Электромузыкальный инструмент с группой тембров дробного спектра Советский патент 1958 года по МПК G10H5/07 

При синтезе тембра в электрическом музыкальном ннструм|;н1е симфонического типа необходимо, в часгностп, получение орнаментальновыщербленных снектров, образующих тембровый эффект специфичоского характера, несравнимый с эффектом формант н других средств искажения частотного спектра излучения. Структурой такого рода является, наг(ример, кларнетный спектр, отличающийся (в первую очередь) отсутствием четных гармоник. По аналогии с этим спектром могут быть созданы спектры с исключением (или преобладанием) гармоник, кратных третьей, четвертой и т. д., также имеющие характерное звучание, невоспроизводимое другими средствами. Гармонические ряды нечетного состава уже успещно реализуются в электрических музыкальных инструментах использованием ждущпх делителей частоты (куркового типа), дающих симметрично прямоугольную волну со спектром вида

Однако дальнекщее формирование этого спектра (если имеется сохранение дробной структуры спектра) практически ограничивается линейными системами фильтров, что, в свою очередь, ограничивает применение некоторых других специальных нелинейных систем больщой практической ценности.

В описываемом электромузыкальном инструменте сложные колебания звуковой частоты преобразуются в колебания, которые, сохраняя общую характеристику распределения энергии гармоник в спектре, не имеют в своем составе группы гармоник, кратных BTopoii, третьей или какой-либо другой гармонике. Таким образом, для многотембрового электромузыкального инструмента добавляется возможность обращения всех ранее полученных звуковых красок, например, в кларнетн Ю и.ти другую специфическую фактуру.

На фиг. 1 приведена блок-схема инструмента, обеспечивающая исключение гармоник, кратных второй (т. е. получение кларнетной грунА - 1-(.

№ 113536

пы); на фиг. 2 -- от11О;:я1Цпеся к этому случаю осциллограммы и спсктра. характеристики; иа фиг. 3 --электрическая с.чема для того же случая; ;га фиг. 4 показана блокч.хема одного из двух других вариантов инструмента; на фиг. 5-относягциеся к нен осцил.тограм.мы; на фи). 6- блок-схема другого варианта инструмента; иа фиг. 1 - - относящиеся к ней осцил.югра.ммы.

Ведущий генератор У инстру.мента получает хправ/ение по частоте от .ману.ты 2. Колебания генератора нанравляются в иреобразователь 3, представляюи нй собой схему обычного формирования тембра, nocTpociiную но .тюбым из1зестиьг т сиособам. Из преобразоиате.тя 3 Г1реобразо анные колебания ноступают на в.ходы двух одинаковых электронных манииуляторов (э.лектроиные реле}- н 5, один из которых 4 дает напряжение звуковой частоты в обрагиенной (|зазе. С выхода манипуляторов колебания проходят через прочие необходимые эле.менты 6 ехемы инструмента и воспроизводятся репродуктором 7.

Прохождение колебаний через манипуляторы 4 и 5 управляется бинариым де. 8, дейстнугонигм от ведущего генератора /. Осциллогра.м.ма, показанная на фиг. 2 а, и относящаяся к neii снектра.тьная характеристика предствляют форму и состав колебаний, иоетуиаюших на вход мапипуляторов, осциллограмма на фиг. 2 б-форму колебаний на выходе бииарного делителя частоты, меняюн;его уровень выходного напряжения через период возбуждающей частоты ведущего генератора.

Выходное напряжение делителя действует на режим .маннпу.тяторов таким образом, что, когда один .манипулятор открыт и пропуг:кает колебания в определенной фазе, другой полностью заперт. Через период возбуждающей частоты бинарньн делнтель опрокидывает (|;азу выходного напряжения, запирает ранее открытый манипулятор и открывает запертый перед те.м .манипулятор, что приводит к перевертыванию фазы звукового сигнала в последующих звепьях. В начале следующего периода опрокидывание повторяется и, таким образом, образуется через периодное чередование фазы звуковых колебаний (с.м. осциллограмму на фиг. 2 б, в). Образуется новый период звуковой частотыТ2 2Т| с характерной си.мметрией колебания относительно точки перехода через нуль, обусловливаюн;ей нечетный состав полученного спектра. Необходимо при это.м отметить, что обращение спектра в нечетный достигается пеной понижения звука в октаву, поеко.тьку, как было указано, новый период . Однако это понижение может быть компенсировано использованием общего предделителя частоты на выходе генератора 1, вьпчлючающегося при переходе па режим клариетных тембров. При этом основHoii диапазон ведущего генератхзра до.лжен бьггь на октаву вын:е диапазона звучания ннструмента. Что касается спектра.тыгого распределения кларпетно-обращепиого колебания, то оно к делом отражает характеристику исходного спектра, поскольку форма полупернодных колебаний не наруптается. Изменение положегп-гя формантиых максиму.мов не имеет места.

Иа фиг. 3 приведен один из воз.можных вариантов элект)ическо)( схемы опнсаиного преобразовате.тя. Здесь папряжепне звуковой частоты подается на входггой трансформатор 9 с симметричной вторичной обмоткой, 1 апряжение с которой подается на ;Сетки двух иденп;чиых двухтактных манипуляторов 4 и 5, от,тичаюн1ихся с зазой иамряжения в их выходных транеформаторах 10 и //. Выходные обмотки трансформаторов включены так, что фаза сигнала, проходящего, например, по ла.мпе манипулятора 4 и транеформатору 10, совпадает с фазой входа, а - по ла1мпе мапипулятора 5 и трансформатору 11 повернута на 80°.

Вследствие наличия ра.зделнтельных эле.ментов 12 и 13 напряжепие звуковой частоты действует па сетках .ламп .маиипу.тяторов 4 и 5 пеза1 нсимо от управляющего смещения, которое подается по сопротивлениям 14 утечки от бинарного делителя 8, суммируясь с постоянным автоматическим смещением, образующимся вследствие падения напряжения на сопротивлении 15, объединяющем все катоды ламп манипуляторов 4 и о.

Режим постоянной и переменной составляющих смещения установлен таким образом, что при переходе делителя 8 из одного устойчивого положения в другое образуются только два суммарных режима смещения в манипуляторах 4 и 5. Манипулятор 4 заперт, и манипулятор 5 работает в режиме линейного усиления. При этом, как нетрудно видеть из схемы, переменная составляющая смещения (соответствующая осциллограмме на фиг. 2 б) ввиду симметрии плеч бинарного делителя 8 попеременно открывает и закрывает преобразователь 3 и манулу 2, чем и достигается переменнофазное прохождение звуковой частоты в выходной тракт инструмента.

Действие бинарного делителя обусловливается подачей на него импульсов частоты ведущего генератора /. Принцип работы бинарного делителя предполагается известным.

Принципиально применение двухтактных манипуляторов не обязательно. Стыковка инверсированных иолупериодов возможна и при наличии постоянной составляющей на выходе полуканалов. Однако, поскольку при линейном усилении средний анодный ток превышает амплитуду усиленного сигнала, некоторая асимметрия ламп по анодному току и асимметрия фронта включения и запирания манипулятора приводят к появлению в выходном сигнале, помимо инверсированных полупериодов, еще сигнала манипуляции в форме пиков стыка полупериодов или плоской волны, что вносит некоторую вуаль в тембральный эффект, абстрагируя ранее полученную характерную структуру. В двухфазных манипуляторах замещение полупериодов происходит лищь по неременной составляющей, в то время как постоянная составляющая компенсируется в цепи каждого полуканала. Если манипулятор не вносит существенных частотных и фазовых искажений в звуковой спектр, а также искажений, обусловленных переходными явлениями на фронте волны манипуляции, электрическая схема устройства может быть упрощена и удобно приспособлена для несимметричной инверсии как по дроблению периода, так и по амплитуде обращенного участка. Эта схема приведена на фиг. 4. Схема содержит только одну двухтактную манулу 2, получающую напряжение звуковой частоты от входного трансформатора 9, как и в предыдущей схеме. Катодное смещение манипулятора стабилизировано потенциометром на сопротивления /б и 17. Манипулирующее смещение подается через вторичную обмотку входного трансформатора 9 от катодного повторителя 18, возбуждаемого сигналом от неноказанного на схеме бинарного делителя.

Выход манипулятора включается последовательно с входной цепью, но так, чтобы фаза выходного напряжения манипулятора была противоположна фазе напряжения входа. Суммарный эффект иллюстрируется осциллограммами (см. фиг. 5), изображающими полное выходное напряжение схемы при различных уровнях напряжения на выходе манипулятора. Осциллограмма, показанная на фиг. 5 а, соответствует случаю, когда составляющая манипулятора в выходном сигнале отсутствует. Осциллограмма на фиг. 5 б характеризует случай частичной черезпериодной компенсации входного напряжения, соответствующий октавному понижению с сохранением сильного октавно-повышенного призвука. Осциллограмма на фиг. 5 в соответствует случаю полной черезпериодной компенсации выходного сигнала. Осциллограмма на фиг. 5 г соответствует случаю перекомпрнсации с зеркальной симметрией полупериодов, отличающейся нечетным составом.

Л 1J3536-- 4 -

Таким образом, при изменении доли напряжения, снимаемого с регулятора 19, образуется целая цепь спектральных градаци/ с нереходом (в последовательности от на фиг. 5 г к случаю на фиг. 5 с) от нечетного состава к полном} и да.чее к четному, вплоть до полностью октавно-удвоеинолту.

Описаг{ные схемы от.юсятся к частпо.му случаю си.мметричного деления периода выходного колебания на две равные части. В общем виде задача состоит в дробленнн периода на две )еравные части To Ti-rT2, причелг практический интерес представляют главны.м образом те случаи, когда отношение Ti .-.Тг составляет простые дроби 1 : 2, 1 .-3 и т. п. При этом, в зависимости от фазы и а.мнлитуды колебания, ;га участке Т образуется провал илп преобладание гармоник, крат(ых отношению дробления периода.

На фиг. 6 приведена блок-схема для такого обшего решения, а на фиг. 7а-7е - осциллограммы, ноясияющие ее действие при иесп.мметричиом дроблеиии периода. Учитывая, что получение дробяи.1его плоского импульса с большой асим.метрией .методо.м деления частоты нри.зодит к существенному пониже11ию периода выходного сигнала, при.мене. способ образования дробящего имиульса из сигнала ведущего геиератора. Эти.м устраняетея понижение диапазона гшструмента нрн переходе на тембр дробного спектра, ио накладьшается дополнительное тловие на форму колебаний вед щего IcnejiaTOpa, которая в представленио.м примере выбрана пилообразной.

В инструменте, показанном на фиг. 6, ведунций генератор J, управляемый грифом или манзлой (клавиатурой) 2, дает напряжение пилообразной формы (осниллограм.ма па фиг. 7 а) в преобразователь 3, где она преобразуется нокаскад(ОЙ отсечкой сначала в треугольный (осциллограмма на фиг. 7 о), а зате.1 в нря.моугольный (с.м. фиг. 7 в) импульс длительности 7| от полного периода То. Лополнительным преобразование.м в том же блоке достигается образование одиоиолярных коротких и.мпульсов по осциллограм.1е на фиг. 7 г, передающихся в основной тембровый блок . который может включать в себя нелинейные элементы любого вида. С выхода те.мбрового блока // колебания, соответствующие, например, осциллогра.мме па фиг. 7 д подаются иа фазоинверсный манипулятор 4 с рег}71яторо.м выходного уровня 20 и далее в остальные эле.менты 6 инструмента и и репродуктор 7. В элементы 6 подастся и ианряжение иепосредствеппо от блока /Л которое взаимодейств ет с напряжением манипулятора по схе.ме фиг. 4.

.Мапипулятор запускается пря.моугольны.ми импу.тьсами (см. фиг. 7 б) от блока . Результируюпдее колебание, еоответетвующее дозе дробянгей амплитуды по оениллогра.мме на фиг. 5 г, представлено осцпллограммой на фиг. 7 е. Электрическая схема участка 4, 20, 6 (фиг. 6) полностью соответствует схеме .па фиг. 3 с той лишь разницей, что гга сетку катодного повторителя 18 подается иапряжеине ite от ждзщего делителя, а от преобразователя 3 (фиг. 4). Соответствующим выбором режима последнего можно широко варьпрозать отношением Ti : То и, таким образом, получать различ11ые коэффициенты дробгюсти спектра. В качестве при.мера большой практической ненпостп следует указать Т| : (7-f-8), соответетвующий условия.м возбуждепия струн в смычковых и клавишных инструментах.

В некоторых случаях может оказаться целесообразпы.м пол чение дробящего плоского импульса с помои1ЬИ) (еси.м.метричного одновибратора, ведолю.г-о основным генератором.

Предмет изобретения

Электромузыкальный инструмент с группой тембров дробного спектра, отЛ и ча ю щ и и с я тем, что, с целью получения спектров с подавлением группы гармоник, кратных заданной, в канал звуковой частоты введен электронный манипулятор, управляемый бинарным делителем и осуществляющий переворачивание фазы напряжения колебания звуковой частоты на части периода, длительность каждой из которых разна периоду выпадающих гармоник.;

IPU

г)

S)

S)

/Wyw/W

V

/h 1Чи

/1

l(l

Ji

3 5 7SIB 13

ЛИЦ/Ш1„

т.

l f У-jjTx П-fj-t

111

MZTHfD 00 0 0

:.,

iTTTT

ID I

Фиг. 3.

fS

.i;

/7

p

aiJ

9П

J

-

v-

)