外置調音器
——violin master

合肥工業大學

鐘郅杰，曹 凡，左 璇，化彥伶，閔 波

1 作品簡介

弦樂調音通過弦軸調節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致琴音不準，因此學習者、演奏者每天每次練琴前都需要調音。一般弦樂器通過轉動轉軸調音，通過調節弦的長度來改變每根弦的發聲頻率。通常調音需要有一定經驗的樂手或專業調音師才能完成，不僅要求調弦者的聽音能力好，還需要有一定的專業基礎，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，開發可實現自動調音的外置調音器violin master，以解決調音問題。可實現如下功能：

（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，控制電機轉動進行調音，直至信號頻率落在標準頻率的合理區間內；

（4）固定抱死，調節工作完成后，制動鎖定調節旋鈕。

外置調音器實驗模型如圖1所示。

圖1 外置調音器實驗模型

2 工作原理

2.1 音頻處理

經拾音器采集現場環境聲音后再傳送到后端設備。由于拾音器采集的音頻輸出幅度小，因此本設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，以便后續測頻。由于上述采集的信號是在時域范圍內的聲信號，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，本設計擬采用基于FFT的頻譜分析技術。

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，通過測量單位時間內脈沖的個數得到脈沖信號的頻率，準確計數琴弦信號。

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，通過驅動電路帶動步進電機運動。反饋部分將拾取的信號與設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節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間內，電機停止轉動。

2.4 鎖死

采用機械弦軸，利用齒輪傳動的原理即可實現自鎖。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 創新點

市場上已有的電子調音器和手機軟件的調音器原理大致相同，調音者通過觀察顯示屏上的信息進行手動調音。這種校音器校音時無需發出標準音，空弦音由校音器的話筒輸入，但仍需調音者手動調節，在調節的復雜程度和精度方面都存在一定問題。而自動調音器只有gibson和roadie，前者安置于吉他內部，無法拆裝，且這種吉他價格非常昂貴，而roadie調音器同樣存在價格昂貴、只局限于吉他調音的問題。本設計的創新之處在于：

（1）原理受用于所有弦類樂器，受眾廣，與市場上現有的產品相比有巨大優勢；

（2）調節過程全自動化，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有的音樂市場找到了一個契合點和進一步發展的方向。

4 市場前景

音樂市場是一個具有巨大潛力的平臺，而樂器的傳統性意味著創新的可能性。我們的產品面向音樂，切實解決了圍繞小提琴調音的問題，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，實現了自動調音，方便快捷，有較好的商業效益。