Устройство гармонического синтеза тембра Советский патент 1984 года по МПК G10H5/08 

Изобретение относится к устройствам синтеза тембров в электромузыкальных инструментах (ЭМИ), в частности в ЭМИ с гармоническим синтезом тембра, и может быть использовано в устройствах для сиитеза спектров музыкальных тонов. Известен синтезатор тембров, содержащий усилитель и генераторы, управляемые напряжением, балансный модулятор, широтные модуляторы, управляемый фильтр, низкочастотные генераторы, генераторы: функций времени, атака - накопление, атака - затухание, поддержка накопление 1. Данное устройство позволяет получить различные характеристики выходных сигналов, не обеспечивая однако полной имитации акустических инструментов, и является довольно сложным. Известно устройство, практическая реализация которого связана с меньшими трудностями и которое в то же время обеспечивает в полифоническом. ЭМИ синтез сложных музыкальных звуков путем смешивания между собой в заданных соотношениях отдельных гармонических компонент, оно содержит блок опорного ВЧ-сигнала, включающий в себя задающий ВЧ-генератор опорной частоты с несинусоидальной формой сигнала, к выходу которого подключены фильтры гарм.оник опорной частоты, выходы которых подключены - к выходу блока через блок регулирования амплитудных соотношений составляющих опорного сигнала. В состав устройства входят также подклавишные блоки, каждый из которых имеет, ВЧ.-генератор, с несинусоидальной формой сигнала, формирователь ударной (для ЭВМ фортепианного типа) амплитудной огибающей, связанный с формирователем напряжения управления ударной огибающе,й. Выход формирователя амплитудной огибающей подключен к блоку выделения разностной частоты, второй вход которогоподключен к выходу блока опорного сигнала. К выходам подклавишных блоков подключен усилительНС-акустический блок 2. Однако при помощи известного устройства невозможно воспроизводить динамические эффекты, присущие обычным струнным и духовым музыкальным инструментам, и характеризующиеся наличием высокочастотных неконсонирующих обертонов в момент атаки извлекаемого звука с переходом на преимущественно консонирующие низкочастотные обертоны в концевой стадии его звучания. Это обусловлено тем, что спектры исходных ВЧ-сигналов (опорного и клавишного) носят статичный характер как по амплитудным, так и по фазовым соотнощениям между гармоническими составляющими. Таким же статичным при этом будет и спектр разностного (музыкального) сигнала. В свою очередь это создает принципиальную невозможность получения указанных динамических эффектов при дальнейшей обработке сигнала в НЧ-тракте ЭМИ. Цель изобретения - повышение выразительности звучания, благодаря обеспечению получения спектрально-временных характеристик электромузыкального инструмента, сходных с механическими музыкальными инструментами, в частности фортепиано, путем формирования в момент атаки извлекаемого звука неконсонирующих высокочастотных обертонов с переходом на преимущественно консонирующие низкочастотные обертоны в концевой стадии его звучания. Поставленная цель достигается тем, что в устройство гармонического синтеза тембра, содержащее генераторы опорных частот, выходы которых подключены к входам блока регулирования амплитудных соотношений, входы которого соединены с первыми входами соответствующих блоков выделения разностной частоты N подклавищных устройств, каждое из которых состоит из подклавишного генератора, формирователя напряжения управления, выход которого подключен к управляющему входу формирователя ударной амплитудной огибающей, и усилительно-акустичеркий блок, к входу которого подключены выходы подклавишных .устройств, введены блок регулируемой относительной расстройки, к выходам которого подключены управляющие входы генераторов опорных частот, и в каждое из подклавищных устройств - соединенные последовательно широтно-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу подклавишного генератора, и интегратор, выход которого подключен к второму входу соответствующего блока выделения разностной частоты, выход которого соединен с входом формирователя ударной амплитудной огибающей, причем управляющие входы широтно-импульсного модулятора и интегратора соединены с выходом формирователя напряжения управления, а выход формирователя ударной амплитудной огибающей является выходом соответствующего подклавищного устройства. На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема устройства гармонического синтеза тембра; на фиг: 2 - временные дна- граммы, поясняющие работу устройства. Устройство гармонического синтеза тембра содержит блок 1 опорного высокочастотного сигнала, состоящий из генераторов 2-1-2-N опорных частот (высокостабильных), настроенных на частоты, близкие частотам соответствующих гармоник опорной частоты блока 3 регулирования амплитудных соотнощений (составляющих опорного сигнала) блока 4 регулируемой относительной расстройки (составляющих опорного сигнала). Устройство содержит также подклавишные устройства 5-1-5-N, которые содержат подклавишные генераторы 6-1-6-N и включен- , ные последовательно, щиротно-импульсные

модуляторы и интеграторы 8-1-8-N, управляемые напряжением. Выходы интеграторов 8-1-8-N соединены,с одним из входов блоков 9-1-9-N выделения разностной частоты, вторые входы которых подключены к соответствующим выходам блока 3, а выходы соединены со входом формирователей 10-1 - 10-N ударной амплитудной огибающей. Управляющие входы формирователей 10-1 - 10-N, интеграторов 8-1-8-N и модуляторов 7-1-7-N подключены к выходу формирователей Н-1 - 11-N напряжения управления (ударной огибающей). Выходы формирователей 10-1-10-N подключены ко входу усилительно-акустического блока 12.

Построение блока 4 регулируемой относительной расстройки определяется схемой построения генераторов 2-1-2-N блока 1 опорного сигнала. В частном случае он представляет собой набор переменных резисторов (по числу генераторов 2-1-2-N), включенных параллельно по схеме потенциометров на выходе источника стабильного напряжения, при этом средние выводы переменг ных резисторов подключены к входам управления соответствующих генераторов.

Устройство работает следующим образом.

Соответствующие генераторы 2-1-2-N блока 1 опорного сигнала формируют синусоидальные напряжения с частотами близкими fo, 2fo .... nfo. Значения относительной расстройки генераторов от точных значений гармоник 2fo ... nf,, а также амплитудные соотношения между ними определяются состояниями регуляторов в блоках 4 и 3. При этом на выходе блока 1 формируется синтезируемый сигнал опорной частоты, гармонические составляющие которого не находятся между собой в математически кратных соотношениях. Причем эти соотношения могут быть произвольно установлены аналогично имеющимся в спектре, например фортепиано, где относительная расстройка обертонов от математически точных значений гармоник тем больше, чем выще номер гармоники.

При ударе по клавище на выходе формирователя 11-i соответствующего подклавишного устройства 5-i формируется экспоненциально затухающее управляющее напряжёние (фиг. 2а). Это напряжение поступает на низкочастотный вход модулятора 7-i. На второй вход модулятора 7-i поступают импульсы от подклавищного генератора 6-i (фиг. 26).

В зависимости от величины управляющего напряжения длительность прямоугольных импульсов на выходе модулятора 7-i меняется от минимальной в момент удара по клавище (атака звука) по длительности, соответствующей 0,5 периода, в концевой стадии звучания (фиг. 2в).

Одновременно управляющее напряжение воздействует на включенный на выходе модулятора 7-i интегратор 8-i. Управление интегратором 8-i обеспечивает линейное нарастание напряжения на его выходе во время действия входного импульса и линейный спад напряжения во время паузы (фиг. 2г). Таким образом, в момент атаки на информационный вход интегратора поступают импульсы малой длительности. При этом на выходе интегратора формируются пилообразные импульсы, фронт нарастания которых определяется длительностью входных импульсов с выхода модулятора 7-i. По мере убывания управляющего напряжения фронт нарастания импульсов становится все более пологим, и импульсы приобретают треугольную форму. Соответственно меняется и спектральный состав этого сигнала, характеризующийся преобладанием высших гармонических составляющих в момент атаки с постепенным переходом на преобладание низщих гармоник о мере спада управляющего напряжения. Сигнал с выхода интегратора 8-i поступает на вход блока 9-1 выделения разностной частоты, где происходит вычитание спектра fj, из f. Далее сигнал разностной частоты через формирователь 10-i амплитудной огибающей поступает на вход усилительно-акустического блока 12. Вследствие того, что в момент атаки в спектре f j преобладают высокочастотные составляющие, а соответствующие последним высокочастотные составляющие опорного сигнала имеют максимальную относительную расстройку от точных значений гармоник, в спектре разностного НЧ-сигнала преобладают неконсонирующие обертоны. По мере спада управляющего напряжения (затухания звука) удельный вес высокочастотных составляющих в спектре уменьшается, и музыкальную значимость сигнала на выходе ЭМИ начинают определять консонирующие низкочастотные обертоны, так как низкочастотные составляющие опорного сигнала имеют минимальную расстройку.

Данный признак переходного процесса присущ всем музыкальным инструментам с ударным возбуждением резонатора и в значительной степени определяет характер звучания и музыкальную ценность инструмента.

Применение предлагаемого.устройства позволяет построить ЭМИ с помощью более простых средств по сравнению с известными и в то же время способный синтезировать сложные спектры с гармонически неточными обертонами с возможностью воспроизводить динамику изменения спектра, присущую широкому классу традиционных музыкальных инструментов, в частности фортепиано, что расширяет тембровые и исполнительские возможности ЭМИ.

гг

УСТРОЙСТВО ГАРМОНИЧЕСКОГО СИНТЕЗА ТЕМБРА, содержащее генераторы опорных частот, выходы которых подключены к входам блока регулирования амплитудных соотношений, входы которого соединены с первыми входами соответствующих блоков выделения разностной частоты N подклавишных устройств, каждое из которых состоит из подклавишного генератора, формирователя напряжения управления, выход которого подключен к управляющему входу формирователя ударной амплитудной огибающей, и усилительно-акустический блок, к входу которого подключе1|ы выходы подклавишных устройств, отличающееся тем, что, с целью повышения выразительности звучания благодаря обеспечению получения спектрально-временных характеристик электромузыкального инструмента, сходных с механическими музыкальными инструментами, в него введены блок регулируемой относительной расстройки, к выходам которого подключены управляющие входы генераторов опорных частот, и в каждое из подклавищных устройств - соединенные последовательно широтно-импульсный модулятор, вход которого подключен к выходу подклавишного генрратора, и интегратор,fвыход которого подключен к второму входу соответствующего бло§ ка выделения разностной частоты, выход которого соединен с входом формирователя (П ударной амплитудной огибающей, причем управляющие входы широтно-импульсного модулятора, и интегратора соединены с выходом формирователя напряжения управления, a выход формирователя ударной амплитудной огибающей является выходоЧм соответствующего подклавишного устройства. со СП Ю Is:) 00

5-N

П

6N

S-N

Л iTf

I

./

9W-N

Г I г I Г

Г

-I

фиг, г