重現弦樂器的聲音的系統技術方案

本發明專利技術涉及一種用于重現具有打擊弦的音錘的弦樂器的聲音的系統(1)。所述系統包括：與每個音錘連接的速度檢測部件，用于檢測弦上的打擊速度；多個音符模塊，在輸入端接收代表音錘速度的信號并產生代表弦振動的全局泛音分量的力信號(Ftot)；以及音板-樂器主體模塊(700)，用于在輸入端接收來自每個音符模塊的全局泛音分量的所述力信號(Ftot)并產生兩個電信號(左、右)，用于驅動兩個電聲轉換器，用于聲音發射。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】重現弦樂器的聲音的系統
本工業專利技術的專利申請涉及一種系統，用于重現弦樂器特別是鋼琴的聲音，其通過對振動分量或泛音的建模和數字合成來實現，振動分量或泛音是由于樂器的弦和其他弦一起被強迫的弦的激勵產生，正如鋼琴弦的情況。
技術介紹
在對樂器的聲音進行數字合成中使用的最普遍的方法是在合成器的存儲器中存儲從真實樂器采樣來的聲音的樣本。這些樣本在存儲之前能夠被預先處理，并且能夠連續地實時重現，在合成期間，添加使它們符合演奏者要求的目標的后處理。所述處理在不同程度上通過專用的計算資源對記錄的聲音進行修改，因此允許在存儲之前進行按比例處理。隨著計算資源的增加，樣本能夠以波表的格式進行簡化或者根據整波技術進一步將樣本簡化為存儲器中的少量數據。替換樣本的使用的方法通過物理模型準備將樂器的聲音進行完全地合成。通過模擬樂器的特定組件的力度，當一個通常被識別為“激勵器”的組件對被識別為“諧振器”的剩余部分進行施壓時，這些模型模仿在現實中發生的情況。在鋼琴的情況下，基于數字波導的錘弦模型的使用是已知的，其能夠重現從音錘在弦上的沖擊速度的信息開始在琴橋處的弦的動作，然后，通過在弦模型下不具備反饋效應音板的一個模型的離散時間實現對相應的動作信號進行處理(參見2003年Bank等人的歐洲信號處理協會EURASIP的應用信號處理期刊，第2003卷，941-952頁(Banketal.,EURASIPjournalonAppliedSignalProcessing,vol.2003,pp.941-952,2003))。在上述兩種方法之間的是使用物理模型一類的方法，其中，通過在模型中注入一個信號來實現激勵，該信號是演奏者施加的力量的間接函數。參考鋼琴，已知的模型是通過音錘-音板-樂器主體組件激勵的數字波導模型(如Smith的美國專利第5,777,255號的轉換合成)以及通過弦-音板組件的有限元件所告知的阻尼正弦分量的附加合成模型，通過對鋼琴直接進行測量得到的信號進行激勵，即從和前面段落(參見Guillaume，美國專利第7,915,515B2號)描述的模型相類似的物理模型所進行的模擬仿真得到的信號。前面提到的現有技術，關于鋼琴模擬仿真的描述，并沒有提供通過數字設備實現的方法，其中弦(諧振器)的可調節模型根據演奏者按壓琴鍵的力量，通過音錘模型(激勵器)進行施壓，從而產生聲音，然后該聲音考慮到在之前產生的聲音上的音板-樂器主體的動作被送到后處理步驟基礎。這種方法的理論基礎通過文獻(參考BalázsBank,StefanoZambon和FedericoFontana的IEEETransactionsonAudio,SpeechandLanguageProcessing，2010年5月第4號，第18卷，第809-821頁)可知：特別地，相同的理論能夠保證標準88鍵鋼琴的弦產生的所有部分的表現，以及源自弦的縱向動作的振動分量。EP2261891公開了用于合成音色信號的方法以及用于產生音色信號的系統，特別是電子鋼琴。
技術實現思路
本專利技術的主要目的是消除現有技術的缺點，并實現基于音錘、弦和音板-樂器主體模型相互連接的系統，通過在不同演奏條件下樂器的所有振動的泛音和瞬間縱向分量的表現來合成數字的鋼琴聲音。另外的目的是在聲音真實方面盡可能準確地以及在計算成本方面盡可能有效率地提供音錘、弦和音板-樂器主體模型的實現。再一個目的是提供音錘和弦模型的實現，當音錘和弦被調整時，允許模仿樂器類似于在真實的樂器中發生的那樣的精細調音。本專利技術基于大量文獻中熟知的特定的假設，在這些大量文獻中對依賴于樂器的機械特性以及在不同演奏條件下的操作的鋼琴聲音的可測量特征進行量化。基于這些假設，使用能夠用于設置操作參數的相同文獻提出的量化結果，本專利技術提供用于建模：a.音錘力的力度，其根據彈奏各個琴鍵時產生的速率而變化；b.可聞的振動分量，其依賴于上述力是如何在被擊打的弦上以及在其余的弦上通過沿著弦的動作傳遞而進行傳播；c.振動分量的可變衰減，其為了重現所謂的樂器的泛音分量的雙衰減的現象；d.演奏者對音符的衰減時間的控制，通過釋放相應的琴鍵和逐漸地使用右踏板(在此定義為“共振踏板”)進行；e.在此定義為“初級的”分量的合成，由通過音錘直接激勵的弦的泛音振動分量(在此定義為“線性的”)以及由通過音錘直接激勵的弦的張力調制的振動分量(在此定義為“二次式的”)進行；f.由通過音錘直接激勵的沿著弦傳播的縱向波而進行在此定義為“縱向的”振動分量的合成；g.在此定義為“中級的”的振動分量的合成，其通過音錘直接激勵，與初級振動分量、在通過音錘激勵的弦的泛音分量包絡中的最初拍動以及基于沿著弦傳播的機械能被其他弦激勵的另外的共振相干涉；h.由于所謂的雙重尺度，在此定義為“雙重”的振動分量合成，額外豐富了樂器的共振；i.全局處理效果，由音板-樂器主體組件通過弦對應于弦和音板之間在琴橋上的多個相互作用點產生的泛音振動分量得到；j.作為兩個不同信號的結果，來自音板-樂器主體組件的聲音通過標準音頻設備，例如揚聲器或立體聲耳機，是可重現的。本專利技術的系統具有兩個主要的優點：i)通過使用相應的數字共振濾波器，能夠獨立地實現每個泛音分量，因此避免了屬于以預定的一系列泛音的方式的任何的約束，該預定的一系列泛音作為基于以任何方式激勵的數字波導的方法所需求的。換句話說，就如本專利技術提出的方法那樣，基于數字共振濾波器的弦的可調節模型的應用克服了對每個弦相關聯的一系列的泛音的定義上的缺少靈活性的缺陷，該缺陷是基于數字波導的方法所特有的。反之亦然，這樣的靈活性轉化為在不承受技術固有的任意約束的情況下對數字樂器進行調整的可能性。ii)相同的濾波器可以同時參考屬于直接被激勵的弦的泛音和屬于從其他弦傳遞過來的能量所激勵的弦的泛音，因此也勝過了基于由樂器全局產生的阻尼正弦分量的直接激勵的模型。鑒于上面所述的內容，基于數字共振濾波器的模型能夠重現弦之間的能量傳遞力度。這樣的一個模型優于基于附加合成的方法，該方法中弦之間的能量傳遞沒有被動態地重現，且必須在模型里預先描述。這就導致對于每個被音錘直接激勵的泛音需要預先定義與通過從直接激勵的泛音傳遞過來的能量激勵的泛音一樣多的阻尼正弦分量，其結果是為了實現通過使用共振濾波器來重現弦的能量力度所要求的準確度，帶來附加合成存儲空間尺度的巨大增長。附圖說明參考所附的附圖來繼續更好地理解對本專利技術的系統的描述，其中：圖1為根據本專利技術的用于合成弦樂器特別是鋼琴的系統的整體框圖；圖2為詳細描述圖1的模型的框圖，其所示為實現激勵鋼琴琴鍵的弦的音錘，產生了一般(第K個)音符；圖3為詳細描述圖1的模型的框圖，其所示為實現產生鋼琴第K個音符的弦的初級振動分量的合成以及相同音符的弦的縱向振動分量的合成；圖4為詳細描述圖1的模型的框圖，其所示為實現通過彈奏鋼琴的第K個音符產生的中級振動分量和合成；圖5為詳細描述圖1的模型的框圖，其所示為實現通過彈奏鋼琴的第K個音符產生的雙重振動分量的合成；圖6為詳細描述圖3的模型的框圖，其所示為對鋼琴的第K個音符的弦的初級振動分量進行合成；圖7為詳細描述圖3的模型的框圖，其所示為對鋼琴的第K個音符的弦的縱向振動分量進行合成；圖8為詳細描述圖1的模型的框圖，其所示為通過音板-鋼琴主本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種重現弦樂器的聲音的系統(1)，所述弦樂器包括擊打弦的音錘，所述系統包括：?速度檢測部件，與每個音錘連接，以檢測對弦的敲擊速度，?多個音符模塊，與音錘的數量相等，在輸入端接收代表了音錘速度的信號，并產生代表了弦振動的全部泛音分量的力信號(Ftot)，以及?音板?樂器主體模塊(700)，其在輸入端接收來自每個音符模塊的全局泛音分量(Ftot)的所述信號，并產生兩個電信號(左、右)用來為兩個電聲變換器提供電力，用于聲音發射；其中所述音符模塊包括：?音錘模塊(100)，用于接收輸入的所述音錘速度信號，并產生力信號(Fh)和諧振脈沖信號(Fh,res)，當彈奏ff“極強的”力度時，所述力信號重現音錘打擊琴鍵的弦的力隨著時間的演變，當彈奏ff“極強的”力度時，所述諧振脈沖信號重現通過音錘被傳遞到弦上的力隨著時間的演變，力信號(Fh)和諧振脈沖信號(Fh,res)均是音錘沖擊速度的函數，?初級和縱向諧振模塊(200)，在輸入端接收來自音錘模塊的所述力信號(Fh)，并產生代表弦振動的線性和二次初級分量力信號(Fprim+quad)以及代表弦振動的縱向分量的力信號(Flong)，?中級諧振模塊(300)，在輸入端接收來自音錘模塊的所述力信號(Fh)，以及激活的音符模塊(Fc)，該激活的音符模塊(Fc)從所述諧振脈沖信號(Fh,res)的和以及從初級與二次分量(Fprim+quad)的力信號的和獲得，并產生代表弦振動的中級分量的力信號(Fsec)，以及?雙重諧振模塊(400)，在輸入端接收來自所述諧振脈沖信號(Fh,res)的和獲得的所述力信號(Fc,duplex)，并產生代表弦振動的雙重振動分量的力信號(Fduplex)，所述初級分量(Fprim)的力信號、縱向分量的力信號(Flong)、中級分量的力信號(Fsec)和雙重分量的力信號(Fduplex)在每個音符模塊中被相加，這樣就獲得了所述全局泛音分量信號(Ftot)，該全局泛音分量信號(Ftot)被發送至樂器的所述音板?樂器主體模塊(700)。...

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】2012.03.13 IT AN2012A0000231.一種重現弦樂器的聲音的系統(1)，所述弦樂器包括擊打弦的音錘，所述系統包括：-速度檢測部件，與每個音錘連接，以檢測對弦的敲擊速度，-多個音符模塊，與音錘的數量相等，在輸入端接收代表了音錘速度的信號，并產生代表了弦振動的全局泛音分量的力信號(Ftot)，以及-音板-樂器主體模塊(700)，其在輸入端接收來自每個音符模塊的所述全局泛音分量的力信號(Ftot)，并產生兩個電信號(左、右)用來為兩個電聲變換器提供電力，用于聲音發射；其中所述音符模塊包括：-音錘模塊(100)，用于接收輸入的所述音錘速度信號，并產生力信號(Fh)和諧振脈沖信號(Fh,res)，當彈奏ff“極強的”力度時，所述力信號重現音錘打擊琴鍵的弦的力隨著時間的演變，當彈奏ff“極強的”力度時，所述諧振脈沖信號重現通過音錘被傳遞到弦上的力隨著時間的演變，力信號(Fh)和諧振脈沖信號(Fh,res)均是音錘沖擊速度的函數，-初級和縱向諧振模塊(200)，在輸入端接收來自音錘模塊的所述力信號(Fh)，并產生代表弦振動的線性和二次的初級分量的力信號(Fprim+quad)以及代表弦振動的縱向分量的力信號(Flong)，-中級諧振模塊(300)，在輸入端接收來自音錘模塊的所述力信號(Fh)，以及激活的音符模塊(Fc)，該激活的音符模塊(Fc)從所述諧振脈沖信號(Fh,res)的和以及從線性和二次的初級分量的力信號(Fprim+quad)的和獲得，并產生代表弦振動的中級分量的力信號(Fsec)，以及-雙重諧振模塊(400)，在輸入端接收來自所述諧振脈沖信號(Fh,res)的和獲得的所述力信號(Fc,duplex)，并產生代表弦振動的雙重振動分量的力信號(Fduplex)，所述初級分量(Fprim)的力信號、縱向分量的力信號(Flong)、中級分量的力信號(Fsec)和雙重振動分量的力信號(Fduplex)在每個音符模塊中被相加，這樣就獲得了所述全局泛音分量的力信號(Ftot)，該全局泛音分量的力信號(Ftot)被發送至樂器的所述音板-樂器主體模塊(700)。2.如權利要求1所述的系統，其中所述音錘模塊(100)包括：-信號發生器(110)，在輸入端接收音錘的所述速度信號并產生力信號(ff)，在演奏最強力度期間，所述力信號(ff)重現音錘打擊琴鍵的弦的力隨著時間的演變，-脈沖發生器(180)，產生諧振脈沖信號(lmp)，該諧振脈沖信號在演奏最強力度期間，重現通過音錘傳遞到弦的力隨著時間的演變，-第一和第二低通濾波器(140、160)，對信號發生器產生的所述力信號(ff)進行濾波，-第三低通濾波器(185)，對從所述脈沖發生器(180)來的所述諧振脈沖信號(lmp)進行濾波。3.如權利要求1或2所述的系統，其中所述初級和縱向諧振模塊(200)包括：-初級諧振模塊(210)，在輸入端接收來自音錘模塊的所述力信號(Fc)并產生初級分量的力信號(Fprim)和二次分量的力信號(Fquad)，-第一增益(250)，對二次分量的力信號(Fquad)進行調節，-第一加法器(255)，將初級分量的所述力信號(Fprim)與所調節的二次分量的力信號(Fquad)相加，-第四低通濾波器(230)，在輸入端接收來自音錘模塊的所述力信號(Fc)，-第一乘法器(235)...

【專利技術屬性】
技術研發人員：S·贊邦，E·吉奧達尼，F·豐塔納，B·班克，
申請(專利權)人：威斯康國際股份有限公司，
類型：發明
國別省市：意大利;IT