智能乐器校音器及其校音方法

专利名称：智能乐器校音器及其校音方法
技术领域：
本发明属于检验基于十二平均律原理的乐器音高的一种音准仪，特别是属于一种校验钢琴音高的音准仪。
根据检索资料，目前日本的乐器校音器，其特点是校音方法根据音频的频谱特征进行滤波和差拍，用以模拟仪表指针指示校音结果。表针指示校音结果在客观上总是存在读数误差。
本发明的目的在于提供一种全新的校音方法和一种能够实现对乐器音高的准确校准的校音器。
本发明所采用的方法是根据乐器音响的时域信号波形，直接分析出该音响的音高，并用四位数码管显示出来，数码管的前两位显示该音响相应于钢琴键盘上的键号;后两位显示音分。电子音叉的实现方法是利用单片机组成的电路的定时与计数功能，产生准确的钢琴的88个键的音准信号。
本发明所述的智能校音器是这样实现的它包括微音器，微音器通过开关与放大器相连接，放大器输出端与比较器输入端相连接，比较器输出端与单片机相连接，单片机的P/O与位移寄存器、驱动器、放大器、存贮器、锁存器相连接，位移寄存器、驱动器又分别与四位LED数码管相连接，存贮器、锁存器彼此相连接，磁阻传感器则通过开关与放大器输入端相连接组成。各部件间用导线相连接。
校音器中的磁阻传感器是由永磁铁，与永磁体相连接的两块完全相同的电工软铁，两块电工软铁的一端所连接的两块完全相同的软垫、电工软铁上绕有的线圈所组成。两块电工软铁、两块软垫均相对横向永磁体中线对称布置。两块电工铁的一端面互成85°至95°，在两块电工铁上绕有线圈，磁阻传感器用开关联接在电路中。当校音器用于低音区时，则将磁阻传感器接在电路中，外廓呈长方体盒。
本发明所述的智能校音方法是这样实现的一、时域波形特征具有键盘或品位的乐器的音准规律都是基于十二平均率的，但各种乐器的音响的时域波形不同，其中波形其复杂的是钢琴低音域的音响波形。通过记忆示波器进行大量观察，发现以下时域波形特征①该时域波形是由音头、稳态段到音尾(衰变过程)三部分组成的瞬态信号;②稳态段是周期信号，音尾是衰减的周期信号，音头部分除含有周期信号外，还含有差频信号;③上述的周期信号是所敲键键音的基频，两最高峰之间的时间为此基频信号的周期，见附图5;④小高峰是大的谐波造成的。小高峰的数量基本上随音域的降低而增多，但最多不超过14个，相信小高峰的间隔时间t不是均匀相等的，但数量越多越接近相等，并且最高峰两侧的小高峰与最高峰间隔不小于最小的小高峰间隔(见附图5中tn、t1)。设最小的小高峰间隔为tmin则有tn＞tmint1＞tmin……(1)
若以tav表示这些间隔的平均值，有下列关系tmin＜ (tav)/2 ……(2)二、分析原理及方法根据以上时域波形特征，可以看出只要测量出稳态段的Tn，便可计算出该键的音高。用计算机实现测量及数据处理的原理及方法为(1)根据各预测键的音准，单片机由程序确定出门开度①门开度的定义与计算公式，计算机在接收到第一个脉冲后，只接受在一定时间范围内的第二个脉冲，如此时间范围为(Tn-t)至(Tn+t)，则门开度Dop＝ 1/2 〔(Tn+t)-(Tn-t)〕＝t……(3)式中Dop的单位为时间单位，若采用音分为单位，以Dopc表示，则Dopc＝ 1/2 〔(Xn+Cn)-(Xn-Cn)〕＝Cn……(4)式中Xn表示某个琴键的音准符号，Cn表示音分。门开度设定公式Dopc =1K(1 - 2－11200)……(5)]]>式中K＝Tn/tmin……(6)(K为门开度常数，Tn为两最高峰的时间间隔，tmin为t的最小值，见附图5)。②门开度常数K的选择根据第一节所述的信号时域波形特征(4)，取最小高峰数为15，tmin为平均间隔的二分之一，代入式(6)得K =Tn12-Tn(15 + 1)= 32……(7)]]>
③计算门开度将K代入式(5)得Dopc =1K(1 - 2－21200)……54.1167音分]]>此门开度允许所测琴键的音高误差为±54音分，一般是不会堵塞所测音高的，与Dopc对应的Dop等于变量tmin，即Dop＝tmin……(8)(2)仪器内的微音器将声波转换为电信号，经过零比较器，变为方波脉冲，送到单片机。(3)单片机在接到起始(第一个)脉冲后，由程序决定只确认在Tn+Dop范围内出现的第二个脉冲，并实测出Tn′。(4)将第二个脉冲作为起始脉冲，重复步骤(3)，实测出Tn″，比较Tn″＝Tn′否？(5)结果相等，重复步骤(4)得到Tn″′，比较Tn″′＝Tn″否？(6)结果Tn″′＝Tn″，则确认为准确的测量值，单片机计算出相应的键号及音分，用数码管显示出来。(7)如果出现Tn″≠Tn′或Tn″′≠Tn″，则延迟一个脉冲作为起始脉冲，重复步骤(3)、(4)、(5)、(6)。
采用音响的时域特征分析法，可以用价格低廉的通用器件实现对音高的测量。仪器中采用单片机进行数据处理，用数码管显示所测量音响的音符及音分，将智能电子音叉与校音功能合为一体，由同一套硬件电路实现，不仅可根据仪器的显示结果进行校音，还可以选择对比标准音高的方法进行。
附

图1智能乐器校音器的电路结构框图。
附图2磁阻传感器示意图。
附图3二块电工软铁结构图。
附图4用直线段表示波峰的音响稳态段的时域波形。
下面结合附图详细说明本发明所述的校音器及其校音方法。
根据图1本发明所述的智能校音器是由微音器2，微音器2通过开关13与放大器11相连接，放大器11输出端与比较器10输入端相连接，比较器10输出端与单片机6相连接，单片机6的I/O口与位移寄存器7、驱动器8、放大器3、存贮器4、锁存器5相连接，位移寄存器7、驱动器8又分别与四位LED数码管12相连接，存贮器4、锁存器5彼此相连接，磁阻传感器1则通过开关13与放大器11输入端相连接组成，各部件间用导线连接。
根据图2磁阻传感器包括永磁体D，与永磁体D相连接的两块完全相同的电工软铁A，两块电工软铁A的上端各连接一块完全相同的软垫C电工软铁A上还绕有线圈B。
根据图3两块电工软铁装软垫的端面互成90°相对中心线对称，端面宽度d＝2.5mm，端面侧面的长度e＝15mm，二块电工软铁与对称轴平行部分的长度为L＝20mm，外廓呈长方体。
本发明所述的校音方法是这样实现的①根据预测键的音准，单片机由程序确定出门开度Dopc =1K(1 - 2－11200)]]>K＝Tn/tmin为门开度常数，Tn为最高峰间的时间间隔，tmin为t的最小值。②智能校音器中的微音器2将声波转换为电信号，经过比较器10变为方波脉冲，送到单片机6。③单片机6在接到起始脉冲(第一个脉冲)后，由程序决定只确认在Tn±Dopc范围内出现的第二个脉冲，并实测出Tn′。④将第二个脉冲作为起始脉冲，重复步骤③，实测出Tn″，比较Tn′＝Tn″否？⑤如果Tn′＝Tn″，重复步骤④，得到Tn″′，比较Tn″′＝Tn″否？⑥如果Tn″′＝Tn″，则为准确的测量值，单片机6计算出相应的键号及音分，由四位LED数码管显示出来。当校音器用于低音区时，则将磁阻传感器通过开关联接在电路中。
权利要求
1.一种智能乐器校音器，其特征在于它是由微音器2，微音器2通过开关13与放大器11相连接，放大器输出端与比较器10输入端相连接，比较器10输出端与单片机6相连接，单片机6的I/O口与位移寄存器7、驱动器8、放大器11、存贮器4、锁存器5相连接，位移寄存器7、驱动器8又分别与四位LED数码管12相连接，存贮器4、锁存器5彼此相连接，磁阻传感器1则通过开关13与放大器11输入端相连接组成。
2.如权利要求1所述的智能乐器校音器，其特征在于所述的磁阻传感器1是由永磁体d，与永磁体d相连接的两块完全相同的电工软铁A，两块电工软铁A的一端各连接一块完全相同的软垫C，电工软铁A上绕有线圈B所组成。
3.如权利要求1所述的智能乐器校音器，其特征在于所述的磁阻传感器1的两块完全相同的电工软铁A的一端面互成90°。
4.一种智能乐器校音方法，其特征在于①根据预测键的音准、单片机6由程序确定出门开度Depc，②微音器2将声波转换为电信号，经过比较器10变为方波脉冲，送到单片机6中，③单片机6在接到起始脉冲(第一个脉冲)后，由程序决定只确认在Tn±Dop范围内出现的第二个脉冲，并实测出Tn′，④将第二个脉冲作为起始脉冲，重复步骤③，实测出Tn″，⑤如果Tn″＝Tn′重复步骤④，得到Tn″′，⑥如果Tn″′＝Tn″，则为准确的测量值，单片机6计算出相应的键号和音分，由四位LED数码管12显示出来，⑦当校音器用于低音区时，则将磁阻传感器1通过开关与放大器11相连接，重复上述步骤。
全文摘要
本发明所述的智能乐器校音器是属于校验基于十二平均率原理的乐器音高的一种音准仪，特别适合于对钢琴音高的检验，由于采用了所发明的音响时域特征分析法，可以采用价格低廉的通用器件生产廉价的便携式仪器普及家庭钢琴用户。仪器将电子音叉(88个音准)与校音功能合为一体，由硬件电路实现，使校音不仅可以根据仪器的显示结果进行，还可以选择对比标准音高的方法进行。校音与电子音叉皆由数码管显示结果。
文档编号G10C9/00GK1042789SQ8810516
公开日1990年6月6日 申请日期1988年11月18日 优先权日1988年11月18日
发明者李新 申请人:李新