С момента как я задумал этот музыкальный инструмент схема менялось очень часто. Разные вариации модулей сменяли друг друга при испытании схем. С каждым годом я приобретал новые знания, опыт, изучения разных схем различных ЭМИ и наших и зарубеж, а также изучение образование самого тембра акустического фортепьяно, я пришёл к этой структурной схеме Рис. 1. Возможно она ещё не окончательная и когда будут собраны все платы, будет понятно всё ли я правильно спроектировал.
Тембр
Сначала поговорим о самом тембре. С самого момента создание электронного музыкального инструмента, инженеры хотели сымитировать тембр традиционных инструментов. Сам Римский Корсаков приложил руку в изучение образование тембра традиционных музыкальных инструментов. Имитация таких инструментов как Орган, Медные, Флейты, Гобой, Оркестр Скрипок, довольно неплохо научились имитировать. А Орган вообще научились имитировать практически на 100% Звучание Аналогового Органа Электроника ЭМ-141. И вот как звучит Электроника ЭМ-14 доработанная миди интерфейсом. И это еще не самые лучшие примеры. Но вот имитация тембра фортепьяно давалось очень тяжело. А почему? Начнем с понятия "тембр инструмента". Уникальность тембра заключается в его гармоническом составе.
На рисунки видим гармонический состав тембра фортепьяно ноты Фа первой октавы 349,23Гц. Первая гармоника, она же и основная частота задают слуху определимость ноты, следующие гармоники как правило кратны частоте первой гармоники, определяют тембр. В зависимости от тембра и инструмента, амплитуда (уровень громкости) гармоник разная. Первые гармоники как правило задают основу тембра инструмента, последние звонкость и узнаваемость его. Но если принудительно повысить уровень последних гармоник, то тембр может стать не похожим на данный инструмент. Из этого делается вывод, что количество и амплитуда каждой гармонки важно в образовании похожести тембра. Каждая гармоника в отдельном виде, это синусоидальный сигнал той частоты, где она расположена. Таким образом, если собрать самостоятельно из синусоидальных сигналов такой спектр, то звук будит похож на оригинал. Но он еще будит "не живым". Спектор звука что показан на рисунке 2, это момент звука в периоде времени, а точнее самая громкая его часть. А в зависимости от громкости тембра, количество гармоник, а значит и спектр звука сильно влияет от силы удара по струне. Но об этом позже.
Состав тембра
Как я сказал выше, спектр звука состоит из множество гармоник, каждая из которых это синусоидальный сигнал. Существует несколько способов создание сигнала, где будут гармоники в спектре звука. Первый, это гармонический (Аддитивный) синтез. Для этого частоту генератора делят на частоты равной частоте первой гармоники, то есть так: Если первая гармоника 110Гц, то ко второй прибавляется частота первой гармоники и составлять будит уже 220Гц, третья, опять же прибавляем первую но уже ко второй и получим 330Гц и так далее - 440-550-660 и т.д. Затем смешивают эти сигналы с разной громкостью и получаем спектр звука.
Способ неплохой, но очень сложный и требует очень много деталей и блоков. Первое это схема деление частоты на эти гармоники или делать отдельные генераторы на каждую музыкальную частоту (ну это ОЧЕНЬ много деталей). Второе, на каждую частоту нужен синусоидальный фильтр. Третье, каждую частоту нужно пропускать, как через модулятор клавиши (генератор огибающий ОГ), так и через модулятор флуктуаций гармоник. Тембр мы получим реалистичный, но для многоголосного ЭМИ это очень много деталей. Можно немного уменьшить количество деталей убрав фильтры синуса, много клавишных модуляторов и модуляторов флуктуаций, просто смешав прямоугольные импульсы нужных частот, а после сначала пропустить через один клавишный модулятор и фильтр АЧХ тембра.
И тут мы переходим ко второму способу. Второй, это не гармонический или субтрактивный способ. Он заключается в том, что эти обертона (гармоники) можно получить из одного сигнала нужной частоты прямоугольных импульсов. Главный генератор ЭМИ генерирует прямоугольные импульсы высокой частоты и его называю Задающий генератор (ЗГ). И сначала мы поговорим о ЗГ ЭМИ.
Задающий генератор и делитель частоты ЭМИ
За много десятилетий было разработано очень много ЗГ от простых и не стабильных, до цифровых с идеальной стабильной частой. Простой но стабильный генератор можно получить только при помощи кварцевого резонатора. Да существует и камертонный генератор, но его сложно назвать лёгким и простым. В своей схеме я ещё не определился со схемой. Возможна она будит подобна схемы синтезаторах Электроника серии ЭМ или на цифровой микросхеме AD9833. Первый вариант проще но менее функционален. Второй более функционален, требует мало деталей, но требует ПИК-контроллера или Микроконтроллера. О каждой схеме мы поговорим в отдельных статьях по электронной части схемы ЭМИ.
После как мы получили стабильную частоту. Нам её нужно разделить на все ноты ЭМИ. Как это сделать? Вариантов опять же много. Но всех их объединяет то, что генератор генерирует частоту самой верхней октавы ЭМИ. Затем нам нужен делитель частоты темперированного строя, то есть все 12 нот верхней октавы, затем каждую ноту делим на количество октав. Первые транзисторные схемы так-же требовали множество деталей. С появлением логических микросхем, число деталей уменьшилось, а надежность увеличилось, но и увеличилось потребление напряжение синтезатором, что не давало использовать его на батарейках. С развитием аналоговых ЭМИ инженера разработали специальные, узко-специализированные микросхемы. Например как КР1012ГП1 - ГП2 и ГП3. В справочниках она идёт как аналог ММ5555 - ММ5556. Но в реальности им не является. Единственное, это функционал схож. Каждая микросхема является делителем частоты, первая - первых 6 нот темперированного строя, а вторая оставшихся 6 нот. Питание ГП осуществляется от 3V и имеет очень низкое потребление, а ММ питается от -27 и -14V и -10V, что опять-же не позволяет применять батарейки. Единственный минус ГП, это боязнь статики. Но предварительно защитив её перед установкой и правильно применив в схеме, она будит служить долго без нареканий. После как мы получили 12 нот. Нам нужно получить нужный сигнал с нужным гармоническим составом. Так как мы говорим о тембре фортепьяно, состав сигнала будит именно под этот звук. Сигнал с делителя частоты мы получаем меандр, а он как известно имеет скважность "2" - Скважность это продолжительность импульс в одном периоде. Чем короче импульс, тем больше скважность.
С рисунка 6 мы видим как при увеличении скважности, увеличиваются количество гармоник в один период. Часто в ЭМИ применяется октавный способ смешивание частот, чтобы получить 2-ю, 4-ю и 8-ю гармонику.
Но не во всем нотном спектре такой способ подходит. В большинстве аналоговых электронных пианино (и наших и зарубежных), делают так - к основному сигналу подмешивают сигнал на октаву выше.
Но таким спектром, трудом можно сымитировать звучание Клавесина, но не Фортепьяно. Тогда стали к основному сигналу подмешивать октавный сигнал но со скважностью 8 или 10. Это позволило получить четные гармоники и давольно не плохой тембр Фортепьяно от первой октавы до пятой. Хотя опыт и показывает что достаточно и просто сигнала с большой скважностью. Но для каждой октавы нужна своя скважность. Применение основного сигнала со скважностью "2" целесообразно по причине Основной гармоники и отсутствие второй гармонике. Любая струна при затухании приходит к колебаниям чистого синуса, то есть при затухании медленно падает амплитуда гармоник и в конце остаётся только основная. По этому сигнал скважностью "2" пропущенный через фильтр выдает чистый синус как и струна, но этот сигнал уже тихий, но такая имитация очень важна для создание правдоподобного тембра. Как мы все знаем (наверное все) Что струна колеблется по кругу сечения струны, не верх-низ не влево-вправо, а именно по окружности, и график возбуждения струны будит выглядит именно так.
Вот из этого рисунка то и видно как появляются гармоники. Первое колебание и есть чистый синус, затем к чистому синусу прибавляется вторая гармоника, затем третья, четвертая и т. д.
Но в дисканте сочетание Основного меандра и на октаву выше, не даёт правдоподобного тембра. Так называемой медной канители в звуке нет. Дело в том, что АЧХ Гармоник сигнала будит выглядит вот так:
При первом способе будит дребезжащий звук, а при втором жужжащий. И вот тут нам на помощь пришли наши инженеры и математик Джозеф Леонард Уолш. Инженеры создали сигнал по функции этого математика и назвали "Генератор функции Уолша", с моделировав его двумя логическими элементами ТТ-триггер (или обычный D-триггер) и логический элемент "Исключающий ИЛИ" и это уже цифровой способ смешивание сигналов. Сигнал Уолша смешивается из трех сигналов, Основной и два октавных, на октаву и на две выше основного. Осциллограмма выглядит вот так:
Сигнал для низких октав тоже смешивается из трёх сигналов. Это основной, октава выше и Уолша. На рис. 11 видно как выглядит сигнал с моделирований в программе. И как он уже выглядит после фильтрации.
Если просто пропустить сигнал Уолша через фильтр, звук будит мягким, больше похожий на гул или фон, он тоже не похожий на тембр Фортепьяно. Вот так звучит только сигнал Уолша через фильтр пиано. Вот так звучит правильно смешенный сигнал через фильтр. Вот так звучит нота Ля преобразованная при помощи сигнала с большой скважностью в первой октаве. Ну и акустика. Сравнивая звуки мы слышим, что правильно смешенный сигнал конечно не имитирует на 100% оригинальный, но присутствует тот нужный призвук (послезвучие). Да атака не несёт железный звук в момент возбуждения (удара) струны. Но это еще и не окончательный вариант. И вот мы подходим ещё к одной важной части ЭМИ, Это Генератор Огибающий, клавишное устройство.
Клавишное устройство (генератор огибающий)
Генератор огибающий (ГО) одна из самых важнейших части ЭМИ и 50% узнаваемости инструмента это благодаря ему. В Аналоговом фортепьяно огибающая должна соответствовать идеализированной форме акустического фортепьяно. Генераторов огибающей было создано очень много. В основном они были не динамические. Первые ГО были электромеханическими. Молоток бил по металлическому язычку, и его колебание снимал магнитный звукосниматель. Затем эти колебания преобразовывались детектором и мы получали напряжения огибающей. Кстати очень идеализированная была форма. Но из-за сложности конструкции его не применяют. Динамические ГО в основном делают по методу двух контактного управления. Основной "центральный" контакт который связан с клавишей прижат к верхнему контакту, когда клавиша нажимается, проходит время от размыкание с верхним контактом к замыканию с нижнем. Чем быстрее клавиша опускается тем выше напряжение выдаст ГО в момент атаки. А скорость полностью связана с силой нажатия. Так же можно применять пьезокерамические ударные датчики. Они очень чувствительны и можно получить очень большой динамический диапазон клавиатуры. Я в своей схеме буду применять магнитный датчик удара. Принцип его прост и основан на ЭДС. А как мы знаем, ЭДС прямо-пропорциональна скорости движения постоянного магнита внутри катушки. К обратной стороне клавиши прикреплен постоянный магнит, который погружён в катушку, на моменте возбуждения магнитными полями ЭДС. При нажатии клавиши, магнит выходит из катушки и создаёт импульс ЭДС. Амплитуда этого импульса зависит от силы нажатия на клавишу. Полный принцип работы этого Клавишного устройство обсудим в одной из следующих тем.
Дополнительные эффекты
Сымитировав и огибающую, пропустив через модулятор смешенный сигнал и его отфильтровав, мы ещё не получаем реалистичный или приближённый тембр. Он ещё должен подвергнутся последующей обработки. Для создание более объёмного звука к нему нужно добавить унисонный эффект. Раньше делали второй генератор немного изменённый по частоте и этот сигнал подмешивался перед фильтром. Да, тембр обогащался обертонами, становился открытым. Но количество деталей, а точнее получается что собирается ещё один синтезатор внутри одного. А если нужен тройной унисон? Вот нам в этом хорошо поможет эффект ХОРУС. Его можно встретить в составе гитарных приставок. Также его применяют для голоса. В нашем случае Хорус настраивается примерно на тройной унисон. Модуляцию унисона настраиваем индивидуально в зависимости от октавы. Этим мы как раз ещё и "убиваем" второго зайца. И это флюктуация гармоник. Дело в том, что гармоники в тембре они не постоянны, а точнее амплитуда их не постоянна и они живут своей жизнью. При каждом ударе по клавише, картина флуктуаций этих гармоник не будит повторяться. В этом то и есть проблема современных цифровых семплових музыкальных инструментов. Так как при нажатии на клавишу идёт воспроизведение одного и того-же семпла. Может быть их несколько, но всё ровно мало, что бы ухо успевало отдохнуть от однообразного звука. В этом и есть "соль" Хоруса, что его гармонический состав постоянно меняется. Так же ХОРУС даёт объемный звук насыщая его дополнительными гармониками, а в стерео режиме, он звучит в пространстве.
Но и Хоруса ещё не достаточно. Если внимательно посмотреть на АЧХ огибающей, она не постоянна. А происходит постоянная модуляция по громкости. На рис. 13 мы видим, первое это акустический звук, второй это воссозданный. В первом мы видим постоянную модуляцию по всему периоду времени звучания ноты. Во втором применён только Хорус. Там тоже заметна модуляция, но она получаеться из-за генератора в Хоросе, гармоники порой немного гасят себя при совпадении частот, и её мало для модуляции по громкости.
Вот что бы приблизить тембр к акустическому, нужно добавить амплитудный модулятор в схему Хоруса. На выходе мы получаем ещё хождение по каналам, так же происходит и в акустическом звуке, так звук распространяется по Деке. Амплитуда и скорость этого модулятора разная в разных октавах.
Но и этого ещё не достаточно. В принципе в промышленных Электронных пианино, как в наших, так и в зарубежных на этом и заканчивалось формирование звука, а точнее формирование было без Хоруса, порой только амплитудный модулятор. Хороший показатель этому Электронное пианино Baldwin Kustom 88. В верхних октавах он звучит не плохо и даже правдоподобно, но в низах конечно не то. Там применён синтез из трех сигналов Основной сигнал и два октавных (может ещё пилообразный сигнал). В аналоговом звуке, а именно Пианино, мы все-же продвинулись дальше. Оно хорошо имитирует камертонное пианино. А такие инструменты как Электроника ЭМ-15 и ЭМ-17 звучат очень правдоподобно. Но немного суховато. Не хватает Хоруса как минимум. ЭМ-17 унаследовал специализированные цифровые микросхемы преобразования спектра с функцией Уолша. К сожалению их невозможно купить. Фильтра там применяются от ЭМ-15, но на одну октаву больше. Эм-17 правдоподобно имитирует камертонное пианино, Вибрафон.
Но и на этом имитация еще не заканчивается. Ни в одном ЭМИ не применяется эффект "Дека". Даже в цифровых этот эффект ни так давно стал применятся, немного разнообразив тембр в лучшую сторону. Как этот эффект работает? Если нажать на клавишу акустического фортепьяно, например Ля большой октавы, и при нажатой педали демпферации. Мы кладём палец на струны Ля малой Октавы. В момент удара по клавиши мы почувствуем что эти струны начнут дрожать. Но не только октавные струны будут звучать. Как я уже говорил, гармоники ноты как правило кратны первой. У фортепьяно они не совсем кратны и в этом то и есть "фишка" этого тембра. Третья гармоники ноты Ля Большой октавы 330Гц, а ближайшая нота с такой частотой это нота Ми первой октавы 329,63Гц. Как мы видим она очень близка, но не 330. А если прижать палец к этим струнам, они будут звучать. Почему? А дело в том, что у акустического Фортепьяно не совсем гармоники делятся кратно. Вот поэтому частота третьей гармоники там тоже не 330Гц но и не чистая Ми. Но частота ближе к этой ноте и этого достаточно, что бы возбудить струны. Таким образом в момент удара молотком по струнам, тембр обогащается ещё дополнительными гармониками. Так как демпфера прижаты к струнам, эти гармоники быстро утихают. А вот если педаль демпферации нажата, то тембр становиться насыщенным, объёмным и продолжительным (вот этот момент у цифровых фортепьяно до сих пор не промаделированна, только эффект послезвучая когда при отпущенной педали ударить по клавишам дисканта). Для имитации этого эффекта в ЭМИ достаточно 8 дополнительных нот. Схема имитации Деки работает просто. Напряжение ГО делиться на 8 разных напряжений, эти напряжения идут на ГО соответсвующих клавиш гармоникам. Когда педаль не нажата, заблокированные ГО выдадут звук только в момент атаки, а при нажатой, будут звучать.
И вот мы подходим к последнему эффекту который формирует тембр. Выше я рассказал о имитации Деке и важности в образовании тембра. В акустическом фортепьяно, Дека не только усиливает звук своим колебанием от струн, чем больше Дека тем громче звук. По этому громкости концертного рояля хватает для концертного зала. Но Дека ещё работает как ревербератор в режиме Эхо. Так же в акустическом фортепьяно 3 и 4 октавы находятся без демпферов, так как струны очень короткие и продолжительность колебания струны быстро затухают. И Дека работает как Эхо. Если ударить по дисканту то мы услышал как завелись струны 3 и 4 октавы. В ЭМИ Для этого нужно будит применить два ревербератора. Один будит управляемый и будит иметь фильтр АЧХ Деки. Второй не управляемый и будит продлевать звучание 3-4-5 октавы. Некоторые скажут зачем там ревербератор, если просто не демпфировать ГО этих октав. Можно, и так сделано в синтезаторе Baldwin Kustom 88. И если послушать как это звучит, то услышим не реалистичный звук. Первое, звуки накладываются друг на друга. Второе, это звучит не естественный. Управляемый ревербератор будит получать управление от педального блока. Фильтр АЧХ Деки нужен для того, что Дека имеет определенное АЧХ. У пианино и рояля она разная. У пианино она бедновата обертонами и не большая продолжительность резонанса (на это влияет как и размеры самой Деки, так и длинна струн) Резонанс Деки больше сконцентрирован в средних октавах, частично в басах. Кстати у скрипки и гитары АЧХ разные.
Усилитель, резонанс, отдача, эффекты...
Ну вот подходим к завершающим блокам в формировании тембра. Играя на фортепьяно, пианист не только слышит звук, но и чувствует отдачу инструмента через клавиши на пальцы. Проще говоря, резонанс струн и Деки ощущается тактильно. И это очень важная часть акустических инструментов. Обучаясь игре на акустическом инструменте, для ученика важна отдача инструмента, и это тоже касается фортепьяно. Ещё и по этой причине цифровое пианино не подходит для обучения. Последним завершающим этапом формирования является усилитель и вибро-динамики. В среднем положении регулятора громкости инструмент будит звучать как обычное домашнее пианино или кабинетный рояль. На максимальной громкости как концертный рояль. Если исполнитель за хочет играть в наушниках (например, что бы музицировать или обучаться в вечернее время суток не мешая соседям) то резонанс и отдача в пальцы сохраниться, так как вибрация динамиков останица. Данный ЭМИ будит иметь два набора динамиков. Основная колонка выполнена в виде стойки инструмента, и может работать не зависимо, также её можно применять как активную колонку. Второй это как раз эти вибро-динамики. Они будит прикреплении к низу корпуса нижней рамы самого ЭМИ. Рама оборудована резонансом, и вот он и будит звучать в обычном режиме инструмента.
На последок исполнителю будут доступны разные эффекты. Цифровые и аналоговые Хорусы и Ревербераторы, ВАУ-эффект, Тремоло, Фейзир, Вибрато, Глиссандо. Так же инструмент будит иметь ритм бокс с цифровым управлением, с запрограммированными ритм-рисунками разных жанров и аккомпанементом в басах. Так же будит память для создания своего ритмического рисунка и аккомпанемента.
Ну как бы так. О электрической схеме мы поговорим позже, в каждой статье будим говорить о одном блоке ЭМИ.
Продолжение следует...
