用于识别由乐器演奏的音符的系统的制作方法

用于识别由乐器演奏的音符的系统
1.本发明涉及一种用于识别由乐器演奏的音符的系统。
2.在gb 1513036中已经对簧木管乐器中声学识别的音符识别进行了描述。然而，这种簧木管乐器系列中的较大乐器对音符识别提出了特别的挑战，因为它们较低的声波波长需要以较低的频率和较长的分析帧来刺激乐器。
3.使用扬声器将刺激信号输入到乐器和麦克风以接收由乐器的传递函数修改的刺激信号的音符识别中的另一个技术问题是音符识别方法不能免受声学干扰。这可能意味着此类方法出于性能目的不可用。
4.本发明提供了一种根据权利要求1所述的用于识别由乐器演奏的音符的系统。
5.本发明使用发送的电磁信号来根据感测到的反射波来确定乐器中谐振腔的配置。谐振腔的配置可以包括谐振腔的开口状态、谐振腔的阀位状态、谐振腔的长度或谐振腔的一些其他影响选择要由该乐器的演奏者演奏的音符的特性中的一者或更多者。
6.所要求保护的本发明的系统可以为具有导电表面的乐器提供用于在完全不受声学干扰的情况下的音符识别的实时系统。具有导电表面的乐器包括以下乐器：萨克斯管、labrasones(铜管乐器)、边吹气管(长笛)和金属单簧管。此外，可以对传统木制乐器的内表面进行涂层，以提供允许使用本发明的传导表面。理想情况下，该乐器将具有金属键帽，但演奏者的手指覆盖孔而引起的干扰可能足以对反射信号产生可测量的差异。本发明可以与具有多种内孔轮廓的乐器一起使用，所述多种内孔轮廓包括锥形孔轮廓(萨克斯管系列)和圆柱形孔轮廓(边吹气管(例如，长笛)和labrasone(例如，铜管乐器)系列)。
7.现在将参照附图描述本发明的优选实施方式，在附图中：
8.图1是根据本发明的系统的配备有简单探测波导天线的萨克斯管的例示图；
9.图2是图1的具有根据本发明的系统的传导平面反射器的萨克斯管的例示图，其中，反射器被安装到乐器的钟形件上以改善电磁反射；
10.图3是例示根据本发明的系统的电子处理单元与图1的萨克斯管一起使用的例示图；
11.图4是例示根据本发明的系统的电子处理单元与安装有反射器的图2的萨克斯管一起使用的示意图；并且
12.图5是当本发明的系统与次中音萨克斯管一起使用时13.3-13.8ghz幅度响应的反射波的示意图。
13.当前发明利用电磁频谱中的信号并且认识到对于该频谱内的较高(射)频，必须考虑交流电的波特性。
14.本发明处理金属体(即，导电)乐器，例如，次中音萨克斯管10(见图1和图2)作为泄漏波导，即，带有可以被金属(即，导电)键盘封闭的孔的波导。众所周知，波导可以设计成以最小的损耗限制和引导电磁射频波。
15.本发明的系统包括天线11，该天线11通过发射无线电波而允许乐器10的谐振腔在与正常演奏的声学波长相似的电磁波长下形成电磁谐振腔。
16.乐器的萨克斯管系列具有(与其他乐器相比)初始尺寸相对较小的锥形孔。例如，
次中音萨克斯管弯曲处的入口孔直径约为15mm。维持te01波的圆形波导的最低“截止频率”被定义为
17.圆形波导中的波长被给出为，
[0018][0019]
其中，是波导内的无损电介质中均匀平面波的波长。
[0020]
因此，对于te01模式，截止频率为11.72ghz(虽然应该提到，由于萨克斯管的孔是锥形的，这个数字将不是一个精确的数字)。然而，这对于本发明来说就足够了，本发明认识到必须高于截止频率以便维持波导中的波。te01(横向电场)模式表示所有电场都横向于传播方向，并且不存在纵向电场。
[0021]
下面描述并由图3、图4和图5支持的实现方式在13ghz的激励频率下操作。本发明不限于使用这种频率。其他频率可能是合适的和适当的，只要它们有助于在波导中维持波。例如，使用24ghz的激励频率可能是合适的。这样的频率位于ism无线电波段中的一者，之所以如此称呼是因为这些波段是国际上为电信以外的工业、科学和医疗(ism)目的而保留的无线电频谱的部分。在ism无线电波段内和不在ism无线电波段内的其他频率也可能是合适的。
[0022]
此外，激发电磁辐射可能是极化的。例如，天线可以生成圆极化电磁信号。另选地，天线可以生成线极化电磁信号。另选地，天线可以生成非极化电磁信号。
[0023]
如图1所示，本发明的天线11可以是具有短路后止挡件(shorted back-stop)的单个探针天线，所述单个探针天线被提供为在乐器10的谐振腔中广播射频电磁信号。天线既可以充当发射器又可以充当接收器。天线11可以被安装在端盖15中，所述端盖15可安装在乐器10上以代替乐器的吹嘴。端盖15具有封闭端以密封乐器的吹嘴端。端盖是金属的，以便与金属乐器或乐器的金属表面电连接。例如，如果乐器是铜管乐器，则端盖15也可以是黄铜。天线11的导电部分被安装在绝缘体中以与端盖15电绝缘。
[0024]
另选地，可以使用多个探针天线，通常围绕与提供乐器的谐振腔的孔正交的平面相等地布置。这可以方便地实现为具有4个正交探针(或当沿与谐振腔的纵轴垂直的平面观察时，围绕谐振腔间隔开的、在分离角方面等间隔的任何数量的正交探针)的微带电路。重要的是，在短路后止挡体与乐器之间建立良好的欧姆连接，如果有必要，利用弹簧连接连接到乐器的孔的内表面。
[0025]
萨克斯管在钟形件处具有从初始约15mm半径(次中音萨克斯管)到约140mm打开非常大的锥形孔。可持续波长与孔半径成正比。与声波一样，射频波的一部分将在钟形件的开口的阻抗不连续处反射到自由空气中。如图2所示，通过在乐器10的钟形端13上附接传导平面反射器12可以有利地增加反射能量。
[0026]
本发明的系统依赖于以精确可重复的频率范围刺激乐器的孔并监视反射能量。受激频率可以被连续地扫描或单独步进(step)，使得以可重复的频率测量反射波。测量跨一系列频率的反射能量将产生数据“帧”，每个关注频率都有一个数据点。可编程网络分析器
(例如，keysight 5225b
tm
分析器)可以在几毫秒(ms)内执行1600个点的扫描。本发明的系统使用的实际实现在10ms内产生足够的几百个点。
[0027]
系统按照以下方式中的一种或两种生成刺激波形：
[0028]
1)将来自本地振荡器20的输出信号与来自可变频率、压控振荡器(“vco”)40的扫描波形混合，并对输出进行滤波以提供如图3所示传输的单边带信号。
[0029]
2)直接数字合成。
[0030]
在图3和图4中可以看到本发明的电子处理单元的两个不同实施方式的示意图。两者都有振荡器20、vco 40和混频器21。vco 40是振荡频率由电压输入控制的电子振荡器。施加的输入电压决定了输出振荡频率。vco 4从数模转换器28接收dc“扫描电压”信号，数模转换器28控制vco 40的输出。数模转换器28由微处理器27控制，如将在后面描述的。从混频器21输出的信号传递通过高通滤波器23以提供将由天线11广播的刺激信号。
[0031]
因此，传输的刺激波形可以类似于经典的“啁啾”波形，并且可以在频率之间平滑移动或步进。例如，微处理器27可以借助于对数模转换器28的控制输出来使广播频率步进；微处理器27知道刚刚广播了什么频率，因此它将知道系列中要广播的下一个频率。可以根据扫描频率的范围或在所选择的点频率处线性地或指数地选择直接合成步长以使差异响应最大化。
[0032]
当由天线11发射的刺激波形被施加到乐器10时，该刺激波形被取决于当前关闭的键孔的反射波形修改。
[0033]
在图3中，来自反射波形的代表性信号通过定向耦合器24(例如，narda
tm
4016-d，12.4-18.0ghz)产生。耦合器24可以连接到峰值检测器二极管25(例如，keysighttm 88290-600445，2
–
18ghz)，以便向微处理器27提供表示反射波形的瞬时峰值的基带信号。因此，随着分析波形被扫描，峰值检测器二极管基带信号的直流电平表示反射波的幅度。整个电路可以有利地实现在印刷电路板上的微带中。
[0034]
测量反射波的幅度和/或相位的其他标准微波电路是可能的，例如，提供有分析波形和反射波形作为混频器的输入信号的零差循环混频器。
[0035]
在图4中，“反射器探针”30(接收天线)被放置在乐器10的钟形端13处的反射器12附近，以便执行传输测量，检测锥形腔内的信号，如图4所示的(在该实施方式中，天线11仅用于发射激励信号而不用于接收反射信号，仅探针30)。如果需要，来自反射器探针30的信号可以被放大(未示出)，用检测器25测量并如图4所示被处理，然后通过峰值检测器二极管25到达微处理器27。
[0036]
在图3和图4系统中，来自二极管25的信号输出被传递通过模数转换器26，并且然后数字信号被传递到微处理器27。
[0037]
另外的方案可以结合图3和图4来测量来自两个探针的信号。
[0038]
在实施该系统时，存在初始训练阶段，在该初始训练阶段中，系统在训练模式下操作，在该训练模式下，生成希望识别的每个可能结果，并获取每个结果的数据帧并将该数据帧存储在微处理器27的存储器中，例如，被微处理器27数字化并作为表示相应结果而被提交到存储器。因此，对于每种乐器，当每个音符至少演奏一次并且每个音符的幅度谱结果被系统捕获时，存在训练阶段。作为示例，次中音萨克斯管上的音符d3和a3的测量谱如图5所示。
[0039]
在训练阶段之后，系统在正常演奏乐器的同时以音符识别模式运行。在音符识别模式下，获取实时数据帧，并且然后由微处理器27与在训练期间收集在存储器中的那些数据进行比较。与训练日期最接近的匹配用于确定“演奏的”音符。可以应用多种统计技术来确定匹配的接近程度。信号处理和匹配处理通常可以在10ms内完成，这取决于处理能力。
[0040]
一旦系统已经确定了演奏的音符，系统就可以使用系统的合成器单元(未示出)来合成并输出检测到的音符以传输到例如耳机，因此演奏者可以响应于指法的变化以典型的最坏情况低于20ms的延迟听到合成的音符。
[0041]
压力传感器(未示出)可以并入在系统中以测量演奏者的呼吸压力，从而合成的音符的开始生成时间和/或合成的音符的音量可以由系统参考压力传感器生成的压力信号来控制，以便提供逼真的演奏体验。压力传感器可以并入在(用于替换乐器的常规吹嘴的)与端盖15集成的或可安装在端盖15上的替换吹嘴中。替换吹嘴可以具有引导乐器的演奏者的呼吸通过设置在替换吹嘴中的出口的通道，或者可以在端盖15中提供用于呼吸通过的小孔，并且可以将管连接到这样的孔，以将呼吸通过乐器引导到乐器出口处或之外的管出口。当本发明的系统与aerophone或labrasone一起使用时，可以提供呼吸传感器或唇部振动传感器，例如，如公布pct申请wo2018/138504a1和wo2018/138591a3中所描述的，并且来自这种呼吸传感器或唇部振动传感器的信号被发送到微处理器27并由此用于控制合成的音符的生成的开始和/或合成的音符的音量。当例如与长笛一起使用呼吸传感器时，然后呼吸传感器可以向微处理器27发送指示呼吸的方向和速度的信号，并且这些信号可以被微处理器例如用于为要合成的音符选择正确的八度或音区。
[0042]
电磁波(与声波相反)的传输和测量具有明显的优势，即，系统不受声干扰。利用适当的放大，装配有本发明的系统的乐器在表演合奏中可以与其他乐器一起演奏或以独奏的形式演奏。
[0043]
分析波形功率要求非常小，通常为odbm(1mw)，并且在国际电磁辐射安全标准内。有利地，整个系统可以是电池供电的，其中，电池可能包含在乐器的钟形件内。功率放大器和扬声器也可能包含在乐器的钟形件内，以用于本地表演。另选地，为了向大量观众表演，该乐器可以借助于数字无线电连接(例如，蓝牙
tm
)连接到乐器外的合成器/放大器/扬声器装置。
[0044]
系统的合成器单元可以运行用户可控的音乐合成算法，以允许演奏者选择合成信号来合成不同类型乐器的音符，例如，使得经验丰富的萨克斯管演奏者可以演奏他/她的萨克斯管，同时听到经由耳机或扬声器输出的音符，这些音符听起来就像在钢琴上弹奏的音符。
[0045]
上面已经描述了与萨克斯管一起使用的该系统，该萨克斯管包括由演奏者用手指弹奏的金属键帽，以打开和关闭沿谐振腔间隔开的孔。这对于本发明来说是理想的，因为金属键帽的位置将显著影响谐振腔的电磁传递函数。然而，只有在演奏者的手指打开和关闭孔的情况下，谐振腔的电磁传递函数将会有一些变化，因此本发明的系统也可以与金属长笛和金属单簧管一起使用，它们可以具有手指和金属盖所覆盖的环/孔的混合。传统上为木制的乐器也可以在限定谐振腔的表面上提供金属涂层，以便允许使用本发明的系统。还应该提到的是，一些乐器(例如，诸如小号的labrasones)不具有开口，而是具有改变管的长度的阀，而其他乐器(例如，诸如长号的labrasones)具有改变谐振腔的长度的滑动元件；谐振
腔的这种变化将被本发明的系统检测到，因此该系统与这种乐器一起使用。