外置调音器——violin master

合肥工业大学

钟郅杰，曹 凡，左 璇，化彦伶，闵 波

1 作品简介

弦乐调音通过弦轴调节弦的松紧来控制弦的振动频率，从而决定弦的音高。由于弦轴松动及气温变化热胀冷缩导致琴音不准，因此学习者、演奏者每天每次练琴前都需要调音。一般弦乐器通过转动转轴调音，通过调节弦的长度来改变每根弦的发声频率。通常调音需要有一定经验的乐手或专业调音师才能完成，不仅要求调弦者的听音能力好，还需要有一定的专业基础，对音阶听力不太好的人或者音乐初学者来说存在一定的困难。针对这一问题，本文拟选取弦乐的代表——小提琴进行研究，开发可实现自动调音的外置调音器violin master，以解决调音问题。可实现如下功能：

（1）拉动琴弦，通过拾音器采集声音信号；

（2）将采集的信号进行放大、滤波、整形处理，与标准频率比较；

（3）反馈控制，控制电机转动进行调音，直至信号频率落在标准频率的合理区间内；

（4）固定抱死，调节工作完成后，制动锁定调节旋钮。

外置调音器实验模型如图1所示。

图1 外置调音器实验模型

2 工作原理

2.1 音频处理

经拾音器采集现场环境声音后再传送到后端设备。由于拾音器采集的音频输出幅度小，因此本设计对采集的声音进行放大处理。但放大后的声音中含有大量谐波成分，因此需采用滤波器将谐波成分滤除。最后，对音频信号进行整形处理，得到方波信号，以便后续测频。由于上述采集的信号是在时域范围内的声信号，而时域分析只能反映信号的幅值随时间的变化情况，除单频率分量的简单波形外，很难明确提示信号的频率组成和各频率分量大小，而频谱分析能够较好地解决此问题。受FFT（快速傅立叶变换）理论的启发，本设计拟采用基于FFT的频谱分析技术。

2.2 单片机测频

利用单片机自带的两个定时器对输入的音频信号进行频率计数，通过测量单位时间内脉冲的个数得到脉冲信号的频率，准确计数琴弦信号。

2.3 电机比照标准频率控制

将单片机I/O口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号，通过驱动电路带动步进电机运动。反馈部分将拾取的信号与设定好的标准信号进行比对，反馈控制通过改变脉冲频率来调节步进电机的运行速度，直至实时信号频率落在标准频率误差允许范围区间内，电机停止转动。

2.4 锁死

采用机械弦轴，利用齿轮传动的原理即可实现自锁。电路原理如图2所示，处理流程如图3所示。

图2 电路原理图

图3 处理流程图

3 创新点

市场上已有的电子调音器和手机软件的调音器原理大致相同，调音者通过观察显示屏上的信息进行手动调音。这种校音器校音时无需发出标准音，空弦音由校音器的话筒输入，但仍需调音者手动调节，在调节的复杂程度和精度方面都存在一定问题。而自动调音器只有gibson和roadie，前者安置于吉他内部，无法拆装，且这种吉他价格非常昂贵，而roadie调音器同样存在价格昂贵、只局限于吉他调音的问题。本设计的创新之处在于：

（1）原理受用于所有弦类乐器，受众广，与市场上现有的产品相比有巨大优势；

（2）调节过程全自动化，方便快捷；

（3）面对越来越广阔的音乐市场，以自动化的理念为现有的音乐市场找到了一个契合点和进一步发展的方向。

4 市场前景

音乐市场是一个具有巨大潜力的平台，而乐器的传统性意味着创新的可能性。我们的产品面向音乐，切实解决了围绕小提琴调音的问题，实用性强。我们将智能化概念推广到了音乐市场，符合潮流。violin master以小提琴为代表，实现了自动调音，方便快捷，有较好的商业效益。