李周航

摘 要 隨著電子信息與通信技術的發(fā)展，數字音頻、多媒體通信等數字音頻處理技術在社會上得到了越來越多的應用。在樂器方面，譬如小提琴、大提琴、貝斯、古箏和吉他等樂器也被越來越多的人所關注。調音器是這些樂器使用時不可或缺的一個設備，而目前市面上的樂器調音器的種類不多，且其實用性和準確性都存在一些問題，各項技術有待提高。因此，文章在目前現有的調音器的基礎上，設計了一款具有自動調音功能的機械臂調音器。

關鍵詞 調音器；自動調音功能；機械臂

中圖分類號 TN91 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708（2019）233-0110-02

在提琴、吉他等大多樂器的使用中，為了保證可以完美的發(fā)揮出樂器本身的性能，需要對樂器的音準進行校準。然而某些初學者在并未習得調音技能的情況下進行調音時會存在音準不準、力度不適等方面的問題。因此，設計出具有自動調音功能的調音器是十分必要的，可自動調音的調音器便可以有效的解決上述問題。本文首先介紹了自動調音器的相關概念，目前市場上的調音器所具備的特點以及存在的問題，并在此基礎上設計了一款可應用于提琴系列和吉他系列的具有自動調音功能的機械臂調音器。

1 設計背景[1]

數字音頻技術于20世紀60年代出現，加之電子信息以及通信技術的快速發(fā)展，音頻、多媒體和廣播等數字音頻處理技術在當今社會中取得了廣泛的應用，人們日常生活受此影響也越來越深遠。

一般情況下，人的耳朵接聽到的聲音是模擬信號，而音頻信號需要經過采樣編碼、量化等一系列的數字化處理才能變成數字信號，緊接著再把數字化處理后得到的數字信號還原成人耳可以聽見的模擬信號，最后再把模擬信號轉換成聲音。目前數字音頻技術可以用在樂器調音、數字音響設備、多媒體、廣播節(jié)目制作系統、數字化廣播電視等方面。而調音器作為數字音頻技術的一個應用，被廣泛地應用在人們在日常生活中。

現在市場上除了少數比較高端的調音器是將振動原理和聲音原理配合起來進行調音外，大部分的調音器都是基于振動原理來設計的。另外，還有一種調音方式就是手機調音，通過在手機上下載調音軟件，使聲音由空氣傳播到手機自帶的麥克風里面，然后利用我們提前下載的軟件來對接收到的聲音的音調進行分析和調節(jié)，從而達到調音的目的。利用軟件調音的優(yōu)點是十分方便，因為我們的手機幾乎每時每刻都在我們的身邊；但其也有缺點，倘若我們身處于嘈雜的環(huán)境中，傳到手機中的聲音除了樂器發(fā)出的聲音外還有其余雜音，樂器發(fā)出的聲音與這些雜音一起經由手機軟件分析，那么雜音中的音調勢必會對調音的結果造成影響，進而使得調音結果會不精準；同樣的，當手機的麥克風接收到了人說話的聲音時，也會對最終的調節(jié)結果造成影響。調音器可以分析輸入至其中的聲音信號，分析出聲音信號的聲調，然后有效的實現樂器的調音。平時最常見的吉他調音器，該調音器是通過振動原理來達到調音的目的的[2]：首先在吉他的琴頭夾上調音器，讓調音器感受琴弦的振動。然而目前用于其他樂器的調音器還不是像吉他條一起一樣常見，因此對其他樂器的調音器的設計、或者可以讓多種樂器共同使用的調音器的設計是十分必要的。

2 基本概念

2.1 調音器和自動調音器

調音器是一種樂器輔助工具，主要指電子調音器，用于各種弦樂器的調音，包括小提琴調音器、大提琴調音器、貝斯調音器、吉他調音器、古箏調音器和尤克里里調音器等。而自動調音器是指不需要人手動操作調弦，調音的整個過程僅由自動調音器來自動完成的調音器。

2.2 機械臂[3]

簡單來說，機械臂就是一個高精度的機器手。實際上，機械臂是一個復雜系統。這個系統中存在一些不確定性，例如外界干擾、參數攝動、未建模動態(tài)等，這些不確定性造成了機械臂的建模模型也同樣有不確定性。機械臂在面對不同的工作任務時需要特定的針對該工作情況單獨的規(guī)劃關節(jié)空間的運動軌跡。機械臂有非結構不確定性和結構不確定性這兩種不確定性。前者是由外界干擾、測量時的噪聲等因素引起的；后者是由建模的模型本身引起的，有未建模動態(tài)和參數不確定性兩種。最近，由于機器人技術也得到了快速的發(fā)展，具有高精度、高負載自重比特性的機器人結構收到了很多的關注。在機械臂的運動過程中，關節(jié)和連桿的柔性效應造成了執(zhí)行任務的精度的降低[ 4 ]。因此在設計機械臂時，其柔性特性也要考慮進去。而柔性的機械臂[5]是一個非常復雜的動力學系統，也是一個剛柔耦合、機電耦合的非新型系統。

3 市場上調音器存在的問題

目前市場上的調音器種類并不算多，這些調音器仍然存在一些問題：

1）不具備自動聽音辨別音準的功能；2）無法實現解放人力的調音，只是輔助人手進行調音；3）無法控制力度，造成調音力度不適，甚至會誤傷自己；4）沒有考慮到實用性，功能較單一。

4 本文設計的自動調音器

基于上節(jié)中提到的目前市場上大多數調音器所具有的問題，作者利用具有高精度機器手特性的機械臂來針對性的設計了一款可以自動調音的調音器。

4.1 本設計采用的方案

為解決上節(jié)中提到的目前市場上的調音器存在的技術問題，作者在設計該新型自動調音器時采用了可以高精度完成任務的機械臂，該自動調音器的結構如圖1和圖2所示。

如圖1、圖2中所示，該自動調音器包括以下幾個部分：頻率接收及單片機機構（1）、調音機械臂（2）、伸縮桿（3）、隱藏調音機械臂（4）、琴夾（5）和手柄（6）。

其中，頻率接收及單片機機構（1）、調音機械臂（2）、隱藏調音機械臂（4）分別通過伸縮桿（3）與手柄（6）連接，琴夾（5）固定在手柄（6）上。調音器在使用時，將琴夾（5）固定在琴把上，機械臂通過伸縮桿調至適宜位置后，將機械臂上的各個齒與弦軸緊密接觸完成固定。

持琴者將調音器安裝完畢后，手動撥弦產生聲音信號，頻率接收器接收到聲音信號后，轉化為頻率信息傳送給單片機，單片機進行信號處理并將其轉化為電信號，驅動機械臂中的電機工作。

當接收到的頻率高于預設標準值時，單片機驅動機械臂中的電機工作，使弦軸放松，反之，機械臂使弦軸收緊，這樣便實現了調音的目的。

除此之外，該自動調音器的機械臂還可以任意旋轉，我們可以根據特定的需求調節(jié)具有不同弦軸數量的琴；例如吉他有6個弦軸，小提琴有4個弦軸，但是吉他和小提琴都可以使用本文中的新型設計來進行調音，當調音器的機械臂閑置時可將機械臂旋下扣在琴夾上，見圖2隱藏調音機械臂（4），這樣便可以節(jié)省空間。

4.2 本設計的亮點

本文所設計的具有自動調音功能的機械臂調音器的亮點體現在以下幾個方面：

1）該自動調音器以琴弦的振動頻率為參考標準的，可以較為精確的把握音準；2）該新型自動調音器以機械臂代替人手進行調音操作，解放了人力，最重要的是機械臂調整的精確度高于人手；3）該自動調音器以機械結構代替人手進行操作，用戶安全得以保障；4）該調音器的使用方面比較廣泛，可用于吉他系列和提琴系列的調音。

5 結論

綜上所述，本文設計的依賴于機械臂、且具有自動調音能力的調音器有較好的應用前景。一方面，該自動調音器采用了機械臂來替代人手的操作，有效的提高了調音的精確度、保障了調音時操作人員的安全；另一方面，該調音器的使用方面不再局限為一種樂器，而是可以為弦軸數目不同的樂器進行調音，有很好的應用潛力。

參考文獻

[1]基于Avalon總線的音頻頻譜分析系統設計與實現[D].合肥：安徽大學，2018.

[2]桂雅駿，吳小培，呂釗.一種吉他調音器的設計與實現[J].工業(yè)控制計算機，2015（5）：123-125.

[3]史先鵬，劉士榮.機械臂軌跡跟蹤控制研究進展[J].控制工程，2011，18（1）：116-122.

[4]洪在地.空間機械臂運動學分析的完全笛卡爾坐標方法及柔性影響下的動力學優(yōu)化控制[D].福州：福州大學，2003.

[5]李小倩.基于滑模的剛性機械臂有限時間軌跡跟蹤控制研究[D].沈陽：東北大學，2013.