一種具有自動(dòng)調(diào)音功能的機(jī)械臂調(diào)音器

李周航

摘 要 隨著電子信息與通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字音頻、多媒體通信等數(shù)字音頻處理技術(shù)在社會(huì)上得到了越來越多的應(yīng)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(guān)注。調(diào)音器是這些樂器使用時(shí)不可或缺的一個(gè)設(shè)備，而目前市面上的樂器調(diào)音器的種類不多，且其實(shí)用性和準(zhǔn)確性都存在一些問題，各項(xiàng)技術(shù)有待提高。因此，文章在目前現(xiàn)有的調(diào)音器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款具有自動(dòng)調(diào)音功能的機(jī)械臂調(diào)音器。

關(guān)鍵詞 調(diào)音器；自動(dòng)調(diào)音功能；機(jī)械臂

中圖分類號 TN91 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhǔn)進(jìn)行校準(zhǔn)。然而某些初學(xué)者在并未習(xí)得調(diào)音技能的情況下進(jìn)行調(diào)音時(shí)會(huì)存在音準(zhǔn)不準(zhǔn)、力度不適等方面的問題。因此，設(shè)計(jì)出具有自動(dòng)調(diào)音功能的調(diào)音器是十分必要的，可自動(dòng)調(diào)音的調(diào)音器便可以有效的解決上述問題。本文首先介紹了自動(dòng)調(diào)音器的相關(guān)概念，目前市場上的調(diào)音器所具備的特點(diǎn)以及存在的問題，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款可應(yīng)用于提琴系列和吉他系列的具有自動(dòng)調(diào)音功能的機(jī)械臂調(diào)音器。

1 設(shè)計(jì)背景[1]

數(shù)字音頻技術(shù)于20世紀(jì)60年代出現(xiàn)，加之電子信息以及通信技術(shù)的快速發(fā)展，音頻、多媒體和廣播等數(shù)字音頻處理技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)中取得了廣泛的應(yīng)用，人們?nèi)粘Ｉ钍艽擞绊懸苍絹碓缴钸h(yuǎn)。

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(jīng)過采樣編碼、量化等一系列的數(shù)字化處理才能變成數(shù)字信號，緊接著再把數(shù)字化處理后得到的數(shù)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(zhuǎn)換成聲音。目前數(shù)字音頻技術(shù)可以用在樂器調(diào)音、數(shù)字音響設(shè)備、多媒體、廣播節(jié)目制作系統(tǒng)、數(shù)字化廣播電視等方面。而調(diào)音器作為數(shù)字音頻技術(shù)的一個(gè)應(yīng)用，被廣泛地應(yīng)用在人們在日常生活中。

現(xiàn)在市場上除了少數(shù)比較高端的調(diào)音器是將振動(dòng)原理和聲音原理配合起來進(jìn)行調(diào)音外，大部分的調(diào)音器都是基于振動(dòng)原理來設(shè)計(jì)的。另外，還有一種調(diào)音方式就是手機(jī)調(diào)音，通過在手機(jī)上下載調(diào)音軟件，使聲音由空氣傳播到手機(jī)自帶的麥克風(fēng)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(diào)進(jìn)行分析和調(diào)節(jié)，從而達(dá)到調(diào)音的目的。利用軟件調(diào)音的優(yōu)點(diǎn)是十分方便，因?yàn)槲覀兊氖謾C(jī)幾乎每時(shí)每刻都在我們的身邊；但其也有缺點(diǎn)，倘若我們身處于嘈雜的環(huán)境中，傳到手機(jī)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(jīng)由手機(jī)軟件分析，那么雜音中的音調(diào)勢必會(huì)對調(diào)音的結(jié)果造成影響，進(jìn)而使得調(diào)音結(jié)果會(huì)不精準(zhǔn)；同樣的，當(dāng)手機(jī)的麥克風(fēng)接收到了人說話的聲音時(shí)，也會(huì)對最終的調(diào)節(jié)結(jié)果造成影響。調(diào)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(diào)，然后有效的實(shí)現(xiàn)樂器的調(diào)音。平時(shí)最常見的吉他調(diào)音器，該調(diào)音器是通過振動(dòng)原理來達(dá)到調(diào)音的目的的[2]：首先在吉他的琴頭夾上調(diào)音器，讓調(diào)音器感受琴弦的振動(dòng)。然而目前用于其他樂器的調(diào)音器還不是像吉他條一起一樣常見，因此對其他樂器的調(diào)音器的設(shè)計(jì)、或者可以讓多種樂器共同使用的調(diào)音器的設(shè)計(jì)是十分必要的。

2 基本概念

2.1 調(diào)音器和自動(dòng)調(diào)音器

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

2.2 機(jī)械臂[3]

簡單來說，機(jī)械臂就是一個(gè)高精度的機(jī)器手。實(shí)際上，機(jī)械臂是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)中存在一些不確定性，例如外界干擾、參數(shù)攝動(dòng)、未建模動(dòng)態(tài)等，這些不確定性造成了機(jī)械臂的建模模型也同樣有不確定性。機(jī)械臂在面對不同的工作任務(wù)時(shí)需要特定的針對該工作情況單獨(dú)的規(guī)劃關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)軌跡。機(jī)械臂有非結(jié)構(gòu)不確定性和結(jié)構(gòu)不確定性這兩種不確定性。前者是由外界干擾、測量時(shí)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(dòng)態(tài)和參數(shù)不確定性兩種。最近，由于機(jī)器人技術(shù)也得到了快速的發(fā)展，具有高精度、高負(fù)載自重比特性的機(jī)器人結(jié)構(gòu)收到了很多的關(guān)注。在機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)過程中，關(guān)節(jié)和連桿的柔性效應(yīng)造成了執(zhí)行任務(wù)的精度的降低[ 4 ]。因此在設(shè)計(jì)機(jī)械臂時(shí)，其柔性特性也要考慮進(jìn)去。而柔性的機(jī)械臂[5]是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，也是一個(gè)剛?cè)狁詈稀C(jī)電耦合的非新型系統(tǒng)。

3 市場上調(diào)音器存在的問題

目前市場上的調(diào)音器種類并不算多，這些調(diào)音器仍然存在一些問題：

1）不具備自動(dòng)聽音辨別音準(zhǔn)的功能；2）無法實(shí)現(xiàn)解放人力的調(diào)音，只是輔助人手進(jìn)行調(diào)音；3）無法控制力度，造成調(diào)音力度不適，甚至?xí)`傷自己；4）沒有考慮到實(shí)用性，功能較單一。

4 本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)調(diào)音器

基于上節(jié)中提到的目前市場上大多數(shù)調(diào)音器所具有的問題，作者利用具有高精度機(jī)器手特性的機(jī)械臂來針對性的設(shè)計(jì)了一款可以自動(dòng)調(diào)音的調(diào)音器。

4.1 本設(shè)計(jì)采用的方案

為解決上節(jié)中提到的目前市場上的調(diào)音器存在的技術(shù)問題，作者在設(shè)計(jì)該新型自動(dòng)調(diào)音器時(shí)采用了可以高精度完成任務(wù)的機(jī)械臂，該自動(dòng)調(diào)音器的結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。

如圖1、圖2中所示，該自動(dòng)調(diào)音器包括以下幾個(gè)部分：頻率接收及單片機(jī)機(jī)構(gòu)（1）、調(diào)音機(jī)械臂（2）、伸縮桿（3）、隱藏調(diào)音機(jī)械臂（4）、琴夾（5）和手柄（6）。

其中，頻率接收及單片機(jī)機(jī)構(gòu)（1）、調(diào)音機(jī)械臂（2）、隱藏調(diào)音機(jī)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(diào)音器在使用時(shí)，將琴夾（5）固定在琴把上，機(jī)械臂通過伸縮桿調(diào)至適宜位置后，將機(jī)械臂上的各個(gè)齒與弦軸緊密接觸完成固定。

持琴者將調(diào)音器安裝完畢后，手動(dòng)撥弦產(chǎn)生聲音信號，頻率接收器接收到聲音信號后，轉(zhuǎn)化為頻率信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行信號處理并將其轉(zhuǎn)化為電信號，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的電機(jī)工作。

當(dāng)接收到的頻率高于預(yù)設(shè)標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的電機(jī)工作，使弦軸放松，反之，機(jī)械臂使弦軸收緊，這樣便實(shí)現(xiàn)了調(diào)音的目的。

除此之外，該自動(dòng)調(diào)音器的機(jī)械臂還可以任意旋轉(zhuǎn)，我們可以根據(jù)特定的需求調(diào)節(jié)具有不同弦軸數(shù)量的琴；例如吉他有6個(gè)弦軸，小提琴有4個(gè)弦軸，但是吉他和小提琴都可以使用本文中的新型設(shè)計(jì)來進(jìn)行調(diào)音，當(dāng)調(diào)音器的機(jī)械臂閑置時(shí)可將機(jī)械臂旋下扣在琴夾上，見圖2隱藏調(diào)音機(jī)械臂（4），這樣便可以節(jié)省空間。

4.2 本設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)

本文所設(shè)計(jì)的具有自動(dòng)調(diào)音功能的機(jī)械臂調(diào)音器的亮點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1）該自動(dòng)調(diào)音器以琴弦的振動(dòng)頻率為參考標(biāo)準(zhǔn)的，可以較為精確的把握音準(zhǔn)；2）該新型自動(dòng)調(diào)音器以機(jī)械臂代替人手進(jìn)行調(diào)音操作，解放了人力，最重要的是機(jī)械臂調(diào)整的精確度高于人手；3）該自動(dòng)調(diào)音器以機(jī)械結(jié)構(gòu)代替人手進(jìn)行操作，用戶安全得以保障；4）該調(diào)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(diào)音。

5 結(jié)論

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

參考文獻(xiàn)

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