Миди гитара (миди датчик, конвертер и семал-гитара)

Миди гитара – это гитара, у которой на выходе, после щипка струны, появляется «миди нота».
Дальше эта нота поступает в секвенсор и звучит нота инструмента, который подключен к секвенсору.

В этой статье я попробую кратко рассказать про миди гитару, миди датчик и особенности семал гитары — ее эволюционное отличие. Как  простая акустическая гитара с установиленным на нее семал конвертером, став миди инструментом, может с успехом конкурировать с дорогими  миди гитарами.

В настоящее время миди клавиатуры приобрели большую популярность среди музыкантов. Идет процесс вытеснения  ими  клавишных синтезаторов , в которых формирование и обработка звуков ограничена «железом». Программная обработка намного эффективней аппаратной. Никаких аппаратных средств (различных «примочек», аппаратных процессоров и синтезаторов) не хватит, чтобы «запихнуть» лишь малую часть тех звуков, настроек, эффектов, плагинов в «железо», которую можно разместить в компьютере и музицировать с помощью миди клавиатуры, а задержка благодаря мощным компьютерам, до недавнего времени ограничивающая  использование клавиатур, сейчас не актуальна. В некоторых случаях неплохо было бы, вместо миди клавиатуры использовать гитару, например для записи миди треков. Не все умеют играть на клавишах, да и по сцене » бегать» с миди клавиатурой не совсем удобно и перегруз на клавишах выглядит не реально. Использовать гитару вместо миди клавиатуры, конечно заманчиво, вот только  полноценная миди гитара до сих пор не создана.  Семал гитара – исключение!

Есть гитары, у которых вместо ладов – кнопки, и  это не миди-гитара, а гитароподобный миди контроллер. Есть гитары  с полифоническим датчиком, и это тоже не миди-гитара, а электрогитара с возможностью подключения миди конвертера 13-и жильным  кабелем. Миди-гитара – это гитара, в которой непосредственно происходит конвертация электрического гитарного сигнала в миди ноту, все остальное – это подобие миди-гитар.

На выходе миди — гитары после щипка струны, появляется «миди нота». Дальше эта нота поступает в секвенсор и звучит нота инструмента, который подключен к секвенсору. В отличие от миди клавиатуры, где нажатие клавиши сразу определяет ноту, с гитарой все намного сложнее. Необходимо зафиксировать колебание струны, определить частоту, амплитуду и выдать миди сообщение в виде миди ноты. Причем, время распознавания ноты должно быть минимальным: 1 — 1,5 периода колебания струны. Сложность распознавания нот заключается в специфике приемов звукоизвлечения, а также внешних факторов, влияющих на колебание струны. Есть предложения сделать сенсорные лады. Тогда нота будет определяться сразу без задержки. Но здесь возникают другие проблемы, которые не позволяют использовать игру на гитаре в режиме реального времени. Во — первых конструкция существенно усложняется. Во — вторых сенсор не определяет динамику струны. И самое главное – технические приемы игры на гитаре (в отличие от клавиатуры) предполагают отсутствие касания струны и лада, а нота должна звучать (при глушении во время гитарного чеса, флажолет, прием mute и т.д.) В эти моменты ноты будут пропадать, что не приемлемо. Игра на гитаре не будет отличаться от  игры на midi клавиатуре. По этому, на данный момент чтобы миди гитара наиболее полноценно повторяла игру гитариста миди нотами, необходимо использовать и совершенствовать технологию быстрого распознавания ноты при колебании струны. Максимальная задержка при колебании шестой свободной струны составляет 12 мс. ( к этому нужно стремиться) И это не так много. (на слух почти незаметно). Задержка нот на других струнах существенно меньше. По этому, нужно обратить внимание на задержку в тракте миди гитара – секвенсор – звуковая карта, которая может быть довольно существенной (десятки мс.), а винят в этом миди гитару.

В настоящее время некоторые фирмы выпускают гитарные миди конверторы, которые анализируют колебания струны и выдают миди ноты. Они появились 25 лет назад, но широкого применения не получили до сих пор. Отметим, почему!

—   как замечают многие музыкальные эксперты,  при традиционных способах звукоизвлечения появляются двойные ноты, ложные ноты, невозможность игры гитарным «чесом»

—  громоздкость как самих миди конверторов, так и их подключение к гитаре, используется 13-ти жильный кабель

—   использование электромагнитных миди датчиков, требует очень точной установки (0,1 мм), слабый уровень сигнала (10 – 30 мв) сопровождается  низким отношением сигнал – шум, что влечет за собой большое количество ложных нот

—  высокая стоимость

После проведения различных экспериментов с существующими конверторами, изучения характеристик гитарного сигнала стали понятны многие моменты появления лишних, ложных и случайных нот. Для того, чтобы миди — гитара выдавала миди ноты не хуже миди клавиатуры, более того с помощью ее можно было имитировать музыкальные инструменты с большой схожестью , необходимо изменить подход к разрабатываемому миди конвертеру от универсальности ( существующие конверторы якобы подходят ко всем миди датчикам, «миди — гитарам», даже бас гитарам) к индивидуальности конкретной гитары, ее конструкции, датчикам и струнам. В результате этого подхода случайные и ложные ноты в семал гитаре  и миди конвертере сведены к такому минимуму, что их практически не слышно и не видно. Это показано на учебных роликах. Я не буду раскрывать всех нюансов, лишь отмечу основные направления разработки конвертера:

—  датчики должны располагаться непосредственно на плате

—  сигнал каждой струны должен быть аппаратно обработан для последующего анализа процессором на той же плате Миди гитара - оркестр

—  должен  быть разработан алгоритм процессорной обработки индивидуально для каждой струны, который должен учитывать не только амплитуду и частоту, а еще несколько параметров колебания струны.

Другие подходы  неизбежно приведут к изобилию ложных  и лишних нот. Это довольно легко проверить, подключив конвертер к миди треку с фортепьяно, либо аккордеоном и играть обыкновенным гитарным » чесом» (играть аккорды 16-ми нотами), сразу станет видно и слышно как работает тот или иной конвертер.  Я не видел такие ролики, а видел только те, где конверторы, миди датчики, программы рекламируют,  демонстрируя медленный перебор, либо одноголосую игру.

Теперь вернемся к нашему конвертору.

В связи с тем, что погрешность при определении ноты не более 7,5% — ложные ноты возникают, в основном, на малых амплитудах при низком отношении сигнал – шум. Шум накладывается на полезный сигнал, при этом погрешность становится более 7,5%. Такая же картина возникает при низком переходном затухании между датчиками (влияние колебания струн на соседние датчики).

Для того, чтобы ложных нот было минимальное количество, или их не было вообще,  необходимо выполнить следующие условия:

— отношение сигнал – шум каждого канала не менее 80 дб

— переходное затухание между каналами разных струн – 40 дб

— алгоритм быстрого распознавания нот должен учитывать разность длительностей первого и последующих периодов после атаки каждой струны.

При использовании существующих датчиков, как электромагнитных, так и пьезо эти условия выполнить невозможно, поэтому было решено разработать специальный датчик, который:

— должен быть полифоническим (под каждую струну)

— располагаться на плате в непосредственной близости от входных цепей электрической схемы

— иметь высокое отношение сигнал – шум

— иметь высокую чувствительность

— размах амплитуды 6 – 8 вольт

— тщательно экранирован и демпфирован

При использовании соответствующих материалов и конструктивных особенностей был разработан аудио канал для каждой струны в составе с датчиком со следующими основными характеристиками:

— отношение сигнал – шум сквозного канала  датчик – аудио вход компьютера – 92 дб

— амплитуда                                                                                                                   – 8в

— переходное затухание каналов                                                                                 – 43 дб

Был разработан и реализован аппаратно – программный алгоритм быстрого  распознавания ноты для каждой струны. Время определения ноты составляет 1,5 периода, т.е. 18 до 3,5мс (зависит от толщины струны). Отсюда видно, что при взятии аккорда, где участвуют до 6 струн, задержка атаки аккорда составляет приблизительно 5 – 8 мс и на слух совершенно незаметна.

Помимо ложных нот, которые в семал-гитаре сведены к минимуму, из-за специфики звукоизвлечения возникают случайные и нежелательные ноты, например при снятии пальца со струны или при неплотном прижатии струны к ладу во время приема глушения струн левой рукой происходит изменение частоты колебания струны и возникает дополнительная нота. Алгоритм распознавания также это учитывает и исключает эти ноты из общего потока. Некоторые музыкальные эксперты высказывают мысль, что на миди-гитаре, не возможно играть гитарным «чесом» из-за медлительности миди протокола. Однако это не так, миди нота составляет 320 мкс и за один период 6-й струны можно передать несколько нот. Невозможность игры гитарным «чесом» объясняется большой задержкой или несовершенством алгоритма быстрого  распознавания ноты.

При прослушивании демонстрационных роликов семал гитары и семал конвертера можно оценить как звучат инструменты при игре гитарным «чесом» в миди режиме для чего они в основном и записаны.

В семал-гитаре имеется миди контроллер, состоящий из 7 кнопок, при нажатии  которых загорается соответствующий светодиод, и выдаются миди сообщения, которыми управляется любой программный миди инструмент. Для чего это нужно?

В настоящее время режим миди используют в основном для получения нового звучания самой гитары, посредством смешивания прямого аудио сигнала и синтезированного, который образуется в секвенсоре с помощью миди нот. Я предлагаю, более расширенный подход к использованию режима миди-гитары. Помимо создания новых гитарных звуков, в семал-гитаре можно эффективно использовать функцию человек – оркестр. Здесь нам и нужен миди контроллер. С помощью его можно запустить, остановить различные музыкальные инструменты, менять настройки, эффекты. В секвенсоре можно выстроить любую линейку инструментов ( барабаны, бас, клавиши и т.д.) Для того чтобы оркестр или группа звучали естественно необходимо широко использовать арпеджиаторы, режимы автопауэр, соло. В этом случае инструменты будут запускаться различными нотами, входящих в аккорд и звучание не будет унисонным, т.е. инструменты не будут запускаться одной и той же нотой.       Другими словами гитарист, как дирижер управляет оркестром, берет аккорды, а инструменты играют рисунок, который изначально  музыкант задает арпеджиатору. Гитарист сам может делать солирующие вставки, на фоне обыгрывания аккорда арпеджиаторами. Миди гитара заменяет оркестрПри использовании арпеджиатора, для бас линии, происходит следующее. При взятии аккордов верхней (1й лад ) и нижней (15 – 17 лад) позициях ноты изменяются в пределах 2-х —  3-х октав, и бас также синхронно будет следовать за ними, что не совсем естественно. В семал-гитаре разработан алгоритм бас-линии, при котором при изменении октав аккорда бас будет играть в своей октаве. Включив барабаны и бас-линию с арпеджиатором можно вести басовую партию, играя обыкновенные аккорды.

Ноты, которые выдает миди конвертер, распределяются следующим образом.

По 1 каналу идут все ноты, которые определяет конвертер. По 2, 3, 4 каналам идут ноты сформированные для соло партий. При игре аккордами звучат не все ноты, а определенные, которые выбраны алгоритмом. По 5 и 6 каналам идут ноты автопауэр режима (квинты, октавы). Этот режим разработан специально для перегруза. По 7 каналу идут ноты бас-линии.

ВАЖНО!  В миди режиме семал гитары и семал устройствах  есть возможность к каждой струне независимо подключить свой инструмент, так как миди ноты каждой струны идут  по 11, 12, 13, 14, 15 и 16 каналам.  Если к каждой  струне подключить гитарный  перегруз,  можно получить гитару орган.

При организации режима человек-оркестр удобно задать ведущий инструмент, например фортепьяно, ведомые инструменты, например бас, аккомпанирующие инструменты с арпеджиатором, солирующие, например флейту, саксофон и по мере надобности включать и выключать их кнопками контроллера (7 кнопок). Надо учитывать только то что играть нужно строго под барабаны, так как арпеджиаторы синхронизируются с основным ритмом.

Функции, реализованные в семал-гитаре, связанные с перегрузом, автопауэр не имеют аналогов.

На этом я остановлюсь более подробно.

При перегрузе происходит ограничение сигнала вследствие увеличения усиления на 10-30 дб относительно 0 дб. При звучании одной ноты (соло) звук приобретает дополнительные характеристики (резкость, певучесть, богатый тембровый окрас), которые широко используют в различных стилях музыки, особенно в роке. При одновременном звучании двух и более нот происходит следующее: так как в спектре сигнала появляется большое количество гармоник, возникают интермодуляционные искажения, сопровождающиеся звуками с другими частотами, которые либо консонируют с основным тоном, либо диссонируют. Консонируют, т. е. находятся в гармонии с основным тоном, частоты, которые отличаются от основного тона на 2/3; 3/4 и целое число раз, то есть, октавы, квинты, кварты. Наблюдается сила, мощь созвучия. Отсюда и название – пауэр аккорды. Если одновременно звучащие ноты находятся в другом интервале, то происходит диссонанс (грязное звучание). Здесь необходимо владеть не простой техникой игры, при которой должны звучать только квинты, октавы или одна нота. Поэтому, чтобы других звуков не было слышно, гитаристы глушат струны, либо их не трогают, используют роковые рифы и т.д. Помимо того что игра с перегрузом требует специальных навыков, особой техники игры, которой овладеть не так просто. Есть еще один нюанс. При игре пауэр аккордами или квинтами отсутствует терцовый тон. Пауэр аккорды как бы универсальны, потому что подходят к минорным, мажорным и другим созвучиям. Чтобы подчеркнуть тональность произведения, музыканты используют другие инструменты, например, клавиши, или перегруз в одноголосом истолнении (рифф) , для чего нужна вторая гитара. На одной гитаре с перегрузом нельзя играть мажорные, минорные и другие аккорды.

В связи с тем, что система быстрого распознавания нот семал-гитары дает приемлемые результаты по быстродействию и другим характеристикам, стало возможным разработка анализатора аккордовых последовательностей, алгоритм которого формирует несколько режимов, в том числе и те, при которых исключается одновременное звучание квинты и других нот. В семал-гитаре есть три режима, при которых квинта и другие ноты звучат в разных временных интервалах. Можно играть различными аккордами, обыкновенным гитарным «чесом» и при этом будет слышен терцовый тон, при полном отсутствии «грязи». А именно подключать перегруз к 2, 3, 4, 5, 6 каналам или играть одновременно. Можно играть по 11, 12, 13, 14, 15 и 16 каналам гитарой органом.

Как подключить гитару и конвертер к компьютеру и управлять режимами подробно рассказано на роликах сайта.

Семал гитара – не только полноценная миди гитара, аудио режим и конструкция инструмента не менее инновационны.