專利名稱：智能音樂多用儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種音樂儀器，特別是具有標準定音音源輸出功能、節(jié)拍功能、固定音名唱名對照教學功能、器樂聲樂音高及音高誤差自動判斷測試功能的智能化數(shù)字顯示式的音樂多功能儀器。
目前作為音樂數(shù)學、聲樂定音、非定音器樂校準(如管弦樂器等)、演奏及舞蹈、視唱訓練來說主要需用到兩種儀器，即校音器和節(jié)拍器。一定的音高具有一定的固定頻率，長期以來，對于樂器和聲樂的定音校準，人們一直沿用耳朵聽力對比鑒別法來進行校準，即以音笛或音叉等音源發(fā)出的聲音頻率為定音標準，利用人耳對聲音的頻率鑒別力來判別樂器或演唱的音準，然后將樂器或演唱音準調(diào)校到人耳聽力認為兩者相一致時為止。這種校音方法由于受入耳對不同音高的頻率鑒別力的影響，沒有進行過音樂專業(yè)訓練的音樂愛好者，特別是早期沒有接受過音樂器樂、聲樂教育訓練的青少年兒童，在相當長的時期內(nèi)都很難把唱音或樂器音準調(diào)校到應(yīng)有的音準上，其音準偏差一般高達10個音分以上，遠遠超出3個音分的基本音準要求，從而造成樂器音準偏差和耳朵音準偏差的惡性循環(huán)。除了入耳音高頻率鑒別誤差外，作為標準定音音源的音叉、音笛等，由于受材料和制作工藝及環(huán)境溫度等的影響，其固有頻率除有基本誤差外還會發(fā)生漂移，其準確度只能達到百分之幾到千分之幾量級，且一般只有單一標準音輸出，不能滿足人們簡便地進行高精度、寬范圍定音、校音的需要。
作為演出節(jié)奏訓練用的節(jié)拍器，目前仍以機械節(jié)拍器為主，其原理是利用調(diào)節(jié)機械單擺的有效擺長來控制單擺的振動周期。這種機械式節(jié)拍器其加工精度要求高，節(jié)奏調(diào)節(jié)粗糙，容易磨損，不能連續(xù)長期工作，并需經(jīng)常上條。雖然國內(nèi)外先后生產(chǎn)過多種型號的全電子式的節(jié)拍器，但大都利用RC充放電時間為常量的原理，通過調(diào)節(jié)R的值來控制節(jié)奏。利用這一原理生產(chǎn)的電子節(jié)拍器，其最大的缺點在于其輸出的節(jié)奏值很難與標尺刻度相一致，其準確度誤差高達百分之十左右，且可調(diào)電阻器極易磨損。還有一種電子節(jié)拍器是利用晶體振蕩器作為振蕩源，采用改變硬件數(shù)字邏輯電路分頻級數(shù)的方法來改變輸出節(jié)奏。這種電路雖然節(jié)奏輸出精度高，但若需要得到足夠細的節(jié)奏輸出值，其電路和儀器結(jié)構(gòu)就相當復雜，成本也迅速增加。
作為音樂樂理教學來說，由于需進行變調(diào)視唱訓練，因各調(diào)的固定音名與固定唱名不同，需按一定規(guī)律變化，而目前尚無進行各調(diào)固定音名唱名對照教學的儀器。
本實用新型的目的是解決人耳對音高頻率鑒別存在誤差的問題，在現(xiàn)有儀器的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種精度高、調(diào)節(jié)使用方便、具有判斷、測試樂器或聲樂音高及音高誤差功能的且將節(jié)拍功能及標準定音音源功能、固定音名唱名對照教學功能合為一體的數(shù)字顯示式智能化音樂多功能儀器。
本實用新型由聲電變換器、輸入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器、單片計算機系統(tǒng)、鏈盤、音響效果電路、音頻輸出功率放大器、揚聲器、數(shù)據(jù)顯示電路和電子擺電路構(gòu)成，聲電變換器、輸入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器、單片計算機系統(tǒng)、音響效果電路、音頻輸出功率放大器和揚聲器的輸入輸出端順序相連，數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動器和電子擺驅(qū)動器的輸入端分別與單片計算機輸出數(shù)據(jù)口相連，該單片計算機系統(tǒng)是本儀器的核心，由中央處理器、特殊功能寄存器、晶體振蕩器、片內(nèi)可編程定時計數(shù)器、輸入輸出口、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器和地址鎖存器等幾部分構(gòu)成，在軟件的支特下可完成多種復雜的控制和計算功能。單片計算機在監(jiān)控軟件的控制下對鍵盤進行掃描。當有鍵命令輸入時，通過軟件譯碼和鍵執(zhí)行功能，計算機自動將儀器的工作狀態(tài)切換到人工所選擇的標準音輸出或節(jié)拍音輸出、控制調(diào)整、自動校音等功能狀態(tài)上。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本智能音樂多用儀的獨特之處在于設(shè)置了輸入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器和電子擺電路。帶通濾波放大器和斯密特觸發(fā)器的設(shè)置是為了提高儀器的抗干擾能力，同時監(jiān)控軟件內(nèi)編制有數(shù)字濾波軟件以進一步提高測試結(jié)果的準確度和可靠性。檢測時，帶通濾波放大器首先將檢測頻帶外的噪音信號進行衰減，使它不能通過斯密特觸發(fā)器，同時濾去帶內(nèi)信號的部分高次諧波。斯密特觸發(fā)器對經(jīng)放大后的輸入信號進行整形并有削去部分脈動干擾信號。數(shù)字濾波軟件由輸入脈寬檢測程序、壞值剔除程序、數(shù)組M(m)測試脈沖周期誤差比較等子程序模塊構(gòu)成。在檢測工作模式下，當單片計算機檢測到有信號脈沖輸入時，開啟片內(nèi)定計時器對信號脈沖寬度和周期進行測量。數(shù)字濾波軟件首先檢測輸入脈沖寬度是否在允許范圍內(nèi)，以進一步屏蔽掉帶外信號，若是，則分別計測M組，每組m個脈沖周期的時間，并剔除壞值，然后比較所測得的該M組脈沖周期相互之間的誤差是否在允許范圍內(nèi)，以排除隨機干擾脈沖信號的影響。若是，則計算出信號脈沖的平均頻率并進入音高判斷和音高誤差計算處理，否則判輸入信號無效而重新進入下一測試周期。
本智能音樂多用儀中的電子擺兼模擬音高顯示器。當儀器工作狀態(tài)是標準音輸出時，單片計算機還要將固定唱名數(shù)據(jù)送入模擬音高顯器以顯示固定唱名數(shù)據(jù)。若是節(jié)拍音輸出時，單片計算機軟件要通過控制電子開關(guān)的狀態(tài)來控制節(jié)拍音輸出的音響間歇時間，并通過數(shù)據(jù)輸出口控制電子擺的擺動周期和擺動方向。電子擺由電子擺驅(qū)動器和N個發(fā)光二極管組成，電子擺驅(qū)動器是一組移位寄存器。移位寄存器的移位脈沖信號輸入端與單片計算機的移位脈沖輸出口相連。計算機將一個節(jié)拍音周期平分為2N個電子擺移位脈沖周期，在一個節(jié)拍周期內(nèi)，通過輸出口以正向和反向方式順序向移位寄存器輸出2N個驅(qū)動發(fā)光二極管的移位脈沖點燃信號，從而使電子擺的發(fā)光二極管連續(xù)順序發(fā)光，給人以來回擺動的直觀視覺。由于單片機片內(nèi)可編程定時器的可編程定時常數(shù)范圍非常寬，因此標準音和節(jié)拍音的輸出范圍也可做得非常寬和足夠地細，同時利用數(shù)據(jù)顯示器和模擬音高顯示器可方便地得到標準音各調(diào)式固定音名、唱名的對照數(shù)據(jù)。
由于本實用新型采用了輸入帶通濾波器、斯密特觸發(fā)器電子擺電路及音響效果電路，使本儀器較之現(xiàn)有同類儀器具有更好的抗干擾能力和音響效果，并能將節(jié)拍音以光的形式產(chǎn)生來回擺動的直觀視覺，在軟件的支持下，使本儀器具有智能化程度高、操作簡捷方便、儀器可靠性高，工作范圍寬、精度高、成本低、調(diào)整環(huán)節(jié)少、無磨損、便于批量生產(chǎn)和推廣的顯著優(yōu)點。
以下結(jié)合附圖進一步說明本實用新型


圖1電路方框圖圖2電原理圖本實用新型由聲電變換器、輸入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器、單片計算機系統(tǒng)、鏈盤、音響效果電路、揚聲器、數(shù)顯器及其驅(qū)動器和電子擺及其驅(qū)動器構(gòu)成，聲電變換器、輸入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器、單片機系統(tǒng)、音響效果電路和揚聲器的輸入輸出端順序連接，單片機的輸出數(shù)據(jù)口分別與數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動器和電子擺驅(qū)動器相連。
在電原理圖中，MIC為聲電變換器，運算放大器A1、電阻R2—4、電容C4—5構(gòu)成輸入帶通濾波放大器，運放A2、電阻R5～7、二極管D1構(gòu)成斯密特觸發(fā)器，IC1為中央處理器，IC2為程序存儲器、IC3為地址鎖存器，IC4為電子擺驅(qū)動器，IC5為數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動器，IC6為穩(wěn)壓器、G1—4和IC5為數(shù)顯驅(qū)動器，D2～nN個發(fā)光二極管構(gòu)成電子擺，IC4為電子擺驅(qū)動電路。該電子擺同時兼模擬音高顯示器，運放O1、G5、二極管D12、電位器W1、電阻R21—23、電容C6—9和揚聲器S1構(gòu)成音響效果處理電路和音頻輸出功率放大器。
單片計算機系統(tǒng)是本儀器的核心，由IC1中央處理器、特殊功能寄存器、晶體振蕩器CR，片內(nèi)可編程定時計數(shù)器、輸入輸出接口、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器IC2、地址鎖存器IC3等幾部分構(gòu)成，單片機在監(jiān)控軟件的控制下對鍵盤掃描，當有鍵命令輸入時，通過軟件鍵譯碼和健執(zhí)行功能，計算機自動將儀器的工作狀態(tài)切換到人工選擇的標準音輸出或節(jié)拍音輸出控制調(diào)整、自動校音等功能狀態(tài)上。
本智能音樂多用儀在軟件支持下可實現(xiàn)如下功能，分述如下1、標準定音音源功能、節(jié)拍功能和固定音名唱名對照教學功能本實施例的標準音源輸出功能和節(jié)拍音輸出功能可統(tǒng)一認為是一個標準信號發(fā)生功能，只是頻率不同，顯示指示方式不同而已。前者可替代音叉，音笛等作為標準定音信號，后者用于替代節(jié)拍器。
標準信號發(fā)生功能是在軟件的支持下，單片計算機根據(jù)人工通過鍵盤預選的標準音名或節(jié)拍值，計算并編程片內(nèi)可編程定時計數(shù)器的定時值，對晶振頻率進行選定進制的分頻，并開啟定時器中斷。因此片內(nèi)定時器溢出時產(chǎn)生的中斷頻率即對應(yīng)標準音的頻率。每當定時器中斷一次，軟件就控制單片機的音頻輸出口電平反相一次，從而在單片機輸出口得到連續(xù)的標準音或節(jié)拍音脈沖電平信號。將該標準音或節(jié)拍音信號送到音頻輸出功率放大器進行放大，并驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，得到所需的定音標準或節(jié)拍音響。與此同時單片計算機通過顯示數(shù)據(jù)輸出口輸出固定音名數(shù)據(jù)或節(jié)拍數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動器上，以驅(qū)動數(shù)據(jù)顯示器指示出標準音的調(diào)式、固定音名或拍子值以及拍速值、儀器的當前工作狀態(tài)。
2、器樂、聲樂音高及音高誤差自動判斷測試功能該功能是將被測試的樂器或聲樂的音響信號經(jīng)拾音器MIC拾音并轉(zhuǎn)換為電信號，送入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器進行放大，整形，再送入計算機的信號檢測輸入口進行數(shù)字濾波和計算處理，最后顯示出測得的音高值和音準誤差。
音高的自動判別和音高誤差的計算在本實施例中，監(jiān)控軟件設(shè)計有一套標準音高的數(shù)據(jù)庫，庫內(nèi)每一數(shù)據(jù)對應(yīng)一個固定的音高值。計算機在軟件指令的控制下將所測得的器樂、聲樂音響信號頻率數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進行比較，當找到兩者差值為最小的那一個數(shù)據(jù)時，所對應(yīng)的音高即為被校測的樂器或聲樂的音高，兩者間的差值即為音高誤差。計算機分別將音高誤差和音高值送入數(shù)據(jù)顯示器和模擬音高指示器，從而完成了自動音高和音高誤差判斷測試的全過程。
由本實用例可知，對樂器和聲樂音響信號的音準及音高誤差的判別完全由儀器內(nèi)的單片計算機來進行自動識別和計算，并以數(shù)字方式顯示出音高和音高誤差，因而完全避免了入耳聽力音準鑒別率誤差帶來的校音誤差，以及音叉、音笛等低精度音源引入的校音誤差，大大提高了校音準確度和方便性。另外，由于采用了單片計算機系統(tǒng)，使得各個功能音的切換和節(jié)拍值、拍速、標準音的高低的調(diào)節(jié)等均可以通過鍵盤進行，在軟件的支持下，不增加硬件開銷可充分利用單片計算機片內(nèi)資源而得到多種功能，因而智能化程度高、操作簡捷方便、儀器可靠性高、工作范圍寬、精度高、成本低、調(diào)整環(huán)節(jié)少、無磨損、便于批量生產(chǎn)和推廣。樣機實驗結(jié)果表明該音樂多功能儀標準音輸出準確度和對樂器和聲樂的音準測試可達零點幾到千分之幾個音分以上的音準精度等級，節(jié)拍音準確度可優(yōu)于1拍/每小時。
本實施例中，音頻功率輸出放大器的輸入端串接的R21、R22、R23、D12、C6、G5、C9等元件組成音響效果電路，可在單片機的控制下產(chǎn)生各種音響效果。如當單片機輸出口有音頻信號輸出時，設(shè)G5由單片機控制為關(guān)斷狀態(tài)，在時間常數(shù)為T＝R21×C6范圍內(nèi)電容C8將按指數(shù)衰減曲線進行充電而使功率輸出放大器的輸入端迭加一個由強到弱的信號，從而得到的音響聲產(chǎn)生打擊樂器的碰撞音效果。
綜上，本智能音樂多用儀是一種智能化程度高、功能強、輸出范圍寬、精度高、測量準確、操作簡捷方便、可靠性高、成本低、調(diào)整環(huán)節(jié)少的音樂多用儀。
權(quán)利要求1.智能音樂多用儀，包括單片計算機系統(tǒng)、數(shù)字鍵盤輸入電路、驅(qū)動電路、數(shù)據(jù)顯示電路、音頻功放電路和揚聲器，單片計算機系統(tǒng)由中央處理器，特殊功能寄存器、晶體振蕩器、片內(nèi)可編程定時計數(shù)器、輸入輸出口、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、地址鎖存器等幾部分構(gòu)成，其特征是該多用儀具有輸入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器和電子擺電路，電子擺兼模擬音高指示器，其驅(qū)動電路輸入端與數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動電路輸入端分別與單片計算機輸出數(shù)據(jù)口相連接，聲電變換器、輸入帶通濾波放大器，斯密特觸發(fā)器、單片機、音頻功率放大器和揚聲器的輸入輸出端依次順序相連。
2.按照權(quán)利要求1所述的智能音樂多用儀，其特征是在單片機與音頻功放電路之間接入了音響效果電路，該電路由G5、D12、R21～23、C9構(gòu)成。
3.按照權(quán)利要求1和2所述的智能音樂多用儀，其特征是電子擺由數(shù)個發(fā)光二極管構(gòu)成。
專利摘要本實用新型是一種具有普遍推廣意義的音樂儀器。它由單片計算機、鍵盤、音頻輸出功率放大器、揚聲器、拾音器、輸入信號帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器、數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動器、數(shù)據(jù)顯示器、電子擺驅(qū)動器、電子擺兼模擬音高指示器，監(jiān)控計算軟件等幾部分組成，集標準定音音源輸出、節(jié)拍聲光輸出、固定音名唱名對照、音響效果處理、器樂、聲樂、音高及音高誤差判斷測試等多種功能為一體，具有智能化程度高、功能強、輸出范圍寬、精度高、測量準確、操作簡捷方便、可靠性高、成本低、調(diào)整環(huán)節(jié)少的優(yōu)點。
文檔編號G10G7/00GK2224455SQ94227289
公開日1996年4月10日 申請日期1994年3月14日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月14日
發(fā)明者李俊中 申請人:李俊中