KR200364854Y1 - Auto tuning device for string instrument by using microphone and stepmotor - Google Patents
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Abstract
현악기를 구성하는 현의 소리 신호를 마이크로폰으로 측정하고 이를 FFT(Fast Fourier Transform)분석한 정보를 바탕으로, 스텝모터를 이용하여 현의 고유진동수를 자동으로 조정하여 현의음을 정확하게 조율하는 장치이다.It is a device that precisely tunes the string sound by automatically adjusting the natural frequency of the string by using a step motor based on the information of the sound signal of the string that constitutes the string instrument with a microphone and analyzing the FFT (Fast Fourier Transform). .
Description
피아노를 구성하는 약 200개의 현(string)은 온도나 습도의 미세한 변화에 따라 장력 상태가 달라지기 쉽기 때문에 이를 정기적으로 조율하는 전문 조율사가 필요하다. 따라서 피아노는 연주자가 스스로 음을 맞추지 못하는 유일한 악기다. 그러나 앞으로는 조율사가 필요 없게 될지도 모른다.Since about 200 strings that make up the piano tend to vary in tension due to slight changes in temperature or humidity, a professional tuner who regularly tunes the piano is required. Therefore, the piano is the only instrument that the player can't tune to himself. But in the future, you may not need a tuner.
영국의 과학 잡지인 뉴사이언티스트는 최근 미국 피아노 제작사인 스토리 앤드 클라크사가 자동으로 조율할 수 있는 피아노를 개발하여 내년 말경에 시판할 예정이라고 보도하였다. 이 피아노는 스위치를 켜고 약 40초만 기다리면 조율이 완료된다. 피아노를 구성하는 현들은 금속 핀에 감겨 있다. 조율사는 음이 낮으면 핀을 감아 현을 더욱 팽팽하게 만들고, 음이 너무 높으면 핀을 풀어 현을 좀 헐겁게 해 줌으로써 음을 조율한다. 미국의 고안자인 돈 길모어가 개발한 이 자동조율장치는 이 작업을 전류가 대신한다.New Scienceist, a British scientific magazine, recently reported that a piano that can be automatically tuned by American piano maker Story and Clark will be available later this year. The piano takes about 40 seconds to switch on and the tuning is complete. The strings that make up the piano are wound on metal pins. The tuner tunes the notes by winding the pins to make the strings tighter when the notes are low, and loosening the strings by loosening the pins when the notes are too high. Developed by the American inventor Don Gilmore, this automatic tuning device replaces this task with current.
현악기(기타, 바이올린, 피아노 등)는 분포매개변수 시스템의 진동을 직관적으로 설명해 줄 수 있는 예이다. 도 2와 같이 장력 τ를 받으며 양끝이 고정되어 있는, 밀도 ρ, 단면적 Α인 현을 고려하자. 이 현은 상하방향(방향)으로 진동한다. 현을 따라 임의의 점에서의 운동은 시간 t 와 현의 길이방향의 좌표 x 의 함수가 되고, 현의 변위는w(x,t)이다. 줄을 따라 분포된 단위길이당 외력을 f(x,t)라 하고 도 2와 같이 변형된 현의 미소요소(길이 Δx)를 고려한다. 이 미소요소에 작용하는 방향의 힘의 합력은 방향의 관성력 Stringed instruments (guitars, violins, pianos, etc.) are examples that can intuitively explain the vibration of a distribution parameter system. Consider a string having a density ρ and a cross-sectional area A with both ends fixed under tension τ as shown in FIG. 2. This string vibrates up and down (direction). The motion at any point along the string becomes a function of time t and the longitudinal coordinate x of the string, and the displacement of the string is w ( x , t ). The external force per unit length distributed along the line is called f ( x , t ) and considers the micro element (length Δ x ) of the string, as shown in FIG. 2. The force of the direction force acting on this microelement is the inertia force of the direction
와 같아야 하므로, 다음식을 얻게 된다.Since it must be equal to, you get
이 식을 변수 분리법에 의해 방정식을 풀면, 현의 변위는로 표현되며, 따라서 현의 고유진동수는 다음과 같다.If you solve this equation by the variable separation method, the displacement of the string is Therefore, the natural frequency of the string is
여기서ω n: 현의 고유진동수,τ: 현의 장력,ρ: 현의 밀도,A: 현의 면적이다.Where ω n is the natural frequency of the string, τ is the tension of the string, ρ is the density of the string, and A is the area of the string.
따라서 현의 장력τ를 적절히 조절함으로서, 원하는 현의 고유진동수ω n 를 조정할 수 있음을 알 수있다.Therefore, it can be seen that by appropriately adjusting the tension τ of the string, the natural frequency ω n of the desired string can be adjusted.
먼저 마이크로폰으로부터 현의음을 취득하고, 신호취득프러그를 통하여 PC에 입력된다. 본 고안에서 개발된 소프트웨어의 도 3과 같은 윈도우 창에서 신호입력(Signal Input)을 클릭하게 되면, 1024개의 취득된 시간데이터를 입력받아 PC에 저장한다.First, a string sound is obtained from a microphone and input to a PC through a signal acquisition plug. 3 and the software developed in the present invention If you click Signal Input in the same window, 1024 pieces of time data are input and stored in the PC.
그리고 도 4와 같이 시간데이터를 FFT(Fast Fourier Transform) 분석하고, 이 주파수 데이터를 근거로도5와 같이 기준 주파수를 생성 후Start를 클릭 하게 되면, 입력주파수의 최대 피크점을 찾아 기준주파수와 입력주파수를 비교하고 스텝모터의 회전수를 제어하고 자동으로 줄의 장력을 조정하게 된다. 모터의 제어가 끝나게 되면, 주파수의 차값(epsilon)이 윈도우에 표시되며, 제어는 종료되게 된다.Then, as shown in FIG. 4, the time data is analyzed by FFT (Fast Fourier Transform), and based on the frequency data,DegreeAfter generating the reference frequency as shown in 5StartClick The maximum peak point of the input frequency is found, the reference frequency is compared with the input frequency, the rotation speed of the step motor is controlled, and the string tension is automatically adjusted. When the control of the motor is finished, the frequency epsilon is displayed in the window, and the control ends.
스텝모터의 제어순서는 도5와 같다The control sequence of the step motor is shown in FIG.
기존 제품에서는 현이 정상 음인지 아닌지는 전자기유도현상을 이용해 측정한다. 길모어는 각각의 현에다 2개의 전자석 코일을 감고, 이 코일 한쪽에 전류를 흘려주면 자기력이 발생하여 현이 진동하게 된다. 이는 다시 두 번째 코일에서 작은 전류를 유도하게 된다. 피아노 안의 마이크로컴퓨터는 이 전류로 피아노 현의 현재 진동수를 측정하고 미리 입력되어 있는 각 현의 표준 진동수와 비교한 다음 다시 트랜지스터를 통해 현의 진동수를 바꿀 수 있는 전류를 발생시킨다. 이 전류가 현을 가열하여 팽창시킴으로써 진동수가 보정된다.In existing products, whether the string is normal or not is measured using electromagnetic induction. Gilmore winds two electromagnet coils around each string, and if a current flows to one side of the coil, magnetic force is generated and the string vibrates. This again induces a small current in the second coil. The microcomputer in the piano measures the current frequency of the piano string with this current, compares it with the standard frequency of each pre-populated string, and then generates a current that can change the frequency of the string through the transistor. The frequency is corrected by this current heating and expanding the string.
고안자가 개발한 제품은 FFT 분석을 통해 현의 고유진동수를 측정하고, 의도하는 임의 고유진동수와 현재의 고유진동수를 비교하여 그 차이만큼 스텝모터(step motor)를 이용하여 현의 장력을 조절하여 진동수를 보정한다. 신호처리와 차이의 계산은 PC에서 수행하며, 사용자의 편의를고려한 디스플레이 기능도 가지고 있다. 그래서 현제 입력되는 신호와 FFT 변환된 신호 및 차이 값을 정확하게 확인할 수 있다.The product developed by the inventors measures the natural frequency of the strings through FFT analysis, compares the desired natural frequency with the current natural frequency, and adjusts the tension of the strings using the step motor by the difference. Calibrate The signal processing and the difference calculation are performed on a PC and have a display function for the user's convenience. Thus, the current input signal, the FFT converted signal, and the difference value can be checked accurately.
도1은 마이크로폰과 스텝모터를 이용하여 현의 음을 조율하는 장치의 구성도1 is a configuration diagram of an apparatus for tuning a string sound using a microphone and a step motor
도2는 현의 운동과 좌표계2 shows the motion and coordinate system of the strings.
도3은 신호입력 Window3 is a signal input window
도4는 주파수 분석 Window4 shows the frequency analysis window
도5는 스텝모터 제어 순서도5 is a step motor control flowchart
장치 구성은 도1과 같다. 현의 한 쪽 끝에 설치된 마이크로폰을 통하여 취득된 음의 신호는 신호취득 플러그를 통하여 PC에 연결되며, PC내의 소프트웨어에 의해스텝모터 드라이브를 통하여 현에 연결된 스텝모터와 웜기어의 회전에 의해 현의 장력을 조절하여 현의 고유진동수를 자동으로 조율하게 된다.The device configuration is shown in FIG. The negative signal acquired through the microphone installed at one end of the string is connected to the PC through the signal acquisition plug, and the tension of the string is controlled by the rotation of the step motor and worm gear connected to the string through the step motor drive by software in the PC. By adjusting, the string's natural frequency is automatically tuned.
현악기 현의 고유진동수를 분석하여 현의 장력을 스텝모터를 이용하여 현의 고유 진동수를 자동적으로 제어할 수 있으므로, 많은경험을 필요로하는 전문조율사가 필요없이 간편하게 누구나 현악기의 현을 정밀하게 조율할 수 있다.By analyzing the natural frequency of stringed strings, you can automatically control the natural frequency of the strings by using the stepper motor with the tension of the strings. Anyone can easily fine tune the strings without the need for a professional tuner who requires a lot of experience. Can be.
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|---|---|---|---|
| KR20-2004-0004461U KR200364854Y1 (en) | 2004-02-20 | 2004-02-20 | Auto tuning device for string instrument by using microphone and stepmotor |
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| KR200364854Y1 true KR200364854Y1 (en) | 2004-10-16 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100983974B1 (en) * | 2009-02-10 | 2010-09-27 | 충남대학교산학협력단 | A Performance Testing Appratus of Pick-Up Module which is attached on String Instruments |
| KR101637956B1 (en) | 2015-01-29 | 2016-07-13 | 김혜성 | Automatic drum tuner and Method of tuning thereof |
-
2004
- 2004-02-20 KR KR20-2004-0004461U patent/KR200364854Y1/en not_active IP Right Cessation
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