ЭЛЕКТРОННЫЙ ХОМУС
ELECTRONIC KHOMUS

Изобретение относится к области производства музыкальных инструментов типа хомус (варган).
Известны музыкальные инструменты (СССР, а.с. №1571649, G10D 7/12, 1998, а.с №1758669, G10D 17/00, 1989, SU 1778777 A1, G10D 7/12, 1992), представляющие из себя дуговой металлический инструмент, состоящий из кольцеобразного основания, переходящего в щеки с ромбовидным сечением, и язычка, прикрепленного к задней стороне основания и расположенного между щеками. Для качества звучания на каждой щеке могут быть выполнены продольные канавки (SU 1778777 А1).
С целью повышения диапазона звучания и исполнительского мастерства игры музыканта известны случаи применения генераторов тона и акустических модуляторов в струнных и клавишных инструментах (а.с. СССР №1720087, G10H 1/10, 1989), а также в язычковых инструментах типа кубыз (варган) (RU 2140102 C1, G10D 7/12, 1999) и хомуса (RU 93052087 А, 1996).
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является «Электронно-музыкальный инструмент кубыз (варган)» (RU 2140102 C1, G10D 7/12, 1999). Недостатком данного изобретения является малая мощность, не указано применение резонансной частоты в устройстве.
Техническим результатом изобретения является изготовление электронного хомуса с повышенными функциональными возможностями при сохранении классической формы хомуса, повышение резонанса звучания.
Указанный технический результат достигается тем, что известный электронный хомус, содержащий кольцеобразный остов, переходящий в щеки с ромбовидным сечением, и язычок, прикрепленный к задней стороне остова и расположенный с зазором между щеками, согласно изобретению, снабжен электромагнитом, последовательно соединенным с автогенератором звуковой частоты с встроенным усилителем, диодным ограничителем, схемой дистанционного управления, индикацией состояния аккумуляторной батареи с зарядным устройством, при этом электромагнит в виде катушки с кнопкой дистационного управления, расположенной на корпусе электромагнита, закреплен на остове хомуса таким образом, чтобы язычок хомуса не касался сердцевины магнита, а индикатор зарядки и разрядки аккумулятора, резистор регулировки частоты резонанса встроены на передней панели прибора.
Электромагнит может быть изготовлен в виде пластиковой катушки диаметром 14 мм, на которую намотан провод марки ПЭТВ-0,12 количеством витков 300.
Зазор между сердечником диаметром 10 мм и язычком хомуса предпочтителен в пределах 0,2-0,3 мм.
Электронный хомус дополнительно содержит диоды VD1 и VD5 последовательно и параллельно подсоединенные к катушке с возможностью исключения нагрева сердечника электромагнита.
Электронный хомус существенно отличается от известных хомусов применением резонанса механических и электромагнитных колебаний. При совпадении частоты генератора и собственной частоты хомуса происходит резонанс, резкое увеличение амплитуды колебаний язычка хомуса. Исполнителю остается только придерживать хомус к зубам, язычок хомуса колеблется автоматически без участия исполнителя, рука свободна.
На фиг.1 показана принципиальная схема электронного хомуса.
На фото 1 показан электронный хомус с кнопкой дотационного управления. На фото 2 - блок автогенератора в разборном виде. На фото 3 - блок зарядки и контроля аккумулятора. На фото 4 - общий вид с аккумулятроной батареей. На фото 5 - общий вид устройства «Электронный хомус» в сборе.
Электронный хомус состоит из собственно хомуса, на остове которого закреплена электромагнитная катушка, диаметром 14 мм, на которую намотан провод марки ПЭТВ-0,12 количеством витков 300. При этом стальной сердечник выполнен с мелкой резьбой диаметром 10 мм для регулировки зазора между сердечником и язычком хомуса. Зазор между сердечником электромагнита и язычком хомуса должен быть в пределах 0,2-0,3 мм, чтобы язычок хомуса не касался сердцевины магнита при вибрации язычка. Сопротивление обмотки по постоянному току - 4,7 Ом.
u
Хомус с электромагнитом подсоединен к задающему автогенератору гармонических колебаний с встроенным усилителем мощности, диодным ограничителем, схемой дистационного управления, индикации состояния аккумуляторной батареи и зарядным устройством для аккумулятора. Как показано по схеме электронного хомуса, автогенератор выполнен из однокаскадного усилителя, охваченного положительной обратной связью через RC-четырехполюсника. RC-цепочки образуют частотно-зависимую обратную связь, обеспечивающую на частоте квазирезонанса баланс фаз и баланс амплитуд, необходимые для поддержания незатухающих гармонических колебаний. При этом баланс амплитуд обеспечивают при условии Kβ≥1, где
β - коэффициент передачи цепи обратной связи;
u
K - коэффициент усиления по напряжению.
0
а баланс фаз сохраняют при условии на заданной частоте f фаза напряжения обратной связи соответствует фазе входного напряжения.
21min
o
Усилитель автогенератора состоит из транзистора VT1 КТ3102Е с высоким коэффициентом усиления h=400 и буферного каскада на эмитгерном повторителе VT2 КТ315 у которого сдвиг фазы выходного напряжения на 180° по отношению к фазе входного напряжения, цепь обратной связи должна обеспечить на заданной частоте (f=64 Гц) дополнительный фазовый сдвиг на 180°. Цепью частотно-зависимой обратной связи, сдвигающей фазу на 180° является цепочка из трех одинаковых (R1+R2=R3=R4) и конденсаторов (С1=С2=С3). Из теории четырехполюсников известно, что на частоте квазирезонанса, определяемой соотношением
o
ω=1RC6,
фаза выходного напряжения поворачивается на 180° по отношению к фазе входного напряжения, а коэффициент передачи цепи обратной связи β=72Р,
Каждое звено цепочки сдвигает фазу на 60°.
o
Баланс фаз в звене происходит на частоте f=115,4RC, а баланс амплитуд, при коэффициенте усиления усилителя К≥29.
Резистор R5 - сопротивления смещения рабочей точки транзистора, подбирается при налаживании автогенератора. Резистор R7 создает отрицательную обратную связь по постоянному току для термостабилизации рабочей точки транзистора, С4 - для прохождения переменной составляющей, R24 - нагрузка эмиттерного повторителя на V2, одновременно служит регулятором усиления усилителя мощности на DA3 (TDA 2003).
Параметры TDA 2003
пит
U=8-18B4
потр мах.
J=3,5 A
вых
п
н
п
н
Р. При U=14 B, КНИ=10%, R=4 Ом равно 6 ватт. КНИ=0,15% при Р<4,5 Вт U=14 B, R=4 Ом, ток покоя ≤50 мА.
Гармонический сигнал автогенератора с движка потенциометра R24 проходит через разделительный конденсатор С5 на вход усилителя мощности (вывод 1 микросхемы), к этому выводу относительно общего провода подключен конденсатор С6 для шунтирования наведенных высокочастотных составляющих, чтобы предотвратить самовозбуждение усилителя мощности. Частота автогенератора регулируется резистором R4 в пределах от 30 Гц, до 250 Гц относительно центральной (рабочей) частоты.
Усилитель мощности охвачен отрицательной обратной связью, сигнал обратной связи снимается с выхода усилителя через усилитель напряжения R8, R9 и подается через конденсатор С7 на инвертирующий вход усилителя (вывод 2). Сигнал 00С нужен для уменьшения коэффициента нелинейных искажений, улучшения частотной характеристики усилителя. Конденсатор С8 ставится для шунтирования высокочастотных составляющих сигнала.
Электромагнит хомуса при работе от синусоидального по форме напряжения сильно нагревается за счет возникновения вихревых токов Фуко, т.е. домены (частицы) сердечника электромагнита перемагничиваются, при этом каждая частица совершает движение вокруг своей оси (как компас). При этом возникает трение частиц, что приводит к нагреву сердечника. Чтобы избавится от этого явления, катушку электромагнита питаем через диод VD1. Диод выпрямляет переменный синусоидальный ток и через катушку протекает пульсирующий ток одного направления. При этом частицы железа не перемагничиваются, что исключает нагрев сердечника электромагнита. Но все-таки на катушке возникают отрицательные выбросы, что могут привести к перемагничиванию железа в какой-то степени. Чтобы убрать эти отрицательные выбросы установлен параллельно катушке еще один диод VD5, который отсекает эти импульсы.
Задающий автогенератор питается стабилизированным напряжением 5 В. В качестве стабилизатора использован интегральный стабилизатор напряжения DA1 КРЕН5 или LM7805. По входу и выходу ставятся развязывающие фильтры С11, С12 и С9, С10.
Электронная часть хомуса питается от аккумулятора напряжением 12 В, емкостью 2,3 А/час. Для подзарядки аккумулятора изготовлено зарядное устройство.
Зарядное устройство состоит из понижающего трансформатора Т1, диодного моста VD3, стабилизатора тока зарядки на интегральном стабилизаторе DA2. Как видно на схеме, аккумуляторная батарея с номинальным напряжением 12 В включена в разрыв общего провода DA2 и минуса источника питания. В свою очередь, микросхема нагружена резистором R10, который определяет ее выходной ток. Этот резистор позволяет задать ток зарядки аккумуляторной батареи. Так для аккумулятора емкостью 2300 мА·ч. Он должен быть равен 230 мА. Резистор R10 подбирается при налаживании, вместо R10 включаем переменный проволочный резистор, вращением оси резистора устанавливаем нужный ток, потом измеряем сопротивление резистора и ставим постоянный резистор измеренного номинала. Во время зарядки зарядный ток неизменен на протяжении всего времени зарядки. Диод VD2, рассчитанный на прямой ток не менее 300 мА, служит для развязки общего провода от аккумулятора в случае пропадания напряжения сети.
Для удобства управления хомус снабжен схемой дистационного управления с помощью кнопки включения-выключения. Схема ДУ состоит из кнопки управления, D-триггера на интегральной микросхеме и электронного реле на VT4 и К1. Схема стабилизирована по питанию параметрическим стабилизатором напряжения ZD1, R16.
Основным элементом является счетный триггер на D-триггере К561ТМ2. Триггер получен соединением инверсного выхода Q с информационным входом "D", что превращает тактовый вход "С" в счетный. Выходной сигнал триггера подается на базу транзисторного ключа УТ4. После включения основным выключателем SA1.1, напряжение питания подается на схему ДУ. Начальный нулевой потенциал на входе «С» определяет резистор R14. При нажатии SB1 открывается VT3 и соединяет «плюс» питания через резистор R12 с входом «С» триггера DD1, формируя счетный импульс. Триггер опрокидывается на выходе появляется логическая единица, открывается VT4 и срабатывает реле К1, включая питание электронной части хомуса контактами К1.1. При выключении кнопку нажимаем второй раз. Триггер опрокидывается, транзистор VT4, запирая реле, отпускает якорь, контакты К1.1 разрываются, выключая питание электронной части хомуса. Конденсаторы С14 и С15 помехоподавляющие. Транзистор VT3 предназначен для того, чтобы емкость соединительного кабеля с кнопкой не влиял на работу триггера.
Работа устройства электронного хомуса осуществляется следующим образом:
- при включении прибора генератор выдает полосу звуковых частот от 30 Гц. до 250 Гц. Эта полоса звуковых частот первой, большой и малых октав. Далее посредством регулировки переменным резистором, добиваемся установки той частоты, на которой сделан хомус (варган). Сам хомус т.е. язычок хомуса, вибрируя при игре имеет собственную частоту. Настраивая генератор на собственную частоту хомуса добиваемся совпадения этих частот. При совпадении частоты генератора и собственной частоты хомуса происходит резонанс, т.е. резкое увеличение колебаний язычка хомуса. Тем самым игрок при игре на хомусе не ударяет по язычку хомуса, а только прислоняет к зубам, а рука остается свободной. Остальное действие происходит как на обычном хомусе с той разницей, что на электронном хомусе нет необходимости ударять по язычку. Язычок колеблется самостоятельно без остановки, пока включен прибор. Вибрация язычка, не уступает вибрации удара рукой по язычку, как при обычной игре, а иногда даже и превосходит его. Поэтому применение дополнительного микрофона для усиления нет необходимости.
Конструкция электронного инструмента промышленно применима. В изготовлении электронной части применена схема усилителя мощности, на базе микросхемы ТД 2003, в качестве задающего генератора применена транзисторная схема RC-генератора, с дополнительным введением диода с возможностью компенсации нагрева катушки. Уже изготовлены пять образцов, на которых успешно играют в г.Санкт-Петербурге, г.Москве и г.Якутске.