Устройство обработки сигналов электромузыкальных инструментов

(5)5 6 10 Н 1/40, 5/00, 7/00 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(54) УСТРОЙСТВО ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВЭЛ ЕКТРО МУЗЫ КАЛ Ь НЫХ И НСТРУМ ЕНТО В(57) Изобретение может быть использованов музыкальных инструментах с преобразо.Ы 2 ц 1746400 А 1 вателями механических, акустических колебаний звуковой частоты в электрические, Устройство содержит звукосниматель 1,1, предварительный усилитель 2.1, блок 3.1 выделения основного тона, блок 4.1 измерения периода, запоминающий регистр 5,1, компаратор 6,1, счетчик 7.1 адреса. запоминающее устройство 8,1, цифроаналоговый преобразователь 9.1, усилитель 10,1 управляемый напряжением, полосовой фильтр 11.1, переключатель 12,1 тембра, суммирующий усилитель 13,1, тактовый генератор 14, счетчик 15.1 импульсов, делитель 16.1 частоты, блок 17.1 выделения и формирования огибающей, блок 18.1 выбора огибающей, инвертор 19,1, блок 20.1 задержки, программатор 21. 4 ил,Изобретение относится к электромузыкэльным инструментам и может быть использовано в музыкальных инструментах с преобразователями механических, акустических колебаний звуковой частоты в электрические, в частности, в элетрогитарах, а также в измерительной технике в качестве высокостабильных генераторов перестраиваемой частоты, в умножителях частоты звукового диапазона.Известны устройства для формирования музыкальных сигналов различной формы, содержащие генератор импульсов, делитель частоты, адресный счетчик, запоминающее устройство, цифроаналоговый преобразователь.Недостатком известных устройств является то, что в качестве сигнала адресации используется сигнал генератора заданной амплитуды, что не дает возможности их применения для обработки аналоговых сигналов с заухающей амплитудой реальных электромузы кал ькых инструментов. Наиболее близким по технической сущности к данному устройству являешься одноголосый электромузыкальный инструмент, содержащий датчик сигнала, вйход которого через предварительный усллитель подключен к входу блока выделения основкого тона и соединенные последовательно ламеритель периода, зэпомина,ощий регистр, их входц установкив ноль соединекц с шиной сигналов сброса, а выход здпоминэющеГО регистра соединен с первой руппой входов компараторв, вторая группа входов которого соединена с выходом счетчика импульсов, который входом сбнуленля соединен с выходом компаратора, а счетнцм входом соединен с выходом тактового генератора и входом делителя частоты, имеащега своей нагрузкой тактовый вход измерителя периоде. Компэрэтор кроме с етчика нэружен нэ формирователь гармонв( и субгармоник, сигналы с выхода которого подаются на вход формирователя тембра, подключенного последовательно через усилитель к акустической системе. Устройство зэпоминает с наперед заданной точностью частоту гармоники спектра, полученную из входного сигнала основного тона, являющу 1 ося наименьшим Общим кратным НОК) частот гармоник воспроизводимого спектра, и осуществляет последующее деление частоты гармоники нв делители НОК, полученные в результате гармоники и субгармоникл складцввются с Определенными весами характерными для звучания имитируемого инструмента. Длительность выходного сигнала не зависит от длительности сигка 2 О 25 30 31 лп 41 лэ, полученного в датчике, а определяетсяжеланием исполнителя,Недостатком известного устройства является следующее,Предложенный метод Формирования гармоник и субгармоник затрудняет формирование требуемой формы выходного сигнала, так как получаемые гармоники и субгэрмоники путем деления частоты имеют одинаковые начальные фазы, а как извЕстно, фазочастоткый спектр произвольной формы сигнала имеет сложную зависимосгь, кроме того, полученный в результате деления меандр в качестве отдельной гармоники в свою очередь имеет широкий спектр с набором гармоник, что при синтеаировании определенных тембров будет затруднять выбор нужного тембра, Отсутствие блоков для выделения Огибающей входного сигнала и накладывания ее на синтезированный сигнал делает невозможным применение устройства в элекгромузыкальных инструментах, размах сигнала которыносит затухающий характер,Цель изобретения - приближение тембровыххарактеристикустройства ктембровым характеристикам реальных инструментов.Данное устройство расширяет возможности электромузыкального икструмекта, например электрогитары. Благодаоя используемому методу появляется возмож,;ость имитировать звучание различных иузыкальных инструментов. Для этого необходимо изменить форму входнОГО сиГнэлэ, сделать ее аналогичной форме сигиэл,:, ";:итируемого музыкального икструмек-а,Введенные в устройство блоки позволяют производить считывание данных с оперативного запомина,ощего устройства (СЗУ) с частотой, пропорциональной часоте входного сигнала, и нэкладывание преобразованной огибающей входного сигнала в ., силителе управляемого напряжением нэ синтезированнуюформу сигнала на выходе цифроаналогового преобразователя ЦАП),На фиг, 1 представлена блок-схема одь Ого какала устройства обрэботкл сигналов электромузлкэльных инструментов ЭМИ), Нэ фиг, 2 - 4 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства.Устройство обработки сигналов ЭМИ содержит несколько однотипных каналов, количество которых соответствует количеству одноголосных источников звука и соответствующих с ними преобразователей звуковых сигналов в электрические, Примером может служить электрогитара, имею(цая звукосниматели, Один из каналов, блок-схемэ котороГО ПО(азана на фиГ, 1, содержит последовательно соединенные зву5 10 20 30 35 40 50 55 косниматель 1,1, предварительный усилитель 2.1, блок 3.1 выделения основного тона, блок 4,1 измерения периода, запоминающий регистр 5,1, компаратор 6.1, счетчик 7.1 адреса, запоминающее устройство 8.1, цифроаналоговый преобразователь 9.1, усилитель 10,1, управляемый напряжением, полосовой фильтр 11.1, переключатель .12.1 тембра, суммирующий усилитель 13,1, Тактовый генератор 14 имеет разветвленный выход, каждый из его выходов соединен с соответствующим счетчиком 15,1 импульсов, Делитель 16.1 частоты, входом соединенный с актовым генератором, также имеет разветвленный выход, каждый из которых соединен с блоком 4.1 измерения периода своего канала. Кроме того, устройство канала содержит счетчик 15.1, соединенный с второй группой входов компаратора 6.1, блок 17.1 выделения и формирования огибающей соединенный с блоком 18,1 выбора огибающей и с выходом предварительного усилителя, а выход блока выделения и формировании огибающей подключен к управляющему входу усилителя 10,1, управляемого напряжением, Инвертор 19.1, вход которого соединен с выходом блока 3,1 выделения основного тона, а выход через блок 20.1 задержки - с входом обнуления блока 4.1 измерения периода и входом разрешения записи блока запоминающего регистра 5,1. Программатор 21 является общим для всех каналов, выход которого одновременно соединен со всеми входами ввода данных оперативных запоминающих устройств,Блок 17.1 выделяет огибающую сигнала (фиг, 3, а), полученного с блока 2,1 с помощью детектора и сглаживающего фильтра, Далее огибающая сигнала (фиг. 3, б) поступает на компаратор напряжения, где формируется прямоугольный импульс (фиг, 3, в), по длительности равный длительности звучания ноты, Этот импульс преобразуется соответствующим образом с помощью реактивных цепей, Постоянную времени и вид цепи можно скоммути ровать с помощью переключателей, находящихся в блоке 18.1. Выбранная форма огибающей (фиг. 3, г, 2 или фиг, 3, г 1) подается на управляющий вход усилителя 10.1, который используется как амплитудный модулятор, форма выходного сигнала которого представлена на фиг, 3, д.Согласно теоремы Котельникова частота следования отсчетов 1 р сигнала Я(т) определяется как9 = 2 в. Если выбрать частоту Ь, равную максимальной частоте слышимого диапазона частот 20 кГц, тоЬ =40 10 Гц.А частоту основного тона имитируемого инструмента, равную Г = 100 Гц, тогда максимальное количество выборок ч на периоде сигнала Я(1);Ч = 19 ЛО = 400.При восьмиразрядном цифроаналоговом преобразователе (ЦАП). объем памяти запоминающего устройства 8,1 равен 400 байт.ю = ч р = 4008 = 400 байт,где р - разрядность ЦАП,Программирование запоминающего устройства 8.1 производится с помощью фотографии или рисунка формы сигнала имитируемого музыкального инструмента. Так как предлагаемое устройство является, многоканальным, в электрогитаре число каналов определяется числом струн, Для каж- дой струны выбирается частота сигнала в середине звукоразряда, осциллограмма которого затем фотографируется, Сигнал на фотографии дискретизируется по времени (фиг. 4), Временная ось делится на количество выборок, каждому моменту времени 1, 1, , тк.,ставится в соответствие мгновенное значение сигнала 5(с), которое переводится в двоичную форму и записывается в запоминающем устройстве 8.1, Перевод в двоичную форму записи осуществляется согласно(фиг. 4) в момент времени тм: Ат - отклонение сигнала в моментывремени ти по возрастанию; р - разрядность ЦАП, Полученное значение Рл округляется,переводися в двоичную форму записи и записывается в ОЗУ, блок 8.1. На практике сигнал Я(1) основного тона музыкального инструмента 1 = 100 Гц не содержит гармонику с частотой 1 = 20 кГц, следовательно количество отсчетов м меньше 400, Для точного определения 1 сигнал Я(т) подают на анализатор спектра. Устройство одного из каналов (фиг. 1)работает следующим образом. Электрический сигнал, полученный в датчике 1.1, усиливаясь в предварительном усилителе 6,1, преобразуется в блоке 3.1 выделения основного тона в импульсы прямоугольной формы, В соответствии с числом Й, которое получено при измерении длительности импульса, равного половине периода сигналов, поступающих с датчика 1.1 в блок 4.1 измерения периода. на выходекомпаратора 6,1 формируется сигнал; частота которого равна результату деления тактовой частоты на число Й . Полученный сигнал3на выходе компараторэ 6.1 а адресном счетчике 7.1 преобразуется в параллельный код, являющийся адресом оперативного запоминающего устройства 8,1, хранящего в цифровом аиде отдельные выборки сигнала, форма которого была наперед задана, Путем периодического считывания информации .из ОЗЧ 8,1 и преобразования в цифроаналоговом преобразователе 9,1, на выходе которого в аналоговом аиде вырабатываются выборки, амплитуда которых повторяет форму заданного сигнала, На полученный анало овый сигнал в усилителе 10,1, управляемом напряжением, накладывается огибэющая, сформированная в блоке 17.1 выделения и формирования огибающей. С выхода усилителя, управляемого напряжением, аналоговый сигнал может быть, пропущен через полосовой фильтр 11.1, ограничивающий наличие в спектре сигнала высокочастотные составляющие или благодаря наличию пеерключэтеля 12,1, непосредственно на суммирующий усилитель 13.1, который суммирует взвешивая сигналы всех каналов в зависимости от положения регуляторов уровня (на блок-схеме не показано), С выхода суммирующего усилителя сигнал. может быть подан на дополнительные устройства обработки сигнала на блок-схеме не показано).В качестве программатора 21 оперативных запоминающих устройств может служить как микропроцессор, так и самостоятельное устройство, содержащее переключатели.Сигнал с частотой тактового генератора с одной стороны служит единицей измерения частоты сигнала на выходе компаратора, с другой - значение этой частоты поделенное на число К в блоке делителя 16.1 частоты служит для измерения длительности входных импульсов звуковой частоты, Длительность периода измерительных импульсов равнаТи- КТт, Р) где Ти - длительность пеоиода измерительных импульсов;Тт - длительность периода тактовых импульсов;К - коэффициент деления тактовой частоты (представляет собой целое число),По заполнении импульса звуковой частоты, длительность которого равна половине периода (Фиг, 2, б), импульсами измерения, последние подсчитываются счетчиком блока 4.1 измерения, Сброс счетчика 4.1 измерения осуществляется по переднему фронту инвертированного и задержанного импульса звуковой частоты, который оэступает с блока 3,1 выделенияосновного тона через инвертор 9.1 и блок 5 20.1 задержки. Задержка инвертированногосигнала осуществляется на время, котороенеобходимо для записи информации в запоминающий регистр и не должно превышатьчетвертой части периода входного сигнала 10 звуковой частоты:11(3)где тэ - время задержки сигнала в блокезадержки 3;15 Тэмин - минимальная длительность периода сигналов звуковой частоты.Информация, поступающая в запоминающий регистр 5,1 с блока 4.1 измерения,записывается по переднему фронту сигна ла, поступающего с блока 19,1 инвертированияя сигнала и сохраняется там в течениепериода сигнала звуковой частоты, поступающего с датчика 1.1, Вследствие того, чточастота измерительных импульсов в К раз 25 меньше тактовой частоты, счетчик 15.1 импульсов успеет несколько раз достичь дочисла Й, тем самым на выходе компараторапри равенстве двух чисел М и И, поступающих на первую и вторую группу входов со ответственно, образуются импульсы счастотой Ь, следовательно:твых = 1 т/М, (4)з в/КТт), (5)где г- длительность импульсов сигнала 35 звуковой частоты;т - частота следования импульсов тактового генератора 14.Тэк как входной сигнал блока 4,1 измерения периода представляет собой меандр 40 с частотой основного тона сформированныйв блоке 3.1 выделения основного тона, тотз в= Тзв/2 = 1/21 зе, 6)где Тв - длительность периода импульсовзвуковой частоты основного тона;45 Ьв - частота следования импульсов сиг-.нала основного тона.Выходная частота компаратора, определяющая астоту следования выборок навыходе цифроаналогового преобразователя"0 9.1 согласно (4):18 ых = 1 т/й = 2 Ктзв (7)Количество выборок укладывающихсяна периоде входного сигнала звуковой частоты определяется как:55 (3 = 1 вых/1 зе = 2 К (8)Разрешающая способность блока 4,1измерения по частоте определяется длительностью периода импульсов измерительного сигнала Ти, и равна10 17464001 ЛЛЛППППППППППЛПППЛШ Лзв = зв/(Тзв+ К Тт), (9)где Л язв - разрешающая способность почастоте блока 4.1 измерения.П р и м е р, который позволит реальнооценить частоту тактового генератора и разрешающую способность, Выберем частотный диапазон шестиструнной гитары с Ьмин= 80 Гц и 1 змвкс = 1 кГц, а 1 т = 100 МГц, К =10 согласно (8), (7), (5), (9) соответственнополучим при 1 змин = 80 Гц, 6 = 20 вых = 1600 10Гц, й = 62500, Л язв = 6,4 10 Гц, На верхнемпределе частотного диапазона при 1 змакс =1000 Гц О = 20 живых = 210 Гц, й = 510 д 1 зв=4 3=0,1 Гц.Использование в качестве сигнала адресации оперативного запоминающего устройства значения частоты основного тона, атакже наличие блока выделения и формирования огибающей позволяет неучитыватьконкретный тип ЭМИ, Использование.ОЗУ, 20в которое может быть записана любая форма сигнала имитируемого инструмента с достаточной степенью достоверности,позволяет сократить расходы на разработкуустройств обработки сигналов для каждого 25в отдельности типа электромузыкальных инструментов,Формула изобретенияУстройство обработки сигналов злект ромузыкальных инструментов, содержащее усилитель, датчик сигнала, выход которого через предварительный усилитель подключен к входу блока выделения основного тона, выход которого подключен к входу блока 35 измерения периода, выходы которого подключены к входам запоминающего регистра, выходы которого соединены с первой группой входов компаратора, вторая группа входов которого соединена с выходом счет чика импульсов, вход сброса которого соединен с выходом компаратора, а счетный вход подключен к выходу тактового генератора и входу делителя частоты, выход которого подключен к тактовому входу блока измерения периода, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью приближения тембровых характеристик устройства к тембровым характеристикам реальных инструментов, усилитель выполнен управляемым напряжением и введены счетчик адреса, запоминающее устройство, программатор, цифроаналоговый преобразователь, блок выбора огибающей, блок выделения и формирования огибающей, полосовой фильтр, переключатель тембра, суммирующий усилитель, блок задержки, инвертор, вход которого подключен к выходу блока выделения основного тона, а выход - к тактовому входу запоминающего регистра и через блок задержки к входу установки в начальное состояние блока измерения периода, причем счетный вход счетчика адреса подключен к выходу компаратора, а выходы - к первой группе входов запоминающего устройсства, вторая группа входов которого подключена к выходам программатора, а выходы - к входам цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с входом усилителя, управляемого напряжением, управляющий вход которого подключен к выходу блока выделения и формирования огибающей, вход которого подключен к выходу предварительного усйлителя, группа входов - к выходам блока выбора огибающей, а выход усилителя, управляемого напряжением, подключен к последовательно соединенным полосовому фильтру, переключателю тембра и суммирующему усилителю.мчу Корректор С.Черни то и ГКНТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г. ужгород, ул.Гагарина, 1 аказ 2397 ВНИИП ставитель Л.Клевцовхред М,Моргентал Тираж Подписнсесударственного комитета по изобретениям и открытиям 113 О 35, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5