PL221591B1

PL221591B1 - Układ do kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych oraz sposób kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych

Info

Publication number: PL221591B1
Application number: PL396760A
Authority: PL
Inventors: Paweł Janik
Original assignee: Univ Śląski W Katowicach
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2016-05-31
Also published as: PL396760A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest układ do kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, charakteryzujący się tym, że zawiera ujemną pojemność (10) o regulowanej wartości oraz bufor (18) dołączone do toru sygnałowego stanowiącego obciążenie przetworników elektromagnetycznych i zawierającego układ regulacji amplitudy i barwy, przewody połączeniowe, zestaw nagłośnieniowy oraz opcjonalnie przetworniki sygnału (tzw. efekty instrumentalne). Przedmiotem wynalazku jest również sposób kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, charakteryzujący się tym, że straty wprowadzone przez tor sygnałowy stanowiący obciążenie przetworników elektromagnetycznych kompensuje się poprzez podłączenie do niego ujemnej pojemności (10) oraz korzystnie separuje impedancyjnie zmienną pojemność wprowadzaną przez obwody wejściowe pasywnych i aktywnych urządzeń toru sygnałowego za pomocą bufora (18).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych oraz sposób kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, mające zastosowanie w szczególności w technice audio układów elektronicznych dla instrumentów muzycznych.

Przetworniki elektromagnetyczne stosowane we współczesnych, strunowych instrumentach muzycznych można podzielić na dwie zasadnicze grupy. Do pierwszej zaliczyć można tzw. przetworniki aktywne, czyli zawierające bufor lub wzmacniacz separujący układ elektromagnetyczny od pozostałej części toru sygnałowego, natomiast do drugiej należą przetworniki pasywne, których parametry sygnałowe zależą od dołączonego do układu elektromagnetycznego obciążenia.

Standardowo, do transmisji sygnału pomiędzy instrumentem muzycznym a zestawem nagłośnieniowym, używa się kabli typu koncentrycznego, które dzięki zastosowaniu ekranowania spełniają dodatkowo funkcję tłumienia interferencji elektromagnetycznych. Ekranowanie implikuje wzrost pojemności kabla, która we współczesnych konstrukcjach najczęściej waha się od kilkudziesięciu (najczęściej od około 70) do nawet kilkuset pF/m. Zatem standardowe przewody instrumentalne o dług ości zazwyczaj 3 * 10 m, wprowadzają znaczącą wartość pojemności do toru sygnałowego. Współczesne przetworniki elektromagnetyczne dla instrumentów strunowych, znane przykładowo z opisu zgłoszenia patentowego US 2002/0092413 A1 charakteryzują się wysoką impedancją i relatywnie szerokim pasmem generowanych sygnałów akustycznych. Z opisu patentowego US 7700872 B2 wynika, że zmiana obciążenia o charakterze pojemnościowym takich przetworników, nawet o niewielką wartość, rzędu 100 pF powoduje istotne zmiany w parametrach sygnałowych.

Kolejnym elementem toru sygnałowego, który wpływa na właściwości akustyczne przetwornika elektromagnetycznego jest znana przykładowo z opisu zgłoszenia patentowego US 4164163 i stosowana od kilkudziesięciu lat regulacja barwy za pomocą filtra dolnoprzepustowego RC o regulowanym za pomocą potencjometru paśmie przenoszenia. Taka konstrukcja, z powodu nieidealności param etrów potencjometru, w praktyce zmniejsza pasmo przenoszenia oraz parametry rezonansowe przetwornika elektromagnetycznego, nawet przy minimalnej nastawie potencjometru regulacyjnego.

Rozwiązanie problemu wpływu toru sygnałowego na właściwości tonalne przetwornika elektromagnetycznego jest od wielu lat przedmiotem poszukiwań konstruktorów. Częściowym rozwiązaniem tego problemu jest koncepcja aktywnego przetwornika, który charakteryzuje się relatywnie małą ilością zwojów cewek dołączonych do wzmacniacza różnicowego, pełniącego rolę reduktora zakłóceń, bufora oraz wzmacniacza sygnału. Niektóre konstrukcje, znane przykładowo z opisu zgłoszenia patentowego US 4002994 wykorzystują również układy filtrów, które umożliwiają korekcję amplitudy wybranych pasm. Rozwiązania tego typu cechują co prawda dobre właściwości przenoszenia częstotliwości powyżej 3 kHz, ale jednocześnie posiadają inną charakterystykę pasma środkowego (300 Hz do 3 kHz) spowodowaną odmienną konstrukcją cewki niż w przetworniku pasywnym. Taka charakterystyka przetwornika aktywnego powoduje, że tonalność generowanego przez niego sygnału zdecydowanie odbiega od przetworników pasywnych, co w przypadku wielu zastosowań jest niekorzystne.

Kolejnym zabiegiem stosowanym w celu zminimalizowania wpływu toru sygnałowego na parametry rezonansowe przetwornika jest stosowanie kabli niskopojemnościowych, znane z opisu zgłoszenia patentowego US 7700872 B2. Takie rozwiązanie umożliwia wprawdzie ograniczenie pojemności toru sygnałowego, ale nie jej kompensację. Zmniejszenie wpływu pojemności kabla możliwe jest również dzięki dwużyłowej transmisji symetrycznej sygnału znanej z opisu patentowego US 7887377 B1, ale wymaga zastosowania dedykowanych przewodów i konektorów oraz odpowiedniej konfiguracji dodatkowych urządzeń toru sygnałowego tj. przedwzmacniaczy, efektów dźwiękowych, przełączników, pętli efektów itp.

Stosowanie systemów radiowej transmisji sygnału nie znajduje z kolei zastosowania w studiach nagraniowych z powodu konieczności dodatkowego przetwarzania sygnału i negatywnego wpływu tego procesu na jakość sygnału.

W celu zniwelowania niedogodności wynikających ze stosowania dostępnych dotychczas rozwiązań, podjęto prace nad stworzeniem nowego, uniwersalnego układu oraz sposobu kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, z wykorzystaniem ujemnej pojemności o regulowanej wartości. Parametry sygnałowe przetworników elektromagnetycznych zależą od ich właściwości rezonansowych oraz ich

PL 221 591 B1 obciążenia, które powoduje przesunięcie piku rezonansowego w kierunku niskich częstotliwości. Zastosowanie ujemnej pojemności umożliwia skompensowanie strat wprowadzonych przez obciążenie przetworników i poprawę właściwości sygnałowych w zakresie wysokich częstotliwości.

Przedmiotem wynalazku jest układ do kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, charakteryzujący się tym, że do toru sygnałowego stanowiącego obciążenie przetworników elektromagnetycznych i zawierającego układ regulacji amplitudy i barwy, przewody połączeniowe, zestaw nagłośnieniowy oraz opcjonalnie przetworniki sygnału (tzw. efekty instrumentalne) dołączona jest ujemna pojemność kompensująca parametry rezonansowe obciążonego przetwornika elektromagnetycznego oraz korzystnie dołączony jest bufor.

Korzystnie, układ wyposażony jest w regulator wartości ujemnej pojemności.

Korzystnie, układ zawiera przełącznik umożliwiający odłączenie lub dołączenie ujemnej pojemności do toru sygnałowego.

Korzystnie, układ zawiera przełącznik umożliwiający odłączenie lub dołączenie bufora do toru sygnałowego.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, charakteryzujący się tym, straty wprowadzone przez tor sygnałowy stanowiący obciążenie przetworników elektromagnetycznych i zawierający układ regulacji amplitudy i barwy, przewody połączeniowe, zestaw nagłośnieniowy oraz opcjonalnie przetworniki sygnału kompensuje się poprzez podłączenie do toru s ygnałowego ujemnej pojemności oraz korzystnie separuje impedancyjnie zmienną pojemność wprowadzaną przez obwody wejściowe pasywnych i aktywnych urządzeń toru sygnałowego za pomocą bufora.

Korzystnym jest regulowanie za pomocą regulatora wartości ujemnej pojemności w celu kompensacji strat wprowadzonych przez tor sygnałowy.

Dołączony do układu przetworników elektromagnetycznych tor sygnałowy wprowadza dodatkową, równoległą pojemność, która powoduje przesunięcie maksimum krzywej rezonansowej przetworników w kierunku niskich częstotliwości i zmianę właściwości sygnałowych instrumentu muzycznego. Dołączenie do toru sygnałowego równoległej, ujemnej pojemności, korzystnie o regulowanej wartości, umożliwia skompensowanie wpływu pasożytniczej pojemności toru sygnałowego w zależności od jego konfiguracji. Kompensacja parametrów rezonansowych obciążonego przetwornika elektromagnetycznego polega na zmianie położenia maksimum krzywej rezonansowej w kierunku wysokich częstotliwości.

Kompensacja charakterystyki obciążonego, pasywnego przetwornika elektromagnetycznego do strunowych instrumentów muzycznych, polega na zastosowaniu układu zawierającego regulowaną ujemną pojemność, wraz z buforem impedancyjnym, dołączonego do lub przed wejściami urządzeń wzmacniających, przekształcających lub przełączających sygnał instrumentu. Pasywny przetwornik elektromagnetyczny posiada charakterystykę rezonansową, której kształt i położenie maksimum determinują parametry impedancyjne przetwornika. Dodatkowo pasywne przetworniki elektromagnetyczne obciążone na wyjściu równoległą pojemnością wykazują znaczne zmiany parametrów rezonansowych. Wyżej wymienione obciążenie o charakterze pojemnościowym jest z kolei domeną typowego toru sygnałowego elektrycznych instrumentów muzycznych, ponieważ wprowadzane jest przez itp. kable koncentryczne, układy regulacji barwy, obwody wejściowe urządzeń wzmacniających czy przekształcających sygnał użyteczny itp.

Rozwiązanie według wynalazku ma szereg zalet w stosunku do dotychczasowego stanu techniki:

- nie wymaga stosowania dedykowanego okablowania oraz konektorów,

- nie wymaga modyfikacji układu elektronicznego w instrumencie muzycznym,

- kompensacja parametrów rezonansowych przetworników elektromagnetycznych nie ogran icza się jedynie do okablowania, ale uwzględnia również pojemności pasożytnicze wprowadzane przez pozostałe elementy toru sygnałowego,

- zastosowanie bufora stabilizuje pracę skompensowanego pojemnościowo toru sygnałowego,

- rozwiązanie może być stosowane jako autonomiczny, zewnętrzny moduł i może stanowić ro zszerzenie funkcjonalności standardowych wejść urządzeń toru sygnałowego (np. efektów instrumentalnych, wzmacniaczy mocy, rejestratorów sygnałów itp.),

- istnieje możliwość wykorzystania zasilania typu bateryjnego lub standardowych zasilaczy stosowanych w torach sygnałowych strunowych instrumentów muzycznych,

PL 221 591 B1

- może być stosowany jako modyfikacja standardowych wejść aktywnych i pasywnych urządzeń toru sygnałowego.

Rozwiązanie według wynalazku zostanie bliżej objaśnione na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy toru sygnałowego przetworników elektromagnetycznych, fig. 2 uogólniony schemat konwertera ujemnoimpedancyjnego, typu napięciowego (NIC - ang. Negative Impedance Converter), fig. 3 - przykładowy schemat układu realizującego ujemną pojemność o regulowanej wartości, fig.4 - charakterystyki nieobciążonego i obciążonego przetwornika, fig. 5 - schemat pojemności wypadkowej na zaciskach obciążonego przetwornika z uwzględnieniem ujemnej pojemności, fig. 6 - charakterystyki prezentujące proces kompensacji parametrów rezonansowych przetwornika, fig. 7 - schemat pojemności wypadkowej na zaciskach obciążonego przetwornika z uwzględnieniem ujemnej pojemności oraz zmiennej pojemności C_IN, fig. 8 - schemat pojemności wypadkowej na zaciskach obciążonego przetwornika po wprowadzeniu bufora, fig. 9 - schemat blokowy modułu kompensacyjnego, fig. 10 oraz fig. 11 - przykłady konfiguracji toru sygnałowego zawierającego moduł kompensacyjny.

Tor sygnałowy pasywnych, strunowych instrumentów elektrycznych można zaprezentować w sposób blokowy jak na fig. 1 gdzie: 1 - przetworniki elektromagnetyczne, 2 - regulacja amplitudy (głośności) i filtry pasmowo-przepustowe (barwa dźwięku), 3 - blok urządzeń wzmacniających (preampy), przekształcających (efekty) i przełączających sygnał użyteczny (switche, loopery), 4 - wzmacniacz akustyczny mocy, 5 - przetworniki elektroakustyczne, 6 - kable koncentryczne. Bloki 1 oraz 2 funkcjonalnie są zintegrowane z instrumentem muzycznym 7, co na fig. 1 zaznaczono linią przeryw aną. Blok 3 może występować w torze sygnałowym opcjonalnie.

Prezentowane rozwiązanie problemu obciążenia pojemnościowego instrumentalnych przetworników elektromagnetycznych, dotyczy nie tylko kompensacji strat wprowadzanych przez okablowanie pomiędzy blokami 2 oraz 4, ale uwzględnia również parametry pozostałych bloków toru sygnałowego i zostanie omówione na przykładzie realizacji ujemnej pojemności za pomocą konwertera ujemnoimpedancyjnego typu napięciowego, którego uogólniony schemat zaprezentowano na fig. 2, gdzie: Z₁, Z₂, Z₃ - zastosowana impedancja w układzie konwertera ujemnoimpedancyjnego, OP - wzmacniacz operacyjny, 8 oraz 9 - zaciski wejściowe konwertera ujemnoimpedancyjnego.

Impedancję wejściową układu Z_WE z fig. 2 dla idealnego wzmacniacza operacyjnego, można zdefiniować jako:

Z₄Z₃ ^WE ⁼--γ · ^Z2 z czego wynika, że aby na zaciskach wejściowych 8 oraz 9 uzyskać ujemną pojemność, przykładowo jeden z elementów Z₁ lub Z₃ w układzie rzeczywistym powinien być kondensatorem, zaś pozostałe dwie impedancje rezystorami, których iloraz jednocześnie stanowi współczynnik proporcjonalności dla wartości immitancji wejściowej.

Omawiany przykład realizacji wynalazku wykorzystuje konfigurację zaprezentowaną na fig. 3, w której C to pojemność kondensatora zastosowanego w układzie, R₂ oraz R₃ to rezystancje zastosowane w układzie, przy czym R₃ to potencjometr, który reguluje wartość ujemnej pojemności, dzięki czemu umożliwia zmianę stopnia kompensacji obciążenia przetworników elektromagnetycznych. Układ przedstawiony na fig. 3 realizuje ujemną pojemność 10 (C_NIC), którą wyrazić można następująco:

R₂C ^Cn,c~~~^

Zaprezentowany na fig. 3 układ i konfiguracja jego elementów są jedynie jedną z wielu możliwości realizacji ujemnej pojemności o regulowanej wartości. Zmiana wartości ujemnej pojemności może być realizowana nie tylko, jak w prezentowanym przykładzie za pomocą rezystancji (potencj ometru), ale również za pomocą pojemności lub indukcyjności i to w przypadku zastosowania eleme ntów rzeczywistych jak i ich elektronicznych analogów. Istotą prezentowanego rozwiązania jest wykorzystanie regulowanej ujemnej pojemności, dlatego też w dalszej części opisu wynalazku, ze względu na dużą liczbę możliwych rozwiązań, element bądź układ, za pomocą którego realizowana jest zmiana wartości ujemnej pojemności, nazywany będzie regulatorem. Sumaryczna pojemność C_S podlegająca kompensacji, na którą składa się pojemność układu przetworników elektromagnetycznych oraz toru sygnałowego może być wyrażona jako:

Cs = Cp + Ck + Cin,

PL 221 591 B1 gdzie:

C_S - suma pojemności elementów rzeczywistych,

C_P - pojemność przetwornika oraz układu regulacji barwy i amplitudy,

C_K - pojemność wprowadzana przez połączenia i kable,

C|_N - pojemność wprowadzana przez obwody wejściowe pasywnych i aktywnych urządzeń toru sygnałowego.

Proces zmian parametrów rezonansowych przetwornika w wyniku obciążenia go pojemnością toru sygnałowego, obrazują przeskalowane wykresy przedstawione na fig. 4, gdzie krzywa oznaczona jako 11 prezentuje przykładową charakterystykę nieobciążonego przetwornika elektromagnetycznego, krzywa 12 - przykładową charakterystykę obciążonego przetwornika elektromagnetycznego za pom ocą układów regulacji barwy, natomiast krzywa 13 - przykładową charakterystykę obciążonego przetwornika elektromagnetycznego za pomocą układów regulacji barwy oraz kabla koncentrycznego. Migracja piku rezonansowego przetwornika jest spowodowana obciążeniem pojemnościowym i jednoczesnym przesunięciem jego położenia w kierunku niskich częstotliwości. Proces kompensacji polega na dołączeniu równoległej, ujemnej pojemności do elementów rzeczywistych jak pokazano na fig. 5. W rezultacie uzyskujemy zmniejszenie wartości pojemności wypadkowej C_W, dołączonej do przetwornika elektromagnetycznego, którą można przedstawić za pomocą wyrażenia:

CW = CS ^{- C}NIO>

gdzie:

C_W - pojemność wypadkowa na wejściu przetwornika elektromagnetycznego,

C_NIC - pojemność zaciskowa konwertera ujemnoimpedancyjnego lub innego układu realizującego ujemną pojemność.

Przykładowy proces kompensacji parametrów rezonansowych przetwornika przedstawiono na fig. 6, gdzie krzywa 14 charakteryzuje przetwornik nieobciążony, krzywa 15 - przetwornik obciążony kablem koncentrycznym oraz układem regulacji barwy, natomiast krzywa 16 - układ po dołączeniu ujemnej pojemności. Strzałka 17 reprezentuje migrację maksimum krzywej rezonansowej podczas procesu kompensacji.

Wartość pojemności wypadkowej C_W (na wejściu przetwornika elektromagnetycznego) może ulegać zmianie, ponieważ pojemność C_IN wprowadzana przez obwody wejściowe pasywnych i aktywnych urządzeń toru sygnałowego zależy w dużym stopniu od konfiguracji bloku 3, który z kolei może zostać odłączony lub dołączony do toru sygnałowego podczas jego pracy. Zmiany pojemności obwodów wejściowych spowodowane przełączaniem urządzeń bloku 3 reprezentowane są przez zmienny element C_IN, co zaprezentowano na fig. 7. Kompensacja parametrów rezonansowych przetwornika elekromagnetycznego wymaga stałych parametrów pojemnościowych toru sygnałowego, które można uzyskać dzięki zastosowaniu bufora. Symbolicznie, schemat zastępczy pojemności po wprowadzeniu do układu bufora zaprezentowano na fig. 8.

Bufor 18 separuje impedancyjnie zmienną pojemność C_IN urządzeń bloku 3, zastępując ją własną pojemnością wejściową CB o stałej wartości. Wówczas pojemność elementów rzeczywistych toru sygnałowego może być wyrażona jako:

Csb = Cp + Ck + CB

C_SB - suma pojemności elementów rzeczywistych po dołączeniu do toru sygnałowego bufora,

C_P - pojemność przetwornika oraz układu regulacji barwy i amplitudy,

C_K - pojemność wprowadzana przez połączenia i kable,

CB - pojemność wejściowa bufora.

W przypadku, gdy konfiguracja toru sygnałowego pasywnych, strunowych instrumentów elektrycznych przedstawiona na fig. 1 nie zawiera bloku 3, wówczas pojemność C_IN obwodów wejściowych urządzeń pasywnych i aktywnych związana jest jedynie z wejściem wzmacniacza akustycznego mocy i ma ona wartość stałą. W tym przypadku zbędne jest stosowanie bufora 18, dlatego też korzystna jest możliwość odłączania bufora.

Dołączenie do toru sygnałowego ujemnej pojemności można realizować np. w postaci niezależnego, uniwersalnego modułu kompensacyjnego 19, co w sposób poglądowy zostało zaprezentowane na fig. 9, gdzie 18 oznacza bufor, 10 - ujemną pojemność o regulowanej wartości za pomocą regulatora 24 (np. potencjometru), 20 - przełącznik umożliwiający odłączenie lub dołączenie do toru sygnałowego ujemnej pojemności 10, 21 - przełącznik np. typu DPDT umożliwiający odłączenie lub

PL 221 591 B1 dołączenie do toru sygnałowego bufora 18, 22 - gniazdo wejściowe oraz 23 - gniazdo wyjściowe np. typu jack 6,3 mm (standardowo używane w zastosowaniach dla instrumentów muzycznych).

Na fig. 10 oraz fig. 11 w sposób blokowy zaprezentowano przykładowe konfiguracje toru sygnałowego zawierającego moduł kompensacyjny 19. Dla urządzenia w konfiguracji z fig. 11 bufor 18 może być odłączony od toru sygnałowego za pomocą przełącznika 21.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ do kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, znamienny tym, że do toru sygnałowego stanowiącego obciążenie przetworników elektromagnetycznych i zawierającego układ regulacji amplitudy i barwy (2), przewody połączeniowe (6), zestaw nagłośnieniowy (4), (5) oraz opcjonalnie przetworniki (3) sygnału dołączona jest ujemna pojemność (10) oraz korzystnie bufor (18).
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że posiada regulator (24) wartości ujemnej pojemności (10).
3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera umożliwiający odłączenie lub dołączenie do toru sygnałowego ujemnej pojemności (10) przełącznik (20).
4. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera umożliwiający odłączenie lub dołączenie do toru sygnałowego bufora (18) przełącznik (21).
5. Sposób kompensacji parametrów rezonansowych pasywnych przetworników elektromagnetycznych dla muzycznych instrumentów strunowych, znamienny tym, że straty wprowadzone przez tor sygnałowy stanowiący obciążenie przetworników elektromagnetycznych i zawierający układ regulacji amplitudy i barwy (2), przewody połączeniowe (6), zestaw nagłośnieniowy (4), (5) oraz opcjonalnie przetworniki (3) sygnału kompensuje się poprzez podłączenie do toru sygnałowego ujemnej pojemności (10) oraz korzystnie separuje impedancyjnie zmienną pojemność wprowadzaną przez obwody wejściowe pasywnych i aktywnych urządzeń toru sygnałowego za pomocą bufora (18).
6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że w celu kompensacji strat wprowadzonych przez tor sygnałowy, za pomocą regulatora (24) reguluje się wartość ujemnej pojemności (10).