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1、(10)申请公布号 CN 103531192 A (43)申请公布日 2014.01.22 CN 103531192 A (21)申请号 201310547932.3 (22)申请日 2010.06.03 134513/09 2009.06.03 JP 134512/09 2009.06.03 JP 134514/09 2009.06.03 JP 201010196023.6 2010.06.03 G10H 5/00(2006.01) (71)申请人 雅马哈株式会社 地址 日本静冈县 (72)发明人 富永英嗣 (74)专利代理机构 北京市柳沈律师事务所 11105 代理人 于小宁 (54) 发。
2、明名称 模拟原声音调的方法和音调信号合成系统 (57) 摘要 公开了一种模拟通过原声钢琴产生的原声音 调的方法和一种音调信号合成系统。电子钢琴 (1) 包括由软件实现的音调信号合成系统 (100)、 键以及监视键并向音调信号合成系统报告键位 置的键传感器， 并且音调信号合成系统包括 ： 制 音器模型计算模块 (102-1， 102-2)， 用于确定针 对钢琴弦丝的振动的阻力 ； 弦槌模型计算模块 (103)， 用于确定在弦丝上施加的力 ； 琴弦模型计 算模块 (104-1， 104-2)， 用于基于在弦丝上施加 的力和阻力， 确定由弦丝在钢琴的乐器主体上施 加的力 ； 乐器主体模型计算模块 (。
3、105)， 用于基于 在乐器主体上施加的力， 确定乐器主体的位移 ； 以及空气模型计算模块 (106)， 用于根据乐器主 体的位移， 确定观察点处的声压。 (30)优先权数据 (62)分案原申请数据 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 31 页 附图 9 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书31页 附图9页 (10)申请公布号 CN 103531192 A CN 103531192 A 1/2 页 2 1. 一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法， 用于产生代表接近于所述原声音调 且被观察到的人工音调的音调信号， 所述原声钢琴。
4、包括 至少一个键， 在静止位置和终点位置之间移动， 至少一个动作单元， 与所述至少一个键链接， 至少一个弦槌， 由所述至少一个动作单元驱动旋转， 至少一个振动弦丝， 至少一个制音器， 与所述至少一个键链接， 以便根据所述至少一个键的位置而与所述 至少一个振动弦丝分开和接触， 延音踏瓣， 与所述至少一个制音器链接， 以便使所述至少一个制音器独立于所述至少 一个键的所述位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触， 以及 振动乐器主体， 配有支撑部分， 通过所述支撑部分支撑所述至少一个振动弦丝， 其特征在于所述方法包括步骤 ： a) 获取表示对应于所述至少一个键的键行程的第一数据和表示对应于所述延音踏瓣。
5、 的踏瓣行程的第二数据， b) 通过基于所述第一数据和第二数据、 按时间依赖方式改变所述至少一个制音器的 粘性系数值， 确定表示由所述至少一个制音器针对所述至少一个振动弦丝的阻力的第三数 据， 以及 c) 考虑所述第三数据确定所述音调信号。 2. 一种音调信号合成系统， 用于产生代表接近于通过钢琴产生的原声音调的人工音调 的音调信号， 所述钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、 与所述至少一 个键链接的至少一个动作单元、 由所述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、 至少 一个振动弦丝、 与所述至少一个键链接以便根据所述至少一个键的位置而与所述至少一个 振动弦丝分开和接触的至少一。
6、个制音器、 与所述至少一个制音器链接以便使所述至少一个 制音器独立于所述至少一个键的所述位置而与所述至少一个振动弦丝分开和接触的延音 踏瓣、 以及配有支撑部分的振动乐器主体， 其中通过所述支撑部分支撑所述至少一个振动 弦丝， 其特征在于， 所述音调信号合成系统包括 ： 制音器模型计算模块， 包括 第一子模块， 获取表示对应于所述至少一个键的键行程的第一数据和表示对应于所述 延音踏瓣的踏瓣行程的第二数据， 以及 第二子模块， 通过基于所述第一数据和第二数据、 按时间依赖方式改变所述至少一个 制音器的粘性系数值， 确定表示由所述至少一个制音器针对所述至少一个振动弦丝的阻力 的第三数据， 以及 音调。
7、信号产生模块， 考虑所述第三数据确定所述音调信号。 3. 一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法， 用于产生代表接近于所述原声音调 的人工音调的音调信号， 所述原声钢琴包括 权 利 要 求 书 CN 103531192 A 2 2/2 页 3 至少一个键， 在静止位置和终点位置之间移动， 至少一个动作单元， 与所述至少一个键链接， 至少一个弦槌， 由所述至少一个动作单元驱动旋转， 至少一个振动弦丝， 至少一个制音器， 与所述至少一个键链接， 以便根据所述至少一个键的位置而与所述 至少一个振动弦丝分开和接触， 弱音踏瓣， 与所述至少一个键链接， 以便使所述弦槌的冲击区域偏离所述至少一个振 动弦。
8、丝， 以及 振动乐器主体， 配有支撑部分， 通过所述支撑部分支撑所述至少一个振动弦丝， 其特征在于， 所述方法包括步骤 ： a) 获取表示对应于所述弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据， b) 通过基于所述第一数据、 按时间依赖方式改变所述至少一个弦槌的弹性模量的值， 确定表示由所述至少一个弦槌在所述至少一个振动弦丝上施加的力的第二数据， 以及 c) 考虑所述第二数据确定所述音调信号。 4. 一种音调信号合成系统， 用于产生代表接近于通过钢琴产生的原声音调的人工音调 的音调信号， 所述钢琴包括在静止位置和终点位置之间移动的至少一个键、 与所述至少一 个键链接的至少一个动作单元、 由所述至少一个动作单元。
9、驱动旋转的至少一个弦槌、 至少 一个振动弦丝、 与所述至少一个键链接以便根据所述至少一个键的位置而与所述至少一个 振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、 与所述至少一个键链接以便使所述弦槌的冲击区 域偏离所述至少一个振动弦丝的弱音踏瓣、 以及配有支撑部分的振动乐器主体， 其中通过 所述支撑部分支撑所述至少一个振动弦丝， 其特征在于， 所述音调信号合成系统包括 ： 弦槌模型计算模块， 包括 第一子模块， 获取表示对应于所述弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据， 以及 第二子模块， 通过基于所述第一数据、 按时间依赖方式改变所述至少一个弦槌的弹性 模量的值， 确定表示由所述至少一个弦槌在所述至少一个振动弦丝。
10、上施加的力的第二数 据， 以及 音调信号产生模块， 考虑所述第二数据确定所述音调信号。 权 利 要 求 书 CN 103531192 A 3 1/31 页 4 模拟原声音调的方法和音调信号合成系统 0001 本申请是申请日为 2010 年 6 月 3 日、 申请号为 201010196023.6、 发明名称为 “用 于合成音调信号的方法和音调信号生成系统” 的发明专利申请的分案申请。 技术领域 0002 本发明涉及音调生成技术， 并且更具体地， 涉及通过基于具有弦丝 (wire) 和用于 支撑弦丝的乐器主体 （instrument body） 的原声乐器的音调生成机制的物理模型的模拟而 准备的。
11、音调信号生成系统和用于人工地 (artificially) 生成音调的方法。 背景技术 0003 已知有人工地生成音调的方法。 该方法通过利用专用硬件对原声乐器的发声机制 的物理模型的模拟而开发， 其中专用硬件由例如 DSP（数字信号处理器） 、 通用处理器和其 它种类的数字电路的信号处理器制成。 现有技术方法可用于通过原声乐器产生的音调的合 成。在通过现有技术方法人工地产生原声钢琴音调的情况下， 基于琴弦模型模拟弦丝的振 动， 并且基于共鸣板模型模拟由振动的弦丝引起的琴桥 （bridge） 和共鸣板的振动。包含现 有技术模拟器的现有技术音调生成系统进行模拟， 并通过根据模拟结果的合成而人工地。
12、产 生钢琴音调。 0004 在各方面彼此不同的日本专利申请特开 No.Hei（平） 06-83363（下文中称为 “第 一参考文献” ） 和 No.Hei（平） 10-63270（下文中称为 “第二参考文献” ） 中公开了现有技术 方法。 0005 在第一参考文献中公开了电子乐器， 并且在现有技术电子乐器中考虑两种振动， 即， 横向振动和纵向振动。 现有技术电子乐器包括横向振动模拟模块、 纵向振动模拟模块和 共振模拟模块。代表乐曲数据的弦槌信号被提供给横向振动模拟模块， 通过横向振动模拟 模块产生代表横向振动的位移信号。 将该位移信号从横向振动模拟模块提供给纵向振动模 拟模块， 并且通过纵向振。
13、动模拟模块基于位移信号产生纵向振动信号。通过共振模拟模块 之一产生随着横向振动的共振的第一共振信号， 并且通过另一共振模拟模块产生随着纵向 振动的共振的第二共振信号。 位移信号、 纵向振动信号、 第一共振信号和第二共振信号彼此 相加， 用于音调波形的合成。 0006 在第二参考文献中公开了现有技术音调合成器。 现有技术音调合成器包括用于琴 弦模型的回路电路和用于共鸣板系统的回路电路。 回路电路具有用于模拟弦丝振动的传播 延迟的延迟电路和用于模拟弦丝中的原声损失的终止 （terminating） 滤波器。用于共鸣板 系统的回路电路具有加法器、 乘法器和共鸣板 （具有预定传递函数） 。用于琴弦模型。
14、的回路 电路通过波导接头连接到用于共鸣板系统的回路电路， 并且在音调合成时对回路电路的输 出信号适当加权。 0007 尽管在现有技术电子乐器和现有技术电子乐器中考虑了弦丝振动和共振这两者， 但是对音乐具有精细听觉的人仍然感觉到合成的音调不接近通过诸如钢琴的原声乐器生 成的音调。 说 明 书 CN 103531192 A 4 2/31 页 5 0008 此外， 原声乐器配有用于向原声音调赋予各种细微变化 (nuance) 的几个踏瓣和 控制杆。举例来说， 钢琴配有延音踏瓣 （damper pedal） 和弱音踏瓣 （soft pedal） 。当演奏 者在相对长的踏瓣行程上压下延音踏瓣时， 不管按。
15、下的键的释放， 延音踏瓣保持制音器离 开弦丝。本领域的一些人将弦丝称为 “琴弦” 。结果， 弦丝在键返回静止位置之后持续振动， 并且振动的弦丝通过共振引起其它弦丝的强烈振动。 如果演奏者在相对短的踏瓣行程上压 下延音踏瓣， 则不管键的释放， 延音踏瓣保持制音器与弦丝轻微接触， 并且减小钢琴音调的 响度， 并且振动的弦丝引起其它弦丝的微弱振动。该执行技术被称为 “半踏瓣” 。由此， 演奏 者能向钢琴音调赋予任一细微变化。 0009 弱音踏瓣也能用于细微变化。当弱音踏瓣停留在静止位置上时， 每个弦槌毡 （hammer felt） 与关联组的三条弦丝相对， 并且按下的键使弦槌毡与该关联组的三条弦丝 。
16、碰撞。当演奏者在相对长的行程上压下弱音踏瓣时， 键架 (key frame) 横向移动， 并且每个 弦槌与该关联组的两条弦丝相对。 在此情形下， 按下的键使弦槌毡与该组的两条弦丝碰撞， 从而生成小响度的钢琴音调。如果演奏者在相对短的行程上压下弱音踏瓣， 键架在横向方 向上轻微移动， 并且弦槌毡的三个尾部 (trail) 偏离该关联组的三条弦丝。尽管由于与该 关联组的三条弦丝的重复碰撞而使得三个尾部变硬， 但是弦槌毡除了尾部之外的区域仍然 是软的。 为此， 当弦槌毡与关联组的三条弦丝碰撞时， 钢琴音调比通过三个尾部和三条弦丝 之间的碰撞而生成的钢琴音调更柔和。由此， 演奏者能通过弱音踏瓣向钢琴音。
17、调赋予不同 的细微变化。 0010 然而， 在现有技术模型中没有考虑这些种类的踏瓣影响。 结果， 演奏者不能向通过 现有技术乐器生成的合成音调赋予细微变化。 发明内容 0011 因而， 本发明的一个重要目的是提供音调信号生成系统， 其产生代表接近于通过 原声乐器产生的原声音调的合成音调的音调信号。 0012 本发明的另一重要目的是提供在音调信号生成系统中采用的方法。 0013 本发明人研究了原声乐器， 并且注意到对于高精度的模拟， 不仅需要现有技术模 型也需要其它模型。下文中对于作为原声乐器的例子的钢琴描述其它模型。 0014 具体地， 钢琴的弦丝在其一端被框架上的支架 (bearing) 支。
18、撑， 并且在其另一端 被共鸣板上的琴桥支撑。当演奏者按下键时， 键开始从静止位置向终点位置行进。支架是 被称为背梁 (ridge) 的金属框架的一部分。按下的键使相关联的制音器在向着终点位置 的路径上与相关联的弦丝分开， 并且通过动作单元也在向着终点位置的路径上给予弦槌动 能。弦槌与弦丝碰撞， 从而在弦丝上激励出波动。波动能量传播到支撑端。部分波动能量 通过支撑端传输到框架。剩余部分的波动能量在支撑端上反射， 并且留在弦丝中。由此， 波 动通过反射在支撑端之间反复传播， 从而在弦丝中产生振动。 当弦槌与弦丝碰撞时， 弦槌引 起弦丝在弦槌的移动方向上， 即在垂直于弦丝纵向的方向上的挠度 （ben。
19、d） 。 然而， 琴桥在三 个维度上振动。 弦丝被琴桥的振动所影响， 并且不仅在垂直方向上， 还在同一虚平面内垂直 于该垂直方向的方向上以及纵向方向上振动。 0015 部分波动能量通过框架、 共鸣板和箱体传播。 如果演奏者压下延音踏瓣， 则制音器 与其它弦丝分开。在此情形下， 其它弦丝由于从框架、 共鸣板和箱体传输的能量而振动。由 说 明 书 CN 103531192 A 5 3/31 页 6 此， 能量从弦丝以及框架、 共鸣板和箱体之前传输， 以生成原声钢琴音调。 该现象通过 “三维 耦合振动机制” 产生。通过 “三维耦合振动模型” 模拟三维耦合振动机制。 0016 如上文所述， 部分波形能。
20、量引起三维结构的振动， 即， 诸如框架、 共鸣板、 箱体的侧 板和箱体的木框架的振动组成部分的组合， 并且原声钢琴音调从振动的三维结构辐射到空 气中。 下文中将振动组成部分的组合称为 “乐器主体 （instrument body） ” 。 该现象通过 “来 自三维乐器主体的原声辐射机制” 产生。通过 “来自三维乐器主体的原声辐射模型” 模拟来 自三维乐器主体的原声辐射机制。 0017 标准原声钢琴具有 88 个键， 并且音阶的音高被分别分配给 88 个键。当演奏者 顺序地按下 88 个键时， 按预定音高生成音调。然而， 具有精细的音乐听觉的人感觉到从 与被分配了最低音高的键起的四十个键相关联的。
21、振动弦丝生成的钢琴音调在音色上略微 不同于从与其它键相关联的振动弦丝生成的钢琴音调。人们注意到这些钢琴音调包含非 谐音 （non-harmonic sound） 。他们将非谐音表示为一种钟声， 如 “叮当声 （jingling） ” 或 “嘶鸣声 （whinnying） ” ， 或者一种金属声， 如 “叮呤声 （tinkling） ” ， 并且在下文中称为 “铃 声” (ringing sound)。演奏者让弦槌与弦丝碰撞得越强， 则钢琴音调中包含的铃声越多。 如果钢琴音调包含铃声过多， 则人们觉得铃声不舒服。然而， 如果不完美地去除铃声， 则人 们感觉到钢琴音调太单调。铃声的来源是弦丝的非线。
22、性有限幅度振动。该现象通过 “非线 性有限幅度振动机制” 产生， 并且通过 “非线性有限幅度振动模型” 模拟非线性有限振动机 制。 0018 本发明人总结， 为了更接近原声音调的音调合成， 选择性地考虑上述机制。 0019 为实现上述目的， 本发明提出了为了改善电子音调， 考虑三维耦合振动模型和来 自三维乐器主体的原声辐射模型。三维耦合振动模型产生琴弦模型和乐器主体模型， 并且 原声辐射模型产生空气模型。 0020 根据本发明的一个方面， 提供了一种模拟通过原声乐器产生的原声音调的方法， 用于产生代表接近于该原声音调且在空气中的特定点处观察的人工音调的音调信号， 原声 乐器具有至少一个振动弦丝。
23、和配有支撑部分的振动乐器主体， 通过该支撑部分支撑前述至 少一个振动弦丝， 并且该方法包括步骤 ： a) 获取表示在前述至少一个振动弦丝上施加的力 的第一数据和表示每个支撑部分处的位移的第二数据， b) 通过使用定义前述至少一个振动 弦丝上施加的力和每个支撑部分处的位移、 以及每个自然振动模式的模态坐标系上前述至 少一个振动弦丝的位移之间的关系的运动方程， 确定表示每个自然振动模式的模态坐标系 上前述至少一个振动弦丝的位移的第三数据， c) 通过使用方向余弦和定义支撑部分处的位 移和支撑部分上施加的力以及第三数据表示的位移之间的关系的算式， 基于第二数据确定 表示由前述至少一个振动弦丝在支撑部。
24、分上施加的力的第四数据， d) 基于第四数据和表示 振动乐器主体的自然角频率、 模态阻尼比和自然振动模式的分量的第六数据， 通过使用定 义该第四数据和表示近似于比例粘性阻尼系统的模态坐标系上振动乐器主体的位移或速 度的第五数据之间的关系的运动方程， 确定该第五数据， e) 确定第二数据， 作为第五数据、 振动乐器主体在支撑部分处的自然振动模式和坐标轴间的方向余弦的值之间的乘积之和， f) 向步骤 a) 提供第二数据， g) 基于该第五数据， 确定表示从该振动乐器主体辐射的、 并在 空气中的该特定点处观察到的声压的第七数据， 作为通过该模态坐标系上该振动乐器主体 的速度和第八数据之间的卷积而得到。
25、的计算结果之和， 该第八数据表示该模态坐标系上该 说 明 书 CN 103531192 A 6 4/31 页 7 振动乐器主体的速度与空气中的该特定点处的该声压之间的冲击响应或频率响应， 以及 h) 产生代表该第七数据并表示该人工音调的该音调信号。 0021 根据本发明的另一方面， 提供了一种音调信号合成系统， 用于产生代表接近于通 过原声乐器产生的原声音调的人工音调的音调信号， 该原声乐器具有至少一个振动弦丝和 配有支撑部分的振动乐器主体， 其中通过该支撑部分支撑该至少一个弦丝， 并且该音调信 号合成系统包括 ： 琴弦模型计算模块， 包括第一子模块， 获取表示前述至少一个振动弦丝上 施加的力。
26、的第一数据和表示每个支撑部分处的位移的第二数据 ； 第二子模块， 通过使用定 义前述至少一个振动弦丝上施加的力和每个支撑部分处的位移以及每个自然振动模式的 模态坐标系上前述至少一个振动弦丝的位移之间的关系的运动方程， 确定表示每个自然振 动模式的模态坐标系上前述至少一个振动弦丝的位移的第三数据 ； 以及第三子模块， 通过 使用坐标轴间的方向余弦和定义支撑部分处的位移和支撑部分上施加的力以及第三数据 表示的位移之间的关系的算式， 基于第二数据确定表示由前述至少一个振动弦丝在支撑部 分上施加的力的第四数据 ； 乐器主体模型计算模块， 包括第四子模块， 基于第四数据和表示 振动乐器主体的自然角频率、。
27、 模态阻尼比和自然振动模式的分量的第六数据， 通过使用定 义该第四数据和表示近似于比例粘性阻尼系统的模态坐标系上振动乐器主体的位移或速 度的第五数据之间的关系的运动方程， 确定第五数据 ； 第五子模块， 确定第二数据， 作为第 五数据、 振动乐器主体在支撑部分处的自然振动模式和坐标轴间的方向余弦的值之间的乘 积之和 ； 以及第六子模块， 向琴弦模型计算模块提供第二数据 ； 以及空气模型计算模块， 包 括第七子模块， 基于第五数据确定表示从振动乐器主体辐射的、 并在空气中的特定点处观 察到的声压的第七数据， 基于该第五数据， 确定表示从该振动乐器主体辐射的、 并在空气中 的该特定点处观察到的声压。
28、的第七数据， 作为通过该模态坐标系上该振动乐器主体的速度 和第八数据之间的卷积而得到的计算结果之和， 该第八数据表示该模态坐标系上该振动乐 器主体的速度与空气中的该特定点处的该声压之间的冲击响应或频率响应， 以及第八子模 块， 产生代表第七数据并表示人工音调的音调信号。 0022 根据本发明的另一方面， 提供了一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法， 用于产生代表接近于原声音调且被观察到的人工音调的音调信号， 原声钢琴包括在静止位 置和终点位置之间移动的至少一个键、 与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、 由前 述至少一个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、 至少一个振动弦丝、 与前述至少一个。
29、键链 接以便根据前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制 音器、 与前述至少一个制音器链接以便使前述至少一个制音器独立于前述至少一个键的位 置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的延音踏瓣、 以及配有支撑部分的振动乐器主 体， 其中通过该支撑部分支撑前述至少一个弦丝， 该方法包括步骤 ： a) 获取表示对应于前 述至少一个键的键行程的第一数据和表示对应于延音踏瓣的踏瓣行程的第二数据， b) 通过 基于第一数据和第二数据、 按时间依赖方式改变前述至少一个制音器的粘性系数的值， 确 定表示由前述至少一个制音器针对前述至少一个弦丝的阻力的第三数据， 以及 c) 考虑第 三数据。
30、确定音调信号。 0023 根据本发明的另一方面， 提供了一种音调信号合成系统， 用于产生代表接近于通 过钢琴产生的原声音调的人工音调的音调信号， 该钢琴包括在静止位置和终点位置之间移 动的至少一个键、 与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、 由前述至少一个动作单元 说 明 书 CN 103531192 A 7 5/31 页 8 驱动旋转的至少一个弦槌、 至少一个振动弦丝、 与前述至少一个键链接以便根据前述至少 一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、 与前述至少一个 制音器链接以便使前述至少一个制音器独立于前述至少一个键的位置而与前述至少一个 振动弦丝分开和接触的延音。
31、踏瓣、 以及配有支撑部分的振动乐器主体， 其中通过该支撑部 分支撑前述至少一个弦丝， 并且该音调信号合成系统包括 ： 制音器模型计算模块， 包括第一 子模块， 获取表示对应于前述至少一个键的键行程的第一数据和表示对应于延音踏瓣的踏 瓣行程的第二数据， 以及第二子模块， 通过基于第一数据和第二数据、 按时间依赖方式改变 前述至少一个制音器的粘性系数的值， 确定表示由前述至少一个制音器针对前述至少一个 弦丝的阻力的第三数据， 以及音调信号产生模块， 考虑第三数据确定该音调信号。 0024 根据本发明的另一方面， 提供了一种模拟通过原声钢琴产生的原声音调的方法， 用于产生代表接近于原声音调的人工音调。
32、的音调信号， 该原声钢琴包括在静止位置和终点 位置之间移动的至少一个键、 与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、 由前述至少一 个动作单元驱动旋转的至少一个弦槌、 至少一个振动弦丝、 与前述至少一个键链接以便根 据前述至少一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、 与前 述至少一个键链接以便使前述弦槌的冲击区域偏离前述至少一个振动弦丝的弱音踏瓣、 以 及配有支撑部分的振动乐器主体， 其中通过该支撑部分支撑前述至少一个弦丝， 该方法包 括步骤 ： a) 获取表示对应于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据， b) 通过基于第一数据、 按时 间依赖方式改变前述至少一个弦槌的弹性模量的。
33、值， 确定表示由前述至少一个弦槌在前述 至少一个弦丝上施加的力的第二数据， 以及 c) 考虑第二数据确定音调信号。 0025 根据本发明的另一方面， 提供了一种音调信号合成系统， 用于产生代表接近于通 过钢琴产生的原声音调的人工音调的音调信号， 该钢琴包括在静止位置和终点位置之间移 动的至少一个键、 与前述至少一个键链接的至少一个动作单元、 由前述至少一个动作单元 驱动旋转的至少一个弦槌、 至少一个振动弦丝、 与前述至少一个键链接以便根据前述至少 一个键的位置而与前述至少一个振动弦丝分开和接触的至少一个制音器、 与前述至少一个 键链接以便使弦槌的冲击区域偏离前述至少一个振动弦丝的弱音踏瓣、 以。
34、及配有支撑部分 的振动乐器主体， 其中通过该支撑部分支撑前述至少一个弦丝， 该音调信号合成系统包括 ： 制音器模型计算模块， 包括第一子模块， 获取表示对应于弱音踏瓣的踏瓣行程的第一数据， 以及第二子模块， 通过基于第一数据、 按时间依赖方式改变前述至少一个弦槌的弹性模量 的值， 确定表示由前述至少一个弦槌在前述至少一个弦丝上施加的力的第二数据， 以及音 调信号产生模块， 考虑第二数据确定音调信号。 附图说明 0026 根据结合附图的以下描述， 将更清楚地理解音调信号生成系统和方法的特征和优 点， 附图中 0027 图 1 是示出本发明的电子钢琴的系统结构的框图， 0028 图 2 是示出通过。
35、执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块 的框图， 0029 图 3 是示出标准大钢琴的结构的示意透视图， 0030 图 4 是示出本发明的另一电子钢琴的系统结构的框图， 说 明 书 CN 103531192 A 8 6/31 页 9 0031 图 5 是示出通过执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块 的框图， 0032 图 6 是示出本发明的另一电子钢琴的系统结构的框图， 0033 图 7 是示出通过执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块 的框图， 0034 图 8 是示出本发明的另一电子钢琴的系统结构的框图， 以及 0035 图 9 是示出通过。
36、执行在电子钢琴中加载的计算机程序的一部分实现的软件模块 的框图。 具体实施方式 0036 第一实施例 0037 电子钢琴的系统结构 0038 实施本发明的电子钢琴1大体上包括控制器11、 数据存储装置12、 人机接口13、 操 纵器 15、 声音系统 17 和共享总线系统 18。控制器 11、 数据存储装置 12、 人机接口 13、 操纵 器 15 和声音系统 17 连接到共享总线系统 18， 从而控制器 11 能通过共享总线系统 18 与其 它系统组件 12、 13、 15 和 17 通信。 0039 控制器 11 是信息处理能力的源， 并且包括中央处理单元 11a、 数字信号处理器 11b。
37、、 其它外设处理器 （未示出） 、 只读存储器 11c、 随机存取存储器 11d、 信号接口 11e 和内部 总线系统 11f。中央处理单元 11a、 只读存储器 11c 和随机存取存储器 11d 被缩写为 “CPU” 、 “ROM” 和 “RAM” 。直接存储器存取控制器和视频处理器可被包含为两个其它外设处理器。 0040 中央处理单元 11a 由微处理器实现， 并且顺序地执行由计算机程序的编程指令代 码表示的作业。计算机程序被存储在只读存储器 11c 中， 从而中央处理单元 11a 从只读存 储器 11c 顺序地提取编程指令代码。在计算机程序被存储在数据存储装置 12 中的情况下， 计算机。
38、程序从数据存储装置 12 传递到随机存取存储器 11d， 并且中央处理单元 11a 从随机 存取存储器 11d 顺序地读出编程指令代码。随机存取存储器 11d 向中央处理单元 11a 提供 工作区域。 0041 电子钢琴 1 由中央处理单元 11a 通过执行编程指令代码来控制。例如， 如下文将 描述的， 中央处理单元11a在数字信号处理器11b的辅助下生成音调信号， 并且音调信号通 过声音系统 17 转换为电音调。在此例子中， 基于音调信号产生电子钢琴音调。 0042 数据存储装置 12 具有非易失性方式的大数据保存容量。在此例子中， 硬盘驱动单 元充当数据存储装置 12。各种数据被存储在数据。
39、存储装置 12 中。一组音调控制数据和音 调数据被存储在数据存储装置 12 中。可根据 MIDI（乐器数字接口） 协议准备音调控制数 据。在此例子中， 音调控制数据表示键行程、 弦槌速度、 延音踏瓣行程和弱音踏瓣行程。键 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随时间变化。 从诸如紧致 盘 DP 的信息存储介质 DP 或通过通信网络从合适的服务器计算机加载这些种类的数据。 0043 人机接口 13 包括操纵面板 13a 和显示面板 14。鼠标 13b、 开关 13c 和键盘 13d 形 成操纵面板 13a 的各部分， 并且用户通过鼠标 13b、 开关 13c 和键盘 13。
40、d 向电子钢琴 1 给出 他们的指令。 0044 在此例子中， 显示面板 14 由液晶显示面板实现。控制器 11 通过执行计算机程序 说 明 书 CN 103531192 A 9 7/31 页 10 使显示面板 14 产生视觉图像， 如消息、 作业列表、 性能菜单等。无需用户的决定或响应于用 户的决定而产生视觉图像。例如， 当电子钢琴 1 被加电时， 在显示面板 14 上产生表示作业 列表的视觉图像， 而无需任何用户指令。 0045 键盘 15a 和踏瓣 16 被称为操纵器 15。黑键 15b、 白键 15c、 键位置传感器 15d 的阵 列和键速度传感器 15e 的阵列被合并在键盘 15a 。
41、中。当未在键 15b/15c 上施加任何向下的 力时， 键停留在各自的静止位置上， 并且键行程为零。当在每个键 15b/15c 上施加向下的力 时， 键开始从静止位置向终点位置行进。键行程向着中点位置而增加。键号被分别分配给 键 15b 和 15c， 从而分别用键号指定按下的键 15b/15c 和释放的键 15b/15c。 0046 键位置传感器 15d 被分别分配给键 15b 和 15c， 并且键速度传感器 15e 也被分别 分配给键 15b 和 15c。键号被存储为键代码 KC。用键位置传感器 15d 之一和键速度传感器 15e 之一监视每个键 15b 和 15c。测量距离静止位置的键行程。
42、， 并且键位置传感器 15d 产生 键行程信号。键速度传感器 15e 产生键速度信号。键行程信号和键速度信号被从模拟形式 转换为数字形式， 并且通过共享总线系统 18， 从键盘 15a 周期性地向控制器 11 的信号接口 11e 提供键代码 KC、 数字键行程信号 KS 和数字键速度信号 KV。控制器 11 基于所获取的数 据确定弦槌速度。 0047 踏瓣 16 对应于延音踏瓣和弱音踏瓣， 为此， 踏瓣 16 在下文中被分别称为 “延音踏 瓣 16a” 和 “弱音踏瓣 16b” 。踏瓣号被分别分配给踏瓣 16， 并被存储为踏瓣代码 PC。用踏 瓣代码 PC 指定压下的踏瓣和释放的踏瓣 16。踏。
43、瓣位置传感器 16c 被分别分配给踏瓣 16a 和 16b。当延音踏瓣 16a 和弱音踏瓣 16b 停留在各自的静止位置上时， 踏瓣行程为零。踏瓣 行程的值向着终点位置而增加。踏瓣行程信号被从模拟形式转换为数字形式， 并且通过共 享总线系统 18 将数字踏瓣行程信号 PS 和踏瓣代码 PC 周期性地提供给控制器 11 的信号接 口 11e。 0048 声音系统 17 包括数模转换器 17a、 放大器 （未示出） 和扬声器 17b。代表音调数据 的音调信号被提供给声音系统 17， 并且通过数模转换器 17a 从数字形式转换为模拟形式。 由此， 从音调信号产生音频信号， 并且通过放大器和扬声器 1。
44、7b 将音频信号转换为电音调。 0049 计算机程序被分解为主例程程序和子例程程序。当电子钢琴 1 被初始化时， 主例 程程序开始在中央处理单元 11a 上运行。当主例程程序在中央处理单元 11a 上运行时， 用 户通过人机接口 13 给出他们的指令。子例程程序之一被分配给数据采集， 并且主例程程序 周期性地分支到用于从信号接口 11e 提取的数据的子例程程序。主例程程序和用于数据采 集的子例程程序的细节是本领域技术人员已知的， 为此为了简便， 下文中不再进行进一步 的描述。 0050 另一子例程程序被分配给音调信号的合成， 并且通过执行用于音调信号的合成的 子例程程序实现图 2 所示的软件模。
45、块。对用于音调信号的合成的子例程程序考虑多个物理 模型， 并且它们被称为 “制音器模型” 、“弦槌模型” 、“琴弦模型” 、“乐器主体模型” 和 “空气模 型” 。 0051 在标准原声钢琴的前提下准备这些模型。 图3中示出了标准原声钢琴21的典型例 子， 并且标准原声钢琴 21 包括形成键盘 21b 的一部分的 88 个键 21a、 通过动作单元 21d 与 键 21a 链接的弦槌 21c、 每个由一条到三条弦丝构成的弦丝 21e 的弦丝组、 以及每个在零到 多个点上与一条或多条弦丝 21e 接触的制音器 21f。弦丝 21e 在其一端连接到琴桥 21ea 并 说 明 书 CN 103531。
46、192 A 10 8/31 页 11 且在其另一端连接到支架 （bearing） 21eb。键 21a、 弦槌 21c、 动作单元 21d、 弦丝 21e 和制 音器21f中的大部分被容纳在箱体21h中。 弦丝和接触点的数目随着不同音区(register) 而不同。钢琴箱体 21h、 框架、 木框架、 琴桥 21ea、 支架 21eb 和辐射原声钢琴音调的其它振 动组成部分形成乐器主体 21j。 0052 在以下描述中， 词语 “弦丝” 、“弦槌” 、“制音器” 和 “乐器主体” 指代标准原声钢琴 21 的弦丝 21e、 弦槌 21c、 制音器 21f 和乐器主体 21j， 因为弦丝、 弦槌、。
47、 制音器和乐器主体均 为被合并在电子钢琴 1 中。 0053 音调信号合成系统 0054 用于音调信号的合成的子例程程序通过执行来实现音调信号合成系统 100， 音调 信号合成系统 100 包括比较器 101、 制音器模型计算模块 102-1 和 102-2、 弦槌模型计算模 块 103、 琴弦模型计算模块 104-1 和 104-2、 乐器主体模型计算模块 105 以及空气模型计算 模块 106。制音器模型计算模块 102-1 和 102-2 通过制音器模型模拟特定的一个或多个弦 丝 21e 的振动， 并且琴弦模型计算模块 104-1 和 104-2 在琴弦模型上模拟特定弦丝 21e 的 振。
48、动。 弦槌模型计算模块103、 乐器主体模型计算模块105和空气模型计算模块106分别通 过弦槌模型、 乐器主体模型和空气模型模拟特定的一个或多个弦丝 21e 的振动。 0055 比较器101连接到制音器模型计算模块102-1和102-2， 并且制音器模型计算模块 102-1 和 102-2 分别连接到琴弦模型计算模块 104-1 和 104-2。弦槌模型计算模块 103 连 接到琴弦模型计算模块 104-1 和 104-2 两者。琴弦模型计算模块 104-1 和 104-2 连接到乐 器主体模型计算模块 105， 乐器主体模型计算模块 105 又连接到空气模型计算模块 106。从 空气模型计。
49、算模块 106 输出音调生成信号 P(nt)。 0056 如前所述， 音调信号合成系统 100 在标准原声钢琴 21 具有 88 个键 21a 的前提下 产生音调信号。为此， 88 个键 15b 和 15c 需要 88 组制音器模型计算模块 102-1 和 102-2、 弦槌模型计算模块 103 和琴弦模型计算模块 104-1 和 104-2， 并且 88 对琴弦模型计算模 块 104-1 和 104-2 并联到乐器主体模型计算模块 105。在以下描述中， 为了简便， 软件模块 102-1、 102-2、 104-1 和 104-2 被描述为如同标准原声钢琴仅仅具有一个键 21a 和用于该仅 仅一个键 21a 的仅仅一组制音器 21f/ 弦槌 21c。 0057 通过音调信号合成系统 100 中的信号合成处理生成音调信号， 并且基于两条弦丝 形成与每个键相关联的弦丝 21e 的物理模型进行信号合成处理。两个琴弦模型计算模块 104-1 和 104-2 并联到乐器主体模型计算模块 105， 并且分别负责两条弦丝。同样地， 两个 制音器模型计算模块 102-1。