模擬原聲音調(diào)的方法和音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】公開(kāi)了一種模擬通過(guò)原聲鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的方法和一種音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)。電子鋼琴(1)包括由軟件實(shí)現(xiàn)的音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)(100)、鍵以及監(jiān)視鍵并向音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)報(bào)告鍵位置的鍵傳感器，并且音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)包括：制音器模型計(jì)算模塊(102-1，102-2)，用于確定針對(duì)鋼琴弦絲的振動(dòng)的阻力；弦槌模型計(jì)算模塊(103)，用于確定在弦絲上施加的力；琴弦模型計(jì)算模塊(104-1，104-2)，用于基于在弦絲上施加的力和阻力，確定由弦絲在鋼琴的樂(lè)器主體上施加的力；樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊(105)，用于基于在樂(lè)器主體上施加的力，確定樂(lè)器主體的位移；以及空氣模型計(jì)算模塊(106)，用于根據(jù)樂(lè)器主體的位移，確定觀察點(diǎn)處的聲壓。
【專利說(shuō)明】模擬原聲音調(diào)的方法和音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2010年6月3日、申請(qǐng)?zhí)枮?01010196023.6、發(fā)明名稱為“用
于合成音調(diào)信號(hào)的方法和音調(diào)信號(hào)生成系統(tǒng)”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及音調(diào)生成技術(shù)，并且更具體地，涉及通過(guò)基于具有弦絲(wire)和用于支撐弦絲的樂(lè)器主體(instrument body)的原聲樂(lè)器的音調(diào)生成機(jī)制的物理模型的模擬而準(zhǔn)備的音調(diào)信號(hào)生成系統(tǒng)和用于人工地(artificially)生成音調(diào)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]已知有人工地生成音調(diào)的方法。該方法通過(guò)利用專用硬件對(duì)原聲樂(lè)器的發(fā)聲機(jī)制的物理模型的模擬而開(kāi)發(fā)，其中專用硬件由例如DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)、通用處理器和其它種類的數(shù)字電路的信號(hào)處理器制成?，F(xiàn)有技術(shù)方法可用于通過(guò)原聲樂(lè)器產(chǎn)生的音調(diào)的合成。在通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)方法人工地產(chǎn)生原聲鋼琴音調(diào)的情況下，基于琴弦模型模擬弦絲的振動(dòng)，并且基于共鳴板模型模擬由振動(dòng)的弦絲引起的琴橋(bridge)和共鳴板的振動(dòng)。包含現(xiàn)有技術(shù)模擬器的現(xiàn)有技術(shù)音調(diào)生成系統(tǒng)進(jìn)行模擬，并通過(guò)根據(jù)模擬結(jié)果的合成而人工地產(chǎn)生鋼琴音調(diào)。
[0004]在各方面彼此不同的日本專利申請(qǐng)?zhí)亻_(kāi)N0.Hei (平)06-83363 (下文中稱為“第一參考文獻(xiàn)”)和N0.Hei (平)10-63270 (下文中稱為“第二參考文獻(xiàn)”)中公開(kāi)了現(xiàn)有技術(shù)方法。
[0005]在第一參考文獻(xiàn)中公開(kāi)了電子樂(lè)器，并且在現(xiàn)有技術(shù)電子樂(lè)器中考慮兩種振動(dòng)，即，橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)?，F(xiàn)有技術(shù)電子樂(lè)器包括橫向振動(dòng)模擬模塊、縱向振動(dòng)模擬模塊和共振模擬模塊。代表樂(lè)曲數(shù)據(jù)的弦槌信號(hào)被提供給橫向振動(dòng)模擬模塊，通過(guò)橫向振動(dòng)模擬模塊產(chǎn)生代表橫向振動(dòng)的位移信號(hào)。將該位移信號(hào)從橫向振動(dòng)模擬模塊提供給縱向振動(dòng)模擬模塊，并且通過(guò)縱向振動(dòng)模擬模塊基于位移信號(hào)產(chǎn)生縱向振動(dòng)信號(hào)。通過(guò)共振模擬模塊之一產(chǎn)生隨著橫向振動(dòng)的共振的第一共振信號(hào)，并且通過(guò)另一共振模擬模塊產(chǎn)生隨著縱向振動(dòng)的共振的第二共振信號(hào)。位移信號(hào)、縱向振動(dòng)信號(hào)、第一共振信號(hào)和第二共振信號(hào)彼此相加，用于音調(diào)波形的合成。
[0006]在第二參考文獻(xiàn)中公開(kāi)了現(xiàn)有技術(shù)音調(diào)合成器?，F(xiàn)有技術(shù)音調(diào)合成器包括用于琴弦模型的回路電路和用于共鳴板系統(tǒng)的回路電路?；芈冯娐肪哂杏糜谀M弦絲振動(dòng)的傳播延遲的延遲電路和用于模擬弦絲中的原聲損失的終止(terminating)濾波器。用于共鳴板系統(tǒng)的回路電路具有加法器、乘法器和共鳴板(具有預(yù)定傳遞函數(shù))。用于琴弦模型的回路電路通過(guò)波導(dǎo)接頭連接到用于共鳴板系統(tǒng)的回路電路，并且在音調(diào)合成時(shí)對(duì)回路電路的輸出信號(hào)適當(dāng)加權(quán)。
[0007]盡管在現(xiàn)有技術(shù)電子樂(lè)器和現(xiàn)有技術(shù)電子樂(lè)器中考慮了弦絲振動(dòng)和共振這兩者，但是對(duì)音樂(lè)具有精細(xì)聽(tīng)覺(jué)的人仍然感覺(jué)到合成的音調(diào)不接近通過(guò)諸如鋼琴的原聲樂(lè)器生成的音調(diào)。[0008]此外，原聲樂(lè)器配有用于向原聲音調(diào)賦予各種細(xì)微變化(nuance)的幾個(gè)踏瓣和控制桿。舉例來(lái)說(shuō)，鋼琴配有延音踏瓣(damper pedal)和弱音踏瓣(soft pedal)。當(dāng)演奏者在相對(duì)長(zhǎng)的踏瓣行程上壓下延音踏瓣時(shí)，不管按下的鍵的釋放，延音踏瓣保持制音器離開(kāi)弦絲。本領(lǐng)域的一些人將弦絲稱為“琴弦”。結(jié)果，弦絲在鍵返回靜止位置之后持續(xù)振動(dòng)，并且振動(dòng)的弦絲通過(guò)共振引起其它弦絲的強(qiáng)烈振動(dòng)。如果演奏者在相對(duì)短的踏瓣行程上壓下延音踏瓣，則不管鍵的釋放，延音踏瓣保持制音器與弦絲輕微接觸，并且減小鋼琴音調(diào)的響度，并且振動(dòng)的弦絲引起其它弦絲的微弱振動(dòng)。該執(zhí)行技術(shù)被稱為“半踏瓣”。由此，演奏者能向鋼琴音調(diào)賦予任一細(xì)微變化。
[0009]弱音踏瓣也能用于細(xì)微變化。當(dāng)弱音踏瓣停留在靜止位置上時(shí)，每個(gè)弦槌氈(hammer felt)與關(guān)聯(lián)組的三條弦絲相對(duì),并且按下的鍵使弦槌租與該關(guān)聯(lián)組的三條弦絲碰撞。當(dāng)演奏者在相對(duì)長(zhǎng)的行程上壓下弱音踏瓣時(shí)，鍵架(key frame)橫向移動(dòng)，并且每個(gè)弦槌與該關(guān)聯(lián)組的兩條弦絲相對(duì)。在此情形下，按下的鍵使弦槌氈與該組的兩條弦絲碰撞，從而生成小響度的鋼琴音調(diào)。如果演奏者在相對(duì)短的行程上壓下弱音踏瓣，鍵架在橫向方向上輕微移動(dòng)，并且弦槌氈的三個(gè)尾部(trail)偏離該關(guān)聯(lián)組的三條弦絲。盡管由于與該關(guān)聯(lián)組的三條弦絲的重復(fù)碰撞而使得三個(gè)尾部變硬，但是弦槌氈除了尾部之外的區(qū)域仍然是軟的。為此，當(dāng)弦槌氈與關(guān)聯(lián)組的三條弦絲碰撞時(shí)，鋼琴音調(diào)比通過(guò)三個(gè)尾部和三條弦絲之間的碰撞而生成的鋼琴音調(diào)更柔和。由此，演奏者能通過(guò)弱音踏瓣向鋼琴音調(diào)賦予不同的細(xì)微變化。
[0010]然而，在現(xiàn)有技術(shù)模型中沒(méi)有考慮這些種類的踏瓣影響。結(jié)果，演奏者不能向通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)樂(lè)器生成的合成音調(diào)賦予細(xì)微變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]因而，本發(fā)明的一個(gè)重要目的是提供音調(diào)信號(hào)生成系統(tǒng)，其產(chǎn)生代表接近于通過(guò)原聲樂(lè)器產(chǎn)生的原聲音調(diào)的合成音調(diào)的音調(diào)信號(hào)。
[0012]本發(fā)明的另一重要目的是提供在音調(diào)信號(hào)生成系統(tǒng)中采用的方法。
[0013]本發(fā)明人研究了原聲樂(lè)器，并且注意到對(duì)于高精度的模擬，不僅需要現(xiàn)有技術(shù)模型也需要其它模型。下文中對(duì)于作為原聲樂(lè)器的例子的鋼琴描述其它模型。
[0014]具體地，鋼琴的弦絲在其一端被框架上的支架(bearing)支撐，并且在其另一端被共鳴板上的琴橋支撐。當(dāng)演奏者按下鍵時(shí)，鍵開(kāi)始從靜止位置向終點(diǎn)位置行進(jìn)。支架是被稱為背梁(ridge)的金屬框架的一部分。按下的鍵使相關(guān)聯(lián)的制音器在向著終點(diǎn)位置的路徑上與相關(guān)聯(lián)的弦絲分開(kāi)，并且通過(guò)動(dòng)作單元也在向著終點(diǎn)位置的路徑上給予弦槌動(dòng)能。弦槌與弦絲碰撞，從而在弦絲上激勵(lì)出波動(dòng)。波動(dòng)能量傳播到支撐端。部分波動(dòng)能量通過(guò)支撐端傳輸?shù)娇蚣?。剩余部分的波?dòng)能量在支撐端上反射，并且留在弦絲中。由此，波動(dòng)通過(guò)反射在支撐端之間反復(fù)傳播，從而在弦絲中產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)弦槌與弦絲碰撞時(shí)，弦槌引起弦絲在弦槌的移動(dòng)方向上，即在垂直于弦絲縱向的方向上的撓度(bend)。然而，琴橋在三個(gè)維度上振動(dòng)。弦絲被琴橋的振動(dòng)所影響，并且不僅在垂直方向上，還在同一虛平面內(nèi)垂直于該垂直方向的方向上以及縱向方向上振動(dòng)。
[0015]部分波動(dòng)能量通過(guò)框架、共鳴板和箱體傳播。如果演奏者壓下延音踏瓣，則制音器與其它弦絲分開(kāi)。在此情形下，其它弦絲由于從框架、共鳴板和箱體傳輸?shù)哪芰慷駝?dòng)。由此，能量從弦絲以及框架、共鳴板和箱體之前傳輸，以生成原聲鋼琴音調(diào)。該現(xiàn)象通過(guò)“三維耦合振動(dòng)機(jī)制”產(chǎn)生。通過(guò)“三維耦合振動(dòng)模型”模擬三維耦合振動(dòng)機(jī)制。
[0016]如上文所述，部分波形能量引起三維結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，S卩，諸如框架、共鳴板、箱體的側(cè)板和箱體的木框架的振動(dòng)組成部分的組合，并且原聲鋼琴音調(diào)從振動(dòng)的三維結(jié)構(gòu)輻射到空氣中。下文中將振動(dòng)組成部分的組合稱為“樂(lè)器主體(instrument body)”。該現(xiàn)象通過(guò)“來(lái)自三維樂(lè)器主體的原聲輻射機(jī)制”產(chǎn)生。通過(guò)“來(lái)自三維樂(lè)器主體的原聲輻射模型”模擬來(lái)自三維樂(lè)器主體的原聲輻射機(jī)制。
[0017]標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴具有88個(gè)鍵，并且音階的音高被分別分配給88個(gè)鍵。當(dāng)演奏者順序地按下88個(gè)鍵時(shí)，按預(yù)定音高生成音調(diào)。然而，具有精細(xì)的音樂(lè)聽(tīng)覺(jué)的人感覺(jué)到從與被分配了最低音高的鍵起的四十個(gè)鍵相關(guān)聯(lián)的振動(dòng)弦絲生成的鋼琴音調(diào)在音色上略微不同于從與其它鍵相關(guān)聯(lián)的振動(dòng)弦絲生成的鋼琴音調(diào)。人們注意到這些鋼琴音調(diào)包含非諧音(non-harmonic sound)。他們將非諧音表示為一種鐘聲,如“盯當(dāng)聲(jingling)”或“撕鳴聲(whinnying)”,或者一種金屬聲,如“盯呤聲(tinkling)”,并且在下文中稱為“鈴聲”(ringing sound)。演奏者讓弦槌與弦絲碰撞得越強(qiáng),則鋼琴音調(diào)中包含的鈴聲越多。如果鋼琴音調(diào)包含鈴聲過(guò)多，則人們覺(jué)得鈴聲不舒服。然而，如果不完美地去除鈴聲，則人們感覺(jué)到鋼琴音調(diào)太單調(diào)。鈴聲的來(lái)源是弦絲的非線性有限幅度振動(dòng)。該現(xiàn)象通過(guò)“非線性有限幅度振動(dòng)機(jī)制”產(chǎn)生，并且通過(guò)“非線性有限幅度振動(dòng)模型”模擬非線性有限振動(dòng)機(jī)制。
[0018]本發(fā)明人總結(jié)，為了更接近原聲音調(diào)的音調(diào)合成，選擇性地考慮上述機(jī)制。
[0019]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了為了改善電子音調(diào)，考慮三維耦合振動(dòng)模型和來(lái)自三維樂(lè)器主體的原聲輻射模型。三維耦合振動(dòng)模型產(chǎn)生琴弦模型和樂(lè)器主體模型，并且原聲輻射模型產(chǎn)生空氣模型。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種模擬通過(guò)原聲樂(lè)器產(chǎn)生的原聲音調(diào)的方法，用于產(chǎn)生代表接近于該原聲音調(diào)且在空氣中的特定點(diǎn)處觀察的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，原聲樂(lè)器具有至少一個(gè)振動(dòng)弦絲和配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，通過(guò)該支撐部分支撐前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲，并且該方法包括步驟:a)獲取表示在前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲上施加的力的第一數(shù)據(jù)和表示每個(gè)支撐部分處的位移的第二數(shù)據(jù)，b)通過(guò)使用定義前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲上施加的力和每個(gè)支撐部分處的位移、以及每個(gè)自然振動(dòng)模式的模態(tài)坐標(biāo)系上前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的位移之間的關(guān)系的運(yùn)動(dòng)方程，確定表示每個(gè)自然振動(dòng)模式的模態(tài)坐標(biāo)系上前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的位移的第三數(shù)據(jù)，c)通過(guò)使用方向余弦和定義支撐部分處的位移和支撐部分上施加的力以及第三數(shù)據(jù)表示的位移之間的關(guān)系的算式，基于第二數(shù)據(jù)確定表示由前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲在支撐部分上施加的力的第四數(shù)據(jù)，d)基于第四數(shù)據(jù)和表示振動(dòng)樂(lè)器主體的自然角頻率、模態(tài)阻尼比和自然振動(dòng)模式的分量的第六數(shù)據(jù)，通過(guò)使用定義該第四數(shù)據(jù)和表示近似于比例粘性阻尼系統(tǒng)的模態(tài)坐標(biāo)系上振動(dòng)樂(lè)器主體的位移或速度的第五數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運(yùn)動(dòng)方程，確定該第五數(shù)據(jù)，e)確定第二數(shù)據(jù)，作為第五數(shù)據(jù)、振動(dòng)樂(lè)器主體在支撐部分處的自然振動(dòng)模式和坐標(biāo)軸間的方向余弦的值之間的乘積之和，f)向步驟a)提供第二數(shù)據(jù)，g)基于該第五數(shù)據(jù)，確定表示從該振動(dòng)樂(lè)器主體輻射的、并在空氣中的該特定點(diǎn)處觀察到的聲壓的第七數(shù)據(jù)，作為通過(guò)該模態(tài)坐標(biāo)系上該振動(dòng)樂(lè)器主體的速度和第八數(shù)據(jù)之間的卷積而得到的計(jì)算結(jié)果之和，該第八數(shù)據(jù)表示該模態(tài)坐標(biāo)系上該振動(dòng)樂(lè)器主體的速度與空氣中的該特定點(diǎn)處的該聲壓之間的沖擊響應(yīng)或頻率響應(yīng)，以及h)產(chǎn)生代表該第七數(shù)據(jù)并表示該人工音調(diào)的該音調(diào)信號(hào)。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通過(guò)原聲樂(lè)器產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，該原聲樂(lè)器具有至少一個(gè)振動(dòng)弦絲和配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，其中通過(guò)該支撐部分支撐該至少一個(gè)弦絲，并且該音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)包括:琴弦模型計(jì)算模塊，包括第一子模塊，獲取表示前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲上施加的力的第一數(shù)據(jù)和表示每個(gè)支撐部分處的位移的第二數(shù)據(jù)；第二子模塊，通過(guò)使用定義前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲上施加的力和每個(gè)支撐部分處的位移以及每個(gè)自然振動(dòng)模式的模態(tài)坐標(biāo)系上前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的位移之間的關(guān)系的運(yùn)動(dòng)方程，確定表示每個(gè)自然振動(dòng)模式的模態(tài)坐標(biāo)系上前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的位移的第三數(shù)據(jù)；以及第三子模塊，通過(guò)使用坐標(biāo)軸間的方向余弦和定義支撐部分處的位移和支撐部分上施加的力以及第三數(shù)據(jù)表示的位移之間的關(guān)系的算式，基于第二數(shù)據(jù)確定表示由前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲在支撐部分上施加的力的第四數(shù)據(jù)；樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊，包括第四子模塊，基于第四數(shù)據(jù)和表示振動(dòng)樂(lè)器主體的自然角頻率、模態(tài)阻尼比和自然振動(dòng)模式的分量的第六數(shù)據(jù)，通過(guò)使用定義該第四數(shù)據(jù)和表示近似于比例粘性阻尼系統(tǒng)的模態(tài)坐標(biāo)系上振動(dòng)樂(lè)器主體的位移或速度的第五數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運(yùn)動(dòng)方程，確定第五數(shù)據(jù)；第五子模塊，確定第二數(shù)據(jù)，作為第五數(shù)據(jù)、振動(dòng)樂(lè)器主體在支撐部分處的自然振動(dòng)模式和坐標(biāo)軸間的方向余弦的值之間的乘積之和；以及第六子模塊，向琴弦模型計(jì)算模塊提供第二數(shù)據(jù)；以及空氣模型計(jì)算模塊，包括第七子模塊，基于第五數(shù)據(jù)確定表示從振動(dòng)樂(lè)器主體輻射的、并在空氣中的特定點(diǎn)處觀察到的聲壓的第七數(shù)據(jù),基于該第五數(shù)據(jù),確定表示從該振動(dòng)樂(lè)器主體輻射的、并在空氣中的該特定點(diǎn)處觀察到的聲壓的第七數(shù)據(jù)，作為通過(guò)該模態(tài)坐標(biāo)系上該振動(dòng)樂(lè)器主體的速度和第八數(shù)據(jù)之間的卷積而得到的計(jì)算結(jié)果之和，該第八數(shù)據(jù)表示該模態(tài)坐標(biāo)系上該振動(dòng)樂(lè)器主體的速度與空氣中的該特定點(diǎn)處的該聲壓之間的沖擊響應(yīng)或頻率響應(yīng)，以及第八子模塊，產(chǎn)生代表第七數(shù)據(jù)并表示人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)。
[0022]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種模擬通過(guò)原聲鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的方法，用于產(chǎn)生代表接近于原聲音調(diào)且被觀察到的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，原聲鋼琴包括在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)的至少一個(gè)鍵、與前述至少一個(gè)鍵鏈接的至少一個(gè)動(dòng)作單元、由前述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)弦槌、至少一個(gè)振動(dòng)弦絲、與前述至少一個(gè)鍵鏈接以便根據(jù)前述至少一個(gè)鍵的位置而與前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的至少一個(gè)制音器、與前述至少一個(gè)制音器鏈接以便使前述至少一個(gè)制音器獨(dú)立于前述至少一個(gè)鍵的位置而與前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的延音踏瓣、以及配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，其中通過(guò)該支撐部分支撐前述至少一個(gè)弦絲，該方法包括步驟:a)獲取表示對(duì)應(yīng)于前述至少一個(gè)鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表示對(duì)應(yīng)于延音踏瓣的踏瓣行程的第二數(shù)據(jù)，b)通過(guò)基于第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變前述至少一個(gè)制音器的粘性系數(shù)的值，確定表示由前述至少一個(gè)制音器針對(duì)前述至少一個(gè)弦絲的阻力的第三數(shù)據(jù)，以及c)考慮第三數(shù)據(jù)確定音調(diào)信號(hào)。
[0023]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通過(guò)鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，該鋼琴包括在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)的至少一個(gè)鍵、與前述至少一個(gè)鍵鏈接的至少一個(gè)動(dòng)作單元、由前述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)弦槌、至少一個(gè)振動(dòng)弦絲、與前述至少一個(gè)鍵鏈接以便根據(jù)前述至少一個(gè)鍵的位置而與前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的至少一個(gè)制音器、與前述至少一個(gè)制音器鏈接以便使前述至少一個(gè)制音器獨(dú)立于前述至少一個(gè)鍵的位置而與前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的延音踏瓣、以及配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，其中通過(guò)該支撐部分支撐前述至少一個(gè)弦絲，并且該音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)包括:制音器模型計(jì)算模塊，包括第一子模塊，獲取表示對(duì)應(yīng)于前述至少一個(gè)鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表示對(duì)應(yīng)于延音踏瓣的踏瓣行程的第二數(shù)據(jù)，以及第二子模塊，通過(guò)基于第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變前述至少一個(gè)制音器的粘性系數(shù)的值，確定表示由前述至少一個(gè)制音器針對(duì)前述至少一個(gè)弦絲的阻力的第三數(shù)據(jù)，以及音調(diào)信號(hào)產(chǎn)生模塊，考慮第三數(shù)據(jù)確定該音調(diào)信號(hào)。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種模擬通過(guò)原聲鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的方法，用于產(chǎn)生代表接近于原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，該原聲鋼琴包括在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)的至少一個(gè)鍵、與前述至少一個(gè)鍵鏈接的至少一個(gè)動(dòng)作單元、由前述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)弦槌、至少一個(gè)振動(dòng)弦絲、與前述至少一個(gè)鍵鏈接以便根據(jù)前述至少一個(gè)鍵的位置而與前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的至少一個(gè)制音器、與前述至少一個(gè)鍵鏈接以便使前述弦槌的沖擊區(qū)域偏離前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的弱音踏瓣、以及配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，其中通過(guò)該支撐部分支撐前述至少一個(gè)弦絲，該方法包括步驟:a)獲取表示對(duì)應(yīng)于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一數(shù)據(jù)，b)通過(guò)基于第一數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變前述至少一個(gè)弦槌的彈性模量的值，確定表示由前述至少一個(gè)弦槌在前述至少一個(gè)弦絲上施加的力的第二數(shù)據(jù)，以及c)考慮第二數(shù)據(jù)確定音調(diào)信號(hào)。
[0025]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通過(guò)鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，該鋼琴包括在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)的至少一個(gè)鍵、與前述至少一個(gè)鍵鏈接的至少一個(gè)動(dòng)作單元、由前述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)弦槌、至少一個(gè)振動(dòng)弦絲、與前述至少一個(gè)鍵鏈接以便根據(jù)前述至少一個(gè)鍵的位置而與前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的至少一個(gè)制音器、與前述至少一個(gè)鍵鏈接以便使弦槌的沖擊區(qū)域偏離前述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的弱音踏瓣、以及配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，其中通過(guò)該支撐部分支撐前述至少一個(gè)弦絲，該音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)包括:制音器模型計(jì)算模塊，包括第一子模塊，獲取表示對(duì)應(yīng)于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一數(shù)據(jù)，以及第二子模塊，通過(guò)基于第一數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變前述至少一個(gè)弦槌的彈性模量的值，確定表示由前述至少一個(gè)弦槌在前述至少一個(gè)弦絲上施加的力的第二數(shù)據(jù)，以及音調(diào)信號(hào)產(chǎn)生模塊，考慮第二數(shù)據(jù)確定音調(diào)信號(hào)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0026]根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，將更清楚地理解音調(diào)信號(hào)生成系統(tǒng)和方法的特征和優(yōu)點(diǎn)，附圖中
[0027]圖1是示出本發(fā)明的電子鋼琴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖，
[0028]圖2是示出通過(guò)執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計(jì)算機(jī)程序的一部分實(shí)現(xiàn)的軟件模塊的框圖，
[0029]圖3是示出標(biāo)準(zhǔn)大鋼琴的結(jié)構(gòu)的示意透視圖，
[0030]圖4是示出本發(fā)明的另一電子鋼琴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖，[0031]圖5是示出通過(guò)執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計(jì)算機(jī)程序的一部分實(shí)現(xiàn)的軟件模塊的框圖，
[0032]圖6是示出本發(fā)明的另一電子鋼琴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖，
[0033]圖7是示出通過(guò)執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計(jì)算機(jī)程序的一部分實(shí)現(xiàn)的軟件模塊的框圖，
[0034]圖8是示出本發(fā)明的另一電子鋼琴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖，以及
[0035]圖9是示出通過(guò)執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計(jì)算機(jī)程序的一部分實(shí)現(xiàn)的軟件模塊的框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]第一實(shí)施例
[0037]電子鋼琴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
[0038]實(shí)施本發(fā)明的電子鋼琴I大體上包括控制器11、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12、人機(jī)接口 13、操縱器15、聲音系統(tǒng)17和共享總線系統(tǒng)18?？刂破?1、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12、人機(jī)接口 13、操縱器15和聲音系統(tǒng)17連接到共享總線系統(tǒng)18，從而控制器11能通過(guò)共享總線系統(tǒng)18與其它系統(tǒng)組件12、13、15和17通信。
[0039]控制器11是信息處理能力的源，并且包括中央處理單元11a、數(shù)字信號(hào)處理器lib、其它外設(shè)處理器(未示出)、只讀存儲(chǔ)器11c、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器lid、信號(hào)接口 lie和內(nèi)部總線系統(tǒng)Hf。中央處理單元11a、只讀存儲(chǔ)器Ilc和隨機(jī)存取存儲(chǔ)器Ild被縮寫(xiě)為“CPU”、“ROM”和“RAM”。直接存儲(chǔ)器存取控制器和視頻處理器可被包含為兩個(gè)其它外設(shè)處理器。
[0040]中央處理單元Ila由微處理器實(shí)現(xiàn)，并且順序地執(zhí)行由計(jì)算機(jī)程序的編程指令代碼表示的作業(yè)。計(jì)算機(jī)程序被存儲(chǔ)在只讀存儲(chǔ)器Ilc中，從而中央處理單元Ila從只讀存儲(chǔ)器Ilc順序地提取編程指令代碼。在計(jì)算機(jī)程序被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12中的情況下，計(jì)算機(jī)程序從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12傳遞到隨機(jī)存取存儲(chǔ)器lld，并且中央處理單元Ila從隨機(jī)存取存儲(chǔ)器Ild順序地讀出編程指令代碼。隨機(jī)存取存儲(chǔ)器Ild向中央處理單元Ila提供工作區(qū)域。
[0041]電子鋼琴I由中央處理單元Ila通過(guò)執(zhí)行編程指令代碼來(lái)控制。例如，如下文將描述的，中央處理單元Ila在數(shù)字信號(hào)處理器Ilb的輔助下生成音調(diào)信號(hào)，并且音調(diào)信號(hào)通過(guò)聲音系統(tǒng)17轉(zhuǎn)換為電音調(diào)。在此例子中，基于音調(diào)信號(hào)產(chǎn)生電子鋼琴音調(diào)。
[0042]數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12具有非易失性方式的大數(shù)據(jù)保存容量。在此例子中，硬盤驅(qū)動(dòng)單元充當(dāng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12。各種數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12中。一組音調(diào)控制數(shù)據(jù)和音調(diào)數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12中。可根據(jù)MIDI (樂(lè)器數(shù)字接口)協(xié)議準(zhǔn)備音調(diào)控制數(shù)據(jù)。在此例子中，音調(diào)控制數(shù)據(jù)表示鍵行程、弦槌速度、延音踏瓣行程和弱音踏瓣行程。鍵行程的值、弦槌速度的值、延音踏瓣行程的值和弱音踏瓣行程的值隨時(shí)間變化。從諸如緊致盤DP的信息存儲(chǔ)介質(zhì)DP或通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)從合適的服務(wù)器計(jì)算機(jī)加載這些種類的數(shù)據(jù)。
[0043]人機(jī)接口 13包括操縱面板13a和顯示面板14。鼠標(biāo)13b、開(kāi)關(guān)13c和鍵盤13d形成操縱面板13a的各部分，并且用戶通過(guò)鼠標(biāo)13b、開(kāi)關(guān)13c和鍵盤13d向電子鋼琴I給出他們的指令。
[0044]在此例子中，顯示面板14由液晶顯示面板實(shí)現(xiàn)?？刂破?1通過(guò)執(zhí)行計(jì)算機(jī)程序使顯示面板14產(chǎn)生視覺(jué)圖像，如消息、作業(yè)列表、性能菜單等。無(wú)需用戶的決定或響應(yīng)于用戶的決定而產(chǎn)生視覺(jué)圖像。例如，當(dāng)電子鋼琴I被加電時(shí)，在顯示面板14上產(chǎn)生表示作業(yè)列表的視覺(jué)圖像，而無(wú)需任何用戶指令。
[0045]鍵盤15a和踏瓣16被稱為操縱器15。黑鍵15b、白鍵15c、鍵位置傳感器15d的陣列和鍵速度傳感器15e的陣列被合并在鍵盤15a中。當(dāng)未在鍵15b/15c上施加任何向下的力時(shí)，鍵停留在各自的靜止位置上，并且鍵行程為零。當(dāng)在每個(gè)鍵15b/15c上施加向下的力時(shí)，鍵開(kāi)始從靜止位置向終點(diǎn)位置行進(jìn)。鍵行程向著中點(diǎn)位置而增加。鍵號(hào)被分別分配給鍵15b和15c，從而分別用鍵號(hào)指定按下的鍵15b/15c和釋放的鍵15b/15c。
[0046]鍵位置傳感器15d被分別分配給鍵15b和15c，并且鍵速度傳感器15e也被分別分配給鍵15b和15c。鍵號(hào)被存儲(chǔ)為鍵代碼KC。用鍵位置傳感器15d之一和鍵速度傳感器15e之一監(jiān)視每個(gè)鍵15b和15c。測(cè)量距離靜止位置的鍵行程，并且鍵位置傳感器15d產(chǎn)生鍵行程信號(hào)。鍵速度傳感器15e產(chǎn)生鍵速度信號(hào)。鍵行程信號(hào)和鍵速度信號(hào)被從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且通過(guò)共享總線系統(tǒng)18，從鍵盤15a周期性地向控制器11的信號(hào)接口Ile提供鍵代碼KC、數(shù)字鍵行程信號(hào)KS和數(shù)字鍵速度信號(hào)KV?？刂破?1基于所獲取的數(shù)據(jù)確定弦槌速度。
[0047]踏瓣16對(duì)應(yīng)于延音踏瓣和弱音踏瓣，為此，踏瓣16在下文中被分別稱為“延音踏瓣16a”和“弱音踏瓣16b”。踏瓣號(hào)被分別分配給踏瓣16，并被存儲(chǔ)為踏瓣代碼PC。用踏瓣代碼PC指定壓下的踏瓣和釋放的踏瓣16。踏瓣位置傳感器16c被分別分配給踏瓣16a和16b。當(dāng)延音踏瓣16a和弱音踏瓣16b停留在各自的靜止位置上時(shí)，踏瓣行程為零。踏瓣行程的值向著終點(diǎn)位置而增加。踏瓣行程信號(hào)被從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且通過(guò)共享總線系統(tǒng)18將數(shù)字踏瓣行程信號(hào)PS和踏瓣代碼PC周期性地提供給控制器11的信號(hào)接Π He。
[0048]聲音系統(tǒng)17包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器17a、放大器(未不出)和揚(yáng)聲器17b。代表音調(diào)數(shù)據(jù)的音調(diào)信號(hào)被提供給聲音系統(tǒng)17，并且通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器17a從數(shù)字形式轉(zhuǎn)換為模擬形式。由此，從音調(diào)信號(hào)產(chǎn)生音頻信號(hào)，并且通過(guò)放大器和揚(yáng)聲器17b將音頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為電音調(diào)。
[0049]計(jì)算機(jī)程序被分解為主例程程序和子例程程序。當(dāng)電子鋼琴I被初始化時(shí)，主例程程序開(kāi)始在中央處理單元Ila上運(yùn)行。當(dāng)主例程程序在中央處理單元Ila上運(yùn)行時(shí)，用戶通過(guò)人機(jī)接口 13給出他們的指令。子例程程序之一被分配給數(shù)據(jù)采集，并且主例程程序周期性地分支到用于從信號(hào)接口 Ile提取的數(shù)據(jù)的子例程程序。主例程程序和用于數(shù)據(jù)采集的子例程程序的細(xì)節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，為此為了簡(jiǎn)便，下文中不再進(jìn)行進(jìn)一步的描述。
[0050]另一子例程程序被分配給音調(diào)信號(hào)的合成，并且通過(guò)執(zhí)行用于音調(diào)信號(hào)的合成的子例程程序?qū)崿F(xiàn)圖2所示的軟件模塊。對(duì)用于音調(diào)信號(hào)的合成的子例程程序考慮多個(gè)物理模型，并且它們被稱為“制音器模型”、“弦槌模型”、“琴弦模型”、“樂(lè)器主體模型”和“空氣模型”。
[0051]在標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴的前提下準(zhǔn)備這些模型。圖3中示出了標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴21的典型例子，并且標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴21包括形成鍵盤21b的一部分的88個(gè)鍵21a、通過(guò)動(dòng)作單元21d與鍵21a鏈接的弦槌21c、每個(gè)由一條到三條弦絲構(gòu)成的弦絲21e的弦絲組、以及每個(gè)在零到多個(gè)點(diǎn)上與一條或多條弦絲21e接觸的制音器21f。弦絲21e在其一端連接到琴橋21ea并且在其另一端連接到支架(bearing) 21eb。鍵21a、弦槌21c、動(dòng)作單元21d、弦絲21e和制音器21f中的大部分被容納在箱體21h中。弦絲和接觸點(diǎn)的數(shù)目隨著不同音區(qū)(register)而不同。鋼琴箱體21h、框架、木框架、琴橋21ea、支架21eb和輻射原聲鋼琴音調(diào)的其它振動(dòng)組成部分形成樂(lè)器主體21 j。
[0052]在以下描述中，詞語(yǔ)“弦絲”、“弦槌”、“制音器”和“樂(lè)器主體”指代標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴21的弦絲21e、弦槌21c、制音器21f和樂(lè)器主體21 j，因?yàn)橄医z、弦槌、制音器和樂(lè)器主體均為被合并在電子鋼琴I中。
[0053]音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)
[0054]用于音調(diào)信號(hào)的合成的子例程程序通過(guò)執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)100，音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)100包括比較器101、制音器模型計(jì)算模塊102-1和102-2、弦槌模型計(jì)算模塊103、琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2、樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊105以及空氣模型計(jì)算模塊106。制音器模型計(jì)算模塊102-1和102-2通過(guò)制音器模型模擬特定的一個(gè)或多個(gè)弦絲21e的振動(dòng)，并且琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2在琴弦模型上模擬特定弦絲21e的振動(dòng)。弦槌模型計(jì)算模塊103、樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊105和空氣模型計(jì)算模塊106分別通過(guò)弦槌模型、樂(lè)器主體模型和空氣模型模擬特定的一個(gè)或多個(gè)弦絲21e的振動(dòng)。[0055]比較器101連接到制音器模型計(jì)算模塊102-1和102_2，并且制音器模型計(jì)算模塊102-1和102-2分別連接到琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2。弦槌模型計(jì)算模塊103連接到琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2兩者。琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2連接到樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊105，樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊105又連接到空氣模型計(jì)算模塊106。從空氣模型計(jì)算模塊106輸出音調(diào)生成信號(hào)P (η At)。
[0056]如前所述，音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)100在標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴21具有88個(gè)鍵21a的前提下產(chǎn)生音調(diào)信號(hào)。為此，88個(gè)鍵15b和15c需要88組制音器模型計(jì)算模塊102-1和102-2、弦槌模型計(jì)算模塊103和琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2，并且88對(duì)琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2并聯(lián)到樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊105。在以下描述中，為了簡(jiǎn)便，軟件模塊102-1、102-2、104-1和104-2被描述為如同標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴僅僅具有一個(gè)鍵21a和用于該僅僅一個(gè)鍵21a的僅僅一組制音器21f/弦槌21c。
[0057]通過(guò)音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)100中的信號(hào)合成處理生成音調(diào)信號(hào)，并且基于兩條弦絲形成與每個(gè)鍵相關(guān)聯(lián)的弦絲21e的物理模型進(jìn)行信號(hào)合成處理。兩個(gè)琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2并聯(lián)到樂(lè)器主體模型計(jì)算模塊105，并且分別負(fù)責(zé)兩條弦絲。同樣地，兩個(gè)制音器模型計(jì)算模塊102-1和102-2分別被提供用于兩條弦絲，并且分別連接到兩個(gè)琴弦模型計(jì)算模塊104-1和104-2。在基于對(duì)每個(gè)鍵包含三條弦絲或多于三條弦絲的物理模型準(zhǔn)備音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)的情況下，按照使弦絲的數(shù)目iw等于琴弦模型計(jì)算模塊的數(shù)目iw和制音器模型計(jì)算模塊的數(shù)目iw的方式，增加琴弦模型計(jì)算模塊104-1w和制音器模型計(jì)算模塊102-1w。如果弦絲的數(shù)目iw是3或4，則琴弦模型計(jì)算模塊的數(shù)目iw和制音器模型計(jì)算模塊的數(shù)目iw也是3或4。
[0058]四個(gè)輸入信號(hào)ek(nAt)、ep (η Δ t)、νΗ (η Δ t)和es(nAt)在控制器11中準(zhǔn)備,并且被提供給音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)100。第一輸入信號(hào)ek(n △ t)代表表不鍵的行程的鍵行程數(shù)據(jù)，并且第二輸入信號(hào)νΗ (η At)代表弦槌速度。如前所述，基于鍵速度和鍵加速度確定弦槌速度。利用鍵速度傳感器15e測(cè)量鍵速度，并且通過(guò)數(shù)字鍵速度信號(hào)KV將鍵速度數(shù)據(jù)報(bào)告給控制器11。通過(guò)鍵速度值的微分確定鍵加速度。
[0059]第三輸入信號(hào)ep (η At)代表延音踏瓣行程，第四輸入信號(hào)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傳感器16c來(lái)測(cè)量，并且通過(guò)數(shù)字踏瓣行程信號(hào)PS報(bào)告給控制器11。
[0060]第一至第四輸入信號(hào)ek (η At)、ep (η At)、νΗ (η At)和03 (η At)的值按間隔At變化?！唉恰睆?、1、2...遞增，并且經(jīng)過(guò)的時(shí)間被表示為nAt。在此例子中，基于數(shù)字信號(hào)KS、KV> PS準(zhǔn)備第一至第四輸入信號(hào)ek(n Δ t)、ep(n Δ t)、νΗ(η Δ t)和es(n Δ t)。然而,可基于音調(diào)控制數(shù)據(jù)準(zhǔn)備第一至第四輸入信號(hào)。
[0061]音調(diào)信號(hào)P(nAt)代表音調(diào)數(shù)據(jù)，其表示在特定觀察點(diǎn)的聲壓。音調(diào)數(shù)據(jù)從空氣模型計(jì)算模塊106被提供到用于生成電子鋼琴音調(diào)的聲音系統(tǒng)17，和/或被存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置12中用于回放。
[0062]基于以下28個(gè)假設(shè)來(lái)準(zhǔn)備音調(diào)合成系統(tǒng)100的物理模型。
[0063](假設(shè)I)忽略重力。
[0064](假設(shè)2)當(dāng)弦絲在平行于弦絲的中線的方向上向弦絲施加軸向力的條件下穩(wěn)定時(shí)，弦絲處于靜力平衡狀態(tài)，并且每條弦絲具有細(xì)柱形結(jié)構(gòu)，其具有圓形橫截面。
[0065](假設(shè)3)弦絲的厚度不變，從而弦絲可應(yīng)用梁理論。
[0066](假設(shè)4)垂直于弦絲中線的橫截面自身保持平整，并且在變形后仍然垂直于中線。即，采用伯努力-歐拉假設(shè)。
[0067](假設(shè)5)弦絲的幅度的值較小。然而，幅度的值不是始終無(wú)限小。
[0068](假設(shè)6)弦絲是均質(zhì)的。
[0069](假設(shè)7)弦絲中的應(yīng)力被給出為與應(yīng)變(strain)成比例的分量和與應(yīng)變率成比例的另一分量之和。換言之，在弦絲中產(chǎn)生與剛性比例粘性阻尼相同的內(nèi)部粘性阻尼。
[0070](假設(shè)8)在平行于弦絲中線的方向上，在弦絲中產(chǎn)生與質(zhì)量比例粘性阻尼相同的外部粘性阻尼。
[0071](假設(shè)9)弦絲在其一端由形成樂(lè)器主體21j的部件的支架(bearing) 21eb支撐，并且在其另一端由也形成樂(lè)器主體21 j的部件的琴橋21ea支撐。不禁止弦絲在其支撐端旋轉(zhuǎn)。
[0072](假設(shè)10)忽略弦絲和空氣之間的作用和反作用。
[0073](假設(shè)11)弦槌21c具有與弦絲碰撞的頭部，并且頭部具有圓柱形。圓柱具有圓形末端表面，并且圓形末端表明的直徑無(wú)限小。圓柱具有高度，它的值允許圓柱不受相鄰弦絲21e的干擾。
[0074](假設(shè)12)在多條弦絲與單個(gè)弦槌21c相關(guān)聯(lián)的情況下，弦絲中線在靜力平衡的虛平面上。
[0075](假設(shè)13)在多條弦絲與單個(gè)弦槌21c相關(guān)聯(lián)的情況下，假設(shè)單個(gè)弦槌21c具有與弦絲數(shù)目相等的多個(gè)弦槌頭。
[0076](假設(shè)14)圓柱中線垂直于靜力平衡的相關(guān)聯(lián)琴弦的中線。
[0077](假設(shè)15)弦槌21c的重心在一條線上移動(dòng)。
[0078](假設(shè)16)弦槌21c的重心的移動(dòng)方向垂直于圓柱形的弦槌頭的中線，還垂直于靜力平衡的弦絲的中線。[0079](假設(shè)17)弦槌21c在與弦槌21c的重心的移動(dòng)方向一致的方向上變形。
[0080](假設(shè)18)弦槌21c上的壓力和壓縮量之間的關(guān)系被給出為指數(shù)是正實(shí)數(shù)的函數(shù)。
[0081](假設(shè)19)在弦槌21c的弦槌頭和弦絲表面之間不產(chǎn)生任何摩擦。
[0082](假設(shè)20)忽略弦槌21c和空氣之間的作用和反作用。
[0083](假設(shè)21)對(duì)于與制音器21f相關(guān)聯(lián)的弦絲，對(duì)弦絲中線上的特定點(diǎn)施加用于限制弦絲的撓曲振動(dòng)的制音器21f的阻力，并且特定點(diǎn)被稱為“音調(diào)停止點(diǎn)”。 [0084](假設(shè)22)阻力-速率(rate)關(guān)系被表示為線性表達(dá)式。
[0085](假設(shè)23)樂(lè)器主體21j的振幅的值極小。
[0086](假設(shè)24)樂(lè)器主體21j近似于線性粘性阻尼系統(tǒng)。
[0087](假設(shè)25)忽略空氣對(duì)樂(lè)器主體21j的反作用。
[0088](假設(shè)26)空氣是均質(zhì)的。
[0089](假設(shè)27)氣壓和容積應(yīng)變之間的關(guān)系被給出為線性表達(dá)式。
[0090](假設(shè)28)空氣中不產(chǎn)生任何漩渦。
[0091]在以下說(shuō)明書(shū)中，對(duì)于弦絲使用右手坐標(biāo)系(X，y, z)。靜力平衡的弦絲的中線與坐標(biāo)系的X軸一致，并且弦絲在支架21eb處的支撐端被放置在坐標(biāo)系的原點(diǎn)(0，0，0)。弦絲在琴橋21ea處的另一支撐端被放置在X大于O的區(qū)域中。弦槌21c的重心在與弦絲碰撞時(shí)在z軸的正方向上移動(dòng)。對(duì)于樂(lè)器主體21 j和空氣使用右手坐標(biāo)系(X，Y, Z)?！皌”表不經(jīng)過(guò)的時(shí)間，并被稱為時(shí)間變量。
[0092]因?yàn)槲锢砟Ｐ?02-1、102-2、103、104-1、104-2、105和106被構(gòu)造在實(shí)現(xiàn)上述假設(shè)
的原聲鋼琴上。為此，不用指定標(biāo)準(zhǔn)原聲鋼琴21的組成部分的參考標(biāo)記來(lái)標(biāo)記原聲鋼琴的組成部分。
[0093]接著，描述參數(shù)和參數(shù)的符號(hào)。參數(shù)被分為五個(gè)群組，并且被給予音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)100，用于對(duì)模型的數(shù)據(jù)處理。群組I中的參數(shù)可隨時(shí)間一起變化，即，是時(shí)間依賴參數(shù)，而群組2至5的參數(shù)無(wú)論經(jīng)過(guò)多少時(shí)間都不變，即，是時(shí)間獨(dú)立參數(shù)。
[0094]群組1:群組I的參數(shù)涉及電子鋼琴I的性能，并且被給予音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)100。術(shù)語(yǔ)“鍵”、“弦絲”、“弦槌”、“制音器”和“樂(lè)器主體”指代其上構(gòu)造物理模型的標(biāo)準(zhǔn)鋼琴的組成部分 21a、21e、21c、21f?和 21 j。
[0095]VH[ik] (t)表示在與一個(gè)或多個(gè)弦絲碰撞前瞬間的弦槌速度。
[0096]eK[ik] (t)是隨鍵行程一起變化的系數(shù)。
[0097]eP(t)是隨著延音踏瓣的踏瓣行程一起變化的系數(shù)。
[0098]es[ik] (t)是隨著弱音踏瓣的踏瓣行程一起變化的系數(shù)。
[0099]群組2:群組2的參數(shù)用于電子鋼琴I的設(shè)計(jì)工作中。
[0100]Iff[ik]表示與單個(gè)鍵相關(guān)聯(lián)的弦絲數(shù)。
[0101]ID[ik][iw]表示與單個(gè)弦絲組相關(guān)聯(lián)的制音器的數(shù)目。
[0102]Θ H[ik]表示弦槌運(yùn)動(dòng)對(duì)垂直于z平面且包含X軸的虛平面的傾斜角。
[0103]MH[ik]表示弦槌的質(zhì)量。
[0104]KH[ik]M是表示弦槌回彈性的正的常數(shù)或者主系數(shù)。
[0105]p[ik][iw]是表示弦槌回彈性的正的常數(shù)或指數(shù)。
[0106]bD[ik][iw]是弦槌的粘性阻尼系數(shù)。[0107]d[ik]M表示弦絲直徑。
[0108]y [ik]M表示靜力平衡的弦絲的密度。
[0109]E[ik][iw]表示縱向彈性模量。
[0110]n[ik]M表示弦絲的內(nèi)部粘性阻尼系數(shù)。
[0111]b[ik][iw]表示弦絲在弦絲縱向上的外部粘性阻尼系數(shù)。
[0112]a H[ik]M是表示表示弦槌碰撞的弦絲表面上的點(diǎn)的常數(shù)。弦絲表面上的點(diǎn)在下文中被稱為“沖擊點(diǎn)”。
[0113]aD[ik]M[iD]是表示音調(diào)衰減的制音器的位置的常數(shù)。該位置在下文中被稱為“音調(diào)衰減點(diǎn)”。
[0114]ZB[ik][iw][iB]表示弦絲的支撐端的z坐標(biāo)。
[0115]XB[ik][iw][iB]表示弦絲的支撐端的X坐標(biāo)。
[0116]YB[ik][iw][iB]表示弦絲的支撐端的I坐標(biāo)。
[0117]ωεω表示樂(lè)器主體的自然角頻率。
[0118]4c[m]表示模態(tài)阻尼比。
[0119]q>B1[ik ][lw][iB][m]表示樂(lè)器主體在自然振動(dòng)模式下的弦絲的支撐端處的z分量。
[0120]q)B2[i^iw][iBl[m]表示樂(lè)器主體在自然振動(dòng)模式下的弦絲的支撐端處的X分量。
[0121]φΒ3[Λ]Μ?ιΒ]Μ表示樂(lè)器主體在自然振動(dòng)模式下的弦絲的支撐端處的y分量。
[0122]通過(guò)使用模態(tài)質(zhì)量對(duì)樂(lè)器主體的自然振動(dòng)模式歸一化。
[0123]群組3:群組3的參數(shù)涉及空氣中的觀察點(diǎn)，并在設(shè)計(jì)工作中使用。
[0124]li[ip][ml(nAt) (η=0, 1...，ΝΜ_1)表示在樂(lè)器主體的自然振動(dòng)模式下的模量坐標(biāo)系
上，速度和空氣中觀察點(diǎn)處的聲壓之間的沖擊響應(yīng)。
[0125]群組4:群組4的參數(shù)涉及調(diào)音(tuning)工作。
[0126]ε 0[ik]M表示靜力平衡的弦絲的垂直應(yīng)變。
[0127]群組5:群組5的參數(shù)涉及數(shù)值計(jì)算。
[0128]M/ik] (=M3[ik])表示自然振動(dòng)模式的數(shù)目，即，弦絲的撓曲振動(dòng)中的自然振動(dòng)模式的數(shù)目。
[0129]M2[ik]是自然振動(dòng)模式的數(shù)目，即，弦絲的縱向振動(dòng)中的自然振動(dòng)模式的數(shù)目。
[0130]M是自然振動(dòng)模式的數(shù)目，即，樂(lè)器主體的自然振動(dòng)模式的數(shù)目。
[0131]At表示采樣間隔。
[0132]N[ip]表示在樂(lè)器主體的自然振動(dòng)模式下的模量坐標(biāo)系上，速度和空氣中觀察點(diǎn)處的聲壓之間的沖擊響應(yīng)的長(zhǎng)度。
[0133]Wh表示當(dāng)輸入弦槌速度VH[ik](t)時(shí)WH[ik](t)的值。該值是負(fù)實(shí)數(shù)。在下文中結(jié)合群組8描述WH[ik]⑴。
[0134]音調(diào)信號(hào)被從空氣模型計(jì)算模塊106輸出，并且代表空氣中觀察點(diǎn)處的聲壓。聲壓的值被表示SP[ip](nAt)，其中η是0、1、...，并且按照At的間隔變化。聲壓P[ip](nAt)的值是群組6的參數(shù)。
[0135]物理模型上的計(jì)算所需的其它參數(shù)被描述為群組7、8和9。
[0136]群組7:[0137]I [ik]M表示靜力平衡下的弦絲長(zhǎng)度，即，弦絲的支撐端之間的長(zhǎng)度。
[0138]xH[ik][iw]表示沖擊點(diǎn)的X坐標(biāo)，并且等于a H[ik][iw] i [ik]M。
[0139]xD[ik] M [iD]表示音調(diào)衰減點(diǎn)的X坐標(biāo)，并且等于a D[ik] M [iD] i [ik] M。
[0140]β kk, [ik][iw]表示坐標(biāo)軸之間的方向余弦，其中k是1、2和3，k’是1、2和3。
[0141]
【權(quán)利要求】
1.一種模擬通過(guò)原聲鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的方法，用于產(chǎn)生代表接近于所述原聲音調(diào)且被觀察到的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)， 所述原聲鋼琴包括 至少一個(gè)鍵，在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)， 至少一個(gè)動(dòng)作單元，與所述至少一個(gè)鍵鏈接， 至少一個(gè)弦槌，由所述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)， 至少一個(gè)振動(dòng)弦絲， 至少一個(gè)制音器，與所述至少一個(gè)鍵鏈接，以便根據(jù)所述至少一個(gè)鍵的位置而與所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸， 延音踏瓣，與所述至少一個(gè)制音器鏈接，以便使所述至少一個(gè)制音器獨(dú)立于所述至少一個(gè)鍵的所述位置而與所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸，以及 振動(dòng)樂(lè)器主體，配有支撐部分，通過(guò)所述支撐部分支撐所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲， 其特征在于所述方 法包括步驟: a)獲取表示對(duì)應(yīng)于所述至少一個(gè)鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表示對(duì)應(yīng)于所述延音踏瓣的踏瓣行程的第二數(shù)據(jù)， b)通過(guò)基于所述第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變所述至少一個(gè)制音器的粘性系數(shù)值，確定表示由所述至少一個(gè)制音器針對(duì)所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的阻力的第三數(shù)據(jù)，以及 c)考慮所述第三數(shù)據(jù)確定所述音調(diào)信號(hào)。
2.一種音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通過(guò)鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，所述鋼琴包括在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)的至少一個(gè)鍵、與所述至少一個(gè)鍵鏈接的至少一個(gè)動(dòng)作單元、由所述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)弦槌、至少一個(gè)振動(dòng)弦絲、與所述至少一個(gè)鍵鏈接以便根據(jù)所述至少一個(gè)鍵的位置而與所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的至少一個(gè)制音器、與所述至少一個(gè)制音器鏈接以便使所述至少一個(gè)制音器獨(dú)立于所述至少一個(gè)鍵的所述位置而與所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的延音踏瓣、以及配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，其中通過(guò)所述支撐部分支撐所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲， 其特征在于， 所述音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)包括: 制音器模型計(jì)算模塊，包括 第一子模塊，獲取表不對(duì)應(yīng)于所述至少一個(gè)鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表不對(duì)應(yīng)于所述延音踏瓣的踏瓣行程的第二數(shù)據(jù)，以及 第二子模塊，通過(guò)基于所述第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變所述至少一個(gè)制音器的粘性系數(shù)值，確定表示由所述至少一個(gè)制音器針對(duì)所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的阻力的第三數(shù)據(jù)，以及 音調(diào)信號(hào)產(chǎn)生模塊，考慮所述第三數(shù)據(jù)確定所述音調(diào)信號(hào)。
3.一種模擬通過(guò)原聲鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的方法，用于產(chǎn)生代表接近于所述原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)， 所述原聲鋼琴包括至少一個(gè)鍵，在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)， 至少一個(gè)動(dòng)作單元，與所述至少一個(gè)鍵鏈接， 至少一個(gè)弦槌，由所述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)， 至少一個(gè)振動(dòng)弦絲， 至少一個(gè)制音器，與所述至少一個(gè)鍵鏈接，以便根據(jù)所述至少一個(gè)鍵的位置而與所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸， 弱音踏瓣，與所述至少一個(gè)鍵鏈接，以便使所述弦槌的沖擊區(qū)域偏離所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲，以及 振動(dòng)樂(lè)器主體，配有支撐部分，通過(guò)所述支撐部分支撐所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲， 其特征在于， 所述方法包括步驟: a)獲取表示對(duì)應(yīng)于所述弱音踏瓣的踏瓣行程的第一數(shù)據(jù)， b)通過(guò)基于所述第一數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變所述至少一個(gè)弦槌的彈性模量的值，確定表示由所述至少一個(gè)弦槌在所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲上施加的力的第二數(shù)據(jù)，以及 c)考慮所述第二數(shù)據(jù)確定所述音調(diào)信號(hào)。
4.一種音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通過(guò)鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號(hào)，所述鋼琴包括在靜止位置和終點(diǎn)位置之間移動(dòng)的至少一個(gè)鍵、與所述至少一個(gè)鍵鏈接的至少一個(gè)動(dòng)作單元、由所述至少一個(gè)動(dòng)作單元驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的至少一個(gè)弦槌、至少一個(gè)振動(dòng)弦絲、與所述至少一個(gè)鍵鏈接以便根據(jù)所述至少一個(gè)鍵的位置而與所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲分開(kāi)和接觸的至少一個(gè)制音器、與所述至少一個(gè)鍵鏈接以便使所述弦槌的沖擊區(qū)域偏離所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲的弱音踏瓣、以及配有支撐部分的振動(dòng)樂(lè)器主體，其中通過(guò)所述支撐部分支撐所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲， 其特征在于， 所述音調(diào)信號(hào)合成系統(tǒng)包括: 弦槌模型計(jì)算模塊，包括 第一子模塊，獲取表示對(duì)應(yīng)于所述弱音踏瓣的踏瓣行程的第一數(shù)據(jù)，以及第二子模塊，通過(guò)基于所述第一數(shù)據(jù)、按時(shí)間依賴方式改變所述至少一個(gè)弦槌的彈性模量的值，確定表示由所述至少一個(gè)弦槌在所述至少一個(gè)振動(dòng)弦絲上施加的力的第二數(shù)據(jù)，以及 音調(diào)信號(hào)產(chǎn)生模塊，考慮所述第二數(shù)據(jù)確定所述音調(diào)信號(hào)。
【文檔編號(hào)】G10H5/00GK103531192SQ201310547932
【公開(kāi)日】2014年1月22日 申請(qǐng)日期:2010年6月3日 優(yōu)先權(quán)日:2009年6月3日
【發(fā)明者】富永英嗣 申請(qǐng)人:雅馬哈株式會(huì)社