合肥工業(yè)大學

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頻率，從而決定弦的音高。由于弦軸松動及氣溫變化熱脹冷縮導(dǎo)致琴音不準，因此學習者、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)，對音階聽力不太好的人或者音樂初學者來說存在一定的困難。針對這一問題，本文擬選取弦樂的代表——小提琴進行研究，開發(fā)可實現(xiàn)自動調(diào)音的外置調(diào)音器violin master，以解決調(diào)音問題?？蓪崿F(xiàn)如下功能：

（1）拉動琴弦，通過拾音器采集聲音信號；

（2）將采集的信號進行放大、濾波、整形處理，與標準頻率比較；

（3）反饋控制，控制電機轉(zhuǎn)動進行調(diào)音，直至信號頻率落在標準頻率的合理區(qū)間內(nèi)；

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

外置調(diào)音器實驗?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。

圖1 外置調(diào)音器實驗?zāi)Ｐ?/p>

2 工作原理

2.1 音頻處理

經(jīng)拾音器采集現(xiàn)場環(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)計對采集的聲音進行放大處理。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，對音頻信號進行整形處理，得到方波信號，以便后續(xù)測頻。由于上述采集的信號是在時域范圍內(nèi)的聲信號，而時域分析只能反映信號的幅值隨時間的變化情況，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)計擬采用基于FFT的頻譜分析技術(shù)。

2.2 單片機測頻

利用單片機自帶的兩個定時器對輸入的音頻信號進行頻率計數(shù)，通過測量單位時間內(nèi)脈沖的個數(shù)得到脈沖信號的頻率，準確計數(shù)琴弦信號。

2.3 電機比照標準頻率控制

將單片機I/O口輸出的具有時序的方波作為步進電機的控制信號，通過驅(qū)動電路帶動步進電機運動。反饋部分將拾取的信號與設(shè)定好的標準信號進行比對，反饋控制通過改變脈沖頻率來調(diào)節(jié)步進電機的運行速度，直至實時信號頻率落在標準頻率誤差允許范圍區(qū)間內(nèi)，電機停止轉(zhuǎn)動。

2.4 鎖死

采用機械弦軸，利用齒輪傳動的原理即可實現(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

市場上已有的電子調(diào)音器和手機軟件的調(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行手動調(diào)音。這種校音器校音時無需發(fā)出標準音，空弦音由校音器的話筒輸入，但仍需調(diào)音者手動調(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，且這種吉他價格非常昂貴，而roadie調(diào)音器同樣存在價格昂貴、只局限于吉他調(diào)音的問題。本設(shè)計的創(chuàng)新之處在于：

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

（2）調(diào)節(jié)過程全自動化，方便快捷；

（3）面對越來越廣闊的音樂市場，以自動化的理念為現(xiàn)有的音樂市場找到了一個契合點和進一步發(fā)展的方向。

4 市場前景

音樂市場是一個具有巨大潛力的平臺，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，切實解決了圍繞小提琴調(diào)音的問題，實用性強。我們將智能化概念推廣到了音樂市場，符合潮流。violin master以小提琴為代表，實現(xiàn)了自動調(diào)音，方便快捷，有較好的商業(yè)效益。