。本方法可以控制所產(chǎn)生聲音的基頻、音長、音強和音色，并且可以隨時間調(diào)節(jié)上述四種屬性，實現(xiàn)對聲音變化的細致刻畫。本方法可以同時產(chǎn)生多個具有不同屬性的聲音，通過多個聲音的組合產(chǎn)生同時演奏多個音符的音樂。另外，本方法具有易施工、易拆除和易修改的特點。本發(fā)明的技術方案為:一種音樂路面，其特征在于包括一路面層，所述路面層表面設有一個或多個起伏序列；其中，每一所述起伏序列包括多個周期性排列的起伏結構；每一所述起伏結構及其在路面的位置根據(jù)設定車速和待鋪設音樂路面所對應音樂的基頻曲線確定。
進一步的，所述路面層上設有一防滑耐壓材料層，在所述防滑耐壓材料層表面上設置所述起伏序列。
進一步的，多個所述起伏序列在所述防滑耐壓材料層表面沿行駛方向并列排布。
進一步的，根據(jù)設定車速和所述起伏序列對應的樂音或復音序列的總時長確定所述起伏序列的長度；根據(jù)設定車速和所述起伏序列對應的樂音或復音的基頻確定所述起伏序列中所述起伏結構的數(shù)目和長度；根據(jù)所述起伏序列對應的樂音或復音的音強確定所述起伏結構的高度；所述起伏序列對應的樂音或復音的音色確定所述起伏結構的形狀。
進一步的，采用有限元和邊界元的方法，或者采用聲學和迭代逼近的方法確定所述起伏結構的形狀。
進一步的，所述起伏結構為沿行駛方向周期性排列的突起物。
進一步的，所述防滑耐壓材料層為熱熔型材料層。
進一步的，通過熱熔型振動標線的方法在所述路面層上制備所述起伏序列。
一種音樂產(chǎn)生方法，車輛行駛于上述音樂路面，車輛輪胎與所述起伏序列的起伏結構接觸，產(chǎn)生所接觸起伏序列對應的基頻的聲音。
本發(fā)明的技術要點包括:
(I)通過輪胎與道路表面接觸的方式產(chǎn)生聲音，可以控制所產(chǎn)生聲音的基頻、音長、音強和音色，可以隨時間調(diào)節(jié)上述四種屬性，可以產(chǎn)生同時演奏多個音符的音樂。
(2)通過在道路表面構造具有周期性的起伏結構，如構造以周期性出現(xiàn)的突起物，使車輛在道路表面行駛時產(chǎn)生具有周期性的聲音，該聲音的瞬時基頻由車速和周期性起伏結構單個周期的長度共同決定。需要注意的是，只要是呈周期性起伏的物理結構都屬于本發(fā)明的保護范圍，并不限于附圖中簡單的突起結構。
(3)通過改變周期性起伏結構的長度改變產(chǎn)生聲音的音長。
(4)通過改變周期性起伏結構的高度改變產(chǎn)生聲音的音強。
(5)通過改變周期性起伏結構的形狀改變產(chǎn)生聲音的音色。
(6)通過上述周期性起伏結構的物理屬性，如長度、高度、形狀的連續(xù)變化，使產(chǎn)生的聲音屬性隨時間連續(xù)變化。
(7)通過在道路表面構造具有不同物理屬性的起伏結構序列，使車輛在行駛過程中，車輪可以同時接觸到不同物理屬性的起伏結構，從而實現(xiàn)多個不同聲學屬性的聲音的同時發(fā)聲。
(8)在道路表面鋪設一層防滑且具有足夠耐壓性的材料，通過改變上述材料的物理屬性制造周期性的起伏，達到構造周期性起伏結構的目的。該鋪設方法和材料可以選擇但不限于鋪設熱熔型振動標線的方法和材料。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的積極效果為:
本方法可以控制所產(chǎn)生聲音的基頻、音長、音強和音色，并且可以隨時間調(diào)節(jié)上述四種屬性，實現(xiàn)對聲音變化的細致刻畫。本方法可以同時產(chǎn)生多個具有不同屬性的聲音，通過多個聲音的組合產(chǎn)生同時演奏多個音符的音樂。另外，本方法具有易施工、易拆除和易修改的特點。本發(fā)明可以在車輛行駛過程中，通過輪胎與道路表面的接觸產(chǎn)生豐富多變的音樂，減少甚至消除輪胎噪音給駕乘人員帶來的不良影響，同時可以給道路所在地增添一定的文化內(nèi)涵和文化特色。


圖1為本發(fā)明的應用場景示意圖，其中I為路面，2為以周期性出現(xiàn)的突起物，3表示車輛，車輛按水平方向行駛。圖2為本發(fā)明提出的周期性起伏結構示意圖，其中I為路面，2為以周期性出現(xiàn)的突起物，4表示單個起伏結構的長度。圖3為本發(fā)明提出的設置聲音基頻的方法示意圖，其中5為兩個長度相同的起伏結構，6表示起伏結構的長度變化。圖4為本發(fā)明提出的設置聲音音強的方法示意圖，該圖描述了一個長度和高度都發(fā)生變化的起伏結構序列。圖5為本發(fā)明提出的設置聲音音色的方法示意圖，圖中只給出了起伏結構形狀的少數(shù)例子，實際應用中并不限于附圖中出現(xiàn)的形狀。圖6為本發(fā)明提出的同時產(chǎn)生多個具有不同屬性的聲音的方法示意圖，圖中描述了同時產(chǎn)生兩個不同屬性聲音的情況，其中7和8分別表示兩個不同屬性的起伏結構序列。圖7為具體實施例中的樂譜。圖8為基頻曲線；(a)為圖7樂譜中高聲部對應基頻曲線，(b)圖7樂譜經(jīng)過基頻控制模型修正的基頻曲線。圖9為基頻曲線；(a)為圖7樂譜中低聲部對應基頻曲線，(b)為圖7樂譜經(jīng)過基頻控制模型修正的基頻曲線。圖10為起伏結構序列長度曲線；(a)為圖7樂譜中的高聲部的起伏結構序列的長度曲線，(b)為圖7樂譜中低聲部的起伏結構序列的長度曲線。圖11為音強曲線；(a)為圖7樂譜中的高聲部的音強曲線，(b)為圖7樂譜中低聲部的音強曲線。圖12為起伏結構序列高度曲線；(a)為圖7樂譜中的高聲部的起伏結構序列高度曲線，(b)為圖7樂譜中低聲部的起伏結構序列高度曲線。
具體實施例方式本發(fā)明提出了一種在車輛行駛過程中，通過輪胎與道路表面接觸的方式產(chǎn)生音樂聲的方法。如附圖1，車輛在路面上行駛過程中，輪胎與路面上呈周期性起伏的物理結構接觸，產(chǎn)生具有基頻的聲音，根據(jù)樂譜設置的多個具有不同屬性的起伏結構序列可以產(chǎn)生多個具有不同屬性的聲音，其組合產(chǎn)生音樂。需要注意的是，附圖1描述的是本專利的應用場景，為了簡單起見，圖中所有周期性起伏結構的物理屬性都是相同的，而在實際應用中起伏結構的物理屬性可以不相同。
下面具體說明本發(fā)明控制路面周期性起伏結構的物理屬性從而改變產(chǎn)生樂音的基頻、音長、音強和音色的方法:
(I)基頻:具有周期性的聲音中基音的頻率稱為基頻。本發(fā)明提出的路面起伏結構具有周期性，車輛在行駛時輪胎會與路面上的起伏結構發(fā)生周期性接觸，從而產(chǎn)生具有周期性的聲音，聲音的基頻決定于路面起伏結構的周期性。我們定義車輛速度為常量V，單個起伏結構的長度為1，車輛駛過單個起伏結構的時間為P = 1/V，如附圖3中I所示的兩個起伏結構，車輛在駛過多個具有相同長度的起伏結構時會產(chǎn)生基頻為f = Ι/p的聲音。需要注意的是，在音樂中，大多數(shù)樂音的基頻不是固定不變的，而是隨時間變化的。如附圖3中2所示的兩個起伏結構，為了使產(chǎn)生的聲音的基頻隨時間變化，我們可以改變單個起伏結構的長度。我們可以定義一個具有N個起伏結構的序列，其中第η個起伏結構的長度為I (η)，則車輛駛過第η個起伏結構時產(chǎn)生聲音的瞬時基頻為f (η) = ν/1 (η)。在實際操作中，我們定義車輛行駛的某個時刻為t，給定基頻曲線f(t)，可以得到該時刻基頻對應的起伏結構長度為v/f(t)。對于實際演奏的樂音，可以通過基頻提取算法得到基頻曲線，對于給定的樂譜，可以通過現(xiàn)有的基頻曲線生成算法，如基于阻尼系統(tǒng)的基頻控制模型(Saitou，T.etal., " Development of an FO control model based on FO dynamic characteristicsfor singing-voice synthesis" Speech Commun., Vol.46,pp.405-417, 2005.),得至Ij連續(xù)平滑的基頻曲線。
(2)音長:車輛駛過一個具有N個起伏結構的序列的時間即為該起伏結構產(chǎn)生樂音的音長，即音長。
(3)音強:音的強弱是由發(fā)音時發(fā)音體振幅的大小決定的，兩者成正比關系，振幅越大音強越大。本發(fā)明中，路面起伏結構的高度與產(chǎn)生聲音的振幅成正比，如附圖4，通過調(diào)整起伏結構的高度可以實現(xiàn)音強的連續(xù)變化。對于實際演奏的樂音或由電子音樂中的合成方法產(chǎn)生的樂音，可以計算其能量或振幅的包絡，從而得到音強曲線，可以根據(jù)預先設定的某種映射方式，包括但不限于線性、對數(shù)、指數(shù)等映射方式，將音強映射為每一個路面起伏結構的高度。
(4)音色:聲音的音色是由其頻譜包絡的形狀決定的。在本發(fā)明中，如附圖5，通過改變路面起伏結構的形狀可以改變產(chǎn)生聲音的頻譜包絡，從而改變聲音的音色。需要注意的是，附圖5中只給出了少數(shù)例子，實際應用中的形狀并不限于此。不同形狀的路面起伏結構產(chǎn)生的聲音頻譜包絡可以通過現(xiàn)有的聲學方法獲得，如基于有限元和邊界元的方法。對于給定的樂器，我們可以對其演奏錄音數(shù)據(jù)計算頻譜包絡，并利用聲學和迭代逼近的方法得到和目標樂器頻譜包絡最相似的路面起伏結構形狀。
根據(jù)上述方法，我們可以針對給定的單音旋律設置相應的路面起伏結構，具體流程如下:
(I)通過分析該旋律的樂器演奏錄音得到基頻曲線，或利用基頻曲線生成算法從樂譜給出的音符序列中生成基頻曲線。
(2)根據(jù)旋律中音符的長度和給定的車輛行駛速度得到每個音符對應的起伏結構序列長度。分別對序列中的每一個起伏結構，根據(jù)基頻曲線中對應時刻的瞬時基頻，得到每一個結構的長度，每個起伏結構在路面的位置可以由其之前的所有起伏結構長度積分得到。
(3)根據(jù)實際樂器演奏的樂音錄音數(shù)據(jù)，計算其音強曲線和頻譜包絡，利用和基頻曲線相同的方式對每一個起伏結構設置其高度和形狀。需要注意的是，上述實際樂器演奏的錄音數(shù)據(jù)還可以通過計算機音樂領域中的合成方法得到。音樂中同時演奏的音符經(jīng)常不止一個，該現(xiàn)象一般稱為復音(Polyphonic)。本發(fā)明針對復音的情況提出了解決方法:如附圖6，可以在車輛輪胎覆蓋的范圍內(nèi)橫向設置多組具有不同屬性的周期性起伏結構，即可同時產(chǎn)生多個具有不同屬性的樂音。本發(fā)明提出的設置路面周期性起伏結構的方法可以通過以下方式施工:在道路表面鋪設一層防滑且具有足夠耐壓性的材料，形成周期性的起伏，達到構造周期性起伏結構的目的。該鋪設方法和材料可以參考但不限于現(xiàn)有的鋪設熱熔型振動標線的方法和材料，即使用熱熔型合成樹脂等材料，利用斗槽式方法施工。與現(xiàn)有的振動標線施工方法的不同點在于，傳統(tǒng)振動標線的起伏周期和高度、形狀是固定的，而本發(fā)明提出的周期性起伏結構的物理屬性是變化的，所以需要改進施工設備，將待鋪設的周期性起伏結構物理屬性參數(shù)存入施工設備的微機控制器，施工設備按照參數(shù)施工。當需要拆除或修改已經(jīng)鋪設完畢的周期性起伏結構時，也可以參照熱熔型振動標線的拆除和修改方法施工。下面結合附圖，給出一具體實施例:假設車速為每小時100公里的情況下，給出如附圖7樂譜所示的音樂生成實例。需要注意的是，為了簡明起見，本實例中樂譜最大同時發(fā)音的音符數(shù)量為2，當需要同時發(fā)音的音符數(shù)量更多時可以按照前述的方法類推。如附圖7所示,該樂譜為四分之四拍,每分鐘演奏60拍(bpm,beat per minute),樂曲共包含一小節(jié)，即4拍，總時長為4秒。根據(jù)車速每小時100公里，即每秒27.78米計算，可得到欲鋪設的周期性起伏結構序列總長度為111.11米。根據(jù)樂譜可以得到其高聲部和低聲部旋律所對應的基頻曲線，分別如附圖8(a)和附圖9(a)，隨后利用前述的基于阻尼系統(tǒng)的基頻控制方法，可以得到連續(xù)平滑的基頻曲線，分別如附圖8(b)和附圖9(b)，下面從起伏結構序列中的第一個起伏結構開始，以迭代的方式計算每個起伏結構的長度:從第一個起伏結構開始，查詢該結構所在時間點的瞬時基頻曲線，得到該時刻的瞬時基頻值，轉換為該結構的長度，下一次迭代時累加前面已經(jīng)得到的所有起伏結構的時長得到當前需要計算的結構所在的時間點，按照前述方法可以得到該結構的長度，直到整個序列中所有起伏結構的長度全部計算完畢。附圖10(a)、(b)分別給出了上述樂譜中高低聲部所對應的起伏結構序列中每個起伏結構長度關于起伏結構序號的曲線。假設從上述樂譜的高、低聲部實際演奏錄音中提取出分別如附圖11 (a)、(b)所示的音強曲線，利用前述在基頻曲線轉換為長度曲線的方法可以將音強曲線轉換為音強關于起伏結構序號的曲線，然后可以根據(jù)預先設定的某種映射方式將音強映射為每個起伏結構的高度，這里為了簡單起見，以線性映射為例給出單個起伏結構高度關于起伏結構序號的曲線，即高度曲線，分別如附圖12(a)、(b)所示。施工時將起伏結構序列的長度曲線和高度曲線存入施工設備的控制器中，施工設備可以根據(jù)上述兩個曲線設置每一個起伏結構的長度和高度。盡管為說明目的公開了本發(fā)明的具體實施例和附圖，其目的在于幫助理解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本發(fā)明及所附的權利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換、變化和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應局限于最佳實施例和附圖所公開的內(nèi)容。
權利要求
1.一種音樂路面，其特征在于包括一路面層，所述路面層表面設有一個或多個起伏序列；其中，每一所述起伏序列包括多個周期性排列的起伏結構；每一所述起伏結構及其在路面的位置根據(jù)設定車速和待鋪設音樂路面所對應音樂的基頻曲線確定。
2.如權利要求1所述的音樂路面，其特征在于所述路面層上設有一防滑耐壓材料層，在所述防滑耐壓材料層表面上設置所述起伏序列。
3.如權利要求1或2所述的音樂路面，其特征在于多個所述起伏序列在所述防滑耐壓材料層表面沿行駛方向并列排布。
4.如權利要求1或2所述的音樂路面，其特征在于根據(jù)設定車速和所述起伏序列對應的樂音或復音序列的總時長確定所述起伏序列的長度；根據(jù)設定車速和所述起伏序列對應的樂音或復音的基頻確定所述起伏序列中所述起伏結構的數(shù)目和長度；根據(jù)所述起伏序列對應的樂音或復音的音強確定所述起伏結構的高度；所述起伏序列對應的樂音或復音的音色確定所述起伏結構的形狀。
5.如權利要求4所述的音樂路面，其特征在于采用有限元和邊界元的方法，或者采用聲學和迭代逼近的方法確定所述起伏結構的形狀。
6.如權利要求1或2所述的音樂路面，其特征在于所述起伏結構為沿行駛方向周期性排列的突起物。
7.如權利要求1或2所述的音樂路面，其特征在于所述防滑耐壓材料層為熱熔型材料層。
8.如權利要求2所述的音樂路面，其特征在于通過熱熔型振動標線的方法在所述路面層上制備所述起伏序列。
9.一種音樂產(chǎn)生方法，其特征在于車輛行駛于如權利要求1所述的音樂路面，車輛輪胎與所述起伏序列的起伏結構接觸，廣生所接觸起伏序列對應的基頻的聲首。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種音樂路面及音樂產(chǎn)生方法。本發(fā)明的音樂路面包括一路面層，所述路面層表面設有一個或多個起伏序列；其中，每一所述起伏序列包括多個周期性排列的起伏結構；每一所述起伏結構及其在路面的位置根據(jù)設定車速和待鋪設音樂路面所對應音樂的基頻曲線確定。車輛行駛于所述音樂路面，車輛輪胎與所述起伏序列的起伏結構接觸，產(chǎn)生所接觸起伏序列對應的基頻的聲音。本發(fā)明具有易施工、易拆除和易修改的特點，可以在車輛行駛過程中，通過輪胎與道路表面的接觸產(chǎn)生豐富多變的音樂，減少甚至消除輪胎噪音給駕乘人員帶來的不良影響，同時可以給道路所在地增添一定的文化內(nèi)涵和文化特色。
文檔編號E01C11/24GK103174077SQ20131007256
公開日2013年6月26日 申請日期2013年3月7日 優(yōu)先權日2013年3月7日
發(fā)明者張廣程 申請人:北達正視(北京)科技有限公司