CN100578607C - 带选择访问速度转换表的自动演奏乐器和其所用电子系统 - Google Patents

Abstract

一种无键传感器的自动演奏钢琴，包括：键致动器(6)，以便在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下引起键运动；键传感器(7)，产生表示键运动的键位置信号(yxa)；以及数据处理单元(303)，在键盘(1)上的演奏期间产生乐曲数据代码，并产生表示琴槌速度和要提供给键致动器(6)的基准键速度之间关系的重放表(21a)；当数据处理单元(303)记录演奏时，在已经通过由人类演奏者按压键(1a、1b)的实验而准备的键速度-琴槌速度转换表(31)的基础上估计琴槌速度；当数据处理单元(303)准备重放表(21a)时，在通过由键致动器(6)驱动键(1a、1b)的另一实验准备的另一速度转换表(30)的基础上估计琴槌速度。

Description

带选择访问速度转换表的自动演奏乐器和其所用电子系统

技术领域

本发明涉及一种自动演奏乐器(automatic player musical instrument)，特别涉及一种具有记录模式和重放模式的自动演奏乐器以及合并在其中的电子系统。

背景技术

自动演奏钢琴是自动演奏乐器的典型示例。自动演奏钢琴是原声钢琴(acoustic piano)和被电子控制的系统的组合，并通常具有两种操作模式。第一操作模式在下文中被称为“记录模式”，而第二模式被称为“重放模式”。当自动演奏钢琴处于记录模式下时，用户可以请求充当记录器的被电子控制的系统收集用于记录键盘和踏板上的演奏的乐曲数据段。记录器将该乐曲数据段编码为MIDI(乐器数字接口)乐曲数据代码。

另一方面，当自动演奏钢琴进入重放模式时，该自动演奏钢琴做好在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下重现(reenact)所述演奏的准备。当接收到用户的请求时，充当自动演奏器的被电子控制的系统分析MIDI乐曲数据代码以重现所述演奏。自动演奏器有选择地按压黑键和白键，并踏在踏板上，以便随着乐曲的推移(passage)产生原声钢琴音调。

在日本专利申请公开第2001-175262或P2001-175262A号中公开了标准自动演奏钢琴。日本专利申请公开第2001-175262号是在日本专利申请第Hei.11-357757号的基础上公布的，其优先权已经在美国序列号第09/737615号中予以要求。美国序列号第09/737615号已被授予专利权，并且，美国专利号6403872B2被分配(assign)给该美国专利。琴槌传感器被安装在自动演奏钢琴中，并形成记录器的一部分。

当用户在键盘和踏板上演奏一段乐曲时，琴槌传感器监控原声钢琴的琴槌，并向数据处理器通知当前琴槌位置。数据处理器分析表示琴槌运动的琴槌数据段，以便确定琴槌速度、琴槌撞击弦的定时等等，并估计按压和释放相关键的定时。这些乐曲数据段存储在合适的信息存储介质中以供重放。这样，在琴槌数据段的基础上准备了乐曲数据。

另一种自动演奏钢琴未配备任何琴槌传感器，从而可以说是“无琴槌传感器的自动演奏钢琴”。这种无琴槌传感器的自动演奏钢琴配有键传感器来代替琴槌传感器。数据处理器确定按压和释放黑键和白键的定时，并估计琴槌速度和琴槌撞击弦的定时。

数据处理器在从键传感器提供的键数据段的基础上按照下面所述来确定琴槌速度，所述琴槌速度在MIDI协议中被定义为“速度”。数据处理器在键数据段的基础上确定基准键速度的测量值。术语“基准键速度”是指基准键点处的键速度，并且，在日本专利申请公开第Hei 7-175472号中对其进行了描述。基准键点是对于基准键速度的唯一的点，并且，基准键点处的键速度值与撞击弦之前瞬间的琴槌速度值成比例。撞击弦之前瞬间的琴槌速度值与音调响度成比例。出于此原因，基准键速度的值也与音调响度成比例。换句话说，有可能通过将黑键和白键调整到基准键速度的特定值来控制音调响度。

当在键数据段的基础上确定了基准键速度的值时，数据处理器访问表示基准键速度和琴槌速度之间关系的表，并从该表读出琴槌速度的值。这样，基准键速度被转换为琴槌速度，并且琴槌速度的值被编码为表示音符开(note-on)事件的MIDI乐曲数据代码。

当自动演奏器重现由一组MIDI乐曲数据代码表示的演奏时，自动演奏器分析该MIDI乐曲数据代码，并确定要按压和释放的黑键和白键、响度以及要产生音调的定时。数据处理器以该响度或琴槌速度的目标值访问将在下文中描述的另一个表，并从该表中读出对应的基准键速度值。当所述时刻到来时，数据处理器开始通过伺服控制环来控制黑键和白键，以便使黑键和白键以对应的基准键速度值经过基准键点。这产生了琴槌速度的目标值，并且，以目标响度产生音调。

制造商通过对主(master)自动演奏钢琴进行的实验来确定基准键速度和琴槌速度之间的关系，并将其存储在记录器的合适的非易失性存储器中。主自动演奏钢琴还配有琴槌传感器，使得制造商可以确定基准键速度和琴槌速度之间的关系。在下文中，将定义基准键速度和琴槌速度之间关系的表称为“速度转换表”。

另一方面，在下文中将存储琴槌速度的目标值和基准键速度的目标值之间关系的表称为“重放表”，以便将其与速度转换表区分开。重放表是在速度转换表的基础上准备的，并且，在下文中将准备重放表的工作称为“学习”。

现有技术的无琴槌传感器的自动演奏钢琴按照下面所述来学习琴槌速度和基准键速度之间的关系。首先，数据处理器从信息存储介质读出基准键速度的基准值，并控制黑/白键以该基准值经过基准键点。当黑/白键经过基准键点时，数据处理器在从相关键传感器提供的键数据段的基础上确定键速度的测量值，并以该基准键点处的键速度的测量值，即基准键速度，访问速度转换表。数据处理单元从速度转换表中读出琴槌速度的目标值，并与基准键速度的测量值相关联。数据处理器以基准键速度的不同基准值重复上述过程，并且，基准键速度的测量值和琴槌速度的目标值之间的关系被制表为重放表。

简而言之，在记录模式下，数据处理器通过以基准键速度的测量值访问速度转换表来确定琴槌速度，而在重放模式下，通过访问同一数据转换表来使基准键速度的测量值与所读出的琴槌速度的目标值相关联。因而，在记录器和自动演奏器之间共享速度转换表。

在现有技术的自动演奏钢琴中遇到了这样的问题：在重放模式下，以比MIDI乐曲数据代码中所表示的响度小的响度产生原声钢琴音调。

发明内容

因此，本发明的一个重要目的是提供一种自动演奏乐器，其以与乐曲数据代码中表示的响度相等的响度再现原声音调。

本发明的另一重要目的是提供一种在自动演奏乐器中使用的自动演奏器。

本发明人考虑了现有技术自动演奏钢琴中的固有问题，并将人类演奏者利用他或她的手指引起的原始键运动与电磁控制的键(solenoid-operated key)利用其柱塞(plunger)引起的再现键运动相比较。本发明人发现再现键运动与原始键运动不同。在原始键运动和再现键运动之间存在着各种差异。例如，当人类演奏者按压键时，键运动接近于如图1A中的曲线UA所示的均匀加速运动；另一方面，当电磁控制的键致动器引起键运动时，键进行如图1B中的曲线UM所示的匀速运动。当原始键运动随着时间逐渐加速时，数据处理器使基准键点处的键速度与琴槌速度相关联，并在琴槌以相同的琴槌速度与弦碰撞的假设下，将琴槌速度存储在乐曲数据代码中。即使数据处理器在琴槌将进行匀速运动的假设下通过键运动再现琴槌运动，重放时的最终琴槌速度也小于记录时的最终琴槌速度，并且，因此，以比原始演奏中的响度小的响度再现了原声钢琴音调。

本发明人得出这样的结论：在记录和学习之间，速度转换表是不同的。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于产生音调的自动演奏乐器，包括：多个操纵器，被有选择地移动，以指定要产生的音调的音高；多个连杆装置(link work)，分别连接到所述多个操纵器，并分别具有通过所述多个操纵器的运动引起其运动的特定链接件(link)；音调生成器，由所述多个操纵器通过所述多个连杆装置激励，以便产生具有通过所述多个操纵器指定的音高的音调；以及电子系统，包括：监控所述多个操纵器以便产生代表所述多个操纵器的运动的信号的多个传感器、由驱动信号激励以便引起所述多个操纵器的运动的多个致动器、以及连接到所述多个传感器和所述多个致动器的数据处理单元，该数据处理单元具有：转换器，表示在由人类演奏者移动所述多个操纵器的条件下确定的所述多个操纵器的运动和所述特定链接件的运动之间的关系；以及另一转换器，表示在利用所述多个致动器移动所述多个操纵器的条件下确定的所述多个操纵器的运动和所述特定链接件的运动之间的另一关系，并且，该数据处理单元在由所述信号表示的数据段和表示所述特定链接件的运动的乐曲数据段的基础上，根据施加在所述多个操纵器上的力的起源而有选择地借助转换器和前述另一转换器来估计所述特定链接件的运动和所述多个操纵器的运动。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于乐器的电子系统，所述乐器具有多个操纵器、分别连接到所述多个操纵器的多个连杆装置以及由所述多个操纵器通过所述多个连杆装置激励以产生音调的音调生成器的乐器，并且，该电子系统包括：监控所述多个操纵器以便产生代表所述多个操纵器的运动的信号的多个传感器；由驱动信号激励以便引起所述多个操纵器的运动的多个致动器；以及连接到所述多个传感器和所述多个致动器的数据处理单元，该数据处理单元具有：转换器，表示在由人类演奏者移动所述多个操纵器的条件下确定的所述多个操纵器的运动和所述特定链接件的运动之间的关系；以及另一转换器，表示在利用所述多个致动器移动所述多个操纵器的条件下确定的所述多个操纵器的运动和所述特定链接件的运动之间的另一关系，并在由所述信号表示的数据段和代表所述特定链接件的运动的乐曲数据段的基础上，根据施加在所述多个操纵器上的力的起源，有选择地借助转换器和前述另一转换器来估计所述特定链接件的运动和所述多个操纵器的运动。

附图说明

根据结合附图进行的以下描述，将更清楚地理解自动演奏乐器和自动演奏器的特征及优点，其中：

图1A是示出在人类演奏者按压键时观测到的键运动的曲线图，

图1B是示出在电磁控制的键致动器推动键时观测到的键运动的曲线图，

图2是示出根据本发明的自动演奏乐器的结构的侧视图，

图3是合并在自动演奏乐器中的数据处理单元的系统配置的方框图，

图4A是示出在用于被电磁驱动的键的速度转换表中存储的琴槌速度和键速度之间关系的曲线图，

图4B是示出在用于被手指弹奏的键的速度转换表中存储的琴槌速度和键速度之间关系的曲线图，

图5是示出用于记录的子例程(subroutine program)的流程图，

图6是示出沿着键的轨迹定义的区域的视图，

图7是示出用于音调生成的定时表的视图，

图8是示出递减计数(count-down)子例程的流程图，

图9是示出用于准备重放表的子例程的流程图，

图10是示出用于学习的子例程的流程图，

图11是示出重放表的结构的示意图，

图12是示出表示用于学习的子例程的一部分的指令序列的流程图，以及

图13是示出用于重放的子例程的流程图。

具体实施方式

在以下描述中，术语“前面”表示比用术语“后面”修饰的相对位置更接近坐在凳子上以用手指弹奏的演奏者的相对位置。术语“纵向(fore-and-aft)”表示与在前面位置和对应的后面位置之间画的线平行的方向，而术语“横向”与该纵向以直角相交。

自动演奏乐器

参考附图的图2，实施本发明的自动演奏乐器主要包括原声乐器100和电子系统300，并根据用户的模式指令有选择地至少进入标准模式、记录模式和重放模式。原声钢琴100是大钢琴(grand piano)，并且电子系统300安装在原声钢琴100中，以便充当记录器301和自动演奏器302。

在标准模式下，用户通过在原声钢琴100上用手指弹奏而演奏一段乐曲，并且，通过原声钢琴100产生原声钢琴音调。因而，在标准模式下，自动演奏钢琴表现为标准原声钢琴。

当用户将用于记录模式的模式指令给予电子系统300时，电子系统300做好记录原声钢琴100上的演奏的准备。当用户在原声钢琴100上用手指弹奏时，充当记录器301的电子系统300获得代表键运动的键数据段和代表踏板运动的踏板数据段，并分析该键数据段和踏板数据段，以便产生代表在原声钢琴100上的演奏中产生的原声音调的乐曲数据代码。至少分配给所按压的键的键编号、要产生的音调响度以及要产生音调的时间被记在代表音符开事件的乐曲数据代码中，并且至少分配给被释放的键的键编号被记在代表音符关(note-off)事件的乐曲数据代码中。该乐曲数据代码被以实时的方式提供给外部数据源，并且/或者存储在存储器中。这样，在记录模式下，通过电子系统300记录了原声钢琴100上的演奏。

另一方面，在重放模式下，电子系统300在代表演奏的一组乐曲数据代码的基础上，通过原声钢琴100重现该演奏，并再现原声钢琴音调。这组乐曲数据被从合适的存储器读出。或者，电子系统300请求外部数据源(未示出)通过线缆或公共通信网络传送这组乐曲数据。当按顺序处理该乐曲数据代码时，电子系统300随着乐曲的推移，确定音高、要产生原声钢琴音调的定时、琴槌速度或响度、要衰减原声钢琴音调的定时、以及要施加到原声钢琴音调上的效果(如果有的话)，并在没有人类演奏者的任何手指弹奏的情况下，在原声钢琴100上演奏该乐曲的推移。

如将在下文中详细描述的，在电子系统300中存储两种速度转换表。一种速度转换表在记录模式使用，并在下文中被称为“用于被手指弹奏的键的速度转换表”。另一种速度转换表在重放模式使用，并在下文中被称为“用于被电磁驱动的键的速度转换表”。用于被手指弹奏的键的速度转换表针对记录模式下的键运动进行了优化，而用于被电磁驱动的键的速度转换表针对重放模式下的键运动进行了优化。因而，自动演奏器根据操作模式，通过访问速度转换表来确定琴槌速度的目标值。这带来了演奏的如实重现。

制造商通过实验来准备用于被手指弹奏的键的速度转换表和用于被电磁驱动的键的速度转换表。这些实验是在主自动演奏钢琴上进行的。除了琴槌传感器之外，主自动演奏钢琴与图2示出的自动演奏钢琴相似。与在美国专利第6403872B2中公开的那些琴槌传感器类似地排列琴槌传感器。出于此原因，为简便起见，没有在下文中并入对主自动演奏钢琴的进一步描述。

在主自动演奏钢琴中，基于从键传感器输出的键位置信号和通过琴槌传感器输出的琴槌位置信号，来确定琴槌速度和键速度。琴槌传感器监控紧挨在弦4之前的琴槌轨迹的最后部分。因而，用于被手指弹奏的键的速度转换表和用于被电磁驱动的键的速度转换表表示在实际键运动的基础上确定的基准键速度的测量值和也在实际琴槌运动的基础上确定的琴槌速度的测量值之间的关系。

原声钢琴

原声钢琴100包括键盘1、动作单元2、琴槌3、弦4和制音器(damper)5。键盘1安装在限定钢琴壳体底部的键座102的前部，而动作单元2、琴槌3、弦4和制音器5装在钢琴壳体中。

黑键1a和白键1b的阵列被合并在键盘1中。黑键1a和白键1b沿纵向延伸，并以众所周知的模式横向放置。在此实例中，88个黑键和白键1a/1b形成该阵列。黑键1a和白键1b在平衡轨道104上倾斜(pitch)，并且，平衡销(pin)P保持黑键1a和白键1b处于平衡轨道104上。前面的销将黑键1a和白键1b引导到前面的轨道106，使得黑键1a的前部和白键1b的前部在预定轨迹上往复行进。

在没有任何外力施加到黑键和白键1a/1b前部的情况下，黑键和白键1a/1b停留在各自的静止位置处。静止位置位于行程为0的地方，并且，在图2中用实线画出了静止位置处的黑键1a和白键1b。当外力施加到黑键和白键1a/1b的前部时，所述前部向各自的终止位置下降。在此实例中，终止位置位于静止位置下方10毫米处，并且，在图2中，点划线指示终止位置处的白键1b的上表面。

黑键和白键1a/1b分别在其后部与动作单元2链接，并且动作单元2引起琴槌3的自由旋转。弦4在琴槌3之上被拉伸，而制音器5与黑键和白键1a/1b的最后面的部分链接，以便与弦4间隔开以及与弦4接触。

当黑键和白键1a/1b停留在静止位置时，如图2所示，琴槌3在其琴槌辊(roller)3a处保持与形成动作单元2的部分的支撑杆(jack)2a的头相接触，而制音器5保持与弦4相接触。假设钢琴家按压黑键和白键1a/1b之一，则被按压的键1a/1b倾斜，并且前部向终止位置下降。在被按压的键1a/1b向终止位置下降途中，制音器5与弦4间隔开，并允许弦4振动。此外，被按压的键1a/1b引起动作单元2的运动，并且，在被按压的键1a/1b向终止位置下降途中，支撑杆2a脱离琴槌辊3a。从而，钢琴家感觉到被按压的键1a/1b比以前轻。

当支撑杆2a脱离琴槌辊3a时，琴槌3开始向弦4自由旋转。在自由旋转的终点，琴槌3与弦4碰撞，并引起弦4的振动。弦振动引起给定音高的原声钢琴音调。

琴槌3在弦4上回弹，并被动作单元2接住。当钢琴家释放所按压的键1a/1b时，被释放的键1a/1b开始返回静止位置。在被释放的键1a/1b返回静止位置途中，制音器5与振动的弦4接触，使得原声钢琴音调衰减。如图2所示，当被释放的键1a/1b到达静止位置时，动作单元2和琴槌3返回它们的静止位置。

电子系统

电子系统300在记录模式下充当记录器301，而在重放模式下充当自动演奏器302。记录器301的功能分解为记录控制器12和后数据处理器13。另一方面，自动演奏器302的功能分解为预数据处理器10和运动控制器11。通过在数据处理单元303上运行的计算机程序来实现记录控制器12、后数据处理器13、预数据处理器10和运动控制器11，数据处理单元303的系统配置将在下文中参考图3进行描述。

电子系统300还包括电磁控制的键致动器6的阵列、键传感器7的阵列、电磁控制的踏板致动器(未示出)和踏板传感器(未示出)。分别用附图标记8a和8b来标记柱塞(plunger)和螺线管。在黑键和白键1a/1b后部下方的键座102中形成狭缝，并且该狭缝沿横向延伸。电磁控制的键致动器6挂在键座102上，并在黑/白键1a/1b后部的下方横向排列。螺线管8b布置在狭缝中，并且数据处理单元303连接到螺线管8b。柱塞8a指向上方，并且，柱塞8a的顶端位于相关黑键和白键1a/1b后部的下表面附近。当数据处理单元303确定要移动的键1a/1b时，数据处理单元303将驱动脉冲信号u提供给与该键1a/1b相关的螺线管8b。然后，螺线管8b产生磁场，并且，磁力被施加到磁场中的柱塞8a上。柱塞8a从螺线管8b向上伸出，并推动键1a/1b的后部，以便引起键运动。

键传感器7属于发射越过黑键和白键1a/1b前部的轨迹的光束的类型。换句话说，利用非接触式光学传感器来实现键传感器7。键传感器7沿横向排列在键座102上，并用于将轨迹上的当前键位置转换为模拟键位置信号yxa。由于静止位置和终止位置之间的键轨迹落在光束的横截面内，因此有可能连续地在键位置信号yxa中表示静止位置和终止位置之间的当前键位置。当前键位置等于距静止位置的行程。在此实例中，终止位置与对应的静止位置隔开10毫米。因此，当前键位置具有从0变化到10毫米的值。

键位置信号yxa在记录模式下被提供给记录控制器12，而在重放模式下被提供给运动控制器11。当电子系统300充当记录器301时，记录控制器12分析由键位置信号yxa表示的键数据段，以便确定键运动，将表示演奏的乐曲数据段提供给后数据处理器13，并且，后数据处理器13按照MIDI协议中定义的格式将正规化后的乐曲数据段编码。在正规化过程中，后数据处理器13从乐曲数据段中消除由于原声钢琴100的个体性和键传感器7的个体性导致的噪声成分。

另一方面，当电子系统300充当自动演奏器302时，预数据处理器10分析乐曲数据代码，以便确定基准键速度、要移动的黑键1a和白键1b的基准轨迹，并且，运动控制器11将在键数据段的基础上计算的当前键位置和当前键速度与基准轨迹上的目标键位置和目标键速度相比较，以查看黑键1a和白键1b是否准确地在基准键轨迹上行进。如果黑键1a和白键1b偏离了基准轨迹，则运动控制器11改变驱动脉冲信号u的平均电流或占空比，以便强迫黑键1a和白键1b及时地赶上基准轨迹上的下一目标键位置。在基准轨迹上行进的黑/白键1a/1b将在乐曲数据代码中表示的琴槌速度赋予琴槌3。因而，在对电磁控制的键致动器6的伺服控制中使用键位置信号yxa。在此实例中，电磁控制的键致动器6、键传感器7和运动控制器11作为整体构成伺服控制环。

通过对表示一系列当前键位置的函数进行微分来确定当前键速度。在实际使用中，在每个键轨迹上确定两个基准点，并且作为以毫米/秒表示的平均速度给出当前键速度。

转向附图的图3，数据处理单元303包括被缩写为“CPU”的中央处理单元20、被缩写为“ROM”的只读存储器21、被缩写为“RAM”的随机存取存储器22、数据存储器23、被缩写为“I/O”的接口24、脉冲宽度调制器25和共享总线系统20B。中央处理单元20、只读存储器21、随机存取存储器22、数据存储器23、接口24和脉冲宽度调制器25连接到共享总线系统20B，使得中央处理单元20可通过共享总线系统20B与只读存储器21、随机存取存储器22、数据存储器23、接口24和脉冲宽度调制器25通信。

微处理器可以充当中央处理单元20。包括主例程和子例程的计算机程序以及参数表与用于被手指弹奏的键的速度转换表、用于被电磁驱动的键的速度转换表、换算表(reference table)和用于音调生成的定时表一起存储在只读存储器21中，并且随机存取存储器22充当工作存储器。随机存取存储器22给中央处理单元20提供临时数据存储，并且，通过从数据存储器23传输数据来在随机存取存储器22中准备重放表。用于音调生成的定时表表示琴槌速度和琴槌3撞击弦4的定时之间的关系。

在下文中，参考图4A和4B描述用于被电磁驱动的键的速度转换表和用于被手指弹奏的键的速度转换表。用于被电磁驱动的键的速度转换表和用于被手指弹奏的键的速度转换表分别由附图标记30和31表示。琴槌速度对应MIDI协议中定义的“速度”，并且，出于简便的目的，假设“速度”的目标值在从0到80之间变化。

在主自动演奏钢琴中收集键数据段和琴槌数据段，并按照下面所述进行分析。人类操作者按压主自动演奏钢琴的键。键传感器提供代表当前键位置的键数据段，并且琴槌传感器提供代表当前琴槌位置或被按压的键引起的琴槌运动的琴槌数据段。数据处理器在基准键点周围的键数据段的基础上计算基准键速度，并且还在撞击弦之前瞬间的琴槌数据段的基础上计算琴槌速度。计算结果指示基准键速度的测量值和琴槌速度的测量值，并且，使基准键速度的测量值与琴锤速度的测量值相关联。

对于每个黑键和白键，人类操作者以不同的力值重复上述实验。当完成该实验时，使一组琴槌速度测量值与一组基准键速度测量值相关联，并且，基准键速度的测量值和琴槌速度的测量值之间的关系被存储在用于被手指弹奏的键的速度转换表31中。

随后，人类操作者命令主自动演奏钢琴的电子系统以基准键速度的基准值驱动黑键和白键，并通过用于该黑键和白键的键传感器和琴槌传感器收集键数据段和琴槌数据段。数据处理器在基准键点周围的键数据段的基础上计算基准键速度，并且还在撞击弦之前瞬间的琴槌数据段的基础上计算琴槌速度。计算结果指示基准键速度的测量值和琴槌速度的测量值。这样，通过实验和计算，使基准键速度的测量值与琴锤速度的测量值相关联。操作者以不同的基准键速度的基准值重复该实验，并且，在用于被电磁驱动的键的速度转换表30中，使基准键速度的测量值与琴槌速度的测量值相关联。

曲线PL1和PL2分别代表存储在用于被电磁驱动的键的速度转换表30和用于被手指弹奏的键的速度转换表31中的琴槌速度和基准键速度之间的关系。比较曲线PL1和曲线PL2，可以理解，与由电磁控制的键致动器6引起的琴槌运动相比，人类演奏者用他/她的手指按压的黑/白键1a/1b引起了基准键速度更高的琴槌运动。例如，当以0.2m/s移动黑/白键1a/1b时，通过键运动，电磁控制的键致动器6引起MIDI代码为60的琴槌运动，而通过相同的键运动，人类演奏者引起MIDI代码为70的琴槌运动。

尽管在电子系统300中以非易失的方式将表存储在只读存储器21中，但是可以将表存储在非易失性数据存储器23中，以便通过主例程中的系统初始化将其传输给随机存取存储器22。当给数据处理单元303提供电力时，中央处理单元20重复执行主例程，以便与用户通信，并且主例程根据用户的指令有选择地转移(branch)到子例程中。

回到图3，数据存储器23具有巨大的数据保存能力，并且，代表乐曲的多组乐曲数据代码被存储在其中。在记录模式下，通过键盘1上的演奏来准备所述多组乐曲数据代码，并对其进行处理，以便在重放模式下重现该演奏。或者，通过便携式信息存储介质或通信网络将所述多组乐曲数据代码加载到数据存储器23中。在此实例中，由硬盘驱动单元来实现数据存储器23。数据存储器23可在没有任何电力的情况下保持所述表。

接口24包括模拟-数字转换器，并且键传感器7连接到该模拟-数字转换器。键位置信号yxa被提供给该模拟-数字转换器，并被转换为数字键位置信号。中央处理单元20周期性地取出由数字键位置信号表示的键数据段，并将该键数据段存储在随机存取存储器22中。软件计时器将取出键数据的定时给予中央处理单元20。中央处理单元20分析该键数据系列，以便确定每个黑键和白键1a/1b的当前键状态。

脉冲宽度调制器25响应从中央处理单元20提供的控制信号，以便将驱动脉冲信号u调整为平均电流的目标值或给定的占空比，并将驱动信号u提供给用于要驱动的黑/白键1a/1b的螺线管8b。

尽管在图3中没有示出其它系统组件例如开关、指示器和显示窗，但这些系统组件连接到接口24，并且，用户通过这些系统组件与中央处理单元20通信。然而，在电子系统300中没有合并任何琴槌传感器，使得根据本发明的自动演奏钢琴被分类到无琴槌传感器的自动演奏钢琴。

记录模式下的行为

当用户命令电子系统300记录他或她的演奏时，主例程转移到用于记录的子例程，并且，该子例程在中央处理单元20上运行，以便记录演奏。图5示出了用于记录的子例程的概要。

首先，中央处理单元20将索引(index)寄存器kn设置为“1”，如步骤S1。索引寄存器kn指示分配给黑键1a或白键1b的键编号，并且，存储在其中的值在1和88之间变化。键编号“1”被分配给最左边的白键1b。在记录模式下，中央处理单元20周期性地重复由步骤S1至S9组成的循环，以便查找由人类演奏者移动的黑键和白键1a/1b。

中央处理单元20将当前键位置的最新值与当前键位置的前一个值以及阈值K1和K2相比较，以查看白键1b是否前进到下一个区域Z2或Z3，如步骤S2。在此实例中，每个键轨迹被分为3个区域Z1、Z2和Z3，如图6所示。区域Z1是从静止位置到键行程“m”，并且阈值Z1代表区域Z1和下一区域Z2之间的边界。下一区域Z2是从键行程m到键行程n，并且阈值K2指示区域Z2和下一区域Z3之间的边界。当黑键和白键1a/1b越过阈值K2进入区域Z3时，中央处理单元20决定琴槌3通过脱离来开始自由旋转。区域Z3是从键行程n到终止位置即10毫米的键行程处。因而，该系列键数据段允许中央处理单元20将不同种类的键运动彼此区分开。

回到图5，如果从前一次执行到本次执行最左边的白键1b仍然停留在区域Z1、Z2或Z3，则答案给出为否定的“否”。对于否定答案“否”，中央处理单元20将索引寄存器kn增加1，如步骤S8，并比较索引寄存器kn的值和最大值88，以查看是否所有的黑键和白键1a/1b都已经被调查，如步骤S9。当中央处理单元20调查最左边的白键1b和最右边的白键1b之间的黑/白键1a/1b时，步骤S9的答案给出为否定的“否”，并且中央处理单元20返回步骤S2。

当中央处理单元20调查了88个键1b时，步骤S9处的答案改变为肯定，并且中央处理单元20返回步骤S1。中央处理单元20将索引寄存器kn重置为1，并再次调查最左边的白键1b。

这样，中央处理单元20重复由步骤S1、S2、S8和S9组成的循环，并查找越过阈值K1或K2进入下一区域Z2或Z3的黑键/白键1a/1b。

假设中央处理单元20发现了进入下一区域Z2或Z3的黑/白键1a/1b。步骤S2处的答案改变为肯定的“是”，并且中央处理单元20检查比较结果，以查看黑/白键1a/1b是从区域Z1前进到区域Z2还是从区域Z2前进到区域Z3，如步骤S3。当黑/白键1a/1b进入区域Z2时，中央处理单元20采用过程“A”，并检查用于确定时间的软件计时器，以便将该时间与键位置一起存储在随机存取存储器22中，如步骤S4。当完成步骤S4的任务时，中央处理单元20前进到步骤S8。这样，中央处理单元20返回所述循环。在下一次执行的步骤S21中，使用当前键位置和时间。

另一方面，如果黑/白键1a/1b进入下一区域Z3，则中央处理单元20确认黑/白键1a/1b已经引起琴槌3的自由旋转，并采用过程“B”。过程“B”将中央处理单元20引导到步骤S5，并且中央处理单元20确定基准键速度。将长度差即(n-m)除以阈值K1处的经过(transit)时间与阈值K2处的经过时间之间的差，并且，这个商代表基准键速度。

随后，中央处理单元20访问用于被手指弹奏的键的速度转换表31，并读出对应于基准键速度的测量值的琴槌速度的目标值，如步骤S6。当完成步骤S6处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S7，并访问用于音调生成的定时表，以便确定产生原声钢琴音调的定时。在用于音调生成的定时表中，使定时数据段与琴锤速度的值相关联。该定时数据指示从经过K2到音调生成的开始的时间间隔，并且单位是毫秒。

中央处理单元20使代表琴槌速度值Velo1、Velo2、Velo3、...Velo16的琴槌数据段与定时数据段T1、T2、T3、...和T16配对，如图7所示。琴槌速度值Velo1、Velo2、Velo3、...和Velo16对应于在MIDI协议中定义的速度数据段。所述多对琴槌速度Velo1至Velo16和定时数据段T1至T16与分配给所按压的键1a/1b的键编号以及其它数据一起存储在随机存取存储器22中。最多有可能同时产生16段成对的数据。

当完成存储之后，中央处理单元20返回由步骤S1、S2、S8和S9组成的循环。这样，中央处理单元20重复由步骤S1至S9组成的循环，以便获得乐曲数据段。

尽管未在图5中示出，但是用于记录的子例程还具有用于被释放的键的步骤和用于在键编号、琴槌数据段和定时数据段的基础上产生乐曲数据代码的步骤。

如上文所述，中央处理单元20重复执行图5示出的程序序列，并产生代表键盘1上的演奏的乐曲数据段。该乐曲数据段被正规化，并被编码为MIDI乐曲数据代码。当键盘1上的演奏以某个音调终止时，用户命令中央处理单元20将一组MIDI乐曲数据代码传输到数据存储器23。中央处理单元20将代表演奏结束的状态字节添加到代表由用户产生的音调的MIDI乐曲数据代码中，并通过MIDI线缆将这组MIDI乐曲数据代码传输到数据存储器23即外部乐器，或通过通信网络将其传输到外部数据存储器。

因而，中央处理单元20通过使用用于被手指弹奏的键的速度转换表31来估计琴槌速度，并产生代表演奏的MIDI乐曲数据代码。

递减计数子例程

通过图8示出的递减计数子例程来控制产生原声音调的定时。计时器中断以1毫秒的间隔发生，并且主例程或子例程在每个计时器中断进入递减计数子例程。

当主例程或子例程在中央处理单元20上运行时，假设发生了计时器中断。主例程或子例程转移到递减计数子例程。中央处理单元20首先访问随机存取存储器22，并读出图8中的T所代表的每个定时数据T1、T2、...。中央处理单元22将定时数据T的值减小1，如步骤S10。

随后，中央处理单元20检查定时数据T，以查看是否任一值达到0，如步骤S11。如果答案给出为否定的“否”，则中央处理单元20立即返回所述主例程或子例程。

另一方面，当中央处理单元20发现定时数据段T中的一个指示0时，步骤S11处的答案给出为肯定的“是”。然后，中央处理单元20将相关的琴槌数据段提供给适当的目的地，如步骤S12。如果用户希望通过另一电子乐器(未示出)产生电子音调，则中央处理单元20将存储了琴槌数据段的乐曲数据代码通过接口24输出到该电子乐器(未示出)。另一方面，如果电子系统300还包括电子音调生成器(未示出)和声音系统(未示出)，则中央处理单元20将乐曲数据代码提供给电子音调生成器(未示出)，并且该电子音调生成器(未示出)开始合成音频信号。所述目的地的另一候选者是数据存储器23。乐曲数据代码可与持续时间数据代码一起或在没有持续时间数据代码的情况下存储在数据存储器23中。

当完成步骤S12处的任务时，中央处理单元20返回所述主例程或子例程。因而，中央处理单元20利用定时数据段控制产生音调的定时。

重放表

在重放时，电磁控制的键致动器6通过键运动引起琴槌运动。尽管琴槌速度的目标值记在表示音符开事件的乐曲数据代码中，但电磁控制的键致动器6不能直接移动琴槌3，而是将力施加到黑键和白键1a/1b上，以便引起键运动。这个力随着驱动脉冲信号u的平均电流变化。这个力越大，键速度越大。

数据处理单元303将利用驱动脉冲信号、通过键运动来控制琴槌运动。数据处理单元303通过访问重放表来确定基准键速度的目标值，并利用驱动脉冲信号、通过伺服控制环来控制键运动。通过学习来准备重放表，并且图9示出了用于准备重放表的子例程。可以在用户家里的安装工作期间或对自动演奏钢琴的修复工作之后准备重放表。尽管对于88个黑键和白键1a/1b，中央处理单元20将步骤S22、S23、S24、S25、S26和S27重复88次，但是为简便起见，只对黑/白键1a/1b之一进行一次描述。

现在假设用户打开电源开关，如步骤S20，主例程开始在中央处理单元20上运行，并首先将电子系统300初始化。如果用户命令中央处理单元20准备重放表，则中央处理单元20确认用户的指令，如步骤S21，并确定驱动琴槌以自由旋转的临界平均电流值，如步骤S22和S23。当工人完成对自动演奏钢琴的修复工作或维护工作时，在步骤S21，用户将指令给予中央处理单元20。

详细地说，中央处理单元20命令伺服控制环将黑/白键1a/1b调整为基准键速度的最小目标值。脉冲宽度调制器25开始将驱动脉冲信号u提供给相关的电磁控制的键致动器6的螺线管8b，并且中央处理单元20检查键数据段，以查看黑/白键1a/1b是否准确地在基准轨迹上行进。伺服控制环保持、增大或减小驱动脉冲信号u的平均电流，以便使黑/白键1a/1b以最小目标值经过基准点。

如果柱塞8b在黑/白键1a/1b的后部施加大到足以使琴槌3脱离支撑杆2a的力，则琴槌3开始自由旋转，并且弦4被琴槌3撞击。弦4生成原声钢琴音调。另一方面，如果所述力太小，则琴槌3不能脱离支撑杆2a，并且不生成任何原声钢琴音调。中央处理单元20在键位置的基础上假定(presume)弦4被琴槌3撞击。如将结合图6描述的，如果键数据段显示黑/白键1a/1b超过了阈值K2，则将肯定答案“是”给予中央处理单元20。另一方面，如果黑/白键1a/1b没有超过阈值K2，则将否定答案“否”给予中央处理单元20。由于驱动脉冲信号u已被调整为最小平均电流值，因此所述力非常小，以至于琴槌3不能脱离支撑杆2a。这导致步骤S23处的否定答案“否”。对于技术人员来说，所述假定的方法已经是公知的。

对于步骤S23处的否定答案“否”，中央处理单元20返回步骤S22，并命令伺服控制环使黑/白键1a/1b以基准键速度的下一目标值经过基准点。该下一目标值大于最小目标值。脉冲宽度调制器25增大、减小或保持驱动信号的平均电流，从而伺服控制环使黑/白键1a/1b以基准键速度的下一目标值经过基准键点。这样，中央处理单元20重复由步骤S22和S23组成的循环，直到步骤S23处的答案改变为肯定为止。

假设琴槌3以基准键速度的某个目标值脱离支撑杆2a。步骤S23处的答案改变为肯定。对于肯定答案“是”，中央处理单元20前进到步骤S24，并确定所述某个目标值是基准键速度的临界值。在MIDI消息中定义的速度的最小值已经是公知的。然后，中央处理单元20将基准键速度的临界目标值与对应于琴槌速度最小值的速度最小值相关联。

当完成步骤S24处的任务时，中央处理单元20进入用于学习的子例程，如步骤S25。在图10中示出了该子例程的序列，并在下文中对其进行详细描述。

当进入用于学习的子例程时，中央处理单元20增大基准键速度的目标值，如步骤S30。在步骤S25处的第一次执行中，将基准键速度从对应于临界值的所述某个目标值增大到下一个值。所述增大没有必要对应最高分辨率(resolution)的值。可以将琴槌速度在最小值和临界值F(参见图11)之间逐步增大5次。当在重放中发现琴槌速度值处于这5个点中的一个和这5个点中的另一个之间时，中央处理单元20通过插值来确定平均电流。这样，因为减小了在学习时中央处理单元20上的负荷，所以插值是令人满意的。

伺服控制环控制黑/白键1a/1b以下一个值经过基准键点。脉冲宽度调制器25增大、减小或保持驱动脉冲信号u，并将驱动脉冲信号u提供给螺线管8b。柱塞8a向上推动黑/白键1a/1b的后部，并引起键运动。这个力被按顺序从黑/白键1a/1b通过动作单元2传递到琴槌3，并且，琴槌3在自由旋转的末尾撞击弦4。

在此情形下，键传感器7通过键位置信号yxa向中央处理器20报告键运动，并且中央处理器20确定基准键速度，如步骤S31。利用基准键速度的测量值，中央处理单元20访问用于被电磁驱动的键的速度转换表30，并从用于被电磁驱动的键的速度转换表30中读出对应的琴锤速度值，如步骤S32。该对应值被解释为琴槌速度的目标值。中央处理单元20将琴槌速度的目标值与基准键速度的测量值相关联，并将它们存储在随机存取存储器22中。步骤S32处的任务将在下文中更详细地进行描述。

随后，中央处理单元20比较琴槌速度的目标值和临界值F，以查看学习工作是否到达低-中速部分和高速部分之间的边界，如步骤S33。当步骤S33处的答案给出为否定的“否”时，中央处理单元20重复由步骤S30至S33组成的循环，并在随机存取存储器22中积聚与基准键速度的测量值相关的琴槌速度的目标值。

当中央处理单元20发现琴槌速度的目标值近似等于临界值F时，中央处理单元20完成“学习”，并确定低-中速部分，如步骤S34，并且将该低-中速部分中的关系存储在随机存取存储器22中。随后，中央处理单元20返回图9示出的子例程，并前进到步骤S26。

返回图9，中央处理单元20在步骤S26访问换算表，并从换算表中读出高速部分H。换算表在下文中更详细地进行描述。

制造商在交付给用户之前通过对主自动演奏钢琴的实验来准备换算表。制造商命令主自动演奏钢琴的数据处理单元通过伺服控制环来使黑/白键以基准键速度的基准值经过基准点。从脉冲宽度调制器将驱动信号提供给电磁控制的键致动器，并增大、减小或维持平均电流，以便使黑/白键以基准值经过基准键点。被驱动的黑/白键引起琴槌运动。琴槌传感器将琴槌位置信号提供给数据处理单元，并且，数据处理单元在琴槌数据段的基础上确定琴槌速度。数据处理单元将琴槌速度的测量值与基准键速度的基准值相关联。

即使电磁控制的键致动器6使键运动不稳定，也直接在琴槌数据段的基础上确定琴槌速度，使得换算表中的关系是可靠的。以基准键速度的不同基准值重复实验，并且，基准键速度的基准值和琴槌速度的测量值之间的关系被存储在换算表中。这样，通过实验准备了换算表，并将其复制到合适的存储器例如只读存储器21中。

中央处理单元20将高速部分H从只读存储器21转录(transcribe)到随机存取存储器22，并将高速部分H与低-中速部分ML合并，如步骤S27。这样，中央处理单元20完成用于88个键1a/1b之一的曲线PL11(参见图11)。

尽管低-中速部分是特制(tailor-made)的，但只将高速部分从换算表转录到重放表，并且换算表对于无琴槌传感器的自动演奏钢琴来说是现成的。低-中速部分ML最右边的值可能很少等于高速部分H最左边的值。这意味着低-中速部分ML必须通过适当的合并技术连接到高速部分H。

存在一些候选技术。第一候选技术是插值。在最右边的值“P”(参见图11)和高速部分H最左边的值之间插入多个值。第二候选技术是准备若干模式不同的换算表。中央处理单元20从它们中选择最佳换算表，并将低-中速部分ML连接到从该最佳表中读出的高速部分H。第三候选技术是修改换算表。可以通过高速部分H的平行移动或高速部分H绕最大值的旋转来进行这一修改。

如图11所示，中央处理单元20将上述序列重复88次，从而为88个键1a/1b完成重放表21a。为这88个黑/白键1a/1b的每一个都准备换算表，使得在步骤S26，中央处理单元20有选择地访问这88个换算表。

如将被理解的，通过学习来部分地准备重放表21a，并在通过学习确定的关系和从换算表对部分H的抄录之间进行合并。通过对主自动演奏钢琴的实验来准备换算表，并考虑不稳定键运动的影响。换句话说，期望伺服控制环按基准键速度和琴槌速度之间关系引起琴槌运动。因而，在重放模式下，根据本发明的重放表使得准确再现原来的琴槌运动。

步骤S32处的计算机程序

图12示出对应于步骤S32的子例程的一部分。当中央处理单元20进入用于学习的子例程时，中央处理单元将“1”写入索引寄存器kn，如步骤S40。在第一次执行时，中央处理单元20调查最左边的白键1b的低-中速部分ML。增大索引寄存器kn中的键编号，并且，该调查朝右侧连续地集中到其它黑键和白键1a/1b上。换句话说，由步骤41至48组成的循环被重复88次。然而，为简便起见，将描述集中在用于最左边的白键1b的一次循环。由于键编号存储在索引寄存器kn中，因此在以下描述中，键编号也用“kn”标记。

中央处理单元20从随机存取存储器22中读出最左边的键1b的键数据的两个最新值，并将当前键位置的最新值与当前键位置的前一个值以及阈值K1和K2相比较，以查看白键1b是否前进到下一区域Z2或Z3，如步骤S41。如果从前一次执行到本次执行，白键1b仍然停留在区域Z1、Z2或Z3中，则答案给出为否定的“否”。在否定答案“否”的情况下，中央处理单元20将键编号kn增大1，如步骤S47，并比较键编号kn和88，以查看键编号kn是否大于88，如步骤S48。当中央处理单元20调查到最左边的白键1b和最右边的白键1b时，步骤S48处的答案给出为否定的“否”，并且中央处理单元20返回步骤S41。

当中央处理单元20调查到第88个键1b时，步骤S48处的答案改变为肯定，并且中央处理单元20返回步骤S40，并将索引寄存器kn重置为1。

这样，中央处理单元20重复由步骤S40、S47和S48组成的循环，并查找越过阈值K1或K2进入下一区域Z2或Z3的黑键/白键1a/1b。

假设中央处理单元20发现白键1b进入了下一区域Z2或Z3。步骤S41处的答案改变为肯定的“是”，并且中央处理单元20检查比较结果，以查看白键1b是从区域Z1前进到区域Z2还是从区域Z2前进到区域Z3，如步骤S42。当白键1b进入区域Z2时，中央处理单元20采用过程“A”，并检查用于确定当前时间的软件计时器，以便将当前时间与键位置的最新值一起存储在随机存取存储器22中，如步骤S43。当完成步骤S43处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S47，并返回所述循环。在下一次执行的步骤S41和S44中，使用当前键位置的最新值。

另一方面，如果白键1b进入了下一区域Z3，则中央处理单元20确认黑/白键1a/1b已经引起了琴槌3的自由旋转，并采用过程“B”。过程“B”将中央处理单元20引导到步骤S44，并且中央处理单元20确定基准键速度。

详细地说，中央处理单元20确定当前键位置的最新值和当前时间，并分别从在前一次执行中的步骤S43存储的前一个值和前一个时间中减去当前键位置的最新值和当前时间。将当前键位置的值之间的差除以前一个时间和当前时间之间的差，并确定键速度的平均值。

随后，中央处理单元20访问用于被电磁驱动的键的速度转换表30，并读出对应于该键速度平均值的琴槌速度值，如步骤S45。这样，使得基准键速度的测量值与所读出的琴槌速度的目标值相关联。

当完成步骤S45处的任务时，中央处理单元20前进到步骤S46，并访问用于音调生成的定时表，以便确定生成音调的定时。随后，中央处理单元20返回所述循环。这样，中央处理单元20重复由步骤S40至S48组成的循环，以便参考用于被电磁驱动的键的速度转换表30使键速度与琴槌速度相关联。

如将被理解的，根据施加到黑键和白键1a/1b上的力的起源有选择地使用这两个速度转换表30和31。这产生了准确地针对重放定义的重放表、以及准确地表示键盘1上的演奏的一组乐曲数据代码。

用于重放的子例程

现在假设用户命令电子系统300重现他或她的演奏，则中央处理单元20将代表该演奏的一组乐曲数据代码从数据存储器23传输到随机存取存储器22，并从随机存取存储器23中按顺序读出该乐曲数据代码。该乐曲数据代码表示音符开事件、音符关事件、前一个音符开事件/前一个音符关事件和音符开事件/音符关事件之间的时间间隔以及其它消息。

当中央处理单元20接收到表示音符开事件的乐曲数据代码时，中央处理单元20确定要驱动的黑/白键1a/1b，黑/白键1a/1b开始向终止位置行进的定时、黑/白键1a/1b的基准键速度的目标值和基准轨迹。这一功能被表示为图2中的“预数据处理器”。如果黑/白键1a/1b准确地在基准轨迹上行进，则琴槌3以琴槌速度的目标值撞击弦4，使得以目标响度产生原声钢琴音调。在上文引用的日本专利申请公开第Hei 7-175472号中公开了用于确定基准键速度和基准轨迹的方法。日本专利申请公开第Hei.7-175472号在日本专利申请第Hei.5-344241号的基础上公布，其优先权已经在美国序列号第08/356871号中予以要求，并且美国序列号第08/673016号是所述美国专利申请的继续申请(continuation application)。该继续申请已被授予专利权，并且美国专利号5652399被分配给该继续申请。在以下描述中，假设黑/白键1a/1b在基准轨迹上进行匀速运动。

当中央处理单元20通过作为预数据处理器10的功能确定基准轨迹时，伺服控制环开始控制黑/白键1a/1b以基准键速度的目标值经过基准键点。

当驱动脉冲信号u流经螺线管8b时，螺线管8b产生磁场，并且，与平均电流值成比例的磁力被施加到柱塞8a上。柱塞8a从螺线管8b向上伸出，并推动黑/白键1a/1b的后部。黑/白键1a/1b的前部略微下降，并且键传感器7通过键位置信号yxa将当前键位置报告给数据处理器20。

中央处理单元20将基准键轨迹上键位置的目标值与当前键位置的测量值相比较，以查看黑/白键1a/1b是否准确地在基准轨迹上行进。如果答案给出为肯定，则中央处理单元20请求脉冲宽度调制器25将驱动脉冲信号u保持在该平均电流值。另一方面，如果答案给出为否定，则中央处理单元20确定将黑/白键1a/1b带到基准轨迹上的下一个键位置值处所需要的新平均电流值，并向脉冲宽度调制器25通知该新平均电流值。这样，中央处理单元20、脉冲宽度调制器25、电磁控制的键致动器6和键传感器7充当伺服控制环。

当黑/白键1a/1b在基准键轨迹上行进时，如上文所述，伺服控制环请求脉冲宽度调制器25增大、减小或保持驱动脉冲信号u的平均电流，使得黑/白键1a/1b在基准键轨迹的目标值处经过基准键点。

对于要被驱动的黑/白键1a/1b，中央处理单元20重复上述控制序列，使得在没有人类钢琴家的任何手指弹奏的情况下随着乐曲的推移按顺序产生原声钢琴音调。

图13示出了用于重放的子例程。当中央处理单元20重复主例程时，假设用户命令自动演奏器302重现已经以MIDI乐曲数据代码的形式记录的演奏。中央处理单元20确认用于重放的指令，如步骤S50。然后，主例程转移到用于重放的子例程，并且，中央处理单元20将这组MIDI乐曲代码从数据存储器23传输到随机存取存储器22。

中央处理单元20从随机存取存储器22中取出要首先处理的MIIDI乐曲数据代码，并指定要移动的黑/白键1a/1b、琴槌速度或响度以及产生音调的定时，如步骤S51。

随后，中央处理单元20访问对应于要移动的黑/白键1a/1b的重放表21a的数据块2101至2188，并读出对应于指示目标响度的琴槌速度的目标值的基准键速度的目标值，如步骤S52。中央处理单元20确定黑/白键1a/1b的基准轨迹。脉冲宽度调制器25开始将驱动脉冲信号u提供给与要移动的黑/白键1a/1b相关的电磁控制的键致动器6。

驱动脉冲信号u使柱塞8a伸出，以便引起键运动。当柱塞8a向上伸出时，键传感器7向中央处理单元20报告当前键位置，并且中央处理单元20将当前键位置与基准轨迹上的目标键位置相比较，以查看黑/白键1a/1b是否准确地在基准轨迹上行进。如果答案给出为肯定，则中央处理单元20命令脉冲宽度调制器25将驱动脉冲信号u的平均电流保持在当前值。另一方面，如果答案给出为否定，则中央处理单元20命令脉冲宽度调制器25增大或减小平均电流，并且脉冲宽度调制器25改变驱动脉冲信号u的平均电流。因而，伺服控制环强迫黑/白键1a/1b以基准键速度的目标值经过基准键点，如步骤S53。

随后，中央处理单元20检查随机存取存储器22，以查看其中是否仍然剩余代表所述事件的MIDI乐曲数据代码，如步骤S54。当中央处理单元20在随机存取存储器中发现MIDI乐曲数据代码时，答案给出为否定的“否”，并且中央处理单元20返回步骤S51。这样，中央处理单元20重复由步骤S51至S54组成的循环，以便处理MIDI乐曲数据代码。如果中央处理单元20没有发现任何MIDI乐曲数据代码，则步骤S54处的答案给出为肯定，并且中央处理单元20返回主例程。

如将从前面的描述认识到的，已经为记录和学习准备了两种速度转换表30和31，并在交付给用户之前将其存储在数据处理单元303中。当记录器301记录键盘1上的演奏时，数据处理单元303通过访问用于被手指弹奏的键的速度转换表31来确定音调响度或琴槌速度。由于用于被手指弹奏的键的速度转换表31表示通过对主自动演奏钢琴的实验确定的琴槌速度和基准键速度之间的关系，因此数据处理单元303可以参照用于被手指弹奏的键的速度转换表31准确地确定琴槌运动，使得演奏被记录为一组乐曲数据代码。

另一方面，尽管数据处理单元303正准备重放表21a，但电磁控制的键致动器8按顺序引起键运动，并且数据处理单元303通过访问用于被电磁驱动的键的速度转换表30来确定琴槌速度。由于用于被电磁控制的键的速度转换表30表示主自动演奏钢琴中琴槌速度和由电磁控制的键致动器驱动的键的基准键速度之间的关系，因此不稳定的键运动被考虑在内，使得数据处理单元303在键速度的基础上准确地估计琴槌速度。因而，根据本发明的自动演奏钢琴通过有选择地访问两个速度转换表30和31来准确地记录和重现演奏。

尽管示出和描述了本发明的特定实施例，但是对本领域技术人员来说将清楚的是：在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。

例如，图4A和4B示出的键速度和琴槌速度之间的关系不对本发明的技术范围设置任何限制。可以为不同种类的键运动准备一组用于被手指弹奏的键的速度转换表和/或一组用于被电磁驱动的键的速度转换表。黑键和白键1a/1b的每一个都可带有用于被手指弹奏的键的速度转换表和用于被电磁控制的键的速度转换表。

在上述实施例中，音调的响度被表示为琴槌速度。然而，可以将响度表示为另一组成部件例如支撑杆2a的运动。因而，琴槌和琴槌速度不对本发明的技术范围设置任何限制。

可以用诸如磁传感器或电位计的其它种类的传感器来代替非接触式光学传感器。其它种类的传感器可以将黑/白键1a/1b的速度或加速度转换为键速度信号或键加速度信号。通过微分和积分，位置、速度和加速度被互相转换。记录器301的功能12/13和自动演奏器的功能10/11可以利用有线逻辑电路来实现。

柔性(flexible)盘驱动单元、软盘(商标)驱动单元、致密盘驱动单元、光-电-磁盘驱动单元、ZIP盘驱动单元和DVD(数字多用途盘)驱动单元可用作数据存储器23。在所述表存储在只读存储器21内的情况下，RAM板可用作数据存储器23。

根据本发明的另一自动演奏器可具有表示琴槌速度和键速度之间关系的一等式或一组等式。

只读存储器21可利用电可擦除可编程只读存储器来实现。在此实例中，只读存储器21可部分充当工作存储器。

可以只利用一个换算表或一些换算表来代替所述换算表。可以将这些换算表分配给不同音高的部分。在所有黑键和白键1a/1b之间只共享一个换算表的情况下，对于所有黑键和白键1a/1b，只访问一个高速部分。在此示例中，只有少量的存储器空间被重放表占据，使得制造商可以减少随机存取存储器22的数据保存能力。

在上述实施例中，假设键进行匀速运动。可以假设黑/白键1a/1b进行均匀加速运动。即使假设黑/白键进行均匀加速运动，也可为要移动的键假定基准轨迹，并且，电磁控制的键致动器参照重放表引起键运动。

可以将加速度和/或位移考虑到伺服控制中。在此实例中，对所选择的位置、速度和加速度中的一个或一些进行伺服控制。

MIDI协议不对本发明的技术范围设置任何限制。即使在另一组音乐协议的基础上设计了自动演奏乐器，只要是在不直接监控的组成部件的特定行为的基础上控制音调的响度，本发明就可以应用于该自动演奏乐器。

自动演奏钢琴不对本发明的技术范围设置任何限制。本发明可适用于在诸如弱音器钢琴(mute piano)、用于练习用途的键盘、大键琴或钢片琴(celesta)的其它原声或混合乐器的基础上制造的任何种类的自动演奏乐器。弱音器钢琴是混合键盘乐器，并且，琴槌制动器和电子音调生成器安装在原声钢琴中。当钢琴家在没有任何原声钢琴音调的情况下在弱音器钢琴上演奏乐曲时，电子系统在键数据段的基础上确定基准键速度的测量值，访问用于被手指弹奏的键的速度转换表31，以便确定琴槌速度的目标值或目标响度，并将乐曲数据代码提供给电子音调生成器。电子音调生成器在乐曲数据代码的基础上产生音频信号，并且，通过耳机将该音频信号转换为电子音调。

在将本发明应用于弱音器钢琴的情况下，中央处理单元也可周期性地执行递减计数子例程，并在相关定时数据段达到0时，将其中存储了琴槌数据段Velo的MIDI乐曲数据代码传输给电子音调生成器。

可以通过通信网络从外部程序源下载所述计算机程序，或者从诸如软盘或致密盘的便携式信息存储介质中读出该计算机程序。

脉冲宽度调制器25不对本发明的技术范围设置任何限制。可以使用调压器来将驱动信号的电势电平调整为目标值。

学习的使用不对本发明的技术范围设置任何限制。可以在电磁控制的键致动器8引起键运动的任何情形下访问用于被电磁驱动的键的速度转换表30。例如，当中央处理单元20为重放而工作时，数据处理单元20可以访问用于被电磁控制的键的速度转换表30而不是重放表。

类似地，可以为通过另一电子乐器进行的演奏而访问用于被手指弹奏的键的速度转换表31。通过MIDI线缆或公共通信网络以实时的方式将乐曲数据代码传输给电子乐器，并且，该电子乐器在乐曲数据代码的基础上产生电子音调。因而，在记录模式下的使用不对本发明的技术范围设置任何限制。

主自动演奏钢琴不对本发明的技术范围设置任何限制。可以将琴槌传感器临时安装在自动演奏钢琴中，以便进行实验。

琴槌速度不对本发明的技术范围设置任何限制。因为音调的响度与施加在弦4上的力也成比例，所以另一主自动演奏钢琴可配有压力传感器来代替琴槌传感器。或者，可以通过合适的传感器直接测量声压。因而，可以将琴槌运动表示为施加在弦4上的压力或声压。

键运动也可以被表示为另一种物理量。出于此原因，速度转换表不对本发明的技术范围设置任何限制。

自动演奏钢琴的组成部件与权利要求语言相关如下。黑键1a和白键1b充当“多个操纵器”，而动作单元2和琴槌3作为整体构成“多个连杆装置”。弦4充当“音调生成器”。键传感器7对应于“多个传感器”，而电磁控制的键致动器6充当“多个致动器”。键位置信号表示“所述多个操纵器的运动”。用于被手指弹奏的键的速度转换表31和用于被电磁驱动的键的速度转换表30分别对应于“转换器”和“另一转换器”。

Claims (20)

1.一种用于产生音调的自动演奏乐器，包括：

多个操纵器(1a、1b)，被有选择地移动，以指定要产生的音调的音高；

多个连杆装置(2、3)，分别连接到所述多个操纵器(1a、1b)，并分别具有通过所述多个操纵器(1a、1b)的运动引起其运动的特定链接件(3)；

音调生成器(4)，由所述多个操纵器(1a、1b)通过所述多个连杆装置(2、3)激励，以便产生具有通过所述多个操纵器(1a、1b)指定的所述音高的所述音调；以及

电子系统(300)，包括

多个传感器(7)，监控所述多个操纵器(1a、1b)，以便产生代表所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动的信号(yxa)，

多个致动器(6)，被驱动信号(u)激励，以便引起所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动，以及

数据处理单元(303)，连接到所述多个传感器(7)和所述多个致动器(6)，用于记录和重现演奏，

其特征在于

所述数据处理单元(303)具有

转换器(31)，表示在由人类演奏者移动所述多个操纵器(1a、1b)的条件下确定的所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动和所述特定链接件(3)的所述运动之间的关系，以及

另一转换器(30)，表示在利用所述多个致动器(6)移动所述多个操纵器(1a、1b)的条件下确定的所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动和所述特定链接件(3)的所述运动之间的另一关系，

并且其特征还在于

所述数据处理单元(303)在由所述代表所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动的信号(yxa)表示的数据段和乐曲数据段的基础上，根据施加在所述多个操纵器(1a、1b)上的力的起源而有选择地借助所述转换器(31)和所述另一转换器(30)，来估计所述特定链接件(3)的所述运动和所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动。

2.如权利要求1所述的自动演奏乐器，其中，所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动和所述特定链接件(3)的所述运动被表示为各个基准轨迹上的各个基准点处的所述多个操纵器(1a、1b)的基准速度和所述多个特定链接件(3)的速度。

3.如权利要求2所述的自动演奏乐器，其中，在利用监控所述多个操纵器(1a、1b)和所述多个特定链接件(3)的传感器测量的数据段的基础上，确定所述多个操纵器(1a、1b)的所述速度和所述多个链接件(3)的所述速度。

4.如权利要求3所述的自动演奏乐器，其中，所述传感器安装在对应于所述自动演奏乐器的主自动演奏乐器中，使得所述多个操纵器(1a、1b)和所述特定链接件(3)也与所述传感器一起合并在所述主自动演奏乐器中。

5.如权利要求1所述的自动演奏乐器，其中，所述转换器(31)和所述另一转换器(30)以表的形式安装在所述数据处理单元(303)中，使得在表(31、30)中，表示所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动的值与表示所述多个特定链接件(3)的所述运动的值相关联。

6.如权利要求5所述的自动演奏乐器，其中，在利用监控安装在主自动演奏乐器中的所述多个操纵器(1a、1b)和所述多个特定链接件(3)的传感器测量的数据段的基础上，确定表示所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动的所述值和表示所述多个特定链接件(3)的所述运动的所述值。

7.如权利要求6所述的自动演奏乐器，其中，确定表示所述多个操纵器(1a、1b)的位置系列和所述多个特定链接件(3)的位置系列、以及所述多个操纵器(1a、1b)的速度和所述多个特定链接件(3)的速度的所述数据段，以便表示所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动和所述多个特定链接件(3)的所述运动。

8.如权利要求1所述的自动演奏乐器，其中，在所述电子系统(300)记录由人类演奏者在所述多个操纵器(1a、1b)上进行的演奏时，激活所述转换器(31)，以确定所述多个特定链接件的所述运动。

9.如权利要求8所述的自动演奏乐器，其中，所述多个特定链接件(3)的所述运动表示所述音调的响度。

10.如权利要求9所述的自动演奏乐器，其中，所述响度被表示为所选择的一些乐曲数据代码形式的、由所述电子系统(300)产生的所述乐曲数据段。

11.如权利要求10所述的自动演奏乐器，其中，以乐器数字接口协议定义所述乐曲数据代码的格式。

12.如权利要求2所述的自动演奏乐器，其中，当所述电子系统为利用所述多个致动器(6)重现演奏而准备表示所述基准速度和所述多个特定链接件(3)的所述运动的重放表时，激活所述另一转换器(30)，以确定所述多个特定链接件的所述运动。

13.如权利要求12所述的自动演奏乐器，其中，所述多个特定链接件(3)的所述运动表示所述音调的响度。

14.如权利要求13所述的自动演奏乐器，其中，所述响度被表示为以乐曲数据代码的形式给予所述电子系统(300)的乐曲数据段。

15.如权利要求14所述的自动演奏乐器，其中，以乐器数字接口协议定义所述乐曲数据代码的格式。

16.如权利要求1所述的自动演奏乐器，其中，所述多个操纵器(1a、1b)和所述多个特定链接件(3)是合并在原声钢琴(100)中的键和琴槌。

17.如权利要求16所述的自动演奏乐器，其中，所述琴槌(3)的运动和所述键(1a、1b)的运动被表示为速度，并且所述琴槌(3)的速度表示所述音调的响度。

18.一种用于乐器(100)的电子系统(300)，所述乐器(100)具有多个操纵器(1a、1b)、分别连接到所述多个操纵器(1a、1b)的多个连杆装置(2、3)以及由所述多个操纵器(1a、1b)通过所述多个连杆装置(2、3)激励以产生音调的音调生成器(4)，所述多个连杆装置(2、3)分别具有通过所述多个操纵器(1a、1b)的运动引起其运动的特定链接件(3)，所述电子系统(300)包括：

多个传感器(7)，监控所述多个操纵器(1a、1b)，以便产生代表所述多个操纵器(1a、1b)的运动的信号(yxa)；

多个致动器(6)，由驱动信号(u)激励，以便引起所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动；以及

数据处理单元(303)，连接到所述多个传感器(7)和所述多个致动器(6)，用于记录和重现演奏，

其特征在于

所述数据处理单元(303)具有

转换器(31)，表示在由人类演奏者移动所述多个操纵器(1a、1b)的条件下确定的所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动和所述特定链接件(3)的所述运动之间的关系，以及

另一转换器(30)，表示在利用所述多个致动器移动所述多个操纵器的条件下确定的所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动和所述特定链接件的所述运动之间的另一关系，

并且其特征还在于

所述数据处理单元(303)在由所述代表所述多个操纵器(1a、1b)的所述运动的信号(yxa)表示的数据段的基础上，根据施加在所述多个操纵器(1a、1b)上的力的起源而有选择地借助所述转换器(31)和所述另一转换器(30)来估计所述特定链接件的所述运动。

19.如权利要求18所述的电子系统，其中，所述转换器(31)和所述另一转换器(30)以表的形式安装在所述数据处理单元(303)中。

20.如权利要求19所述的电子系统，其中，当所述电子系统(300)记录由所述人类演奏者(1a、1b)在所述多个操纵器上进行的演奏时，访问充当所述转换器的表(31)，以便确定表示所述运动的所述多个特定链接件(3)的速度，并且，当所述电子系统(300)为利用所述多个致动器(6)重现演奏而准备表示基准键速度和所述多个特定链接件(3)的所述速度之间关系的重放表(21a)时，访问充当所述另一转换器的表(30)，以便确定表示所述运动的所述多个特定链接件(3)的速度。

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