外置調(diào)音器
——violin master

合肥工業(yè)大學(xué)

鐘郅杰，曹 凡，左 璇，化彥伶，閔 波

1 作品簡介

弦樂調(diào)音通過弦軸調(diào)節(jié)弦的松緊來控制弦的振動(dòng)頻率，從而決定弦的音高。由于弦軸松動(dòng)及氣溫變化熱脹冷縮導(dǎo)致琴音不準(zhǔn)，因此學(xué)習(xí)者、演奏者每天每次練琴前都需要調(diào)音。一般弦樂器通過轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸調(diào)音，通過調(diào)節(jié)弦的長度來改變每根弦的發(fā)聲頻率。通常調(diào)音需要有一定經(jīng)驗(yàn)的樂手或?qū)I(yè)調(diào)音師才能完成，不僅要求調(diào)弦者的聽音能力好，還需要有一定的專業(yè)基礎(chǔ)，對(duì)音階聽力不太好的人或者音樂初學(xué)者來說存在一定的困難。針對(duì)這一問題，本文擬選取弦樂的代表——小提琴進(jìn)行研究，開發(fā)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)音的外置調(diào)音器violin master，以解決調(diào)音問題?？蓪?shí)現(xiàn)如下功能：

（1）拉動(dòng)琴弦，通過拾音器采集聲音信號(hào)；

（2）將采集的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形處理，與標(biāo)準(zhǔn)頻率比較；

（3）反饋控制，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)音，直至信號(hào)頻率落在標(biāo)準(zhǔn)頻率的合理區(qū)間內(nèi)；

（4）固定抱死，調(diào)節(jié)工作完成后，制動(dòng)鎖定調(diào)節(jié)旋鈕。

外置調(diào)音器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 外置調(diào)音器實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 工作原理

2.1 音頻處理

經(jīng)拾音器采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境聲音后再傳送到后端設(shè)備。由于拾音器采集的音頻輸出幅度小，因此本設(shè)計(jì)對(duì)采集的聲音進(jìn)行放大處理。但放大后的聲音中含有大量諧波成分，因此需采用濾波器將諧波成分濾除。最后，對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行整形處理，得到方波信號(hào)，以便后續(xù)測(cè)頻。由于上述采集的信號(hào)是在時(shí)域范圍內(nèi)的聲信號(hào)，而時(shí)域分析只能反映信號(hào)的幅值隨時(shí)間的變化情況，除單頻率分量的簡單波形外，很難明確提示信號(hào)的頻率組成和各頻率分量大小，而頻譜分析能夠較好地解決此問題。受FFT（快速傅立葉變換）理論的啟發(fā)，本設(shè)計(jì)擬采用基于FFT的頻譜分析技術(shù)。

2.2 單片機(jī)測(cè)頻

利用單片機(jī)自帶的兩個(gè)定時(shí)器對(duì)輸入的音頻信號(hào)進(jìn)行頻率計(jì)數(shù)，通過測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)得到脈沖信號(hào)的頻率，準(zhǔn)確計(jì)數(shù)琴弦信號(hào)。

2.3 電機(jī)比照標(biāo)準(zhǔn)頻率控制

將單片機(jī)I/O口輸出的具有時(shí)序的方波作為步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路帶動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。反饋部分將拾取的信號(hào)與設(shè)定好的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，反饋控制通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度，直至實(shí)時(shí)信號(hào)頻率落在標(biāo)準(zhǔn)頻率誤差允許范圍區(qū)間內(nèi)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.4 鎖死

采用機(jī)械弦軸，利用齒輪傳動(dòng)的原理即可實(shí)現(xiàn)自鎖。電路原理如圖2所示，處理流程如圖3所示。

圖2 電路原理圖

圖3 處理流程圖

3 創(chuàng)新點(diǎn)

市場(chǎng)上已有的電子調(diào)音器和手機(jī)軟件的調(diào)音器原理大致相同，調(diào)音者通過觀察顯示屏上的信息進(jìn)行手動(dòng)調(diào)音。這種校音器校音時(shí)無需發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)音，空弦音由校音器的話筒輸入，但仍需調(diào)音者手動(dòng)調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)的復(fù)雜程度和精度方面都存在一定問題。而自動(dòng)調(diào)音器只有g(shù)ibson和roadie，前者安置于吉他內(nèi)部，無法拆裝，且這種吉他價(jià)格非常昂貴，而roadie調(diào)音器同樣存在價(jià)格昂貴、只局限于吉他調(diào)音的問題。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于：

（1）原理受用于所有弦類樂器，受眾廣，與市場(chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品相比有巨大優(yōu)勢(shì)；

（2）調(diào)節(jié)過程全自動(dòng)化，方便快捷；

（3）面對(duì)越來越廣闊的音樂市場(chǎng)，以自動(dòng)化的理念為現(xiàn)有的音樂市場(chǎng)找到了一個(gè)契合點(diǎn)和進(jìn)一步發(fā)展的方向。

4 市場(chǎng)前景

音樂市場(chǎng)是一個(gè)具有巨大潛力的平臺(tái)，而樂器的傳統(tǒng)性意味著創(chuàng)新的可能性。我們的產(chǎn)品面向音樂，切實(shí)解決了圍繞小提琴調(diào)音的問題，實(shí)用性強(qiáng)。我們將智能化概念推廣到了音樂市場(chǎng)，符合潮流。violin master以小提琴為代表，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)音，方便快捷，有較好的商業(yè)效益。