重现弦乐器的声音的系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于重现具有打击弦的音锤的弦乐器的声音的系统(1)。所述系统包括：与每个音锤连接的速度检测部件，用于检测弦上的打击速度；多个音符模块，在输入端接收代表音锤速度的信号并产生代表弦振动的全局泛音分量的力信号(Ftot)；以及音板-乐器主体模块(700)，用于在输入端接收来自每个音符模块的全局泛音分量的所述力信号(Ftot)并产生两个电信号(左、右)，用于驱动两个电声转换器，用于声音发射。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】重现弦乐器的声音的系统
本工业专利技术的专利申请涉及一种系统，用于重现弦乐器特别是钢琴的声音，其通过对振动分量或泛音的建模和数字合成来实现，振动分量或泛音是由于乐器的弦和其他弦一起被强迫的弦的激励产生，正如钢琴弦的情况。
技术介绍
在对乐器的声音进行数字合成中使用的最普遍的方法是在合成器的存储器中存储从真实乐器采样来的声音的样本。这些样本在存储之前能够被预先处理，并且能够连续地实时重现，在合成期间，添加使它们符合演奏者要求的目标的后处理。所述处理在不同程度上通过专用的计算资源对记录的声音进行修改，因此允许在存储之前进行按比例处理。随着计算资源的增加，样本能够以波表的格式进行简化或者根据整波技术进一步将样本简化为存储器中的少量数据。替换样本的使用的方法通过物理模型准备将乐器的声音进行完全地合成。通过模拟乐器的特定组件的力度，当一个通常被识别为“激励器”的组件对被识别为“谐振器”的剩余部分进行施压时，这些模型模仿在现实中发生的情况。在钢琴的情况下，基于数字波导的锤弦模型的使用是已知的，其能够重现从音锤在弦上的冲击速度的信息开始在琴桥处的弦的动作，然后，通过在弦模型下不具备反馈效应音板的一个模型的离散时间实现对相应的动作信号进行处理(参见2003年Bank等人的欧洲信号处理协会EURASIP的应用信号处理期刊，第2003卷，941-952页(Banketal.,EURASIPjournalonAppliedSignalProcessing,vol.2003,pp.941-952,2003))。在上述两种方法之间的是使用物理模型一类的方法，其中，通过在模型中注入一个信号来实现激励，该信号是演奏者施加的力量的间接函数。参考钢琴，已知的模型是通过音锤-音板-乐器主体组件激励的数字波导模型(如Smith的美国专利第5,777,255号的转换合成)以及通过弦-音板组件的有限元件所告知的阻尼正弦分量的附加合成模型，通过对钢琴直接进行测量得到的信号进行激励，即从和前面段落(参见Guillaume，美国专利第7,915,515B2号)描述的模型相类似的物理模型所进行的模拟仿真得到的信号。前面提到的现有技术，关于钢琴模拟仿真的描述，并没有提供通过数字设备实现的方法，其中弦(谐振器)的可调节模型根据演奏者按压琴键的力量，通过音锤模型(激励器)进行施压，从而产生声音，然后该声音考虑到在之前产生的声音上的音板-乐器主体的动作被送到后处理步骤基础。这种方法的理论基础通过文献(参考BalázsBank,StefanoZambon和FedericoFontana的IEEETransactionsonAudio,SpeechandLanguageProcessing，2010年5月第4号，第18卷，第809-821页)可知：特别地，相同的理论能够保证标准88键钢琴的弦产生的所有部分的表现，以及源自弦的纵向动作的振动分量。EP2261891公开了用于合成音色信号的方法以及用于产生音色信号的系统，特别是电子钢琴。
技术实现思路
本专利技术的主要目的是消除现有技术的缺点，并实现基于音锤、弦和音板-乐器主体模型相互连接的系统，通过在不同演奏条件下乐器的所有振动的泛音和瞬间纵向分量的表现来合成数字的钢琴声音。另外的目的是在声音真实方面尽可能准确地以及在计算成本方面尽可能有效率地提供音锤、弦和音板-乐器主体模型的实现。再一个目的是提供音锤和弦模型的实现，当音锤和弦被调整时，允许模仿乐器类似于在真实的乐器中发生的那样的精细调音。本专利技术基于大量文献中熟知的特定的假设，在这些大量文献中对依赖于乐器的机械特性以及在不同演奏条件下的操作的钢琴声音的可测量特征进行量化。基于这些假设，使用能够用于设置操作参数的相同文献提出的量化结果，本专利技术提供用于建模：a.音锤力的力度，其根据弹奏各个琴键时产生的速率而变化；b.可闻的振动分量，其依赖于上述力是如何在被击打的弦上以及在其余的弦上通过沿着弦的动作传递而进行传播；c.振动分量的可变衰减，其为了重现所谓的乐器的泛音分量的双衰减的现象；d.演奏者对音符的衰减时间的控制，通过释放相应的琴键和逐渐地使用右踏板(在此定义为“共振踏板”)进行；e.在此定义为“初级的”分量的合成，由通过音锤直接激励的弦的泛音振动分量(在此定义为“线性的”)以及由通过音锤直接激励的弦的张力调制的振动分量(在此定义为“二次式的”)进行；f.由通过音锤直接激励的沿着弦传播的纵向波而进行在此定义为“纵向的”振动分量的合成；g.在此定义为“中级的”的振动分量的合成，其通过音锤直接激励，与初级振动分量、在通过音锤激励的弦的泛音分量包络中的最初拍动以及基于沿着弦传播的机械能被其他弦激励的另外的共振相干涉；h.由于所谓的双重尺度，在此定义为“双重”的振动分量合成，额外丰富了乐器的共振；i.全局处理效果，由音板-乐器主体组件通过弦对应于弦和音板之间在琴桥上的多个相互作用点产生的泛音振动分量得到；j.作为两个不同信号的结果，来自音板-乐器主体组件的声音通过标准音频设备，例如扬声器或立体声耳机，是可重现的。本专利技术的系统具有两个主要的优点：i)通过使用相应的数字共振滤波器，能够独立地实现每个泛音分量，因此避免了属于以预定的一系列泛音的方式的任何的约束，该预定的一系列泛音作为基于以任何方式激励的数字波导的方法所需求的。换句话说，就如本专利技术提出的方法那样，基于数字共振滤波器的弦的可调节模型的应用克服了对每个弦相关联的一系列的泛音的定义上的缺少灵活性的缺陷，该缺陷是基于数字波导的方法所特有的。反之亦然，这样的灵活性转化为在不承受技术固有的任意约束的情况下对数字乐器进行调整的可能性。ii)相同的滤波器可以同时参考属于直接被激励的弦的泛音和属于从其他弦传递过来的能量所激励的弦的泛音，因此也胜过了基于由乐器全局产生的阻尼正弦分量的直接激励的模型。鉴于上面所述的内容，基于数字共振滤波器的模型能够重现弦之间的能量传递力度。这样的一个模型优于基于附加合成的方法，该方法中弦之间的能量传递没有被动态地重现，且必须在模型里预先描述。这就导致对于每个被音锤直接激励的泛音需要预先定义与通过从直接激励的泛音传递过来的能量激励的泛音一样多的阻尼正弦分量，其结果是为了实现通过使用共振滤波器来重现弦的能量力度所要求的准确度，带来附加合成存储空间尺度的巨大增长。附图说明参考所附的附图来继续更好地理解对本专利技术的系统的描述，其中：图1为根据本专利技术的用于合成弦乐器特别是钢琴的系统的整体框图；图2为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现激励钢琴琴键的弦的音锤，产生了一般(第K个)音符；图3为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现产生钢琴第K个音符的弦的初级振动分量的合成以及相同音符的弦的纵向振动分量的合成；图4为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现通过弹奏钢琴的第K个音符产生的中级振动分量和合成；图5为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现通过弹奏钢琴的第K个音符产生的双重振动分量的合成；图6为详细描述图3的模型的框图，其所示为对钢琴的第K个音符的弦的初级振动分量进行合成；图7为详细描述图3的模型的框图，其所示为对钢琴的第K个音符的弦的纵向振动分量进行合成；图8为详细描述图1的模型的框图，其所示为通过音板-钢琴主本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重现弦乐器的声音的系统(1)，所述弦乐器包括击打弦的音锤，所述系统包括：‑速度检测部件，与每个音锤连接，以检测对弦的敲击速度，‑多个音符模块，与音锤的数量相等，在输入端接收代表了音锤速度的信号，并产生代表了弦振动的全部泛音分量的力信号(Ftot)，以及‑音板‑乐器主体模块(700)，其在输入端接收来自每个音符模块的全局泛音分量(Ftot)的所述信号，并产生两个电信号(左、右)用来为两个电声变换器提供电力，用于声音发射；其中所述音符模块包括：‑音锤模块(100)，用于接收输入的所述音锤速度信号，并产生力信号(Fh)和谐振脉冲信号(Fh,res)，当弹奏ff“极强的”力度时，所述力信号重现音锤打击琴键的弦的力随着时间的演变，当弹奏ff“极强的”力度时，所述谐振脉冲信号重现通过音锤被传递到弦上的力随着时间的演变，力信号(Fh)和谐振脉冲信号(Fh,res)均是音锤冲击速度的函数，‑初级和纵向谐振模块(200)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fh)，并产生代表弦振动的线性和二次初级分量力信号(Fprim+quad)以及代表弦振动的纵向分量的力信号(Flong)，‑中级谐振模块(300)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fh)，以及激活的音符模块(Fc)，该激活的音符模块(Fc)从所述谐振脉冲信号(Fh,res)的和以及从初级与二次分量(Fprim+quad)的力信号的和获得，并产生代表弦振动的中级分量的力信号(Fsec)，以及‑双重谐振模块(400)，在输入端接收来自所述谐振脉冲信号(Fh,res)的和获得的所述力信号(Fc,duplex)，并产生代表弦振动的双重振动分量的力信号(Fduplex)，所述初级分量(Fprim)的力信号、纵向分量的力信号(Flong)、中级分量的力信号(Fsec)和双重分量的力信号(Fduplex)在每个音符模块中被相加，这样就获得了所述全局泛音分量信号(Ftot)，该全局泛音分量信号(Ftot)被发送至乐器的所述音板‑乐器主体模块(700)。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.03.13 IT AN2012A0000231.一种重现弦乐器的声音的系统(1)，所述弦乐器包括击打弦的音锤，所述系统包括：-速度检测部件，与每个音锤连接，以检测对弦的敲击速度，-多个音符模块，与音锤的数量相等，在输入端接收代表了音锤速度的信号，并产生代表了弦振动的全局泛音分量的力信号(Ftot)，以及-音板-乐器主体模块(700)，其在输入端接收来自每个音符模块的所述全局泛音分量的力信号(Ftot)，并产生两个电信号(左、右)用来为两个电声变换器提供电力，用于声音发射；其中所述音符模块包括：-音锤模块(100)，用于接收输入的所述音锤速度信号，并产生力信号(Fh)和谐振脉冲信号(Fh,res)，当弹奏ff“极强的”力度时，所述力信号重现音锤打击琴键的弦的力随着时间的演变，当弹奏ff“极强的”力度时，所述谐振脉冲信号重现通过音锤被传递到弦上的力随着时间的演变，力信号(Fh)和谐振脉冲信号(Fh,res)均是音锤冲击速度的函数，-初级和纵向谐振模块(200)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fh)，并产生代表弦振动的线性和二次的初级分量的力信号(Fprim+quad)以及代表弦振动的纵向分量的力信号(Flong)，-中级谐振模块(300)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fh)，以及激活的音符模块(Fc)，该激活的音符模块(Fc)从所述谐振脉冲信号(Fh,res)的和以及从线性和二次的初级分量的力信号(Fprim+quad)的和获得，并产生代表弦振动的中级分量的力信号(Fsec)，以及-双重谐振模块(400)，在输入端接收来自所述谐振脉冲信号(Fh,res)的和获得的所述力信号(Fc,duplex)，并产生代表弦振动的双重振动分量的力信号(Fduplex)，所述初级分量(Fprim)的力信号、纵向分量的力信号(Flong)、中级分量的力信号(Fsec)和双重振动分量的力信号(Fduplex)在每个音符模块中被相加，这样就获得了所述全局泛音分量的力信号(Ftot)，该全局泛音分量的力信号(Ftot)被发送至乐器的所述音板-乐器主体模块(700)。2.如权利要求1所述的系统，其中所述音锤模块(100)包括：-信号发生器(110)，在输入端接收音锤的所述速度信号并产生力信号(ff)，在演奏最强力度期间，所述力信号(ff)重现音锤打击琴键的弦的力随着时间的演变，-脉冲发生器(180)，产生谐振脉冲信号(lmp)，该谐振脉冲信号在演奏最强力度期间，重现通过音锤传递到弦的力随着时间的演变，-第一和第二低通滤波器(140、160)，对信号发生器产生的所述力信号(ff)进行滤波，-第三低通滤波器(185)，对从所述脉冲发生器(180)来的所述谐振脉冲信号(lmp)进行滤波。3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述初级和纵向谐振模块(200)包括：-初级谐振模块(210)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fc)并产生初级分量的力信号(Fprim)和二次分量的力信号(Fquad)，-第一增益(250)，对二次分量的力信号(Fquad)进行调节，-第一加法器(255)，将初级分量的所述力信号(Fprim)与所调节的二次分量的力信号(Fquad)相加，-第四低通滤波器(230)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fc)，-第一乘法器(235)...

【专利技术属性】
技术研发人员：S·赞邦，E·吉奥达尼，F·丰塔纳，B·班克，
申请(专利权)人：威斯康国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利;IT