Способ получения сигнала управления громкостью у терменвокса Российский патент 2019 года по МПК G10H5/08 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электромузыкальным инструментам типа «Терменвокс» гетеродинного типа, у которых сигнал управления громкостью образуется в результате возбуждения колебательного контура, частота настройки которого меняется при перемещении руки исполнителя. Способ позволяет упростить конструкцию инструмента, уменьшить влияние каналов «громкости» и «высоты тона» друг на друга и устранить негармоничные призвуки в звуковом сигнале.

Уровень техники

Известны электромузыкальные инструменты типа «Терменвокс», у которых канал высоты тона работает по гетеродинному принципу (звуковой тон образуется как разность частот опорного и перестраиваемого генераторов), а канал громкости состоит из дополнительного опорного генератора, который возбуждает колебательный контур, куда входит емкость специального датчика («антенны управления громкостью»). В исходном состоянии, когда рука исполнителя удалена от «антенны», контур настроен в резонанс с частотой генератора, и на нем действует максимальное напряжение (ток). Это напряжение (ток) измеряется специальным детектором, который выдает сигнал на схему управления громкостью. Рука исполнителя управляет частотой настройки колебательного контура, выводя его из резонанса, в результате чего меняется сигнал на выходе детектора.

По такому принципу построены терменвоксы «AR-1264» фирмы RCA, США, и «Etherwave Standard» фирмы Moog Music Inc., США, у которых контур возбуждается непосредственно цепями генератора, а напряжение для детектора снимается с дополнительной обмотки связи (у первого) или с части витков составной катушки, входящей в состав колебательного контура (у второго).

Недостаток таких терменвоксов заключается в наличии дополнительного опорного генератора, что усложняет конструкцию и создает условия для появления новых разностных (комбинационных) частот, воспринимаемых как негармоничные призвуки, добавляющиеся к основному звуковому тону. Это происходит из-за проникновения сигнала из одного канала в другой, главным образом – через паразитную емкость между «антеннами».

Наиболее близким аналогом к изобретению является инструмент (авторское свидетельство СССР №349010), где положительный эффект достигается исключением генератора из канала громкости, а возбуждение колебательного контура производится сигналом опорного генератора канала высоты тона, подаваемым через промежуточный усилитель. У такого терменвокса колебательный контур работает на частоте канала высоты тона, т.е. на частоте гетеродинирования.

Недостаток такого способа получения сигнала – большая чувствительность «антенн» к положению «противоположной» руки, вызванная отсутствием разноса частот. Это приводит к непредсказуемым эффектам изменения высоты тона и громкости, что осложняет игру на инструменте.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции, уменьшение влияния рук на «противоположный» канал и устранение возможности появления негармоничных призвуков в звуковом сигнале.

Технический результат достигают тем, что исключают отдельный генератор, сигнал которого используется для возбуждения колебательного контура, а контур возбуждают частотой, находящейся в точном кратном соотношении с частотой сигнала, используемой для гетеродинирования (1:2, 2:1, 1:3, 3:1 и т.д.), либо – в соотношении целых чисел (2:3, 3:2, 4:3, и т.д.), но не в соотношении 1:1.

Исключение генератора упрощает конструкцию, получающийся разнос частот уменьшает чувствительность «антенн» к положению «противоположной» руки (свойство колебательных контуров меньше реагировать на частоты, отличающиеся от их резонансных), а точная кратность частот гарантирует, что паразитные разностные (комбинационные) частоты будут либо совпадать с гармониками звукового сигнала (будут сливаться с ними), либо лежать в ультразвуковой области (будут неслышны или легко подавляемы фильтром нижних частот).

Отсутствие слышимых негармоничных частот при таком способе наглядно демонстрируют фигуры 1 и 2. На них показаны частоты опорного f₁ и перестраиваемого f₂ генераторов, которые используются для гетеродинирования, а также частота возбуждения колебательного контура f₃ и ее гармоники.

Фигура 1 соответствует случаю, когда частота возбуждения f₃ в 2 раза ниже частоты f₁, используемой для гетеродинирования (т.е. f₃:f₁=1:2). Паразитные комбинационные тона

2f₃-f₂, 4f₃-2f₂, 6f₃-4f₂, … 2nf₃-nf₂

здесь совпадают с гармониками основного звукового тона

F=f₁-f₂, 2F=2(f₁-f₂), 3F=3(f₁-f₂), … nF=n(f₁-f₂) (n=1, 2, 3 …).

Фигура 2 соответствует случаю, когда частоты находятся в соотношении целых чисел f₃:f₁=3:2. Здесь паразитные комбинационные тона

2f₃-3f₂, 4f₃-6f₂, 6f₃-9f₂, … 2nf₃-3nf₂

будут совпадать с гармониками основного звукового тона

3F=3(f₁-f₂), 6F=6(f₁-f₂), 9F=9(f₁-f₂), … 3nF=3n(f₁-f₂) (n=1, 2, 3 …),

а паразитные тона

f₃-f₂, 3f₃-4f₂, 5f₃-7f₂, … (2n-1)f₃-(3n-2)f₂ (n=1, 2, 3 …)

оказываются в ультразвуковой области.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показаны спектры сигналов, соответствующие варианту реализации изобретения, при котором частота возбуждения колебательного контура в 2 раза ниже частоты, используемой для гетеродинирования. Верхний график иллюстрирует появление основного звукового тона (и его гармоник), нижний – паразитных комбинационных частот.

На фигуре 2 показаны спектры сигналов, соответствующие варианту реализации изобретения, при котором соотношение частот выбрано равным 3:2. Верхний график иллюстрирует появление основного звукового тона (и его гармоник), нижний – паразитных разностных (комбинационных) частот.

На фигуре 3 показан вариант реализации изобретения с использованием деления на 2 частоты сигнала, приходящего с опорного генератора, и который затем используется для возбуждения колебательного контура (случай кратных частот).

На фигуре 4 показан вариант реализации изобретения с использованием системной частоты f_c, которая при делении на 3 используется для гетеродинирования, а при делении на 2 – для возбуждения колебательного контура (случай соотношения целых чисел).

Осуществление изобретения

Предлагаемый способ может быть реализован так, как показано на фигуре 3. Опорный генератор 2, перестраиваемый генератор 3 с подключенной «антенной высоты тона» 1, формирователь разностной частоты 6 и управляемый усилитель 9 образуют стандартный канал высоты тона терменвокса, работающий по принципу гетеродинирования.

Канал громкости состоит из делителя частоты 4, который возбуждает последовательный колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности 7 и «антенны громкости» 5. Переменное напряжение, действующее на контуре, снимается с обмотки связи и поступает на детектор 8, который формирует сигнал управления для усилителя 9. Таким образом, в данном случае используется возбуждение колебательного контура частотой, которая в два раза ниже частоты опорного генератора.

В качестве делителя могут использоваться счетчики-делители из наборов микросхем цифровой логики, синхронизируемые релаксационные генераторы, триггеры, элементы микросхем с программируемой логикой, генераторы с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) и т.д. Выход делителя может умощняться дополнительным буферным каскадом (на фигуре не показан).

В другом варианте реализации, как это показано на фигуре 4, используется одна из тактовых частот f_c, присутствующая в системе. Здесь нет отдельного генератора фиксированной частоты, необходимого для гетеродинирования, а вместо него используется делитель системной частоты 10. Для возбуждения колебательного контура используется еще один делитель 11, с другим коэффициентом деления. Соотношение получающихся частот здесь выбрано 2:3.

В качестве делителей здесь также могут использоваться счетчики-делители из наборов микросхем цифровой логики, синхронизируемые релаксационные генераторы, триггеры, элементы микросхем с программируемой логикой, генераторы с ФАПЧ и т.д. В качестве системной тактовой частоты может быть выбрана тактовая частота микроконтроллера, микросхемы программируемой логики и прочих узлов, присутствующих в системе.

Если в составе терменвокса есть вспомогательные узлы, генерирующие собственные тактовые частоты (линии задержки, процессоры эффектов, импульсные источники питания), то их генераторы могут быть синхронизированы частотой, используемой для получения сигнала гетеродинирования. Это дополнительно уменьшает вероятность появления посторонних призвуков.

Изобретение относится к акустике, в частности к терменвоксам. Способ получения сигнала управления громкостью у терменвокса гетеродинного типа, у которого сигнал управления громкостью получают в результате возбуждения колебательного контура, частота настройки которого меняется при перемещении руки исполнителя и у которого для получения сигнала фиксированной частоты для гетеродинирования и сигнала возбуждения колебательного контура используют один общий опорный генератор, отличающийся тем, что для возбуждения колебательного контура используют сигнал с частотой, находящейся в точном кратном соотношении с частотой сигнала для гетеродинирования либо в соотношении целых чисел, но не в соотношении 1:1. Для получения нужных сигналов используют одну из частот, присутствующую в системе, которую затем делят для получения указанных соотношений. Собственные тактовые частоты других узлов терменвокса синхронизируют частотой, равной или кратной частоте гетеродинирования либо другой частоте, из которой она получается. Технический результат - упрощение конструкции, уменьшение влияния каналов громкости и высоты тона друг на друга, устранение негармоничных призвуков в звуковом сигнале. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ получения сигнала управления громкостью у терменвокса гетеродинного типа, у которого сигнал управления громкостью получают в результате возбуждения колебательного контура, частота настройки которого меняется при перемещении руки исполнителя и у которого для получения сигнала фиксированной частоты для гетеродинирования и сигнала возбуждения колебательного контура используют один общий опорный генератор, отличающийся тем, что для возбуждения колебательного контура используют сигнал с частотой, находящейся в точном кратном соотношении с частотой сигнала для гетеродинирования либо в соотношении целых чисел, но не в соотношении 1:1.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для получения нужных сигналов используют одну из частот, присутствующую в системе, которую затем делят для получения указанных соотношений.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что собственные тактовые частоты других узлов терменвокса синхронизируют частотой, равной или кратной частоте гетеродинирования либо другой частоте, из которой она получается.