具有集成半音调音器的表

摘要

本发明涉及便携式时钟（1），其设有用于显示分钟（2）和小时（3）的至少一个指针，并且包括用于对乐器进行色调音的电子单元（100）。电子单元（100）包括声音信号传感器（101）和用于对接收的电声信号（10）进行处理的装置（102），并且时钟（1）的特征在于指针（2，3）中的至少一个能够显示关于所述接收的电声信号（10）的信息。

说明书

技术领域

本发明涉及用于乐器的半音调音器（chromatic tuner），其中调音器 测量由被调音的乐器产生的声音频率，并显示表示诸如手表的表中调音精 度特性的量。

背景技术

乐器通常要求周期性的进行调音，以确保它们产生稳定的音调。这通 常由包括使用具有在440赫兹将音符A作为第四倍频程（fourth octave） 参考音符的音叉（tuning fork）的技术实现。

为了确保音符完全精确，并与可使音叉特性失真的参数（例如湿度和 温度）无关，目前存在电子调音器，其具有用于确定与音符相关联频率的 较好精确度（precision）。这些调音器包含将声音信号转换为电信号的麦 克风，和根据所检测的声音信号和所获得的电信号指示最接近音符和所述 音符的精度（accuracy）的数字显示设备。

一些调音器在固定的参考频率上进行校准，特别是在440Hz；然而， 其它调音器可在相邻频率上进行调整，以便使乐器的声调（tone）适应特 定的声音环境，例如建筑物或音乐厅的谐振属性。

便携式电子半音调音器的一个缺陷在于它们通常相对较大，且容易被 音乐家忘记或丢失。此外，在校准操作和具体调音期间，在数字显示器上 提供的信息不能被直观地读取，特别是相对于音符和调节的精度。因此存 在克服现有技术局限性的半音调音器的需要。

发明内容

本发明的目的是提出一种集成在便携式仪器中的音乐家通常可使用的 半音调音器。

本发明的另一目的是提出一种允许较容易地对在调音过程中获得的频 率和校准频率进行读取和调整的半音调音器。

由于便携式时钟具有下面描述的独立设备权利要求的特征，因此这些 目的可通过本发明实现。

通过使用根据本发明的便携式时钟的半音调音器显示方法，还可通过 本发明来实现这些目的。

所提出方案的一个优点在于其允许将半音调音器集成在表中，这意味 着需要调音器的音乐家不需要单独的仪器，并且只要戴上包含该工具的表， 该工具几乎可以永远在手上。

所提出方案的另一优点在于，由于集成了调音器的表的指针，因此可 以更容易地读取调音结果。

附图说明

在说明书中给出了且在附图中解释了本发明的示例性实现，其中：

图1是根据本发明的半音调音器的电子模块的框图；

图2是示出了根据本发明的半音调音器的音符及音符精度的检测的框 图。

图3示出了根据本发明的优选变形的具有集成半音调音器的表的视 图。

图4描述了根据本发明另一优选变形的具有集成半音调音器的表的表 盘。

图5示出了根据本发明另一变形的具有带显示设备的集成半音调音器 的表的视图。

图6示出了根据本发明另一变形的具有集成半音调音器的表的视图， 其中可以校准参考频率。

图7a、7b、7c和7d描述了用于调节音阶的音符的显示的不同变形。

图8描述了用于显示所检测音符的精度的变形。

具体实施方式

本发明涉及具有使用通常专用于当前时间显示的表的一个或多个指针 的集成半音调音器的便携式时钟，典型地是手表，但例如也可以是怀表 （pendant watch）、链表（fob watch）或任何其它便携式时间显示设备。 从而该时钟隐含地包括不同于通常时间显示模式的调音模式，并且其中在 调音模式中至少一个指针不再用于所述目的。

调音器包括用于计算由要被调音的乐器传送的声频值的电子模块，并 且在时钟上显示关于音阶音符的频率值和频率的精度，例如调节音阶（do、 do#、re、re#、mi、fa、fa#、so、so#、la、la#、ti，其参考频率从la开始 在440Hz）。在下文中可以看到，在根据本发明优选实施方式的显示设备 中，用于调节的音阶的英语符号系统将值A分配给音符“la”、将值B分 配给音符“ti”、将值C分配给音符“do”、将值D分配给音符“re”、 将值E分配给音符“mi”、将值F分配给音符“fa”并且将值G分配给音 符“so”。本领域技术人员可以理解的是，可以设想使根据本发明的集成 调音器适用于任意类型的音阶（自然音阶，毕达哥拉斯音阶）和任意主音 系统。

图1描述了在本发明优选变形中使用的电子设备100的逻辑和操作元 件。根据该变形，电子设备100首先包括声音信号传感器101，也就是从 外部环境获取声波的麦克风。从而将接收的电声信号10传送给信号处理装 置102，其中信号处理装置102将来自麦克风的电声信号10转换到脉冲串 108中，其中由来自麦克风的电声信号10的标记的变化导致脉冲串108状 态的变化。从而与作为模拟信号的电声信号10不同，脉冲串（pulse train） 108是二进制信号。

信号处理装置102由除去限定信号带宽之外的频率分量的滤波器1021 组成。从而将信号10传送给放大器1022和比较器1023，例如施密特触发 器磁滞比较器。

将脉冲串108传送给微控制器103的输入/输出接口中的一个，为了简 洁起见，将脉冲串108作为整体标记为115。微控制器103具有至少一个 用于将供应电流106提供给信号处理装置102的输出、电池107、晶体振 荡器104，典型地是具有周期性抑制校正的32KHz振荡器，其中频率是温 度补偿的。微控制器103还集成了RC振荡器105，优选地是4MHz振荡 器，其中在需要执行长期计算或快速测量时，主要是在调音功能的启动过 程中，RC振荡器105允许将微控制器103的处理器113的时钟切换到更 快的频率。

如图1所示，电子设备100还包括用户接口装置112，根据本发明的 优选变形，特别是在图3和图4中描述的变形，例如，用户接口装置112 例如包括按钮（在这些图中用16、17和18表示）。然而，该用户接口装 置112可包括轴柄（stem crown）（例如在图5至图7中用数字9表示）， 或触觉晶体，在图中没有示出该后一变形。该用户接口装置112允许与用 户的交互，特别是允许请求改变模式，执行调整和确认调整，这从下文中 可以了解到。接口装置与微处理器103的输入/输出接口115相互作用。

根据图1中所示的优选实施方式，电子设备100进一步包括由与模拟 显示装置111相关联的至少一个双向电动机形成的电动机模块114。模拟 显示装置111包括至少一个用于显示与接收的信号相关的信息的独立指 针，该指针可以是时针3或分针2，这从下文的描述根据本发明各种实施 方式的各种显示设备的图3至图7中可以了解到。

根据本发明的具有集成半音调音器的时钟1包括完全模拟显示系统或 具有部分数字显示的混合系统。分别在下面描述的图3和图4中进行描述 这些实施方式。根据第一显示系统，电子设备100的电动机模型114独立 地用作时钟1的两个时针和分针3和2，分别提供与识别电声信号10的音 符相关的信息和与所述音符的精度相关的信息。在部分数字显示系统中， 音符自身例如在形成优选的数字显示装置的液晶屏（LCD）上进行数字显 示，并不使用指针。该数字显示装置由图4中的附图标记116描述，其中 图4描述了使用这种混合显示的本发明的优选实施方式。然而，该数字显 示装置116还可提供其它信息，例如与识别音符相关的精度，并且该信息 还可由表盘4上存在的一个或几个指针确认以便于更直观的阅读。

图2描述了根据本发明半音调音器的优选变形的识别音符和音节精度 的过程20。

根据该优选实施方式，由于RC振荡器105的频率根据电源电压和温 度随时间变化，因此RC振荡器105首先在步骤201中进行校准。校准包 括在由从温度补偿基本时钟104获得的信号时间段设定的时间窗内对RC 振荡器105的时钟脉冲数进行计数。周期性地进行校准，例如每3秒和每 33秒，以确保声音信号测量频率的稳定性。在音符识别过程中，校正因子 25来源于振荡器校准以补偿集合频率。

步骤202包括微控制器103（在图2中没有示出）通过对所述信号102 的每个上升侧面之间的时间进行计数，并将每个时间段的信号22串行地存 储在数据存储器109中，执行测量在电声信号处理装置102的输出处获得 的二进制信号108的过程。在步骤2031中，由微控制器获得的时间段形成 序列（series）231，从而将其与例如由序列231的最大值初始定义的门限 值进行比较。样本的索引（样本的值大于门限值）从而形成简化的序列232， 其中在步骤2032中计算每个元素之间的持续时间。这些持续时间形成序列 233，在步骤2033中将其按照上升顺序进行存储以形成序列234。

然后，通过搜索序列234的元素之间的周期性关系来确定步骤204的 识别电声信号10的基本周期。该处理从序列的最小元素开始，然后以上升 顺序通过该序列搜索这样元素的倍数。序列的每个元素除以上升的整数， 直到到达最小元素。一旦序列的一个元素靠近这样最小元素的倍数，则将 该元素视为基本的信号周期。然而，如果没有发现倍数（multiple），则对 序列的下一元素重复进行处理，直到发现序列中的周期性关系。步骤2041 包括检查是否实际上发现基本周期。如果是这样，结果24服从于校正因子 25以给出测量的周期26。如果不是这样，在步骤2034中，将步骤2031 中使用的门限值与初始门限值的值的一半进行比较，随后在步骤2035中按 预定值（例如10）减小，从而确定在提取基本频率的过程203的另一循环 中使用的新门限值，其中另一循环将利用新门限值重复从2031开始的全部 前述步骤。如果在步骤2034后门限值小于初始门限值的一半，在步骤206 结束基本频率识别过程203，并且没有识别出频率。从而基本频率提取过 程203在步骤206失败。

一旦由过程203传递识别的信号周期24，并通过乘以校正因子25来 执行校正（在图2中用指明该相乘步骤的有圆圈的乘号进行表示），在步 骤207中，将测量的周期26与对应于音符的在存储器109中保存的周期值 进行比较。通过比较，该音符值的表21可确定离散形式的最接近音符11。 根据优选的变形，由于显示的结果需要对应于在对应于音符的周期的表21 中保存的周期中的一个，因此至少部分离散地显示声音信号频率分析的结 果。然而，根据图5所描述的实施方式可以看到，还可以根据本发明连续 显示所述接收电声信号10的固有频率19，例如通过相对于音符音阶6的 分针2。

一旦识别了最接近的音符11，仍需要确定与所述音符相关的识别周期 的精度。该步骤205包括确定音符11和接收信号10之间的相关频率偏差 12，其中可优选地按照下列方式进行计算：

·如果声音信号频率低于最接近音符11的频率，那么频率偏差12等 于音符11的频率，小于对应于测量周期26的频率，也就是其倒数（通过 定义，频率等于周期的倒数），并且整体除以音符11和直接下面的音符（也 就是，调节音阶中更低的一个半音程）之间的频率偏差。从而整体乘以100 以获得百分比。为了简明和图2框图便于理解起见，没有描述等于测量周 期26的倒数的信号19的固有频率。

·当声音信号频率高于最接近音符11的频率时应用相同的推理，在这 种情况下，测量频率偏差12以作为声音信号频率和最接近音符之间的差 别，整体除以直接上面的音符的频率（也就是，调节音阶中更高的一个半 音程）和最接近音符11之间的差别。

利用调节音阶的这种音符精度计算，由于不同可识别音符之间的偏差 通常为半音程（semitone），因此本领域技术人员可观察到指示相对于一 个半音程的频率偏差的精度。从而其从低四分音延伸到高四分音。该精度 优选地由包括在-50%和+50%之间的百分比表示。

图3描述了根据本发明的时钟1的优选实施方式，设有仅用于显示由 集成半音调音器的麦克风接收的电声信号10中数据的模拟装置。这里时钟 是拥有分针2和时针3的手表，从而形成上述和在图1中描述的模拟显示 装置111。表还拥有框5和表盘4，在表盘4的边缘具有由形成调节音阶的 12个音符的音符Ab、A、Bb、B、C、Db、D、Eb、E、F、Gb和G形成 的音符6的音阶，其中一个用于每个半音程。在该变形中选择的显示模式 是降半音模式（flat mode），然而还可以设想在升半音模式（sharp mode） 中显示所有音符，在这种情况下音阶6可读取G#、A、A#、B、C、C#、 D、D#、E、F、F#、G。可以观察到音符的音阶6包括指示其不可能识别 音符的空白指示符61。从而在执行步骤206时使用该指示符61，如图2 所示。其还可以位于独立于用于音符音阶6的表盘4或框5上。

根据在图3中所示的实施方式，需要注意的是，在表盘的下半部分从 3点至9点，在表盘4外围，相对于分针2来安排音符的音阶6。使用较大 指针2以确定最接近音符11的事实允许快速和直观地读取结果，且这里使 用时针3以给出音符和接收的电声信号10之间的频率偏差12。显示设备 包括音符精度的指示器7，在表处于调音模式时由时针3所处的位置相对 的刻度形成所述指示器。指示器显示从低于最接近音符11的四分音到高于 最接近音符11的四分音的声调，并且由于相对于刻度移动的时针3的匹配 大小，还能够直观地读取精度，其中刻度优选地在表盘的上半部分（从9 点到3点）分布，从而避免该信息与涉及音符音调（pitch）的信息重叠。 从而可将涉及最接近音符11的音调和音符的精度的信息完全分开。

需要注意的是，使用时针的精度指示优选地安排在圆弧上，其角度值 优选地稍微小于180度，优选地在120度左右，如图3所示。此外，多于 或少于50%的最大偏差百分比值在由构成指示器7的刻度形成的圆弧内进 行指示。还可以使指示器7具有颜色范围改变为表示真实音符的绿色的形 式，并且绿色的边缘为红色以指示声音是错误的。还可以使该渐进颜色指 示器具有圆弧的形式，其像眉毛、一头薄一头厚。在这种情况下，尖端 （pointed end）优选地指示音符太低，并且眉毛的厚端将指示太高的音符。

为了便于读取音符的精度，图3的实施方式还描述了相对于最接近音 符11的频率的目标区域8。例如由很厚的音阶以不同的颜色（例如在直观 方式中用绿色指示精度）指示的这种目标区域8，相对于表盘4优选地进 行集中，并指示声音信号频率在充分靠近不要求附加调音的期望音符的值 的范围内，例如小于3%。该目标区域优选地处于音符精度指示器7的刻 度的中间，但是也可以是由刻度形成的圆弧外部。

图3的实施方式还示出了3个按钮：第一按钮16用于增加值，并且第 二按钮用于减小值，例如校准值14，如参考图6的详细所示的。图3中描 述的最后一个按钮18优选地用于改变模式，特别是例如可以通过延长按压 多于2秒来激活进入调音模式，从而防止因疏忽而启动校准模式，另一方 面，由于其使用指针，从而防止同时显示时间，且另一方面，由于需要对 麦克风供电且微控制器103需要执行大量使用基本时钟或中央单元（CPU） 104的大量计算，因此该模式使用大量的能量。该按钮还可优选的用于确 认调整，例如保持的用于校准的值。可以设想通过将这2个分针和时针彼 此放置在表盘4上的中午位置上以确认进入调音模式。

图4描述了根据本发明的诸如手表的时钟1的表盘，其拥有混合显示 装置，也就是数字式和模拟式。根据该实施方式，模拟显示装置111仍由 时针3和分针2形成，但是该时间模拟装置111不再简单地用于指示音符 精度，也就是，相对于最接近音符的频率偏差12，且最接近音符11的音 调数字式地显示在构成数字显示装置116的LCD屏幕上。在图4中，这 种数字显示装置116指示已经识别出音符Eb。指针2和3重叠，并指向位 于表盘4的上半部分中的指示器7的刻度上的-44%值。目标区域8位于指 示器的刻度中间，与图3的模拟实施方式的方式相似。数字显示装置116 以冗余的方式将精度数据显示到指示音符11的左侧。对于由信号传感器 101接收的电声信号10，LCD屏幕因此不仅替换之前描述的完全模拟变形 的音符音阶6，而且还同时指示附加或冗余的数据。

根据没有示出的变形，由数字显示装置116指示的附加数据可以是音 调，即，用于音符的频率测量的参考频率，此时可将后者调整到不同于通 常的440Hz的A频率的频率上。优选地，当所述指针用于调音模式以指示 最接近音符11的精度时，该装置位于表盘4的指针2和3下面的底部。

图5描述了与图3的实施方式相似的通过由分针2和时针3形成的装 置111执行的实施方式，也就是，其中显示是完全模拟的。然而根据该实 施方式，固有声音信号频率19由分针2连续显示，相对于音符的音阶，在 确定最接近音符11的音符识别过程20中不进行任何比较。因此，该指针 2可指向任何值，并且不仅是在表盘边缘的刻度6上指示的离散音符值。 根据该变形，时针3包括一种“放大”的分针2，其不用识别离散值。读 取因此更直观，在一个方面，这是由于除了与最接近音符11相关的数据， 分针已经固有地包括精度数据，并且另一方面，由于不再需要对数值进行 离散，从而在音符识别过程中保存处理步骤。如在图3的变形中，指示器 7、目标区域8和音符音阶以同样的方式位于表盘上。然而，由于更大的角 度部分可用于每个半音程的显示，因此可以翻转刻度7和音符音阶的位置， 或者使用表盘的更大角度部分，例如270度或更大，或甚至是整个表盘以 设置音符的音阶6，从而能够使更快地读取涉及信号10的频率值的第一固 有数据成为可能。由于它们与图3所述的所有方式是相同的，因此没有描 绘出各按钮16、17和18以及其功能。

在用于信号10的固有频率19的显示的更基本的变形中，在检测频率 的显示期间，两个时针3和分针2可重叠，并都指向可在音符的音阶6上 读取的值。然而，该变形要求用户在不使用任何其它指示器7时了解精度。

图6描述了本发明的另一实施方式，其中，此时被安排在框（bezel） 5上而不是在表盘上的音符音阶6上的音符角度位置11与时针位置一致。 用于全部音符的角度分布是360度，也就是，每个半音程30度。从而根据 图1-图4中所示的实施方式，为每个半音程提供放大的角度空间，该变形 不仅可以用于最接近音符11的显示，而且方便地用于图5的连续显示方法。 此外，音符音阶和时针的音符一致显示允许由音符替换涉及小时的信息， 从而不会丢失在常规模式中读取的固有特性，反之，调音模式不要求将任 何附加的数据放置在表盘上的某处。根据该变形，需要说明的是，按钮已 经由用于进行调整和描述改变的轴柄9代替。

图6的变形和其它所描述的实施方式之间的重要区别包括可重叠在时 针3上的分针2可显示校准值14的事实，其中例如基于用户偏好根据声学 环境和期望的声音效果，校准值优选地在435至445Hz之间。参考频率13 可默认地在作为标称值的440Hz处进行校准，并可优选地以1Hz的步长上 调或下调。然而，轴柄9可允许连续调整校准值14。这些对校准值14的 操作对电声信号10的固有频率19的计算产生影响。

将校准值显示在被安排为与指针2或3中的一个（优选为分针2）相 对的校准值音阶15上，其中校准值音阶15优选在表盘的下半部分，从而 为音符精度指示器7留下可使用的空间，这与之前描述的变形的方式相同。

尽管图6的变形使用轴柄9调整校准值4，可以设想使用按钮16和17 增加或减少校准值14，如图3所示。

图7a至图7d描述的变形是根据本发明的其它可能的变形，其都具有 共同点：在表框5上设有音符音阶，并使用轴柄9。此外，与之前描述的 变形不同，所有这些变形使用分针2而不是时针来显示音符的精度。分针 2指示与由表盘顶半部分的圆弧上的刻度（优选地集中在正午，并优选地 在包括120和180度之间的角度上扩展）形成的指示器7相对的频率偏差 12。

变形7a采用与图6所示相同的音符音阶6，其中音符音阶6表示在框 5的全部外围上表示混合的降半音/升半音模式的音符。这是与图3的实施 方式一致的完全模拟显示模式。相似的，图7b也涉及显示为完全模拟的实 施方式，其中分针2和时针3都具有与图7a相同的功能，但是在音符音阶 6上的音符显示模式为简单的双重降半音和升半音模式，也就是当可以选 择时，将全部音符显示为低音符的升半音或高音符的降半音。

图7c涉及混合显示模式，其使用用于最接近声音信号的音符11的数 字显示。从而框5可再次包括小时数，而不是图7a和图7b变形中的音符 位置。数字显示装置116优选地是位于表盘底部部分的LCD屏幕。

图7d还涉及模拟显示的实施方式，与涉及将音符设置在框上的图7a 和图7b的实施方式不同，音符音阶6位于框5的底部，在从用于音符Ab （A降半音）的3点和用于音符G的8点半之间。从而，如果在音符识别 过程20中无法识别频率，假设与音符相关联的12个半音相互跟随且没有 提供指示，则音符音阶6不在中心。

图8描述了使用时针3相对于分针2的位置的读数显示音符精度、从 而免除需要专用精度指示器7的实施方式。根据该实施方式，最接近音符 11通过指向音符音阶6上的音符的分针2进行显示，其中音符音阶6在这 里分布在框5的全部角度区域上。从而音符精度由位于分针2附近具有幅 度为30度的角度区域中的时针3进行显示。时针3在分针2两侧的最大偏 移是15度。根据该变形，由于每个半音占30度的角度区域，因此该偏移 实际上对应于四分音。因此，音符的精度由两个指针2和3重叠在音符音 阶6上的一个来确认，这里是在表盘4上1点处的A点。

假设相比于本发明其它实施方式，减小用于指示音符精度的角度空间， 则可以使用特定的形状或特定的颜色，例如绿色用于显示音符的指针和显 示精度的指针，而不考虑其是否是时针3或分针2（每个指针的功能可以 对换），并且当频率吻合时指针重合，从而指示精度的颜色（例如红色） 被指示音符的颜色（例如绿色）遮挡。至于形状，例如，中空的指针可能 是受欢迎的，优选的是大于时针3的分针2。当频率吻合时，时针3于是 位于分针2的孔71中。该变形的优势在于不用给表盘4过度装载精度数据， 从而为其它类型的数据释放出空间。然而，其缺点是中空指针的加工成本 较高，相比于标准指针更难以制造。

利用用于改变模式的轴柄9描述了图8的变形。然而清楚地是，完全 可以设想该变形具有根据图3和图5实施方式的按钮。

更一般地，作为实施例给出这里描述的各种实施方式，并且决不能被 解释为限制性的方式。本领域技术人员可以了解的是，在不偏离本发明范 围的前提下，例如可以设想将所描述的各种实施方式的特征进行组合，甚 至添加其它特征。

附图标记

  1 便携式时钟（timepiece）   2 分针   3 时针   4 表盘（dial）   5 框（bezel）   6 音符音阶（scale）   61 指示没有音符被识别的标记   7 音符精度指示器（indicator）   71 孔（hollow）   8 目标区域   9 轴柄（图6）   10 接收的电声信号   11 与接收的音符最接近的音符   12 频率偏移   13 调音器的参考频率   14 参考频率校准值   15 校准值的音阶   16 第一按钮   17 第二按钮   18 第三按钮   19 固有的声音（acoustic）信号频率   100 电子设备   101 声音信号检测器   102 电声信号处理装置   1021 滤波器

  1021 放大器   1022 比较器   103 微控制器   104 基准时钟   105 RC振荡器   106 供应电流   107 电池   108 二进制信号（脉冲序列）   109 数据存储器   110 程序存储器   111 模拟现实装置   112 用户接口装置   113 处理器（CPU）   114 电动机模块   115 微控制器的输入/输出接口   116 数字显示装置   20 音符识别过程   21 音符周期表   22 二进制信号周期   231 由微控制器获得的第一序列周期   232 高于门限值的采样的第二减小的序列   233 由头两个序列确定的第三序列   234 通过第三序列分类的第四序列   24 识别周期   25 校正因子   26 测量周期（period）   201 RC振荡器（105）频率校准（calibration）

  202   二进制信号周期108的测量   203   基本周期提取过程   2031   相对于确定门限的比较   2032   高于门限值的峰值之间的持续时间的计算   2033   对序列233的元素进行分类   2034   门限比较   2035   门限减小   204   基本周期的识别   2041   已获得的周期的确认   205   音符精度计算   206   基本频率提取过程失败   207   测量周期与音符比较的步骤