李周航

摘 要 随着电子信息与通信技术的发展，数字音频、多媒体通信等数字音频处理技术在社会上得到了越来越多的应用。在乐器方面，譬如小提琴、大提琴、贝斯、古筝和吉他等乐器也被越来越多的人所关注。调音器是这些乐器使用时不可或缺的一个设备，而目前市面上的乐器调音器的种类不多，且其实用性和准确性都存在一些问题，各项技术有待提高。因此，文章在目前现有的调音器的基础上，设计了一款具有自动调音功能的机械臂调音器。

关键词 调音器；自动调音功能；机械臂

中图分类号 TN91 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2019）233-0110-02

在提琴、吉他等大多乐器的使用中，为了保证可以完美的發挥出乐器本身的性能，需要对乐器的音准进行校准。然而某些初学者在并未习得调音技能的情况下进行调音时会存在音准不准、力度不适等方面的问题。因此，设计出具有自动调音功能的调音器是十分必要的，可自动调音的调音器便可以有效的解决上述问题。本文首先介绍了自动调音器的相关概念，目前市场上的调音器所具备的特点以及存在的问题，并在此基础上设计了一款可应用于提琴系列和吉他系列的具有自动调音功能的机械臂调音器。

1 设计背景[1]

数字音频技术于20世纪60年代出现，加之电子信息以及通信技术的快速发展，音频、多媒体和广播等数字音频处理技术在当今社会中取得了广泛的应用，人们日常生活受此影响也越来越深远。

一般情况下，人的耳朵接听到的声音是模拟信号，而音频信号需要经过采样编码、量化等一系列的数字化处理才能变成数字信号，紧接着再把数字化处理后得到的数字信号还原成人耳可以听见的模拟信号，最后再把模拟信号转换成声音。目前数字音频技术可以用在乐器调音、数字音响设备、多媒体、广播节目制作系统、数字化广播电视等方面。而调音器作为数字音频技术的一个应用，被广泛地应用在人们在日常生活中。

现在市场上除了少数比较高端的调音器是将振动原理和声音原理配合起来进行调音外，大部分的调音器都是基于振动原理来设计的。另外，还有一种调音方式就是手机调音，通过在手机上下载调音软件，使声音由空气传播到手机自带的麦克风里面，然后利用我们提前下载的软件来对接收到的声音的音调进行分析和调节，从而达到调音的目的。利用软件调音的优点是十分方便，因为我们的手机几乎每时每刻都在我们的身边；但其也有缺点，倘若我们身处于嘈杂的环境中，传到手机中的声音除了乐器发出的声音外还有其余杂音，乐器发出的声音与这些杂音一起经由手机软件分析，那么杂音中的音调势必会对调音的结果造成影响，进而使得调音结果会不精准；同样的，当手机的麦克风接收到了人说话的声音时，也会对最终的调节结果造成影响。调音器可以分析输入至其中的声音信号，分析出声音信号的声调，然后有效的实现乐器的调音。平时最常见的吉他调音器，该调音器是通过振动原理来达到调音的目的的[2]：首先在吉他的琴头夹上调音器，让调音器感受琴弦的振动。然而目前用于其他乐器的调音器还不是像吉他条一起一样常见，因此对其他乐器的调音器的设计、或者可以让多种乐器共同使用的调音器的设计是十分必要的。

2 基本概念

2.1 调音器和自动调音器

调音器是一种乐器辅助工具，主要指电子调音器，用于各种弦乐器的调音，包括小提琴调音器、大提琴调音器、贝斯调音器、吉他调音器、古筝调音器和尤克里里调音器等。而自动调音器是指不需要人手动操作调弦，调音的整个过程仅由自动调音器来自动完成的调音器。

2.2 机械臂[3]

简单来说，机械臂就是一个高精度的机器手。实际上，机械臂是一个复杂系统。这个系统中存在一些不确定性，例如外界干扰、参数摄动、未建模动态等，这些不确定性造成了机械臂的建模模型也同样有不确定性。机械臂在面对不同的工作任务时需要特定的针对该工作情况单独的规划关节空间的运动轨迹。机械臂有非结构不确定性和结构不确定性这两种不确定性。前者是由外界干扰、测量时的噪声等因素引起的；后者是由建模的模型本身引起的，有未建模动态和参数不确定性两种。最近，由于机器人技术也得到了快速的发展，具有高精度、高负载自重比特性的机器人结构收到了很多的关注。在机械臂的运动过程中，关节和连杆的柔性效应造成了执行任务的精度的降低[ 4 ]。因此在设计机械臂时，其柔性特性也要考虑进去。而柔性的机械臂[5]是一个非常复杂的动力学系统，也是一个刚柔耦合、机电耦合的非新型系统。

3 市场上调音器存在的问题

目前市场上的调音器种类并不算多，这些调音器仍然存在一些问题：

1）不具备自动听音辨别音准的功能；2）无法实现解放人力的调音，只是辅助人手进行调音；3）无法控制力度，造成调音力度不适，甚至会误伤自己；4）没有考虑到实用性，功能较单一。

4 本文设计的自动调音器

基于上节中提到的目前市场上大多数调音器所具有的问题，作者利用具有高精度机器手特性的机械臂来针对性的设计了一款可以自动调音的调音器。

4.1 本设计采用的方案

为解决上节中提到的目前市场上的调音器存在的技术问题，作者在设计该新型自动调音器时采用了可以高精度完成任务的机械臂，该自动调音器的结构如图1和图2所示。

如图1、图2中所示，该自动调音器包括以下几个部分：频率接收及单片机机构（1）、调音机械臂（2）、伸缩杆（3）、隐藏调音机械臂（4）、琴夹（5）和手柄（6）。

其中，频率接收及单片机机构（1）、调音机械臂（2）、隐藏调音机械臂（4）分别通过伸缩杆（3）与手柄（6）连接，琴夹（5）固定在手柄（6）上。调音器在使用时，将琴夹（5）固定在琴把上，机械臂通过伸缩杆调至适宜位置后，将机械臂上的各个齿与弦轴紧密接触完成固定。

持琴者将调音器安装完毕后，手动拨弦产生声音信号，频率接收器接收到声音信号后，转化为频率信息传送给单片机，单片机进行信号处理并将其转化为电信号，驱动机械臂中的电机工作。

当接收到的频率高于预设标准值时，单片机驱动机械臂中的电机工作，使弦轴放松，反之，机械臂使弦轴收紧，这样便实现了调音的目的。

除此之外，该自动调音器的机械臂还可以任意旋转，我们可以根据特定的需求调节具有不同弦轴数量的琴；例如吉他有6个弦轴，小提琴有4个弦轴，但是吉他和小提琴都可以使用本文中的新型设计来进行调音，当调音器的机械臂闲置时可将机械臂旋下扣在琴夹上，见图2隐藏调音机械臂（4），这样便可以节省空间。

4.2 本设计的亮点

本文所设计的具有自动调音功能的机械臂调音器的亮点体现在以下几个方面：

1）该自动调音器以琴弦的振动频率为参考标准的，可以较为精确的把握音准；2）该新型自动调音器以机械臂代替人手进行调音操作，解放了人力，最重要的是机械臂调整的精确度高于人手；3）该自动调音器以机械结构代替人手进行操作，用户安全得以保障；4）該调音器的使用方面比较广泛，可用于吉他系列和提琴系列的调音。

5 结论

综上所述，本文设计的依赖于机械臂、且具有自动调音能力的调音器有较好的应用前景。一方面，该自动调音器采用了机械臂来替代人手的操作，有效的提高了调音的精确度、保障了调音时操作人员的安全；另一方面，该调音器的使用方面不再局限为一种乐器，而是可以为弦轴数目不同的乐器进行调音，有很好的应用潜力。

参考文献

[1]基于Avalon总线的音频频谱分析系统设计与实现[D].合肥：安徽大学，2018.

[2]桂雅骏，吴小培，吕钊.一种吉他调音器的设计与实现[J].工业控制计算机，2015（5）：123-125.

[3]史先鹏，刘士荣.机械臂轨迹跟踪控制研究进展[J].控制工程，2011，18（1）：116-122.

[4]洪在地.空间机械臂运动学分析的完全笛卡尔坐标方法及柔性影响下的动力学优化控制[D].福州：福州大学，2003.

[5]李小倩.基于滑模的刚性机械臂有限时间轨迹跟踪控制研究[D].沈阳：东北大学，2013.