模拟原声音调的方法和音调信号合成系统的制作方法

模拟原声音调的方法和音调信号合成系统的制作方法
【专利摘要】公开了一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法和一种音调信号合成系统。电子钢琴(1)包括由软件实现的音调信号合成系统(100)、键以及监视键并向音调信号合成系统报告键位置的键传感器，并且音调信号合成系统包括：制音器模型计算模块(102-1，102-2)，用于确定针对钢琴弦丝的振动的阻力；弦槌模型计算模块(103)，用于确定在弦丝上施加的力；琴弦模型计算模块(104-1，104-2)，用于基于在弦丝上施加的力和阻力，确定由弦丝在钢琴的乐器主体上施加的力；乐器主体模型计算模块(105)，用于基于在乐器主体上施加的力，确定乐器主体的位移；以及空气模型计算模块(106)，用于根据乐器主体的位移，确定观察点处的声压。
【专利说明】模拟原声音调的方法和音调信号合成系统
[0001]本申请是申请日为2010年6月3日、申请号为201010196023.6、发明名称为“用
于合成音调信号的方法和音调信号生成系统”的发明专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明涉及音调生成技术，并且更具体地，涉及通过基于具有弦丝(wire)和用于支撑弦丝的乐器主体(instrument body)的原声乐器的音调生成机制的物理模型的模拟而准备的音调信号生成系统和用于人工地(artificially)生成音调的方法。
【背景技术】
[0003]已知有人工地生成音调的方法。该方法通过利用专用硬件对原声乐器的发声机制的物理模型的模拟而开发，其中专用硬件由例如DSP (数字信号处理器)、通用处理器和其它种类的数字电路的信号处理器制成。现有技术方法可用于通过原声乐器产生的音调的合成。在通过现有技术方法人工地产生原声钢琴音调的情况下，基于琴弦模型模拟弦丝的振动，并且基于共鸣板模型模拟由振动的弦丝引起的琴桥(bridge)和共鸣板的振动。包含现有技术模拟器的现有技术音调生成系统进行模拟，并通过根据模拟结果的合成而人工地产生钢琴音调。
[0004]在各方面彼此不同的日本专利申请特开N0.Hei (平)06-83363 (下文中称为“第一参考文献”)和N0.Hei (平)10-63270 (下文中称为“第二参考文献”)中公开了现有技术方法。
[0005]在第一参考文献中公开了电子乐器，并且在现有技术电子乐器中考虑两种振动，即，横向振动和纵向振动。现有技术电子乐器包括横向振动模拟模块、纵向振动模拟模块和共振模拟模块。代表乐曲数据的弦槌信号被提供给横向振动模拟模块，通过横向振动模拟模块产生代表横向振动的位移信号。将该位移信号从横向振动模拟模块提供给纵向振动模拟模块，并且通过纵向振动模拟模块基于位移信号产生纵向振动信号。通过共振模拟模块之一产生随着横向振动的共振的第一共振信号，并且通过另一共振模拟模块产生随着纵向振动的共振的第二共振信号。位移信号、纵向振动信号、第一共振信号和第二共振信号彼此相加，用于音调波形的合成。
[0006]在第二参考文献中公开了现有技术音调合成器。现有技术音调合成器包括用于琴弦模型的回路电路和用于共鸣板系统的回路电路。回路电路具有用于模拟弦丝振动的传播延迟的延迟电路和用于模拟弦丝中的原声损失的终止(terminating)滤波器。用于共鸣板系统的回路电路具有加法器、乘法器和共鸣板(具有预定传递函数)。用于琴弦模型的回路电路通过波导接头连接到用于共鸣板系统的回路电路，并且在音调合成时对回路电路的输出信号适当加权。
[0007]尽管在现有技术电子乐器和现有技术电子乐器中考虑了弦丝振动和共振这两者，但是对音乐具有精细听觉的人仍然感觉到合成的音调不接近通过诸如钢琴的原声乐器生成的音调。[0008]此外，原声乐器配有用于向原声音调赋予各种细微变化(nuance)的几个踏瓣和控制杆。举例来说，钢琴配有延音踏瓣(damper pedal)和弱音踏瓣(soft pedal)。当演奏者在相对长的踏瓣行程上压下延音踏瓣时，不管按下的键的释放，延音踏瓣保持制音器离开弦丝。本领域的一些人将弦丝称为“琴弦”。结果，弦丝在键返回静止位置之后持续振动，并且振动的弦丝通过共振引起其它弦丝的强烈振动。如果演奏者在相对短的踏瓣行程上压下延音踏瓣，则不管键的释放，延音踏瓣保持制音器与弦丝轻微接触，并且减小钢琴音调的响度，并且振动的弦丝引起其它弦丝的微弱振动。该执行技术被称为“半踏瓣”。由此，演奏者能向钢琴音调赋予任一细微变化。
[0009]弱音踏瓣也能用于细微变化。当弱音踏瓣停留在静止位置上时，每个弦槌毡(hammer felt)与关联组的三条弦丝相对,并且按下的键使弦槌租与该关联组的三条弦丝碰撞。当演奏者在相对长的行程上压下弱音踏瓣时，键架(key frame)横向移动，并且每个弦槌与该关联组的两条弦丝相对。在此情形下，按下的键使弦槌毡与该组的两条弦丝碰撞，从而生成小响度的钢琴音调。如果演奏者在相对短的行程上压下弱音踏瓣，键架在横向方向上轻微移动，并且弦槌毡的三个尾部(trail)偏离该关联组的三条弦丝。尽管由于与该关联组的三条弦丝的重复碰撞而使得三个尾部变硬，但是弦槌毡除了尾部之外的区域仍然是软的。为此，当弦槌毡与关联组的三条弦丝碰撞时，钢琴音调比通过三个尾部和三条弦丝之间的碰撞而生成的钢琴音调更柔和。由此，演奏者能通过弱音踏瓣向钢琴音调赋予不同的细微变化。
[0010]然而，在现有技术模型中没有考虑这些种类的踏瓣影响。结果，演奏者不能向通过现有技术乐器生成的合成音调赋予细微变化。

【发明内容】

[0011]因而，本发明的一个重要目的是提供音调信号生成系统，其产生代表接近于通过原声乐器产生的原声音调的合成音调的音调信号。
[0012]本发明的另一重要目的是提供在音调信号生成系统中采用的方法。
[0013]本发明人研究了原声乐器，并且注意到对于高精度的模拟，不仅需要现有技术模型也需要其它模型。下文中对于作为原声乐器的例子的钢琴描述其它模型。
[0014]具体地，钢琴的弦丝在其一端被框架上的支架(bearing)支撑，并且在其另一端被共鸣板上的琴桥支撑。当演奏者按下键时，键开始从静止位置向终点位置行进。支架是被称为背梁(ridge)的金属框架的一部分。按下的键使相关联的制音器在向着终点位置的路径上与相关联的弦丝分开，并且通过动作单元也在向着终点位置的路径上给予弦槌动能。弦槌与弦丝碰撞，从而在弦丝上激励出波动。波动能量传播到支撑端。部分波动能量通过支撑端传输到框架。剩余部分的波动能量在支撑端上反射，并且留在弦丝中。由此，波动通过反射在支撑端之间反复传播，从而在弦丝中产生振动。当弦槌与弦丝碰撞时，弦槌引起弦丝在弦槌的移动方向上，即在垂直于弦丝纵向的方向上的挠度(bend)。然而，琴桥在三个维度上振动。弦丝被琴桥的振动所影响，并且不仅在垂直方向上，还在同一虚平面内垂直于该垂直方向的方向上以及纵向方向上振动。
[0015]部分波动能量通过框架、共鸣板和箱体传播。如果演奏者压下延音踏瓣，则制音器与其它弦丝分开。在此情形下，其它弦丝由于从框架、共鸣板和箱体传输的能量而振动。由此，能量从弦丝以及框架、共鸣板和箱体之前传输，以生成原声钢琴音调。该现象通过“三维耦合振动机制”产生。通过“三维耦合振动模型”模拟三维耦合振动机制。
[0016]如上文所述，部分波形能量引起三维结构的振动，S卩，诸如框架、共鸣板、箱体的侧板和箱体的木框架的振动组成部分的组合，并且原声钢琴音调从振动的三维结构辐射到空气中。下文中将振动组成部分的组合称为“乐器主体(instrument body)”。该现象通过“来自三维乐器主体的原声辐射机制”产生。通过“来自三维乐器主体的原声辐射模型”模拟来自三维乐器主体的原声辐射机制。
[0017]标准原声钢琴具有88个键，并且音阶的音高被分别分配给88个键。当演奏者顺序地按下88个键时，按预定音高生成音调。然而，具有精细的音乐听觉的人感觉到从与被分配了最低音高的键起的四十个键相关联的振动弦丝生成的钢琴音调在音色上略微不同于从与其它键相关联的振动弦丝生成的钢琴音调。人们注意到这些钢琴音调包含非谐音(non-harmonic sound)。他们将非谐音表示为一种钟声,如“盯当声(jingling)”或“撕鸣声(whinnying)”,或者一种金属声,如“盯呤声(tinkling)”,并且在下文中称为“铃声”(ringing sound)。演奏者让弦槌与弦丝碰撞得越强,则钢琴音调中包含的铃声越多。如果钢琴音调包含铃声过多，则人们觉得铃声不舒服。然而，如果不完美地去除铃声，则人们感觉到钢琴音调太单调。铃声的来源是弦丝的非线性有限幅度振动。该现象通过“非线性有限幅度振动机制”产生，并且通过“非线性有限幅度振动模型”模拟非线性有限振动机制。
[0018]本发明人总结，为了更接近原声音调的音调合成，选择性地考虑上述机制。
[0019]为实现上述目的，本发明提出了为了改善电子音调，考虑三维耦合振动模型和来自三维乐器主体的原声辐射模型。三维耦合振动模型产生琴弦模型和乐器主体模型，并且原声辐射模型产生空气模型。
[0020]根据本发明的一个方面，提供了一种模拟通过原声乐器产生的原声音调的方法，用于产生代表接近于该原声音调且在空气中的特定点处观察的人工音调的音调信号，原声乐器具有至少一个振动弦丝和配有支撑部分的振动乐器主体，通过该支撑部分支撑前述至少一个振动弦丝，并且该方法包括步骤:a)获取表示在前述至少一个振动弦丝上施加的力的第一数据和表示每个支撑部分处的位移的第二数据，b)通过使用定义前述至少一个振动弦丝上施加的力和每个支撑部分处的位移、以及每个自然振动模式的模态坐标系上前述至少一个振动弦丝的位移之间的关系的运动方程，确定表示每个自然振动模式的模态坐标系上前述至少一个振动弦丝的位移的第三数据，c)通过使用方向余弦和定义支撑部分处的位移和支撑部分上施加的力以及第三数据表示的位移之间的关系的算式，基于第二数据确定表示由前述至少一个振动弦丝在支撑部分上施加的力的第四数据，d)基于第四数据和表示振动乐器主体的自然角频率、模态阻尼比和自然振动模式的分量的第六数据，通过使用定义该第四数据和表示近似于比例粘性阻尼系统的模态坐标系上振动乐器主体的位移或速度的第五数据之间的关系的运动方程，确定该第五数据，e)确定第二数据，作为第五数据、振动乐器主体在支撑部分处的自然振动模式和坐标轴间的方向余弦的值之间的乘积之和，f)向步骤a)提供第二数据，g)基于该第五数据，确定表示从该振动乐器主体辐射的、并在空气中的该特定点处观察到的声压的第七数据，作为通过该模态坐标系上该振动乐器主体的速度和第八数据之间的卷积而得到的计算结果之和，该第八数据表示该模态坐标系上该振动乐器主体的速度与空气中的该特定点处的该声压之间的冲击响应或频率响应，以及h)产生代表该第七数据并表示该人工音调的该音调信号。
[0021]根据本发明的另一方面，提供了一种音调信号合成系统，用于产生代表接近于通过原声乐器产生的原声音调的人工音调的音调信号，该原声乐器具有至少一个振动弦丝和配有支撑部分的振动乐器主体，其中通过该支撑部分支撑该至少一个弦丝，并且该音调信号合成系统包括:琴弦模型计算模块，包括第一子模块，获取表示前述至少一个振动弦丝上施加的力的第一数据和表示每个支撑部分处的位移的第二数据；第二子模块，通过使用定义前述至少一个振动弦丝上施加的力和每个支撑部分处的位移以及每个自然振动模式的模态坐标系上前述至少一个振动弦丝的位移之间的关系的运动方程，确定表示每个自然振动模式的模态坐标系上前述至少一个振动弦丝的位移的第三数据；以及第三子模块，通过使用坐标轴间的方向余弦和定义支撑部分处的位移和支撑部分上施加的力以及第三数据表示的位移之间的关系的算式，基于第二数据确定表示由前述至少一个振动弦丝在支撑部分上施加的力的第四数据；乐器主体模型计算模块，包括第四子模块，基于第四数据和表示振动乐器主体的自然角频率、模态阻尼比和自然振动模式的分量的第六数据，通过使用定义该第四数据和表示近似于比例粘性阻尼系统的模态坐标系上振动乐器主体的位移或速度的第五数据之间的关系的运动方程，确定第五数据；第五子模块，确定第二数据，作为第五数据、振动乐器主体在支撑部分处的自然振动模式和坐标轴间的方向余弦的值之间的乘积之和；以及第六子模块，向琴弦模型计算模块提供第二数据；以及空气模型计算模块，包括第七子模块，基于第五数据确定表示从振动乐器主体辐射的、并在空气中的特定点处观察到的声压的第七数据,基于该第五数据,确定表示从该振动乐器主体辐射的、并在空气中的该特定点处观察到的声压的第七数据，作为通过该模态坐标系上该振动乐器主体的速度和第八数据之间的卷积而得到的计算结果之和，该第八数据表示该模态坐标系上该振动乐器主体的速度与空气中的该特定点处的该声压之间的冲击响应或频率响应，以及第八子模块，产生代表第七数据并表示人工音调的音调信号。
[0022]根据本发明的另一方面，提供了一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法，用于产生代表接近于原声音调且被观察到的人工音调的音调信号，原声钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、由前述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、至少一个振动弦丝、与前述至少一个键链接以便根据前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、与前述至少一个制音器链接以便使前述至少一个制音器独立于前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的延音踏瓣、以及配有支撑部分的振动乐器主体，其中通过该支撑部分支撑前述至少一个弦丝，该方法包括步骤:a)获取表示对应于前述至少一个键的键行程的第一数据和表示对应于延音踏瓣的踏瓣行程的第二数据，b)通过基于第一数据和第二数据、按时间依赖方式改变前述至少一个制音器的粘性系数的值，确定表示由前述至少一个制音器针对前述至少一个弦丝的阻力的第三数据，以及c)考虑第三数据确定音调信号。
[0023]根据本发明的另一方面，提供了一种音调信号合成系统，用于产生代表接近于通过钢琴产生的原声音调的人工音调的音调信号，该钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、由前述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、至少一个振动弦丝、与前述至少一个键链接以便根据前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、与前述至少一个制音器链接以便使前述至少一个制音器独立于前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的延音踏瓣、以及配有支撑部分的振动乐器主体，其中通过该支撑部分支撑前述至少一个弦丝，并且该音调信号合成系统包括:制音器模型计算模块，包括第一子模块，获取表示对应于前述至少一个键的键行程的第一数据和表示对应于延音踏瓣的踏瓣行程的第二数据，以及第二子模块，通过基于第一数据和第二数据、按时间依赖方式改变前述至少一个制音器的粘性系数的值，确定表示由前述至少一个制音器针对前述至少一个弦丝的阻力的第三数据，以及音调信号产生模块，考虑第三数据确定该音调信号。
[0024]根据本发明的另一方面，提供了一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法，用于产生代表接近于原声音调的人工音调的音调信号，该原声钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、由前述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、至少一个振动弦丝、与前述至少一个键链接以便根据前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、与前述至少一个键链接以便使前述弦槌的冲击区域偏离前述至少一个振动弦丝的弱音踏瓣、以及配有支撑部分的振动乐器主体，其中通过该支撑部分支撑前述至少一个弦丝，该方法包括步骤:a)获取表示对应于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据，b)通过基于第一数据、按时间依赖方式改变前述至少一个弦槌的弹性模量的值，确定表示由前述至少一个弦槌在前述至少一个弦丝上施加的力的第二数据，以及c)考虑第二数据确定音调信号。
[0025]根据本发明的另一方面，提供了一种音调信号合成系统，用于产生代表接近于通过钢琴产生的原声音调的人工音调的音调信号，该钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、由前述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、至少一个振动弦丝、与前述至少一个键链接以便根据前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、与前述至少一个键链接以便使弦槌的冲击区域偏离前述至少一个振动弦丝的弱音踏瓣、以及配有支撑部分的振动乐器主体，其中通过该支撑部分支撑前述至少一个弦丝，该音调信号合成系统包括:制音器模型计算模块，包括第一子模块，获取表示对应于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据，以及第二子模块，通过基于第一数据、按时间依赖方式改变前述至少一个弦槌的弹性模量的值，确定表示由前述至少一个弦槌在前述至少一个弦丝上施加的力的第二数据，以及音调信号产生模块，考虑第二数据确定音调信号。
【专利附图】

【附图说明】
[0026]根据结合附图的以下描述，将更清楚地理解音调信号生成系统和方法的特征和优点，附图中
[0027]图1是示出本发明的电子钢琴的系统结构的框图，
[0028]图2是示出通过执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块的框图，
[0029]图3是示出标准大钢琴的结构的示意透视图，
[0030]图4是示出本发明的另一电子钢琴的系统结构的框图，[0031]图5是示出通过执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块的框图，
[0032]图6是示出本发明的另一电子钢琴的系统结构的框图，
[0033]图7是示出通过执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块的框图，
[0034]图8是示出本发明的另一电子钢琴的系统结构的框图，以及
[0035]图9是示出通过执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块的框图。
【具体实施方式】
[0036]第一实施例
[0037]电子钢琴的系统结构
[0038]实施本发明的电子钢琴I大体上包括控制器11、数据存储装置12、人机接口 13、操纵器15、声音系统17和共享总线系统18。控制器11、数据存储装置12、人机接口 13、操纵器15和声音系统17连接到共享总线系统18，从而控制器11能通过共享总线系统18与其它系统组件12、13、15和17通信。
[0039]控制器11是信息处理能力的源，并且包括中央处理单元11a、数字信号处理器lib、其它外设处理器(未示出)、只读存储器11c、随机存取存储器lid、信号接口 lie和内部总线系统Hf。中央处理单元11a、只读存储器Ilc和随机存取存储器Ild被缩写为“CPU”、“ROM”和“RAM”。直接存储器存取控制器和视频处理器可被包含为两个其它外设处理器。
[0040]中央处理单元Ila由微处理器实现，并且顺序地执行由计算机程序的编程指令代码表示的作业。计算机程序被存储在只读存储器Ilc中，从而中央处理单元Ila从只读存储器Ilc顺序地提取编程指令代码。在计算机程序被存储在数据存储装置12中的情况下，计算机程序从数据存储装置12传递到随机存取存储器lld，并且中央处理单元Ila从随机存取存储器Ild顺序地读出编程指令代码。随机存取存储器Ild向中央处理单元Ila提供工作区域。
[0041]电子钢琴I由中央处理单元Ila通过执行编程指令代码来控制。例如，如下文将描述的，中央处理单元Ila在数字信号处理器Ilb的辅助下生成音调信号，并且音调信号通过声音系统17转换为电音调。在此例子中，基于音调信号产生电子钢琴音调。
[0042]数据存储装置12具有非易失性方式的大数据保存容量。在此例子中，硬盘驱动单元充当数据存储装置12。各种数据被存储在数据存储装置12中。一组音调控制数据和音调数据被存储在数据存储装置12中。可根据MIDI (乐器数字接口)协议准备音调控制数据。在此例子中，音调控制数据表示键行程、弦槌速度、延音踏瓣行程和弱音踏瓣行程。键行程的值、弦槌速度的值、延音踏瓣行程的值和弱音踏瓣行程的值随时间变化。从诸如紧致盘DP的信息存储介质DP或通过通信网络从合适的服务器计算机加载这些种类的数据。
[0043]人机接口 13包括操纵面板13a和显示面板14。鼠标13b、开关13c和键盘13d形成操纵面板13a的各部分，并且用户通过鼠标13b、开关13c和键盘13d向电子钢琴I给出他们的指令。
[0044]在此例子中，显示面板14由液晶显示面板实现。控制器11通过执行计算机程序使显示面板14产生视觉图像，如消息、作业列表、性能菜单等。无需用户的决定或响应于用户的决定而产生视觉图像。例如，当电子钢琴I被加电时，在显示面板14上产生表示作业列表的视觉图像，而无需任何用户指令。
[0045]键盘15a和踏瓣16被称为操纵器15。黑键15b、白键15c、键位置传感器15d的阵列和键速度传感器15e的阵列被合并在键盘15a中。当未在键15b/15c上施加任何向下的力时，键停留在各自的静止位置上，并且键行程为零。当在每个键15b/15c上施加向下的力时，键开始从静止位置向终点位置行进。键行程向着中点位置而增加。键号被分别分配给键15b和15c，从而分别用键号指定按下的键15b/15c和释放的键15b/15c。
[0046]键位置传感器15d被分别分配给键15b和15c，并且键速度传感器15e也被分别分配给键15b和15c。键号被存储为键代码KC。用键位置传感器15d之一和键速度传感器15e之一监视每个键15b和15c。测量距离静止位置的键行程，并且键位置传感器15d产生键行程信号。键速度传感器15e产生键速度信号。键行程信号和键速度信号被从模拟形式转换为数字形式，并且通过共享总线系统18，从键盘15a周期性地向控制器11的信号接口Ile提供键代码KC、数字键行程信号KS和数字键速度信号KV。控制器11基于所获取的数据确定弦槌速度。
[0047]踏瓣16对应于延音踏瓣和弱音踏瓣，为此，踏瓣16在下文中被分别称为“延音踏瓣16a”和“弱音踏瓣16b”。踏瓣号被分别分配给踏瓣16，并被存储为踏瓣代码PC。用踏瓣代码PC指定压下的踏瓣和释放的踏瓣16。踏瓣位置传感器16c被分别分配给踏瓣16a和16b。当延音踏瓣16a和弱音踏瓣16b停留在各自的静止位置上时，踏瓣行程为零。踏瓣行程的值向着终点位置而增加。踏瓣行程信号被从模拟形式转换为数字形式，并且通过共享总线系统18将数字踏瓣行程信号PS和踏瓣代码PC周期性地提供给控制器11的信号接Π He。
[0048]声音系统17包括数模转换器17a、放大器(未不出)和扬声器17b。代表音调数据的音调信号被提供给声音系统17，并且通过数模转换器17a从数字形式转换为模拟形式。由此，从音调信号产生音频信号，并且通过放大器和扬声器17b将音频信号转换为电音调。
[0049]计算机程序被分解为主例程程序和子例程程序。当电子钢琴I被初始化时，主例程程序开始在中央处理单元Ila上运行。当主例程程序在中央处理单元Ila上运行时，用户通过人机接口 13给出他们的指令。子例程程序之一被分配给数据采集，并且主例程程序周期性地分支到用于从信号接口 Ile提取的数据的子例程程序。主例程程序和用于数据采集的子例程程序的细节是本领域技术人员已知的，为此为了简便，下文中不再进行进一步的描述。
[0050]另一子例程程序被分配给音调信号的合成，并且通过执行用于音调信号的合成的子例程程序实现图2所示的软件模块。对用于音调信号的合成的子例程程序考虑多个物理模型，并且它们被称为“制音器模型”、“弦槌模型”、“琴弦模型”、“乐器主体模型”和“空气模型”。
[0051]在标准原声钢琴的前提下准备这些模型。图3中示出了标准原声钢琴21的典型例子，并且标准原声钢琴21包括形成键盘21b的一部分的88个键21a、通过动作单元21d与键21a链接的弦槌21c、每个由一条到三条弦丝构成的弦丝21e的弦丝组、以及每个在零到多个点上与一条或多条弦丝21e接触的制音器21f。弦丝21e在其一端连接到琴桥21ea并且在其另一端连接到支架(bearing) 21eb。键21a、弦槌21c、动作单元21d、弦丝21e和制音器21f中的大部分被容纳在箱体21h中。弦丝和接触点的数目随着不同音区(register)而不同。钢琴箱体21h、框架、木框架、琴桥21ea、支架21eb和辐射原声钢琴音调的其它振动组成部分形成乐器主体21 j。
[0052]在以下描述中，词语“弦丝”、“弦槌”、“制音器”和“乐器主体”指代标准原声钢琴21的弦丝21e、弦槌21c、制音器21f和乐器主体21 j，因为弦丝、弦槌、制音器和乐器主体均为被合并在电子钢琴I中。
[0053]音调信号合成系统
[0054]用于音调信号的合成的子例程程序通过执行来实现音调信号合成系统100，音调信号合成系统100包括比较器101、制音器模型计算模块102-1和102-2、弦槌模型计算模块103、琴弦模型计算模块104-1和104-2、乐器主体模型计算模块105以及空气模型计算模块106。制音器模型计算模块102-1和102-2通过制音器模型模拟特定的一个或多个弦丝21e的振动，并且琴弦模型计算模块104-1和104-2在琴弦模型上模拟特定弦丝21e的振动。弦槌模型计算模块103、乐器主体模型计算模块105和空气模型计算模块106分别通过弦槌模型、乐器主体模型和空气模型模拟特定的一个或多个弦丝21e的振动。[0055]比较器101连接到制音器模型计算模块102-1和102_2，并且制音器模型计算模块102-1和102-2分别连接到琴弦模型计算模块104-1和104-2。弦槌模型计算模块103连接到琴弦模型计算模块104-1和104-2两者。琴弦模型计算模块104-1和104-2连接到乐器主体模型计算模块105，乐器主体模型计算模块105又连接到空气模型计算模块106。从空气模型计算模块106输出音调生成信号P (η At)。
[0056]如前所述，音调信号合成系统100在标准原声钢琴21具有88个键21a的前提下产生音调信号。为此，88个键15b和15c需要88组制音器模型计算模块102-1和102-2、弦槌模型计算模块103和琴弦模型计算模块104-1和104-2，并且88对琴弦模型计算模块104-1和104-2并联到乐器主体模型计算模块105。在以下描述中，为了简便，软件模块102-1、102-2、104-1和104-2被描述为如同标准原声钢琴仅仅具有一个键21a和用于该仅仅一个键21a的仅仅一组制音器21f/弦槌21c。
[0057]通过音调信号合成系统100中的信号合成处理生成音调信号，并且基于两条弦丝形成与每个键相关联的弦丝21e的物理模型进行信号合成处理。两个琴弦模型计算模块104-1和104-2并联到乐器主体模型计算模块105，并且分别负责两条弦丝。同样地，两个制音器模型计算模块102-1和102-2分别被提供用于两条弦丝，并且分别连接到两个琴弦模型计算模块104-1和104-2。在基于对每个键包含三条弦丝或多于三条弦丝的物理模型准备音调信号合成系统的情况下，按照使弦丝的数目iw等于琴弦模型计算模块的数目iw和制音器模型计算模块的数目iw的方式，增加琴弦模型计算模块104-1w和制音器模型计算模块102-1w。如果弦丝的数目iw是3或4，则琴弦模型计算模块的数目iw和制音器模型计算模块的数目iw也是3或4。
[0058]四个输入信号ek(nAt)、ep (η Δ t)、νΗ (η Δ t)和es(nAt)在控制器11中准备,并且被提供给音调信号合成系统100。第一输入信号ek(n △ t)代表表不键的行程的键行程数据，并且第二输入信号νΗ (η At)代表弦槌速度。如前所述，基于键速度和键加速度确定弦槌速度。利用键速度传感器15e测量键速度，并且通过数字键速度信号KV将键速度数据报告给控制器11。通过键速度值的微分确定键加速度。
[0059]第三输入信号ep (η At)代表延音踏瓣行程，第四输入信号es (η Λ t)代表弱音踏瓣行程。延音踏瓣行程和弱音踏瓣行程利用踏瓣传感器16c来测量，并且通过数字踏瓣行程信号PS报告给控制器11。
[0060]第一至第四输入信号ek (η At)、ep (η At)、νΗ (η At)和03 (η At)的值按间隔At变化。“η”从0、1、2...递增，并且经过的时间被表示为nAt。在此例子中，基于数字信号KS、KV> PS准备第一至第四输入信号ek(n Δ t)、ep(n Δ t)、νΗ(η Δ t)和es(n Δ t)。然而,可基于音调控制数据准备第一至第四输入信号。
[0061]音调信号P(nAt)代表音调数据，其表示在特定观察点的声压。音调数据从空气模型计算模块106被提供到用于生成电子钢琴音调的声音系统17，和/或被存储在数据存储装置12中用于回放。
[0062]基于以下28个假设来准备音调合成系统100的物理模型。
[0063](假设I)忽略重力。
[0064](假设2)当弦丝在平行于弦丝的中线的方向上向弦丝施加轴向力的条件下稳定时，弦丝处于静力平衡状态，并且每条弦丝具有细柱形结构，其具有圆形横截面。
[0065](假设3)弦丝的厚度不变，从而弦丝可应用梁理论。
[0066](假设4)垂直于弦丝中线的横截面自身保持平整，并且在变形后仍然垂直于中线。即，采用伯努力-欧拉假设。
[0067](假设5)弦丝的幅度的值较小。然而，幅度的值不是始终无限小。
[0068](假设6)弦丝是均质的。
[0069](假设7)弦丝中的应力被给出为与应变(strain)成比例的分量和与应变率成比例的另一分量之和。换言之，在弦丝中产生与刚性比例粘性阻尼相同的内部粘性阻尼。
[0070](假设8)在平行于弦丝中线的方向上，在弦丝中产生与质量比例粘性阻尼相同的外部粘性阻尼。
[0071](假设9)弦丝在其一端由形成乐器主体21j的部件的支架(bearing) 21eb支撑，并且在其另一端由也形成乐器主体21 j的部件的琴桥21ea支撑。不禁止弦丝在其支撑端旋转。
[0072](假设10)忽略弦丝和空气之间的作用和反作用。
[0073](假设11)弦槌21c具有与弦丝碰撞的头部，并且头部具有圆柱形。圆柱具有圆形末端表面，并且圆形末端表明的直径无限小。圆柱具有高度，它的值允许圆柱不受相邻弦丝21e的干扰。
[0074](假设12)在多条弦丝与单个弦槌21c相关联的情况下，弦丝中线在静力平衡的虚平面上。
[0075](假设13)在多条弦丝与单个弦槌21c相关联的情况下，假设单个弦槌21c具有与弦丝数目相等的多个弦槌头。
[0076](假设14)圆柱中线垂直于静力平衡的相关联琴弦的中线。
[0077](假设15)弦槌21c的重心在一条线上移动。
[0078](假设16)弦槌21c的重心的移动方向垂直于圆柱形的弦槌头的中线，还垂直于静力平衡的弦丝的中线。[0079](假设17)弦槌21c在与弦槌21c的重心的移动方向一致的方向上变形。
[0080](假设18)弦槌21c上的压力和压缩量之间的关系被给出为指数是正实数的函数。
[0081](假设19)在弦槌21c的弦槌头和弦丝表面之间不产生任何摩擦。
[0082](假设20)忽略弦槌21c和空气之间的作用和反作用。
[0083](假设21)对于与制音器21f相关联的弦丝，对弦丝中线上的特定点施加用于限制弦丝的挠曲振动的制音器21f的阻力，并且特定点被称为“音调停止点”。 [0084](假设22)阻力-速率(rate)关系被表示为线性表达式。
[0085](假设23)乐器主体21j的振幅的值极小。
[0086](假设24)乐器主体21j近似于线性粘性阻尼系统。
[0087](假设25)忽略空气对乐器主体21j的反作用。
[0088](假设26)空气是均质的。
[0089](假设27)气压和容积应变之间的关系被给出为线性表达式。
[0090](假设28)空气中不产生任何漩涡。
[0091]在以下说明书中，对于弦丝使用右手坐标系(X，y, z)。静力平衡的弦丝的中线与坐标系的X轴一致，并且弦丝在支架21eb处的支撑端被放置在坐标系的原点(0，0，0)。弦丝在琴桥21ea处的另一支撑端被放置在X大于O的区域中。弦槌21c的重心在与弦丝碰撞时在z轴的正方向上移动。对于乐器主体21 j和空气使用右手坐标系(X，Y, Z)。“t”表不经过的时间，并被称为时间变量。
[0092]因为物理模型102-1、102-2、103、104-1、104-2、105和106被构造在实现上述假设
的原声钢琴上。为此，不用指定标准原声钢琴21的组成部分的参考标记来标记原声钢琴的组成部分。
[0093]接着，描述参数和参数的符号。参数被分为五个群组，并且被给予音调信号合成系统100，用于对模型的数据处理。群组I中的参数可随时间一起变化，即，是时间依赖参数，而群组2至5的参数无论经过多少时间都不变，即，是时间独立参数。
[0094]群组1:群组I的参数涉及电子钢琴I的性能，并且被给予音调信号合成系统100。术语“键”、“弦丝”、“弦槌”、“制音器”和“乐器主体”指代其上构造物理模型的标准钢琴的组成部分 21a、21e、21c、21f?和 21 j。
[0095]VH[ik] (t)表示在与一个或多个弦丝碰撞前瞬间的弦槌速度。
[0096]eK[ik] (t)是随键行程一起变化的系数。
[0097]eP(t)是随着延音踏瓣的踏瓣行程一起变化的系数。
[0098]es[ik] (t)是随着弱音踏瓣的踏瓣行程一起变化的系数。
[0099]群组2:群组2的参数用于电子钢琴I的设计工作中。
[0100]Iff[ik]表示与单个键相关联的弦丝数。
[0101]ID[ik][iw]表示与单个弦丝组相关联的制音器的数目。
[0102]Θ H[ik]表示弦槌运动对垂直于z平面且包含X轴的虚平面的倾斜角。
[0103]MH[ik]表示弦槌的质量。
[0104]KH[ik]M是表示弦槌回弹性的正的常数或者主系数。
[0105]p[ik][iw]是表示弦槌回弹性的正的常数或指数。
[0106]bD[ik][iw]是弦槌的粘性阻尼系数。[0107]d[ik]M表示弦丝直径。
[0108]y [ik]M表示静力平衡的弦丝的密度。
[0109]E[ik][iw]表示纵向弹性模量。
[0110]n[ik]M表示弦丝的内部粘性阻尼系数。
[0111]b[ik][iw]表示弦丝在弦丝纵向上的外部粘性阻尼系数。
[0112]a H[ik]M是表示表示弦槌碰撞的弦丝表面上的点的常数。弦丝表面上的点在下文中被称为“冲击点”。
[0113]aD[ik]M[iD]是表示音调衰减的制音器的位置的常数。该位置在下文中被称为“音调衰减点”。
[0114]ZB[ik][iw][iB]表示弦丝的支撑端的z坐标。
[0115]XB[ik][iw][iB]表示弦丝的支撑端的X坐标。
[0116]YB[ik][iw][iB]表示弦丝的支撑端的I坐标。
[0117]ωεω表示乐器主体的自然角频率。
[0118]4c[m]表示模态阻尼比。
[0119]q>B1[ik ][lw][iB][m]表示乐器主体在自然振动模式下的弦丝的支撑端处的z分量。
[0120]q)B2[i^iw][iBl[m]表示乐器主体在自然振动模式下的弦丝的支撑端处的X分量。
[0121]φΒ3[Λ]Μ?ιΒ]Μ表示乐器主体在自然振动模式下的弦丝的支撑端处的y分量。
[0122]通过使用模态质量对乐器主体的自然振动模式归一化。
[0123]群组3:群组3的参数涉及空气中的观察点，并在设计工作中使用。
[0124]li[ip][ml(nAt) (η=0, 1...，ΝΜ_1)表示在乐器主体的自然振动模式下的模量坐标系
上，速度和空气中观察点处的声压之间的冲击响应。
[0125]群组4:群组4的参数涉及调音(tuning)工作。
[0126]ε 0[ik]M表示静力平衡的弦丝的垂直应变。
[0127]群组5:群组5的参数涉及数值计算。
[0128]M/ik] (=M3[ik])表示自然振动模式的数目，即，弦丝的挠曲振动中的自然振动模式的数目。
[0129]M2[ik]是自然振动模式的数目，即，弦丝的纵向振动中的自然振动模式的数目。
[0130]M是自然振动模式的数目，即，乐器主体的自然振动模式的数目。
[0131]At表示采样间隔。
[0132]N[ip]表示在乐器主体的自然振动模式下的模量坐标系上，速度和空气中观察点处的声压之间的冲击响应的长度。
[0133]Wh表示当输入弦槌速度VH[ik](t)时WH[ik](t)的值。该值是负实数。在下文中结合群组8描述WH[ik]⑴。
[0134]音调信号被从空气模型计算模块106输出，并且代表空气中观察点处的声压。声压的值被表示SP[ip](nAt)，其中η是0、1、...，并且按照At的间隔变化。声压P[ip](nAt)的值是群组6的参数。
[0135]物理模型上的计算所需的其它参数被描述为群组7、8和9。
[0136]群组7:[0137]I [ik]M表示静力平衡下的弦丝长度，即，弦丝的支撑端之间的长度。
[0138]xH[ik][iw]表示冲击点的X坐标，并且等于a H[ik][iw] i [ik]M。
[0139]xD[ik] M [iD]表示音调衰减点的X坐标，并且等于a D[ik] M [iD] i [ik] M。
[0140]β kk, [ik][iw]表示坐标轴之间的方向余弦，其中k是1、2和3，k’是1、2和3。
[0141]
【权利要求】
1.一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法，用于产生代表接近于所述原声音调且被观察到的人工音调的音调信号， 所述原声钢琴包括 至少一个键，在静止位置和终点位置之间移动， 至少一个动作单元，与所述至少一个键链接， 至少一个弦槌，由所述至少一个动作单元驱动旋转， 至少一个振动弦丝， 至少一个制音器，与所述至少一个键链接，以便根据所述至少一个键的位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触， 延音踏瓣，与所述至少一个制音器链接，以便使所述至少一个制音器独立于所述至少一个键的所述位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触，以及 振动乐器主体，配有支撑部分，通过所述支撑部分支撑所述至少一个振动弦丝， 其特征在于所述方 法包括步骤: a)获取表示对应于所述至少一个键的键行程的第一数据和表示对应于所述延音踏瓣的踏瓣行程的第二数据， b)通过基于所述第一数据和第二数据、按时间依赖方式改变所述至少一个制音器的粘性系数值，确定表示由所述至少一个制音器针对所述至少一个振动弦丝的阻力的第三数据，以及 c)考虑所述第三数据确定所述音调信号。
2.一种音调信号合成系统，用于产生代表接近于通过钢琴产生的原声音调的人工音调的音调信号，所述钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、与所述至少一个键链接的至少一个动作单元、由所述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、至少一个振动弦丝、与所述至少一个键链接以便根据所述至少一个键的位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、与所述至少一个制音器链接以便使所述至少一个制音器独立于所述至少一个键的所述位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触的延音踏瓣、以及配有支撑部分的振动乐器主体，其中通过所述支撑部分支撑所述至少一个振动弦丝， 其特征在于， 所述音调信号合成系统包括: 制音器模型计算模块，包括 第一子模块，获取表不对应于所述至少一个键的键行程的第一数据和表不对应于所述延音踏瓣的踏瓣行程的第二数据，以及 第二子模块，通过基于所述第一数据和第二数据、按时间依赖方式改变所述至少一个制音器的粘性系数值，确定表示由所述至少一个制音器针对所述至少一个振动弦丝的阻力的第三数据，以及 音调信号产生模块，考虑所述第三数据确定所述音调信号。
3.一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法，用于产生代表接近于所述原声音调的人工音调的音调信号， 所述原声钢琴包括至少一个键，在静止位置和终点位置之间移动， 至少一个动作单元，与所述至少一个键链接， 至少一个弦槌，由所述至少一个动作单元驱动旋转， 至少一个振动弦丝， 至少一个制音器，与所述至少一个键链接，以便根据所述至少一个键的位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触， 弱音踏瓣，与所述至少一个键链接，以便使所述弦槌的冲击区域偏离所述至少一个振动弦丝，以及 振动乐器主体，配有支撑部分，通过所述支撑部分支撑所述至少一个振动弦丝， 其特征在于， 所述方法包括步骤: a)获取表示对应于所述弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据， b)通过基于所述第一数据、按时间依赖方式改变所述至少一个弦槌的弹性模量的值，确定表示由所述至少一个弦槌在所述至少一个振动弦丝上施加的力的第二数据，以及 c)考虑所述第二数据确定所述音调信号。
4.一种音调信号合成系统，用于产生代表接近于通过钢琴产生的原声音调的人工音调的音调信号，所述钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、与所述至少一个键链接的至少一个动作单元、由所述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、至少一个振动弦丝、与所述至少一个键链接以便根据所述至少一个键的位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、与所述至少一个键链接以便使所述弦槌的冲击区域偏离所述至少一个振动弦丝的弱音踏瓣、以及配有支撑部分的振动乐器主体，其中通过所述支撑部分支撑所述至少一个振动弦丝， 其特征在于， 所述音调信号合成系统包括: 弦槌模型计算模块，包括 第一子模块，获取表示对应于所述弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据，以及第二子模块，通过基于所述第一数据、按时间依赖方式改变所述至少一个弦槌的弹性模量的值，确定表示由所述至少一个弦槌在所述至少一个振动弦丝上施加的力的第二数据，以及 音调信号产生模块，考虑所述第二数据确定所述音调信号。
【文档编号】G10H5/00GK103531192SQ201310547932
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2010年6月3日 优先权日:2009年6月3日
【发明者】富永英嗣 申请人:雅马哈株式会社