에어 파이프를 이용하여 전자 오르간을 튜닝하는 방법

에어 파이프를 이용하여 전자 오르간을 튜닝하는 방법{METHOD USED TO TUNE AN ELECTRONIC ORGAN WITH ASSOCIATED AIR ORGAN PIPES}

본 발명은 에어 오르간 파이프를 이용하여 전자 오르간을 튜닝하는 데 사용되는 방법과, 이 방법을 실시하는 데 사용되는 전자 장치에 관한 발명이다.

당 분야에 잘 알려진 바와 같이, 종래의 파이프 오르간에 비해 저렴하고 유지관리가 용이한 예배용 전자 오르간을, 기존의 전기-기계적 오르간의 파이프나 특별하게 설비된 에어 파이프들과 조합하는 구성이, 교회, 극장, 콘서트 홀 등에서 점점 인기를 얻고 있다.

현대의 전자 오르간을 종래의 에어 파이프와 조합하는 이유는, 에어 파이프들이 매우 매혹적인 방식으로 전자 오르간의 소리를 완성시키기 때문이다.

그러나, 이러한 조합(즉, 종래의 에어 파이프에 의해 발생되는 소리와 함께 전자 사운드를 발생시키는 것)은 두가지 기존의 기술들의 장점들을 조합함에도 불구하고, 상당한 단점을 내재하고 있다.

이러한 불편함은 전자 오르간과 에어 파이프 사운드를 한개의 소리로 튜닝하는 것이 어렵다는 점에 기초한다.

이는 전자 사운드들이 수학적으로 정확한 것은 물론이고 대기의 변수에 대해 영향을 거의 안받는 데 반해, 온도 및 습도 등의 환경 요인에 민감한 금속 재질의 에어 파이프들은 이러한 대기의 변수들에 따라 진동 주파수 및 음색에 변화를 보이기 때문이다.

에어 파이프에 의해 생성되는 사운드에서의 이러한 변화로 인해, 전자 오르간의 사운드와 조합하여 얻은 사운드가 조율 정도를 벗어나게 되고("out of tune"), 따라서, 매우 부정적인 결과를 야기하게 된다.

전자 오르간에 의해 생성되는 사운드의 인토네이션을 에어 파이프에 의해 생성되는 사운드의 인토네이션으로 실시간으로 조정하려는 시도를 통해 지금까지 이 문제를 해결하고 있다.

이것이 유일한 해법이다. 즉, 반대 동작을 수행하는 것이 불가능하다. 즉, 전자 오르간의 사운드에 대하여 에어 파이프의 사운드를 조정하는 것은 불가능하다. 이러한 경우에, 전자 오르간에 관련된 각각의 에어 파이프에 대해 개별적이고 복잡한 교정이 요구되기 때문이다.

그러나, 에어 파이프의 소리에 대해 전자 오르간의 사운드를 조정하는 것이 완전히 만족스런 것은 아니다. 왜냐하면, 이는 기본적으로 귀에 의해 수행되기 때문이다. 또한, 어려운 곡의 연주 중 이러한 동작을 수행하는 것이 매우 어렵다는 점도 고려하여야 할 것이다.

이러한 동작들의 불량한 효능으로 인해, 전문가들은 전자 오르간의 인토네이션을 에어 파이프의 사운드에 대해 조정할 수 있도록 전자 오르간의 인토네이션을 자동적으로 수정하는 데 사용되는 방법을 고안하게 되었다.

본 문헌의 범주 내에서, 온도 변화는 기본적으로 균일한 방식으로 에어 파이프들의 인토네이션을 저하시킨다는 점이 실험적으로 확인되었다.

다시 말해서, 온도가 변화할 때, 동일 세트 내의 에어 파이프들이 동일한 방식으로 인토네이션을 상승시키거나 하강시킨다.

더우기, 에어 파이프의 인토네이션에 대한 특정한 온도 변화의 효과는 실험적으로 확인된 바 있다.

이러한 실험적 데이터로부터 시작하여, 에어 파이프들의 온도를 연속적으로 모니터링하는 시스템이 고안되었다. 실험적 측정치와 평균치를 통해 보면, 섭씨 1도의 증가는 반음의 1/100의 2.2 내지 2.5배의 증가에 해당한다는 것이 확인되었다.

에어 파이프들의 인토네이션에 대한 온도 변화를 파악함으로서, 전자 오르간에 의해 발생되는 사운드의 인토네이션이 결과적으로 수정될 수 있다.

이 방법은 간단한 실행 모드 측면에서도 인기가 있다.

실제로, 온도 검출을 전기 정보로 변환할 수 있는 기기들은 인기가 있고 저렴하다. 오르간 MIDI 인터페이스나 다른 간단한 방법을 이용하여 전기 정보는 손쉽게 디지털 정보로 변환되어 전자 오르간에 전달된다.

그러나, 온도를 주파수로 변환하는 변환표들이 범용 측정치의 결과일 뿐 실시간으로 모니터링되는 구체적 상황의 결과가 아니기 때문에, 이러한 종래의 방식은 근사치에 가깝다. 더우기, 여러 다른 구성적 특성에 기초하여 여러가지의 인자들에 따라 변할 수 있는 습도 및 기압같은, 에어 파이프 사운드의 주파수에 영향을 미칠 수 있는 다른 매개변수들을 이러한 전통적 방식에서는 고려하지 않고 있다.

본 발명의 목적은 혁신적이고, 실용적이며, 효율적인 해법에 기초하여 공지 기술의 이러한 불편함을 극복할 수 있는 방법을 제시하는 것이다.

우선, 본 발명의 방법은 에어 파이프의 사운드에 대해 전자 오르간의 사운드를 실시간으로 조정하기 위해 동일 세트의 에어 파이프에서 검출되는 두가지의 매개변수들을 이용한다.

제 1 매개변수는 공지 기술에서 사용되던 것으로서, 에어 파이프 세트들이 위치한 공간의 온도 변화를 의미한다.

제 2 매개변수는 동일 세트 내 한개 이상의 파이프의 사운드의 실제 주파수를 의미한다. 모니터링되고 있는 파이프들이 동작을 시작할 때마다 주파수 값들이 자동적으로 검출된다고 가정한다. 이는 한 곡의 연주 중에도 실시간으로 업데이트되는 값을 보장한다.

추가적인 정보를 위해, 한개 이상의 파이프에서 순간적으로 검출되는 주파수 매개변수는 전자 오르간의 신속한 연속 튜닝을 위해 가장 직접적이고, 즉각적이며, 신뢰도 높은 매개변수에 해당함을 주목하여야 한다.

그러나, 모니터링되는 파이프들이 몇분간 침묵 상태를 유지할 수 있다(곡 연주에 포함되지 않은 경우). 이러한 경우에, 전자 오르간의 신속한 연속 튜닝은 불가능할 것이다.

이러한 갭을 채우기 위해, 본 발명의 방법은 에어 파이프들이 연주 중인지 여부에 관계없이 연속적으로 검출되는 온도 매개변수를 이용한다.

이러한 경우에, 전자 오르간은 실제 온도 및 주파수 데이터에 대해 연속적인 방식으로 업데이트되는 온도-주파수 변환 표를 이용하여 튜닝된다.

모니터링되는 파이프들의 주파수가 검출될 때마다, 이 매개변수는 전자 오르간을 튜닝하는 데 사용되는 것만이 아니라, 오르간의 정확한 튜닝을 결정하기 위한 기준으로 사용되는 온도-주파수 변환 표를 초단위로 업데이트하는 데도 사용된다. 가령, 사운드 주파수 측면에서 모니터링되고 있는 파이프들이 침묵 상태인 경우를 생각해볼 수 있다.

공지 기술에 비해 본 발명의 방법의 독자성을 강조하기 위해, 온도-주파수 변환 표에 사용되는 온도 및 주파수 값들이 추정된 값들이 아님에 주목하여야 한다. 왜냐하면, 이 값들은 실시간으로 이루어지는 연속적인 주기적 측정의 결과이기 때문이다.

몰론, 이는 전자 오르간을 에어 파이프를 이용하여 튜닝하는 것이 더이상 근사적인 방식으로 수행되지 않음을 보장한다. 이는 전자 오르간에 관련된 특정 세트의 에어 파이프들에 대해 초단위로 측정되는 값들에 기초하여 정확하면서도 순간적인 조정을 통해 수행되는 것이다.

이는 파이프들이 실제 동작하고 있을 때까지 오르간을 튜닝하는 데 사용되는 매개변수가, 정확하고 신뢰도 높은 것을 특징으로 하는 "직접적이고 순간적인" 매개변수라는 사실에 의해 확인된다.

더우기, 모니터링되는 파이프들이 침묵 상태일 때, 전자 오르간은 온도-주파수 변환 표를 이용하여 튜닝되며, 이 변환 표는 실제 순간적인 온도 및 주파수 값들에 기초하여 연속적이고 신속하게 업데이트되는 표다.

이러한 새로운 동작 모드 내에서, 각각의 에어 파이프의 사운드를 검출하여 이 사운드를 인접 파이프의 사운드 및 배경 노이즈와 구별해내는 데 사용되는 장치를 이용하여, 각각의 에어 파이프의 주파수가 레코딩된다는 점에 주목하여야 한다.

이 기능은 모니터링될 파이프로부터 짧은 거리에 설비된 마이크로폰에 의해, 또는, 파이프의 금속면에 직접 장착된 접촉식 마이크로폰이나 피조세라믹 버저(piezo-ceramic buzzer)에 의해, 또는, 파이프 내 에어의 경로에 사용되는 단면에 대해 유용한 위치로 설비된 에어 플로 센서에 의해, 또는, 그외 적절한 센서에 의해, 적절하게 수행된다.

도 1은 본 발명의 방법을 실시하는 데 사용되는 장치들 및 이 장치들의 상호작용을 설명하는 개략적 도면.

도 2 내지 도 5는 본 발명의 방법의 실제 실시 모드들을 설명하는 블록도표.

도 6은 본 발명이 기반으로 하는 동작 로직의 순서도.

본 발명의 방법은 건반의 눌림(keys pressed)과 스톱 활성화(register activation)에 대응하는 Midi(Musical Instrument Digital Interface) 코드들을, 한 세트의 에어 파이프(2)의 전자기 밸브를 제어하는 데 사용되는 전기적 명령으로 변환하는 데 사용되는 인터페이스를 이용하여 한 세트의 에어 파이프(2)들을 동작 시킬 수 있는 전자 오르간(1)의 존재 하에 적용된다.

특히, 오르간(1)은 대부분의 현대식 전자 오르간에서처럼, 튜닝을 결정하는 Midi 코드에 응답할 수 있어야 한다.

발명의 방법에 따르면, 전자 오르간(1)과 한 세트의 에어 파이프(2)들은 전자 장치(3)를 이용하여, 자동 튜닝 시스템(Auto Tune System: ATS) 블록(4)과, 종래의 미디 파이프 인터페이스(Midi Pipe Interface: MPI) 블록(5)과 상호작용한다.

특히, Midi 표준에 따라 시리얼 포트를 제공하는 마이크로프로세서를 이용하는 MPI(5)는 오르간(1)으로부터의 시리얼 디지털 정보를, 에어 파이프(2)의 전자기 밸브를 제어할 수 있는 전기 신호로 변환하는 기능을 한다.

이는, 전자 오르간(1)이 연주를 시작할 때, 건반과 스톱의 코드들이 Midi 포트를 이용하여 전자 장치(3)에 전송된다는 것을 의미한다. 특히, 이 코드들을 ATS 블록(4)에 전달되고, 다시 MPI 블록(5)에 전달되며, MPI 블록(5)은 이 정보를 전자기 밸브 시스템에 전송한다. 전자기 밸브 시스템은 에어 파이프(2)를 제어하여, 오르간(1)에 의해 실제 동작하는 건반 및 스톱들에 해당하는 파이프들이 연주되게 한다.

그러나, 본 발명의 방법을 실시하기 위한 기본적 역할은 ATS 블록(4)에 할당되어 있다.

이를 위해, ATS 블록(4)은 한 세트의 에어 파이프(2)로부터 가까운 거리에 설비된 온도 센서(6)와 상호작용하고, 또한, 에어 파이프(2) 상의 적절한 위치에 설비된 마이크로폰같은 사운드 검출 장치와 상호작용한다.

온도 센서(6)의 기능은, 에어 파이프(2) 인근에서 검출되는 온도에 관한 전기적 정보를 ATS 블록(4)에 전송하는 것이고, 이때, 사운드 검출기(7)는 에어 파이프에 의해 발생된 사운드의 전기 신호를 전송한다. ATS 블록(4)에는 Midi 표준을 따르는 시리얼 포트를 또한 제공하는 마이크로프로세서가 구비되며, 이 마이크로프로세서는 온도 및 사운드 전기 신호들을 처리하여, 파이프의 사운드 주파수를 자동적으로 결정할 수 있다.

신호들이 처리되면, ATS 블록(4)은 Midi 포맷의 데이터를 오르간(1)에 전송하고, 오르간(1)은 곡의 연주 중에도 이러한 정보에 기초하여 순간적으로 튜닝을 수정할 것이다.

도 1에 도시되는 바와 같이, 특정 에어 파이프에 한개의 마이크로폰이 적용된다. 특히, 더 자주 눌려지도록 설계된 키보드의 중앙 건반에 해당하는 가장 중요한 스톱의 파이프에 한개의 마이크로폰이 적용된다.

그러나, 발명의 방법을 개선시키기 위해, 다수의 사운드 검출기들이 사용될 수 있고, 각각의 검출기는 한 세트의 에어 파이프 내 한개의 파이프씩에 위치하며, 따라서, 여러가지 파이프 상에서 검출되는 주파수 변화의 평균값을 연산할 수 있다.

본 발명의 방법을 일반적으로 제시함에 이어, 아래에서는 좀더 구체적으로 기술적 실시사항을 제시한다.

주파수 값을 측정하기 위해, 기준 파이프에 의해 발생하는 사운드를 검출하는 데 마이크로폰(7)이 사용되어, 주파수를 정확하게 측정할 수 있고, 곡의 연주 중에 모니터링되는 파이프가 동작할 때마다 측정을 반복한다. 이때, 곡의 연주에도 끊김이 없고 파이프 동작에도 끊김이 없다.

마이크로폰(7)에 관련된 에어 파이프가 연주를 시작하자마자, 신호는 순간적으로 ATS 블록(4)에 전송된다. ATS 블록(4)에는 아날로그 감지 섹션이 제공된다. 이때, ATS 블록은 동작을 개시하고 사운드 주파수를 측정한다.

사운드 주파수 측정은 매우 높은 정확도로 실시된다. 왜냐하면, 사운드가 레귤러한 동작에 도달했을때만 마이크로프로세서가 동작할 것이기 때문이다.

마이크로프로세서는 높은 수의 신호 주기들을 측정하고(한번의 주기로는 불안정하다고 입증되었기 때문임), 측정된 주기들의 수로 총 측정치를 나눔으로서 이 결과의 평균치들을 연산한다.

더우기, "제로 크로싱" 측정 시스템을 이용하여, 측정된 주기들의 수가 매우 높은 정확도로 연산되며, 사운드 지속시간(duration)이신뢰도높은 측정을 보장하는 데 필요한 최소 주기를 보장하지 못할 경우 측정치는 버려진다.

측정된 주파수는 오르간(1)에 전송되는 튜닝 Midi 코드로 변환되고, 오르간은 이러한 정보를 판독하여 에어 파이프에 대해 인토네이션을 조정한다.

이는 자동적으로 이루어지며 음악인들에게 투명한 방식으로 이루어진다.

온도-주파수 변환 곡선은 다음과 같은 방식으로 얻을 수 있다.

ATS 블록(4)에 사용된 연산 유닛은 추정된 시작 곡선을 지닌다(도 2에서 우측의 점선으로 표시됨). 이 연산 유닛이 마이크로폰(7)을 이용하여 주파수를 측정할 때마다, 튜닝 정보를 오르간에 전송함에 추가하여, 연산 유닛은 온도를 판독하 고, 온도-주파수 표에 값을 포함시켜서, 이론적 값을 실제 값으로 바꾼다.

장치가 "실제" 데이터를 처음 판독하면, 그 데이터가 표에 포함되게 되며, 온도-주파수 변환을 표현하는 선이 이동하여, 동일한 경사를 유지하면서 해당 값을 지나게 된다(도 2의 좌측 점선).

제 2 주파수 값이 측정될 때, ATS 블록(4)은 튜닝 정보를 다시 오르간(1)에 전송하고, 이와 동시에, 현재 온도 값을 판독한다. 이때 온도-주파수 변환 표에 이러한 두번째의 실제 데이터를 포함시킨다.

이러한 두번째의 실제 정보는 라인의 정확도를 개선시키고, 이러한 라인의 정확도는 두개의 실제 데이터를 통해 그 경사 역시 수정될 것이다. 도 3에서, 수정된 라인은 연속 라인으로 도시된다.

세번째 주파수 값이 측정될 때, ATS 블록(4)은 튜닝 정보를 다시 오르간(1)에 전송하고, 이와 동시에, 현재의 온도 값을 판독한다. 이러한 세번째 실제 데이터는 온도-주파수 변환 표에 포함된다.

세번째 정보는 응답 곡선의 정확도를 추가적으로 개선시켜서, 세개의 실제 데이터를 통해 이 응답 곡선이 수정되며, 따라서, 도 4에 도시되는 바와 같이, 직선이 아닌 다른 방향으로 나타난다.

여러번의 측정 및 교정 후, 실제 응답 곡선은 도 5에 도시되는 바와 같이, 여러개의 점으로 표현되어, 실제 조건에 따라 조금더 또는 조금 덜 복잡한 방향을 가지게 된다.

업데이트 프로세스는 무한한 프로세스다. ATS 블록(4)이 동작 중일 때, 데이 터는 실제 상황에 맞추어 업데이트된다.

이러한 방식으로, 회로에 의해 오르간(1)에 전송되는 튜닝 정보는, 샘플 파이프의 주파수를 측정함으로서 또는 온도-주파수 변환 표에 의해 추출됨으로서, 항상 정확하고 실제적이며, 근사치나 추정치가 아니다.

도 6에서 도시되는 바와 같이, 두 정보 소스 사이에서, 주파수 측정이 온도-주파수 변환 표에 비해 우선순위를 가진다.

도 6에 도시된 기능들은 CPU에 의해 ATS 블록(4)에서 결정되는 동작 시퀀스들을 나타낸다.

특정 에어 파이프에 관련된 마이크로폰은 검출된 사운드 정보를 ATS 블록(4)에 전송하고, ATS 블록(4)에서는 확실성 및 안정성 요건을 가지는 지를 확인하기 위해 비준(validation)이 이루어진다. 확실성(certainty)이란, 모니터링되고 있는 특정 에어 파이프에 의해 그 사운드가 원초적으로 그리고 안전하게 발생된 것인 지를 의미하고, 안정성(stability)이란, 기준 매개변수로 사운드의 신뢰도를 의미한다.

이러한 요건들에 부합하지 않을 경우, 사운드 데이터는 폐기된다. 이 요건들에 부합할 경우, 데이터가 처리되어 주파수 값을 측정하게 된다.

주파수 값이 ATS 블록(4)에 의해 튜닝 데이터로 이용되어, 전자 오르간(1)의 인토네이션을 조정하게 된다.

이와 동시에, 데이터는 온도-주파수 변환 표를 계속하여 업데이트하는 데도 사용된다. 이 주파수-변환 표는 주파수가 측정될 때 온도 센서에 의해 측정되는 환 경적 온도 데이터를 또한 포함한다.

다수횟수의 주파수 측정에 대한 데이터의 전송은 타이머에 의해 관리되고, 타이머는 상기 온도-주파수 변환 표로부터 추출된 데이터를 또한 수신한다.

이러한 방식으로, 타이머는 모니터링되는 파이프가 기설정된 시간 주기 중 연주되고 있지 않은 지를 결정할 수 있다. 가령, 1 분 내지 5분동안 연주되고 있지 않은 지를 결정할 수 있고, 따라서, 특정 주파수에서 데이터를 생성하지 않았는 지를 결정할 수 있다.

전자 오르간이 에어 파이프의 주파수 변화에 따라 업데이트되는 데이터를 순간적으로 수신할 필요가 있기 때문에, 직접 주파수 데이터가 마이크로폰에 의해 측정되지 않을 때, 타이머가 동작하여 온도-주파수 변환 표로부터 추출된 튜닝 코드를 오르간에 전송할 수 있다.

마지막으로, 주파수 값들이 5분마다 온도 변화에 기초하여 측정된다고 가정할 때, 마지막 튜닝 데이터의 전송으로부터 4분 후 사운드의 새 주파수 측정이 검출될 경우, 마지막 정보는 새 튜닝 동작을 위해 오르간에 즉시 전송된다.

온도에 기초하여 튜닝 정보를 전송하는 데 사용되는 타이머는 5분 시간 제한 측정을 다시 개시하도록 리세팅된다.