СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ ТОНОВ МУЗЫКАЛЬНОГО КОЛОКОЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G10K1/00 G10K11/00 

Изобретение относится к настройке музыкальных инструментов, а именно музыкальных колоколов.

Известен способ выявления основных тонов (собственных частот) конструкций с несколькими степенями свободы, в частности, колоколов, заключающийся в следующем. Возбуждают колокол упругим ударом. При этом колокол вначале накапливает энергию удара, а затем рассеивает ее в виде дискретных колебаний с несколькими дискретными частотами. Возбуждаемые колоколом акустические колебания (акустическая реакция) содержат ограниченное число чистых тонов.

Возникающие в воздушной среде акустические колебания улавливают с помощью приемного преобразователя, в котором механические колебания преобразуются в электрические, которые затем представляют как во временной области, так и в частотной. Представленный в частотной области виброакустический сигнал анализируется на предмет выявления основных тонов звучащего колокола.

Устройство для осуществления способа включает в себя приемный преобразователь, выход которого через усилитель связан с анализатором спектра, а выход анализатора спектра соединен со входом ЭВМ или графопостроителя.

Данные способ и устройство имеют ряд существенных недостатков. Основные из них следующие. Поскольку акустическое поле звучащего колокола обусловлено откликом на всех главных модах одновременно, то измеренные формы мод колебаний часто искажены.

Эта проблема усугубляется для тех колоколов, которые имеют близко расположенные собственные частоты и которые обуславливают затем появление в спектре инфранизких тонов в результате биений этих близкорасположенных собственных частот.

Кроме того, при возбуждении колоколов ударных импульсами в окружающей среде, вследствие ее нелинейных свойств и дисперсии, могут возникать солитоны, которые отсутствуют в самом источнике колебаний исследуемом колоколе. Солитоны, в свою очередь, обуславливают появление в спектре высокочастотных составляющих, которые не являются обертонами, присущими данному колоколу, а их появление зависит только лишь от свойств акустической среды, окружающей звучащий колокол.

При этом солитоны в нелинейных средах возникают значительно чаще тогда, когда источник колебаний генерирует нестационарный сигнал.

Любой ударный импульс, каковым является импульс, генерируемый колоколом, даже в линейной среде генерирует нестационарный процесс, который является основной причиной возникновения искажений сигнала, генерируемого исследуемым колоколом, приводящих к ошибкам при выявлении основных тонов.

Кроме того, в прототипе исследуемая реализация ограничена строб-импульсом прямоугольной формы с резкими границами фронта и спада. Это вызывает появление в спектре исследуемого сигнала новых паразитных высокочастотных гармонических составляющих.

Цель изобретения повышение точности выявления основных тонов колоколов.

Технический результат достигается тем, что в способе определения основных тонов музыкальных колоколов, по которому исследуемый колокол возбуждают упругим ударом, например, ударом шарика, подвешенного на нити. Возникающие в окружающей колокол среде акустические колебания улавливают, например, приемником-преобразователем, преобразуют в электрические колебания, после чего процесс анализируют в частотной области. При этом, в соответствии с изобретением, измеряют предварительно время релаксации (декремент затухания) данного колокола. Электрический сигнал с приемного преобразователя по истечении времени релаксации, отсчитываемого с момента возбуждения колокола, представляют в частотной области и определяют основные (собственные) частоты и обертоны колокола. Кроме того, каждая реализация исследуемого сигнал может быть ограничена импульсами гауссовой формы.

Для достижения цели изобретения устройство для выявления основных тонов музыкальных колоколов, содержащее приемный преобразователь акустических сигналов, анализатор спектра, выход которого соединен со входом ЭВМ или графопостроителя, согласно изобретению, дополнительно снабжено программируемым цифровым вольтмером и ключом, причем выход приемного преобразователя cоединен c управляющим первым входом ключа и cо входом программируемого цифрового вольтметра, выход которого соединен со вторым входом ключа, а выход ключа соединен со входом анализатора.

Кроме того устройство может быть снабжено модулятором и генератором гауссовых импульсов, причем первый вход модулятора соединен с выходом ключа, второй его вход с выходом генератора гауссовых импульсов, а выход модулятора соединен с входом анализатора спектра.

В предложенном способе при подаче сигнала с приемного преобразователя в анализатор через время, равное времени релаксации для данного колокола (время за которое уровень звукового давления уменьшится в l раз), в значительной степени уменьшается вероятность появления в анализируемом спектре высокочастотных составляющих, которые не являются обертонами, присущими данному колоколу, благодаря чему практически исключаются ошибки в выявлении основных тонов колокола. Данный результат был достигнут благодаря выявлению особенностей процесса звучания колокола, нестационарность которого максимальна в начальный момент звучания, затем уменьшается, а по истечении времени релаксации процесс становится более стационарным, вследствие чего вероятность появления солитонов и других искажений в спектре становится минимальной.

Признаки предложенного устройства позволяют осуществить предложенный способ и получить необходимый технический результат. Применение генератора гауссовых импульсов и модулятора обеспечивает расширение динамического диапазона исследуемых процессов, так как ограничение каждой кратковременной реализации исследуемого сигнала импульсными гауссовой формы снижает его нелинейные искажения, возникающие при ограниченных во времени реализациях.

На чертеже изображена блок-схема устройства для выявления основных тонов колокола.

Устройство для выявления основных тонов содержит соединенные последовательно приемный преобразователь 1 акустических сигналов, программируемый цифровой вольтметр 2, ключ 3, модулятор 4, анализатор спектра 5, принтер (графопостроитель) 6. При этом выход приемного преобразователя 1 дополнительно соединен с входом управления 7, ключа 3, а выход генератора гауссовых импульсов 8 соединен с дополнительным входом 9 модулятора 4.

Способ с помощью предложенного устройства осуществляют следующим образом.

Ударяют шариком (не показано) о поверхность колокола 10. Образовавшийся после удара колокола фронт акустического поля через время τ достигает приемного преобразователя 1, где преобразуется в электрический сигнал. С выхода приемного преобразователя 1 сигнал одновременно поступает на программируемый цифровой вольтметр 2 (измеритель отношений) и на вход ключа 3. Цифровой вольтметр 2 предварительно программируется таким образом, чтобы сигнал на его выходе появлялся только через время Δ t равное времени релаксации для данного колокола, предварительно определенному из соотношения Δ t NT, где Т период основной гармоники, N число колебаний колокола, при котором амплитуда акустического сигнала на входе приемного преобразователя уменьшается в l раз.

После того как уровень входного сигнала на цифровом вольтметре уменьшится в l раз, так сразу на его выходе появляется управляющий cигнал, поcтупающий на вход управления ключа 3. Ключ 3 открывается, и сигнал поступает в модулятор 4, где он модулируется по величине гауссовыми импульсами, генерируемыми генератором 8, и поступает в анализатор спектра 5. Таким образом, исследуемый сигнал поступает в анализатор через "окно" гауссовой формы, что позволяет исключить высокочастотную составляющую (шум), появляющуюся в высокочастотной области спектра в случае ограниченного времени реализации и тем самым повысить точность анализа и расширить динамический диапазон исследуемых процессов.

В анализаторе спектра 5 сигнал анализируется (представляется в частотной области). Результаты анализа заносят в файлы процессора, распечатывают их на графопостроителе и определяют основные тона колокола.

Использование при выявлении основных тонов колоколов приема задержка сигнала на время релаксации позволяет избежать ошибок, возникающих вследствие распада солитонов в окружающей среде, повысить точность анализа. Точное определение основных тонов колокола позволяет улучшить качество его настройки.

Использование: музыкальная акустика, настройка музыкальных колоколов. Сущность изобретения: способ заключается в возбуждении колокола упругим ударом, приеме акустических колебаний с помощью электроакустического приемника и их преобразовании в электрические, над которыми осуществляют частотный анализ с помощью анализатора спектра и определяют основные тона и обертоны колокола. При этом предварительно измеряют время релаксации колокола, а осуществление частотного анализа относительно момента возбуждения колокола, равной времени релаксации колокола, с помощью программируемого вольтметра и ключа. Причем каждый электрический сигнал ограничивают импульсом гауссовой формы. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ выявления основных тонов музыкального колокола, состоящий в возбуждении колокола упругим ударом, приеме и преобразовании возникающих в окружающей колокол среде акустических колебаний в электрические сигналы, над которыми осуществляют частотный анализ и определяют при этом основные тона и обертоны колокола, отличающийся тем, что предварительно измеряют время релаксации колокола, а осуществление частотного анализа начинают с задержкой времени относительно момента возбуждения колокола, равной времени релаксации колокола. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждый электрический сигнал ограничивают импульсом гауссовой формы. 3. Устройство для выявления основных тонов музыкального колокола, содержащее электроакустический приемник, соединенный с анализатором спектра, выход которого подключен к входу ЭВМ или графогостроителя, отличающееся тем, что оно снабжено программируемым цифровым вольтметром и ключом, при этом выход электроакустического приемника соединен с первым управляющим входом ключа и входом программируемого цифрового вольтметра, выход которого соединен с вторым входом ключа, а выход ключа соединен с входом анализатора спектра. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено модулятором и генератором гауссовых импульсов, причем первый вход модулятора соединен с выходом ключа, второй вход модулятора соединен с генератором гауссовых импульсов, а выход модулятора с входом анализатора спектра.