КЛАВИАТУРА МУЗЫКАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА В ФОРМЕ ДВУМЕРНОЙ МАТРИЦЫ
MUSICAL INSTRUMENT KEYBOARD IN FORM OF TWO-DIMENSIONAL ARRAY

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструкции клавиатуры музыкального инструмента.
Уровень техники
Известны клавиатуры клавишных инструментов, которые подразделяются на следующие типы:
а) самозвучащие ударно-клавишные:
- челеста,
б) струнные:
- ударно-клавишные (фортепьяно и старинный клавикорд),
- щипково-клавишные (клавесин и его разновидности),
в) духовые:
- клавишно-духовой (орган и его разновидности),
- язычковые (фисгармония, баян, аккордеон, мелодика),
г) электронные:
- синтезаторы,
- электроорган. [1]
Аналогом является клавиатура электронного клавишного инструмента - синтезатора.
Синтезатор - электронный музыкальный инструмент, создающий (синтезирующий) звук при помощи одного или нескольких генераторов звуковых волн. Требуемое звучание достигается за счет изменения свойств электрического сигнала (в аналоговых синтезаторах) или же методом настройки параметров центрального процессора (в цифровых синтезаторах). Синтезатор, выполненный в виде корпуса с клавиатурой, называем клавишным синьором. Синьор в виде корпуса без клавиры называется синтезаторным модулем и управляет от MIDI клавиатуры или другого устройства управления звуком, например MIDI-гитары. В случае если клавишный синтезатор оборудован встроенным секвенсором, он называется рабочей станцией. Синтезатор в виде компьютерной программы, использующей универсальную звуковую плату для озвучивания и стандартные средства ввода-вывода (компьютерные клавиатуру, мышь, монитор), называется программным синтезатором. [2]
Прототипом изобретения является MIDI-клавиатура, управляющая синтезаторным модулем, поскольку синтезаторный модуль позволяет наиболее простым способом - при помощи программно-аппаратных средств, настраивать любую высоту синтезируемых звуков и подключать к себе клавиатуру или другие модифицированные устройства управления звуком.
Аналог и прототип являются программно-аппаратным направлением развития музыкальных инструментов с определенной высотой звучания, что придает им максимальную гибкость в настройке высоты, тембра и прочих характеристик звука в рамках единого музыкального инструмента.
Однако конструкция клавиатуры как устройства управления звуком у аналогов и прототипа выполнена в виде одномерной (линейной) конструкции. Этой одномерной конструкцией является ранжированные по высоте извлекаемого звука клавиши, как правило, в виде равномерно-темперированного строя (фигура 1).
Как известно, 12-ступенный равномерно темперированный строй образует геометрическую прогрессию. Можно математически вычислить частоты для всего звукоряда, пользуясь формулой:
0
где f - частота эталонного камертона (например, Ля 440 Гц);
0
i - количество полутонов в интервале от искомого звука к эталону f. [3]
В таблице 1 представлены значения частот равномерно-темперированного строя, настроенного по стандартному камертону (ля 440 Гц).
Натуральный звукоряд (от лат. natura - природа, естество) или обертоновый звукоряд - ряд звуков (тонов), состоящий из основного тона и его гармонических обертонов. Каждый член такого ряда называется гармоникой. Частоты последовательных звуков натурального звукоряда образуют арифметическую прогрессию: f, 2f, 3f, 4f, …, где f - частота основного тона (нижнего звука натурального звукоряда).
Таким образом, натуральный звукоряд образован всеми звуками, частота которых кратна частоте основного тона.
Натуральный звукоряд соответствует спектру сложных гармонических колебаний осциллятора - физического источника звука (например, струны или воздушного столба в трубе). Частота f основного тона, или первой гармоники, соответствует частоте основного колебания (осциллятора в целом), частоты гармонических обертонов (или высших гармоник) 2f, 3f, 4f, … - частотам колебаний его равных частей. Отношение частот звуков интервала, образованного звуками натурального звукоряда, равно отношению их номеров. [3]
В таблице 2 показаны отличия интервалов равномерно-темперированного и натурального звукоряда.
Из приведенной таблицы 2 видно, что в равномерно-темперированном строе натуральным интервалом является только октава.
Разница между натуральными и равномерно-темперированными интервалами является причиной снижения качества звучания музыкальных инструментов с равномерно-темперированным строем, вследствие возникновения акустических биений.
Кроме того при проигрывании гамм (мажорных или минорных) возникает необходимость пропускать определенные клавиши, которые не попадают в тональность.
Вышеприведенные недостатки, а именно отсутствие натуральных интервалов (кроме октавы) и смешанное расположение клавиш мажорных и минорных гамм, являются «платой» за конструкцию клавиатуры как устройства управления звуком, выполненного в виде одномерной (линейной) конструкции.
Таким образом, причиной, препятствующей получению требуемого технического результата, а именно:
а) использованию натуральных музыкальных интервалов, при которых не возникают акустические биения,
б) сплошного, а стало быть, логичного расположения мажорных и минорных звукорядов является линейная конструкция клавиатуры клавишных музыкальных инструментов.
Сущность изобретения.
Для решения поставленных задач, а именно:
а) внедрения натуральных музыкальных интервалов, при которых не возникает акустических биений,
б) устранения перемежающегося расположения клавиш мажорных и минорных звукорядов,
предлагается конструкция клавиатуры музыкального инструмента, у которой клавиши расположены в форме двумерной матрицы и ранжированы как арифметическая прогрессия частоты извлекаемого звука по одной оси матрицы и как арифметическая прогрессия периода извлекаемого звука по другой оси матрицы.
Матрица данной клавиатуры представлена на фигуре 2.
При настройке клавиатуры на стандартный камертон (нота «ля» - 440 Гц), матрица выглядит, как представлено в таблице 3.
Данная матричная конструкция клавиатуры позволяет достичь следующих технических результатов:
1. При горизонтальном или вертикальном движении между соседними клавишами и взятии аккордов не возникает диссонансных интервалов и акустических биений, поскольку матрица основана на натуральных музыкальных интервалах.
2. Устранено перемежающееся расположение клавиш мажорных и минорных звукорядов: мажорные и минорные звукоряды расположены взаимоперпендикулярно.
В представленном примере мажорные трезвучия расположены по горизонтали (до, ми, соль - 4 строка сверху), минорные - по вертикали (до, ре диез, соль - 6 столбец).
Кроме того, матричная конструкция клавиатуры обладает следующими свойствами:
1. Тоника располагается по диагонали матрицы. В представленном примере тоникой является нота do с частотой 264 Гц.(фигура 2)
2. В матрице присутствуют все 12 хроматических интервалов.
3. Матричная конструкция может увеличиваться по своим осям, не теряя своих свойств, но с точки зрения психоакустики основной (оптимальной) является квадратная матрица 8×8 (64 клавиши), а минимальной - 4×4 (16 клавиш) (фигура 3).
4. Диапазон основной матрицы (8×8) составляет 6 октав. В представленном примере от контроктавы до начала 4 октавы и может сдвигаться по тонике в пределах не менее одной октавы.
5. Изменение высоты тоники требует перенастройки матрицы.
Данная матричная конструкция клавиатуры является техническим представлением следующих определений:
1. Натуральный минор - это звукоряд, построенный как убывающая арифметическая прогрессия периода основания матрицы. Разность прогрессии равна отрицательному значению 1/8 периода. При этом минорное трезвучие образуют 3, 4, 5 периоды, т.е. 3, 4, 5 члены прогрессии 2. Натуральный мажор - это звукоряд, построенный как возрастающая арифметическая прогрессия частоты левого столбца матрицы. Разность прогрессии равна этой же частоте. При этом мажорное трезвучие образуют 4, 5, 6 гармоники, т.е. 4, 5, 6 члены прогрессии (см. фигуру 2 и таблицу 3).
Данная матричная конструкция клавиатуры музыкального инструмента сохраняет свои преимущества и свойства и в случае ее поворотов по осям, что является только вопросом дизайна и удобства пользователя клавиатурой.
Перечень чертежей и иных материалов
1. Фигура 1. Клавиатура равномерно-темперированного строя.
2. Таблица 1. Частоты равномерно-темперированного строя, настроенного по стандартному камертону (ля 440 Гц).
3. Таблица 2. Отличия интервалов равномерно-темперированного и натурального звукоряда.
4. Фигура 2. Отношения периодов и частот извлекаемого клавишами звука.
5. Таблица 3. Матрица отношения частот извлекаемого клавишами звука, при настройке на стандартный камертон: нота «ля» - 440 Гц.
6. Фигура 3. Дизайн клавиатуры.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
На сегодняшний день известны устройства управления звуком - клавиатуры музыкальных инструментов, в частности, клавиатуры синтезаторов. Изменить конструкцию клавиатуры и трансформировать ее из линейной в матричную является вопросом дизайна. В частности, дизайн клавиатуры в простейшем случае может выглядеть, как показано на фигуре 2.
Поскольку клавиатура является устройством управления звуком, например для синтезаторного модуля, который выбран прототипом, существуют стандартные аппаратно-программные средства, позволяющие осуществлять элементарные операции над матрицами. В данном случае - умножение матрицы на число [5]. Данные операции позволяют расширить функционал музыкального инструмента и произвольно задавать значение тоники.
Использование данной клавиатуры более удобно, чем стандартной клавиатуры пианино или синтезатора. Для упрощения восприятия интервальных отношений рекомендуется выделить тоники, диагональ тоники и мажорно-минорные трезвучия как в фигуре 3.
Литература
1. Клавишные музыкальные инструменты. - Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. 1969-1978. http://ru.wikipedia.org/wiki/Клавишные.
2. Основы музыки и игры на синтезаторе. Современная музыка, 2006 г. http://ru.wikipedia.org/wiki/Синтезатор.
3. Натуральный звукоряд. - Музыкальный энциклопедический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - С.375. - ISBN 5-85270-033-9.
4. Музыкальная энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия. Советский композитор. Под ред. Ю.В.Келдыша. 1973-1982.
http://m.wikipedia.org/wiki/Темперированный_строй.
5. Дж. Голуб, Ч.Ван Лоун Матричные вычисления. - М.: Мир, 1999.
http://ru.wikipedia.org/wiki/Матрица_(математика).