грифовый электромузыкальный инструмент, генератор тона, оптронная педаль громкости

Формула изобретения

1. Грифовый электромузыкальный инструмент, обладающий свойствами многоголосия и певучести, состоящий из двух разъединяющихся частей - грифовой и подножной, при этом в грифовой части основными конструктивными элементами являются головка, игровое поле и электронный отсек, а в подножной - корпус, звуковая доска с динамиком, кронштейн, левая и правая оптронные педали с передвижными порожками; электрически обе части инструмента соединяются коротким кабелем с разъемом; многоголосие обеспечивается посредством нескольких электронных генераторов тона с изменяемой звуковой частотой, а певучесть - посредством возможности непрерывного управления громкостью оптронными педалями, и выполнение вибрации и глиссандо дополнительными движениями рук во время игры; на грифе расположены цепочки узких одинаковых кнопок, каждая цепочка связана со своим генератором тона, на котором возможен только один звук, но разной высоты; гриф при игре располагается в плоскости симметрии сидящего за инструментом исполнителя с небольшим наклоном от вертикали к исполнителю и с возможностью игры на грифе двумя руками с двух сторон; цепочки грифовых кнопок вместе с контактами под каждой кнопкой смонтированы в длинных узких коробках - тонрейках в сборе, каждая тонрейка крепится к своему механизму грифа, выполненному с возможностью придания тонрейке небольших поступательных перемещений в вертикальной плоскости грифа под действием пальцев, нажимающих на кнопки во время игры; механизм грифа представляет собой подвеску протяженной по длине детали или узла (в данном случае тонрейки) на двух одинаковых плоских пружинах, расположенных параллельно друг другу, при этом обеспечивается возможность поступательных упругих движений протяженной детали, происходящих в направлении, перпендикулярном плоскостям пружин; эти движения преобразуются в вибродатчиках и контактных механизмах в электрические сигналы, которые идут на специальные входы генератора тона, связанного с данной тонрейкой; выходные напряжения генераторов тона поступают на суммирование в один из двух каналов инструмента - в мелодический или аккомпанементный, который исполнитель приглушает левой оптронной педалью больше или меньше, в зависимости от характера музыки; каждый звук направляется в тот или иной канал посредством двух градаций силы нажатия пальца на кнопку с обеспечением в механизме грифа соответствующего перемещения тонрейки внутрь грифа; правая педаль предназначена для управления общей громкостью; в каждом канале имеется свой темброблок для обеспечения возможности одновременного звучания в инструменте двух разных тембров; продольные колебания тонрейки, разрешаемые механизмом грифа, преобразуются в вибродатчике в электрические и подаются на вход генератора тона, где они качают его частоту, что воспринимается как вибрация звука, а колебания тонрейки вызываются посредством колебаний руки исполнителя и передаются на тонрейку через палец, нажимающий любую кнопку на ней; кнопки на грифе имеют две степени свободы, так что при нажатии на край кнопки она принимает наклонное положение, что обеспечивает беспрепятственное скольжение пальца по кнопкам одной цепочки для получения глиссандо.

2. Генератор тона, выполненный на основе электронной схемы для генерирования пилообразных колебаний изменяемой звуковой частоты, основанный на соединении интегрирующего операционного усилителя и триггера Шмитта с гистерезисом, при этом длительность прямого хода пилообразного напряжения определяется величиной входного тока интегрирующего усилителя, а короткий обратный ход получают за счет добавления на тот же вход относительно сильного импульса обратного тока; помимо симметричных низких напряжений питания в схеме используют высокое стабилизированное напряжение питания порядка 105÷120 В, являющееся эталоном для стабилизации двух низких, при пропорциональном изменении всех трех питающих напряжений частота пилообразного напряжения остается неизменной; для получения на кнопках тонрейки правильного музыкального звукоряда - хроматической гаммы, в ней расположена цепь резисторов с выводами на контакты под каждой кнопкой, так что при нажатии кнопки на расположенный под ней вывод подается высокое напряжение, и через часть цепи от данного вывода до входа на интегратор течет ток, вызывающий в интеграторе такую длительность прямого хода, чтобы полный период колебаний давал нужную высоту звука; высокие напряжения, подаваемые в грифе на все тонрейки, регулируются подстроечными потенциометрами, собранными в блоке подстройки, так что инструмент можно настраивать, например, по камертону; с каждым подстроечным напряжением складывается переменное напряжение от вибродатчика, что обеспечивает возбуждение вибрации звука на секции, на которой палец колеблющейся руки исполнителя нажимает кнопку; между выходом интегратора и входом триггера вставлен делитель напряжений, запитанный от источников высокого напряжения и низкого с обратным знаком, соединенный с интегратором через два разнополярно включенных диода, которые открываются недалеко от краев диапазона интегратора, при этом приращения диодных напряжений переносятся по делителю в область гистерезиса триггера с условием, чтобы срабатывания триггера в обе стороны вызывали изменения хода пилообразного напряжения на уровнях предпочтительно использующих выходной диапазон интегратора, например, ±8 В; схема формирования обратного тока содержит транзистор, работающий по принципу масшатабирующего операционного усилителя: два резистора соединяют на базе, на вход подают высокое подстроенное напряжение, а резистор обратной связи присоединяют к коллектору, на котором образуется уменьшенное напряжение с обратным знаком, пропорциональное входному и используемое для получения обратного тока в выходном повторителе, в результате обеспечивается сохранение правильности музыкального звукоряда тонрейки при изменении ее подстроечного напряжения; между выходом интегратора и ключами двух каналов вставлена дополнительная ключевая схема, которая на прямом ходе пропускает пилообразное напряжение, а на обратном - одно из напряжений триггера, так что выходное ее напряжение состоит из наклонного и горизонтального участков и обратного скачка, что улучшает состав гармоник звука на выходе; схема канальных ключей состоит из двух делителей - входного и управляющего, питаемых от высокого напряжения, входной служит для задания удобного постоянного уровня входного напряжения, а управляющий для получения напряжений, управляющих ключами в зависимости от положения двух контактов в контактном узле данной секции грифа; каждый из ключей присоединен к первому делителю через диод и состоит из двух Т-образных звеньев - пропускающего, присоединенного к сумматору данного канала, и управляющего, присоединенного ко второму делителю, при этом в отводах каждого звена на нейтраль установлены конденсаторы: малые в пропускающих звеньях для фильтрации ультразвуковых частот и большие в управляющих звеньях для плавного включения и выключения звука.

3. Оптронная педаль громкости, приспособленная для постановки на нее всей стопы исполнителя с упором задней стороны каблука в передвижной порожек, причем угловой ход педали задают с учетом возможного поворота стопы в голеностопном суставе, а порожек должен устанавливаться исполнителем так, чтобы при нажатии педали не перемещалось его колено; педаль работает посредством изменения расстояния между источником света, модулированного звуковыми колебаниями, и принимающим свет фотодиодом; поскольку на больших расстояниях характеристику педали необходимо сделать более крутой, между элементами оптопары ставят шторку, задерживающую часть света, и положение шторки жестко связывают с углом поворота педали через простой механизм, на одной из деталей которого вырезана лекальная кривая; электроника приемной схемы состоит из указанного выше фотодиода и операционного усилителя, в котором фотодиод присоединяют одним концом к инвертирующему входу, а другим к нейтрали вместе с неинвертирующим входом, при этом на фотодиоде напряжение получается нулевое (режим короткого замыкания), а его ток, вызываемый светом, идет в резистор обратной связи, и на выходе операционного усилителя получается напряжение, равное произведению этого тока на сопротивление резистора.

Описание изобретения к патенту

Уровень техники

Из музыкальной теории известно, что для гармонической полноты музыки требуется не менее четырех голосов. Поэтому инструменты, в которых одновременно могут звучать меньше четырех звуков, не считаются многоголосными. Наибольшее многоголосие возможно в таких многострунных инструментах как арфа, большие гусли, фортепиано при нажатой правой педали. В инструментах с незатухающими звуками, в том числе и в предлагаемом, многоголосие ограничивается числом играющих пальцев, так как при снятии пальца с клавиши или кнопки звук пропадает. Например, в органе наибольшее число голосов 12 - по 5 на каждую руку и еще два басовых в ножной клавиатуре.

Инструмент не имеет близких аналогов, а из далеких к нему ближе всех подходит гитара. В ней мало струн, но каждая струна может дать до 20 звуков и более разной высоты в зависимости от лада, на котором она нажата. В инструменте роль струн играют генераторы изменяемой звуковой частоты, а роль ладов - узкие кнопки, которые на грифе, внешне похожем на гитарный, собраны в прямые цепочки, похожие на струны. Каждая цепочка присоединена к своему генератору, на ней можно получить только один звук, как на гитарной струне. У гитары струны имеют разную толщину и издают разные звуки на общих ладах. Звуки эти образуют определенный строй, который в 6-струнной испанской гитаре и в 7-струнной русской различен.

Инструмент имеет 7 генераторов и соответственно - цепочек, но его строй не как у русской гитары, а расширенный скрипично-виолончельный, что увеличило общий диапазон инструмента до пяти октав. Чтобы показать, что гитара не близкий аналог инструмента, приведем здесь же и различия между ними.

У гитары звуки затухающие, а у инструмента незатухающие - они включаются и выключаются только кнопками на грифе.

Правая рука, поэтому освобождается от звукоизвлечения и работает на грифе вместе с левой. Чтобы обеим рукам было одинаково удобно работать, гриф располагается в плоскости симметрии сидящего исполнителя под углом 30° к вертикали, а руки подходят к нему с двух сторон.

У гитары лады неравномерные - сужаются с повышением звука, а в инструменте все кнопки одинаковые, удобные для пальцев по ширине.

У инструмента нет аналогов открытых струн на гитаре, так как генератор звучит только, когда нажата любая кнопка в его цепочке. На гитаре открытые струны несколько увеличивают ее аккордовые возможности, но на инструменте вторая рука и удобная ширина кнопок с лихвой перекрывают возможности гитары.

Но надо еще отметить достоинства, появившиеся в инструменте благодаря тому, что его аналогом является гитара. Она самая простая и дешевая из многоголосных инструментов и взятый у нее принцип использования малого числа источников звука, легко переключаемых на разную высоту, позволил существенно упростить и удешевить предлагаемый инструмент.

Многоголосные инструменты следует оценивать не только по числу возможных голосов, но и по компактности мануала (игрового устройства для рук). Что это за показатель, проще всего объяснить на примере предлагаемого инструмента. В мануале в виде грифа с равномерными ладами компактность доведена до предела, диктуемого размерами подушечек пальцев - по ним выбраны и ширина кнопок, и расстояние между соседними кнопочными цепочками. На каждой руке в игре участвуют четыре пальца (кроме большого), как в левой руке на гитаре. Если зафиксировать положение одной руки на грифе, то в пределах досягаемости ее пальцев окажется около 50 кнопок, все с разными звуками. Получается, что четырьмя пальцами одной руки можно взять очень большое число различных аккордов, а в виртуозной игре сократить потребность в движениях рук.

По этому показателю гриф инструмента существенно превышает фортепианную клавиатуру, и она не была для него выбрана, хотя используется во всех современных многоголосных ЭМИ.

Понятие певучести происходит от человеческого пения. Во время пения от мозга человека идут непрерывные потоки нервной информации в голосовые связки, в мышцы грудной клетки, диафрагмы, ротовой полости, носоглотки. Поэтому звук певческого голоса все время живет и дышит, что физически выражается в непрерывном изменении его параметров - таком изменении, которое всегда производит впечатление красоты, какой бы характер ни носило исполняемое произведение. В этом проявляется душа человека, которую не может смоделировать ни один компьютер.

Музыкальный инструмент может считаться певучим в той мере, в какой он способен непрерывно принимать сигналы от мозга человека через его руки, ноги на педалях и изменять в соответствии с этими сигналами параметры звука. В духовых инструментах сигналы также идут на дыхательные мышцы, губы, язык, но мы оставим эти инструменты в стороне - они не многоголосные. Отметим еще, что сигналы от мозга к рукам не такие, как к голосовым связкам - их исполнитель должен выработать в процессе обучения игре.

Орган нельзя считать певучим инструментом, поскольку человек в нем может только включать звук нажатием клавиш и выключать отпусканием. Все струнные с затухающими звуками также нельзя считать певучими - в них есть воздействие на громкость, но оно не непрерывно, а происходит только в моменты возбуждения струн. Баян можно считать певучим, так как в нем производится непрерывное управление громкостью через левую руку, ведущую мех. Но управляется только один параметр звука, поэтому певучесть у баяна лишь частичная. В смычковых инструментах, к которым относятся скрипка, альт, виолончель, контрабас, на грифах нет ладов. Поэтому управление высотой звука полностью отдано исполнителю, как у певца управление голосовыми связками.

Но дело осложняется тем, что музыка основана на фиксированном звукоряде и всякое заметное отклонение от него воспринимается антимузыкально и называется “фальшивой нотой”. Будущий исполнитель на любом смычковом инструменте должен изучить расположение воображаемых ладов на грифе сначала по слуху, а затем по дистанционной памяти левой руки. Это трудно и заставляет считать смычковые инструменты чисто профессиональными, поскольку они требуют систематических упражнений, чтобы навыки игры не уходили из рук.

Но удаление ладов в смычковых оправдывается тем, что кратковременные отклонения от чистого звукоряда с непременным возвращением к нему не только допустимы, а очень привлекательны для слуха и составляют важный элемент певучести. Сюда относятся два исполнительских приема, доступные певческому голосу, смычковым инструментам и введенные в предлагаемый инструмент - вибрация и глиссандо.

Вибрацией называются быстрые колебания высоты звука с амплитудой отклонения от чистого тона до 0,3 от минимального интервала в звукоряде - полутона. Более широкий размах вибрационных колебаний вызывает уже ощущение антимузыкальности. В смычковых вибрация получается за счет колебаний кисти левой руки - при этом нажимающий струну палец перекатывается по ней и в некоторых пределах меняет ее свободную длину.

Глиссандо - это плавный переход по высоте от одного звука к другому. В смычковых инструментах он делается путем проскальзывания пальца по струне. Глиссандо обычно занимает малое время по сравнению с длительностью связываемых звуков. Слишком медленное глиссандо производит неприятное впечатление завывания.

На инструменте введение вибрации и глиссандо в условиях чистого звукоряда, задаваемого кнопками, облегчается требованием кратковременности отклонений высоты. Для получения вибрации формируется электрический сигнал, пропорциональный силам инерции, которые возникают в кисти руки при ее колебаниях. Этот сигнал проходит на специальный вход генератора и качает его частоту. Чтобы постоянная часть силы, действующей от руки на кнопку, не искажала среднюю высоту звука, сигнал пропускается через конденсатор подходящей емкости.

Глиссандо получается при скольжении пальца по кнопкам одной цепочки. При этом частота генератора изменяется ступеньками по полутонам. Если палец скользит с большой скоростью (но вполне соответствующей художественным мерам), то ступеньки сливаются, и глиссандо на слух не отличается от скрипичного или виолончельного. Если движение пальца медленнее, то ступеньки чувствуются, и глиссандо получается “ребристым”. Оно совсем не антимузыкально и может даже иметь художественный интерес. При медленном движении получается не завывание, а хроматическая гамма, которая иногда встречается в мелодиях и может быть исполнена движением одного пальца.

Последняя особенность инструмента, которую надо описывать в сопоставлении с другими инструментами, это выделение мелодии над аккомпанементом по громкости. Оно само по себе не является элементом певучести, но помогает лучше услышать певучесть в мелодии. Выполняется оно тем же механизмом грифа.

Аккомпанемент всегда должен звучать тише мелодии, но если в многоголосном инструменте все одновременные звуки имеют одинаковую громкость, то аккомпанирующие аккорды из нескольких голосов будут заглушать мелодию. В струнных инструментах с затухающими звуками сам исполнитель в аккомпанементе ослабляет удары по клавишам или щипки струн. В баяне левая аккомпанементная клавиатура устроена так, что всегда звучит слабее правой мелодической. В инструменте клавиатура одна и разделение звуков на мелодические и аккомпанементные происходит с участием исполнителя. Оно определяется силой нажатия пальца на кнопку: если эта сила находится в пределах от 50 до 300 г, звук направляется в аккомпанементный канал, если больше 300 г - в мелодический, для которого верхний предел силы не устанавливается. Возможность четкой работы рук по такому разделению звуков обеспечивается большим различием порогов - в 6 раз. Автор мог доказать эту возможность пока только личным примером - он научился играть на своих домашних макетах так, что смог записать сольную аудиокассету из несложных классических пьес.

Инструмент неожиданно показал певучие качества, лучшие, чем у его смычковых аналогов. Например, удалось создать педаль громкости с очень большим диапазоном ее изменения, недоступным большинству инструментов. Оказалось возможным хорошо играть на инструменте романсы, оперные арии, протяжные русские песни, требующие “широкого дыхания”, то есть исполнения звуков одновременно долгих, сильных и певучих.

Сущность инструмента

На фиг.1a, 1б изображено игровое поле грифа. Для сопоставления с размерами пальцев оно изображается в натуральную величину, но при этом не помещается на одном листе и разрезано на две фигуры между кнопками 12 и 13. Все кнопки имеют одинаковые размеры, но два разных цвета - светлый и темный, как белые и черные клавиши фортепиано. На светлых кнопках написаны ноты, которые на них берутся (в действительности, таких надписей нет) и обозначения октав: к - контроктава, б - большая, м - малая, далее октавы нумеруются с первой по четвертую. Высота звуков на секциях, содержащих каждую цепочку кнопок, увеличивается на чертеже справа налево, а для сидящего за инструментом музыканта - слева направо, как на фортепиано.

В практике игры нужны обозначения секций и для этого используются заглавные латинские буквы по принятым в музыке буквенным обозначениям нот. В данном случае это ноты, берущиеся на первой кнопке каждой секции, считая от головки грифа: ми - Е, ля - А, ре - D, соль - G, до - С, фа - F, си бемоль - В. Эти обозначения выписаны на головке грифа в перевернутом виде, а исполнитель сверху видит их неперевернутыми.

Упомянутый ранее скрипично-виолончельный строй грифа состоит в том, что ноты, берущиеся начиная с 1-й кнопки на любой секции, кроме В, повторяются на соседней более низкой секции, начиная с 8-й кнопки. При этом получается, что звуки на первых кнопках секций Е, А, D, G совпадают со звуками открытых струн скрипки ми, ля, ре, соль, а звуки на третьих кнопках секций G - В совпадают со звуками открытых струн виолончели ля, ре, соль, до. Выходит, что высотный диапазон инструмента охватывает диапазоны скрипки и виолончели. Всего в диапазоне инструмента 63 ноты, а кнопок 147, поэтому есть много нот, которые берутся в трех местах грифа. Например, семь нот от до до фа-диез малой октавы можно взять на 1 - 7 кнопках секции С,на 8 - 14 кнопках секции F и на 15-21 кнопках секции В. Следующая по высоте нота соль малой октавы и еще шесть нот до до-диез первой октавы берутся на тех же кнопках в тройке секций G, С, F. И так далее до последней тройки Е, А, D. Следовательно, всего можно в трех местах брать 35 нот от до малой октавы до си-бемоль второй. На обоих краях диапазона по 7 нот берутся в двух местах и по 7 нот в одном месте.

Такое свойство грифа очень ценно, оно существенно повышает возможности и удобство игры. Об этом подробно говорится в самоучителе игры, который автором уже написан.

Ранее было сказано о большой, близкой к пределу компактности грифа, благодаря чему он был принят в инструменте вместо фортепианной клавиатуры. Чтобы проиллюстрировать это убедительно, надо привести размеры игрового поля, которые оказались в игре очень удобными и вряд ли будут изменены.

Каждая цепочка кнопок, присоединенная к своему генератору, установлена на грифе в отдельной узкой и длинной коробке, которая может независимо от других коробок перемещаться немного на упругих подвесах механизма под действием пальца, нажимающего любую кнопку, и передавать, таким образом, от руки к генератору информацию, придающую звуку певучесть. Ширина кнопок 4 мм, ширина верхней грани коробки, по оси которой расположены кнопки, 11 мм. Длина кнопок вдоль грифа 14 мм, число кнопок в каждой цепочке 21, поэтому общая длина игрового поля 294 мм. На грифе 7 коробок, которые в сборе получили название тонреек, расположены они с просветами в 1 мм (на фиг.1 эти просветы показаны), поэтому расстояния между осями соседних цепочек равны 12 мм, а общая ширина игрового поля 83 мм.

Когда выше было сказано, что при фиксированном положении руки на грифе ее пальцы могут охватить 50 кнопок, имелось в виду, что вдоль грифа указательный палец и мизинец могут охватить 7 кнопок почти без растяжения руки, при этом расстояние между осями подушечек пальцев будет 84 мм. Поперек же грифа все пальцы свободно достают кнопки на всех семи цепочках - расстояние между крайними из них равно 72 мм. На площади, ограниченной семью кнопками, вдоль грифа на семи цепочках располагаются всего 49 охватываемых кнопок. Все они дают различные звуки, причем следующие друг за другом по единой хроматической гамме без пропусков, поэтому на них можно сыграть любую мелодию в любой тональности. Если же растянуть указательный палец и мизинец еще на одну кнопку, то на двух соседних секциях (указательный на более высокой, мизинец на более низкой) получится уже один и тот же звук.

На фиг.2 приведена блок-схема инструмента. На ней в пунктирном прямоугольнике с надписью “повторяется 7 раз” изображена одна секция грифа вместе с относящимися к ней электронными блоками - вибродатчиком и генератором тона. От механики грифа в генератор тона идут четыре канала управления звуком. Управление высотой делается при помощи цепочки резисторов, проложенной внутри всей тонрейки. Каждая спайка резисторов в цепочке присоединена к контакту под кнопкой, и высота звука зависит от числа включенных резисторов, точнее, от их суммарного сопротивления.

Второй канал управления - вибрация. Механизм под тонрейкой дает ей возможность качаться вдоль грифа под действием примерно таких же колебаний рук, как у левой руки скрипача или виолончелиста. К тонрейке прикреплена шторка, конец которой входит в блок вибродатчиков. В спокойном состоянии шторка перекрывает примерно половину луча в оптопаре, а при колебаниях шторки получаются колебания выходного напряжения вибродатчика, которые отделяются конденсатором от постоянной части напряжения и идут в генератор тона, где качают его частоту, оставляя неизменным ее средний уровень. Здесь важно, что частота, размах, характер вибрации полностью находятся во власти исполнителя.

Третий и четвертый каналы начинаются от двух контактов в механизме подвески тонрейки. Первый контакт замыкается при силе нажатия на любую кнопку 50 г, и одновременно эта сила вызывает опускание тонрейки вглубь грифа на 1 мм. Второй контакт, наоборот, размыкается при силе нажатия 300 г, и тонрейка при этом опускается еще на 1 мм. Замыкание первого контакта вызывает появление звука на выходе генератора в аккомпанементный канал (АК). Размыкание второго контакта при замкнутом первом вызывает переход звука в мелодический канал (МК). Чтобы сразу включить звук в мелодический канал, нужно нажать кнопку с силой не меньше 300 г.

Мелодический и аккомпанементный каналы сходны между собой по большинству блоков. Начинаются они с сумматоров, выполненных на операционных усилителях. К каждому сумматору присоединены соответствующие выходы всех семи генераторов тона, но естественно, не по всем из них одновременно идут на сумматор звуковые сигналы. Фазовращатели также собраны на одном операционном усилителе каждый. Они нужны потому, что форма колебаний на их входах часто содержит высокие острые пики. Фазовращатели разрушают эти пики без изменения гармонического (обертонного) состава звуков, делают фонограмму более компактной и уменьшают коэффициент нелинейных искажений.

Далее в аккомпанементный канал вставлена левая педаль. Если она не нажата, звуки аккомпанементного канала имеют такую же громкость, как в мелодическом. При ее постепенном нажатии звуки аккомпанемента ослабевают, и при полном нажатии аккомпанемент становится еле слышным по сравнению с мелодией. Такая регулировка аккомпанемента очень нужна для музыки: если требуется слитная масса звучания, левую педаль следует нажать немного, а если идет красивая проникновенная мелодия, аккомпанемент должен лишь слегка поддерживать ее. Иногда в аккомпанементе часто меняется число голосов, и левой педалью приходится компенсировать происходящие при этом изменения громкости аккомпанемента.

Далее в обоих каналах стоят независимые темброблоки, что позволяет устанавливать в каналах различающиеся между собой тембры. Синтезируются тембры простейшим способом - формантным. Форманта - термин, известный из акустики и звукотехники, и объяснять его мы здесь не будем. В мелодическом канале четырьмя кнопками независимо включаются четыре форманты и число тембров равно числу комбинаций из включенных и невключенных формант, то есть 16-ти. Впрочем, многоформантные тембры менее отличаются друг от друга, чем одноформантные. В упрощенном темброблоке аккомпанементного канала только одна форманта, но она двумя кнопками может переключаться на три разные частоты, так что всего возможны четыре разных тембра. Кроме того, в обоих каналах ручками, похожими на регулировки высоких частот в звуковых усилителях, плавно вводится так называемая верхняя певческая форманта, которая придает звуку “металл” и “полетность”, а в слишком большой дозе делает его резким, “зудящим”.

Панель установки тембров в инструменте - небольшая по сравнению с такими же панелями в клавишных ЭМИ (фиг.3). Верхний горизонтальный ряд кнопок - это кнопки четырех формант мелодического канала. Две кнопки одна под другой в середине - это кнопки переключения частот в форманте аккомпанементного канала: верхняя дает самую высокую частоту, нижняя - среднюю, а две вместе - нижнюю частоту. Ручки по обеим сторонам вводят верхнюю певческую форманту: левая - в аккомпанементный канал, правая - в мелодический. Шкалы вокруг ручек проградуированы в условных единицах, чтобы можно было запомнить и записать подобранный по слуху уровень форманты. Далее сигналы обоих каналов складываются в оконечном сумматоре, и их сумма идет на правую педаль общей громкости, а с нее - на линейный выход и усилитель мощности для динамика.

Внешний вид инструмента изображен на фиг.4 в масштабе 1:5. Инструмент состоит из двух разъединяющихся частей - грифовой и подножной. В грифовой части основными конструктивными узлами являются головка 7, игровое поле 2 (см. фиг.1) и электронный отсек 3, а в подножной части - корпус 4, звуковая доска 5, кронштейн 9, 10, 14 и педали - видна только правая педаль 6, а левая - ей симметрична. Грифовая часть вдвигается сверху в салазки 7 кронштейна и закрепляется зажимами 8 на такой высоте, чтобы головка 1 находилась под подбородком сидящего исполнителя. Зажимы стягиваются от руки рифлеными гайками, которые расположены сзади крыльев 9, 10 кронштейна. Электрически обе части инструмента соединяются коротким кабелем с разъемом - на чертеже эти детали скрыты за правым крылом кронштейна.

Механизм игрового поля закрыт сзади и с боков кожухом 11, ребра которого закруглены для удобства игры. Ниже игрового поля расположена тембропанель 12 (см. фиг.3).

Кронштейн подножной части имеет заднюю стойку 14, концы которой вставлены в ушки 15 на корпусе и зажимаются винтами. Для переноски подножной части кронштейн складывается: задняя стойка отделяется от ушек и прижимается снизу к крыльям, а крылья поворотом вокруг шарнира 16 переводятся в горизонтальное положение. В таком виде подножная часть укладывается в специальный рюкзак и переносится на спине. Грифовая часть укладывается в полужесткий футляр и переносится за его ручку.

Доска 5 имеет звуковое отверстие 17, за которым стоит динамик. К педалям привернуты передвижные порожки 18 для упора каблуков. На верхней грани корпуса имеется второе звуковое отверстие 19, через которое выходит звук от задней стороны динамика, и несколько электрических деталей, из которых частично видна сигнальная лампа 20. Максимальная звуковая мощность инструмента равна 5 Вт и рассчитана на комнату средних размеров. Для выступлений в залах к линейному выходу инструмента следует присоединить усилитель с колонками, мощность которых должна хорошо наполнять зал, но не оглушать. При систематических занятиях на инструменте в домашних условиях можно с помощью кнопки 21 включить режим малой громкости, тогда звук не будет слышен в соседних комнатах. Потребляемая мощность инструмента от сети составляет 40-50 Вт. На фиг.4 номером 13 обозначена крышка, под которой находятся ручки настройки секций грифа.

Сущность механизмов грифа

На грифе инструмента имеются три повторяющихся без изменений механизма:

1) контактный механизм под каждой кнопкой, он повторяется 21 раз в каждой тонрейке, а всего на грифе 147 раз;

2) механизм упругих движений тонрейки под действием пальца, нажимающего любую кнопку, таких механизмов семь;

3) контактный узел, который при определенных усилиях на его входном штоке дает на генератор тона сигналы включения звука в аккомпанементный или мелодический канал, таких узлов семь.

Для контактных механизмов одной тонрейки общей несущей деталью является рейка из изолирующего материала (например, гетинакса или текстолита). Вдоль всей длины ее идут две металлические щеки, привернутые к ней с боков несколькими парами потайных винтов. На фиг.5 изображен один контактный механизм. Принадлежащая ему часть рейки обозначена цифрой 22, а части щек - 23 (левой) и 24 (правой). В нижней части чертежа изображены винты для крепления щек, но они не имеют отношения к контактному механизму и находятся не под каждым механизмом, а только под четырьмя. Щеки увеличивают жесткость несущей рейки, а их загибы удерживают на одном уровне все ненажатые кнопки.

Механизм имеет три подвижные детали: кнопку 25 и две проволочные контактные пружинки, одинаково и довольно сложно изогнутые. Средняя часть каждой пружинки 26 согнута в виде двух извилин и нажатием кнопки прижимается к плоской ламели 27, замыкая контакт. Извилины нужны для того, чтобы на каждой пружинке получалось несколько реальных точек контакта и увеличивалась за счет этого его надежность. Боковые участки 28 каждой пружины находятся в продольных прорезях рейки 29 и 30. Первоначально эти участки сделаны прямыми, а при вставлении в прорези они изгибаются по нарисованным кривым и приобретают натяг, за счет которого ненажатая кнопка прижимается изнутри к загибам щек. Концы пружинок пропускаются через узкие поперечные прорези рейки и припаиваются к проводам 31, 32, проложенным по бокам нижней грани рейки. В середине нижней грани проходит цепочка резисторов 33, концы которых пропускаются через центральное отверстие в рейке и ламели и спаиваются между собой и с ламелью в точке 34.

Кнопки ни с чем не соединены жестко и двигаются в своих гнездах свободно, с небольшими зазорами. Боковые движения их ограничиваются щеками, движения вверх - загибами щек, вниз - ламелями, а вдоль грифа - пластмассовыми перегородками 35. Вклеивание перегородок в рейку технологически связывается с изготовлением ламелей: вначале к рейке приклеивается сплошная металлическая полоса, затем делаются прорези для перегородок, при этом полоса перерезается на куски - ламели, а в прорези вклеиваются перегородки. Все кнопки имеют одинаковые размеры и штампуются из пластмассы в одной прессформе, но они должны быть разных цветов - светлого и темного, как фортепианные клавиши или баянные кнопки. В инструменте кнопки имеют не одну, а две степени свободы: при скольжении пальца по кнопкам в штрихе глиссандо, когда палец вступает на очередную кнопку, она становится наклонно и под ней замыкается только один контакт, а второй включается позднее, когда палец подойдет к середине кнопки. Такое устройство облегчает скольжение пальца по кнопкам. Способствуют этому также закругления концов кнопок, но служат эти закругления главным образом для другой цели - если в обычной игре исполнитель поставит палец не на середину кнопки, то он почувствует краем подушечки пальца закругление кнопки и сможет исправить положение пальца при этом или следующем звуке.

Важное значение в инструменте имеет надежность контактов грифа, т.к. при неустойчивой работе контакта хотя бы под одной кнопкой из 147 инструмент фактически теряет работоспособность.

Перечислим здесь меры, предусмотренные в инструменте для повышения надежности контактов.

1. Применение в контактах материалов, не окисляющихся в нормальных условиях. Для ламелей предлагается применять хромированную бронзу или латунь, а в качестве контактной проволоки использовать голый провод высокого сопротивления, например нихромовый. Он должен иметь еще хорошие упругие свойства, чтобы при изгибах в боковых прорезях рейки он не давал остаточных деформаций. Эти требования не строгие, им может удовлетворять сплав со значительно худшими упругими характеристиками, чем закаленная сталь.

2. Увеличение числа реальных точек контакта за счет изгибов, о которых говорилось выше, а также параллельной работы двух контактов на концах кнопки.

3. На разомкнутые контакты подается из генератора тона напряжение от 105 до 120 В, а сопротивление цепочки резисторов таково, что ток через замкнутые контакты меняется в пределах от 0,1 до 0,4 мА. Повышенное напряжение легче пробивает поверхностный слой металлов, а малые токи не вызывают их обгорания.

4. Тонрейку с плохо работающим контактом легко заменить на запасную, для чего достаточно отвернуть в грифе два винта.

5. В снятой дефектной тонрейке можно промыть контакты спиртом. Для этого нужно снять одну из щек, вывернув узкой отверткой шесть ее потайных винтов, вынуть пинцетом кнопки и промыть спиртом ламели и изгибы контактной проволоки.

Надо еще написать о силе противодействия нажиму кнопок со стороны четырех упругих участков двух пружинок. Она почти постоянна, т.к. ход кнопки в один миллиметр много меньше предварительного натяга. Очень желательно, чтобы эта сила была малой, порядка 5-10 г. В первых ЭМИ, которые делались до Второй мировой войны и в первые годы после нее, существовала так называемая “проблема мягкой атаки” - звуки начинались и оканчивались щелчками вследствие переходных процессов в генераторах тона. Убирались эти щелчки инерционными электронными ключами, а после отпускания клавиши приходилось искусственно продлевать звучание генератора, чтобы ключ мог плавно заглушить его. В предлагаемом генераторе переходных процессов нет - колебания начинаются от нуля, а кончиться могут в любой точке и после этого плавно и сравнительно медленно возвращаются к нулю. Но пуск и остановка генератора - процессы не периодические и имеют непрерывный частотный спектр, который математически определяется интегралом Фурье. Звуки отдельно взятого рассматриваемого генератора включаются и выключаются без щелчков, но более внезапно, чем хотелось бы с музыкальной точки зрения, а в высоком регистре все-таки слышны небольшие щелчки, как на пианино слышны в этом регистре удары молоточков по струнам. Поэтому в данной схеме генератора инерционные ключи на его выходе в обоих каналах все же поставлены. А требуемые задержки выключения генератора достигаются за счет разницы пороговых сил нажатия: при 50 г начинает работать на выключение инерционный ключ, а при 5-10 г выключается генератор. Разница во времени получается вследствие постепенности выполнения пальцем команды от мозга на снятие пальца с кнопки. В результате описанных мер и правильного выбора постоянной времени в ключах начало и окончание звуков в инструменте стали вполне музыкальными.

Размеры игрового поля, максимально приближенные к удобству игры, жестко устанавливают размеры контактного механизма, в том числе длину и начальный изгиб боковых участков в пружинках. Поэтому осуществить желательную силу прижима кнопок к загибам щек в 5-10 г можно лишь выбором толщины проволоки и, может быть, ее материала. Это можно сделать предварительно с помощью формул из сопротивления материалов для балки, закрепленной на одном конце. Интересно, что по тем же формулам рассчитываются спиральные волоски в часах и стрелочных приборах. Ожидаемая толщина проволоки, видимо, получается около 0,15-0,2 мм.

На фиг.6 изображен в боковой проекции механизм подвески тонрейки. Главные детали в нем - плоские пружины из закаленной стали, толщиной 0,1-0,2 мм. Всего в механизме 4 таких пружины, они одинаковы по размерам, а форма их показана на фиг.7. Крепятся они к другим деталям винтами М2, для которых с двух сторон пружины имеются по два отверстия. В креплении участвуют накладки, также показанные на фиг.7, некоторые из них имеют в отверстиях резьбу М2. Размеры свободной части пружины 22× 10 мм.

Под действием пальца, нажимающего любую кнопку, тонрейка может качаться вдоль грифа на пружинах 37 и 38, перпендикулярных плоскости игрового поля. При этом середины обеих пружин поворачиваются, а зажатые концы остаются параллельными друг другу. Тонрейка перемещается поступательно, без поворотов. Ограничивают ее перемещения, предохраняя пружины от поломок, Г-образные жесткие полосы 39 и 40, соединенные внизу швеллером 36, который показан на фиг.5 в сечении, а на фиг.6 - в боковой проекции. Он проходит под тонрейкой по всей ее длине, и в его углубление частично заходит цепочка резисторов тонрейки.

К тонрейке прикреплена шторка 41. В собранном грифе концы всех семи шторок входят в отсеки блока вибродатчиков и перекрывают там пучки света. Каждую шторку нужно отрегулировать так, чтобы в готовом к игре инструменте она закрывала ровно половину светового пучка. В каждом отсеке колебания шторки преобразуются в электрический сигнал, который идет в генератор тона.

Рама из деталей 39, 40, 36, в которой тонрейка перемещается продольно, в свою очередь подвешена на наклонных пружинах 42 и 43, расположенных параллельно друг другу под углом к тонрейке и швеллеру 36. Пружины вставлены на концах рамы в специально приспособленные для этого детали 44 и 45, а противоположные концы пружин присоединены через детали 46 и 47 к неподвижному каркасу грифа.

Здесь получаются такие же закономерности движения рамы 39, 40, 36, а именно: движение рамы поступательно, направлено перпендикулярно пружинам и не зависит от координаты приложения силы пальца, т.е. от кнопки. Если угол сделать небольшим, то смещение рамы от нажатия пальцем будет направлено почти точно вглубь грифа, и это смещение можно использовать для включения контактов аккомпанементного или мелодического канала. Чтобы выявить особенности работы механизма, представим его в виде задачи по теоретической механике (фиг.8).

Здесь узким прямоугольником обозначена рама, в середине ее находится начало координат О, по оси абсцисс откладываются относительные координаты К точки приложения силы F от пальца, а концы прямоугольника имеют относительные координаты +1 и -1. Известен также угол наклона пружин , а определить надо три силы, чтобы рама находилась в равновесии: F₂ - реакция контактного узла, F₂ - растяжение правой пружины, F₃ - растяжение левой пружины. Задача решается обычным путем составления и решения системы трех уравнений: проекций сил на горизонталь, на вертикаль и моментов сил относительно точки О. В результате решения получаются формулы

F ₁=Fcos ;

Все три силы пропорциональны F. Сила F₁ не зависит от координаты пальца К, что очень ценно, т.к. если в контактном узле установить какие-то пороги силы F₁ для включения аккомпанементного и мелодического каналов, то эти пороги перейдут в силу F с коэффициентом cos и будут одинаковы по всем кнопкам грифа.

Силы F₂ и F₃ зависят от К и во многих случаях получаются отрицательными. Это значит, что пружины не растягиваются, а сжимаются, и при этом они могут выгнуться вбок и сломаться. В сопромате это явление называется продольным изгибом. При уменьшении угла , судя по формулам, F₂ и F₃ стремятся к бесконечности. Поэтому нельзя сильно уменьшать угол . В данной конструкции он принят в 30° , поэтому sin =0,5 и cos =0,866. Можно составить для такого маленькую табличку отношений F₂/F и F₃/F для разных значений К:

К	-1	-0,5	0	+0,5	+1
F2/F	-1,5	-1	-0,5	0	+0,5
F 3/F	-2	-1,5	-1	-0,5	0

Обе пружины меньше всего нагружаются на кнопках с высокими звуками, поскольку на той же стороне грифа находится контактный узел, и образуется сила F₁. С приближением к головке грифа нагрузки на пружины возрастают, и наибольшая нагрузка приходится на левую пружину при нажатии левой кнопки. Нижний предел силы нажатия для включения мелодического канала равен 300 г, при этом левая пружина будет сжиматься с силой в 600 г. Это еще не много, но начинающий исполнитель, особенно привыкший к гитарному грифу, где требуется сила прижатия струн к порожкам ладов в несколько килограммов, вполне может поломать пружину. Для предотвращения этого предлагается поставить регулируемый упор 48 (фиг.6) на левом краю рамы. Отрегулировать его надо так, чтобы он начинал касаться рамы при нагрузке на первую кнопку немного больше 300 г, когда уже надежно включился мелодический канал. При добавлении третьей опоры плоская рама становится статически неопределимой, и распределение сил между опорами зависит от упругости рамы. Но интуитивно ясно, что добавочная опора берет на себя нагрузку тем больше, чем ближе кнопка к головке грифа и больше давление пальца не нее. Нагрузка на пружины в результате этого снижается, и поломка их исключается.

Контактный узел (фиг.9) состоит из контактной сборки наподобие применяемых в электромагнитных реле и силовой оси, на которой взаимодействуют силы, приводящие к переключению контактов. В сборку входят три мягкие контактные пластины 50, 51, 53 и одна жесткая (негнущаяся) 52. Пластины 51 и 53 соединены непроводящей скобой 54 и движутся вместе.

На силовой оси находятся 2 винтовые пружины, работающие на сжатие: более мягкая 55 и более жесткая 56. Пружины надеты на направляющие стержни 57, 58 с подвижными шайбами 59, 60, которыми устанавливается натяг пружин. Контактная сборка соединена с силовой осью коленчатыми пластинами 61 и 62, причем стержень 58 жестко заделан в пластину 62, а стержень 57 свободно ходит в отверстиях пластины 61, но упирается в шайбу 63, сквозь которую проходит его суженный конец 64. Весь контактный узел расположен так, что силовая ось перпендикулярна пружине 43 на фиг.6, а конец суженной части 64 упирается снизу в точку крепления 49 пружины 43.

Стержень 57 начинает двигаться вниз тогда, когда сила F ₁, приложенная к его концу, превысит натяг пружины 55. Следовательно, этот натяг надо отрегулировать шайбой 59 так, чтобы движение стержня 57 началось при давлении на кнопку 50 г. В конце хода стержня замкнется верхний контакт сборки, и в генераторе тона будет включен аккомпанементный канал.

Теперь F₁ за вычетом силы от пружины 55 пройдет через замкнутый верхний контакт, скобку 54 и будет противодействовать натягу пружины 56. Если эта сила превзойдет натяг, то стержень 57 вновь сдвинется, пружина 56 начнет сжиматься вместе с пружиной 55, а нижний контакт разомкнется, что вызовет переход звука в мелодический канал. Движение прекратится, когда верхний загиб скобки 54 упрется в жесткую пластину 52. Натяг пружины 56 надо выбрать так, чтобы описанное движение происходило при нажатии кнопки с силой 300 г.

Необходимо сделать еще два замечания. Когда нужно после паузы включить звук в мелодический канал, палец нацеливается на сильный нажим, чтобы сразу привести механизм к упору скобки 54 в пластину 52. При этом замыкание верхнего контакта и размыкание нижнего происходит практически одновременно. Такая особенность механизма и запаздывание электронных ключей обеспечивают отсутствие прорывов аккомпанементного канала в моменты включения и выключения мелодического.

Опыт игры на макетах показал, что для удобства пальцев в условиях работы по двум каналам важно, чтобы в каждом канале палец чувствовал в конце хода кнопки жесткую опору. В аккомпанементом канале при слабых усилиях пальцев встреча с опорой совпадает с включением звука. В процессе игры другими пальцами давление пальца, держащего продолжительную ноту, может временами получаться в несколько раз больше порога 50 г, но оно не должно подходить к другому порогу в 300 г. Это обеспечивается соответствующей тренировкой рук в процессе обучения. Чтобы облегчить обучение, принята большая разница между порогами - в 6 раз.

В мелодическом канале пальцы должны решительно и незаметно проскакивать первую опору и упираться во вторую. Верхнего предела силы нажатия в этом канале нет, но выучка здесь должна состоять в том, чтобы не сильно превышать второй порог, иначе излишнее давление будет утомлять пальцы.

Предлагаемая конструкция контактного узла обеспечивает существование двух жестких опор, потому что ход пружин гораздо меньше их предварительного натяга, который по существу и создает пороговые уровни и жесткие опоры.

Предполагается, что усилия по сгибу контактных пластин 50, 51, 53 малы по сравнению с пороговыми уровнями.

Теория осуществления темперированного строя в инструменте

Наиболее точная часть схемы генератора тона вырабатывает звуковые колебания различных частот, требующихся для каждой кнопки в тонрейке, присоединенной к генератору. Работу этой части схемы целесообразно сначала объяснить теоретически, без обращения к самой схеме.

В музыке давно принят так называемый темперированный строй, в котором октава делится на 12 равных частей - полутонов. В октаве отношение частот равно двум, следовательно, в полутоне отношение частот

В тонрейке отношение частоты на любой n-ой кнопке к частоте на 1-ой кнопке поэтому должно быть

Для последней 21-ой кнопки

В генераторе первичные колебания получаются в виде пилообразного напряжения (далее - пилы). Прямой ход пилы более длительный, и за счет его изменений образуется требуемый диапазон частоты в 3 с лишним раза (3). Обратный ход короткий и меняется незначительно.

Для получения пилы используется интегратор в виде операционного усилителя (ОУ) с емкостью в обратной связи. На его вход непрерывно поступает ток от цепочки резисторов в тонрейке, который образует прямые ходы пилы, а для получения обратных ходов к нему периодически добавляется в несколько раз больший ток обратного знака. Следует подчеркнуть, что в цепи грифового тока нет никаких ключей, которые могли бы внести нелинейность и исказить ток, а величина обратного тока хорошо застабилизирована.

Работу генератора можно описать формулой

где - период пилы; q - изменение заряда конденсатора в обратной связи ОУ в течение хода пилы в одну сторону; i - ток грифа; i₀ - обратный ток.

В формуле (4) два члена правой части представляют собой длительности прямого и обратного хода. Для анализа такого способа генерирования пилы и выбора параметров схемы удобнее выразить формулу (4) через три обобщенных параметра:

где f - частота пилы; I - отношение токов; f₀ - частота, при которой i только вдвое меньше i₀, отчего скважность пилы равна половине, а период из (4)

Чтобы в формуле (4) заменить четыре ее величины на (5), представим ее в виде

и заменим последовательно из (5)

В результате получим

Формула получилась проще, чем (4) или (7). За счет перехода к относительным единицам в ней фактически остались только две величины: отношение частот и отношение токов. Найдем из (9) I, как из квадратного уравнения

Чтобы подкоренное выражение было положительным, надо выбрать константу f₀ выше самой высокой из рабочих частот генератора (3) f₂₁. Заметим, что скважность колебаний, если ее определить как отношение длительности обратного хода пилы к ее периоду, равна относительному току I. В этом можно убедиться, если из формулы (4) составить отношение ее последнего члена ко всей правой части и упростить полученное выражение. Из сказанного следует, что когда f подходит к f₀, а скважность соответственно к половине, колебания срываются.

Если же частоту f уменьшать, то грифовый ток и скважность будут вместе с ней стремиться к нулю, но абсолютная длительность обратного хода будет приближаться к ненулевой величине ₀. Ее можно найти из (4), если в последнем члене пренебречь током i по сравнению с i₀, a затем подставить в выражение для q из (5)

Следовательно, ₀ зависит только от выбора f₀. Величину ₀ надо иметь в виду при выборе параметров схемы, так как с ее уменьшением возрастает ток i₀, требуемый для изменения выходного напряжения интегратора на весь размах пилы, и скорость изменения этого напряжения. Увеличение тока может потребовать усложнения схемы, а указанная скорость имеет пределы, которые приводятся в справочниках для каждого типа ОУ.

Если на первой кнопке задана конкретная наименьшая частота, то для нее важен не сам ток i₀, а отношение грифового тока к нему. Можно эти два тока уменьшить пропорционально, однако при малых i увеличиваются погрешности интегрирования на долгом прямом ходе, что может привести к искажению высоты звука. Такие существуют пределы для выбора константы f₀ снизу и сверху.

Однако оказалось, что эти ограничения практически не затрудняют выбор.

Итак, примем такую частоту f₀ , что отношение к ней самой высокой из рабочих частот f _h равно

Тогда отношение к f₀ самой низкой из рабочих частот f₁ согласно (3) будет

По формуле (10) найдем соответствующие I

Если эти величины рассматривать, как скважности, то на высшей частоте скважность достаточно далека от предельной 0,5. Если же их рассматривать, как отношения токов i_h, i₁, i₀, то, задаваясь одним током, можно найти два других.

В разделе о механизмах говорилось, что для повышения надежности контактов грифовая цепочка резисторов питается от высокого напряжения 105-120 В. Это также несколько увеличивает точность интегрирования, так как входное напряжение увеличивается по сравнению с напряжением смещения ОУ. Примем для расчета среднее напряжение 112,5 В и положим, что максимальное сопротивление грифовой цепочки равно 1 МОм. Тогда ток i_l равен 0,1125 мА, а два других тока

Операционный усилитель был взят типа 153УД6. У него входной ток 75 нА, а наименьший интегрируемый ток i_l равен 112,5 мкА. Разница в 1500 раз. Погрешности интегрирования незаметны.

Обратный ток 1,665 мА небольшой.

Наибольшая скорость изменения выходного напряжения интегратора получается в наиболее высокой секции Е. В ней частота самого высокого звука до 4-ой октавы 2093 Гц, а f_о будет 2616 Гц. По формуле (11) асимптотическая длительность обратного хода 95 мкс. За это время напряжение должно пройти двойную амплитуду пилы, то есть 16 В.

Скорость получается 0,17 , а у усилителя 153УД6 допускаемая скорость 0,5 .

Подбор резисторов для грифовых цепочек ведется по специально вычисленным таблицам. Первая из таких таблиц - это номинальные или точные сопротивления резисторов. Вычисляются они так. Сначала вычисляются относительные частоты по формуле (2) при n от 1 до 21, причем первая частота f₁ принимается за единицу. Затем по формуле (10) вычисляются относительные токи I_n . Частота f₀ также берется относительной, исходя из того, что f₂₁ в 3,175 раза больше f_l, принятой за единицу, а f₀ связана с f₂₁ формулой (12); в результате получается f₀=3,969. Далее сопротивления цепочки R_n при нажатии n-ой кнопки вычисляются исходя из того, что сопротивления грифа на первой кнопке равно 1 МОм, а напряжение высоковольтного источника 112,5 В, поэтому ток i _l=0,1125 мА, а обратный ток i₀, общий для всех кнопок, определен в (15). Формула для расчета R_n получается такая

Сопротивления, стоящие в грифовых цепочках, равны разностям соседних значений R_n, кроме последнего R₂₁ , которое включается при нажатии последней кнопки. Полные сопротивления, в том числе последнее, должны иметь точность в 0,1-0,2%. Разностные сопротивления могут иметь относительные погрешности больше, так как они меньше влияют на относительную погрешность суммы. Здесь работает теория вероятностей. Автор в своих макетах подобрал разностные сопротивления с погрешностями ±1% и получил удовлетворительную, а иногда и хорошую точность строя. Тонрейки с плохим строем можно отбраковывать и исправлять по определенным правилам. Это относится к области “ноу-хау” для инструмента. А последний резистор выполняется с переменной добавкой для подстройки.

Все рассчитанные до сих пор токи и сопротивления грифа предполагаются одинаковыми для всех его секций. Соотношения высот секций, образующих строй инструмента, достигаются исключительно за счет емкостей конденсаторов в обратных связях ОУ. Изменение заряда на конденсаторе q равно с одной стороны произведению зарядного тока на время его действия, с другой стороны произведению емкости конденсатора на изменение напряжения на нем. Напишем эти соотношения для времени рабочего хода пилы на частоте первой кнопки секции:

Здесь

i_l - ток грифа при наименьшей частоте на первой кнопке, был также задан равным 0,1125 мА;

f _l - частота каждой секции на первой кнопке в герцах;

I_l -скважность пилы на первой кнопке, выше она была определена равной 0,0676;

U_m - амплитуда пилы на выходе ОУ, принята равной 8 В;

С - искомая емкость, она при коэффициенте 10⁶ выражается в нанофарадах.

Для секции А в формулу (18) надо подставить в качестве f_l стандартную частоту ноты ля первой октавы 440 Гц. В более низких секциях емкости получаются последовательным умножением на отношение частот:

а для секции Е - делением на этот же коэффициент. Емкости С во всех секциях получаются такие:

E	A	D	G	C	F	B
9,945	14,90	22,32	33,45	50,12	75,09	112,51

Сущность схемы генератора тона

Принципиальная схема генератора тона представлена на фиг.10. В ней питание грифовой цепочки резисторов (тонрейки грифа) происходит через высоковольтный транзистор Т1, например КТ6О5БМ. На базу его подается через резистор R1 подстроенное напряжение от потенциометра, присоединенного своими концами к источникам питания +105 и +120 В. Семь таких потенциометров объединены в блочок подстройки инструмента. От среднего уровня 112,5 В напряжение подстройки может меняться на ±6,7%, что по высоте звука чуть больше плюс-минус полутона. Такое устройство позволяет перед игрой точно настроить инструмент по камертону или другому инструменту, с которым предполагается играть в ансамбле.

Непосредственно на базу Т1 поступают вибрационные колебания от вибродатчика, в котором они проходят через конденсатор, чтобы постоянная часть напряжения вибродатчика не искажала высоту звука.

На коллектор T1 поступает еще более высокое напряжение +170 В от второго сглаживающего электролитического конденсатора после выпрямительного моста. Это напряжение нестабилизированное и с заметными сетевыми пульсациями, но известно, что ток транзистора слабо зависит от коллекторного напряжения, особенно в режиме повторителя. Другие два высоких напряжения стабилизированы газовым стабиловольтом на 105 В и добавочным стабилитроном на 15 В.

Ток высоковольтного выпрямителя небольшой 25-30 мА. Сопротивление R0в коллекторной цепи Т1 рассчитано так, чтобы при замыкании на нейтраль эмиттерного напряжения не выходили из строя детали схем. Под этим напряжением в тонрейке находится множество контактных пружинок, и к замыканию могла бы привести случайная деформация одной из них.

В обратной связи ОУ на схеме изображены два конденсатора - основной С1 и подгоночный С2, который при наладке инструмента подпаивается на краю печатной платы, чтобы симметрировать отклонения высоты звука на краях подстроенного потенциометра от стандартной. Еще в обратной связи стоит большое сопротивление R37 (3 МОм), чтобы при отсутствии входных токов дрейф усилителя не приводил к подходу его выходного напряжения к границам диапазона. Это сопротивление слегка увеличивает скорость выходного напряжения к нулю и уменьшает скорость от нуля, но при симметричных амплитудах пилы ±8 В погрешности времени хода ее компенсируются.

На плюсовой вход усилителя с помощью резисторов R4 и R5 задается постоянное смещение +0,5 В. Минусовой вход также находится под этим потенциалом и относительно него происходит интегрирование. Диоды D1 и D2, присоединенные к минусовому входу, во время прямого хода пилы оба закрыты, так как напряжение на правом конце D1 равно +1 В. Поскольку закрывающие напряжения малы, обратные токи тоже очень малы и близки друг к другу, поэтому ответвления тока на вход усилителя практически не происходит. Смещение нуля мало по сравнению с высоким напряжением питания цепочек и может быть скомпенсировано подстройкой. Во время обратного хода диод D1 открывается током обратного хода, а D2 остается закрытым. Еще оба диода защищают минусовой вход от появления на нем больших напряжений, если выходное напряжение из-за какой-то неисправности вышло на границу шкалы.

Изменение направления хода пилы производится триггером, собранным на транзисторах Т3 и Т4. Триггер представляет собой двухкаскадный усилитель со входом на базе Т3 и выходом на коллекторе Т4, охваченный положительной обратной связью через делитель R10 и R11: на верхний конец делителя поступает через повторитель Т2 входное напряжение триггера, а на нижний конец - напряжение обратной связи с выхода усилителя. В усилителе используются триоды с большим коэффициентом усиления по току (более 80), поэтому вблизи определенного напряжения на базе Т3 (при отключенной обратной связи) выходное напряжение быстро переходит от одной своей границы до другой. Уровень такого входного напряжения зависит от величины опорного напряжения Е, подаваемого через R12 на эмиттер Т3. Опорное напряжение Е оказалось возможным сделать общим для всех семи генераторов, и оно подается со специального ОУ, установленного на плате сумматоров и фазовращателей. Напряжение Е примерно равно 5 В и может в небольших пределах перестраиваться. Обратная связь вызывает на характеристике триггера по входу на базе Т2 гистерезис, зависящий от выбора сопротивлений R10 и R11.

Период колебаний пилы пропорционально зависит от уровней переключения ее хода, т.е. от верхней и нижней амплитуды. Поэтому если мы хотим получить стабильность частоты пилы, удовлетворяющую высоким музыкальным требованиям, то в первую очередь должны позаботиться о стабилизации уровней переброски триггера при наличии гистерезиса. Эти уровни зависят от напряжения Е и выходных напряжений триггера в двух его позициях. Во время прямого хода пилы оба транзистора в триггере закрыты, и выходное напряжение фиксируется диодом D5 близ нейтрали. Во время обратного хода, когда транзисторы открыты, они оба оказываются в ненасыщенном режиме, когда ток базы резко увеличивается, а сопротивление эмиттер-коллектор падает, так что между ними оказывается всего лишь 0,1-0,2 В. Поэтому выходное напряжение почти не отличается от стабилизированного напряжения питания -12,5 В. Гистерезис в схеме триггера принят равным 2 В, а перепад напряжений обратной связи примерно в 6 раз больше, во столько же раз ослабляется влияние нестабильности напряжений обратной связи на погрешности напряжений срабатывания триггера.

По выходу операционного усилителя гистерезис надо делать шириной в 16 В, так как для достаточно полного использования выходной шкалы ОУ амплитуды пилы приняты ±8 В. Для расширения гистерезиса в 8 раз между усилителем и триггером вставлен блок, который условно называется делителем напряжений и состоит из диодов D3, D4 и резисторов R6, R7, R8, R9, причем R7 это переменный резистор, а R8 и R9 подгоняются под требуемые сопротивления с помощью параллельных добавок. Верхний конец делителя R6 совершенно необходимо оказалось присоединить к напряжению +105 В, чтобы при открывании каждого диода напряжение с него поступало на вход Т2 примерно с одинаковым коэффициентом передачи.

Когда выходное напряжение ОУ находится между напряжениями +7 и -7 В, оба диода закрыты. В этом режиме напряжение делителя в точке между R8 и R9 должно равняться -7 В, в точке между R6 и R7 +7 В, а на входе в Т2 должно быть среднее между напряжениями переброски триггера, отстоящее от каждого из них на 1 В. В прямом ходе пилы напряжение на ОУ идет вниз, когда оно доходит до -7 В, открывается диод D4 и напряжение на базе Т2 также начинает идти вниз. Когда на ОУ напряжение доходит до -8 В, открывается триод Т3 и триггер перебрасывается в положение, когда оба триода открыты. При этом напряжение на базе Т3 снижается скачком на 2 В, а через диод D1 на вход ОУ начинает идти обратный ток и напряжение ОУ быстро увеличивается. Через короткое время диод D4 закроется, а базовое напряжение Т3 повысится за это время на 1 В. С этого момента рост напряжения на ОУ будет продолжаться при закрытых диодах, а рост напряжения на базе Т3 прекратится до момента, когда напряжение ОУ дойдет до +7 В и откроется диод D3. Дальнейший ход напряжения ОУ вызовет продолжение хода базового напряжения к уровню запирания Т3. Когда на ОУ напряжение дойдет до +8 В, триггер сработает в сторону исчезновения его токов, обратный ток на входе ОУ выключится, базовое напряжение Т3 подскочит на 2 В и начнется вновь прямой ход пилы. Таков порядок генерирования пилы без подробностей, необходимых для наладки схемы, в частности, для выбора шунтов в сопротивлениях R9 и R8, установки сопротивления R7 и напряжения Е.

В этой схеме абсолютные погрешности напряжений переброски триггера остаются прежними, а относительные, по отношению к размаху пилы, уменьшаются в 8 раз. Постоянные погрешности амплитуд пилы компенсируются здесь при наладке, а случайные могут возникнуть только из-за недостаточно хорошего качества стабилизации питающих напряжений. Влияние их на строй инструмента практически не было замечено.

Остается рассмотреть последнее звено в контуре генерирования пилы - схему формирования и подачи тока обратного хода i₀. Чтобы при повороте потенциометра подстройки не нарушался строй секции, частоты на всех кнопках должны меняться пропорционально. Так происходит только если частота f₀ также меняется пропорционально всем другим и сохраняется принятое нами отношение 0,8 (12). Но тогда по формуле (10) величина J остается во время подстройки постоянной, а ток i₀ согласно (8) должен быть не постоянным, как говорилось раньше, а меняться пропорционально току на любой кнопке грифа. Для этого следует сделать его пропорциональным тому же напряжению подстройки, от которого питается цепочка резисторов грифа. В схеме на фиг.10 это делает транзистор Т5, охваченный обратной связью наподобие ОУ в режиме масштабного усилителя: на входе резистор R16 с переменной добавкой R17, в обратной связи R18. Поскольку эмиттер Т5 присоединен к нейтрали, нулевая точка масштабного усилителя получается на уровне отпирания транзистора, то есть около -0,7 В, и это напряжение проходит на выход как постоянная составляющая, которую надо скомпенсировать. R19 - это коллекторное сопротивление усилителя, присоединенное к источнику -12,5 В. Транзистором, непосредственно образующим обратный ток, является Т6. Из связанной с ним схемы выделим сначала делитель напряжения R22, R5, R4, на котором напряжения сохраняются почти одними и теми же в режимах прямого и обратного хода. Этот делитель ввиду его низковольтности и нестрогих требований к точности оказалось удобным присоединить к источнику Е (внешнему ОУ на плате сумматоров), а чтобы семь генераторов не перегружали его, поставлен еще резистор R24, переводящий основную часть тока делителя в источник + 12,5 В. Как уже говорилось раньше, в делителе между R4 и R5 откладывается напряжение +0,5 В, а между R5 и R22 - +1 В.

Во время прямого хода пилы коллектор Т4 имеет малое положительное напряжение, ограничиваемое диодом D5, а коллектор Т5 находится под напряжением между нулем и -12,5 В, повторяющим в уменьшенном масштабе и с обратным знаком высокое напряжение подстройки. Поэтому диод D6 закрыт. Триод Т6 тоже должен быть закрытым, тогда на диод D1 поступает упомянутое раньше запирающее напряжение +1 В от резистора R21. Но положительное напряжение от диода D5 недостаточно для надежного запирания, поэтому на базу Т6 поставлено еще большое сопротивление R39, присоединенное к источнику +12,5 В.

Во время обратного хода пилы транзистор Т4 открыт и, как уже говорилось, находится в ненасыщенном режиме, и потенциал его коллектора близок к -12,5 В. Напряжение на базе Т6 привязано к напряжению на коллекторе Т5 током через резистор RI5. Триод Т6 работает как повторитель напряжения на его базе, а эмиттерный ток его, определяемый сопротивлением R20, как раз и является обратным током пилы, так как далее он идет через диод D1 на минусовой вход ОУ, находящийся под потенциалом +0,5 В. Часть эмиттерного тока ответвляется в резистор R21, но это очень малая часть, так как сопротивление R21 довольно велико, а напряжение на нем откладывается только 0,5 В.

Оказывается, что постоянная составляющая -0,7 В в транзисторе Т5 компенсируется такой же составляющей в Т6, так как в последнем потенциал эмиттера на 0,7 В выше потенциала базы. Остаются нескомпенсированными падение напряжения на диоде D6 и реальные разбросы двух смещений по 0,7 В. Для окончательной компенсации к базе Т5 присоединено большое сопротивление R38, которое для компенсации надо подобрать по величине и присоединить свободным концом либо к +12,5 В, либо к -12,5 В.

Сейчас, после объяснения работы всех частей схемы, участвующих в генерации пилы, уместно сказать, что в блоке питания инструмента низковольтные стабилизаторы напряжений ±12,5 В привязаны к напряжению +105 В как к эталону. Можно доказать, что при пропорциональном изменении всех напряжений питания устраняются причины расстройки инструмента от изменений каждого питающего напряжения в отдельности. Например, если увеличиваются высокие напряжения и возрастает поэтому скорость интегрирования в ОУ, то в той же пропорции увеличиваются контролируемые делителем амплитуды пилы, а частота ее не изменяется.

При прослушивании звуков любой секции открылось загадочное и недопустимое явление: если прослушивать все кнопки подряд, то тембр, вначале нормальный по яркости, затем начинает тускнеть и примерно на расстоянии октавы от начала становится совсем тусклым, а потом немного исправляется, но не до конца. Компьютерные вычисления амплитуд гармоник в рядах Фурье при различных скважностях пилы показали, что в ее гармоническом спектре действительно есть “ямы” с очень малыми амплитудами гармоник. Конкретный анализ показал следующее.

В справочниках даются разложения в ряд Фурье пилы с половинной скважностью

и с нулевой скважностью, то есть при бесконечно быстром обратном ходе

а при промежуточных скважностях не даются - видно они очень сложные. В (20) содержатся только нечетные гармоники, и те быстро уменьшаются. В (21) имеются все гармоники, и амплитуды их убавляются медленно - в знаменателе только натуральные числа. Как от первого разложения плавно перейти ко второму? Казалось бы, между нечетными гармониками должны вырасти четные, а огибающая всех гармоник должна принять новую, слабо убывающую форму. На самом деле переход осуществляется не так. Если нарисовать извилистую линию, проходящую через все ненулевые значения нечетных гармоник и нулевые - четных, то с уменьшением скважности от половинной эта линия растягивается по горизонтали, так что в каждый ее изгиб входят все больше гармоник, в том числе и в изгибы около нуля. С приближением скважности к нулю изгибы один за другим уходят в бесконечность, и при нулевой скважности остается только пологая часть перед первым изгибом.

Выход из этой трудности нашелся такой, чтобы заменить наклонный обратный ход пилы сочетанием постоянного участка и триггерного скачка. Скачок является главным условием появления всех гармоник и медленного уменьшения их амплитуд, а форма участка возвращения к началу скачка не так важна, будет ли это наклонная прямая, или сочетание ее с коротким постоянным участком, или какая-нибудь плавная кривая. Между прочим, форма колебаний звукового давления на выходе голосовых связок человека также представляет собой скачок и плавное возвращение к его началу. Обилие гармоник в такой форме колебаний дает возможность в полости рта и соседних с ней полостях синтезировать формантным способом гласные звуки, являющиеся основой речи и пения. В инструменте по той же причине возможна серьезная работа электронщиков по улучшению тембров на каждой формантной кнопке и в их соединениях.

Схема в генераторе тона для указанной деформации пилы состоит из транзистора Т7, диодов D9, D10 и резисторов R2, R3 и R23. Во время прямого хода пилы триоды ТЗ и Т4 закрыты и на базу Т7 проходит напряжение питания -12,5 В, как и на эмиттер. Поэтому Т7 закрыт и не может помешать спадающему участку пилы проходить через диод D9 на вход ключей, то есть на диоды D7, D8. Когда пила дойдет до -8 В, триоды Т3 и Т4 откроются и на базу Т7 через R3 пойдет такой ток, что Т7 при открытии войдет в ненасыщенный режим, так что на коллекторе его получится почти -12,5 В. Резистор R2 рассчитывается так, чтобы в делителе R25, R23, D10, R2 в точке соединения диодов оказалось -8 В. Тогда диод D9 закроется, как только напряжение пилы на ОУ пойдет вверх, а на ключи будет идти постоянное напряжение. Когда обратный ход кончится, триоды Т3, Т4 и Т7 закроются и напряжение на стыке диодов скачком перейдет с -8 на +8 В, при этом D9 откроется.

При наблюдении на осциллографе результирующего напряжения в точке между D9 и D10 можно иногда обнаружить, что два напряжения -8 В - одно пиковое от пилы, другое постоянное от делителя - не совсем сходятся. В этом ничего плохого нет.

Последняя схема в генераторе тона - это ключи мелодического и аккомпанементного каналов. На вход ключей поступают колебания с большим размахом в 16 В, а управляющие напряжения, которые полностью открывают или закрывают пути сигналов через пропускающие диоды, должна меняться еще больше. Здесь опять кстати пришлось одно из высоких напряжений в составе питания генератора, именно +105 В. Обе ключевые схемы работают между этим напряжением и нейтралью.

Высоким напряжением питаются два делителя - входной R23, R25 и управляющий R34, R35, R36. Входной делитель служит для поднятия среднего уровня колебаний с нулевого на ОУ до требуемого для работы диодов D7 и D8 в ключах. К двум отводам управляющего делителя присоединяются с одной стороны контакты из механизма в секции грифа (фиг.9), с другой - управляющие цепи ключей.

К диодам D7 и D8 в каждом ключе присоединяются две цепи: управляющая и пропускающая, каждая имеет Т-образный вид. В пропускающих цепях средние конденсаторы С5 и С6 имеют малую емкость и служат для отфильтровывания ненужных сверхзвуковых гармоник. Пропускающие конденсаторы С7 и С8 стоят непосредственно на входах суммирующих усилителей мелодического МК и аккомпанементного АК каналов. Эти конденсаторы имеют различные емкости: в басовых секциях они должны хорошо пропускать первые гармоники, чтобы басы были насыщенными, а в высоких секциях первые гармоники можно слегка подфильтровать - тогда ярче становятся тембры, зависящие от высоких гармоник.

В управляющих цепях конденсаторы С3 и С4, наоборот, большие по емкости и практически полностью подавляют приходящие на них колебания, а служат они для создания плавности отпирания и запирания ключей. Степень плавности нужна одинаковая для звуков любой высоты, поэтому конденсаторы здесь одинаковы во всех секциях.

Управляющие цепи по сочетанию управлений в обоих ключах реально могут работать в трех режимах. Первый - при нажатии на кнопку с силой меньше 50 г, в нем контакт АК разомкнут, а МК замкнут, как показано на фиг.10. Генератор работает и дает колебания, но диоды D7 и D8 закрыты и не пропускают их. Диод D8 закрыт нулевым напряжением с нижнего отвода управляющего делителя, так как постоянный уровень на входе ключей достаточно высок для этого, а диод D7 закрыт потому, что на него идет управляющий потенциал с верхнего отвода раза в два больше входного. Второй режим - включение АК при давлении пальца на кнопку от 50 до 300 г. Контакт АК замкнут, на обоих отводах нулевое напряжение, от которого диод D8 по-прежнему закрыт, а диод D7 открыт. Третий режим - включение МК при силе нажатия больше 300 г. Контакт МК разомкнут, управляющие напряжения по-прежнему одинаковы, но теперь они оба высокие, каким было напряжение второго отвода в первом режиме. Поэтому, как нетрудно видеть, открытый и закрытый каналы поменялись местами.

Первый режим проще остальных, потому что оба входных диода в нем закрыты и входной делитель не нагружается токами - переменным в звуковом сигнале и постоянным от разности потенциалов на входном и управляющем делителях. Требуемый постоянный уровень на входном делителе можно определить так, чтобы нижние амплитуды колебаний не открывали диод D8. Установить требуемый потенциал проще всего подбором сопротивления R23. Верхний управляющий потенциал следует установить так, чтобы через диод D7 не проходили верхние амплитуды сигнала и сделать это надо, подбирая сопротивление R35. Оба эти подбора односторонние и не требуют повышенной точности - подобрать надо только номиналы, которые удовлетворяли бы приведенным выше требованиям в поточном производстве. Что же касается R34, то его можно взять равным R35.

Другие два режима характерны тем, что в них нагрузки входного делителя по переменному току значительно больше, чем по постоянному, поэтому верхняя и нижняя амплитуды колебаний подсаживаются больше, чем сдвигается постоянная составляющая. В самом деле, в управляющей цепи нагрузкой для переменного тока является R26 или R27, так как большие конденсаторы его “закорачивают”, а для постоянного - суммы двух плеч Т-образной схемы. В пропускающую цепь постоянный ток вообще не идет, а для переменного концом цепи является вход сумматора, имеющий нулевой потенциал.

Поэтому можно утверждать, что если в первом режиме не происходит прорывов амплитуд сквозь входные диоды D7 и D8, то и в других двух режимах диоды будут открываться и закрываться полностью. Конечно, можно это проверить осциллографом на выходах диодов D7 и D8.

Схемы на плате сумматоров

Плату сумматоров конструктивно предполагается соединить с семью платами генераторов тона в "косую этажерку" с таким расчетом, чтобы на всех восьми платах образовались доступные полосы для размещения регулировочных потенциометров под отвертку, лепестков для подпайки параллельных конденсаторов в обратные связи интегрирующих ОУ, точек присоединения осциллографа или вольтметра. На плате сумматоров имеется единственный регулировочный потенциометр для установки опорного напряжения, наиболее подходящего для всех семи генераторов. Самыми сложными схемами на этой плате являются фазовращатели. Сумматоры имеют стандартные схемы, достаточно подробно показанные на фиг.2, а датчик опорного напряжения - это обычный масштабный ОУ.

Фазовращатель представляет собой линейное звено с передаточной функцией

где U и Е - изображения по Лапласу входной и выходной величин;

К - статический коэффициент;

р - комплексный аргумент в преобразовании Лапласа;

- коэффициент затухания.

Если в (22) вместо р подставить мнимую величину j , где j - мнимая единица, то модуль комплексной дроби представит собой ее амплитудно-частотную характеристику в функции от частоты , а угол - фазовую характеристику. Амплитудная характеристика дроби здесь для всех частот равна 1, а фазовая выражается формулой

Здесь дробь одинаково представляет собой тангенс фазового угла для числителя и знаменателя в (22) с аргументом j как отношение мнимой части трехчлена к действительной. Только минус в числителе (23) в первом случае переходит из числителя (22), а во втором случае возникает по правилу вычитания угла знаменателя из угла числителя. В результате получается удвоенный отрицательный, то есть запаздывающий угол .

На частоте , равной

знаменатель (23) обращается в нуль, а вся дробь, то есть тангенс угла для числителя или знаменателя - в бесконечность. Следовательно, угол равен -90° , а удвоенный угол для всей передаточной функции (22) -180° . Частота ₀ называется собственной частотой фазовращателя. При бесконечном увеличении частоты стремится к -360° .

Если уменьшать коэффициент затухания, то числитель (23) уменьшается по абсолютной величине, что вызывает на частотах ниже ₀ уменьшение угла запаздывания . Но на частоте ₀ запаздывание по-прежнему должно быть 180° , поэтому ясно, что вблизи ₀ возрастает крутизна изменения . Например, на частоте в два раза ниже ₀ при , равном 1, угол получается -106° , а при равном 0,5, составляет 67° . Фазовые кривые симметричны относительно точки с координатами ( ₀ -180° ), поэтому на другой ветви каждой кривой (то есть при , большем ₀) получаются те же углы, если их отсчитывать от уровня -360° .

Сейчас нужно более подробно и конкретно объяснить, для чего требуются фазовращатели в каналах МК и АК. Схемы плавного введения верхней певческой форманты в оба канала представляют собой форсирующие или почти дифференцирующие пассивные RC-контуры. Скачок в выходном напряжении генератора тона они преобразуют в узкий импульс, высота которого на экране осциллографа меняется вместе с хорошо заметным на слух вводом и выводом форманты. При максимальном ее вводе высота импульса превышает размах всей остальной формы колебаний. Это плохо: в многоголосии несколько таких импульсов могут сложиться, и результат выйдет за пределы линейного участка усилителя мощности - как внутреннего для собственного динамика в инструменте, так и внешнего в случае присоединения колонок. Если же уменьшить максимальную амплитуду полного сигнала на выходе, то будет очень неполно использоваться мощность усилителя. Здесь и потребовалось изменить форму звуковых колебаний на более компактную с помощью фазовых преобразований, которые ухо не слышит, а слышимый амплитудный состав гармоник оставить неизменным. Фазовые преобразования вообще сильно влияют на форму колебаний, даже могут изменить ее до неузнаваемости. Поскольку эксперимент показал жесткую связь высоты импульса с интенсивностью форманты, собственная частота фазовращателя ₀ была установлена на середину области частоты, занимаемой формантой. Для верхней певческой форманты это область от 3 до 4,5 кГц. Вблизи частоты ₀ характеристика фазовращателя наиболее крутая, поэтому ожидалось наибольшее влияние ее на импульс. Однако импульс не разрушился, а стал направлен не наружу от области размаха остальной части колебаний, а внутрь ее. Таким образом, задача повышения компактности колебаний была все же решена. Объяснение этого любопытного факта напрашивается такое. Импульс образован высокими гармониками, которые в логарифмическом масштабе частоты очень близки между собой. Поэтому даже на самом крутом участке фазовой характеристики вблизи ₀ их фазовые сдвиги мало отличаются друг от друга и от среднего сдвига -180° . Если все гармоники импульса повернулись на 180° , то и он сам должен повернуться на столько же.

Теперь перейдем к рассмотрению схемы на фиг.11, реализующей передаточную функцию (22). Статический коэффициент К в этой функции можно определить, если в схеме на фиг.11 конденсаторы С1 и С2 принять за разрывы цепи. Тогда входное напряжение Е целиком проходит через резистор R1 на плюсовый вход ОУ. Значит и минусовой вход находился под тем же потенциалом. А через R4 ток не идет. Работают только R5 и R6 по схеме с подачей Е на плюсовой вход, и поэтому

Здесь К может быть только больше единицы, но так и нужно, поскольку улучшение компактности формы колебаний позволяет увеличить коэффициент. На высоких частотах, на которых фаза приближается к -360° , коэффициент можно найти, мысленно закоротив конденсаторы. Тогда плюсовый вход ОУ будет накоротко соединен с источником Е и влияние напряжений на R2 и R3 исключится. Следовательно, высокочастотный коэффициент тоже равен К (25), и это получается автоматически, без специального выбора параметров.

Уже отмечено, что амплитудная характеристика дроби в передаточной функции (22) постоянна и равна единице, поэтому коэффициент К (25) остается неизменным на всех частотах. Но так получается только, если коэффициенты затухания в числителе и знаменателе равны между собой. Но в схеме они определяются различными выражениями, которые надо уравнивать выбором параметров. Обозначим в общем случае коэффициенты затухания в числителе и знаменателе соответственно через ₁ и ₂, а амплитудный коэффициент на частоте ₀ через К₀. Тогда легко вывести формулу

из которой следует, что если будет найден способ выравнивать амплитудную характеристику вблизи частоты ₀, то одновременно будут выровнены и абсолютные значения коэффициентов ₁ и ₂.

Обозначим в схеме

Постоянная времени Т в (22) должна в схеме реализоваться так:

Коэффициенты затухания в числителе ₁ и в знаменателе ₂ как уже говорилось, выражаются через параметры схемы различно. Вот эти выражения:

Здесь и в (26) ₁ считается положительным, учитывая минус в числителе (22).

В схеме фазовращателя две группы элементов: R1, R2, R3, С1, С2 и R4, R5, R6 - развязаны между собой по мощности, так что в каждой группе можно независимо задавать величину одного из элементов. Расчет параметров схемы удобно начинать с формулы (25), в которой по заданному К сразу выбрать два сопротивления R5 и R6. Далее нужно перейти к формуле (29), в которой при заданном ₁ остаются два неизвестных - сопротивление R4 и отношение емкостей. Опыт пробных расчетов показал, что удобно задать R4 равным R5, тогда отношение емкостей может оказаться в пределах нескольких единиц.

Затем выбираются параметры параллельного и последовательного RС-контуров по формулам (24) и (28) с учетом найденного отношения емкостей. Здесь можно задаться одним из сопротивлений или одной из емкостей и остальные величины определятся. Отношение емкостей или сопротивление R4 является в схеме еще одним свободным параметром и не мешает произвести указанный выбор в контурах. Далее по формуле (30) при заданном ₂ определяется и, наконец, по формулам (27) находятся R2 и R3.

Параметр иногда оказывается слишком критичным: малые его изменения приводят к значительным изменениям ₂. Особенно это сказывается при малых значениях ₂, хотя для фазовращателя вряд ли потребуются значения ₁ меньше 0,5. Однако полезно в схеме проводить подбор сопротивления R2 по критерию выпрямления амплитудной характеристики: если К_о на частоте ₀ окажется равным К, то по формуле (26) и ₂ сделается равным более просто устанавливаемой величине ₁.

Надо иметь в виду еще одну особенность схемы фазовращателя: на низких частотах Е с сумматора попадает в почти полном виде через R1 на плюсовый вход ОУ. Но на нем предельно допустимые напряжения меньше ±10 В, и надо дополнительно уменьшать коэффициент усиления сумматора, чтобы звуковой сигнал со всеми его суммами импульсов уложился в требуемые пределы. По этой причине приходится увеличивать коэффициент фазовращателя, который в результате получается, как правило, не меньше четырех.

Сущность схем на плате темброблоков

В темброблоках инструмента для образования формант применяются схемы со следующей передаточной функцией:

Эта функция дает амплитудную характеристику с максимумом на собственной частоте (24), а по обеим сторонам от максимума она спускается в логарифмической шкале с единичным наклоном 6 дБ на октаву. Эффективная ширина области, близкой к максимуму, зависит от коэффициента затухания . В формантной схеме (фиг.12) этот коэффициент может достигать наименьших значений при условии

При этом также упрощается ряд формул, и мы принимаем это условие и обозначаем равные емкости через С.

Коэффициент K в формуле (31) относится к делителю R₁, R₂ в схеме и равен

Постоянные времени Т и Т₁ равны

Коэффициент затухания

Формулы (34) и (35) получены из вывода формулы (31) через параметры схемы. Этот вывод здесь не приводится. Подставив в функцию (31) выражения ее параметров (34) и (35) и заменив в ней р на j , получим максимум амплитудной характеристики

Если в схеме делитель R₁, R₂ заменить на его параллельное сопротивление R₄ (33), то окажется что K_m зависит только от , и нельзя эти параметры менять раздельно. Поэтому к операторной дроби в (31) и был добавлен делитель R₁, R₂ с коэффициентом пропускания К.

Для расчета каждой формантной схемы надо задать параметры ₀, К_m, . Порядок вычисления сопротивлений и емкостей по приведенным выше формулам нетрудно установить. Исходные же параметры приходится выбирать по опыту работы с тембрами, например, на эквалайзере. К этому желательно привлекать музыкантов, лучше всего, кажется, учителей сольного пения. Некоторые ориентиры для такого выбора будут указаны в конце данного раздела.

Как уже говорилось в начале описания, в аккомпанементом канале (АК) имеется только одна форманта, но она может быть либо выключена, либо включаться на три различные собственные частоты двумя кнопками (см. фиг.3), расположенными на вертикальной оси тембропанели.

На фиг.13 изображена формантная схема АК. Она отличается от вышеописанной только тем, что имеет две пары одинаковых конденсаторов С1, С2 и С3, С4. Первая пара, меньшая по емкостям, присоединяется к схеме контактами 5а, 5б, которые находятся на пятой кнопке, то есть на первой после четырех мелодических. Вторая пара конденсаторов, с большей емкостью, включается в схему контактами 6а и 6б, расположенными на шестой кнопке. Когда обе кнопки находятся в нажатом состоянии, в схему включены параллельные соединения С1, С3 и С2, С4 и их емкости суммируются. Чем больше емкости, тем ниже получаются частоты форманты. Если обе кнопки отпущены, схема полностью отключена от входного делителя и на выходе ОУ получается нуль.

На фиг.14 показана схема темброблока в полном виде. Входы четырех мелодических формантных схем МФ1 - МФ4 и основной вход, в который вмонтирована схема верхней певческой форманты, присоединены к фазовращателю мелодического канала, причем основной вход начинается с регулировочного потенциометра R4 этой форманты. Вход одной формантной схемы АФ аккомпанементного канала и его основной вход с такой же регулируемой потенциометром R25 формантой присоединены к выходу левой педали. Формантные схемы, описанные выше, меняют на своем выходе знак сигнала, а верхняя певческая форманта образуется схемой, которая знака сигнала не меняет. Поэтому все формантные сигналы с измененным знаком суммируются на предварительном усилителе ОУ1, а основные входы - на оконечном сумматоре, куда подается также через резистор R8 сумма с предварительного усилителя.

Ранее было сказано, что при ненажатой левой педали звуки в обоих каналах должны иметь одинаковую громкость. Но выяснилось, что каждая форманта несколько увеличивает громкость, а четыре форманты МК, включаемые параллельно, могут увеличить ее значительно. Чтобы этого не происходило, суммирование на ОУ1 производится с общим входным резистором R5. Если включена только одна форманта контактом на выходе ее схемы, то на входе сумматора складываются два сопротивления: общее R5 и ее собственное, стоящее после контакта. Но если включены две или больше формант, то для каждой их них сопротивления от других схем представляются как бы отводами на нейтраль, параллельными R5. Поэтому чем больше включено формант, тем меньше коэффициент при каждой из них. Если бы общее сопротивление R5 было много больше каждого R1-R4, то громкость “псевдосуммы” вовсе не зависела бы от числа формант.

Чтобы увеличить яркость формант, оказалось полезным сопровождать включение каждой форманты ослаблением основного звука. Для этого на конце каждой цепочки резисторов для прохождения основного звука, а именно между резисторами R11 и R12 в МК и между R15 и R16 в АК, устроены отводы на нейтраль через резисторы, включаемые формантными кнопками. В мелодическом канале это резисторы R18, R19, R20, R21, включаемые контактами с индексом "б на каждой формантной кнопке, в аккомпанементном - резисторы R22, R23 с контактами на двух кнопках, включающих конденсаторы в формантной схеме.

Одинаковые схемы в МК и АК для верхней певческой форманты выполнены не в виде резонаторов с довольно широкой частотной областью, а в виде, похожем на регуляторы уровня высоких частот в звуковых усилителях. Регулировочные потенциометры R24 и R25 могут дать уровень высоких частот, выделяемых конденсаторами С7, С2 и С3, С4, либо выше, либо ниже уровня остальных частот, поступающих через резисторные цепочки. В первом случае конденсаторы работают как форсирующие, во втором как отфильтровывающие высокие частоты. Два конденсатора вместо применяемого обычно одного делают амплитудную характеристику более крутой и позволяют точнее настроить схему на частотную область форманты. Регулировка действует также и на более высокие частоты, но они уже слухом не воспринимаются как дополнительная форманта.

Темброблок - единственная схема в инструменте, для которой нельзя задать и выполнить четкие технические условия, так как тембры могут оцениваться только субъективно. Однако стоит привести здесь некоторые ограничительные законы для формантного темброобразования.

1. Исходный звуковой материал для присоединения к нему формант должен содержать в ряду Фурье все номера гармоник, как можно медленнее уменьшающиеся с ростом частоты. Наиболее хорошей формой, как уже говорилось, является скачок и плавный переход к началу следующего скачка.

2. Форманта не влияет на звуки, частоты которых лежат выше ее частотной области. Область частот верхней певческой форманты от 3 до 4,5 кГц, а у самого высокого женского голоса - колоратурного сопрано - предельная частота около 1,3 кГц. Следовательно, эта форманта благополучно придает “металл” и “полетность” любому человеческому голосу. Но форманты, на которых у человека синтезируются гласные звуки в речи и пении, лежат гораздо ниже - во второй и даже первой октаве. Поэтому на высоких сопрановых нотах катастрофически падает разборчивость слов в пении.

3. На тембр форманты наибольшее влияние оказывает ее средняя частота. Увеличение амплитуды форманты делает ее ярче, но не изменяет ее тембровой окраски. Сужение частотной области форманты несколько улучшает тембр, делает его как бы чище, но только в том случае, если в суженную область попадет хотя бы одна гармоника. Но если гармоники имеют небольшие номера и не близко друг к другу расположены, то в звуке на соседней кнопке гармоник в форманте уже может не быть и тогда она перестанет звучать. Иными словами, могут получиться резкие изменения тембра на соседних или близких кнопках. Этого допускать нельзя и ширина формантной области частот должна быть в пределах от половины до целой октавы, что в резонаторных схемах соответствует коэффициенту затухания от 0,5 до 1.

С учетом этих закономерностей автор в своих домашних макетах расположил средние частоты четырех мелодических формант так, чтобы при их одиночном включении получились бы наибольшие различия в их тембрах. Таким способом были выбраны частоты формант 2500, 1300, 770 и 475 Гц. Тембры на нескольких формантах оставлены, какие получились в инструменте. Они получаются, как правило, новыми и на слух нельзя разобрать, из каких формант они состоят. В аккомпанементной формантной схеме были поставлены такие конденсаторы, чтобы получились частоты формант 1300 и 770 Гц, а частота 475 Гц получилась при попарном суммировании емкостей. Первая форманта на 2500 Гц по своей звонкости оказалась неуместной в аккомпанементе.

Автор считает, что для опытных образцов инструмента можно использовать темброблок из его макетов, а в дальнейшем желательно привлечь к синтезированию новых тембров музыкантов, которые возьмутся учиться играть на опытных образцах, и других музыкантов - любителей. Тогда в серийные инструменты можно будет заложить более совершенные темброблоки.

Сущность схем с использованием оптронов

Оптронами автор начал заниматься недавно, уже в XXI веке. В домашних макетах педали делались на логарифмических потенциометрах, а в вибродатчиках тоже применялись потенциометры. Но вместо скольжения в них происходило перекатывание по проводящей подкове хромированного кольца, расположенного под малым углом к ее плоскости. Логарифмические потенциометры быстро истирались, так как педали во время игры находятся в непрерывном движении. А вибродатчики, сделанные еще в конце 70-х годов, неплохо работают и сейчас в одном из макетов. Оптроны привлекли автора бесконтактностью, возможностью простейших конструктивных решений, а в педалях - еще и хорошей линейностью между светом и током.

Автор не мог перепробовать и обследовать разные типы оптронов, брал те, что были в продаже. В качестве излучателя он применил тайваньский светодиод L-34F3C с инфракрасным излучением на волне 940 нм, близким к красной границе. Угол расхождения луча 50°. Постоянный ток допустим от 3 до 20 мА, а с переменной добавкой размах от 3 до 30 мА. Имеется наш аналог с близкими параметрами АЛ156А. Вольтамперная характеристика излучателя близка к характеристике стабилизатора напряжения: на излучателе L-34F3C при изменении тока от 3 до 30 мА напряжение меняется от 1,10 до 1,22 В. Отношение приращений напряжения к приращениям тока, то есть динамическое сопротивление, на участке от 3 до 10 мА равно 8 Ом, от 10 до 20 мА равно 3,9 Ом, от 20 до 30 мА - 3,4 Ом. Это хорошо. Дело в том, что излучение в светодиоде вызывается током, а звуковой сигнал поступает на педаль в виде напряжения, и изменение динамического сопротивления вызывает нелинейность между током и напряжением. В нашем случае желательно в педали задать, например, постоянный ток 18 мА, а переменный, то есть звуковой сигнал с ОУ, можно получить до ±10 мА, если взять усилитель, выдерживающий нагрузку 1 кОм. Тогда, учитывая, что постоянный ток берется от источника 12,5 В, получим общее сопротивление, присоединенное к излучателю, 385 Ом. Изменение динамического сопротивления светодиода на выбранном рабочем участке равно 0,5 Ом, что по сравнению с 385 Ом составляет немного больше 0,1%. Это можно допустить.

Несмотря на такую хорошую линейность, разбросы светового потока при одном и том же токе у разных экземпляров L-34F3C были велики, почти как коэффициент усиления по току у транзисторов. Излучатели сравнивались между собой при одном и том же токе и на одинаковых расстояниях от приемника. Из-за полученных разбросов придется, видимо, подбирать близкие между собой излучатели для каждого блока вибродатчиков.

В качестве приемников света вначале были испытаны тайваньские фототранзисторы, но они имели очень большие разбросы, и не было возможности ввести обратную связь для их компенсации. Были обследованы два наших фотодиода ФД256 и ФД263-01. Оказалось, что они сами дают ток и напряжение под действием света и не требуют источников питания. С каждого фотодиода были сняты зависимости напряжения на нем от силы падающего на него света. Сила света определялась током в излучателе, а чтобы исключить ее зависимость от других факторов, в эксперименте все время работал один излучатель, а каждый приемник устанавливался от него на расстоянии между их куполами по одному щупу толщиной 2 мм. Для силы света была принята условная единица (у.е.), соответствующая току через излучатель 16 мА.

Для обследования внутренних закономерностей в фотодиодах характеристики напряжения с них были сняты на холостом ходу и при нагрузке различными сопротивлениями. Для обоих типов фотодиодов ФД256 и ФД263-01 полученные семейства характеристик были очень сходны по виду, так что здесь удалось их соединить в одно (фиг.15). Для уяснения разницы между ними достаточно к этой фигуре добавить таблицу нагрузочных сопротивлений:

Кривая	1	2	3	4
Нагрузка (кОм)
ФД256		4.7	1.4	0.8
ФД263-01		1.1	0.36	0.19

Разберем особенности семейства на фиг.15.

1. Все характеристики прямые до уровня примерно 0,3 В, затем загибаются в сторону насыщения. Не доходящие до этого уровня характеристики 3 и 4 при соответствующем освещении дойдя до него, также изгибаются. Для обоих испытанных фотодиодов уровни перехода к насыщению практически одинаковы.

2. Прямые участки характеристик имеют хорошую линейность. Это выяснилось при их снятии на цифровом мультиметре с тремя с половиной десятичными знаками. Поскольку в эксперименте сначала ток превращался в свет в излучателе, затем свет в напряжение в приемнике, можно сделать вывод, что хорошей линейностью обладают оба эти оптрона. Поэтому, видимо, их можно применить в педалях, где очень важно, чтобы не вносились заметные нелинейные искажения.

3. При анализе снятых семейств было замечено одно важное их свойство. Проведем на графике произвольную вертикаль, пересекающую несколько характеристик на их прямых участках. Тогда напряжения в точках пересечения равны некоторому току, умноженному на нагрузочное сопротивление, с которым снималась каждая характеристика. Это определяющий признак токового прибора, в котором входная величина, в данном случае сила света, превращается в ток, который на данной вертикали определяется только ее световой абсциссой, а напряжение выделяется на нагрузке в соответствии с ее сопротивлением. Идеальный токовый прибор должен бы при отсутствии нагрузки выдать бесконечное напряжение, но таких приборов не бывает, а фотодиод, как видно их характеристики холостого хода, может дать не более 0,5 В.

4. В приведенной выше таблице нагрузочных сопротивлений можно заметить, что для ФД263 все они примерно в 4 раза меньше, чем для ФД256. При таком соотношении сопротивлений семейства для двух фотодиодов оказались настолько близкими, что их удалось совместить в одном. Это значит, что в равных условиях по свету токи в ФД263 получаются в 4 раза больше, чем в ФД256. Первый из них больше по размерам и видимо в нем больше площадь светочувствительной поверхности. Поэтому для инструмента был выбран ФД 263-01.

Итак, в токовом приборе ток первичен, а напряжение вторично. Вообще говоря, оно внутри прибора мешает току идти, направлено против него. И это только частный случай, что в фотодиоде мешающее действие напряжения видно на графике только начиная с 0,3 В. Может быть и на меньших напряжениях оно вносит нелинейности, недопустимые для педалей. Лучше, если бы этого напряжения не было, то есть фотодиод работал в режиме короткого замыкания. Но тогда нужно суметь вывести ток короткого замыкания в схему. Это оказалось очень просто сделать на операционном усилителе, что и осуществлено в педалях.

На фиг.16 показана электрическая схема, одинаковая для обеих педалей. Излучатель И питается через резистор R1 постоянным током, а через резистор R2 на него идет звуковой сигнал, у которого половина размаха по току должна быть меньше постоянного тока через R1. Звуковой сигнал подается от ОУ с выходным током до 10 мА. Приемный фотодиод П присоединяется одним концом к нейтрали, другим к минусовому входу ОУ, который также имеет потенциал нейтрали, так как к ней присоединен плюсовый вход. Одинаковый потенциал концов фотодиода обеспечивает в нем режим короткого замыкания, а ток, образующийся под действием света, идет в резистор обратной связи R3 и откладывает на нем выходное напряжение ОУ. Ток фотодиода ФД263-01 при максимальной освещенности в условиях работы в педали может доходить до 3 мА. Выходное напряжение ОУ в этой схеме может быть только одного знака, который зависит от полярности включения фотодиода. Работа педали основана на изменении расстояния между оптронами при ее нажатии. От этого меняется не только звуковая переменная составляющая выходного напряжения, но и постоянная составляющая, которую не нужно дальше пропускать. Поэтому на выходе ОУ стоит конденсатор С большой емкости, скорее всего он будет электролитический, так как полярность напряжения на нем не меняется.

Механика педалей, как и электроника, проста, но от нее зависит удобство игры. Вернемся к фиг.4, на которой хорошо видна правая педаль. Нога ставится на педаль всей подошвой стопы, высокие каблуки не допускаются, а средние могут оказаться неудобными. Угол поворота стопы в голеностопном суставе равен примерно 30° , а угол поворота педали принят в 20° . Конструктивные размеры, определяющие положение педалей на корпусе подножной части инструмента, должны быть такими, чтобы угол поворота педали находился внутри возможного угла поворота стопы в суставе и в крайних положениях педали нога не испытывала напряжений в суставе и связанных с ним мышцах.

Ногу надо ставить вплотную к передвижному порожку на педали, чтобы его касалась задняя сторона каблука. Есть такое положение порожка, при котором нажатие педали не вызывает перемещения колена вверх или вниз. В этом положении порожек надо закрепить. Для сидения за инструментом лучше всего подходит круглый винтовой стул без спинки. Его нужно установить на такую высоту, чтобы бедра ног, правильно стоящих на педалях, располагались горизонтально.

Характеристика педали, то есть зависимость громкости от угла поворота, должна подчиняться биологическому закону: ощущение пропорционально логарифму раздражения. Отсюда следует, что коэффициент пропускания напряжения в педали должен зависеть от ее угла поворота по экспоненте. При изменении дальности зависимость получается обратно-квадратичной, как во многих законах природы. Но чтобы она получилась на снятых характеристиках более правильной, пришлось к расстоянию между куполами добавить путем подгонки 7 или 8 мм на глубину расположения внутри оптронов светоактивных поверхностей.

На близких расстояниях характеристика педали получается пригодной к использованию, хотя по понятным причинам она несколько отличается от квадратичной гиперболы. Но на дальностях больше 10 мм между куполами уменьшение громкости становится недостаточно интенсивным. Возникла мысль дополнительно использовать шторку, постепенно загораживающую луч с увеличением дальности. Конструкция, которая уже реализована в домашнем макете автора, описывается кратко ниже.

Излучатель L-34F3C прикреплен изнутри к боковой стенке корпуса подножной части. Приемник ФД-263-01 находится на конце рычага, соединенного с педалью вблизи ее оси. При повороте педали меняется расстояние между приемником и излучателем, причем на ближайшем расстоянии их оптические оси совпадают, а на самом дальнем ось приемника повернута на 20° , что допустимо. Линейное перемещение фотодиода принято равным 30 мм, что определяется длиной рычага, а точнее - расстоянием между скрещенными под прямым углом осями педали и фотодиода. Это расстояние для перемещения в 30 мм получается 86 мм.

Вдоль траектории движения фотодиода установлен отрезок углового профиля, одна грань которого укреплена на боковой стенке, а на другой вырезана лекальная кривая, по которой скользит нижнее ребро шторки. Сама же шторка вырезана из тонкой и упругой листовой стали или бронзы и согнута в нужных местах. Различные участки ее выполняют следующие функции:

1. Лопатка или собственно шторка расположена перед куполом приемника и может закрывать определенную часть его от освещения излучателем или открыть полностью, когда край ее уходит за пределы купола.

2. Ребро является противоположным краем лопатки и, как уже сказано, скользит по лекальной кривой.

3. Довольно длинный участок, проходящий вдоль рычага, служит плоской пружиной и прижимает ребро к лекальному вырезу на уголке.

4. Участок крепления конца плоской пружины к рычагу вблизи его выхода к педали у оси ее вращения.

На близких расстояниях до начала лекальной кривой высота среза на уголке бралась такой, на которой только начинается закрытие света и уменьшение тока в приемнике. Переход к лекальной кривой получается очень плавным. Была разработана удобная методика экспериментального определения четырех - пяти точек лекальной кривой. Большего числа точек не требуется, так как сколько-нибудь серьезная точность оказалась ненужной.

На правой педали минимальная дальность между куполами взята 1 мм, максимальная 31 мм. Различие в синусоидальных сигналах между максимумом и минимумом получилась в 18 раз. Это очень большое различие, по мощности звука оно получается в квадрат раз больше, то есть 324, и приближается к возможностям оркестра.

Левая педаль отличается от правой тем, что в отпущенном состоянии она дает максимум громкости, а правая - минимум. Следовательно, изменяется положение неподвижного излучателя относительно механизма. Еще в левой педали не требуется такого большого изменения громкости, как в правой, достаточно изменения напряжения в 7-8 раз. Уменьшать диапазон изменения удобно за счет увеличения минимальной дальности, тогда легче будет устанавливать при отпущенной педали равенство громкостей в двух каналах.

Для вибродатчиков, поскольку их семь, была разработана более дешевая светоприемная схема на двух транзисторах вместо ОУ. В ней применяется тот же фотодиод ФД263-01, заложен тот же принцип использования режима короткого замыкания, однако условие равенства потенциалов на выводах фотодиода выполняется с меньшей точностью, чем в схеме с ОУ. Здесь на излучатель подается только постоянный ток, расстояние между излучателем и приемником фиксировано. А входной величиной является положение шторки. При отсутствии вибрации шторка перекрывает половину луча. Здесь нет требований по точности, но желательно на всех секциях иметь одинаковые коэффициенты по вибрационным составляющим выходного напряжения.

Схема показана на фиг.17. Если ток фотодиода равен нулю, то схема представляет собой делитель напряжения, в котором одно плечо - это резистор R1, а в другое входят R2 и транзистор Т1 в диодном включении. Отвод с делителя подается на базу эмиттерного повторителя Т2, R3. Транзистор Т1 включен в делитель напряжения для того, чтобы точки присоединения фотодиода имели почти одинаковые потенциалы. Действительно, базы обоих транзисторов соединены между собой, а потенциалы эмиттеров отличаются от базовых на напряжения отпирания, которые для кремниевых триодов равны примерно 0,7 В. Оба транзистора берутся одного типа, и хотя токи в них разные напряжение на фотодиоде не выходит за пределы линейности 0,3 В (см. фиг.15).

Сопротивления в схеме выбраны так, чтобы при нулевом токе в фотодиоде напряжение на R3 составляло примерно четверть питающего. Если фотодиод будет освещен и через него пойдет ток, то равенство токов в плечах делителя нарушится. Полярность включения фотодиода должна быть такая, чтобы при этом ток через R1 уменьшался, а через R2 увеличивался. Тогда напряжение в узле на эмиттере Т1 увеличится и его увеличение будет передано на повторитель Т2. Баланс в схеме установится такой, чтобы сумма токов в узле равнялась нулю.

Была выведена формула, в которой используются следующие обозначения:

где Up - напряжение питания и i_max - максимальный ток фотодиода, который для рассматриваемой схемы удалось получить.

Формула имеет простой вид:

В формуле предполагается, что при изменении тока фотодиода от 0 до i_max за счет передвижения шторки напряжение на эмиттере Т1 меняется от U_p до U_p(1- ), то есть симметрично относительно половины U_p. Чем меньше , тем большая часть напряжения U_p используется как диапазон выходного напряжения. Величина i_max по ее смыслу является заданной, как и , а искомой является i_c - чем она меньше, тем высокоомнее делитель и больше на него влияет ток фотодиода. Определив i _c, можно по этому току и величинам U_p найти R1 и R2. Но оказалось, что отношение в левой части формулы (38) зависит только от . Выше предлагалось брать , равной 0,25, но можно взять и меньше. При этом быстро увеличивается R1, но R2 увеличивается медленно, а их параллельное сопротивление, которое определяет качество подачи базового тока на Т2, также увеличивается довольно медленно.

Ввиду малых напряжений на излучателях, порядка 1,1 или 1,2 В, можно для экономии потребления тока вибродатчиками соединить все излучатели последовательно. Стабилизированного напряжения 12,5 В хватит на все семь излучателей и на гасящее сопротивление к ним. Надо только, как уже говорилось, подобрать излучатели с близкими световыми коэффициентами. Можно также использовать шунтирование наиболее активных излучателей резисторами.

ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР

1. Игровое поле грифа в натуральную величину.

2. Блок-схема инструмента.

3. Тембропанель в натуральную величину.

4. Общий вид инструмента, изометрическая проекция в масштабе 1:5.

5. Контактный механизм под каждой кнопкой М5:1.

6. Механизм подвески тонрейки M1:1.

7. Плоская пружина и накладка для подвески тонрейки M1:1.

8. Статическая схема подвески рамы с тонрейкой.

9. Контактный узел механизма подвески М1:1.

10. Схема принципиальная электрическая генератора тона.

11. Схема фазовращателя.

12. Схема воспроизведения мелодической форманты.

13. Схема воспроизведения аккомпанементной форманты с переключением на три частоты.

14. Общая принципиальная схема темброблока и тембропанели.

15. Семейство характеристик фотодиодов.

16. Схема электронной части педали.

17. Схема электронной части вибродатчика.