專利名稱：用于合成音調(diào)信號的方法和音調(diào)信號生成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及音調(diào)生成技術(shù)，并且更具體地，涉及通過基于具有弦絲(wire)和用于 支撐弦絲的樂器主體(instrument body)的原聲樂器的音調(diào)生成機制的物理模型的模擬而 準備的音調(diào)信號生成系統(tǒng)和用于人工地(artificially)生成音調(diào)的方法。
背景技術(shù)：
已知有人工地生成音調(diào)的方法。該方法通過利用專用硬件對原聲樂器的發(fā)聲機制 的物理模型的模擬而開發(fā)，其中專用硬件由例如DSP (數(shù)字信號處理器)、通用處理器和其 它種類的數(shù)字電路的信號處理器制成?，F(xiàn)有技術(shù)方法可用于通過原聲樂器產(chǎn)生的音調(diào)的合 成。在通過現(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，并且基于共鳴板模型模擬由振動的弦絲引起的琴橋(bridge)和共鳴板的振動。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)進行模擬，并通過根據(jù)模擬結(jié)果的合成而人工地產(chǎn) 生鋼琴音調(diào)。在各方面彼此不同的日本專利申請?zhí)亻_No. Hei (平)06-83363 (下文中稱為“第一 參考文獻”)和No. Hei(平)10-63270 (下文中稱為“第二參考文獻”)中公開了現(xiàn)有技術(shù)方法。在第一參考文獻中公開了電子樂器，并且在現(xiàn)有技術(shù)電子樂器中考慮兩種振動， 即，橫向振動和縱向振動?，F(xiàn)有技術(shù)電子樂器包括橫向振動模擬模塊、縱向振動模擬模塊和 共振模擬模塊。代表樂曲數(shù)據(jù)的弦槌信號被提供給橫向振動模擬模塊，通過橫向振動模擬 模塊產(chǎn)生代表橫向振動的位移信號。將該位移信號從橫向振動模擬模塊提供給縱向振動模 擬模塊，并且通過縱向振動模擬模塊基于位移信號產(chǎn)生縱向振動信號。通過共振模擬模塊 之一產(chǎn)生隨著橫向振動的共振的第一共振信號，并且通過另一共振模擬模塊產(chǎn)生隨著縱向 振動的共振的第二共振信號。位移信號、縱向振動信號、第一共振信號和第二共振信號彼此 相加，用于音調(diào)波形的合成。在第二參考文獻中公開了現(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。回路電路具有用于模擬弦絲振動的傳播 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(具有預定傳遞函數(shù))。用于琴弦模型的回路 電路通過波導接頭連接到用于共鳴板系統(tǒng)的回路電路，并且在音調(diào)合成時對回路電路的輸 出信號適當加權(quán)。盡管在現(xiàn)有技術(shù)電子樂器和現(xiàn)有技術(shù)電子樂器中考慮了弦絲振動和共振這兩者， 但是對音樂具有精細聽覺的人仍然感覺到合成的音調(diào)不接近通過諸如鋼琴的原聲樂器生 成的音調(diào)。此外，原聲樂器配有用于向原聲音調(diào)賦予各種細微變化(nuance)的幾個踏瓣和 控制桿。舉例來說，鋼琴配有延音踏瓣(damper pedal)和弱音踏瓣(softpedal)。當演奏 者在相對長的踏瓣行程上壓下延音踏瓣時，不管按下的鍵的釋放，延音踏瓣保持制音器離開弦絲。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， 并且振動的弦絲通過共振引起其它弦絲的強烈振動。如果演奏者在相對短的踏瓣行程上壓 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，并且振動的弦絲引起其它弦絲的微弱振動。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)賦予任一細微變化。弱音踏瓣也能用于細微變化。當弱音踏瓣停留在靜止位置上時，每個弦槌氈 (hammer felt)與關(guān)聯(lián)組的三條弦絲相對，并且按下的鍵使弦槌氈與該關(guān)聯(lián)組的三條弦絲 碰撞。當演奏者在相對長的行程上壓下弱音踏瓣時，鍵架(key frame)橫向移動，并且每個 弦槌與該關(guān)聯(lián)組的兩條弦絲相對。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)。如果演奏者在相對短的行程上壓下弱音踏瓣，鍵架在橫向方 向上輕微移動，并且弦槌氈的三個尾部(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碰撞而使得三個尾部變硬，但是弦槌氈除了尾部之外的區(qū)域仍然 是軟的。為此，當弦槌氈與關(guān)聯(lián)組的三條弦絲碰撞時，鋼琴音調(diào)比通過三個尾部和三條弦絲 之間的碰撞而生成的鋼琴音調(diào)更柔和。由此，演奏者能通過弱音踏瓣向鋼琴音調(diào)賦予不同 的細微變化。然而，在現(xiàn)有技術(shù)模型中沒有考慮這些種類的踏瓣影響。結(jié)果，演奏者不能向通過 現(xiàn)有技術(shù)樂器生成的合成音調(diào)賦予細微變化。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明的一個重要目的是提供音調(diào)信號生成系統(tǒng)，其產(chǎn)生代表接近于通過 原聲樂器產(chǎn)生的原聲音調(diào)的合成音調(diào)的音調(diào)信號。本發(fā)明的另一重要目的是提供在音調(diào)信號生成系統(tǒng)中采用的方法。本發(fā)明人研究了原聲樂器，并且注意到對于高精度的模擬，不僅需要現(xiàn)有技術(shù)模 型也需要其它模型。下文中對于作為原聲樂器的例子的鋼琴描述其它模型。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。當演奏者按下鍵時，鍵開始從靜止位置向終點位置行進。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位置 的路徑上與相關(guān)聯(lián)的弦絲分開，并且通過動作單元也在向著終點位置的路徑上給予弦槌動 能。弦槌與弦絲碰撞，從而在弦絲上激勵出波動。波動能量傳播到支撐端。部分波動能量 通過支撐端傳輸?shù)娇蚣堋ＪＳ嗖糠值牟▌幽芰吭谥味松戏瓷?，并且留在弦絲中。由此，波 動通過反射在支撐端之間反復傳播，從而在弦絲中產(chǎn)生振動。當弦槌與弦絲碰撞時，弦槌引 起弦絲在弦槌的移動方向上，即在垂直于弦絲縱向的方向上的撓度(bend)。然而，琴橋在三 個維度上振動。弦絲被琴橋的振動所影響，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。部分波動能量通過框架、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。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?。?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“三維 耦合振動機制”產(chǎn)生。通過“三維耦合振動模型”模擬三維耦合振動機制。如上文所述，部分波形能量引起三維結(jié)構(gòu)的振動，即，諸如框架、共鳴板、箱體的側(cè)板和箱體的木框架的振動組成部分的組合，并且原聲鋼琴音調(diào)從振動的三維結(jié)構(gòu)輻射到空 氣中。下文中將振動組成部分的組合稱為“樂器主體(instrument body)”。該現(xiàn)象通過 “來自三維樂器主體的原聲輻射機制”產(chǎn)生。通過“來自三維樂器主體的原聲輻射模型”模 擬來自三維樂器主體的原聲輻射機制。標準原聲鋼琴具有88個鍵，并且音階的音高被分別分配給88個鍵。當演奏者 順序地按下88個鍵時，按預定音高生成音調(diào)。然而，具有精細的音樂聽覺的人感覺到從 與被分配了最低音高的鍵起的四十個鍵相關(guān)聯(lián)的振動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“叮當聲(jingling)”或 “嘶鳴聲(whinnying)，，，或者一種金屬聲，如“叮呤聲(tinkling)，，，并且在下文中稱為“鈴 聲”(ringingsoimd)。演奏者讓弦槌與弦絲碰撞得越強，則鋼琴音調(diào)中包含的鈴聲越多。如 果鋼琴音調(diào)包含鈴聲過多，則人們覺得鈴聲不舒服。然而，如果不完美地去除鈴聲，則人們 感覺到鋼琴音調(diào)太單調(diào)。鈴聲的來源是弦絲的非線性有限幅度振動。該現(xiàn)象通過“非線性 有限幅度振動機制”產(chǎn)生，并且通過“非線性有限幅度振動模型”模擬非線性有限振動機制。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制。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出了為了改善電子音調(diào)，考慮三維耦合振動模型和來 自三維樂器主體的原聲輻射模型。三維耦合振動模型產(chǎn)生琴弦模型和樂器主體模型，并且 原聲輻射模型產(chǎn)生空氣模型。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種模擬通過原聲樂器產(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處觀察的人工音調(diào)的音調(diào)信號，原聲 樂器具有至少一個振動弦絲和配有支撐部分的振動樂器主體，通過該支撐部分支撐前述至 少一個振動弦絲，并且該方法包括步驟a)獲取表示在前述至少一個振動弦絲上施加的力 的第一數(shù)據(jù)和表示每個支撐部分處的位移的第二數(shù)據(jù)，b)通過使用定義前述至少一個振動 弦絲上施加的力和每個支撐部分處的位移、以及每個自然振動模式的模態(tài)坐標系上前述至 少一個振動弦絲的位移之間的關(guān)系的運動方程，確定表示每個自然振動模式的模態(tài)坐標系 上前述至少一個振動弦絲的位移的第三數(shù)據(jù)，c)通過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振動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 振動樂器主體的自然角頻率、模態(tài)阻尼比和自然振動模式的分量的第六數(shù)據(jù)，通過使用定 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)坐標系上振動樂器主體的位移或速 度的第五數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運動方程，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)、 振動樂器主體在支撐部分處的自然振動模式和坐標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)，確定表示從該振動樂器主體輻射的、并在 空氣中的該特定點處觀察到的聲壓的第七數(shù)據(jù)，作為通過該模態(tài)坐標系上該振動樂器主體 的速度和第八數(shù)據(jù)之間的卷積而得到的計算結(jié)果之和，該第八數(shù)據(jù)表示該模態(tài)坐標系上該 振動樂器主體的速度與空氣中的該特定點處的該聲壓之間的沖擊響應或頻率響應，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。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種音調(diào)信號合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通 過原聲樂器產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號，該原聲樂器具有至少一個振動弦絲和配有支撐部分的振動樂器主體，其中通過該支撐部分支撐該至少一個弦絲，并且該音調(diào)信 號合成系統(tǒng)包括琴弦模型計算模塊，包括第一子模塊，獲取表示前述至少一個振動弦絲上 施加的力的第一數(shù)據(jù)和表示每個支撐部分處的位移的第二數(shù)據(jù)；第二子模塊，通過使用定 義前述至少一個振動弦絲上施加的力和每個支撐部分處的位移以及每個自然振動模式的 模態(tài)坐標系上前述至少一個振動弦絲的位移之間的關(guān)系的運動方程，確定表示每個自然振 動模式的模態(tài)坐標系上前述至少一個振動弦絲的位移的第三數(shù)據(jù)；以及第三子模塊，通過 使用坐標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振動弦絲在支撐部 分上施加的力的第四數(shù)據(jù)；樂器主體模型計算模塊，包括第四子模塊，基于第四數(shù)據(jù)和表示 振動樂器主體的自然角頻率、模態(tài)阻尼比和自然振動模式的分量的第六數(shù)據(jù)，通過使用定 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)坐標系上振動樂器主體的位移或速 度的第五數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運動方程，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)、振動樂器主體在支撐部分處的自然振動模式和坐標軸間的方向余弦的值之間的乘 積之和；以及第六子模塊，向琴弦模型計算模塊提供第二數(shù)據(jù)；以及空氣模型計算模塊，包 括第七子模塊，基于第五數(shù)據(jù)確定表示從振動樂器主體輻射的、并在空氣中的特定點處觀 察到的聲壓的第七數(shù)據(jù)，基于該第五數(shù)據(jù)，確定表示從該振動樂器主體輻射的、并在空氣中 的該特定點處觀察到的聲壓的第七數(shù)據(jù)，作為通過該模態(tài)坐標系上該振動樂器主體的速度 和第八數(shù)據(jù)之間的卷積而得到的計算結(jié)果之和，該第八數(shù)據(jù)表示該模態(tài)坐標系上該振動樂 器主體的速度與空氣中的該特定點處的該聲壓之間的沖擊響應或頻率響應，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。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種模擬通過原聲鋼琴產(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，原聲鋼琴包括在靜止位 置和終點位置之間移動的至少一個鍵、與前述至少一個鍵鏈接的至少一個動作單元、由前 述至少一個動作單元驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的至少一個弦槌、至少一個振動弦絲、與前述至少一個鍵鏈 接以便根據(jù)前述至少一個鍵的位置而與前述至少一個振動弦絲分開和接觸的至少一個制 音器、與前述至少一個制音器鏈接以便使前述至少一個制音器獨立于前述至少一個鍵的位 置而與前述至少一個振動弦絲分開和接觸的延音踏瓣、以及配有支撐部分的振動樂器主 體，其中通過該支撐部分支撐前述至少一個弦絲，該方法包括步驟a)獲取表示對應于前 述至少一個鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表示對應于延音踏瓣的踏瓣行程的第二數(shù)據(jù)，b)通過 基于第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時間依賴方式改變前述至少一個制音器的粘性系數(shù)的值，確 定表示由前述至少一個制音器針對前述至少一個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。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種音調(diào)信號合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通 過鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號，該鋼琴包括在靜止位置和終點位置之間移 動的至少一個鍵、與前述至少一個鍵鏈接的至少一個動作單元、由前述至少一個動作單元 驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的至少一個弦槌、至少一個振動弦絲、與前述至少一個鍵鏈接以便根據(jù)前述至少 一個鍵的位置而與前述至少一個振動弦絲分開和接觸的至少一個制音器、與前述至少一個 制音器鏈接以便使前述至少一個制音器獨立于前述至少一個鍵的位置而與前述至少一個 振動弦絲分開和接觸的延音踏瓣、以及配有支撐部分的振動樂器主體，其中通過該支撐部分支撐前述至少一個弦絲，并且該音調(diào)信號合成系統(tǒng)包括制音器模型計算模塊，包括第一 子模塊，獲取表示對應于前述至少一個鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表示對應于延音踏瓣的踏 瓣行程的第二數(shù)據(jù)，以及第二子模塊，通過基于第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時間依賴方式改變 前述至少一個制音器的粘性系數(shù)的值，確定表示由前述至少一個制音器針對前述至少一個 弦絲的阻力的第三數(shù)據(jù)，以及音調(diào)信號產(chǎn)生模塊，考慮第三數(shù)據(jù)確定該音調(diào)信號。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種模擬通過原聲鋼琴產(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，該原聲鋼琴包括在靜止位置和終點 位置之間移動的至少一個鍵、與前述至少一個鍵鏈接的至少一個動作單元、由前述至少一 個動作單元驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的至少一個弦槌、至少一個振動弦絲、與前述至少一個鍵鏈接以便根 據(jù)前述至少一個鍵的位置而與前述至少一個振動弦絲分開和接觸的至少一個制音器、與前 述至少一個鍵鏈接以便使前述弦槌的沖擊區(qū)域偏離前述至少一個振動弦絲的弱音踏瓣、以 及配有支撐部分的振動樂器主體，其中通過該支撐部分支撐前述至少一個弦絲，該方法包 括步驟a)獲取表示對應于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一數(shù)據(jù)，b)通過基于第一數(shù)據(jù)、按時 間依賴方式改變前述至少一個弦槌的彈性模量的值，確定表示由前述至少一個弦槌在前述 至少一個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。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種音調(diào)信號合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通 過鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號，該鋼琴包括在靜止位置和終點位置之間移 動的至少一個鍵、與前述至少一個鍵鏈接的至少一個動作單元、由前述至少一個動作單元 驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的至少一個弦槌、至少一個振動弦絲、與前述至少一個鍵鏈接以便根據(jù)前述至少 一個鍵的位置而與前述至少一個振動弦絲分開和接觸的至少一個制音器、與前述至少一個 鍵鏈接以便使弦槌的沖擊區(qū)域偏離前述至少一個振動弦絲的弱音踏瓣、以及配有支撐部分 的振動樂器主體，其中通過該支撐部分支撐前述至少一個弦絲，該音調(diào)信號合成系統(tǒng)包括 制音器模型計算模塊，包括第一子模塊，獲取表示對應于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一數(shù)據(jù)， 以及第二子模塊，通過基于第一數(shù)據(jù)、按時間依賴方式改變前述至少一個弦槌的彈性模量 的值，確定表示由前述至少一個弦槌在前述至少一個弦絲上施加的力的第二數(shù)據(jù)，以及音 調(diào)信號產(chǎn)生模塊，考慮第二數(shù)據(jù)確定音調(diào)信號。


根據(jù)結(jié)合附圖的以下描述，將更清楚地理解音調(diào)信號生成系統(tǒng)和方法的特征和優(yōu) 點，附圖中圖1是示出本發(fā)明的電子鋼琴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖，圖2是示出通過執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計算機程序的一部分實現(xiàn)的軟件模塊 的框圖，圖3是示出標準大鋼琴的結(jié)構(gòu)的示意透視圖，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，圖5是示出通過執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計算機程序的一部分實現(xiàn)的軟件模塊 的框圖，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，圖7是示出通過執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計算機程序的一部分實現(xiàn)的軟件模塊的框圖，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，以及圖9是示出通過執(zhí)行在電子鋼琴中加載的計算機程序的一部分實現(xiàn)的軟件模塊 的框圖。
具體實施例方式第一實施例電子鋼琴的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)實施本發(fā)明的電子鋼琴1大體上包括控制器11、數(shù)據(jù)存儲裝置12、人機接口 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)存儲裝置12、人機接口 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能通過共享總線系統(tǒng)18與其 它系統(tǒng)組件12、13、15和17通信。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)字信號處理器 lib、其它外設(shè)處理器(未示出)、只讀存儲器11c、隨機存取存儲器lid、信號接口 lie和 內(nèi)部總線系統(tǒng)llf。中央處理單元11a、只讀存儲器Ilc和隨機存取存儲器Ild被縮寫為 “CPU”、“R0M”和“RAM”。直接存儲器存取控制器和視頻處理器可被包含為兩個其它外設(shè)處理器。中央處理單元Ila由微處理器實現(xiàn)，并且順序地執(zhí)行由計算機程序的編程指令代 碼表示的作業(yè)。計算機程序被存儲在只讀存儲器Ilc中，從而中央處理單元Ila從只讀存 儲器Ilc順序地提取編程指令代碼。在計算機程序被存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置12中的情況下， 計算機程序從數(shù)據(jù)存儲裝置12傳遞到隨機存取存儲器lld，并且中央處理單元Ila從隨機 存取存儲器Ild順序地讀出編程指令代碼。隨機存取存儲器Ild向中央處理單元Ila提供 工作區(qū)域。電子鋼琴1由中央處理單元Ila通過執(zhí)行編程指令代碼來控制。例如，如下文將 描述的，中央處理單元Ila在數(shù)字信號處理器lib的輔助下生成音調(diào)信號，并且音調(diào)信號通 過聲音系統(tǒng)17轉(zhuǎn)換為電音調(diào)。在此例子中，基于音調(diào)信號產(chǎn)生電子鋼琴音調(diào)。數(shù)據(jù)存儲裝置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)動單 元充當數(shù)據(jù)存儲裝置12。各種數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置12中。一組音調(diào)控制數(shù)據(jù)和音 調(diào)數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置12中?？筛鶕?jù)MIDI (樂器數(shù)字接口)協(xié)議準備音調(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間變化。從諸如緊致 盤DP的信息存儲介質(zhì)DP或通過通信網(wǎng)絡(luò)從合適的服務(wù)器計算機加載這些種類的數(shù)據(jù)。人機接口 13包括操縱面板13a和顯示面板14。鼠標13b、開關(guān)13c和鍵盤13d形 成操縱面板13a的各部分，并且用戶通過鼠標13b、開關(guān)13c和鍵盤13d向電子鋼琴1給出 他們的指令。在此例子中，顯示面板14由液晶顯示面板實現(xiàn)?？刂破?1通過執(zhí)行計算機程序 使顯示面板14產(chǎn)生視覺圖像，如消息、作業(yè)列表、性能菜單等。無需用戶的決定或響應于用 戶的決定而產(chǎn)生視覺圖像。例如，當電子鋼琴1被加電時，在顯示面板14上產(chǎn)生表示作業(yè) 列表的視覺圖像，而無需任何用戶指令。
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。當未在鍵15b/15c上施加任何向下的 力時，鍵停留在各自的靜止位置上，并且鍵行程為零。當在每個鍵15b/15c上施加向下的力 時，鍵開始從靜止位置向終點位置行進。鍵行程向著中點位置而增加。鍵號被分別分配給 鍵15b和15c，從而分別用鍵號指定按下的鍵15b/15c和釋放的鍵15b/15c。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。鍵號被存儲為鍵代碼KC。用鍵位置傳感器15d之一和鍵速度傳感器 15e之一監(jiān)視每個鍵15b和15c。測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。鍵速度傳感器15e產(chǎn)生鍵速度信號。鍵行程信號和鍵速度信號被從模擬形式 轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且通過共享總線系統(tǒng)18，從鍵盤15a周期性地向控制器11的信號接口 lie提供鍵代碼KC、數(shù)字鍵行程信號KS和數(shù)字鍵速度信號KV。控制器11基于所獲取的數(shù) 據(jù)確定弦槌速度。踏瓣16對應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”。踏瓣號被分別分配給踏瓣16，并被存儲為踏瓣代碼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。當延音踏瓣16a和弱音踏瓣16b停留在各自的靜止位置上時，踏瓣行程為零。踏瓣 行程的值向著終點位置而增加。踏瓣行程信號被從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式，并且通過共 享總線系統(tǒng)18將數(shù)字踏瓣行程信號PS和踏瓣代碼PC周期性地提供給控制器11的信號接 Π lie。聲音系統(tǒng)17包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器17a、放大器(未示出)和揚聲器17b。代表音調(diào)數(shù)據(jù) 的音調(diào)信號被提供給聲音系統(tǒng)17，并且通過數(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)信號產(chǎn)生音頻信號，并且通過放大器和揚聲器17b將音頻信號轉(zhuǎn)換為電音調(diào)。計算機程序被分解為主例程程序和子例程程序。當電子鋼琴1被初始化時，主例 程程序開始在中央處理單元Ila上運行。當主例程程序在中央處理單元Ila上運行時，用 戶通過人機接口 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接口 lie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節(jié)是本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，為此為了簡便，下文中不再進行進一步 的描述。另一子例程程序被分配給音調(diào)信號的合成，并且通過執(zhí)行用于音調(diào)信號的合成的 子例程程序?qū)崿F(xiàn)圖2所示的軟件模塊。對用于音調(diào)信號的合成的子例程程序考慮多個物理 模型，并且它們被稱為“制音器模型”、“弦槌模型”、“琴弦模型”、“樂器主體模型”和“空氣模 型”。在標準原聲鋼琴的前提下準備這些模型。圖3中示出了標準原聲鋼琴21的典型 例子，并且標準原聲鋼琴21包括形成鍵盤21b的一部分的88個鍵21a、通過動作單元21d 與鍵21a鏈接的弦槌21c、每個由一條到三條弦絲構(gòu)成的弦絲21e的弦絲組、以及每個在零 到多個點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
17動組成部分形成樂器主體21 j。在以下描述中，詞語“弦絲”、“弦槌”、“制音器”和“樂器主體”指代標準原聲鋼琴 21的弦絲21e、弦槌21c、制音器21f和樂器主體21 j，因為弦絲、弦槌、制音器和樂器主體均 為被合并在電子鋼琴1中。咅調(diào)信號合成系統(tǒng)用于音調(diào)信號的合成的子例程程序通過執(zhí)行來實現(xiàn)音調(diào)信號合成系統(tǒng)100，音調(diào) 信號合成系統(tǒng)100包括比較器101、制音器模型計算模塊102-1和102-2、弦槌模型計算模 塊103、琴弦模型計算模塊104-1和104-2、樂器主體模型計算模塊105以及空氣模型計算 模塊106。制音器模型計算模塊102-1和102-2通過制音器模型模擬特定的一個或多個弦 絲21e的振動，并且琴弦模型計算模塊104-1和104-2在琴弦模型上模擬特定弦絲21e的 振動。弦槌模型計算模塊103、樂器主體模型計算模塊105和空氣模型計算模塊106分別通 過弦槌模型、樂器主體模型和空氣模型模擬特定的一個或多個弦絲21e的振動。比較器101連接到制音器模型計算模塊102-1和102_2，并且制音器模型計算模塊 102-1和102-2分別連接到琴弦模型計算模塊104-1和104-2。弦槌模型計算模塊103連 接到琴弦模型計算模塊104-1和104-2兩者。琴弦模型計算模塊104-1和104-2連接到樂 器主體模型計算模塊105，樂器主體模型計算模塊105又連接到空氣模型計算模塊106。從 空氣模型計算模塊106輸出音調(diào)生成信號P (η Δ t)。如前所述，音調(diào)信號合成系統(tǒng)100在標準原聲鋼琴21具有88個鍵21a的前提下 產(chǎn)生音調(diào)信號。為此，88個鍵15b和15c需要88組制音器模型計算模塊102-1和102-2、 弦槌模型計算模塊103和琴弦模型計算模塊104-1和104-2，并且88對琴弦模型計算模 塊104-1和104-2并聯(lián)到樂器主體模型計算模塊105。在以下描述中，為了簡便，軟件模塊 102-1、102-2、104-1和104-2被描述為如同標準原聲鋼琴僅僅具有一個鍵21a和用于該僅 僅一個鍵21a的僅僅一組制音器21f/弦槌21c。通過音調(diào)信號合成系統(tǒng)100中的信號合成處理生成音調(diào)信號，并且基于兩條弦絲 形成與每個鍵相關(guān)聯(lián)的弦絲21e的物理模型進行信號合成處理。兩個琴弦模型計算模塊 104-1和104-2并聯(lián)到樂器主體模型計算模塊105，并且分別負責兩條弦絲。同樣地，兩個 制音器模型計算模塊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琴弦 模型計算模塊104-1和104-2。在基于對每個鍵包含三條弦絲或多于三條弦絲的物理模型 準備音調(diào)信號合成系統(tǒng)的情況下，按照使弦絲的數(shù)目iw等于琴弦模型計算模塊的數(shù)目iw 和制音器模型計算模塊的數(shù)目iw的方式，增加琴弦模型計算模塊104-iw和制音器模型計 算模塊102-iw。如果弦絲的數(shù)目iw是3或4，則琴弦模型計算模塊的數(shù)目iw和制音器模 型計算模塊的數(shù)目iw也是3或4。四個輸入信號ek (η At)、ep (η At)、νΗ (η At)禾Pes (η At)在控制器11中準備，并 且被提供給音調(diào)信號合成系統(tǒng)100。第一輸入信號ek (IiAt)代表表示鍵的行程的鍵行程數(shù) 據(jù)，并且第二輸入信號V11(IiAt)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測量鍵速度，并且通過數(shù)字鍵速度信號KV將鍵速度數(shù)據(jù)報 告給控制器11。通過鍵速度值的微分確定鍵加速度。第三輸入信號ep (η At)代表延音踏瓣行程，第四輸入信號es (η Δ 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來測量，并且通過數(shù)字踏瓣行程信號PS報告給控制器11。第一至第四輸入信號ek (η At)、ep (η At)、V11(IiAt)禾口 es(nAt)的值按間隔At 變化。“η”從0、1、2...遞增，并且經(jīng)過的時間被表示為nAt。在此例子中，基于數(shù)字信號 KS、KV、PS準備第一至第四輸入信號ek (η Δ t)、ep (η Δ t)、νΗ (η Δ t)和es (η Δ t)。然而，可基 于音調(diào)控制數(shù)據(jù)準備第一至第四輸入信號。音調(diào)信號P(IiAt)代表音調(diào)數(shù)據(jù)，其表示在特定觀察點的聲壓。音調(diào)數(shù)據(jù)從空氣 模型計算模塊106被提供到用于生成電子鋼琴音調(diào)的聲音系統(tǒng)17，和/或被存儲在數(shù)據(jù)存 儲裝置12中用于回放。基于以下28個假設(shè)來準備音調(diào)合成系統(tǒng)100的物理模型。(假設(shè)1)忽略重力。(假設(shè)2)當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，弦絲處于靜力平衡狀態(tài)，并且每條弦絲具有細柱形結(jié)構(gòu)，其具有圓形橫截面。(假設(shè)3)弦絲的厚度不變，從而弦絲可應用梁理論。(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)。(假設(shè)5)弦絲的幅度的值較小。然而，幅度的值不是始終無限小。(假設(shè)6)弦絲是均質(zhì)的。(假設(shè)7)弦絲中的應力被給出為與應變(strain)成比例的分量和與應變率成比 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。(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。(假設(shè)9)弦絲在其一端由形成樂器主體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)。(假設(shè)10)忽略弦絲和空氣之間的作用和反作用。(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限小。圓柱具有高度，它的值允許圓柱不受相鄰弦絲 2Ie的干擾。(假設(shè)12)在多條弦絲與單個弦槌21c相關(guān)聯(lián)的情況下，弦絲中線在靜力平衡的虛 平面上。(假設(shè)13)在多條弦絲與單個弦槌21c相關(guān)聯(lián)的情況下，假設(shè)單個弦槌21c具有與 弦絲數(shù)目相等的多個弦槌頭。(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。(假設(shè)15)弦槌21c的重心在一條線上移動。(假設(shè)16)弦槌21c的重心的移動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。(假設(shè)17)弦槌21c在與弦槌21c的重心的移動方向一致的方向上變形。(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)是正實數(shù)的函數(shù)。(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。
19
(假設(shè)20)忽略弦槌21c和空氣之間的作用和反作用。(假設(shè)21)對于與制音器21f相關(guān)聯(lián)的弦絲，對弦絲中線上的特定點施加用于限制 弦絲的撓曲振動的制音器21f的阻力，并且特定點被稱為“音調(diào)停止點”。(假設(shè)22)阻力-速率(rate)關(guān)系被表示為線性表達式。(假設(shè)23)樂器主體21j的振幅的值極小。(假設(shè)24)樂器主體21j近似于線性粘性阻尼系統(tǒng)。(假設(shè)25)忽略空氣對樂器主體21j的反作用。(假設(shè)26)空氣是均質(zhì)的。(假設(shè)27)氣壓和容積應變之間的關(guān)系被給出為線性表達式。(假設(shè)28)空氣中不產(chǎn)生任何漩渦。在以下說明書中，對于弦絲使用右手坐標系(X，y，ζ)。靜力平衡的弦絲的中線與 坐標系的X軸一致，并且弦絲在支架21eb處的支撐端被放置在坐標系的原點(0，0，0)。弦 絲在琴橋21ea處的另一支撐端被放置在χ大于0的區(qū)域中。弦槌21c的重心在與弦絲碰 撞時在ζ軸的正方向上移動。對于樂器主體21 j和空氣使用右手坐標系(X，Y，Z)?！皌”表 示經(jīng)過的時間，并被稱為時間變量。因為物理模型102-1、102-2、103、104-1、104-2、105和106被構(gòu)造在實現(xiàn)上述假設(shè)
的原聲鋼琴上。為此，不用指定標準原聲鋼琴21的組成部分的參考標記來標記原聲鋼琴的 組成部分。接著，描述參數(shù)和參數(shù)的符號。參數(shù)被分為五個群組，并且被給予音調(diào)信號合成系 統(tǒng)100，用于對模型的數(shù)據(jù)處理。群組1中的參數(shù)可隨時間一起變化，即，是時間依賴參數(shù)， 而群組2至5的參數(shù)無論經(jīng)過多少時間都不變，即，是時間獨立參數(shù)。群組1 群組1的參數(shù)涉及電子鋼琴1的性能，并且被給予音調(diào)信號合成系統(tǒng)100。 術(shù)語“鍵”、“弦絲”、“弦槌”、“制音器”和“樂器主體”指代其上構(gòu)造物理模型的標準鋼琴的 組成部分 21a、21e、21c、21f 和 21 j。VH[ik] (t)表示在與一個或多個弦絲碰撞前瞬間的弦槌速度。eK[ik] (t)是隨鍵行程一起變化的系數(shù)。eP(t)是隨著延音踏瓣的踏瓣行程一起變化的系數(shù)。es[ik] (t)是隨著弱音踏瓣的踏瓣行程一起變化的系數(shù)。群組2 群組2的參數(shù)用于電子鋼琴1的設(shè)計工作中。Iff[ik]表示與單個鍵相關(guān)聯(lián)的弦絲數(shù)。ID[ik]M表示與單個弦絲組相關(guān)聯(lián)的制音器的數(shù)目。θ H[ik]表示弦槌運動對垂直于ζ平面且包含χ軸的虛平面的傾斜角。MH[ik]表示弦槌的質(zhì)量。KH[ik]M是表示弦槌回彈性的正的常數(shù)或者主系數(shù)。p[ik]M是表示弦槌回彈性的正的常數(shù)或指數(shù)。bD[ik][iw]是弦槌的粘性阻尼系數(shù)。d[ik][iw]表示弦絲直徑。y [ik]M表示靜力平衡的弦絲的密度。E[ik][iw]表示縱向彈性模量。
η[ik]M表示弦絲的內(nèi)部粘性阻尼系數(shù)。b[ik][iw]表示弦絲在弦絲縱向上的外部粘性阻尼系數(shù)。α H[ik]M是表示表示弦槌碰撞的弦絲表面上的點的常數(shù)。弦絲表面上的點在下文 中被稱為“沖擊點”。α D[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”。ZB[ik]M[iB]表示弦絲的支撐端的ζ坐標。XB[ik]M[iB]表示弦絲的支撐端的χ坐標。YB[ik]M[iB]表示弦絲的支撐端的y坐標。ωε"表示樂器主體的自然角頻率。ζ，]表示模態(tài)阻尼比。cpB1[ik][iw][iB][m]表示樂器主體在自然振動模式下的弦絲的支撐端處的z分量。q>B2[ik][iw][iB][m]表示樂器主體在自然振動模式下的弦絲的支撐端處的χ分量。cpB3[ik][iw][iB][m]表示樂器主體在自然振動模式下的弦絲的支撐端處的y分量。通過使用模態(tài)質(zhì)量對樂器主體的自然振動模式歸一化。群組3 群組3的參數(shù)涉及空氣中的觀察點，并在設(shè)計工作中使用。h[iP][m](nAt) (η = 0,1...，N[ip]_l)表示在樂器主體的自然振動模式下的模量坐標
系上，速度和空氣中觀察點處的聲壓之間的沖擊響應。群組4 群組4的參數(shù)涉及調(diào)音(timing)工作。ε 0[ik]M表示靜力平衡的弦絲的垂直應變。群組5 群組5的參數(shù)涉及數(shù)值計算。M/ik] ( = M3[ik])表示自然振動模式的數(shù)目，即，弦絲的撓曲振動中的自然振動模式 的數(shù)目。M2[ik]是自然振動模式的數(shù)目，即，弦絲的縱向振動中的自然振動模式的數(shù)目。M是自然振動模式的數(shù)目，即，樂器主體的自然振動模式的數(shù)目。At表示采樣間隔。N[ip]表示在樂器主體的自然振動模式下的模量坐標系上，速度和空氣中觀察點處 的聲壓之間的沖擊響應的長度。Wh表示當輸入弦槌速度VH[ik](t)時WH[ik](t)的值。該值是負實數(shù)。在下文中結(jié)合 群組8描述WH[ik]⑴。音調(diào)信號被從空氣模型計算模塊106輸出，并且代表空氣中觀察點處的聲壓。聲 壓的值被表示為P[ip] (η Δ t)，其中η是0、1、...，并且按照Δ t的間隔變化。聲壓P[ip] (η Δ t) 的值是群組6的參數(shù)。物理模型上的計算所需的其它參數(shù)被描述為群組7、8和9。群組7:ι [ik]M表示靜力平衡下的弦絲長度，S卩，弦絲的支撐端之間的長度。xH[ik][iw]表示沖擊點的 χ 坐標，并且等于 aH[ik][iw] ι [ik][iw]。xD[ik]M[iD]表示音調(diào)衰減點的χ坐標，并且等于aD[i—W t ω Μ。
在單條弦絲被分配給弦槌的情況下，在給定ZB、XB、Yb和θ H的條件下唯一地確定 在多條弦絲被分配給弦槌的情況下，在給定ZB、XB和Yb的條件下唯一地確定β kk，。 群組8:
WH[ik] (t)表示弦槌重心的位移。
W, [iw] D3
Ul[ik][ik] (x,t)表示Z方向上弦絲中線的位移。 “[ik][iw](x，t)表示X方向上弦絲中線的位移。
0139]
0140]
0141]
0142]
0143]
0144]
0145]
3 kk’ °
0146]
0147]
0148]量。
0149]
0150]
態(tài)因子(見算式1)
0151]ft
0152]f,
0153]
0154]
0155]
0156]
0157]
0158]
0159]
0160] 0161] 0162]
0163]
0164]
0165]
0166]
0167]
0168]
0169]
0170]
0171]
0172]
0173]A移。
表示坐標軸之間的方向余弦，其中k是1、2和3，k’是1、2和3t
(t)表示弦槌的壓縮量。壓縮量等于弦槌頭和弦槌重心之間的距離的減少
(t)表示利用弦槌頭對弦絲表面施加的力。 (t)表示根據(jù)延音踏瓣的狀態(tài)和相關(guān)聯(lián)的鍵的狀態(tài)而變化的弦絲的制音器狀
(t)表示ζ方向上制音器的阻力。 (t)表示y方向上制音器的阻力。
u2
u3[ik][iw] (x,t)表示y方向上弦絲中線的位移。
Ubi Ub2 Ub3 Ur [iw [iw [iw [iw [iw
JB2 [iw [iw
LBI [iw [iw
LB3 [iw [iw
B2 [iw
iB
iB
iB
iB
iB
iB
ω
ω [iw] [m [iw] [m2]
2
(t)表示Z方向上弦絲支撐端的位移。 (t)表示在(x，y，z)坐標系中的X方向上弦絲支撐端的位移。 (t)表示y方向上弦絲支撐端的位移。 ⑴表示在(X，Y，Z)坐標系中的Z方向上弦絲支撐端的位移。 (t)表示X方向上弦絲支撐端的位移。 (t)表示Y方向上弦絲支撐端的位移。 (t)表示通過弦絲在支撐端上施加的ζ方向上的分力。 (t)表示通過弦絲在支撐端上施加的χ方向上的分力。 (t)表示通過弦絲在支撐端上施加的y方向上的分力。 (t)表示通過弦絲在支撐部分上施加的Z方向上的分力。 (t)表示通過弦絲在支撐部分上施加的X方向上的分力。 (t)表示通過弦絲在支撐部分上施加的Y方向上的分力。 1表示弦絲的撓曲振動的自然角頻率，并且等于《3[ik]M[ml]。 表示弦絲的縱向振動的自然角頻率。
ζ表示弦絲的撓曲振動的模態(tài)阻尼比，并且等于ζ 3[ik][iw][ml].
ζ 2[ik]M[ffl2]表示弦絲的縱向振動的模態(tài)阻尼比。 群組9 [iw] [ml]
(t)表示模態(tài)坐標系中撓曲振動的自然振動模式中Z方向上的弦絲位
22
A2[ik]MM(t)表示模態(tài)坐標系中縱向振動的自然振動模式中X方向上的弦絲位 移。A3[ik][iw][m3] (t)表示模態(tài)坐標系中撓曲振動的自然振動模式中y方向上的弦絲位 移。Ac[m] (t)表示自然振動模式的模態(tài)坐標系中樂器主體的位移。P[ip] (t)表示空氣中觀察點處的聲壓。VG[iG] (t)表示圖(figure)的中心處原聲輻射元件(element)的速度矢量的外法線 分量，并且在下文中被簡稱為“原聲輻射元件的速度”。H[ip][iG]( )表示原聲輻射元件的速度和空氣中觀察點處的聲壓之間的頻率響應 的函數(shù)。h[ip][iG] (t)表示原聲輻射元件的速度和空氣中觀察點處的聲壓之間的沖擊響應的 函數(shù)。H’ [ ρ]ω(ω)表示自然振動模式的模態(tài)坐標系中樂器主體的速度和空氣中觀察點 處的聲壓之間的頻率響應的函數(shù)。fi[ip][m](t)表示自然振動模式的模態(tài)坐標系中樂器主體的速度和空氣中觀察點處
的聲壓之間的沖擊響應的函數(shù)。Ig表示原聲輻射元件的數(shù)目。φ(;;[Κ}][η ]表示圖的中心處樂器主體的自然振動模式中原聲輻射元件的外法線分
量。樂器主體的自然振動模式通過使用模態(tài)質(zhì)量歸一化。群組10 對上述參數(shù)的指數(shù)(index)進行描述。iK表示分別分配給鍵的鍵號，并且變化為1、2、. . . Ικ。iw表示分配給與每個鍵相關(guān)聯(lián)的弦絲的編號，并且變化為1、2、. . . iw[ik]。“表示弦槌頭是否與弦絲碰撞。當弦槌頭與弦絲碰撞時，“是1。另一方面，當弦 槌頭未與弦絲碰撞時，is是2。在Iw等于或大于3并且iw是Iw的情況下，is是2。在其它 情況下，^是1。iD表示被分配給與每條弦絲相關(guān)聯(lián)的制音器的編號，并且變化為1、2、. . . ID[ik]M?！氨硎颈环峙浣o弦絲的支撐端的編號。因為弦絲在其兩端被支撐，所以“是0 或1。當“是0時，支撐端保持與琴橋接觸。另一方面，當“是1時，支撐端保持與支架 (bearing)接觸。表示被分配給原聲輻射元件的編號，并且變化為1、2、. . . Ie。iP表示被分配給空氣中的觀察點的編號，并且變化為1、2、...IP。mi; I1表示被分配給弦絲的撓曲振動的自然振動模式的編號，并且變化為1、
2、· · · Mi οm2, i2表示被分配給弦絲的縱向振動的自然振動模式的編號，并且變化為1、
2、· · · M2 οm3, i3表示被分配給弦絲的撓曲振動的自然振動模式的編號，并且變化為1、
2、· · · Μβ οm表示被分配給樂器主體的自然振動模式的編號，并且變化為1、2、. . . M。
下文中，對通過音調(diào)信號合成系統(tǒng)100中的軟件模塊101至106執(zhí)行的數(shù)據(jù)處理 進行描述。在以下說明書中，為了避免復雜化，未將所有指數(shù)寫入算式中，但寫入了不可缺 少的指數(shù)。當t是0時，參數(shù)ek(t)、eP(t)和巧⑴取初值0。換言之，鍵15b和15c、延音 踏瓣16a和弱音踏瓣16b —開始停留在靜止位置，并且行程是零。具有指數(shù)t的其它參數(shù) 也取初值0。比較器比較器101獲取代表鍵行程的輸入信號lek(n Δ t)和代表延音踏瓣行程的輸入信 號3eD (η Δ t)，并比較輸入信號Iek (η Δ t)和輸入信號3eP (η Δ t),以查看哪個具有比另一更 小的值。比較結(jié)果eD(t)被表示為eD(t) = min(ek(t), eP(t)) 算式 1如果ek(t)等于1，則該參數(shù)表示鍵15b或15c未被按下的狀態(tài)。如果ek(t)等于0和1之間的值，S卩，1彡ek(t)彡0，則該參數(shù)表示鍵15b或15c 被按壓到去往靜止位置的路徑上的鍵位置的狀態(tài)。如果ek(t)等于0，則鍵15b或15c到達終點位置。盡管算式的符號被插入到去往 靜止位置的路徑上的狀態(tài)中，但算式的符號表示制音器的機械行動。如果eP(t)等于1，則該參數(shù)表示延音踏瓣16a未被壓下的狀態(tài)。如果eP(t)等于0和1之間的值，即，1彡eP(t)彡0，則該參數(shù)表示延音踏瓣16a 被按壓到靜止位置的路徑上的踏瓣位置的狀態(tài)。如果eP(t)等于0，則延音踏瓣16a到達終點位置。制咅器樽型計算樽塊當比較器101確定比較的答案時，比較器101向制音器模型計算模塊102-1和 102-2提供輸出信號eD (η △ t)，其代表具有較小值的參數(shù)。制音器模型計算模塊102-1負責 第一弦絲，即，iw等于1，并且另一制音器模型計算模塊102-2負責第二弦絲，即iw等于2。 在弦絲組具有三條弦絲或多于三條弦絲的情況下，具有指數(shù)iw = 3的第三制音器模型計算 模塊和具有指數(shù)iw = 4的其它制音器模型計算模塊...被分配給如前所述的第三弦絲和 其它弦絲。如果制音器模型計算模塊增加，則琴弦模型計算模塊也可以增加，并且所有琴弦 模型計算模塊并行連接到樂器主體模型計算模塊105。所有制音器模型計算模塊具有相同的作用。為此，從指定制音器模型計算模塊的 參考標記中刪除后綴“_1”和“_2”，并且表示制音器模型計算模塊102-1和102-2這兩者的 制音器模型計算模塊用“ 102”標記。盡管琴弦模型計算模塊104-1和104-2分別連接到制音器模型計算模塊102_1和 102-2，但琴弦模型計算模塊104-1和104-2具有相同的作用，為此，表示琴弦模型計算模塊 104-1和104-2這兩者的琴弦模型計算模塊用104標記。輸出信號eD(nAt)和輸出信號uK(xD，n Δ t)被分別從比較器101和琴弦模型計算 模塊104提供到制音器模型計算模塊102，其中k = 1、3。制音器模型計算模塊102對輸出 信號eD(nAt) *UK(xD，nAt)執(zhí)行用于以下計算的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理的結(jié)果被從制音器 模型計算模塊102輸出，作為輸出信號fDk(nAt)。輸出信號fDk(nAt)被提供給琴弦模型 計算模塊104。當標準鋼琴的鍵停留在靜止位置時，制音器完全與弦絲接觸，并禁止弦絲振動。當鋼琴師按下鍵時，被發(fā)現(xiàn)位于到終點位置的路徑上的按下的鍵使制音器逐漸與弦絲分開。 最終，制音器完全與弦絲分開，并且變得不受制音器的阻力。然后，弦絲準備好振動。此外， 制音器和弦絲之間的接觸程度隨著延音踏瓣的行程而變化。由此，鋼琴師通過改變標準鋼 琴中延音踏瓣的行程，可以精確地控制弦絲的共振程度和音調(diào)衰減。制音器的上述作用被表示為以下制音器的阻力fDk(t)和制音器的變形量uK(xD，t) 之間的關(guān)系表達式。fDk (t) = bDeD (t) Dt uk (xD[iD]，t) k = 1，3 算式 2其中 Dt 表示 d/dt。輸出信號eD(nAt)被從比較器101提供到制音器模型計算模塊102，并且輸出 信號eD(nAt)的值在算式2中用eD(t)代入。然后，對應于制音器的粘性系數(shù)的物理量 bDeD (η Δ t)基于離散時間而變化，S卩，(t = η Δ t ;n = 0，1，2...)，并且通過制音器模型計算 模塊102實現(xiàn)類似于標準鋼琴的自然音調(diào)衰減和弦絲的共振。換言之，制音器模型計算模 塊104通過改變物理量bDeD (η Δ t)模擬音調(diào)衰減和弦絲共振。在實際數(shù)據(jù)處理中，算式2被引入琴弦模型計算模塊104中的弦絲模式的運動方 程中，其在下文中被描述為算式16和18。弦橄樽型計算樽塊弦槌模型計算模塊103獲取輸入信號2Vh (η Δ t)和輸入信號4es (η Δ t),并且還從 琴弦模型計算模塊104獲取輸出信號U1 (χΗ, η Δ t)。弦槌模型計算模塊103執(zhí)行用于下文 描述的計算的數(shù)據(jù)處理，并將計算結(jié)果fH(nAt)提供給琴弦模型計算模塊104。牛頓運動方程被應用于上述物理模型的假設(shè)。這樣，弦槌運動方程被表示為
IWDt2WH(t) = 一 (l/ Mh) I fii[iw3 ⑴算式 3
IW = I其中Dt2 表示 d2/dt2。算式4是由弦槌在弦絲表面上施加的力fHM (t)和弦槌壓縮量之間的關(guān)系表達 式。fH[iw] (t) =KHes[is] (t) {ffe[iw] (t)}P 算式 4如果es[is](t)等于1，弱音踏瓣停留在靜止位置。如果es[1](t)等于或小于1并且大于0，即，1 >es[1](t) >0，則弱音踏瓣在到終點 位置的路徑上。如果es[1](t)小于1且大于0，即，l>es[1](t) > 0，則弱音踏瓣被完全壓下。如果es[2](t)等于或小于1并且等于或大于0，即，1 >es[2](t)彡0，則弱音踏瓣在 到終點位置的路徑上。如果es[2] (t)等于0，則弱音踏瓣被完全壓下。然而，在弦槌頭與弦絲表面接觸的條件下，應用算式5，并且在弦槌頭與弦絲表面 分開的條件下，應用算式6和7。 We (t) = Wh (t) -U1 (xH，t)彡 0 算式 5
We (t) = 0算式 6
Wh (t) -U1 (xH，t) < 0算式 7當算式3的右側(cè)被表示為f(t)并且dwH(t)/dt被寫作vH(t)時，基于離散時間 t (即t = ηΔ t，其中η是1、2、3...)，通過使用逐級歐拉公式和梯形公式，求解變量t的常 微分方程即算式3，如算式8。vH (n At) = vH((n_l) At)) + At · f((n_l) At)wH (η At) = wH( (n_l) At)+ (Δ t/2) · (vH (n_l) Δ t) +vH (η Δ t)算式 8當弦槌速度Vh((η-1) Δ t)大于0時，Vh ((η_1) Δ t)、0和Wh分別代入算式8 的 ((1!-1) At)、f((n_l) At)和 ((11-1) Δ t)，然后通過計算給出弦槌的重心的位移 wH(η Δ t)。當滿足弦槌接觸的條件即算式5時，確定輸出fH[ik] (η Δ t)，其被提供給琴弦模型 計算模塊104。當演奏者壓下標準鋼琴的弱音踏瓣時，弦槌在向著較高音區(qū)的方向上橫向移動， 并且弱音踏瓣機制使弦槌在弦槌頭的不同區(qū)域與相關(guān)聯(lián)的弦絲中的弦絲接觸，或者使弦槌 頭不完全與相關(guān)聯(lián)的弦絲中所選的一個或多個弦絲接觸，以改變音色。在音調(diào)信號合成系 統(tǒng)100中，弦槌模型計算模塊103通過基于離散時間1(即{ = 11八仏其中11是0、1、2、...) 連續(xù)改變對應于弦槌彈性模量的物理量KHes[is]，模擬通過弱音踏瓣機制的音色控制。琴弦樽型計算樽塊琴弦模型計算模塊104獲取制音器模型計算模塊102的輸出，即fDk(nA t)，其中 k = 1、3，弦槌模型計算模塊103的輸出，即fH(n Δ t)，以及樂器主體模型計算模塊105的輸 出uBk(nAt)，其中k= 1、2、3。下文中將詳細描述輸出uBk (η At)。琴弦模型計算模塊104 執(zhí)行用于以下計算的數(shù)據(jù)處理以產(chǎn)生輸出FBk(n Δ t)(其中k = 1、2、3)、uK(xD，η Δ t)(其中 k = 1、3)，并將輸出FBk(nAt)提供給樂器主體模型計算模塊105和將輸出uK(xD，nAt)提 供給制音器模型計算模塊102。下文中對用于計算的數(shù)據(jù)處理進行描述。當牛頓運動定律應用于如結(jié)合假設(shè)所述 的弦絲移動時，弦絲的運動方程被表示為 算式9 t))} 2算式10 算式11其中，ρ= γ S, C12 = (E/y) ‘ ε 0，c22 = E/ γ , C32 = (E/γ) · (1_ ε 0), c42 = (EI)/(YS'),c52= (l/s，)，s= (π/Α) 2,!= (Ji/64)d4，δ 是狄拉克三角函數(shù)。弦絲的邊界條件被表達為算式12和13。Uk(0, t) = uBk[iB](t) |iB = 1 k = 1,2,3 傳統(tǒng)地，在其兩端簡單支撐的瞬時狀態(tài)振動中的弦絲的解由D.E.Hall在“Piano Wire Excitation (鋼琴弦絲激勵)VI "Nonlinear modeling(非線性建模)”，J. Acoust. Soc. Am, vol.92, No. 1，pp. 95-105，1992中公開?！昂唵沃味恕币馕吨医z的支撐端不移 動。在該解中，“弦絲的位移”由具有特定時間函數(shù)作為系數(shù)的傅里葉正弦級數(shù)表示，并且算 式14表達了該關(guān)系。 算式14算式14的正弦函數(shù)表示在邊界條件是簡單支撐端的條件下弦絲的自然振動模 式。如果支撐端如同標準鋼琴的那些弦絲那樣移動，則不容易確定弦絲的自然振動模式，并 且需要空間離散表達式，如通過有限元方法或差數(shù)(difference)微積分得到的。盡管空間 函數(shù)和時間函數(shù)在這些解法中不分離，但它們在使用自然振動模式的解法中分離。為此，那 些方法使得趨向于在時間的基礎(chǔ)上累積的數(shù)值計算中的誤差，而不是使用自然振動模式的 解法。由此，本發(fā)明認為通過那些方法難以準確地合成在長時間上生成的音調(diào)。為了準確地解決具有可移動支撐端的弦絲的高速瞬態(tài)振動中的問題，本發(fā)明人提 出將弦絲的位移表示為具有特定時間函數(shù)作為系數(shù)的傅里葉正弦級數(shù)與兩個支撐端之間 劃出的線的位移之和，如算式15。 算式15算式15使在任何t處滿足邊界條件表達式算式12和13。盡管算式15的正弦函 數(shù)沒有以嚴格意義表示自然振動模式，但為了方便起見，假設(shè)正弦函數(shù)表示自然振動模式。算式15被引入部分微分方程9、10和11，此后，乘以sin (ik π χ/l)，其中ik = 1、 2>...Mk;k= 1、2、3，并且對于區(qū)間0彡χ彡1進行積分。然后，獲得以下常微分方程16、 17 和 18。
其中，Dt2和Dt分別表示d2/dt2和d/dt。 算式16、17和18的變量被表示為 弦絲的每個模式的運動方程，即算式16、17和18，利用雙線性s-z變換被描述為平 行二階IIR(有限沖擊響應)濾波器，其數(shù)目等于IkXI^^XOXM/w+M，")，其中ik= 1、 2、···讓，并且可以基于時間，即1 = 11八^11 = 0、1、2...)連續(xù)確定(Ak[ik][iw][mk](nAt))的 值，其中 ik 是 1、2、· · · Ik ;iw 是 1、2、· · · Iw[ik] ;mk 是 1、2、· · · Mk[ik]，并且 k 是 1、2、3。在計算 中，在每個時間步長上，在算式17的計算之前，進行算式16和18的計算，并且算式17的右 側(cè)中的非線性項，S卩(Ak[mk](t)Ak[m'k](t))其中k= 1，3，被處理為如同它是表示外力的項。在逐條弦絲的支撐端上施加的力和支撐端的位移之間的關(guān)系被表示為算式28和 29。 其中iB = 0，1 并且 k = 1，2，3。 算式 32算式30和31表達的關(guān)系被引入算式32中，并且Ak[fflk] (η Δ t) (mk = 1、2、. . . Mk ;k = 1、2、3)的值被代入所得算式的相應因子。然后，確定由弦絲在支撐端上施加的力FBk[iB] (η At)的量，并從琴弦模型計算模塊104輸出到樂器主體模型計算模塊105。從算式15獲得算式33和34。
其中 Dt 表示 d/dt，iB = 0,1 并且 k = 1,3c
算式28
其中Dt表示d/dt并且iR = 0，1。
算式29
在算式 28 和 29 中，c，i = ES ε。，c，2 = ES 且 c，4 = EI。
算式15中表達的關(guān)系被引入算式28和29中，從而獲得算式30和31,
其中 Dt 表示 d/dt，iB = 0,1 并且 k = 1,3c ⑴ -(—《Β[一 c,2(1 + η Χ)
算式30
算式31
其中Dt表示d/dt并且iB = 0，1。 算式32表示樂器主體-弦絲的物理坐標系之間的變換表達式。 其中k=l、3... 算式 34通過將Ak[mk] (η Δ t) (mk = l、2、...Mk;k= 1、2、3)代入算式15中的相應因子，確 定沖擊點的位移和音調(diào)衰減點的位移。算式33的結(jié)果U1 (χΗ，η Δ t)被輸出到弦槌模型計算模塊103，并且再次代入算式5 的相應因子。另一方面，算式34的結(jié)果uk(XD[iD]，nAt)被輸出到制音器模型計算模塊102， 并且通過制音器模型計算模塊102的算式2，在琴弦模型計算模塊104遞歸地賦給算式16 和18。樂器主體樽型計算樽塊樂器主體模型計算模塊105從琴弦模型計算模塊104獲取FBk(n Δ t)，并且從樂器 主體模型計算模塊105向空氣模型計算模塊106輸出結(jié)果Α。(η Δ t)。樂器主體的運動被描述為每個模式的常微分方程，并且琴弦模型計算模塊104的 輸出 FBk[ik][iw][iB] (t) (ik = 1、2、...Ik ;iw 1、2、. . . Iw[ik] ;iB = OU ；k= 1、2、3)被賦到常微 分方程。該常微分方程被表達為 其中Dt2 和 Dt 表示 d2/dt2 和 d/dt, m = 1、2、· · · Μ。算式35原聲鋼琴的樂器主體由木質(zhì)組成部分和金屬組成部分制成。木質(zhì)組成部分使振 動的高頻分量比振動的低頻分量衰減得更快。為此，聽眾感覺到通過原聲鋼琴和由木質(zhì)組 成部分制成的其它樂器生成的原聲音調(diào)對耳朵而言舒適溫暖。從木頭的物理模型得到原 聲特性，艮口 “material three-dimensionallyanisotropic in both of the modulus of elasticity and structural damping coefficient”(彈性模量和結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)均為三 維各向異性的材料)。(參見Japan Societyof Mechanics編輯并由Gihodo Publishing Company 發(fā)行的 AdvancedComposite Material，68-70 頁。)樂器主體包含由彈性模量和結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)均為三維各向異性的材料制成的組成 部分，從而被分類為一般結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng)，其有時候被稱為非比例結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng)或一般滯后阻尼系統(tǒng)。為此，通過實(real)特征值分析將阻尼矩陣對角線化是不可能的。(參見Akio Nagamatsu, Baifukann, 1985的“ModeAnalysis (模型分析)”)在該例子中，忽略阻尼矩陣 的非對角線部分，并且物理模型被近似為比例結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng)或比例滯后系統(tǒng)。此外，比例結(jié)構(gòu)阻尼系統(tǒng)被近似為比例粘性阻尼系統(tǒng)。為此，模態(tài)阻尼比被表達為 (模態(tài)結(jié)構(gòu)阻尼系數(shù)/2)。然后，通過以商業(yè)上可獲得的有限元分析方法的計算機程序形式 提供的實特征值分析，對于具有任意三維配置的樂器主體，確定在算式35中包含的自然角 頻率、模態(tài)阻尼比和自然振動模式。盡管“模態(tài)阻尼比”被認為是近似的模態(tài)阻尼比，但下 文中為了方便起見使用術(shù)語“模態(tài)阻尼比”。由算式35表示的樂器主體的每個模式的運動方程利用雙線性s-z變換被描述為 數(shù)量上等于M的平行二階IIR濾波器，并且基于離散時間，即t = nAt(n = 0、1、2...)，連 續(xù)確定每個模式的A。[m] (n At) (m= 1、2、...Μ)的值，并且將結(jié)果輸出到空氣模型計算模塊 106。通過被表示為算式36的物理坐標-模式坐標變換器將c (m = 1、2、. . . Μ)的上述
獲得的值代入被表示為算式37的弦絲物理坐標變換器，確定支撐端的位移。 其中iB = 0，1 并且 k = 1、2、3... 算式 36 其中iB = 0，l 并且 k = 1、2、3... 算式 37計算結(jié)果uBk[iB] (η Δ t)被輸出到琴弦模型計算模塊104，并且遞歸地賦給算式16、 17和18以及算式30、31、33和34。空氣樽型計算樽塊空氣模型計算模塊106從樂器主體模型計算模塊105獲取Α。ω (η Δ t),并通過以 下計算確定P (η At)。當任意三維結(jié)構(gòu)向空氣發(fā)出聲音時，在空氣中的觀察點處觀察非穩(wěn)態(tài)聲壓。結(jié)構(gòu)
的整個表面被分為微型原聲輻射元件，即，邊界元件，并且傳統(tǒng)地，非穩(wěn)態(tài)聲壓被給出為所
有微型原聲輻射元件的卷積積分的結(jié)果的總和，如算式38所示。對于“結(jié)構(gòu)的每個原聲輻
射元件的速度和空氣中觀察點處的聲壓之間的沖擊響應”和“結(jié)構(gòu)的每個原聲輻射元件的
速度”，對每個元件執(zhí)行卷積。 然而，高質(zhì)量電子鋼琴音調(diào)的原聲輻射元件Ie的數(shù)目太多了，以致于不能在合理時間段內(nèi)完成算式38的計算。為了應對由于太多原聲輻射元件Ie引起的問題，由算式39 和40給出的因子被代入相應因子，以便改變確定M個自然振動模式之和的計算和確定原聲 輻射元件Ie的總和的計算之間的計算順序(order)。結(jié)果，空氣模型計算模塊106執(zhí)行算 式41的計算。
其中Dt是d/dt。 算式39h[ip][iG](t) = (1/2 Ji) / ^ 0000 Hmm (ω)θ^Μω其中j是虛數(shù)單位，并且ω是角頻率。 算式40 其中0工是(1/(^。算式41在算式41中，fi [ip][ra](t)被給出為[⑷⑷⑴二“/丌)]^…00 W ⑴〕[m] (ω)。" dO)算式 42在算式42中，K [ipW ((1>>被給出為 高質(zhì)量電子鋼琴音調(diào)的合成所需的自然振動模式數(shù)M比原聲輻射元件Ie的數(shù)目 小得多，從而希望使用算式41取代算式38?？梢酝ㄟ^先前執(zhí)行的被表示為其中算式42左側(cè)的⑴被替換為“?。“薧!!=
0、1、...N[ip]-1)的算式的“模式坐標系中每個自然振動模式的速度和空氣中觀察點處的 聲壓之間的沖擊響應”，取代被表示為其中算式40左側(cè)的(t)被替換為
1、.. . N[ip])的算式的“樂器主體的每個原聲輻射元件的速度和空氣中觀察點處的聲壓之間 的沖擊響應”，減少電子鋼琴音調(diào)所需的計算時間。算式43中的H[ip][iG]( )表示“樂器主體的每個原聲輻射元件的速度和空氣中觀 察點處的聲壓之間的頻率響應函數(shù)”，并且通過使用商業(yè)上可獲得的邊界元方法的計算機 程序?qū)哂腥我馊S配置的樂器主體的離散頻率軸的頻率響應分析而確定?？梢酝ㄟ^一般 IFFT (逆快速傅立葉變換)計算確定算式42的值。算式41的微分系數(shù)表示“模式坐標系中每個自然振動模式下的樂器主體的速 度”，并且通過“模式坐標系中每個自然振動模式下的樂器主體的位移”，即樂器主體模型計 算模塊的輸出A。[m](nAt)(m= 1、2、...Μ)的微分在數(shù)值上進行確定。算式41中的積分通 過FIR(有限沖擊響應)濾波器的傳統(tǒng)方法來確定。由此，空氣模型計算模塊106通過算式41連續(xù)地確定音調(diào)信號的值，作為其輸出p[ip] (η δ t)，并且空氣模型計算模塊106的輸出表示基于時間t，即t = η Δ t (η = 0、1、2...)
的聲壓?？梢酝ㄟ^在頻域中而不是在時域中執(zhí)行卷積計算而使卷積計算加速。通過高速卷 積實現(xiàn)加速方法，其中使用快速傅立葉變換。如前所述，音調(diào)信號通過音調(diào)信號合成系統(tǒng)100來生成，并且被提供給聲音系統(tǒng) 17,以便于使聲音系統(tǒng)17產(chǎn)生電子鋼琴音調(diào)。電子鋼琴音調(diào)具有接近于通過整體樂器主體 的三維振動生成的原聲鋼琴音調(diào)的豐富的立體聲回響，以及接近于通過對原聲鋼琴的中、 低音區(qū)中的弦絲的強沖擊生成的鈴聲的鈴聲，并且可以選擇性地向電子鋼琴音調(diào)賦予多種 細微變化(其通過控制原聲鋼琴的踏瓣行程而賦予原聲鋼琴音調(diào))。更具體地，通過改變表示弦絲長度(S卩，弦絲支撐端之間的距離)和表示弦絲長度 對沖擊點和支架處的支撐端之間的長度的比率的其它參數(shù)，能控制電子鋼琴音調(diào)的鈴聲的 比率。下文中，參照算式17描述鈴聲。然而，算式17是復雜的。為了使該現(xiàn)象更容易理 解，從算式17中刪除支撐端處的位移、弦絲在y方向上的位移和內(nèi)部粘性阻尼系數(shù)。算式 17被重寫為 算式44表示弦絲的縱向振動的i2階自然振動的運動方程。如果右側(cè)被看作表示 周期性外力，則可以將算式44看作是單自由度粘性阻尼強迫振動的運動方程。如本領(lǐng)域 技術(shù)人員所公知的，運動方程的一般解被給出為自由振動的解(即，齊次方程(homogenous equation)的一般解)和連續(xù)強迫振動的解(即，非齊次方程的特定解)的和。強迫振動的 解具有該系統(tǒng)按照周期性外力的頻率而振動的特征，以及在系統(tǒng)頻率越來越接近于系統(tǒng)的 自然振動頻率的條件下幅度變寬的另一特征。當系統(tǒng)頻率變得等于自然振動頻率時，產(chǎn)生 共振。假設(shè)弦絲的撓曲振動中的每個自然振動被歸類為諧振，如算式45所示。A,1] (t) = ai[ml]sin2 π f/"11^, A/"1'1] (t) = a/"1' 1]sin2 π f/"1' 1]t其中ai[ml]和ai[m'1]是常數(shù)，并且f,1]和f/d是弦絲在ζ方向上的撓曲振動的頻 率。算式45算式44的右側(cè)被導向算式46。
34 對于算式46，i2是固定的。關(guān)注于由項COS2JI ta^f1 [ml+i2]) t表示的級數(shù)，并且 確定級數(shù)對第(2mi+i2)階頻率f^n+f·，1+12]的諧振級數(shù)的頻率的偏差。如果i2具有小值， 則確認偏差值是“對撓曲振動的第(2mi+i2)階自然頻率f/2"11+12]的諧振級數(shù)的頻率的偏差” 的四分之一。通過對原聲鋼琴音調(diào)的分析已知“部分音調(diào)級數(shù)包含在頻率上與諧振級數(shù)偏 離了主級數(shù)的四分之一的次級數(shù)”。根據(jù)該知識，由上述項表示的級數(shù)可應用于次級數(shù)。如 果i2是大值，則偏差的量隨著i2 —起增加。此外，由項C0S2ji (f^kf^h^t表示的級數(shù)也參與次級數(shù)的形成。然而，該級 數(shù)與由項cos2 π (f/^+f^+^t表示的級數(shù)相比對次級數(shù)的形成的貢獻較小。
當算式46被代入算式44的相應項時，所得的算式表示在次級數(shù)的第(2mi+i2)階 頻率f/mU+fi2]與弦絲的縱向振動的i2階自然頻率一致的條件下產(chǎn)生共振。該現(xiàn)象在 通過原聲鋼琴生成的鋼琴音調(diào)中是固有的。除了知道“部分音調(diào)級數(shù)包含在頻率上與諧 振級數(shù)偏離了主級數(shù)的四分之一的次級數(shù)”之外，還知道“通過在次級數(shù)中的奇數(shù)階部分 音調(diào)的頻率與弦絲的縱向振動的奇數(shù)階振動的自然頻率一致、或者次級數(shù)中的偶數(shù)階部 分音調(diào)的頻率與弦絲的縱向振動的偶數(shù)階振動的自然頻率一致的條件下增加次級數(shù)中的 部分音調(diào)的能量級而產(chǎn)生鈴聲”。該知識的表達被重寫為另一分析表達“在弦絲的撓曲振 動的奇數(shù)階自然振動頻率和偶數(shù)階自然振動頻率之和與弦絲縱向振動的奇數(shù)階自然振動 頻率一致、或者弦絲的撓曲振動的一組奇數(shù)自然振動頻率之和、或一組偶數(shù)階自然振動頻 率之和與弦絲縱向振動的偶數(shù)階自然振動頻率一致的條件下產(chǎn)生鈴聲”。(參見J. ElliS 的 “Longitudinal Model in Piano Wires (鋼琴弦絲中的縱向模型)”，Results of New Research Piano Technicians Journal，16-23 頁，1998 年五月。)上述結(jié)果方程在數(shù)學上表達了之前重寫的知識。可以從次級數(shù)的第15階(其中“第15”被確定為7+8 = 2X7+1)和次級數(shù)的第15 階(其中“第15”被確定為6+9 = 2X6+3)之間的頻率差得到類似于“叮當聲(jingling)，， 或“叮呤聲(tinkling)，，的蜂鳴音(humming)。另夕卜，項 cos2 Ji talLf1 [ml+i2]) t 和項 οο82π (f/^-f/^^t顯示出存在頻率上比撓曲振動的自然振動頻率略高的部分音調(diào)。當材料常數(shù)不變時，弦絲縱向振動的自然振動頻率僅僅取決于弦絲長度，如算式 20所示。另外，該關(guān)系沒有應用于用于較低音區(qū)的盤繞弦絲，每條盤繞弦絲是具有繞在鋼芯 上的銅絲的弦絲。對于標準鋼琴的88個鍵中的第三十鍵至第四十鍵，由于對弦絲長度的調(diào) 節(jié)(timing)，存在次級數(shù)的第15階的頻率接近于弦絲的縱向振動的基礎(chǔ)頻率的可能性。在 此情形下，可以通過將弦絲長度對沖擊點和支架處的支撐端之間的長度的比率調(diào)整為7或 8，避免鈴聲量的過多增加。這是因為如下事實，從第七階自然振動和第八階自然振動產(chǎn)生次級數(shù)的第15階 (即7+8 = 2X7+1)。當弦絲長度對沖擊點和支架處的支撐端之間的長度的比率被調(diào)整為7 或8時，從撓曲振動中去除第七階和第八階自然振動，并且不產(chǎn)生第15階。盡管在撓曲振 動中仍然保留被表示為6+9 = 2X6+3的第15階，但是剩余的第15階不與基礎(chǔ)自然振動頻 率上的縱向振動發(fā)生共振。在對原聲鋼琴音調(diào)的時間-頻率分析中，在自然振動與次級數(shù)不一致的條件下， 縱向振動的自然振動的峰值(其等價于在算式17的右側(cè)給出0的情況下的自由振動的解) 被快速衰減，并且不再持續(xù)觀察到任何峰值?？焖偎p的主要原因看起來是支撐端處的摩 擦。在琴弦模型計算模塊104中，“支撐端處的局部外部摩擦”表示“整條弦絲上分散的外 部摩擦”，即，算式10中包含外部粘性系數(shù)b的項。上文中對鈴聲生成機制和用于控制鈴聲量的設(shè)計參數(shù)(即，弦絲長度和弦絲長度 對沖擊點和支架處的支撐端之間的長度的比率)進行了描述。盡管弦絲的縱向振動的聲波 輻射能力很小，但是弦絲的縱向振動能夠在上述弦絲的非線性振動機制(即有限幅度振動 機制)、與諸如弦絲對樂器主體的安裝角和琴橋配置等設(shè)計因素有關(guān)的樂器主體和弦絲之 間的三維耦合振動機制、以及與琴橋配置有關(guān)的樂器主體的三維原聲輻射機制的幫助下引 起鈴聲。在設(shè)計工作中，考慮這些設(shè)計因素?！颁撉僖粽{(diào)的改善”意味著追求復雜系統(tǒng)(即，鋼琴)的整體最佳解。傳統(tǒng)地，設(shè) 計者通過試錯方法追求整體最佳解。然而，對于諸如鋼琴的極復雜原聲系統(tǒng)而言，試錯方法 在設(shè)計工作領(lǐng)域中比較沒有效率。這是因為如下事實，很多設(shè)計因素和各種錯誤因素與鋼 琴設(shè)計工作有關(guān)。錯誤因素之一是自然材料性質(zhì)的分散性(despersion)，另一錯誤因素是 工人的技巧的分散性。本發(fā)明使得可以定量地明晰原因和結(jié)果，即鋼琴的規(guī)格和鋼琴音調(diào)。 因而，本發(fā)明的模擬方法可用于設(shè)計模擬器。可以通過本發(fā)明的模擬方法，模擬諸如不可能 造出的極大鋼琴的虛擬系統(tǒng)的超自然效果。第二實施例轉(zhuǎn)到圖4，實施本發(fā)明的電子鋼琴IA大體上包括控制器11A、數(shù)據(jù)存儲裝置12A、人 機接口 13A、操縱器15A、聲音系統(tǒng)17A和共享總線系統(tǒng)18A。人機接口 13A、聲音系統(tǒng)17A和 共享總線系統(tǒng)18A類似于電子鋼琴1的那些13、17和18，為此，為了簡潔起見，用指定人機 接口 13、聲音系統(tǒng)17和共享總線系統(tǒng)18的相應組成部分的附圖標記來標記人機接口 13A、聲音系統(tǒng)17A和共享總線系統(tǒng)18A的組成部分，而不進行詳細描述。操縱器15A不同于操縱器15之處在于從中去掉了弱音踏瓣16b，因此，踏瓣傳感器 16Ac僅僅監(jiān)視延音踏瓣16a。操縱器15A的其它特征與操縱器15相似，下文中不再進行進 一步的描述。數(shù)據(jù)存儲裝置12A不同于數(shù)據(jù)存儲裝置12之處在于，表示由弦槌在弦絲表面施加 的力fH[iw](t)的控制數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置12A的只讀存儲器中?？刂茢?shù)據(jù)的值表示 當弱音踏瓣16b停留在靜止位置時的力?？刂破鱅lA不同于控制器11之處在于，用于弦槌模型計算模塊103的計算機程序 的一部分不被合并到計算機程序中。換言之，任何弦槌模型計算模塊103不被合并到電子 鋼琴IA的音調(diào)信號合成系統(tǒng)100A中，如圖5所示，并且琴弦模型計算模塊104A-1和104A-2 訪問數(shù)據(jù)存儲裝置12A的只讀存儲器，以便讀出表示由弦槌在弦絲表面施加的力fH[iw] (t) 的控制數(shù)據(jù)。音調(diào)信號合成系統(tǒng)100A的其它軟件模塊與音調(diào)信號合成系統(tǒng)100相似，為此， 用指定音調(diào)信號合成系統(tǒng)100的相應軟件模塊的附圖標記來標記那些模塊。由此，本發(fā)明屬于僅僅配有延音踏瓣16a的電子鋼琴1A。第三實施例轉(zhuǎn)到圖6，實施本發(fā)明的電子鋼琴IB大體上包括控制器11B、數(shù)據(jù)存儲裝置12B、人 機接口 13B、操縱器15B、聲音系統(tǒng)17B和共享總線系統(tǒng)18B。人機接口 13B、聲音系統(tǒng)17B和 共享總線系統(tǒng)18B類似于電子鋼琴1的那些13、17和18，為此，為了簡潔起見，用指定人機 接口 13、聲音系統(tǒng)17和共享總線系統(tǒng)18的相應組成部分的附圖標記來標記人機接口 13B、 聲音系統(tǒng)17B和共享總線系統(tǒng)18B的組成部分，而不進行詳細描述。操縱器15B不同于操縱器15之處在于從中去掉了延音踏瓣16a，因此，踏瓣傳感器 16Bc僅僅監(jiān)視弱音踏瓣16b。操縱器15B的其它特征與操縱器15相似，下文中不再進行進 一步的描述。數(shù)據(jù)存儲裝置12B不同于數(shù)據(jù)存儲裝置12之處在于，表示制音器阻力fDk(t)的控 制數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置12B的只讀存儲器中?？刂茢?shù)據(jù)表示當弱音踏瓣16b停留在 靜止位置時的阻力。控制器IlB不同于控制器11之處在于，用于比較器101和制音器模型計算模塊 102-1和102-2的計算機程序的一部分不被合并到計算機程序中。換言之，制音器模型計算 模塊和比較器都不被合并到電子鋼琴IB的音調(diào)信號合成系統(tǒng)100B中，如圖7所示，并且琴 弦模型計算模塊104B-1和104B-2訪問數(shù)據(jù)存儲裝置12B的只讀存儲器，以便讀出表示制 音器阻力fDk(t)的控制數(shù)據(jù)。音調(diào)信號合成系統(tǒng)100B的其它軟件模塊與音調(diào)信號合成系 統(tǒng)100相似，為此，用指定音調(diào)信號合成系統(tǒng)100的相應軟件模塊的附圖標記來標記那些模 塊。由此，本發(fā)明屬于僅僅配有弱音踏瓣16b的電子鋼琴1B。第四實施例轉(zhuǎn)到圖8，實施本發(fā)明的電子鋼琴IC大體上包括控制器11C、數(shù)據(jù)存儲裝置12C、人 機接口 13C、操縱器15C、聲音系統(tǒng)17C和共享總線系統(tǒng)18C。人機接口 13C、聲音系統(tǒng)17C和 共享總線系統(tǒng)18C類似于電子鋼琴1的那些13、17和18，為此，為了簡潔起見，用指定人機 接口 13、聲音系統(tǒng)17和共享總線系統(tǒng)18的相應組成部分的附圖標記來標記人機接口 13C、聲音系統(tǒng)17C和共享總線系統(tǒng)18C的組成部分，而不進行詳細描述。操縱器15C不同于操縱器15之處在于從中去掉了延音踏瓣16a和弱音踏瓣16b， 因此，不合并任何踏瓣傳感器。操縱器15C的其它特征與操縱器15相似，下文中不再進行 進一步的描述。數(shù)據(jù)存儲裝置12C不同于數(shù)據(jù)存儲裝置12之處在于，表示制音器阻力fDk(t)的控 制數(shù)據(jù)和表示由弦槌在弦絲表面施加的力fH[iw] (t)的另一控制數(shù)據(jù)被存儲在數(shù)據(jù)存儲裝置 12C的只讀存儲器中。這些控制數(shù)據(jù)表示當延音踏瓣16a和弱音踏瓣停留在各自的靜止位 置上時的阻力和力?？刂破鱅lC不同于控制器11之處在于，用于比較器101、制音器模型計算模塊 102-1和102-2以及弦槌模型計算模塊103的計算機程序的一部分不被合并到計算機程序 中。換言之，比較器、制音器模型計算模塊和弦槌模型計算模塊都不被合并到電子鋼琴IC 的音調(diào)信號合成系統(tǒng)100C中，如圖9所示，并且琴弦模型計算模塊104C-1和104C-2訪問 數(shù)據(jù)存儲裝置12C的只讀存儲器，以便讀出表示制音器阻力fDk(t)和由弦槌在弦絲表面施 加的力fH[iw](t)的控制數(shù)據(jù)。音調(diào)信號合成系統(tǒng)100C的其它軟件模塊與音調(diào)信號合成系 統(tǒng)100相似，為此，用指定音調(diào)信號合成系統(tǒng)100的相應軟件模塊的附圖標記來標記那些模 塊。由此，本發(fā)明屬于沒有任何延音踏瓣16a和弱音踏瓣16b的電子鋼琴1C。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的特定實施例，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將清楚，可進行 各種改變和修改而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。音調(diào)信號合成系統(tǒng)100響應于鍵15b和15c的實際移動以及踏瓣16a和16b的實 際移動而生成音調(diào)信號。然而，音調(diào)信號合成系統(tǒng)100可基于在信息存儲介質(zhì)中存儲的或 從合適的數(shù)據(jù)源下載的樂曲數(shù)據(jù)而生成音調(diào)信號。在該例子中，可在對變量數(shù)據(jù)的卷積計 算和“模態(tài)坐標系中每個自然振動模式上的樂器主體的速度與空氣中觀察點處的聲壓之間 的沖擊響應或頻率響應數(shù)據(jù)”之前，確定“基于模態(tài)坐標系中每個自然振動模式上的樂器主 體的速度的基于時間的變量數(shù)據(jù)”。這使得容易在改變觀察點的條件下合成電子音調(diào)。用于合成音調(diào)信號的信號處理可應用于合成從具有各自的振動弦絲和各自的樂 器主體(通過其支撐弦絲，并且其也振動以將聲波輻射到空氣中)的各種原聲樂器生成的 原聲音調(diào)。原聲樂器的典型例子是撥弦鋼琴(cembalo)、豎琴和吉他。在琴橋保持與在合適 的支撐部分之間拉直的弦絲的中間點接觸的情況下，每條弦絲的支撐端之一在琴橋處。在本發(fā)明應用于弦樂器的情況下，可由演奏者的手指撥動弦絲。存在僅僅具有一 條弦絲的弦樂器。本發(fā)明的方法可以計算機程序的形式提供給用戶。計算機程序可存儲在諸如磁帶 盒或磁盤的磁信息存儲介質(zhì)、諸如光盤的光信息存儲介質(zhì)、磁光信息存儲介質(zhì)或諸如半導 體存儲器件的計算機可讀信息存儲介質(zhì)中。另外，可通過諸如因特網(wǎng)的通信網(wǎng)絡(luò)從服務(wù)器 計算機下載計算機程序。弦樂器沒有任何踏瓣。此外，存在各種型號的沒有任何踏瓣的鍵盤樂器。沒有任 何踏瓣的弦樂器和鍵盤樂器無需制音器模型計算模塊102和弦槌模型計算模塊103。由此， 僅僅琴弦模型計算模塊104、樂器主體模型計算模塊105和空氣模型計算模塊106是本發(fā)明 的音調(diào)信號合成系統(tǒng)100的必要元件。
音調(diào)信號合成系統(tǒng)100可部分或整體地通過布線邏輯電路實現(xiàn)。例如，比較器101 可用硬件比較器替換。可利用硬件積分器和/或硬件微分器實現(xiàn)物理模型102、103、104、 105和106中的積分和/或微分。對于超過一個的觀察點，可通過空氣模型計算模塊106產(chǎn)生超過一個的音調(diào)信 號。在該例子中，多個空氣模型計算模塊106可連接到樂器主體模型計算模塊105?？蓮逆I盤15a中刪除鍵速度傳感器15e。作為替代，可在鍵盤15a中并入信息處理 器，以便基于鍵位置數(shù)據(jù)計算鍵速度。另外，可從鍵盤15a向控制器11僅僅提供數(shù)字鍵位 置信號KS。在該例子中，中央處理單元Ila基于通過數(shù)字鍵位置信號KS從鍵盤15a獲取的 鍵位置數(shù)據(jù)，計算鍵速度。權(quán)利要求語言如下與標準原聲鋼琴的信號、模塊和組成部分相聯(lián)系。原聲鋼琴音 調(diào)和電子鋼琴音調(diào)分別對應于“原聲音調(diào)”和“人工音調(diào)”，標準鋼琴21充當“原聲樂器”。 具有一條或超過一條弦絲21e的弦絲組和樂器主體21 j分別對應于“至少一個振動弦絲”和 “振動樂器主體”。琴橋21ea和支架21eb充當“支撐部分”，并且觀察點充當“特定觀察點”。制音器的阻力fDk(nAt)和弦槌頭在弦絲表面上施加的力fH(nAt)的總和對應于 由“第一數(shù)據(jù)”表示的“所述至少一個弦絲上施加的力”。支撐端處的位移uBk (η At)對應于由“第二數(shù)據(jù)”表示的“每個所述支撐部分處的 位移”。弦絲的位移Ak(x，nAt)對應于由“第三數(shù)據(jù)”表示的“模態(tài)坐標上所述支撐部分 之間的所述至少一個振動弦絲的另一點的位移”。弦絲在支撐端上施加的力FBk[iB]對應于“在所述支撐部分上施加的力”，并且通過 使用算式30、31和32計算力FBk[iB]。算式28和29充當“定義所述支撐部分處的所述位移 和所述支撐部分上施加的所述力之間的關(guān)系的算式”。樂器主體的位移Α。(η Δ t)對應于由“第五數(shù)據(jù)”表示的“模態(tài)坐標上的所述振動 樂器主體的位移”。還由算式41中的“0^廣](1-1)(^”表示由第五數(shù)據(jù)表示的“所述振 動樂器主體的速度”。ω。ω、ζ。ω和m對應于由“第六數(shù)據(jù)”表示的“所述振動樂器主體的 自然角頻率、模態(tài)阻尼比和自然振動模式的分量”，并且算式35對應于“運動方程”。算式36和37中的(pBk[iB][m]對應于“所述振動樂器主體在所述支撐部分處的自然 振動模式”，并且β kk，對應于“坐標軸之間的方向余弦”。P(nAt)對應于由“第七數(shù)據(jù)”表示的“聲壓”。算式41中的JV和]W⑴表示“沖擊響應， 算式41 *DTA。[m](t-T)cU表示“所述模態(tài)坐標系上的所述振動樂器主體的速 度”。算式41表示“卷積”。圖2中用"FDk(n Δ t) ”、“Fh (η Δ t)，，和"uBk(n Δ t)，，標記的箭頭對應于“第一子模 塊”，并且算式 9、10、11、12、13、14 和 15 代表“第二子模塊”。算式 16、17、18、19、20、21、22、 23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33 和 34 代表“第三子模塊”。算式35和36代表“第四子模塊”，算式37代表“第五子模塊”，并且圖2中用 "uBk (η Δ t)，，標記的箭頭對應于“第六子模塊”。算式38、39、40、41、42和43代表“第七子模塊”，并且圖2中用？1>八0標記的箭頭對應于“第八子模塊”。 琴弦模型計算模塊104-1和104-2、樂器主體模型計算模塊105和空氣模型計算模 塊106組合形成“音調(diào)信號產(chǎn)生模塊”。
權(quán)利要求
一種模擬通過原聲樂器(21)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)且在空氣中的特定點處觀察的人工音調(diào)的音調(diào)信號，所述原聲樂器(21)具有至少一個振動弦絲(21e)和配有支撐部分(21ea，21eb)的振動樂器主體(21j)，通過所述支撐部分(21ea，21eb)支撐所述至少一個弦絲(21e)，其特征在于，包括步驟a)獲取表示在所述至少一個振動弦絲(21e)上施加的力(fDk(nΔt)，fH(nΔt))的第一數(shù)據(jù)和表示在每個所述支撐部分(21ea，21eb)處的位移(uBk(nΔt))的第二數(shù)據(jù)；b)確定表示每個自然振動模式的模態(tài)坐標系上所述至少一個振動弦絲(21e)的位移(Ak[mk](nΔt))的第三數(shù)據(jù)，并通過使用定義所述第一數(shù)據(jù)和所述第二數(shù)據(jù)以及所述第三數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運動方程來計算所述第三數(shù)據(jù)；c)確定表示由所述至少一個振動弦絲(21e)在所述支撐部分(21ea，21eb)上施加的力(FBk[iB](nΔt))的第四數(shù)據(jù)，并通過使用坐標軸間的方向余弦(βkk’)和定義所述第二數(shù)據(jù)和所述第三數(shù)據(jù)以及所述第四數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的算式來計算所述第四數(shù)據(jù)；d)基于所述第四數(shù)據(jù)和表示所述振動樂器主體(21j)的自然角速度(ωc[m])、模態(tài)阻尼比(ζc[m])和自然振動模式的分量的第六數(shù)據(jù)，通過使用定義所述第四數(shù)據(jù)和表示近似于比例粘性阻尼系統(tǒng)的所述模態(tài)坐標系上所述振動樂器主體(21j)的位移(Ac(nΔt))或速度的第五數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運動方程，確定所述第五數(shù)據(jù)；e)確定所述第二數(shù)據(jù)(uBk(nΔt))，作為所述第五數(shù)據(jù)(Ac(nΔt))、所述振動樂器主體在所述支撐部分處的自然振動模式和坐標軸間的所述方向余弦(βkk’)的值之間的乘積之和；f)向所述步驟a)提供所述第二數(shù)據(jù)(uBk(nΔt))；g)基于所述第五數(shù)據(jù)，確定表示從所述振動樂器主體(21j)輻射的、并在空氣中的所述特定點處觀察到的聲壓(Pn(Δt))的第七數(shù)據(jù)，作為通過該模態(tài)坐標系上該振動樂器主體的速度和第八數(shù)據(jù)之間的卷積而得到的計算結(jié)果之和，該第八數(shù)據(jù)表示該模態(tài)坐標系上該振動樂器主體的速度與空氣中的該特定點處的該聲壓之間的沖擊響應或頻率響應；以及h)產(chǎn)生代表所述第七數(shù)據(jù)并表示所述人工音調(diào)的所述音調(diào)信號。FSA00000136872800011.tif,FSA00000136872800012.tif
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述至少一個振動弦絲(21e)的中線的位移和所述 第二數(shù)據(jù)以及所述第三數(shù)據(jù)之間的關(guān)系被表示為 其中k是1、2和3，χ是所述空間變量，t是所述時間變量，U1 (x, t)表示所述至少一個 振動弦絲(21e)的中線在坐標系的ζ方向上的位移，U2 (X，t)表示所述至少一個振動弦絲 (21e)的中線在坐標系的χ方向上的位移，u3(x，t)表示所述至少一個振動弦絲(21e)的中 線在坐標系的y方向上的位移，A1fml^t)表示模態(tài)坐標系中撓曲振動的自然振動模式中所 述至少一個振動弦絲(21e)在ζ方向上的位移，A2[m2] (t)表示所述模態(tài)坐標系中縱向振動的所述自然振動模式中所述至少一個振動弦絲(21e)在χ方向上的位移，A3[m3] (t)表示所述模 態(tài)坐標系中所述撓曲振動的所述自然振動模式中所述至少一個振動弦絲(21e)在y方向上 的位移，Hi1表示被分配給所述至少一個振動弦絲(21e)的所述撓曲振動的所述自然振動模 式的編號，以及m2表示被分配給所述至少一個振動弦絲(21e)的所述縱向振動的所述自然 振動模式的編號，m3表示被分配給所述至少一個振動弦絲(21e)的所述撓曲振動的所述自 然振動模式的編號，i表示靜力平衡下的所述至少一個振動弦絲(21e)的長度，以及uBk[iB] (t)表示所述至少一個振動弦絲(21e)在所述支撐部分(21ea，21eb)處的位移。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述原聲樂器是鋼琴(21)，包括 包含所述至少一個振動弦絲的多個振動弦絲(21)，多個鍵(21a)，分別與所述多個振動弦絲(21e)相關(guān)聯(lián)， 多個動作單元(21d)，分別與所述多個鍵(21a)鏈接， 多個弦槌(21c)，分別被所述多個動作單元(21d)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，多個制音器(21f)，與所述多個鍵(21a)鏈接，并且根據(jù)所述多個鍵(21a)的位置而與 所述多個振動弦絲(21e)分開和接觸，以及延音踏瓣(16a)，與所述多個制音器(21f)鏈接，以便使所述多個制音器(21f)與所述 多個弦絲(21e)分開和接觸，而與所述多個鍵(21a)的位置無關(guān)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中由所述第一數(shù)據(jù)表示的所述力包含所述多個制音器 (21f)中的每個針對所述多個振動弦絲(21e)之一的振動的阻力(fDk(nAt))，并且所述阻 力(fDk(nAt))被表示為fDk(t) = bDeD(t)Dt uk(xD[iD]，t)其中，Dt表示d/dt，k是1和3，fDk(t)表示所述阻力，bDeD(t)表示所述多個制音器 (21f)中的所述每個的粘性系數(shù)，uk(xD[iD], t)表示所述多個制音器(21f)中的所述每個的 變形量，χ是空間變量，t是時間變量，xD[iD]表示坐標系中所述多個制音器(21f)中的所述 每個的音調(diào)衰減點的χ坐標(x(xD[iD]，t))，以及所述音調(diào)衰減點是所述多個制音器(21f)中 的所述每個上的、所述多個制音器(21f)中的所述每個與所述多個振動弦絲(21e)中的所 述一個接觸和分開的位置。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述原聲樂器是鋼琴(21)，包括 包含所述至少一個振動弦絲的多個振動弦絲(21e)，多個鍵(21a)，分別與所述多個振動弦絲(21e)相關(guān)聯(lián)， 多個動作單元(21d)，分別與所述多個鍵(21a)鏈接， 多個弦槌(21c)，分別被所述多個動作單元(21d)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，多個制音器(21f)，與所述多個鍵(21a)鏈接，并且根據(jù)所述多個鍵(21a)的位置而與 所述多個振動弦絲(21e)分開和接觸，以及弱音踏瓣(16b)，與所述多個鍵(21a)鏈接，以便使所述多個弦槌(21c)上的沖擊點相 對于所述多個振動弦絲(21e)的位置偏移。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中由所述第一數(shù)據(jù)表示的所述力包含由所述多個弦槌 (21c)之一在所述多個弦絲(21e)的每個的表面上施加的沖擊力(fH(η At))，并且所述沖 擊力被表示為fH[iw] (t) = KHes[is] (t) {ffe[iw] (t)}P其中f/w](t)表示所述沖擊力，KHes[is] (t)表示所述多個弦槌(21c)中的所述一個的 彈性模量，當弱音踏瓣(16b)停留在靜止位置上時，es[is](t)等于1，當所述弱音踏瓣(16b) 在向著終點位置的路徑上時，es[1](t)等于或小于1且大于0，即1 >es[1](t) >0，當所述 弱音踏瓣(16b)被完全按下時，es[1] (t)小于1且大于0，即1 > es[1] (t) > 0，當弱音踏瓣 (16b)在向著所述終點位置的路徑上時，es[2](t)等于或小于1且等于或大于0，即1彡es[2] (t)彡0，當所述弱音踏瓣(16b)被完全按下時，es[2](t)等于0，當所述多個弦槌(21c)中的 所述一個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個接觸時，We(t) =ffH(t)-Ul (xH,t)彡0，當 所述多個弦槌(21c)中的所述一個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個分開時，We(t) =0 且 Wh (t)-U1 (xH，t) < 0。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述原聲樂器是鋼琴(21)，包括 包含所述至少一個振動弦絲的多個振動弦絲(21e)，多個鍵(21a)，分別與所述多個振動弦絲(21e)相關(guān)聯(lián)， 多個動作單元(21d)，分別與所述多個鍵(21a)鏈接， 多個弦槌(21c)，分別被所述多個動作單元(21d)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，多個制音器(21f)，與所述多個鍵(21a)鏈接，并且根據(jù)所述多個鍵(21a)的位置而與 所述多個振動弦絲(21e)分開和接觸，延音踏瓣(16a)，與所述多個制音器(21f)鏈接，以便使所述多個制音器(21f)與所述 多個弦絲(21e)分開和接觸，而與所述多個鍵(21a)的所述位置無關(guān)，和弱音踏瓣(16b)，與所述多個鍵(21a)鏈接，以便使所述多個弦槌(21c)上的沖擊點相 對于所述多個振動弦絲(21e)的位置偏移。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中由所述第一數(shù)據(jù)表示的所述力包含所述多個制音器 (21f)中的每個針對所述多個振動弦絲(21e)之一的振動的阻力(fDk(nAt))和由所述多 個弦槌(21c)之一在所述多個弦絲(21e)的每個的表面上施加的沖擊力(fH(nAt))，所述阻力(fDk(nAt))被表示為 fDk(t) = bDeD(t)Dt uk(xD[iD]，t)其中，Dt表示d/dt，k是1和3，fDk(t)表示所述阻力，bDeD(t)表示所述多個制音器 (21f)中的所述每個的粘性系數(shù)，uk(xD[iD], t)表示所述多個制音器(21f)中的所述每個的 變形量，χ是空間變量，t是時間變量，xD[iD]表示坐標系中所述多個制音器(21f)中的所述 每個的音調(diào)衰減點的χ坐標(x(xD[iD]，t))，以及所述音調(diào)衰減點是所述多個制音器(21f)中 的所述每個上、所述多個制音器(21f)中的所述每個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述 一個接觸和分開的位置，并且所述沖擊力(fH(nAt))被表示為 fH[iw] (t) = KHes[is] (t) {ffe[iw] (t)}P其中fH[iw](t)表示所述沖擊力，KHes[is](t)表示所述多個弦槌(21c)中的所述一個的彈 性模量，當弱音踏瓣(16b)停留在靜止位置時，es[is](t)等于1，當所述弱音踏瓣(16b)在向 著終點位置的路徑上時，es[1] (t)等于或小于1且大于0，即1彡es[1] (t) > 0，當所述弱音踏 瓣(16b)被完全按下時es[1] (t)小于1且大于0，即1 > es[1] (t) > 0，當弱音踏瓣(16b)在 向著所述終點位置的路徑上時，es[2] (t)等于或小于1且等于或大于0，即1彡es[2] (t)彡0， 當所述弱音踏瓣(16b)被完全按下時es[2] (t)等于0，當所述多個弦槌(21c)中的所述一個 與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個接觸時，We (t) =ffH(t)-Ul(xH, t) >0，當所述多個弦槌(21c)中的所述一個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個分開時，We(t) =0且Wh(t)-U1 (xH，t) < 0。
9.一種音調(diào)信號合成系統(tǒng)(100)，用于產(chǎn)生代表接近于通過原聲樂器(21)產(chǎn)生的原聲 音調(diào)的人工音調(diào)的音調(diào)信號，所述原聲樂器(21)具有至少一個振動弦絲(21e)和配有支撐 部分(21ea，21eb)的振動樂器主體(21 j)，通過所述支撐部分(21ea，21eb)支撐所述至少一 個弦絲(21e)，其特征在于，包括琴弦模型計算模塊(104-1，104-2)，包括第一子模塊，獲取表示在所述至少一個振動弦絲(21e)上施加的力(fDk(nAt)， fH(nAt))的第一數(shù)據(jù)和表示所述支撐部分(21ea，21eb)中的每個處的位移(uBk(nAt))的第二數(shù)據(jù)，第二子模塊，確定表示每個自然振動模式的模態(tài)坐標系上所述至少一個振動弦絲 (21e)的位移(Ak[mk](nAt))的第三數(shù)據(jù)，并通過使用定義所述第一數(shù)據(jù)和所述第二數(shù)據(jù)以 及所述第三數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運動方程來計算所述第三數(shù)據(jù)，以及第三子模塊，確定表示由所述至少一個振動弦絲(21e)在所述支撐部分(21ea，21eb) 上施加的力(FBk[iB](nAt))的第四數(shù)據(jù)，并通過使用坐標軸間的方向余弦(i3kk,)和定義所 述第二數(shù)據(jù)和所述第三數(shù)據(jù)以及所述第四數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的算式來計算所述第四數(shù)據(jù)；樂器主體模型計算模塊(105)，包括第四子模塊，基于所述第四數(shù)據(jù)和表示所述振動樂器主體的自然角頻率(ω。ω)、模態(tài) 阻尼比(ζ。[m])和自然振動模式的分量(9Bk[ik][iw][lB][m])的第六數(shù)據(jù)，通過使用定義所述第 四數(shù)據(jù)和表示所述振動樂器主體(21 j)在近似于比例粘性阻尼系統(tǒng)的所述模態(tài)坐標系上 的位移(A。(nAt))或速度的第五數(shù)據(jù)之間的關(guān)系的運動方程，確定所述第五數(shù)據(jù)，第五子模塊，確定所述第二數(shù)據(jù)，作為所述第五數(shù)據(jù)、所述振動樂器主體(21 j)在所述 支撐部分(21ea，21eb)處的自然振動模式((|)e[iB][m])和坐標軸間的所述方向余弦(β k)的 值之間的乘積之和，以及第六子模塊，向所述琴弦模型計算模塊(104-1，104-2)提供所述第二數(shù)據(jù) (uBk(nAt))；以及空氣模型計算模塊(106)，包括第七子模塊，基于所述第五數(shù)據(jù)，確定表示從所述振動樂器主體(21j)輻射的、并在空 氣中的所述特定點處觀察到的聲壓(Pn(At))的第七數(shù)據(jù)，作為通過該模態(tài)坐標系上該振 動樂器主體的速度和第八數(shù)據(jù)之間的卷積而得到的計算結(jié)果之和，該第八數(shù)據(jù)表示該模態(tài) 坐標系上該振動樂器主體的速度與空氣中的該特定點處的該聲壓之間的沖擊響應或頻率 響應；以及第八子模塊，產(chǎn)生代表所述第七數(shù)據(jù)并表示所述人工音調(diào)的所述音調(diào)信號。
10.如權(quán)利要求9所述的音調(diào)信號合成系統(tǒng)，其中所述至少一個振動弦絲(21e)的中線 的位移和所述第二數(shù)據(jù)以及所述第三數(shù)據(jù)之間的關(guān)系被表示為 其中k是1、2和3，χ是所述空間變量，t是所述時間變量，U1 (x, t)表示所述至少一個振 動弦絲(21e)的中線在坐標系的ζ軸上的位移，U2 (x，t)表示所述至少一個振動弦絲(21e) 的中線在坐標系的χ軸上的位移，U3(x, t)表示所述至少一個振動弦絲(21e)的中線在坐 標系的y軸上的位移，A1fml^t)表示模態(tài)坐標系中撓曲振動的自然振動模式中所述至少一 個振動弦絲(21e)在ζ方向上的位移，A2[m2] (t)表示所述模態(tài)坐標系中縱向振動的所述自 然振動模式中所述至少一個振動弦絲(21e)在χ方向上的位移，A3[m3] (t)表示所述模態(tài)坐 標系中所述撓曲振動的所述自然振動模式中所述至少一個振動弦絲(21e)在y方向上的位 移，Hi1表示被分配給所述至少一個振動弦絲(21e)的所述撓曲振動的所述自然振動模式的 編號，以及m2表示被分配給所述至少一個振動弦絲(21e)的所述縱向振動的所述自然振動 模式的編號，m3表示被分配給所述至少一個振動弦絲(21e)的所述撓曲振動的所述自然振 動模式的編號，1表示靜力平衡下的所述至少一個振動弦絲(21e)的長度，以及uBk[iB](t)表 示所述至少一個振動弦絲(21e)在所述支撐部分(21ea，21eb)處的位移。
11.如權(quán)利要求9所述的音調(diào)信號合成系統(tǒng)，其中所述原聲樂器是鋼琴(21)，包括包含所述至少一個振動弦絲的多個振動弦絲(21e)，多個鍵(21a)，分別與所述多個振動弦絲(21e)相關(guān)聯(lián)，多個動作單元(21d)，分別與所述多個鍵(21a)鏈接，多個弦槌(21c)，分別被所述多個動作單元(21d)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，多個制音器(21f)，與所述多個鍵(21a)鏈接，并且根據(jù)所述多個鍵(21a)的位置而與 所述多個振動弦絲(21e)分開和接觸，以及延音踏瓣(16a)，與所述多個制音器(21f)鏈接，以便使所述多個制音器(21f)與所述 多個弦絲(21e)分開和接觸，而與所述多個鍵(21a)的所述位置無關(guān)。
12.如權(quán)利要求11所述的音調(diào)信號合成系統(tǒng)，其中由所述第一數(shù)據(jù)表示的所述力 包含所述多個制音器(21f)中的每個針對所述多個振動弦絲(21e)之一的振動的阻力 (fDk (η △ t))，并且所述阻力(fDk (η Δ t))被表示為fDk(t) = bDeD(t)Dt uk(xD[iD]，t)其中，Dt表示d/dt，k是1和3，fDk(t)表示所述阻力，bDeD(t)表示所述多個制音器 (21f)中的所述每個的粘性系數(shù)，uk(xD[iD], t)表示所述多個制音器(21f)中的所述每個的 變形量，χ是空間變量，t是時間變量，xD[i D]表示坐標系中所述多個制音器(21f)中的所述 每個的音調(diào)衰減點的χ坐標(x(xD[iD]，t))，以及所述音調(diào)衰減點是所述多個制音器(21f)中 的所述每個上的、所述多個制音器(21f)中的所述每個與所述多個振動弦絲(21e)中的所 述一個接觸和分開的位置。
13.如權(quán)利要求9所述的音調(diào)信號合成系統(tǒng)，其中所述原聲樂器是鋼琴(21)，包括包含所述至少一個振動弦絲的多個振動弦絲(21e)，多個鍵(21a)，分別與所述多個振動弦絲(21e)相關(guān)聯(lián)， 多個動作單元(21d)，分別與所述多個鍵(21a)鏈接， 多個弦槌(21c)，分別被所述多個動作單元(21d)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，多個制音器(21f)，與所述多個鍵(21a)鏈接，并且根據(jù)所述多個鍵(21a)的位置而與 所述多個振動弦絲(21e)分開和接觸，以及弱音踏瓣(16b)，與所述多個鍵(21a)鏈接，以便使所述多個弦槌(21c)上的沖擊點相 對于所述多個振動弦絲(21e)的位置偏移。
14.如權(quán)利要求13所述的音調(diào)信號合成系統(tǒng)，其中由所述第一數(shù)據(jù)表示的所述力 包含由所述多個弦槌(21c)之一在所述多個弦絲(21e)的每個的表面上施加的沖擊力 (fH (η Δ t))，并且所述沖擊力被表示為fH[iw] (t) = KHes[is] (t) {ffe[iw] (t)}P其中fH[iw](t)表示所述沖擊力，KHes[is](t)表示所述多個弦槌(21c)中的所述一個的彈 性模量，當弱音踏瓣(16b)停留在靜止位置時，es[is](t)等于1，當所述弱音踏瓣(16b)在向 著終點位置的路徑上時，es[1] (t)等于或小于1且大于0，即1彡es[1] (t) > 0，當所述弱音踏 瓣(16b)被完全按下時，es[1] (t)小于1且大于0，即1 > es[1] (t) > 0，當弱音踏瓣(16b)在 向著所述終點位置的路徑上時，es[2] (t)等于或小于1且等于或大于0，即1彡es[2] (t)彡0， 當所述弱音踏瓣(16b)被完全按下時，es[2] (t)等于0，當所述多個弦槌(21c)中的所述一 個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個接觸時，We(t) =ffH(t)-Ul(xH, t)彡0，當所述 多個弦槌(21c)中的所述一個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個分開時，We(t) =0 且 WH(t)-Ul(xH，t) < 0。
15.如權(quán)利要求9所述的音調(diào)信號合成系統(tǒng)，其中所述原聲樂器是鋼琴(21)，包括 包含所述至少一個振動弦絲的多個振動弦絲(21e)，多個鍵(21a)，分別與所述多個振動弦絲(21e)相關(guān)聯(lián)， 多個動作單元(21d)，分別與所述多個鍵(21a)鏈接， 多個弦槌(21c)，分別被所述多個動作單元(21d)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，多個制音器(21f)，與所述多個鍵(21a)鏈接，并且根據(jù)所述多個鍵(21a)的位置而與 所述多個振動弦絲(21e)分開和接觸，延音踏瓣(16a)，與所述多個制音器(21f)鏈接，以便使所述多個制音器(21f)與所述 多個弦絲(21e)分開和接觸，而與所述多個鍵(21a)的所述位置無關(guān)，和弱音踏瓣(16b)，與所述多個鍵(21a)鏈接，以便使所述多個弦槌(21c)上的沖擊點相 對于所述多個振動弦絲(21e)的位置偏移。
16.如權(quán)利要求15所述的音調(diào)信號合成系統(tǒng)，其中由所述第一數(shù)據(jù)表示的所述力包 含所述多個制音器(21f)的每個針對所述多個振動弦絲之一的振動的阻力(fDk(nAt)) 和由所述多個弦槌(21c)之一在所述多個弦絲(21e)的每個的表面上施加的沖擊力 (fH(nAt)),所述阻力(fDk(nAt))被表示為 fDk(t) = bDeD(t)Dtuk(xD[iD], t)其中，Dt表示d/dt，k是1和3，fDk(t)表示所述阻力，bDeD(t)表示所述多個制音器 (21f)中的所述每個的粘性系數(shù)，uk(xD[iD], t)表示所述多個制音器(21f)中的所述每個的變形量，X是空間變量，t是時間變量，xD[iD]表示坐標系中所述多個制音器(21f)中的所述 每個的音調(diào)衰減點的χ坐標(x(xD[iD]，t))，以及所述音調(diào)衰減點是所述多個制音器(21f)中 的所述每個的、所述多個制音器(21f)中的所述每個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述 一個接觸和分開的位置，并且并且所述沖擊力(fH(nAt))被表示為 fH[iw] (t) = KHes[is] (t) {ffe[iw] (t)}P其中fH[iw](t)表示所述沖擊力，KHes[is](t)表示所述多個弦槌(21c)中的所述一個的彈 性模量，當弱音踏瓣(16b)停留在靜止位置時，es[is](t)等于1，當所述弱音踏瓣(16b)在向 著終點位置的路徑上時，es[1] (t)等于或小于1且大于0，即1彡es[1] (t) > 0，當所述弱音踏 瓣(16b)被完全按下時，es[1] (t)小于1且大于0，即1 > es[1] (t) > 0，當弱音踏瓣(16b)在 向著所述終點位置的路徑上時，es[2] (t)等于或小于1且等于或大于0，即1彡es[2] (t)彡0， 當所述弱音踏瓣(16b)被完全按下時，es[2] (t)等于0，當所述多個弦槌(21c)中的所述一 個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個接觸時，We(t) =ffH(t)-Ul(xH, t)彡0，當所述 多個弦槌(21c)中的所述一個與所述多個振動弦絲(21e)中的所述每個分開時，We(t) =0 且 WH(t)-Ul(xH，t) < 0。
17.一種模擬通過原聲鋼琴產(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，所述原聲鋼琴包括至少一個鍵，在靜止位置和終點位置之間移動， 至少一個動作單元，與所述至少一個鍵鏈接， 至少一個弦槌，由所述至少一個動作單元驅(qū)動旋轉(zhuǎn)， 至少一個振動弦絲，至少一個制音器，與所述至少一個鍵鏈接，以便根據(jù)所述至少一個鍵的位置而與所述 至少一個振動弦絲分開和接觸，延音踏瓣，與所述至少一個制音器鏈接，以便使所述至少一個制音器獨立于所述至少 一個鍵的所述位置而與所述至少一個振動弦絲分開和接觸，以及振動樂器主體，配有支撐部分，通過所述支撐部分支撐所述至少一個弦絲， 其特征在于所述方法包括步驟a)獲取表示對應于所述至少一個鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表示對應于所述延音踏瓣 的踏瓣行程的第二數(shù)據(jù)，b)通過基于所述第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時間依賴方式改變所述至少一個制音器的粘 性系數(shù)值，確定表示由所述至少一個制音器針對所述至少一個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。
18.—種音調(diào)信號合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通過鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音 調(diào)的音調(diào)信號，所述鋼琴包括在靜止位置和終點位置之間移動的至少一個鍵、與所述至少 一個鍵鏈接的至少一個動作單元、由所述至少一個動作單元驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的至少一個弦槌、至 少一個振動弦絲、與所述至少一個鍵鏈接以便根據(jù)所述至少一個鍵的位置而與所述至少一 個振動弦絲分開和接觸的至少一個制音器、與所述至少一個制音器鏈接以便使所述至少一 個制音器獨立于所述至少一個鍵的所述位置而與所述至少一個振動弦絲分開和接觸的延音踏瓣、以及配有支撐部分的振動樂器主體，其中通過所述支撐部分支撐所述至少一個弦 絲，其特征在于，所述音調(diào)信號合成系統(tǒng)包括 制音器模型計算模塊，包括第一子模塊，獲取表示對應于所述至少一個鍵的鍵行程的第一數(shù)據(jù)和表示對應于所述 延音踏瓣的踏瓣行程的第二數(shù)據(jù)，以及第二子模塊，通過基于所述第一數(shù)據(jù)和第二數(shù)據(jù)、按時間依賴方式改變所述至少一個 制音器的粘性系數(shù)值，確定表示由所述至少一個制音器針對所述至少一個弦絲的阻力的第 三數(shù)據(jù)，以及音調(diào)信號產(chǎn)生模塊，考慮所述第三數(shù)據(jù)確定所述音調(diào)信號。
19.一種模擬通過原聲鋼琴產(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，所述原聲鋼琴包括至少一個鍵，在靜止位置和終點位置之間移動， 至少一個動作單元，與所述至少一個鍵鏈接， 至少一個弦槌，由所述至少一個動作單元驅(qū)動旋轉(zhuǎn)， 至少一個振動弦絲，至少一個制音器，與所述至少一個鍵鏈接，以便根據(jù)所述至少一個鍵的位置而與所述 至少一個振動弦絲分開和接觸，弱音踏瓣，與所述至少一個鍵鏈接，以便使所述弦槌的沖擊區(qū)域偏離所述至少一個振 動弦絲，以及振動樂器主體，配有支撐部分，通過所述支撐部分支撐所述至少一個弦絲， 其特征在于， 所述方法包括步驟a)獲取表示對應于所述弱音踏瓣的踏瓣行程的第一數(shù)據(jù)，b)通過基于所述第一數(shù)據(jù)、按時間依賴方式改變所述至少一個弦槌的彈性模量的值， 確定表示由所述至少一個弦槌在所述至少一個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。
20.一種音調(diào)信號合成系統(tǒng)，用于產(chǎn)生代表接近于通過鋼琴產(chǎn)生的原聲音調(diào)的人工音 調(diào)的音調(diào)信號，所述鋼琴包括在靜止位置和終點位置之間移動的至少一個鍵、與所述至少 一個鍵鏈接的至少一個動作單元、由所述至少一個動作單元驅(qū)動旋轉(zhuǎn)的至少一個弦槌、至 少一個振動弦絲、與所述至少一個鍵鏈接以便根據(jù)所述至少一個鍵的位置而與所述至少一 個振動弦絲分開和接觸的至少一個制音器、與所述至少一個鍵鏈接以便使所述弦槌的沖擊 區(qū)域偏離所述至少一個振動弦絲的弱音踏瓣、以及配有支撐部分的振動樂器主體，其中通 過所述支撐部分支撐所述至少一個弦絲，其特征在于，所述音調(diào)信號合成系統(tǒng)包括 弦槌模型計算模塊，包括第一子模塊，獲取表示對應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，通過基于所述第一數(shù)據(jù)、按時間依賴方式改變所述至少一個弦槌的彈性 模量的值，確定表示由所述至少一個弦槌在所述至少一個弦絲上施加的力的第二數(shù)據(jù)，以 及音調(diào)信號產(chǎn)生模塊，考慮所述第二數(shù)據(jù)確定所述音調(diào)信號。
全文摘要
電子鋼琴(1)包括由軟件實現(xiàn)的音調(diào)信號合成系統(tǒng)(100)、鍵以及監(jiān)視鍵并向音調(diào)信號合成系統(tǒng)報告鍵位置的鍵傳感器，并且音調(diào)信號合成系統(tǒng)包括制音器模型計算模塊(102-1，102-2)，用于確定針對鋼琴弦絲的振動的阻力；弦槌模型計算模塊(103)，用于確定在弦絲上施加的力；琴弦模型計算模塊(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器主體上施加的力；樂器主體模型計算模塊(105)，用于基于在樂器主體上施加的力，確定樂器主體的位移；以及空氣模型計算模塊(106)，用于根據(jù)樂器主體的位移，確定觀察點處的聲壓。
文檔編號G10H1/02GK101908333SQ20101019602
公開日2010年12月8日 申請日期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 申請人:雅馬哈株式會社