СПОСОБ НАСТРОЙКИ И ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРУННЫХ МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF TUNING AND MEASURING DYNAMIC CHARACTERISTICS OF STRING MUSICAL INSTRUMENTS AND DEVICE FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к области настройки и измерения динамических характеристик струнных музыкальных инструментов, их конструктивных элементов: резонаторов, дек, пружин, порожков и т.д., в процессе производства и реализации.
Известен прибор для возбуждения дек музыкальных инструментов (авторское свидетельство №1057983, состоящий из подвижного толкателя, установленного внутри электромагнита. Один конец толкателя опирается на деку, а другой - на закрепленную пружину.
Физический принцип его работы следующий: толкатель в прямом смысле воздействует (раскачивает) на деку в перпендикулярном ей направлении. Приведенный в а.с. №1057983 прибор имеет следующие недостатки:
1. Прибор возбуждает в деке поперечную звуковую волну, поскольку направление возмущения перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. В реальных музыкальных инструментах струна возбуждает в деке продольные сферические звуковые волны.
2. Прибор предназначен только для определения одной частоты - частоты основного тона деки и не предназначен для исследования других частот и областей деки.
3. Прибор не предназначен для измерения динамических характеристик деки.
Известен стенд для акустических испытаний дек фортепьяно (авторское свидетельство №1571648, МПК C10C 9/00), взятый за прототип, который представляет собой деревянную и чугунную рамы со струнами, каретку с ударным механизмом и микрофоном, соединенным с анализатором и самописцем. Способ акустических испытаний по изобретению заключается в возбуждении звуковых колебаний в деке фортепьяно путем их возбуждения в струнах ударным механизмом, преобразовании этих колебаний с помощью микрофона в электрические сигналы, передаваемые через усилитель на анализатор и механический самописец,
Стенд имеет следующие недостатки:
1. Изобретение может быть использовано только для акустических испытаний дек фортепиано.
2. Любая струна при механическом воздействии на нее воспроизводит одновременно целый ряд частот или обертонов, соответственно данные частоты будут возбуждаться и в деке. Кроме того, амплитуда колебаний струны кардинально (в разы) меняется на протяжении долей секунды. Анализировать (сравнивать) столь сложный по составу частот и амплитуд сигнал в режиме реального времени невозможно даже электронными методами, не говоря уже о механическом самописце, имеющем большую инерционность.
3. Блок возбуждения колебаний деки устроен таким образом, что ударный механизм воздействует на струну, и уже собственные колебания струны передаются на деку. Даже если гипотетически допустить, что ударный механизм всегда воздействует на струны с одинаковым усилием, разброс в амплитудах колебаний струн, передающих колебания деке, будет очень большим. Причина этому - совершенно различные технические параметры самих струн, а именно: струны субконтроктавы, большой и малой октавы имеют большую длину, толстую оплетку и соответственно - массу. И наоборот струны второй, третьей и четвертой октавы имеют короткую длину и соответственно малую массу. Нужно учитывать и разницу в натяжении струн. Совершенно очевидно, что при ударе пусть даже одинаковой силы по таким струнам мы получим очень большой разброс в амплитудах их колебаний, воздействующих на деку. Соответственно, мы получим очень субъективные данные «отклика» деки, фиксируемые микрофоном и самописцем.
4. Большое влияние на спектр возбуждаемых струной частот будет оказывать любое смещение точки воздействия (удара) на струну по ее длине. С учетом того, что все струны по длине разные, при каждом перемещении каретки вдоль струн необходимо для каждой струны очень точно рассчитывать точку удара. На практике реализовать это условие не просто.
Учитывая вышеизложенное, возбуждение в деке одинаковых амплитуд возмущений на разных частотах путем ударов по разным струнам в разных точках просто невозможно.
Подводя итоги всему вышеизложенному, величина погрешности при использовании данного стенда соизмерима с самими результатами, поэтому получаемые характеристики назвать таковыми можно лишь условно.
Изобретение очень сложно и трудоемко применять на практике, следствием этого неизбежно будет его дороговизна.
Задача предлагаемых изобретений - обеспечить дешевое, простое, быстрое и точное измерение динамических характеристик струнных музыкальных инструментов, их конструктивных элементов в процессе производства и продажи. Изобретения позволяют эмпирическим путем на всех стадиях производства настраивать технологический процесс на максимально высокое качество звучания. Изобретения дают возможность разработки технологий настройки дек, возможность нахождения оптимальных схем расположения пружин, возможность анализа конструктивных и технологических особенностей, наиболее «приятных» на слух музыкальных инструментов. Изобретения позволяют давать объективную оценку качеству звучания уже готовых инструментов.
Задача решается тем, что в способе для измерения динамических характеристик струнного музыкального инструмента возбуждают продольные сферические звуковые волны в деке, регистрируют возникшие звуковые колебания подключенным к компьютеру измерительным микрофоном, а специально разработанная компьютерная программа в автоматическом режиме сканирует деку во всем частотном диапазоне, с расчетом коэффициентов, построением таблиц и диаграмм, достоверно и точно отражающих динамические, резонансные и иные характеристики музыкального инструмента.
Задача решается также тем, что в устройстве для возбуждения продольных сферических звуковых волн воздействующий на деку механизм выполнен в виде пружины, один конец которой неподвижен и прижат к деке, установленный на другом конце пружины магнит входит в отверстие катушки индуктивности, закрепленной через демпфер на корпусе устройства, а возбужденные звуковые волны регистрирует измерительный микрофон, установленный на кронштейне, и подключенный к компьютеру.
Устройство может крепиться как непосредственно на деке, так и на подставке для струн готового инструмента. Возбуждаемые пружиной продольные сферические звуковые волны приводят к возникновению в деке, ее областях стоячих волн с чередованием узлов и пучностей, в точности имитируя физические процессы, возникающие в резонаторах (деках) реальных музыкальных инструментов. Возникшие звуковые колебания регистрирует измерительный микрофон, подключенный к компьютеру.
Изобретение поясняется чертежами, где:
- на фиг.1 показан общий вид устройства, применяемого в случае его установки непосредственно на деку;
- на фиг.2 - показан общий вид устройства, применяемого в случае его установки на кузов (резонатор) готового музыкального инструмента;
- на фиг.3 - картина возникновения продольных сферических звуковых волн, возбуждаемых устройством;
- на фиг.4, 5, 6 - приведены полученные по предлагаемому способу амплитудно-частотные характеристики (АЧХ) изготовленных промышленным способом гитар, на фиг.3 - АЧХ гитары «Кремона», на фиг.4 - АЧХ немецкой гитары «Classic», на фиг.5 - АЧХ 12-струнной гитары Ленинградского производства.
Способ настройки и измерения динамических характеристик струнных музыкальных инструментов осуществляется следующим образом. На установленное непосредственно на деке предложенное устройство по программе с компьютера подается сигнал заданной частоты, соответствующий определенной ноте. Распространяющиеся от центра возмущения продольные сферические волны приводят к возникновению в деке, ее областях стоячих волн с чередованием узлов и пучностей, в точности имитируя физические процессы, возникающие в резонаторах (деках) реальных музыкальных инструментов. «Отклик» деки в виде звуковых колебаний регистрируется подключенным к компьютеру измерительным микрофоном. Компьютерная программа-анализатор спектра частот осуществляет автоматическое построение диаграммы амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) деки, по которой можно точно определить не только все резонансные, но и «мертвые» частоты деки. Устанавливая на компьютере ту или иную резонансную частоту по картине возникающих стоячих волн, достаточно просто практическим путем определять участки деки, соответствующие узлам и пучностям заданной частоты. При нажатии пальцем руки в область деки соответствующей пучности мы услышим существенное снижение уровня сигнала на заданной частоте, то же самое можно увидеть и на мониторе компьютера. Другие области деки при нажатии не будут иметь столь ощутимого отклика, поскольку прогибы колебаний деки в узловых линиях близки к нулю.
Производя шлифовку деки, меняя расположение пружин, их толщину, в определенных указанным выше способом местах, можно «устранять» нежелательные резонансы, «сдвигать» их по частоте и таким образом настраивать деку и сам резонатор музыкального инструмента на заданные параметры. После каждой доработки деки или резонатора производится сканирование с автоматическим построением АЧХ. При использовании предлагаемого способа, устройства, программного обеспечения время сканирования с автоматическим построением АЧХ занимает менее пяти минут, поэтому результаты любых доработок можно увидеть быстро и наглядно. Описанные выше процедуры можно повторять неограниченное количество раз, тем самым, добиваясь наилучших звуковых качеств музыкального инструмента. При определенных практических навыках предлагаемые изобретения позволяют добиваться наилучшего результата наиболее коротким и менее трудоемким путем, производя доработки только в некоторых, достаточно узких полосах частот.
В случае установки устройства для настройки и измерения динамических характеристик непосредственно на деку (фиг.1) оно включает в себя деку 1, пружину 2, одним концом неподвижно закрепленную на корпусе 7 и прижатую к деке при помощи шурупа 10, магнит 3, установленный на другом конце пружины, и катушку индуктивности 4, а возбужденные пружиной звуковые волны регистрирует измерительный микрофон 5, установленный на кронштейне 8. Катушка 4 через демпфер 6, кронштейн 8, разъем для подключения компьютера 9 крепятся на корпусе устройства 7.
Для готовых музыкальных инструментов (фиг.2) устройство крепится на подставке для струн 12, неподвижный конец пружины прижимается к подставке при помощи струн 11.
Устройство работает следующим образом
По программе с компьютера (на чертеже не показан) на катушку 4 подаются низкочастотные сигналы заданной частоты, соответствующие определенной ноте, музыкального звукоряда. Под воздействием сил электромагнитной индукции магнит 3, а вместе с ним незакрепленный конец пружины 2 совершают колебательные движения, имитируя колебания струны. Указанные колебания приводят к появлению в точке контакта неподвижного конца пружины с подставкой для струн, продольных сферических звуковых волн. Распространяющиеся от точки контакта пружины с подставкой продольные сферические волны приводят к возникновению в деке, ее областях стоячих волн, с чередованием узлов и пучностей, в точности имитируя физические процессы, возникающие в резонаторах (деках) реальных музыкальных инструментов. Звуковые волны регистрируются измерительным микрофоном 5 и анализируются компьютером с помощью специально разработанной программы-анализатора спектра частот, с автоматическим расчетом коэффициентов, построением таблиц и диаграмм (АЧХ), отражающих динамические и иные характеристики музыкального инструмента.
Предложенное устройство имеет существенные преимущества:
- позволяет просто и точно «воссоздавать картину» физических процессов, происходящих в деках реальных музыкальных инструментов, а именно: картину возникновения стоячих волн деки и ее областей во всем частотном диапазоне;
- в отличие от колебаний струны, передающей деке одновременно целый набор частот (как это реализовано в прототипе, авторское свидетельство №1571648), устройство воспроизводит в деке и одновременно анализирует заданную частоту, соответствующую конкретной ноте, что значительно повышает точность и достоверность получаемых результатов;
- в отличие от прототипа (а.с. №1571648) устройство обеспечивает постоянство амплитуды возмущения продольной звуковой волны во всем частотном диапазоне, что немаловажно для получения достоверных результатов параметров дек струнных музыкальных инструментов.
Так, сила, воздействующая на незакрепленный конец пружины, равна:
F=B·I·L
Где B - магнитная индукция в зазоре катушки;
I - ток в катушке; L - длина провода катушки.
При неизменной величине магнитной индукции В, определяемой параметрами магнита, длине провода катушки L, значении величины тока в катушке I, что контролируется амперметром, амплитуда отклонений незакрепленного конца пружины (возмущений) будет постоянной во всем частотном диапазоне, что, в свою очередь, обеспечивает высокую точность и достоверность измеряемых динамических характеристик деки.
В сравнении с известными устройствами предлагаемый способ настройки и измерения динамических характеристик струнных музыкальных инструментов, их конструктивных элементов имеют значительные преимущества, а именно:
1. Предлагаемые способ и устройство универсальны и применимы практически для всех известных струнных музыкальных инструментов.
2. Предлагаемые способ и устройство дешевы, просты и удобны в эксплуатации, но при этом обеспечивают высокую точность и достоверность получаемых результатов. Размеры устройства (без кронштейна с микрофоном) соизмеримы с размерами спичечного коробка.
3. Предлагаемые способ и устройство позволяют измерять практически все известные технические характеристики, свойственные струнным музыкальным инструментам и их конструктивным элементам, а также осуществлять их настройку.
4. Реализованный в изобретении способ обработки результатов с помощью современных компьютеров и программ позволяет измерять динамические характеристики в автоматическом режиме с минимальным временем (менее 5 минут!) и соответственно минимальными трудозатратами.
5. Предлагаемый способ и устройство применимы и эффективны на всех этапах технологического процесса изготовления и настройки струнных музыкальных инструментов. Их практическое применение позволяет при небольшом увеличении трудозатрат значительно улучшить качество звучания как инструментов, производимых серийным промышленным способом, так и штучных инструментов экстра-класса.
7. Ни один из известных сегодня способов не позволяет измерить динамические характеристики деки, пожалуй, самого популярного и известного во всем мире музыкального инструмента - электрогитары. Предлагаемые способ и устройство позволяют это сделать так же легко и просто, как и в случае с акустическими музыкальными инструментами.
8. Предлагаемый способ и устройство позволяют ввести объективные критерии (коэффициенты) качества звучания, что может быть эффективно использовано при продаже готовых музыкальных инструментов.