RU2041503C1

RU2041503C1 - Method and device for revealing basic tones of musical bell

Info

Publication number: RU2041503C1
Authority: RU
Inventors: Б.А. Гордеев; А.И. Весницкий; Ю.М. Бейлинсон; Б.А. Шапиро; Б.М. Лухтон
Original assignee: Научно-производственное предприятие "Новая техника и технология машиностроения"
Priority date: 1992-08-18
Filing date: 1992-08-18
Publication date: 1995-08-09

Abstract

FIELD: musical acoustics. SUBSTANCE: bell is excited by elastic collision. Acoustic oscillations are received by means of electro-acoustic receiver, then these oscillations are converted into electric oscillations. Frequency analysis of transformed oscillations is carried out spectrum analyzer, and basic tones and overtones of the bell are determined. Time of relaxation of the bell is measured preliminary, and frequency analysis of carried out relatively the moment of excitation of the bell, which is equal to time of relaxation of the bell. The programmed voltmeter and switch are used for the purpose. Each electric signal is restricted by Gauss-shaped pulse. EFFECT: improved reliability; improved precision. 2 cl, 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к настройке музыкальных инструментов, а именно музыкальных колоколов. The invention relates to tuning musical instruments, namely musical bells.

Известен способ выявления основных тонов (собственных частот) конструкций с несколькими степенями свободы, в частности, колоколов, заключающийся в следующем. Возбуждают колокол упругим ударом. При этом колокол вначале накапливает энергию удара, а затем рассеивает ее в виде дискретных колебаний с несколькими дискретными частотами. Возбуждаемые колоколом акустические колебания (акустическая реакция) содержат ограниченное число чистых тонов. A known method for identifying the fundamental tones (natural frequencies) of structures with several degrees of freedom, in particular, bells, which consists in the following. The bell is excited by an elastic blow. In this case, the bell first accumulates impact energy, and then scatters it in the form of discrete oscillations with several discrete frequencies. The acoustic vibrations excited by the bell (acoustic response) contain a limited number of pure tones.

Возникающие в воздушной среде акустические колебания улавливают с помощью приемного преобразователя, в котором механические колебания преобразуются в электрические, которые затем представляют как во временной области, так и в частотной. Представленный в частотной области виброакустический сигнал анализируется на предмет выявления основных тонов звучащего колокола. Acoustic vibrations arising in the air are captured using a receiving transducer, in which mechanical vibrations are converted into electrical vibrations, which are then presented both in the time domain and in the frequency domain. The vibroacoustic signal presented in the frequency domain is analyzed to identify the fundamental tones of the sounding bell.

Устройство для осуществления способа включает в себя приемный преобразователь, выход которого через усилитель связан с анализатором спектра, а выход анализатора спектра соединен со входом ЭВМ или графопостроителя. A device for implementing the method includes a receiving transducer, the output of which through an amplifier is connected to a spectrum analyzer, and the output of the spectrum analyzer is connected to the input of a computer or plotter.

Данные способ и устройство имеют ряд существенных недостатков. Основные из них следующие. Поскольку акустическое поле звучащего колокола обусловлено откликом на всех главных модах одновременно, то измеренные формы мод колебаний часто искажены. These method and device have a number of significant disadvantages. The main ones are as follows. Since the acoustic field of the sounding bell is due to the response on all the main modes simultaneously, the measured forms of the vibration modes are often distorted.

Эта проблема усугубляется для тех колоколов, которые имеют близко расположенные собственные частоты и которые обуславливают затем появление в спектре инфранизких тонов в результате биений этих близкорасположенных собственных частот. This problem is exacerbated for those bells that have closely spaced eigenfrequencies and which then cause the appearance of infra-low tones in the spectrum as a result of beating of these closely spaced eigenfrequencies.

Кроме того, при возбуждении колоколов ударных импульсами в окружающей среде, вследствие ее нелинейных свойств и дисперсии, могут возникать солитоны, которые отсутствуют в самом источнике колебаний исследуемом колоколе. Солитоны, в свою очередь, обуславливают появление в спектре высокочастотных составляющих, которые не являются обертонами, присущими данному колоколу, а их появление зависит только лишь от свойств акустической среды, окружающей звучащий колокол. In addition, when bells are excited by shock pulses in the environment, due to its nonlinear properties and dispersion, solitons can appear that are absent in the source of oscillations of the studied bell. Solitons, in turn, determine the appearance in the spectrum of high-frequency components that are not overtones inherent in this bell, and their appearance depends only on the properties of the acoustic environment surrounding the sounding bell.

При этом солитоны в нелинейных средах возникают значительно чаще тогда, когда источник колебаний генерирует нестационарный сигнал. In this case, solitons in nonlinear media appear much more often when the oscillation source generates an unsteady signal.

Любой ударный импульс, каковым является импульс, генерируемый колоколом, даже в линейной среде генерирует нестационарный процесс, который является основной причиной возникновения искажений сигнала, генерируемого исследуемым колоколом, приводящих к ошибкам при выявлении основных тонов. Any shock pulse, which is the pulse generated by the bell, even in a linear environment generates a non-stationary process, which is the main cause of distortion of the signal generated by the studied bell, leading to errors in the identification of fundamental tones.

Кроме того, в прототипе исследуемая реализация ограничена строб-импульсом прямоугольной формы с резкими границами фронта и спада. Это вызывает появление в спектре исследуемого сигнала новых паразитных высокочастотных гармонических составляющих. In addition, in the prototype, the investigated implementation is limited to a rectangular strobe with sharp edges of the front and the bottom. This causes the appearance of new parasitic high-frequency harmonic components in the spectrum of the signal under study.

Цель изобретения повышение точности выявления основных тонов колоколов. The purpose of the invention is to increase the accuracy of identifying fundamental tones of bells.

Технический результат достигается тем, что в способе определения основных тонов музыкальных колоколов, по которому исследуемый колокол возбуждают упругим ударом, например, ударом шарика, подвешенного на нити. Возникающие в окружающей колокол среде акустические колебания улавливают, например, приемником-преобразователем, преобразуют в электрические колебания, после чего процесс анализируют в частотной области. При этом, в соответствии с изобретением, измеряют предварительно время релаксации (декремент затухания) данного колокола. Электрический сигнал с приемного преобразователя по истечении времени релаксации, отсчитываемого с момента возбуждения колокола, представляют в частотной области и определяют основные (собственные) частоты и обертоны колокола. Кроме того, каждая реализация исследуемого сигнал может быть ограничена импульсами гауссовой формы. The technical result is achieved by the fact that in the method for determining the basic tones of musical bells, according to which the investigated bell is excited by an elastic blow, for example, by hitting a ball suspended on a thread. Acoustic vibrations arising in the environment surrounding the bell are picked up, for example, by a receiver-transducer, converted into electrical vibrations, after which the process is analyzed in the frequency domain. In this case, in accordance with the invention, the relaxation time (attenuation decrement) of the bell is measured in advance. The electric signal from the receiving transducer after the relaxation time, counted from the moment of excitation of the bell, is presented in the frequency domain and the main (natural) frequencies and overtones of the bell are determined. In addition, each implementation of the signal under investigation can be limited by Gaussian pulses.

Для достижения цели изобретения устройство для выявления основных тонов музыкальных колоколов, содержащее приемный преобразователь акустических сигналов, анализатор спектра, выход которого соединен со входом ЭВМ или графопостроителя, согласно изобретению, дополнительно снабжено программируемым цифровым вольтмером и ключом, причем выход приемного преобразователя cоединен c управляющим первым входом ключа и cо входом программируемого цифрового вольтметра, выход которого соединен со вторым входом ключа, а выход ключа соединен со входом анализатора. To achieve the purpose of the invention, a device for detecting the fundamental tones of musical bells, comprising a receiving transducer of acoustic signals, a spectrum analyzer, the output of which is connected to the input of a computer or plotter, according to the invention, is additionally equipped with a programmable digital voltmeter and a key, and the output of the receiving transducer is connected to the control first input key and with the input of a programmable digital voltmeter, the output of which is connected to the second input of the key, and the output of the key is connected to the input m analyzer.

Кроме того устройство может быть снабжено модулятором и генератором гауссовых импульсов, причем первый вход модулятора соединен с выходом ключа, второй его вход с выходом генератора гауссовых импульсов, а выход модулятора соединен с входом анализатора спектра. In addition, the device can be equipped with a modulator and a Gaussian pulse generator, the first input of the modulator connected to the output of the key, its second input to the output of the Gaussian pulse generator, and the output of the modulator connected to the input of the spectrum analyzer.

В предложенном способе при подаче сигнала с приемного преобразователя в анализатор через время, равное времени релаксации для данного колокола (время за которое уровень звукового давления уменьшится в l раз), в значительной степени уменьшается вероятность появления в анализируемом спектре высокочастотных составляющих, которые не являются обертонами, присущими данному колоколу, благодаря чему практически исключаются ошибки в выявлении основных тонов колокола. Данный результат был достигнут благодаря выявлению особенностей процесса звучания колокола, нестационарность которого максимальна в начальный момент звучания, затем уменьшается, а по истечении времени релаксации процесс становится более стационарным, вследствие чего вероятность появления солитонов и других искажений в спектре становится минимальной. In the proposed method, when a signal is supplied from the receiving transducer to the analyzer after a time equal to the relaxation time for this bell (the time during which the sound pressure level decreases by a factor of l), the probability of the appearance of high-frequency components that are not overtones in the analyzed spectrum is significantly reduced, inherent in this bell, due to which errors in identifying the basic tones of the bell are practically eliminated. This result was achieved by identifying the features of the bell sounding process, the non-stationarity of which is maximum at the initial moment of sounding, then decreases, and after the relaxation time the process becomes more stationary, as a result of which the probability of the appearance of solitons and other distortions in the spectrum becomes minimal.

Признаки предложенного устройства позволяют осуществить предложенный способ и получить необходимый технический результат. Применение генератора гауссовых импульсов и модулятора обеспечивает расширение динамического диапазона исследуемых процессов, так как ограничение каждой кратковременной реализации исследуемого сигнала импульсными гауссовой формы снижает его нелинейные искажения, возникающие при ограниченных во времени реализациях. The features of the proposed device allow to implement the proposed method and obtain the necessary technical result. The use of a Gaussian pulse generator and modulator provides an extension of the dynamic range of the processes under study, since the limitation of each short-term implementation of the signal under investigation by pulsed Gaussian shapes reduces its nonlinear distortions arising from time-limited implementations.

На чертеже изображена блок-схема устройства для выявления основных тонов колокола. The drawing shows a block diagram of a device for detecting the basic tones of the bell.

Устройство для выявления основных тонов содержит соединенные последовательно приемный преобразователь 1 акустических сигналов, программируемый цифровой вольтметр 2, ключ 3, модулятор 4, анализатор спектра 5, принтер (графопостроитель) 6. При этом выход приемного преобразователя 1 дополнительно соединен с входом управления 7, ключа 3, а выход генератора гауссовых импульсов 8 соединен с дополнительным входом 9 модулятора 4. A device for detecting fundamental tones comprises a series-connected receiving transducer 1 of acoustic signals, a programmable digital voltmeter 2, a key 3, a modulator 4, a spectrum analyzer 5, a printer (plotter) 6. The output of the receiving transducer 1 is additionally connected to the control input 7, key 3 , and the output of the Gaussian pulse generator 8 is connected to the additional input 9 of the modulator 4.

Способ с помощью предложенного устройства осуществляют следующим образом. The method using the proposed device is as follows.

Ударяют шариком (не показано) о поверхность колокола 10. Образовавшийся после удара колокола фронт акустического поля через время τ достигает приемного преобразователя 1, где преобразуется в электрический сигнал. С выхода приемного преобразователя 1 сигнал одновременно поступает на программируемый цифровой вольтметр 2 (измеритель отношений) и на вход ключа 3. Цифровой вольтметр 2 предварительно программируется таким образом, чтобы сигнал на его выходе появлялся только через время Δ t равное времени релаксации для данного колокола, предварительно определенному из соотношения Δ t NT, где Т период основной гармоники, N число колебаний колокола, при котором амплитуда акустического сигнала на входе приемного преобразователя уменьшается в l раз. Hit the ball (not shown) on the surface of the bell 10. The front of the acoustic field formed after the blow of the bell after time τ reaches the receiving transducer 1, where it is converted into an electrical signal. From the output of the receiving transducer 1, the signal simultaneously enters the programmable digital voltmeter 2 (ratio meter) and the input of the key 3. The digital voltmeter 2 is pre-programmed so that the signal at its output appears only after a time Δ t equal to the relaxation time for this bell, previously determined from the relation Δ t NT, where T is the period of the fundamental harmonic, N is the number of bell oscillations at which the amplitude of the acoustic signal at the input of the receiving transducer decreases l times.

После того как уровень входного сигнала на цифровом вольтметре уменьшится в l раз, так сразу на его выходе появляется управляющий cигнал, поcтупающий на вход управления ключа 3. Ключ 3 открывается, и сигнал поступает в модулятор 4, где он модулируется по величине гауссовыми импульсами, генерируемыми генератором 8, и поступает в анализатор спектра 5. Таким образом, исследуемый сигнал поступает в анализатор через "окно" гауссовой формы, что позволяет исключить высокочастотную составляющую (шум), появляющуюся в высокочастотной области спектра в случае ограниченного времени реализации и тем самым повысить точность анализа и расширить динамический диапазон исследуемых процессов. After the input signal level on the digital voltmeter decreases by a factor of l, the control signal appears immediately at its output and arrives at the control input of key 3. The key 3 opens and the signal enters modulator 4, where it is modulated by the magnitude of the Gaussian pulses generated generator 8, and enters the spectrum analyzer 5. Thus, the signal under investigation enters the analyzer through a "window" of a Gaussian shape, which eliminates the high-frequency component (noise) that appears in the high-frequency region of the spectrum in beam of limited implementation time and thereby increase the accuracy of the analysis and expand the dynamic range of the investigated processes.

В анализаторе спектра 5 сигнал анализируется (представляется в частотной области). Результаты анализа заносят в файлы процессора, распечатывают их на графопостроителе и определяют основные тона колокола. In spectrum analyzer 5, the signal is analyzed (presented in the frequency domain). The results of the analysis are entered into the processor files, printed out on a plotter, and the basic tones of the bell are determined.

Использование при выявлении основных тонов колоколов приема задержка сигнала на время релаксации позволяет избежать ошибок, возникающих вследствие распада солитонов в окружающей среде, повысить точность анализа. Точное определение основных тонов колокола позволяет улучшить качество его настройки. When identifying the main tones of the reception bells, the signal delay for the relaxation time can be avoided to avoid errors arising from the decay of solitons in the environment, and to increase the accuracy of the analysis. Accurate determination of the basic tones of the bell allows you to improve the quality of its settings.

Claims

1. A method for identifying the basic tones of a musical bell, which consists in exciting the bell with an elastic shock, receiving and converting the acoustic vibrations arising in the surrounding environment into electrical signals, over which frequency analysis is performed and the fundamental tones and overtones of the bell are determined, characterized in that measure the relaxation time of the bell, and the implementation of the frequency analysis begins with a time delay relative to the moment of excitation of the bell, equal to the relaxation time of the bell.

2. The method according to claim 1, characterized in that each electrical signal is limited by a Gaussian pulse.

3. A device for detecting the basic tones of a musical bell, containing an electro-acoustic receiver connected to a spectrum analyzer, the output of which is connected to the input of a computer or a plotter, characterized in that it is equipped with a programmable digital voltmeter and a key, while the output of the electro-acoustic receiver is connected to the first control input key and the input of a programmable digital voltmeter, the output of which is connected to the second input of the key, and the output of the key is connected to the input of the spectrum analyzer.

4. The device according to claim 3, characterized in that it is equipped with a modulator and a generator of Gaussian pulses, the first input of the modulator connected to the output of the key, the second input of the modulator connected to the generator of Gaussian pulses, and the output of the modulator to the input of the spectrum analyzer.