МИДИ-контроллер ударного музыкального инструмента
MIDI CONTROLLER FOR A PERCUSSIVE MUSICAL INSTRUMENT

Изобретение относится к музыкальной технике и касается конструкции MIDI-контроллера ударного музыкального инструмента.
Под MIDI-контроллером ударного музыкального инструмента понимается аппаратное обеспечение, генерирующее и передающее информацию на MIDI-совместимые электронные или цифровые устройства. Сами по себе MIDI-контроллеры не издают звуков, а лишь генерируют поток данных после нажатия на клавиши, кнопки или пэды устройства. Образующиеся MIDI-события передаются на звуковые модули или синтезаторы с поддержкой MIDI, которые и воспроизводят звук.
По состоянию на 2020 год существует множество различных электронных клавишных, ударных, струнных, духовых и прочих музыкальных инструментов. Многие из них имеют интерфейс MIDI для передачи информации о факте и силе исполняемых нот на внешний звуковой модуль или в компьютер.
В области ударных инструментов распространены приборы, имеющие интегрированные звуковые модули, и связанные с ними интерфейсы управления. Такая интеграция приводит не только к дороговизне, но и к сравнительно крупным размерам и высокой массе изделий. Внутренняя сложность и насыщенность электронными компонентами и связями неблагоприятно сказывается на надежности таких изделий, учитывая. что при работе непосредственно по корпусу изделия постоянно приходятся удары барабанными палочками. Ударные зоны таких приборов выполнены из синтетических каучуков и при ударах производят настолько значительный акустический шум, что расположенные рядом микрофоны могут этот шум передать в общую звуковую картину (US 7112739, US 8088986).
В качестве прототипа выбрано решение, основанное на использовании ёмкостной технологии, которое описано в US 7926351, G01L1/14, G06F15/00, опубл. 19.04.2011 г.
В этом патенте описано устройство имитации ударного инструмента типа электронного барабана и представляет собой датчик давления, на верхней поверхности которого расположена пластина в форме диска, представляющая собой подушку, которая формирует ударную поверхность для ударов палочками. Подушка выполнена из упругого вспененного материала с закрытыми ячейками и исполнитель при ударах может получить похожее  ощущение, как при ударе по акустическому барабану. К нижней поверхности подушки прикреплена тонкая пленка круглой формы из металлизированного полимера ПЭТ. Металлизированная пленка, и круглой формы плоская печатная плата из стеклотекстолита со сформированным на ней неподвижным электродом, прикреплены друг к другу с помощью тонкой двусторонней клейкой ленты, выполненной с множеством прямоугольных вырезов, сформированных с заданным шагом в продольном и поперечном направлении. Неподвижный электрод сформирован в виде печатных проводников на верхней поверхности печатной платы и содержит четыре кольцевых фрагмента, расположенных концентрически, при этом каждый кольцевой фрагмент связан с отдельной выходной клеммой. На всей нижней поверхности печатной платы выполнен печатный проводник, работающий в качестве экранирующего электрода. Двусторонняя клейкая лента за счет своей толщины позволяет подвижному электроду и неподвижному электроду располагаться напротив друг друга с небольшим воздушным зазором. Так, между подвижным электродом и отдельными фрагментами неподвижного электрода образуется электрическая ёмкость. Когда по подушке ударяют палочкой, место удара подушки деформируется смещаясь вниз, из-за чего подвижный электрод тоже прогибается вниз. Область прогиба подвижного электрода попадает в любую из прямоугольных выемок, так что расстояние между ним и соответствующим фрагментом неподвижного электрода уменьшается. Вследствие изменения расстояния между подвижным и неподвижным электродами изменяется ёмкость и выходной электрический сигнал выводятся через клемму. Величина прогиба подвижного электрода пропорциональна силе удара, с которой по подушке ударяют палочкой. Выходные электрические сигналы имеют уровни, пропорциональные силе ударов.
В данном патенте устройство не имеет своего MIDI-интерфейса и не может использоваться как самостоятельный контроллер. Описанное устройство рассматривается лишь только как датчик ударов, и, по сути, представляет собой имитатор электронного барабана, с которого выходные сигналы должны поступать на внешний специализированный прибор для дальнейшей обработки.
Главный недостаток описанного решения - относительно малая площадь области прогиба подвижного электрода по сравнению с его общей площадью, в следствие чего изменение электрической ёмкости в момент удара имеет довольно малое значение на фоне общей ёмкости в состоянии покоя. Поскольку имеются колебания величины воздушного зазора вследствие вибрации корпуса, то малые изменения ёмкости приходится игнорировать для достижения устойчивости к самопроизвольным срабатываниям, а это, в свою очередь, приводит к недостаточно высокой чувствительности и не позволяет распознавать слабые удары. Другой недостаток описанного решения заключается в сравнительно больших габаритах устройства, обусловленных его круглой формой. Ко всему прочему, данная конструкция достаточно сложна. Задача передавать сильные удары с сохранением динамики привела к необходимости разместить вторую мембрану следом за первой, что в свою очередь значительно усложнило конструкцию, электронную схему и алгоритм оценки силы удара.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции MIDI-контроллера при уменьшении габаритов, и в достижении более высоких показателей по чувствительности и динамическому диапазону.
Указанный технический результат достигается тем, что в MIDI-контроллере ударного музыкального инструмента, содержащем корпус, на котором сформирована по крайней мере одна ударная зона, состоящая из подушки из упруго деформируемого полимерного материала, с которой связана расположенная под подушкой тонколистовая мембрана из полимерного материала, на стороне которой, обращенной в направлении от подушки, нанесен электропроводящий слой, являющийся подвижным электродом, неподвижного электрода на печатной плате, расположенного под мембраной и на расстоянии от нее и выполненного в виде печатного проводника, при этом подвижный и неподвижный электроды образуют емкостную схему, изменение емкости которой связано с величиной прогиба мембраны от удара барабанной палочкой по подушке, корпус выполнен удлиненной формы из металлического трубчатого профиля прямоугольного сечения, в дне которого выполнены резьбовые отверстия для присоединения к месту установки, подушка выполнена из пористой синтетической резины и расположена вдоль металлического профиля корпуса, верхняя поверхность подушки выполнена дугообразно скругленной в поперечном сечении, мембрана прикреплена к нижней стороне подушки  адгезивом и скреплена с краями печатной платы на расстоянии от этой платы, печатная плата посредством адгезива соединена со стальной подложкой, которая через прокладку из вспененного адгезива прикреплена к верхней стенке корпуса, а внутри корпуса размещена плата с электронными компонентами регистрации изменений емкости в емкостной схеме в функции от прогиба мембраны и с контроллером интерфейса USB, который сообщен с USB-портом.
При этом мембрана может быть выполнена из полиимида.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - MIDI-контроллер, установленный на обод малого барабана;
фиг. 2 - аксонометрическое изображение варианта исполнения MIDI-контроллера на одну ударную зону;
фиг. 3 - аксонометрическое изображение варианта исполнения MIDI-контроллера на две ударных зоны;
фиг. 4 - аксонометрическое изображение варианта исполнения MIDI-контроллера на четыре ударных зоны;
фиг. 5 - продольный разрез ударной зоны MIDI-контроллера;
фиг. 6 - сечение А-А по фиг. 5, показано разнесенное отображение компонентов, образующих многослойную структуру ударной зоны.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новая конструкция устройства MIDI-контроллера 1 ударного музыкального инструмента (МИДИ-контроллер), который представляет собой узкий продолговатый корпус 2 с одной или несколькими ударными зонами 3 - чувствительными упругими подушками на верхней поверхности (фиг. 1).
Устройство может быть выполнено с одной (фиг. 2), или двумя (фиг. 3), или четырьмя (фиг. 4) ударными зонами 3, или иным количеством ударных зон. Независимо от количества ударных зон устройство оснащено разъемом USB type-C 4 для кабельного сопряжения с компьютером, смартфоном, планшетом или иным устройством, выполняющим функции внешнего звукового модуля (не показаны). Одно или несколько таких устройств 1 могут быть использованы в качестве ударных контроллеров самостоятельной электронной ударной установки или как электронные ударные контроллеры в дополнение к акустической барабанной установке 5 (фиг. 1).
Музыкальный контроллер ударного инструмента выполнен с высокой чувствительностью, с широким диапазоном отслеживания силы ударов и плавной передачей динамики игры. Пористая структура материала упругих подушек на ударных зонах обеспечивает комфортный тактильный эффект - отскок барабанной палочки, очень близкий к ощущению при игре на акустическом барабане, при достаточно высокой износостойкости. Удар барабанной палочки по такому материалу производит сравнительно низкий собственный шум по сравнению с монолитными синтетическими каучуками, что дает возможность располагать контроллер вблизи микрофонов, не производя на них при игре значительных звуковых наводок. Компактный узкий продолговатый корпус обеспечивает удобство в транспортировке и хранении. Дополнительные органы фиксации штекера в разъёме обеспечивают высокую надежность соединения и отсутствие потери контакта в условиях тряски.
На сегодняшний день на рынке музыкального оборудования и программного обеспечения сложилась такая ситуация, что виртуальные синтезаторы, выполненные в качестве как самостоятельного ПО, так и плагинов к цифровым звуковым рабочим станциям, имеют обширные функциональные возможности при низкой цене по сравнению с автономными звуковыми модулями. К тому же, во многих музыкальных проектах и группах цифровая звуковая рабочая станция является неотъемлемым аппаратом в техническом обеспечении концерта и уже имеется в составе технического оснащения проекта. Такая ситуация делает экономически обоснованным применение описанного здесь контроллера ударного музыкального инструмента, не имеющего собственного звукового модуля. Контроллер ударного музыкального инструмента подключается кабелем USB непосредственно к хосту - компьютеру, планшету или смартфону, на котором запущена программа виртуального синтезатора или цифровой звуковой рабочей станции, где данный аппарат назначается в качестве управляющего MIDI - контроллера и передаёт хосту управляющие команды на воспроизведение звуков.
В отличие от пассивных ударных датчиков, требующих подключения к внешним барабанным триггерным модулям, заявленное устройство оснащено собственным интерфейсным контроллером, что позволяет подключаться к цифровой рабочей станции посредством USB. В отличие от имеющегося на рынке датчика ударов, выполненного в узком корпусе, такого как US 9006553 и ему подобное изделие US 9343048, в ударной зоне описываемого аппарата применен один лишь только ёмкостный принцип действия, вместо пьезоэлектрического, контактного и их комбинации. Этим обеспечена не только простота, но и более высокие пользовательские характеристики описываемого устройства, такие как глубина передачи динамики игры, высокая чувствительность и устойчивость к ложным срабатываниям.
По сравнению с имеющимися на рынке MIDI-контроллерами общего применения, рассчитанными на игру пальцами, такими как CN 201757998U, US 9159307, US 20080173163 и другими подобными контроллерами, ударные зоны описываемого аппарата предназначены для игры барабанными палочками во всём диапазоне силы удара. За счет конструкции и особенностей примененных материалов обеспечена необходимая механическая прочность и износостойкость, а также размеры ударных зон, удобные для попадания палочками.
По сравнению с имеющимися на рынке ударными MIDI-контроллерами, (US 9721553, US6586666) заявленное устройство имеет иной принцип действия и оригинальное значительно более компактное конструктивное исполнение.
В общем случае, MIDI-контроллер ударного музыкального инструмента содержит корпус, на котором сформирована по крайней мере одна ударная зона, состоящая из подушки из упруго деформируемого полимерного материала, с которой связана расположенная под подушкой тонколистовая мембрана из полимерного материала, на стороне которой, обращенной в направлении от подушки, нанесен электропроводящий слой, являющийся подвижным электродом, неподвижного электрода в виде проводника на печатной плате, расположенного под мембраной и на расстоянии от нее, при этом  подвижный и неподвижный электроды образуют емкостную схему, изменение емкости которой связано с величиной прогиба мембраны в следствие удара барабанной палочкой по подушке.
При этом:
- корпус выполнен удлиненной формы из трубчатого металлического профиля прямоугольного сечения, в дне которого выполнены резьбовые отверстия для присоединения к месту установки,
- подушка выполнена из пористой синтетической резины и расположена вдоль  металлического профиля корпуса, верхняя поверхность подушки выполнена дугообразно скругленной в поперечном сечении,
- мембрана прикреплена к нижней стороне подушки адгезивом и скреплена с краями печатной платы на расстоянии от этой платы,
- печатная плата с разнесенными электродами посредством адгезива соединена со стальной подложкой, которая через прокладку из вспененного адгезива прикреплена к верхней стенке корпуса,
- внутри корпуса на нижней его стенке на стальной подложке размещена плата с электронными компонентами регистрации изменений емкости в емкостной схеме в функции от прогиба мембраны и с контроллером интерфейса USB, который сообщен с USB-портом.
Ниже приводится описание конструкции MIDI-контроллера ударного музыкального инструмента и принципа работы ударной зоны (фиг. 5 и 6).
Конструкция устройства MIDI-контроллера ударного музыкального инструмента в разрезе на примере одной ударной зоны показана на фиг. 5. Устройство 1 выполнено в продолговатом корпусе 2 из пустотелого алюминиевого профиля прямоугольного сечения шириной 25 мм, на верхней стороне которого размещена как минимум одна ударная зона 3. Внутри корпуса 2 на стальной подложке 6 расположена основная электронная плата 7. Плата содержит микроконтроллер с поддержкой периферийных устройств - интерфейса USB и набора таймеров-счетчиков.
Ударная зона выполнена в виде независимой сборочной единицы. Для отслеживания факта и силы удара, производимого музыкантом при помощи барабанной палочки, используется методика отслеживания изменения электрической ёмкости между подвижным и неподвижным электродами.
Конструктивно ударная зона представляет собой многослойный пакет, описанный ниже.
3
Удар, производимый барабанной палочкой, приходится по верхней скругленной поверхности упругой подушки 8, выполненной из мелкопористой синтетической резины EPDM плотностью 100 г/дм. Данная упругая подушка за счет своей формы и свойств выбранного материала обеспечивает несколько важных технических эффектов:
- упругость материала подушки обеспечивает так называемый отскок барабанной палочки после удара, по ощущению очень близкий к аналогичному отскоку при игре на акустическом барабане,
- пористая структура материала подушки обеспечивает сравнительно низкий уровень собственного акустического шума при ударе палочки, что делает возможным соседство аппарата с микрофонами, которыми озвучена акустическая барабанная установка,
- свойство полного восстановления исходной формы материала подушки после деформации обеспечивает износостойкость и долговечность ударной зоны на протяжении всего срока пользования аппаратом,
- узкая продолговатая скругленная форма, в сочетании с низкой плотностью материала подушки, обеспечивают устойчивость к ложным срабатываниям, которые могут быть вызваны тряской корпуса аппарата. Благодаря низкой плотности материала подушки, у всей деформируемой части ударной зоны достигнута малая масса, а за счет узкой формы подушки поддержка всей деформируемой части обеспечена по двум параллельным линиям вдоль ударной зоны, на достаточно близком расстоянии друг к другу. Такое сочетание массы подушки, упругости её материала и расстояния между линиями поддержки позволило обойтись без внутренних упругих распорок межу неподвижным электродом и мембраной (как это было предложено в US 7926351), обеспечив при этом высокую чувствительность к ударам при устойчивости к ложным срабатываниям вследствие тряски корпуса, и одновременно широкий динамический диапазон для корректной оценки силы удара от самых слабых до самых сильных значений,
-  материал упругой подушки разрешен для применения в пищевой промышленности, что делает аппарат абсолютно безопасным для пользователей.
Упругая подушка 8 по всей нижней поверхности связана с мембраной 9 посредством двухстороннего адгезива 10. В момент удара подушка деформируется и приводит в движение мембрану 9, выступающую в качестве подвижного электрода. Мембрана 9 выполнена из полиимида, покрытого медной фольгой с нижней стороны. Впоследствии, после удара, упругая подушка принимает исходную форму и возвращает приклеенную к ней снизу мембрану в исходное положение.
Мембрана 9 расположена и зафиксирована по краям методом пайки параллельно печатной плате 11. Электропроводящий слой мембраны электрически связан с общим проводом. На верхней поверхности платы 11, с отступом от краёв, выполнен неподвижный электрод 12 - печатный проводник, который образует электрическую ёмкость с подвижным электродом мембраны и электрически связан со схемой измерения ёмкости. По краям платы, на верхней её стороне, выполнен узкий проводник 13, электрически связанный с общим проводом и имеющий соединение с медью мембраны 9. На нижней стороне печатной платы 11 имеется связанный с общим проводом экранирующий слой меди 14, который исключает влияние внешних наводок на неподвижный электрод 12. При установке мембраны на печатную плату выдерживается воздушный зазор 0,5 мм за счет размещения отрезков медной проволоки 15 вдоль линий пайки. В процессе пайки припой 16 заполняет этот зазор узкой полосой по краям печатной платы 11.
Небольшой участок нижней стороны печатной платы 11 занят электронной схемой 17, представляющей собой преобразователь ёмкость - частота. От этой схемы выходит гибкий плоский кабель - шлейф 18, которым ударная зона связана с основной электронной платой 7 через разъём 19.
Печатная плата 11 при помощи двухстороннего адгезива 20 установлена на массивной плите - стальной подложке 21, выполненной из стали толщиной 4 мм. Нижней поверхностью подложка 21 устанавливается на алюминиевый профиль корпуса 2 при помощи прокладки 22 из вспененного двухстороннего адгезива толщиной 1 мм. Пористая структура прокладки 22 обладает амортизирующим свойством, что образует плавающий подвес для массивной стальной подложки 21 и обеспечивает устойчивость ударной зоны к ложным срабатываниям, которые могут быть вызваны тряской корпуса аппарата.
Основная электронная плата 7 имеет разъем 4 для подключения к хост-устройству (компьютеру, планшету или смартфону). Через этот разъём аппарат получает электрическое питание и взаимодействует с хост-устройством по протоколу USB-MIDI. Конструктивно, разъём 4 имеет доступ с торцевой части корпуса 2 и утоплен вглубь аппарата. Это позволяет глубоко ввести штекер 23 кабеля USB внутрь корпуса, и добившись надежного попадания в разъём, произвести дополнительную фиксацию штекера в корпусе путем затягивания винта 24. Таким образом достигнут технический эффект надежного соединения аппарата с разъёмом кабеля и отсутствие потери контакта в условиях значительной тряски аппарата при игре. В таком исполнении аппарата кабель выступает в качестве расходного материала и может быть быстро заменен на новый по мере износа, повреждения или внутреннего обрыва.
На нижней стороне корпуса 2 выполнены установочные отверстия 25 с размещенными внутри корпуса гайками 26, позволяющими ввинчивать в корпус винты. Данные отверстия предназначены для фиксации аппарата при помощи вспомогательных кронштейнов на каких-либо внешних стационарных конструкциях, таких как обод барабана, шток тарелочной стойки и т. п.
Основная электронная плата 7 установлена на стальной подложке 6. Вдоль основной платы расположено несколько пружинящих элементов 27 из пористой резины, обеспечивающих надежное прижатие гаек 26, а также печатной платы 7 и подложки 6 к нижней стенке корпуса 2.
Ударная зона содержит собственную электронную схему - преобразователь ёмкость - частота и в отсутствии удара вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой следования порядка 500 кГц. В момент удара электрическая ёмкость между электродами ударной зоны увеличивается, что приводит к снижению частоты следования импульсов. В способе обнаружения удара и оценки его силы принята концепция преобразования ёмкости в частоту, что даёт возможность обойтись без аналого-цифрового преобразования, а вместо этого производить счёт импульсов средствами таймеров-счетчиков. Встроенный периферийный таймер микроконтроллера производит инкрементальный счет приходящих от ударной зоны импульсов и захватывает текущее значение счетчика через равные промежутки времени, с интервалом 100 мкс. Из текущего захваченного значения, полученного от счетчика, вычитается предыдущее, чтобы получить приращение. Данное приращение будет оставаться почти неизменным, когда ударная зона находится в покое, но будет значительно меняться в меньшую сторону по мере увеличения ёмкости при ударе.
Детектирование удара происходит в момент, когда новое значение приращения становится меньше предыдущего значения на уровень порога детектирования. Порог детектирования удара составляет несколько единиц и подбирается в процессе калибровки. После детектирования удара происходит накопление - суммирование набора следующих один за другим приращений между соседними результатами захвата. По окончании серии накопления происходит вычисление силы произведенного удара. Чем меньше значение суммы приращений, тем выше сила удара. Полученная сумма приводится к стандартному диапазону параметра силы удара 1 ... 127 через калибровочные коэффициенты. Для каждой отдельно взятой ударной зоны пользователем назначается MIDI - нота и один из нескольких вариантов кривизны передачи динамики, а также минимальный и максимальный лимит силы удара. По окончании оценки силы удара микроконтроллер выполняет выдачу MIDI - команды NoteOn через USB MIDI интерфейс, с предварительно назначенным номером ноты и со значением velocity полученным в результате оценки силы удара, после чего запускает таймер мертвого времени, в течение которого на данной ударной зоне распознавание ударов производиться не будет. По окончании мертвого времени микроконтроллер выполняет выдачу MIDI - команды NoteOff с тем же номером ноты, после чего возобновляет процесс оценки значений приращения для распознавания следующего удара. Аналогичным образом обрабатываются остальные ударные зоны (если их несколько). Для обеспечения стабильной работы данного алгоритма параллельно ему реализована функция рекалибровки в процессе работы.
В отличие от похожих решений, основанных на ёмкостной технологии, приведенных в патентах US 4852443 и US 7926351, заявленное устройство имеет более простую конструкцию и компактную форму. За счет формы, конструктивных решений, выбранных материалов, схемных решений и алгоритмов обработки, описываемый аппарат обладает рядом преимуществ.