CN104170004A - 重现弦乐器的声音的系统 - Google Patents

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Abstract

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

Description

重现弦乐器的声音的系统
技术领域
本工业发明的专利申请涉及一种系统，用于重现弦乐器特别是钢琴的声音，其通过对振动分量或泛音的建模和数字合成来实现，振动分量或泛音是由于乐器的弦和其他弦一起被强迫的弦的激励产生，正如钢琴弦的情况。
背景技术
在对乐器的声音进行数字合成中使用的最普遍的方法是在合成器的存储器中存储从真实乐器采样来的声音的样本。这些样本在存储之前能够被预先处理，并且能够连续地实时重现，在合成期间，添加使它们符合演奏者要求的目标的后处理。所述处理在不同程度上通过专用的计算资源对记录的声音进行修改，因此允许在存储之前进行按比例处理。随着计算资源的增加，样本能够以波表的格式进行简化或者根据整波技术进一步将样本简化为存储器中的少量数据。
替换样本的使用的方法通过物理模型准备将乐器的声音进行完全地合成。通过模拟乐器的特定组件的力度，当一个通常被识别为“激励器”的组件对被识别为“谐振器”的剩余部分进行施压时，这些模型模仿在现实中发生的情况。在钢琴的情况下，基于数字波导的锤弦模型的使用是已知的，其能够重现从音锤在弦上的冲击速度的信息开始在琴桥处的弦的动作，然后，通过在弦模型下不具备反馈效应音板的一个模型的离散时间实现对相应的动作信号进行处理(参见2003年Bank等人的欧洲信号处理协会EURASIP的应用信号处理期刊，第2003卷，941-952页(Bank et al.,EURASIP journal onApplied Signal Processing,vol.2003,pp.941-952,2003))。
在上述两种方法之间的是使用物理模型一类的方法，其中，通过在模型中注入一个信号来实现激励，该信号是演奏者施加的力量的间接函数。参考钢琴，已知的模型是通过音锤-音板-乐器主体组件激励的数字波导模型(如Smith的美国专利第5,777,255号的转换合成)以及通过弦-音板组件的有限元件所告知的阻尼正弦分量的附加合成模型，通过对钢琴直接进行测量得到的信号进行激励，即从和前面段落(参见Guillaume，美国专利第7,915,515B2号)描述的模型相类似的物理模型所进行的模拟仿真得到的信号。
前面提到的现有技术，关于钢琴模拟仿真的描述，并没有提供通过数字设备实现的方法，其中弦(谐振器)的可调节模型根据演奏者按压琴键的力量，通过音锤模型(激励器)进行施压，从而产生声音，然后该声音考虑到在之前产生的声音上的音板-乐器主体的动作被送到后处理步骤基础。这种方法的理论基础通过文献(参考Balázs Bank,Stefano Zambon和Federico Fontana的IEEE Transactions onAudio,Speech and Language Processing，2010年5月第4号，第18卷，第809-821页)可知：特别地，相同的理论能够保证标准88键钢琴的弦产生的所有部分的表现，以及源自弦的纵向动作的振动分量。
EP 2 261 891公开了用于合成音色信号的方法以及用于产生音色信号的系统，特别是电子钢琴。
发明内容
本发明的主要目的是消除现有技术的缺点，并实现基于音锤、弦和音板-乐器主体模型相互连接的系统，通过在不同演奏条件下乐器的所有振动的泛音和瞬间纵向分量的表现来合成数字的钢琴声音。
另外的目的是在声音真实方面尽可能准确地以及在计算成本方面尽可能有效率地提供音锤、弦和音板-乐器主体模型的实现。
再一个目的是提供音锤和弦模型的实现，当音锤和弦被调整时，允许模仿乐器类似于在真实的乐器中发生的那样的精细调音。
本发明基于大量文献中熟知的特定的假设，在这些大量文献中对依赖于乐器的机械特性以及在不同演奏条件下的操作的钢琴声音的可测量特征进行量化。基于这些假设，使用能够用于设置操作参数的相同文献提出的量化结果，本发明提供用于建模：
a.音锤力的力度，其根据弹奏各个琴键时产生的速率而变化；
b.可闻的振动分量，其依赖于上述力是如何在被击打的弦上以及在其余的弦上通过沿着弦的动作传递而进行传播；
c.振动分量的可变衰减，其为了重现所谓的乐器的泛音分量的双衰减的现象；
d.演奏者对音符的衰减时间的控制，通过释放相应的琴键和逐渐地使用右踏板(在此定义为“共振踏板”)进行；
e.在此定义为“初级的”分量的合成，由通过音锤直接激励的弦的泛音振动分量(在此定义为“线性的”)以及由通过音锤直接激励的弦的张力调制的振动分量(在此定义为“二次式的”)进行；
f.由通过音锤直接激励的沿着弦传播的纵向波而进行在此定义为“纵向的”振动分量的合成；
g.在此定义为“中级的”的振动分量的合成，其通过音锤直接激励，与初级振动分量、在通过音锤激励的弦的泛音分量包络中的最初拍动以及基于沿着弦传播的机械能被其他弦激励的另外的共振相干涉；
h.由于所谓的双重尺度，在此定义为“双重”的振动分量合成，额外丰富了乐器的共振；
i.全局处理效果，由音板-乐器主体组件通过弦对应于弦和音板之间在琴桥上的多个相互作用点产生的泛音振动分量得到；
j.作为两个不同信号的结果，来自音板-乐器主体组件的声音通过标准音频设备，例如扬声器或立体声耳机，是可重现的。
本发明的系统具有两个主要的优点：
i)通过使用相应的数字共振滤波器，能够独立地实现每个泛音分量，因此避免了属于以预定的一系列泛音的方式的任何的约束，该预定的一系列泛音作为基于以任何方式激励的数字波导的方法所需求的。换句话说，就如本发明提出的方法那样，基于数字共振滤波器的弦的可调节模型的应用克服了对每个弦相关联的一系列的泛音的定义上的缺少灵活性的缺陷，该缺陷是基于数字波导的方法所特有的。反之亦然，这样的灵活性转化为在不承受技术固有的任意约束的情况下对数字乐器进行调整的可能性。
ii)相同的滤波器可以同时参考属于直接被激励的弦的泛音和属于从其他弦传递过来的能量所激励的弦的泛音，因此也胜过了基于由乐器全局产生的阻尼正弦分量的直接激励的模型。鉴于上面所述的内容，基于数字共振滤波器的模型能够重现弦之间的能量传递力度。这样的一个模型优于基于附加合成的方法，该方法中弦之间的能量传递没有被动态地重现，且必须在模型里预先描述。这就导致对于每个被音锤直接激励的泛音需要预先定义与通过从直接激励的泛音传递过来的能量激励的泛音一样多的阻尼正弦分量，其结果是为了实现通过使用共振滤波器来重现弦的能量力度所要求的准确度，带来附加合成存储空间尺度的巨大增长。
附图说明
参考所附的附图来继续更好地理解对本发明的系统的描述，其中：
图1为根据本发明的用于合成弦乐器特别是钢琴的系统的整体框图；
图2为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现激励钢琴琴键的弦的音锤，产生了一般(第K个)音符；
图3为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现产生钢琴第K个音符的弦的初级振动分量的合成以及相同音符的弦的纵向振动分量的合成；
图4为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现通过弹奏钢琴的第K个音符产生的中级振动分量和合成；
图5为详细描述图1的模型的框图，其所示为实现通过弹奏钢琴的第K个音符产生的双重振动分量的合成；
图6为详细描述图3的模型的框图，其所示为对钢琴的第K个音符的弦的初级振动分量进行合成；
图7为详细描述图3的模型的框图，其所示为对钢琴的第K个音符的弦的纵向振动分量进行合成；
图8为详细描述图1的模型的框图，其所示为通过音板-钢琴主体实现整体来自弦的振动分量的处理；
图9为阐述本发明的系统中使用的每个谐振器的实现的框图；
图10为直角坐标曲线图，其描述了单独泛音分量的音量包络随时间的演变，其依赖于表现为双衰减的谐振器、琴键释放以及钢琴的共振踏板可能的动作的衰减时间参数值。
具体实施方式
参考图1，其公开了本发明的系统，通常用标号(1)表示。
系统(1)包括N个音符模型，这与乐器的琴键的数量相同。如果弦乐器是钢琴，例如，那么音符模型的数量N为88，就如同设有88个击打弦的音锤的标准88键钢琴。
每个音符模型包括音锤模块(100)、初级谐振器和纵向动作模块(200)、中级谐振器模块(300)以及双重谐振器模块(400)。
在键盘上被演奏的每个琴键的音锤的冲击速度的信息被立即送往对应的音锤模块(100)。在标准数字钢琴的键盘中，这样的信息通常通过测量在两个预订的点之间的琴槌的飞跃时间而被检测到，它们中的一个被立即设置于相应的弦的冲击点附近。
参考图2，产生第K个音符的音锤的冲击速度的信息能够从音锤模型(100)中立即产生一个力信号。这个力信号被通过下述方式进行初始渲染：
a)持续的信号发生器(110)，其产生力信号(ff)，该力信号重现力随着时间的演变，该力为通过当弹奏ff(“最强”)力度时在琴键的弦上的音锤所激励产生；
b)脉冲信号发生器(180)，其产生在此被定义为“谐振脉冲”的信号(lmp)，该信号重现在弹奏ff力度时音锤传递到所有弦的力随时间的演变。
如在现有技术已知的那样，力信号(ff)能够通过对真实的乐器进行的测量来确定，或者通过对基于物理的声音模型的模拟来确定，该基于物理的声音模型能够模拟在不同弹奏条件下的钢琴的音锤-弦系统，包括ff力度(参考Balázs Bank，Stefano Zambon和FedericoFontana的IEEE Transactions on Audio,Speech and Language Processing，2010年5月第4号，第18卷，第809-821页)。
而通过使用能够将和声部分从音符演奏瞬间解相关，谐振脉冲(lmp)能够以一种已知的方式作为从相同的测量或模拟的剩余信号而获得。
通过单独的增益模块(120,130)，力信号(ff)被分成具有互补振幅的两部分。第一增益模块(120)具有包括在1和0之间的增益(g)，而第二增益模块(130)具有增益(1-g)。两个增益(120,130)的目的是在改变与琴键链接的音锤的冲击速度的时候权衡具有不同的截止频率的两个低通滤波器(140,160)的作用。第一低通滤波器(140)具有6dB的斜率并且被安装在第二增益模块(130)的下游。第二低通滤波器(160)具有18dB的斜率并且被安装在加法器(150)的下游，该加法器计算从第一增益模块(120)的输出到第一低通滤波器(140)的输出的和。
增益模块(120,130)能够根据标准数字信号处理技术进行设计，该标准信号处理技术为：通过与速度成比例地在0到1的范围内控制增益g，并通过在第二滤波器(160)下游的加法器(150)对各个权衡的分支的输出进行相加，在用于无效速度和增益的坡度6+18＝24dB下获得等效的低通效果，因为在力信号(110)中的一系列滤波器(140)和(160)的作用。
反之，对于接近1的g值，将会获得具有18dB斜率的低通滤波效果，这是由于只有第二滤波器(160)的作用，而第一滤波器(140)不再被足够宽的输入所馈入。
实际上，这样的系统逐渐地增加两个滤波器(140,160)的截止频率，当增加增益g时：以这样的方式，由于第一滤波器(140)，低通效果与输入到滤波器的信号的振幅一起渐渐地衰减，而同样地，由于第二滤波器(160)，低通效果根据上下文直接输入第二滤波器(160)的力信号(ff)的振幅的成比例的增长而衰减。
这种对于增益g以及同时对于滤波器(140)和(160)的截止频率的控制的全局效果是根据通过弹奏者激励的在不同的音锤速度下的力信号(ff)的波谱的斜率进行优化。信号的全局调节通过安装在第二滤波器(160)下游的第三增益模块(170)进行操作。通过第三增益模块(170)产生一个力信号Fh。第三增益模块(170)是音锤的冲击速度的一个函数。这也优化了从音锤模块(100)输出的力信号Fh的振幅。
与力信号(ff)并行，谐振脉冲(lmp)受制于与第一低通滤波器(140)同源的第三低通滤波器(185)的作用，并且相继地受制于与第三增益模块(170)同源的第四增益模块(190)的动作。第四增益模块(190)产生谐振脉冲信号(Fh,res)，作为音锤的冲击速度的函数。
第三滤波器(185)和第四增益模块(190)均通过音锤的冲击速度控制，就如同它们各自的等价物(140)和(170)。第三滤波器(185)和第四增益模块(190)的存在允许同时分别减少谐振和控制谐振脉冲(180)的振幅。这样，就获得了作为音锤的冲击速度的函数的谐振脉冲信号(Fh,res)的演变。
参考图1和图3，从音锤模块(100)输出的力信号(Fh)被送到初级和纵向谐振器模块(200)中，实现初级和纵向第K个音符的振动分量的合成。
如图3所示，模块(200)包括初级谐振器模块(210)和纵向谐振器模块(270)。力信号(Fh)进入到初级谐振器模块(210)中，产生包括相对于线性分量信息的信号(Fprim)以及包含相对于二次分量信息的信号(Fquad)。
二次分量的信号(Fquad)通过第一增益模块(250)调节。然后，两个信号通过加法器(255)相加，并且获得的信号通过第二增益模块(260)再次被调节，在输出端该第二增益模块获得初级分量信号(Fprim+quad)。
置于本系统的四分之一样本频率之上的波谱分量通过低通滤波器(230)从力信号(Fh)中移除。正如从数字信号处理理论中知道的那样，超过低通滤波器(230)的信号能够通过乘法器(235)被平方，而不会招致已知的频率混叠现象。被平方的信号通过高通滤波器(240)被过滤，使得截止频率被设置低于第K个音符的基础纵向频率，从而以这种方式获得激励信号(Fexc)。此外，通过滤波器(240)从乘法器(235)输出的信号的连续分量已经被移除，激励信号(Fexc)符合馈入合成纵向振动分量的纵向谐振器(270)的条件。纵向谐振器(270)产生纵向分量信号(Flong)，该纵向分量信号包括第K个音符的纵向振动分量。
参考图9，作为从数字滤波器分别输入和输出的两个信号x(n)和y(n)，该数字滤波器在系统的给定的样本频率Fs下进行操作，在本发明的系统中使用的每个谐振滤波器服从由离散时间信号处理理论所知的信号输入/输出关系：y(n)＝b0x(n)–a1y(n–1)–a2y(n–2)，其中b0、a1和a2为系数，其完全描述了根据如下关系的从第K个谐振滤波器输出的信号的增益参数Ak、谐振频率fk和衰减时间Tk：
b0＝Ak exp(-1/(FsTk))sin(2TTfk/Fs)
a1＝-2exp(-1/(FsTk))cos(2TTfk/Fs)
a2＝exp(-2/(FsTk))
所述输入/输出关系通过图9中描述的滤波器实现，其中使用符号z-1标识的模块代表存储单元，该存储单元能够将信号样本接收并保留与1/Fs相等的时间，使其在各个输出能够用于处理，该处理发生在本系统的下面的对应的采样间隔。
本发明的系统使用例如上面所描述的谐振滤波器，以动态地改变被模拟的乐器的每个泛音振动分量的衰减并进一步地通过音锤对相应弦的激励来控制衰减时间参数Tk。对于每个泛音振动分量，衰减动力通过对各个谐振滤波器交替选择Tk’、Tk”和Tk”’三个值来进行控制，其在设计阶段基于真实的钢琴中的泛音分量的衰减测量的数据就得以预定义。
参考图10中描述的一般泛音分量(在此定义为“第K个”)的时间/振幅包络图，可以注意到，在第K个谐振器操作的一个给定的时刻，通过将衰减时间的值Tk’适当地变化到Tk”，能够有效地模拟属于相应的音锤激励的弦的泛音的双衰减。而且，当改变值Tk”’时，能够准确地模拟从琴键被释放的时刻直到振动完全停止相同的泛音的减幅。
此外，图10描述了当相应弦上的琴键没有被按下时，钢琴的共振踏板的不同级别对第K个泛音分量的振幅包络的影响。在踏板上没有压力时，如上所述，衰减跟随与值Tk”’相等的衰减时间。当增加踏板的压力时，没有被按下的琴键的衰减时间向值Tk”移动。因为共振踏板同时作用在乐器的所有弦上，在共振踏板上的最大压力限制下，泛音分量的衰减等于弹奏者保持乐器的所有琴键被压下发生的衰减。这样，通过权衡共振踏板，演奏者能够在任意时间为对应于没有被按压的琴键的弦选择每个按比例关联的泛音分量的衰减时间值，该泛音包括在对应的最小和最大衰减值(分别地，图10中描述的第K个泛音Tk”’和Tk”)之间。
图4详细地描述中级谐振器模块(300)，其包括中级谐振滤波器组(360)，用于将弹奏第K个音符时产生的中级振动分量进行合成。组中的每个中级谐振滤波器(360)以相应的谐振的参数被适当地进行设置，接收力信号Fh，该力信号还被送至初级(210)和纵向(270)谐振器。
力信号(Fh)通过相应的增益(340)被调节，其值通过引用的文献(BANK,ZAMBON&FONTANA)中的理论确定。
开关(380)被连接到每个中级谐振滤波器(360)，在位置(A)和位置(B)之间转换，其中位置(A)连接增益(340)，位置(B)连接增益(350)，在增益(350)处，激活音符信号(Fc)被馈入。
参考图1，输入到中级谐振器模型的激活音符信号(Fc)来自不同信号的和，如后面详细描述的。
返回图4，当各个音锤模块(100)被激活，开关(380)被设置到位置(A)并保持在这个位置，直到音锤完成其动作，从而通过滤波器(360)的动作来控制第K个音符的弦的泛音分量的包络的拍动。实际上，滤波器(360)分别被调整，从而产生与相同泛音分量关联的初级振动分量的具有非常低频的拍动，其在包络变化中被转化。
当力信号(Fh)变为持续的无效时，开关(380)改变状态(移向位置(B))，允许包含初级振动分量以及那个时刻激活的琴键的谐振脉冲的激活音符信号(Fc)在滤波器组(360)中循环，在导入各个滤波器(360)之前通过增益(350)进行全局调节。
通过将全部滤波器(360)的输出进行叠加的加法器(370)，全部滤波器(360)的输出被相加，形成从中级谐振器模块(300)输出的中级分量(Fsec)的信号。
回到图1，系统(1)包括：
-第一加法器(920)，其中从不同的音锤(100)输出的全部谐振脉冲信号(Fh,res)被求和；
-第二加法器(960)，其中从不同的初级和纵向谐振器模块(200)的初级谐振器(210)输出的全部的初级分量信号(Fprim+quad)被求和；
-第三加法器(940)，其将第一加法器(920)和第二加法器(960)的输出求和以获得激活音符信号(Fc)，该激活音符信号被馈入至中级谐振器模块(300)。
当各个音锤没有被激活时，每个中级谐振器模块(300)接收激活音符信号(Fc)。考虑到第二加法器(960)，每个中级模型(300)收集来自全部激活初级模型(200)的振动分量信号(Fprim+quad)，它们中的每个通过各自增益(800)被调节。
考虑到第一加法器(920)，每个中级模块(300)收集来自全部激活音锤(100)的谐振脉冲信号(Fh,res)，它们中的每个通过增益(750)被调节。
第一加法器(920)和第二加法器(960)的输出通过第三加法器(940)被求和，并通过增益(900)被全局调节，以这样的方式形成包含来自每个激活音符的弦和音锤的信息的激活音符信号(Fc)。由于这样一个机构，本发明的系统控制全部弦的通过共鸣谐振产生的泛音分量的合成，以及通过每个音锤的锤击的和声部分导致的合成。
图1和图5描述了双重模块(400)，其包括一个谐振滤波器组(410)，用于合成当弹奏第K个音符时产生的双重振动分量。组中的每个滤波器(410)通过理论确定的谐振参数适当地被设定，接收双重力信号(Fc,duplex)，该双重力信号为来自音锤(100)的全部和声脉冲信号(Fh,res)的和的增益(850)的调节版本，所述音锤对应于在那个时刻弹奏的琴键。
从双重模块的滤波器(410)输出的各种信号通过加法器(420)进行求和，并且通过增益(430)对所得的信号进行调节，这样就获得了双重信号(Fduplex)，该双重信号从双重模块(400)的输出中发出。
参考图3和6，初级谐振器模块(210)包括一个谐振滤波器组(220)，用于合成第K个音符的弦的初级振动分量。组中的每个滤波器(220)通过理论确定的谐振参数适当地设定，接收通过增益(212)增加的音锤的力信号Fh，其值通过理论建立。
从每个滤波器(220)输出的信号值通过乘法器(222)进行平方，这样就能获得对应的二次振动分量。所述二次振动分量通过加法器(226)被全局叠加并且最后被送至高通滤波器，从高通滤波器产生二次信号(Fquad)。与滤波器(240)相同，高通滤波器(270)适于将非常低的频率连续分量从乘法器(222)出来的信号中移除。这样，包括第K个音符的弦的张力调制谐波的二次信号(Fquad)通过初级谐振器模块(210)发出。
如图6所示，初级谐振器模块(210)设有谐振滤波器(220)并在下游位置没有乘法器(222)。这种情况下，从所述滤波器出来的信号与弦的任意张力调制谐波不关联。特别地，各个模仿的振动分量与对应的中级谐振器模块(300)产生的任意中级振动分量不对应。由于这个原因，各个模拟的泛音分量通过滤波器(220)上游的额外的增益(213)表示的常数因子进行调节。
反之，与张力调制谐波不关联的组中的滤波器(220)总是与在其参数中适当调整的中级谐振器对应，适应控制对应的泛音分量的包络节拍；由于相同原因，输入到这些滤波器中的信号不被增益(213)表示的常数因子所调节。在这两种情况中，谐振器的输出通过第二加法器(225)进行全局叠加，来形成包括第K个音符的初级振动分量的初级输出信号(Fprim)。
参考图3和图7，纵向谐振器模块(270)包括受迫谐振滤波器组(273)和自由谐振滤波器组(277)，用于对第K个音符的弦的纵向振动分量进行合成。
组中的每个自由谐振滤波器(273)在谐振参数中适当地设置，接收通过增益(271)增加的来自音锤的激励力信号(Fexc)。通过加法器(275)获得的全局叠加代表第K个音符的弦的纵向分量的集合。
至于上面提到的纵向振动分量，本发明的系统提供了与现有技术所提供的不同的实现合成的方式。实际上，理论提供了实现属于形同弦的一定泛音振动分量之间的一定数量的信号产品(或“循环调节”)；这些产品中的每个代表了弦的对应的纵向模式。现在，力分量通过“成型”通带滤波器被滤波，其脉冲响应模拟相同纵向模式的自由响应。因此弦的对应受迫纵向振动分量出现在成型滤波器的输出端。
与这个过程不同，本发明的系统提供使用图3的高通滤波器(240)出来的信号作为源来馈入增益(271)和受迫谐振滤波器组(273)，分别以调节值设置并以谐振参数调整，这样能够准确地将返回受迫纵向振动分量。更精确地，如果n和m是泛音振动分量的索引，该泛音振动分量源于由k索引的纵向模式，然后这个模式激励一个参数的受迫纵向振动分量。
fk＝fm+fn
Tk＝(Tm Tn)/(Tm+Tn)
Ak＝|H(fk)|/(AmAn)1/2
其中|H(f)|是纵向模式的自由振幅响应，其值对应激励力分量的频率fk被选择。
与包括成型滤波器响应来自音锤的信号，从而在音符打击步骤期间过度共振的现有技术相比较，新颖性为引入合成纵向振动分量。为此，本发明的系统提供从纵向振动分量的合成链中排除了这些滤波器。然而，由于弦的纵向动作，由它们产生的瞬时分量对于准确的声音合成是至关重要的。
本发明的方案是加入第二成型滤波器组(277)，其重现自由响应分量，与重现受迫纵向振动分量的谐振器组(273)并行。从自由谐振滤波器(277)的输出通过加法器(280)相加，并且通过增益(282)对结果信号进行调节。
这样，由自由响应引起的瞬时分量能够被合成并且由于增益(282)在控制下同时被保持，该增益调节它们的振幅，但是不影响纵向振动分量。从两个组(273,277)的输出通过加法器(285)最终进行叠加，并通过增益(290)进行调节，形成纵向分量信号(Flong).
图8描述了用于通过音板-乐器主体模拟由弦产生的振动分量处理的音板-乐器主体模块(700)。在模块(700)中，代表全局泛音分量的全局泛音分量(Ftot)信号对应于P组或“分离器”(705)中被分组的每个音符，它们中的每个进行结构上相同的处理，但是基于分离变化，使用不同的滤波参数。这样的区别由于下面的事实产生，即，每个处理依赖于点在音板中的位置，在该点处弦结合到琴桥，通过琴桥，与音符相关的振动分量被传递到音板，并且通过它的传播，通过乐器作为一个整体被散播。另一方面，由于在当前数字信号处理器的计算能力方面无法超越的限制，这样的区别对于每个单独的音符或者每个单独的弦都不是特殊的。
因此，本发明的系统提出一个对该问题的近似解决方案，包括将相同分离器中的多个音符分组，其大小与能够获得的计算能力成反比变化。对于每对相邻的分离器，居于数字滤波器的特定的两阶结构被关联，其实现在现有技术中已被熟知(参考Bank,Zambon和Fontana)。第一级由两个滤波模块(738)和(750)构成，而第二级由卷积模块构成。
考虑到本系统提出的新颖性，与只使用信号卷积相比，第一级提供了相当大的计算力的节省，与使用的卷积技术的效率无关，对其请参考现有技术的文献。
特别地，每个分离器(705)将与其关联的输入信号(Ftot)相加，并且同时对于在那一刻分离器上的音符产生的声音选择优选的单侧化的参数。所述参数的值偏向一侧，也就是说，声音表现的音源的位置相对于听者前面的中心的理想点横向移动。在钢琴音符的分离情况下，在每一时刻，这个值能够对应于引起声音的区域的中心，其是分离器的音符的函数，这些音符在相同的时刻被弹奏。最后侧向化参数值决定了时间延迟值，该值被模块(710)使用来定义输入信号的两个例子，它们中的一个相对于另一个以对应的值被延迟。基于成对的另外相同信号之间的相对延迟的音源的离散时间侧向化模型在现有技术中已被熟知，其包括同源声音。
从对应的分离器对的每个模块(710)的左声道出来的信号通过加法器(720)相加，并且被第一级处理，该第一级包括N个全零二级数字滤波器(738)的组和N个全极二级数字滤波器(750)的组。假设定义一个偶数分离数字P，参考图8的第P/2分离器对，具有N个元件的组的第i个滤波器具有等于下式传输特征：
H iP / 2 ( z ) = b 0 , iP / 2 + b 1 , i , P / 2 z - 1 1 + a 1 , i z - 1 + a 2 , i z - 2 + g P / 2
作为全部分离器共有的每个组的第i个滤波器的极点，具有相同索引i的在组滤波器的输入端能够通过滤波器的全零部分(738)被单独地处理，其输出端被送去通过第i个滤波器的公共极的部分(750)进行处理。
实际上，从第P/2对的加法器(720)出来的信号通过N个全零滤波器(738)进行处理，其每一个分别具有增益模块(722)的系数b0,i,P/2的特征，与和系数b1,i,P/2(730)串行的延迟元件z-1(725)并行。当从各个加法器(720)中出来的全部信号通过对应的全零滤波器(738)处理时，P/2信号的和(740)被送到第i个全极滤波器(750)，分别具有系数-a1,i和-a2,i的特征，来完成滤波操作，所述P/2信号来自组的第i个全零滤波器。
第二处理级对全部音符的左侧信号完成了音板-乐器主体的全局表征。卷积模块(760)从N个滤波器的全极部分(750)接收到输出的和(755)，并行于对应的滤波器组的P/2输入的和(745)，通过形成上述的第二顺序传输特征Hi,p/2(z)的各个增益(735)进行调节。对从全部模块(710)出来的右声道信号执行相似的处理，其进行了结构上相同的处理，除了各个公共零-极第二顺序传输特征和相关的卷积模块的参数设定的值。
虽然现有技术(参考Y.Haneda,S.Makino,and Y.Kaneda的“Multiple-point equalization of room transfer functions by using commonacoustical poles”,IEEE Trans.Speech Audio Processing,第4号，第5卷，第325-333页，1997年)描述了一组传输特征的2N个公共极的识别和提取，但是本发明的系统提出的这样能够表征音板和乐器主体的多维的极-零模型的方法的特定应用是新颖的。
如上所述的具有N个元件的滤波器组的特别情况，本发明的系统从目标传输特征集合中选择2N个公共极。从音板-乐器主体的响应的测量来获得这些特征：首先，通过从与全部响应公共的测量信息分解，其描述了第二级的特征，或者通过卷积；接着，在从它们中提取公共信息后，通过将前述的特征识别为相同响应的剩余部分。
在选择了公共极后，NP零位置被优化以定义N(P/2)第二顺序公共极滤波器，其对于每个N(P/2)输入/输出对相对于目标特征能够最小化二次误差。
使用具有N个P/2组公共极的第二顺序滤波器，与实现具有不同极的N(P/2)第二顺序滤波器的成本相比，大大减小模块(700)的计算负载。实际上，这样的减小避免了N(P/2)-N＝(N-1)(P/2)全部极第二顺序相同的滤波器的计算，而并不失去模型的准确性。

Claims (8)

1.一种重现弦乐器的声音的系统(1)，所述弦乐器包括击打弦的音锤，所述系统包括：
-速度检测部件，与每个音锤连接，以检测对弦的敲击速度，
-多个音符模块，与音锤的数量相等，在输入端接收代表了音锤速度的信号，并产生代表了弦振动的全部泛音分量的力信号(Ftot)，以及
-音板-乐器主体模块(700)，其在输入端接收来自每个音符模块的全局泛音分量(Ftot)的所述信号，并产生两个电信号(左、右)用来为两个电声变换器提供电力，用于声音发射；
其中
所述音符模块包括：
-音锤模块(100)，用于接收输入的所述音锤速度信号，并产生力信号(Fh)和谐振脉冲信号(Fh,res)，当弹奏ff“极强的”力度时，所述力信号重现音锤打击琴键的弦的力随着时间的演变，当弹奏ff“极强的”力度时，所述谐振脉冲信号重现通过音锤被传递到弦上的力随着时间的演变，力信号(Fh)和谐振脉冲信号(Fh,res)均是音锤冲击速度的函数，
-初级和纵向谐振模块(200)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fh)，并产生代表弦振动的线性和二次初级分量力信号(Fprim+quad)以及代表弦振动的纵向分量的力信号(Flong)，
-中级谐振模块(300)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fh)，以及激活的音符模块(Fc)，该激活的音符模块(Fc)从所述谐振脉冲信号(Fh,res)的和以及从初级与二次分量(Fprim+quad)的力信号的和获得，并产生代表弦振动的中级分量的力信号(Fsec)，以及
-双重谐振模块(400)，在输入端接收来自所述谐振脉冲信号(Fh,res)的和获得的所述力信号(Fc,duplex)，并产生代表弦振动的双重振动分量的力信号(Fduplex)，
所述初级分量(Fprim)的力信号、纵向分量的力信号(Flong)、中级分量的力信号(Fsec)和双重分量的力信号(Fduplex)在每个音符模块中被相加，这样就获得了所述全局泛音分量信号(Ftot)，该全局泛音分量信号(Ftot)被发送至乐器的所述音板-乐器主体模块(700)。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述音锤模块(100)包括：
-信号发生器(110)，在输入端接收音锤的所述速度信号并产生力信号(ff)，在演奏最强力度期间，所述力信号(ff)重现音锤打击琴键的弦的力随着时间的演变，
-脉冲发生器(180)，产生谐振脉冲信号(lmp)，该谐振脉冲信号在演奏最强力度期间，重现通过音锤传递到弦的力随着时间的演变，
-第一和第二低通滤波器(140,160)，对信号发生器产生的所述力信号(ff)进行滤波，
-第三低通滤波器(185)，对从所述脉冲发生器(180)来的所述谐振脉冲信号(lmp)进行滤波。
3.如权利要求1或2所述的系统，其中所述初级和纵向谐振模块(200)包括：
-初级谐振模块(210)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fc)并产生初级分量(Fprim)的力信号和二次分量(Fquad)的力信号，
-增益(250)，对二次分量(Fquad)的力信号进行调节，
-加法器(255)，将初级分量(Fprim)的所述力信号与所调节的二次分量(Fquad)的力信号相加，
-低通滤波器(230)，在输入端接收来自音锤模块的所述力信号(Fc)，
-乘法器(235)，位于所述低通滤波器(230)下游，
-高通滤波器(240)，位于所述乘法器下游，以及
-纵向谐振模块(270)，位于所述高通滤波器下游。
4.如权利要求3所述的系统，其中所述初级谐振模块(210)包括：
-谐振滤波器组(220)，
-第一加法器(225)，对所述谐振滤波器(220)的全部输出进行相加，以获得初级分量(Fprim)的所述力信号，
-乘法器(222)，位于至少一些所述谐振滤波器(220)下游，
-第二加法器(266)，对所述乘法器(222)的全部输出进行相加，
-高通滤波器(227)，位于第二加法器下游，以获得二次分量(Fquad)的所述力信号。
5.如权利要求3或4所述的系统，其中所述纵向谐振模块(210)包括：
-受迫谐振滤波器组(273)，
-第一增益(271)，位于每个受迫谐振滤波器(273)下游，
-第一加法器(257)，对所述受迫谐振滤波器(273)的全部输出进行相加，
-自由谐振滤波器组(277)，
-第二加法器(280)，对所述自由谐振滤波器(273)的全部输出进行相加，
-第二增益(289)，位于第二加法器(280)下游，
-第三加法器，对从第一加法器(275)和第二加法器(282)的输出进行相加，以及
-第三增益(290)，位于第三加法器(285)下游，以获得纵向分量(Flong)的所述力信号。
6.如任意一项前述权利要求所述的系统，其中所述中级谐振模块(300)包括：
-第一增益(340)，重新调节来自音锤模块的所述力信号(Fh)，
-第二增益(350)，重新调节所述激活音符信号(Fc)，
-谐振滤波器组(360)，
-开关(380)，连接到每个谐振滤波器(360)，用来切换连接所述第一增益(340)的第一位置(A)和连接所述第二增益(350)的第二位置(B)，
-加法器(370)，对谐振滤波器(360)的全部输出进行相加，以获得中级分量(Fsec)的所述力信号。
7.如任意一项前述权利要求所述的系统，其中所述双重模块(400)包括：
-谐振滤波器组(410)，在输入端接收从所述谐振脉冲信号(Fh,res)的和获得的力信号(Fc,duplex),
-加法器(420)，对所述滤波器(410)的输出进行相加，以及
-增益，位于所述加法器(420)下游，以获得所述双重力信号(Fduplex)。
8.如任意一项前述权利要求所述的系统，其中所述音板-乐器主体模块(700)包括：
-多个分离器(705)，其中每个分离器(705)在输入端接收来自全部音符模块的全局泛音分量(Ftot)的所述信号，
-多个双声道延时器(710)，其中每个双声道延时器(710)位于每个分离器(705)下游并在输出端产生两个电信号(左、右)，用于控制电声转换器，
-第一加法器(720)，对所述双声道延时器(710)的输出进行相加，
-全零滤波器(738)，位于所述第一加法器(720)下游，
-第二加法器(740)，对所述全零延时器(738)的输出进行相加，
-全极滤波器(750)，位于所述第二加法器(740)下游，
-两个最终加法器(755)，将所述全极滤波器(750)的输出与所述第一加法器(720)的输出相加，分别用于信号(左)和信号(右)，以及
-两个卷积模块(760)，位于所述两个最终加法器(755)下游，对信号进行卷积并获得所述两个电信号(左、右)，分别驱动所述电声转换器。
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