Лазерный триггер для большого барабана
LASER TRIGGER FOR LARGE DRUM

Изобретение относится к области музыкального оборудования, в частности рассматривается принцип действия и конструкция устройства, обеспечивающего распознавание ударов, исполняемых музыкантом при игре на большом барабане, и генерацию электрических сигналов звуковых частот. В отличие от микрофона устройство не передает звуки акустического барабана, а выполняет подмену их на заранее подготовленные звуковые сигналы, воспроизводимые из базы данных. В среде профессиональных музыкантов такое устройство называется барабанным триггером.
Начиная с пятидесятых годов 20 века наблюдается развитие электромузыкальных инструментов, электроакустических способов передачи звучания исполнителей. Растет число различных музыкальных стилей и направлений, в которых применяются электромузыкальные инструменты и электрическое музыкальное оборудование. Попутно этому развитию наблюдается изменение субъективного представления слушателей о сбалансированном звучании и тембрах инструментов. В звучании современной популярной музыки значительное место отводится ритм-секции, в основе которой находятся большой барабан и бас-гитара (или иной басовый инструмент).
Профессиональные музыканты в большинстве случаев выбирают для работы акустические барабанные установки. Это связано прежде всего с тем, что за годы музыкальной практики у барабанщиков формируется специфичная для акустических барабанов техника звукоизвлечения и привычка слышать при игре натуральное звучание акустических барабанов. При этом многие современные стили исполняемой вживую электрической музыки требуют, чтобы звук большого барабана был очень насыщенным и чтобы концертное звучание коллектива было максимально приближено к звучанию на альбоме, записанном в студии с применением сложных приборов обработки звука. В процессе такой студийной обработки звучание акустического барабана, снятое микрофоном, претерпевает значительные изменения, чтобы звук большого барабана хорошо вписывался в общий баланс, был хорошо читаемым и при этом не вызывал перегрузок. Нередко, если того требует стиль музыки, звук большого барабана делают синтетическим и откровенно электронным. На живых концертах выполнить такую обработку сигнала очень сложно, а в ряде случаев и вовсе невозможно. Для решения таких задач на живых концертах применяется технология подмены реального звука барабана на заранее подготовленный образцовый звук (так называемый "сэмпл"), который в момент удара воспроизводится из памяти специального устройства - так называемого «звукового модуля».
На данный момент имеются запатентованные технические решения (WO 2009140368, US 7642448, US 7491880) для использования в клавишных музыкальных инструментах, позволяющие изолированно от внешней среды и звуков окружающей музыкальной техники преобразовывать звук инструмента в его цифровую форму для электронной обработки и передачи на акустический вещатель. Такое устройство включает в себя световой излучатель (светодиод), модуль распознавания сигнала, память хранилища волновых форм звуковых сигналов, модуль воспроизведения звуковых сигналов, органы управления, источник питания. Слежение за подвижным механизмом (молоточком, клавишей) осуществляется с помощью излучателей и приемников светового излучения, отражаемого или пересекающего траекторию его движения.
В US 8013233 описана конструкция устройства с оптическим звукоснимателем для клавишных инструментов, содержащая оптический излучатель и сенсор, а также отражающую пластину. При этом на пластину может быть нанесен рисунок в виде непрерывного градиента серого цвета или чередования разных его оттенков. Такие решения позволяют каждое перемещение клавиши преобразовывать в соответствующей звуковой файл, который потом транслируется через акустический вещатель во внешнюю среду. Но известные решения, запатентованные ранее, плохо применимы для решения задачи по озвучиванию акустического барабана, так как требуют специального переоснащения музыкального инструмента (то есть внесение в конструкцию музыкального инструмента элементов съема звука), что крайне сложно, а порой и вовсе невозможно в условиях музыкальных фестивалей, в клубной и гастрольной работе, когда на сцене имеется типовая барабанная установка и нет времени на ее переоснащение (замену обода, монтаж кронштейнов и прочие механические действия). В отношении такого музыкального инструмента как барабан изменение его конструкции несет в себе серьезную проблему, так как его конструкция не предусматривает вообще изменений. Похожие решения, запатентованные ранее, требуют присутствия датчика непосредственно в механизме педали (или клавиши). Внедрение дополнительного датчика в механизм педали всегда будет сопряжено с довольно сложными механическими работами. В случае с похожими решениями, прошедший переделку механизм педали определенно перестанет быть оригинальным и будет снят с гарантии изготовителя.
Все барабаны используют какой-либо механический импульс для преобразования его в звук. Такой импульс дает удар барабанной палочки или молотка ножной педали по специальной поверхности. В акустических барабанах такая поверхности называется пластиком, который от удара вибрирует и создает звуковые волны, которые усиливаются резонатором. Для подмены звуков акустического барабана звуками из звукового модуля на сегодняшний день используется схема, включающая в себя сам барабан, триггер, соединительные кабели и звуковой модуль, являющийся генератором заранее подготовленных электрических сигналов звуковых частот. В данной цепочке собственно на триггер возложена решающая роль - получение информации об ударе.
Современный барабанный триггер для акустического барабана в большинстве случаев представляет собой пьезоэлемент, расположенный в каком-либо корпусе, монтируемом на обод барабана (см. US6794569B2, опубл. 21.09.2004). Вибрация и деформация барабанного пластика в процессе звучания барабана порождает электрический сигнал посредством пьезоэффекта. Этот сигнал выводится из триггера кабелем и отправляется на специальное электронное устройство, которое распознает факт и силу удара по параметрам этого сигнала. Как только выявлен удар и оценена его сила, формируется команда на воспроизведение "сэмпла" - готового звука музыкального инструмента, заранее записанного и размещенного в базе данных звукового модуля. Это решение принято в качестве прототипа для заявленного объекта.
Такое решение имеет ряд недостатков ввиду того, что в электрическом сигнале от пьезоэлемента, кроме информации об ударе, имеется много лишней информации, порождаемой продолжительным послезвучием акустического барабана (так называемым "сустейном") и акустическими наводками на барабан от соседних источников звука. Для идеальной работы триггера при каждом ударе ему необходим одиночный и достаточно короткий импульс, несущий информацию о факте и силе удара. В реальной же действительности от пьезоэлемента поступает сложный длительный сигнал со множеством лишней информации. Возникает задача выделения информации об ударе из этого сигнала.
Для решения этой задачи используют несколько методов распознавания удара. Один из них - пороговый детектор, который срабатывает только в тот момент, когда уровень сигнала с пьезоэлемента превышает заданный порог. Такой прием имеет недостатки: он требует индивидуальной настройки уровня порога, а так же вызывает нечувствительность к тем ударам, при которых уровень сигнала с пьезоэлемента не достигает порога. И, напротив, при слишком низком уровне порога имеют место ложные срабатывания, когда порога достигает не только первоначальный импульс при ударе, но и прочие колебания пластика, вызываемые послезвучием инструмента и окружающими шумами. Второй прием - анализ сигнала от пьезоэлемента методами цифровой обработки сигнала. Он более эффективен нежели пороговый, но тоже имеет недостатки: он является требовательным к вычислительным мощностям процессора, постоянно обрабатывая исходный сигнал в реальном времени, а главным недостатком такого метода является значительная задержка, то есть интервал времени от удара, исполненного музыкантом, до распознавания этого удара процессором. Профессиональные музыканты ощущают такие интервалы задержек и испытывают дискомфорт при игре.
Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, обеспечивающего надежную регистрацию ударов, производимых музыкантом по большому барабану при помощи ножной педали, без перечисленных выше недостатков (нечувствительность к слабым ударам, ложные срабатывания и задержка).
Указанный технический результат достигается тем, что лазерный триггер для большого барабана содержит закрепляемый на ободе барабана корпус, несущий в нижней части по крайней мере один считыватель ударов, производимых молотком ножной педали. Считыватель ударов, имеющий излучатель лазерного луча и фотоэлемент, обращен в сторону молотка, а на головке молотка педали нанесено световозвращающее покрытие для отражения лазерного луча в направлении фотоэлемента в момент удара. В полости корпуса размещен модуль распознавания удара по параметрам электрического сигнала от фотоэлемента, связанный с модулем обработки, включающим в себя генератор электрического сигнала звуковой частоты, который связан с выходным разъемом для подключения кабеля с целью вывода этих сигналов на дальнейшую обработку и усиление.
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 изображена блок-схема лазерного триггера для большого барабана;
фиг. 2 - конструктивная схема лазерного триггера;
фиг. 3 - компоновка устройства на большом барабане.
Согласно настоящему изобретению рассматривается конструкция устройства лазерного триггера, предназначенного для озвучивания большого барабана на электрических концертах и в студиях. Устройство может использоваться вместо традиционного микрофона или совместно с микрофоном. Под большим барабаном понимается барабан, нанесение удара по которому производится путем наклона ножной педали, несущей молоток. При нажатии на педаль шарнирно закрепленный с возможностью качания молоток отклоняется в сторону акустической мембраны барабана и ударяет по ней. Скорость перемещения молотка непосредственно перед касанием его с мембраной определяет силу и громкость звуковой волны, излучаемой барабаном во внешнюю среду.
Лазерный триггер представляет собой закрепляемый на ободе большого барабана корпус, несущий в нижней части, обращенной в сторону головки молотка, как минимум одну считывающую головку, включающую в себя излучатель лазерного луча и фотоэлемент, расположенный в зоне выхода этого луча. На головке молотка закреплена наклейка из световозвращающего материала для отражения лазерного луча в направлении фотоэлемента в момент удара молотка по акустической мембране. В полости корпуса размещен модуль распознавания удара по электрическому сигналу от фотоэлемента, связанный с модулем обработки импульса, включающим в себя генератор электрического сигнала звуковой частоты, который электрически связан с разъемом для подключения кабеля с целью передачи сигнала на внешние акустические системы, используемые для воспроизведения звука.
Генератор электрического сигнала звуковой частоты может представлять собой волновой синтезатор или синтезатор физического моделирования.
Генератор электрического сигнала звуковой частоты по принципу волнового синтезатора выполнен в виде программного модуля, реализованного внутри микроконтроллера. На вход модуля поступают команды от модуля распознавания удара. В процессе работы волновой синтезатор обращается к микросхеме памяти, в которой размещена база данных волновых форм в оцифрованном виде. В процессе воспроизведения происходит последовательное считывание цифровых значений, масштабирование их согласно силе удара и последовательный вывод на микросхему цифро-аналогового преобразователя, на выходе которого получается непрерывный электрический сигнал звуковой частоты.
Генератор электрического сигнала звуковой частоты по принципу синтезатора физического моделирования выполнен в виде программного модуля, реализованного внутри микроконтроллера. На вход модуля поступают команды от модуля распознавания удара. В процессе работы синтезатор физического моделирования обращается к математической модели музыкального инструмента. В процессе воспроизведения происходит последовательное получение цифровых значений в результате циклического вычисления дискретного уравнения, принимающего за аргументы факт и силу удара и набор значений переменных, заданных пользовательскими настройками. Получаемые результаты вычислений последовательно выводятся на микросхему цифро-аналогового преобразователя, на выходе которого получается непрерывный электрический сигнал звуковой частоты.
Ниже рассматривается пример конкретной реализации заявленного изобретения.
Устройство состоит из следующих частей: считывающая головка 1 (или нескольких считывающих головок), включающая в себя фотоэлемент 2 и излучатель 3 лазерного луча, модуль 4 распознавания удара, хранилище 5 базы данных волновых форм звуковых сигналов, модуль 7 обработки, включающий в себя генератор электрического сигнала звуковой частоты, а так же органы управления и индикации, модуль 8 питания в виде импульсного преобразователя напряжения, электрическая батарея 9, модуль 10 коммуникации, корпус 11.
Все компоненты устройства собраны в корпусе 11, имеющем узел 12 его прикрепления к ободу большого барабана (фиг. 2 и 3). Этот узел может быть выполнен в виде струбцины, надеваемой на край обода и закрепляемой с помощью болта 13, несущего гайку 14. Электронные узлы (модуль 4 распознавания удара, хранилище 5 базы данных, модуль 7 обработки, включающий в себя генератор электрического сигнала звуковой частоты и др.) смонтированы на общей плате с образованием единого блока 15.
Корпус прибора обеспечивает ряд функций. Внутри корпуса размещается электронная плата и элемент питания (батарея). Лицевая панель корпуса дает пользователю возможность визуализации процесса работы и настройки рабочих параметров (за счет вывода на ее поверхность органов управления и индикации). На задней стороне на корпусе установлен разъем 16 типа XLR для подключения сигнального кабеля. На нижней стороне 17 корпуса, где имеется крепежный механизм - зажим для установки устройства на обод большого барабана, сформирован нижний отсек 18 для размещения двух шарнирных узлов, каждый из которых размещает в себе считывающую головку 1, несущую излучатель лазерного луча и фотоэлемент. Шарнир подпружинен кольцевым уплотнителем 19, что делает его неподвижным при игре, но дает возможность, приложив усилие пальца, отклонять считывающую головку 1, а вместе с ней и лазерный луч 20 в двух степенях свободы и нацеливать его в нужную точку (в данном случае на световозвращающую наклейку 21, помещенную на верхней поверхности головки молотка 22 в момент его контакта с пластиком 25 большого барабана). Молоток одним концом шарнирно 23 связан с ножной педалью 24. Сбоку на корпусе 11 имеется окно для замены батареи, не снимая прибор с барабана.
Принцип действия устройства, выполненного в виде прибора, основан на слежении за положением молотка педали большого барабана при помощи лазерного луча. Молоток оснащается покрытием из световозвращающего материала. В считывающей головке имеется излучатель лазерного луча и фотоэлемент. Лазерный луч направляется так, чтобы в момент удара луч попадал на световозвращающий материал. Благодаря свойству световозвращающего материала лазерный луч отражается и отправляется обратно в считывающую головку, где попадает на фотоэлемент, расположенный в максимальной близости к выходному отверстию излучателя. Электронная схема распознает факт удара по сигналу от фотоэлемента. Этот сигнал проходит обработку, после которой генерируется команда волновому синтезатору на воспроизведение заранее записанного звукового сигнала.
Предусмотрено два режима работы:
- Если исполнение не требует передачи силы ударов и все звуки должны быть одинаковыми по громкости, то каждое вхождение молотка со световозвращающим покрытием в лазерный луч будет являться командой для воспроизведения звука.
- Для исполнения музыкального материала, в котором требуется передача динамики, когда команда на воспроизведение звука должна различаться и зависеть от силы удара, реализуется иной режим работы прибора: на световозвращающую поверхность наносится рисунок (например, полоса). Во время удара световозвращающий материал появляется в луче не однократно, а прерывисто, маскируясь рисунком. Это вызывает не однократный фронт электрического сигнала с фотоэлемента, а последовательность импульсов в соответствии с рисунком. Электронная схема при обработке сигнала от фотоэлемента распознает последовательность импульсов и оценивает их скорость. По этой скорости распознается сила удара и формируется команда на воспроизведение звука - чем выше скорость последовательности импульсов, тем сильнее удар.
Конструктивное исполнение предусматривает наличие одной или двух считывающих головок на борту одного устройства. Это дает возможность работать как с обычной педалью, так и со стереопедалью.
В корпусе прибора имеется встроенный коммуникационный модуль 10 для управления и сервиса при помощи внешнего устройства, в качестве которого может выступать компьютер, планшет или смартфон. При подключении к такому устройству пользователь имеет возможность удаленной визуализации работы устройства, управления основными параметрами, загрузки файлов с волновыми формами звуков, а также получает доступ к параметрам конфигурации. Появляется возможность обновления внутренней микропрограммы устройства.
Одно из преимуществ заявленного изобретения в том, что устройство не требует какого-либо переоснащения музыкального инструмента, поскольку крепится на типовой обод большого барабана. Это делает устройство пригодным для быстрой установки, буквально в течение одной минуты. Устройство является дополнением к музыкальному инструменту и его присутствие никак не сказывается на функционировании и звучании инструмента. Нет необходимости вмешиваться в механизм ножной педали или заменять какие-либо детали барабана. Таким образом, музыкант, привыкший играть на своем инструменте и со своей педалью, не будет испытывать какого-либо дискомфорта из-за непривычности ощущений. Устройство в виде прибора является функционально законченным изделием и готово к работе сразу после прикрепления на обод типового барабана. Комбинированное решение «все в одном» позволяет обойтись без сборки схемы из отдельных узлов и соединительных кабелей, что экономит значительное время и повышает надежность. Батарейное питание дает возможность автономной работы и избавляет от необходимости поиска «розетки».