修改复合波形的泛音含量的方法技术

一种通过考虑泛音和分音频率随着时间在幅度和频率作为移动目标，并且通过在幅度和频率上移动调节器来调节移动目标以处理复合波形的方法。泛音频率的处理和泛音频率的合成基于泛音次数。调节器根据次数随着频率的移动而移动。泛音变换通过次数修改一个源的波形为第二个或目标源的波形。泛音和其他分音的加重识别每个频率和它与邻近频率的关系以及固定的或移动的门限值并且做出适当的调节。本发明专利技术还公开了插值法以及模拟自然泛音的模型。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
相互参照本专利申请与在此作为参考的1998年10月29日申请的临时专利申请系列号60/106,150的利益有关并且享有该权利。本专利技术一般涉及音频信号处理和波形处理、周期性音频信号的泛音含量的修改，尤其涉及为了改变它们的声音或它们声音的感觉，动态地改变这种信号的泛音含量的方法。在这部分收集和规定了这个专利使用的许多术语。在连续轰击(bombard)人耳的许多种声音中，一种是通过对于耳朵持续足够长和足够稳定的特性来区别以确定它的幅度、音色(timbre)、音高(pitch)的特性。这种类型的声音称为音调(tone)。音调或音色的质量是使得它与相同频率和响度或幅度的其他音调区别开的特性。以较少的技术术语，在这方面给出乐器它可识别的品格(personality)或特性，它大部分归应于随着时间的它的泛音含量。一些乐器产生稳定的音调，这些音调可以在特性上保持至少几秒钟没有改变，长到足够产生几百个周期。这些音调称为是周期性的。包括乐器的大多数声源产生各种幅度和频率的正弦波混合的复合波形。提供给复合音调的各个正弦波称为它的分音(partial)音调或简单的说分音。通过波节(node)的整数码，分音或分音频率定义为限定能量的频带，泛音或泛音频率定义为根据整数关系现象如机械物体，例如弦(string)或风量(air column)的刻度产生的分音。给定的复合音调的音品或音色通过它分开的分音的数量、频率和幅度，特别是相互间的幅度比例和相对于其它的频率(即这些部分组合或混合的方式)来确定。当乐器上演奏的音符(note)与在相同的乐器上演奏的另一个音符具有类似的音色时，单独的频率不是确定的因子。在处理声音的示范系统中，分音实际上表示小频带的能量并且由与采样系统有关的采样率和不确定性来调节。特别是那些与乐器或人的话音有关的音频信号具有定义信号如何发出声音的特征泛音含量。每个信号包括基音和高次泛音频率。用于这些组合周期每一个的图形模式是波形。复合波的详细波形部分地取决于它泛音的相对幅度。改变泛音中幅度、频率或相位关系就改变了耳朵对音调的音质或特性的感觉。基音(也称为一次泛音或f1)和高次泛音(f2到fN)通常是数学相关的。在典型的乐器产生的声音中，高次泛音主要是基音的整数倍，但不全部是。2次泛音是基音的2倍，3次泛音是基音的3倍，等等。这些倍数常常称为次数。一般地，这个专利中使用术语泛音表示所有的泛音，包括基音。每个泛音具有与基音有关的幅度、频率和相位；可以控制这些关系来改变感觉的声音。周期性的复合音调可以被分解为它的各组成部分(基音和高次泛音)。这个分析的图形表示称为频谱。于是，一个给定音符的特征音色可以用频谱分布图形表示。尽管典型的乐器常常产生主要包含整数倍或接近整数倍的泛音的音符，但是各种其他乐器和源也产生在基音和高次泛音中具有更复杂关系的声音。许多乐器产生数学上相关但在它们的关系中完全是非整数倍的泛音。另外，不是所有的乐器产生由周期性振动组成的音调。对于波形不是每周期重复的音调，分音频率不需要与基音相关；这些音调称为非泛音的。现代的相等的调音音阶(equal-tempered scale)(或西方的音乐音阶)是一种方法，通过该方法将音乐音阶调节为每八音度包括12个相等间隔的半音调间隔。任何给定半音的频率是它原有的频率乘以2的12次根或1.0594631。这产生一个所有的八音度间隔的频率是比率1∶2的音阶。这些八音度仅仅是和音的间隔；所有的其他间隔是不谐和音的。音阶固有的折衷允许钢琴例如用所有的键演奏。然而，对于人耳，乐器如钢琴在上部音域中精确地相当平缓地调谐到调音音阶的声音，因为在大多数机械乐器中的泛音不是精确的倍数并且“耳朵能听出这一点”，所以，某些乐器的调谐被“拉长(stretched)”，这意味着调谐包含与简单的数学公式控制的音高偏差。这些偏差对于简单的数学公式控制的音符可能稍微陡些或者稍微平缓些。在拉长的调谐中，音符和泛音之间的数学关系仍然存在，但是它们更复杂一些。由多种振荡/振动装置包括乐器产生的泛音频率之间的关系可以通过下面的函数建模fn=f1×G(n)这里fn是n次泛音的频率，n是表示泛音次数的正整数。这种函数的例子是a)fn=f1×nb)fn=f1×n×[1+(n2-1)β]1/2这里β是常数，它取决于乐器或取决于多弦装置的弦，有时取决于演奏音符的频率音域。音频或音乐音调的感觉的音高一般是(但不总是)周期性信号中基音或最低的频率。如前面提到的，音乐音符包含相互间不同幅度、频率和相位关系的泛音。当叠加时，这些泛音产生复合时域信号。信号泛音的数量和幅度给出它音色或音乐品格的最强的表示。乐器的感觉的音乐音调或特性的另一个方面涉及谐振频带，它们是通过乐器的物理现象强调或加重的音频频谱的某些段或部分。乐器的物理现象要求的方面如它的设计、尺寸、材料、结构细节、特点、操作方法以及响应特性。这些谐振频带相对于音频频谱的其他段感觉大声一些，并且影响乐器的泛音含量。这种谐振频带在频率上是固定的并且在乐器上演奏不同的音符时保持恒定。这些谐振频带并不相对于乐器上演奏的不同音符偏移。通过乐器的物理现象而不是通过在任何给定时间演奏的特定的音符确定谐振频带。泛音含量和谐振频带之间的关键不同在于它们对于基音的不同关系。泛音随着基音的变化偏移(即，它们在频率上移动，直接联系到演奏的基音)并且因此总是相对于基音。当基音偏移到新的基音时，它们的泛音随着它们偏移。相反，乐器的谐振频带在频率上固定并且不随着偏移基音函数线性地移动。除了音符自己的泛音结构和乐器自己的谐振频带以外，提供乐器感觉的音调或音乐特性的其他因素要求泛音含量在音乐音符的持续时间变化的方式。音乐音符的持续时间或“寿命”按照次序标记为它的开始(音符被最初敲击或发出声音的特征方式)；持续(当音符随着时间发出声音时它的连续特性)；以及衰减(音符终止-例如相对于逐渐衰弱突然截止的特征方式)。在所有三个阶段-开始、持续和衰减期间音符的泛音含量-对于人耳给出重要的有关音符的主观上音品的感觉的调子。包括基音的复合时域信号中每个泛音具有它自己明显的开始和衰减特性，它帮助实时地规定音符的音色。因为泛音的相对幅度水平可能相对于基音的幅度在音符的持续期间改变(有些被强调，有些被削弱)，因此特定音符的音色在它的持续时间改变。对于弹拨或敲击的乐器(如钢琴和吉它)，与低次泛音相比，高次泛音以较快的速率衰减。相反，对于连续演奏的乐器，包括管乐器(如长笛)和弓弦乐器(如小提琴)，泛音连续产生，因为源本身连续产生信号。例如，对于吉它，形成感觉的音色的两个最有影响的因素是(1)由弦产生的核心泛音；以及(2)吉它本体的谐振频带特性。一旦弦已经产生基音和它有关的核心组泛音，本体、琴马和其他部件主要地通过它的谐振特性开始演奏以进一步形成音色，它们是非线性的并且与频率相关。吉它具有谐振频带或区域，在该频带或区域内音调的一些泛音被强调而不考虑基音。吉它演奏者可以使用弦和档子位置的不同组合在颈上多达六个位置上演奏精确的相同音符(相同的频率或音高)。然而，由于基音和它的泛音之间不同的关系，六种形式的每一种发出的声音明显不同。由弦的构成和设计、弦直径和/或弦长度的变化导致这些差异。这里，“长度”不必指整个弦长度而是仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种处理包括具有基音和高次泛音频率的泛音信号的复合波形的方法，该方法包括： 确定波形中存在的泛音信号的泛音频率的次数； 修改确定的泛音频率的预选次数以处理波形；以及 重复确定和修改的步骤以用波形中泛音信号的频率变化修改泛音频率的相同预选次数。

【技术特征摘要】
US 1998-10-29 60/106,1501．一种处理包括具有基音和高次泛音频率的泛音信号的复合波形的方法，该方法包括确定波形中存在的泛音信号的泛音频率的次数；修改确定的泛音频率的预选次数以处理波形；以及重复确定和修改的步骤以用波形中泛音信号的频率变化修改泛音频率的相同预选次数。2．如权利要求1所述的方法，其中a)预选次数和b)修改的一个或多个在波形内随着时间变化。3．如权利要求1所述的方法，其中修改包括调节泛音频率的预选次数的幅度到预定值。4．如权利要求1所述的方法，其中修改包括相对于波形中分音频率调节泛音频率的预选次数的幅度。5．如权利要求1所述的方法，其中修改包括通过次数修改来自一个源的波形到类似于第二个源的信号。6．如权利要求1所述的方法，其中修改包括确定泛音频率的丢失的预选次数，合成丢失的泛音频率并且将合成的泛音频率加到波形上。7．如权利要求6所述的方法，其中使用建模函数(S)log2n合成丢失的泛音频率，这里S是大于1的常数，n是泛音的次数。8．如权利要求1所述的方法，其中修改包括确定丢失的预选非泛音频率，合成丢失的非泛音频率并且将合成的非泛音频率加到波形上。9．如权利要求1所述的方法，其中确定次数包括选择波形中的频率；确定哪个选择的频率具有泛音关系；从确定的具有泛音关系的选择的频率中确定预选次数的频率。10．如权利要求9所述的方法，其中确定泛音关系包括使用建模函数(S)log2n，这里S是大于1的常数，n是泛音次数。11．如权利要求1所述的方法包括多种修改装置，可以相对于频率和幅度中至少一个调节，并且包括通过修改装置在它的频率位置处处理预选次数的泛音频率。12．如权利要求11所述的方法包括分配一个泛音次数给每个修改装置并且调谐该修改装置到确定的泛音频率的频率。13．如权利要求11所述的方法，其中修改装置设置到固定的频率；以及包括调节修改装置的修改效果作为预选泛音频率的频率函数。14．如权利要求1所述的方法包括存储该方法作为数字信号处理器的指令。15．一种修改复合波形的泛音含量的方法包括确定波形的泛音频率；确定波形中存在的泛音频率的预选次数；合成波形中缺少的预选泛音频率；将任何合成的泛音频率加到波形中；以及重复确定和合成步骤以用波形中泛音频率的频率变化修改泛音频率的相同的预选次数。16．如权利要求15所述的方法，其中使用建模函数(S)log2n合成丢失的泛音频率，这里S是大于1的常数，n是泛音次数。17．如权利要求15所述的方法，包括调节波形中存在的泛音频率的预选次数的幅度。...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗里德史密斯，杰克W史密斯，
申请(专利权)人：保罗里德史密斯吉塔尔斯股份合作有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]