專利名稱：智能音樂多用儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種音樂儀器，特別是具有標(biāo)準(zhǔn)定音音源輸出功能、節(jié)拍功能、固定音名唱名對(duì)照教學(xué)功能、器樂聲樂音高及音高誤差自動(dòng)判斷測(cè)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(xué)、聲樂定音、非定音器樂校準(zhǔn)(如管弦樂器等)、演奏及舞蹈、視唱訓(xùn)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(duì)于樂器和聲樂的定音校準(zhǔn)，人們一直沿用耳朵聽力對(duì)比鑒別法來進(jìn)行校準(zhǔn)，即以音笛或音叉等音源發(fā)出的聲音頻率為定音標(biāo)準(zhǔn)，利用人耳對(duì)聲音的頻率鑒別力來判別樂器或演唱的音準(zhǔn)，然后將樂器或演唱音準(zhǔn)調(diào)校到人耳聽力認(rèn)為兩者相一致時(shí)為止。這種校音方法由于受入耳對(duì)不同音高的頻率鑒別力的影響，沒有進(jìn)行過音樂專業(yè)訓(xùn)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(xùn)練的青少年兒童，在相當(dāng)長的時(shí)期內(nèi)都很難把唱音或樂器音準(zhǔn)調(diào)校到應(yīng)有的音準(zhǔn)上，其音準(zhǔn)偏差一般高達(dá)10個(gè)音分以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出3個(gè)音分的基本音準(zhǔn)要求，從而造成樂器音準(zhǔn)偏差和耳朵音準(zhǔn)偏差的惡性循環(huán)。除了入耳音高頻率鑒別誤差外，作為標(biāo)準(zhǔn)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(huì)發(fā)生漂移，其準(zhǔn)確度只能達(dá)到百分之幾到千分之幾量級(jí)，且一般只有單一標(biāo)準(zhǔn)音輸出，不能滿足人們簡(jiǎn)便地進(jìn)行高精度、寬范圍定音、校音的需要。
作為演出節(jié)奏訓(xùn)練用的節(jié)拍器，目前仍以機(jī)械節(jié)拍器為主，其原理是利用調(diào)節(jié)機(jī)械單擺的有效擺長來控制單擺的振動(dòng)周期。這種機(jī)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(hào)的全電子式的節(jié)拍器，但大都利用RC充放電時(shí)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(diǎn)在于其輸出的節(jié)奏值很難與標(biāo)尺刻度相一致，其準(zhǔn)確度誤差高達(dá)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(jí)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(xì)的節(jié)奏輸出值，其電路和儀器結(jié)構(gòu)就相當(dāng)復(fù)雜，成本也迅速增加。
作為音樂樂理教學(xué)來說，由于需進(jìn)行變調(diào)視唱訓(xùn)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(jìn)行各調(diào)固定音名唱名對(duì)照教學(xué)的儀器。
本實(shí)用新型的目的是解決人耳對(duì)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(jì)一種精度高、調(diào)節(jié)使用方便、具有判斷、測(cè)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(biāo)準(zhǔn)定音音源功能、固定音名唱名對(duì)照教學(xué)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(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、鏈盤、音響效果電路、音頻輸出功率放大器、揚(yáng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、音響效果電路、音頻輸出功率放大器和揚(yáng)聲器的輸入輸出端順序相連，數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)器和電子擺驅(qū)動(dòng)器的輸入端分別與單片計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)口相連，該單片計(jì)算機(jī)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(shí)計(jì)數(shù)器、輸入輸出口、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)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(fù)雜的控制和計(jì)算功能。單片計(jì)算機(jī)在監(jiān)控軟件的控制下對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描。當(dāng)有鍵命令輸入時(shí)，通過軟件譯碼和鍵執(zhí)行功能，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將儀器的工作狀態(tài)切換到人工所選擇的標(biāo)準(zhǔn)音輸出或節(jié)拍音輸出、控制調(diào)整、自動(dòng)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(dú)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(shí)監(jiān)控軟件內(nèi)編制有數(shù)字濾波軟件以進(jìn)一步提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性。檢測(cè)時(shí)，帶通濾波放大器首先將檢測(cè)頻帶外的噪音信號(hào)進(jìn)行衰減，使它不能通過斯密特觸發(fā)器，同時(shí)濾去帶內(nèi)信號(hào)的部分高次諧波。斯密特觸發(fā)器對(duì)經(jīng)放大后的輸入信號(hào)進(jìn)行整形并有削去部分脈動(dòng)干擾信號(hào)。數(shù)字濾波軟件由輸入脈寬檢測(cè)程序、壞值剔除程序、數(shù)組M(m)測(cè)試脈沖周期誤差比較等子程序模塊構(gòu)成。在檢測(cè)工作模式下，當(dāng)單片計(jì)算機(jī)檢測(cè)到有信號(hào)脈沖輸入時(shí)，開啟片內(nèi)定計(jì)時(shí)器對(duì)信號(hào)脈沖寬度和周期進(jìn)行測(cè)量。數(shù)字濾波軟件首先檢測(cè)輸入脈沖寬度是否在允許范圍內(nèi)，以進(jìn)一步屏蔽掉帶外信號(hào)，若是，則分別計(jì)測(cè)M組，每組m個(gè)脈沖周期的時(shí)間，并剔除壞值，然后比較所測(cè)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(jī)干擾脈沖信號(hào)的影響。若是，則計(jì)算出信號(hào)脈沖的平均頻率并進(jìn)入音高判斷和音高誤差計(jì)算處理，否則判輸入信號(hào)無效而重新進(jìn)入下一測(cè)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(dāng)儀器工作狀態(tài)是標(biāo)準(zhǔn)音輸出時(shí)，單片計(jì)算機(jī)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(shí)，單片計(jì)算機(jī)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(shí)間，并通過數(shù)據(jù)輸出口控制電子擺的擺動(dòng)周期和擺動(dòng)方向。電子擺由電子擺驅(qū)動(dòng)器和N個(gè)發(fā)光二極管組成，電子擺驅(qū)動(dòng)器是一組移位寄存器。移位寄存器的移位脈沖信號(hào)輸入端與單片計(jì)算機(jī)的移位脈沖輸出口相連。計(jì)算機(jī)將一個(gè)節(jié)拍音周期平分為2N個(gè)電子擺移位脈沖周期，在一個(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的移位脈沖點(diǎn)燃信號(hào)，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?cái)[動(dòng)的直觀視覺。由于單片機(jī)片內(nèi)可編程定時(shí)器的可編程定時(shí)常數(shù)范圍非常寬，因此標(biāo)準(zhǔn)音和節(jié)拍音的輸出范圍也可做得非常寬和足夠地細(xì)，同時(shí)利用數(shù)據(jù)顯示器和模擬音高顯示器可方便地得到標(biāo)準(zhǔn)音各調(diào)式固定音名、唱名的對(duì)照數(shù)據(jù)。
由于本實(shí)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?cái)[動(dòng)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(jiǎn)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(diǎn)。
以下結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本實(shí)用新型


圖1電路方框圖圖2電原理圖本實(shí)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、鏈盤、音響效果電路、揚(yáng)聲器、數(shù)顯器及其驅(qū)動(dòng)器和電子擺及其驅(qū)動(dòng)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(jī)系統(tǒng)、音響效果電路和揚(yáng)聲器的輸入輸出端順序連接，單片機(jī)的輸出數(shù)據(jù)口分別與數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)器和電子擺驅(qū)動(dòng)器相連。
在電原理圖中，MIC為聲電變換器，運(yùn)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(yùn)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(chǔ)器、IC3為地址鎖存器，IC4為電子擺驅(qū)動(dòng)器，IC5為數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)器，IC6為穩(wěn)壓器、G1—4和IC5為數(shù)顯驅(qū)動(dòng)器，D2～nN個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成電子擺，IC4為電子擺驅(qū)動(dòng)電路。該電子擺同時(shí)兼模擬音高顯示器，運(yùn)放O1、G5、二極管D12、電位器W1、電阻R21—23、電容C6—9和揚(yáng)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(jì)算機(jī)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(shí)計(jì)數(shù)器、輸入輸出接口、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器IC2、地址鎖存器IC3等幾部分構(gòu)成，單片機(jī)在監(jiān)控軟件的控制下對(duì)鍵盤掃描，當(dāng)有鍵命令輸入時(shí)，通過軟件鍵譯碼和健執(zhí)行功能，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將儀器的工作狀態(tài)切換到人工選擇的標(biāo)準(zhǔn)音輸出或節(jié)拍音輸出控制調(diào)整、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)如下功能，分述如下1、標(biāo)準(zhǔn)定音音源功能、節(jié)拍功能和固定音名唱名對(duì)照教學(xué)功能本實(shí)施例的標(biāo)準(zhǔn)音源輸出功能和節(jié)拍音輸出功能可統(tǒng)一認(rèn)為是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)定音信號(hào)，后者用于替代節(jié)拍器。
標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生功能是在軟件的支持下，單片計(jì)算機(jī)根據(jù)人工通過鍵盤預(yù)選的標(biāo)準(zhǔn)音名或節(jié)拍值，計(jì)算并編程片內(nèi)可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器的定時(shí)值，對(duì)晶振頻率進(jìn)行選定進(jìn)制的分頻，并開啟定時(shí)器中斷。因此片內(nèi)定時(shí)器溢出時(shí)產(chǎn)生的中斷頻率即對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)音的頻率。每當(dāng)定時(shí)器中斷一次，軟件就控制單片機(jī)的音頻輸出口電平反相一次，從而在單片機(jī)輸出口得到連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)音或節(jié)拍音脈沖電平信號(hào)。將該標(biāo)準(zhǔn)音或節(jié)拍音信號(hào)送到音頻輸出功率放大器進(jìn)行放大，并驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲，得到所需的定音標(biāo)準(zhǔn)或節(jié)拍音響。與此同時(shí)單片計(jì)算機(jī)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(dòng)器上，以驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示器指示出標(biāo)準(zhǔn)音的調(diào)式、固定音名或拍子值以及拍速值、儀器的當(dāng)前工作狀態(tài)。
2、器樂、聲樂音高及音高誤差自動(dòng)判斷測(cè)試功能該功能是將被測(cè)試的樂器或聲樂的音響信號(hào)經(jīng)拾音器MIC拾音并轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送入帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器進(jìn)行放大，整形，再送入計(jì)算機(jī)的信號(hào)檢測(cè)輸入口進(jìn)行數(shù)字濾波和計(jì)算處理，最后顯示出測(cè)得的音高值和音準(zhǔn)誤差。
音高的自動(dòng)判別和音高誤差的計(jì)算在本實(shí)施例中，監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)有一套標(biāo)準(zhǔn)音高的數(shù)據(jù)庫，庫內(nèi)每一數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)一個(gè)固定的音高值。計(jì)算機(jī)在軟件指令的控制下將所測(cè)得的器樂、聲樂音響信號(hào)頻率數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)找到兩者差值為最小的那一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，所對(duì)應(yīng)的音高即為被校測(cè)的樂器或聲樂的音高，兩者間的差值即為音高誤差。計(jì)算機(jī)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(dòng)音高和音高誤差判斷測(cè)試的全過程。
由本實(shí)用例可知，對(duì)樂器和聲樂音響信號(hào)的音準(zhǔn)及音高誤差的判別完全由儀器內(nèi)的單片計(jì)算機(jī)來進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和計(jì)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(zhǔn)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(zhǔn)確度和方便性。另外，由于采用了單片計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，使得各個(gè)功能音的切換和節(jié)拍值、拍速、標(biāo)準(zhǔn)音的高低的調(diào)節(jié)等均可以通過鍵盤進(jìn)行，在軟件的支持下，不增加硬件開銷可充分利用單片計(jì)算機(jī)片內(nèi)資源而得到多種功能，因而智能化程度高、操作簡(jiǎn)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(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該音樂多功能儀標(biāo)準(zhǔn)音輸出準(zhǔn)確度和對(duì)樂器和聲樂的音準(zhǔn)測(cè)試可達(dá)零點(diǎn)幾到千分之幾個(gè)音分以上的音準(zhǔn)精度等級(jí)，節(jié)拍音準(zhǔn)確度可優(yōu)于1拍/每小時(shí)。
本實(shí)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(jī)的控制下產(chǎn)生各種音響效果。如當(dāng)單片機(jī)輸出口有音頻信號(hào)輸出時(shí)，設(shè)G5由單片機(jī)控制為關(guān)斷狀態(tài)，在時(shí)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(jìn)行充電而使功率輸出放大器的輸入端迭加一個(gè)由強(qiáng)到弱的信號(hào)，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(qiáng)、輸出范圍寬、精度高、測(cè)量準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)、數(shù)字鍵盤輸入電路、驅(qū)動(dòng)電路、數(shù)據(jù)顯示電路、音頻功放電路和揚(yáng)聲器，單片計(jì)算機(jī)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(shí)計(jì)數(shù)器、輸入輸出口、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)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(dòng)電路輸入端與數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)電路輸入端分別與單片計(jì)算機(jī)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(jī)、音頻功率放大器和揚(yáng)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(jī)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(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成。
專利摘要本實(shí)用新型是一種具有普遍推廣意義的音樂儀器。它由單片計(jì)算機(jī)、鍵盤、音頻輸出功率放大器、揚(yáng)聲器、拾音器、輸入信號(hào)帶通濾波放大器、斯密特觸發(fā)器、數(shù)據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)器、數(shù)據(jù)顯示器、電子擺驅(qū)動(dòng)器、電子擺兼模擬音高指示器，監(jiān)控計(jì)算軟件等幾部分組成，集標(biāo)準(zhǔn)定音音源輸出、節(jié)拍聲光輸出、固定音名唱名對(duì)照、音響效果處理、器樂、聲樂、音高及音高誤差判斷測(cè)試等多種功能為一體，具有智能化程度高、功能強(qiáng)、輸出范圍寬、精度高、測(cè)量準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)捷方便、可靠性高、成本低、調(diào)整環(huán)節(jié)少的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G10G7/00GK2224455SQ94227289
公開日1996年4月10日 申請(qǐng)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(qǐng)人:李俊中