CN104700825B - 模拟钢琴弦共振音频信号的方法、系统以及电钢琴 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟钢琴弦共振音的方法、系统及电钢琴。其中，根据本发明的方法，先对待处理的音频信号分别进行两种高阶全通滤波：随后，将滤波后的两个音频信号分别进行共振模拟处理后予以合并，其中，每一共振模拟处理的过程为：先将音频信号分别进行多种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的音频信号各自进行FIR低通滤波后再与未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理；最后，再将合并后的音频信号进行音色滤波及音量调节后形成弦共振音。基于本发明的模拟系统可形成电钢琴电路。本发明的优点包括：能模拟出真实钢琴延音踏板踩下和放开后的共振音。

Description

模拟钢琴弦共振音频信号的方法、系统以及电钢琴

技术领域

本发明涉及电钢琴领域，特别是涉及一种模拟钢琴弦共振音频信号的方法、系统以及电钢琴。

背景技术

电钢琴（Electronical piano），是一种电声乐器，在二十世纪六七十年代兴起、八十年代至九十年代早期流行，用于在某些场合代替钢琴的乐器，其发声原理是将键盘作为通断开关，一旦按下琴键，内部的晶振开始工作，并产生一定频率的波形，随后经过分频器的放大，送入扬声器发声。整个发声过程依靠简单的分频模拟电路，所以键盘没有力度和击弦感觉，声音也较为机械单调。

早期的电子钢琴比较专一化地、只有几种钢琴或类钢琴的音色，能调音量，除此之外，造价全花在了键盘手感上。电钢琴的键盘经历了三个发展时期。

1、拉簧配重；利用简单的弹簧结构产生键盘力度，力度感很生硬，与声学钢琴相差明显。

2、配重键盘：利用复杂的阻尼装置使电钢琴键盘在按下使不至于过于生脆，回弹时有一些延缓，手感上已经相当接近声学钢琴。按照不同人群对键盘力度的喜好又分为半配重和全配重。在此基础上，为了模拟声学钢琴低音区比高音区的琴弦更粗带来的击打力度差异，又发展出了逐级配重键盘，在不同音高配重大小存在细微差异，这种键盘已经十分接近声学钢琴了。

3、击槌键盘：为了模拟钢琴琴槌击打琴弦的力度感觉，研发人员又在键盘上加入了击槌机机制，按下琴键的同时会有模拟的琴槌和琴弦完成击槌的过程，这个过程是无声的。21世纪以来的电钢琴普遍采用了全配重击锤键盘以便更好的模拟声学钢琴的物理感觉，使弹奏者能够平滑地在声学钢琴和电钢琴之间过渡。当然一些为了适应手感需要或特殊用途的产品会采用比较生僻的配置，比如49键半配重的便携电钢琴，88键半配重的轻型电钢琴等。

随着人们对于音乐的喜好多元化，部分电钢琴加装上了成套的音色、节奏与伴奏控制；部分高端产品甚至具有基于延音踏板的弦共振功能。然而，目前大部分带有此功能的现有电钢琴产品或者钢琴音源产品都使用采样法，也就是实际录取真钢琴延音踏板踩下以后的各单音作为样本予以保存，比如YAMAHA CVP系列，Galaxy Steinway音源。采样法的缺点会消耗大量的存储资源，并且非常难以处理在同音中切换踏板的情况，造成同音切换踏板时会有共振音的异常，尤其在YAMAHA的电钢琴系列中，该问题尤为突出。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种模拟钢琴弦共振音的方法及系统，以模拟出真实钢琴延音踏板踩下和放开后的共振音。

本发明的另一目的在于提供一种具有弦共振的电钢琴。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种模拟钢琴弦共振音的方法，其至少包括：

1）对待处理的音频信号分别进行两种高阶全通滤波；

2）将滤波后的两个音频信号分别进行共振模拟处理后予以合并，其中，每一共振模拟处理的过程为：先将音频信号分别进行多种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的音频信号各自进行FIR低通滤波后再与未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理；

3）将合并后的音频信号进行音色滤波及音量调节后形成弦共振。

本发明还提供一种模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其特征至少包括：

高阶全通滤波模块，用于对待处理的音频信号分别进行两种高阶全通滤波；

共振模拟处理模块，用于将滤波后的两个音频信号分别进行共振模拟处理后予以合并，其中，每一共振模拟处理的方式包括：先将音频信号分别进行多种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的音频信号各自进行FIR低通滤波后再与未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理；

形成模块，用于将合并后的音频信号进行音色滤波及音量调节后形成弦共振音。

优选地，每一种延迟时间均基于所模拟的钢琴的一条共振弦的音高及回放率来确定。

优选地，每一衰减处理的衰减步长基于相应的延迟时间及所模拟的钢琴的一条共振弦衰减40dB所需时间来确定。

优选地，基于来进行高阶全通滤波，其中，a1为预定常数，n为阶数；更为优选地，两种高阶全通滤波所采用的阶数不同。

优选地，基于a2+（1-a2）z^-1来进行FIR低通滤波，其中，a2为预定常数。

优选地，基于来进行音色滤波，其中，k1、k2、k3为预定常数。

本发明还提供一种具有弦共振的电钢琴，其至少包括：

键盘扫描模块，用于确定电钢琴的各键盘的当前状态；

钢琴音色合成模块，用于基于各键盘的当前状态来形成合成音；

干声模块，用于基于所形成的合成音的音色及延音踏板是否踩下或放开来输出相应的合成原音；

前述模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其接入由所述钢琴音色合成模块输出的合成音；

总合并模块，用于将所述干声模块输出的合成原音及所述模拟钢琴弦共振音的模拟系统形成的弦共振音频信号合并；

数模转换模块，用于将所述总合并模块输出的音频信号进行数模转换；

延音踏板监测模块，用于当延音踏板踩下或放开时输出启动信号至模拟钢琴弦共振音的模拟系统，并输出相应检测信号至所述干声模块。

如上所述，本发明的模拟钢琴弦共振音的方法、系统及电钢琴，具有以下有益效果：能模拟出真实钢琴延音踏板踩下和放开后的共振音，有效提升电钢琴的品质。

附图说明

图1显示为本发明的模拟钢琴弦共振音的方法流程图

图2显示为本发明的模拟钢琴弦共振音的方法的优选流程示意图。

图3显示为本发明的模拟钢琴弦共振音的模拟系统的示意图。

图4显示为本发明的具有弦共振的电钢琴示意图。

元件标号说明

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图4。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1所示，本发明提供一种模拟钢琴弦共振音的方法。其中，根据本发明的方法主要通过模拟系统来完成，该模拟系统包括但不限于能够实现本发明方案的诸如应用模块、操作系统、处理控制器等。例如，该模拟系统为安装在计算机、智能手机等中的应用模块；又例如，该模拟系统为能够实现本发明方案的DSP芯片或微处理器等。

在步骤S1中，所述模拟系统对待处理的音频信号分别进行两种高阶全通滤波。

其中，所述模拟系统可采用任何能基于改善信号连续性的高阶全通滤波函数来对待处理的音频信号进行高阶全通滤波处理。

例如，所述模拟系统基于来将待处理的音频信号进行两种高阶全通滤波，其中，a1为预定常数，n为阶数；其中，两种高阶全通滤波所采用的高阶全通滤波函数的阶数不同，以便增强立体声效果。如图2所示，在本实施例中，所述模拟系统基于来对待处理的音频信号X（n）进行高阶全通滤波。

在步骤S2中，所述模拟系统将滤波后的两个音频信号分别进行共振模拟处理后予以合并，其中，每一共振模拟处理的过程为：先将音频信号分别进行多种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的音频信号各自进行低通滤波后再与未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理。

其中，所述模拟系统对音频信号进行共振模拟处理以便能模拟出钢琴的相应各共振弦的声音。

具体地，若需要模拟钢琴12根共振弦的音频信号，则如图2所示，所述模拟系统将基于A₁（z）高阶全通滤波后的音频信号分别基于z^-L ₁、……z^-L ₆来进行6种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的6个音频信号分别基于H₁（z）……H₆（z）来进行FIR低通滤波后再与各自未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理，并将基于A₂（z）高阶全通滤波后的音频信号分别基于z^-L ₇、……z^-L ₁₂来进行6种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的6个音频信号分别基于H₇（z）……H₁₂（z）来进行FIR低通滤波后再与各自未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理；随后再将各经过相应延迟及衰减处理的音频信号予以合并。

其中，z^-L ₁、……z^-L ₁₂各自的延迟时间基于各自所模拟的钢琴的共振弦的音高及回放率来确定、各自的衰减步长基于各自的延迟时间及所模拟的钢琴的共振弦衰减40dB所需时间来确定。

例如，所述模拟系统所模拟的钢琴的共振弦为midi音符37-48对应的共振弦音音高周期，则若设z^-L _i（其中，i=1、2……12）对应的共振弦的音高（即midi note号）为n_i，（以标准midi为准，中央C音符为60），则z^-L _i的延迟时间d_i初步确定为：z^-L _i的衰减步长初步确定为fs为系统回放率，t为所模拟的钢琴的共振弦衰减40dB所需时间；随后可再通过微调及试听来确定最优的延迟时间d_i和最优的衰减步长g_i。在本实施例中，系统回放率fs为44100，所模拟的钢琴的共振弦衰减40dB所需时间为6秒。

其中，H₁（z）……H₁₂（z）可以为任何能对延迟及衰减处理后的音频信号进行FIR低通滤波的函数，例如，H_i(z)=a2+（1-a2）z^-1，其中，i=1，2，……12，a2为预定参数，通常在0-1之间，可通过预先设定初始值，随后再进行微调后来确定最优值的方式来确定H₁（z）……H₁₂（z）各自的a2。

在步骤S3中，所述模拟系统将合并后的音频信号进行音色滤波及音量调节后形成弦共振音。

其中，所述模拟系统可采用任何能对音频信号进行音色滤波的音色滤波函数来进行音色滤波，例如，如图2中，所述模拟系统采用来进行音色滤波，其中，k1、k2、k3为预定常数。

具体地，当延音踏板踩下时，所述模拟系统基于R(z)将合并后的音频信号进行音色滤波，并将音色滤波后的音频信号的音量快速由0调节至1；当延音踏板放开时，所述模拟系统基于R(z)将合并后的音频信号进行音色滤波，并将音色滤波后的音频信号的音量逐步由1调节至0，其中，音量由1调节为0的调节步长可基于所模拟的钢琴的共振弦的琴音从延音踏板放开时至该琴音消失的时间来确定。

如图3所示，本发明提供一种模拟钢琴弦共振音的模拟系统。所述模拟系统1至少包括：高阶全通滤波模块11、共振模拟处理模块12、以及形成模块13。

所述高阶全通滤波模块11对待处理的音频信号分别进行两种高阶全通滤波。

其中，所述高阶全通滤波模块11可采用任何能基于改善信号连续性的高阶全通滤波函数来对待处理的音频信号进行高阶全通滤波处理。

例如，所述高阶全通滤波模块11基于来将待处理的音频信号进行两种高阶全通滤波，其中，a1为预定常数，n为阶数；其中，两种高阶全通滤波所采用的高阶全通滤波函数的阶数不同，以便增强立体声效果。如图2所示，在本实施例中，所述高阶全通滤波模块11基于来对待处理的音频信号X（n）进行高阶全通滤波。

接着，所述共振模拟处理模块12将滤波后的两个音频信号分别进行共振模拟处理后予以合并，其中，每一共振模拟处理的过程为：先将音频信号分别进行多种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的音频信号各自进行低通滤波后再与未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理。

其中，所述共振模拟处理模块12对音频信号进行共振模拟处理以便能模拟出钢琴的相应各共振弦的声音。

具体地，若需要模拟钢琴12根共振弦的音频信号，则如图2所示，所述共振模拟处理模块12将基于A₁（z）高阶全通滤波后的音频信号分别基于z^-L ₁、……z^-L ₆来进行6种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的6个音频信号分别基于H₁（z）……H₆（z）来进行FIR低通滤波后再与各自未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理，并将基于A₂（z）高阶全通滤波后的音频信号分别基于z^-L ₇、……z^-L ₁₂来进行6种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的6个音频信号分别基于H₇（z）……H₁₂（z）来进行FIR低通滤波后再与各自未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理；随后再将各经过相应延迟及衰减处理的音频信号予以合并。

其中，z^-L ₁、……z^-L ₁₂各自的延迟时间基于各自所模拟的钢琴的共振弦的音高及回放率来确定、各自的衰减步长基于各自的延迟时间及所模拟的钢琴的共振弦衰减40dB所需时间来确定。

例如，所述模拟系统所模拟的钢琴的共振弦为midi音符37-48对应的共振弦音音高周期，则若设z^-L _i（其中，i=1、2……12）对应的共振弦的音高（即midi note号）为n_i，（以标准midi为准，中央C音符为60），则z^-L _i的延迟时间d_i初步确定为：z^-L _i的衰减步长初步确定为：fs为系统回放率，t为所模拟的钢琴的共振弦衰减40dB所需时间；随后可再通过微调及试听来确定最优的延迟时间d_i和最优的衰减步长g_i。在本实施例中，系统回放率fs为44100，所模拟的钢琴的共振弦衰减40dB所需时间为6秒。

其中，H₁（z）……H₁₂（z）可以为任何能对延迟及衰减处理后的音频信号进行FIR低通滤波的函数，例如，H_i(z)=a2+（1-a2）z^-1，其中，i=1，2，……12，a2为预定参数，通常在0-1之间，可通过预先设定初始值，随后再进行微调后来确定最优值的方式来确定H₁（z）……H₁₂（z）各自的a2。

接着，所述形成模块13将合并后的音频信号进行音色滤波及音量调节后形成弦共振音。

其中，所述形成模块13可采用任何能对音频信号进行音色滤波的音色滤波函数来进行音色滤波，例如，如图2中，所述形成模块13采用来进行音色滤波，其中，k1、k2、k3为预定常数。

具体地，当延音踏板踩下时，所述形成模块13基于R(z)将合并后的音频信号进行音色滤波，并将音色滤波后的音频信号的音量快速由0调节至1；当延音踏板放开时，所述形成模块13基于R(z)将合并后的音频信号进行音色滤波，并将音色滤波后的音频信号的音量逐步由1调节至0，其中，音量由1调节为0的调节步长可基于所模拟的钢琴的共振弦的琴音从延音踏板放开时至该琴音消失的时间来确定。

经过多次测试和试听后，选用midi音符37-48的这段音高周期，上述模拟系统可以达到最优美舒适的共振效果。

如图4所示，本发明还提供一种具有弦共振的电钢琴。该电钢琴2至少包括：键盘扫描模块21、钢琴音色合成模块22、干声模块23、模拟系统24、总合并模块25、数模转换模块26以及延音踏板监测模块27。

所述键盘扫描模块21用于确定电钢琴的各键盘的当前状态，也就是确定键盘是否被按下，其可基于传感器等来实现。

所述钢琴音色合成模块22用于基于各键盘的当前状态来形成合成音，也就是将被按下的键盘所对应的音频信号予以合并，其可基于加法器等来实现。

所述干声模块23基于所形成的合成音的音色及延音踏板是否踩下或放开来输出相应的合成原音。

具体地，当延音踏板未被踩下时，所述干声模块23直接将所述钢琴音色合成模块22输出的合成音输出；当延音踏板被踩下或放开后的预定时间段内，则所述干声模块23将所述钢琴音色合成模块22输出的合成音中共振弦的音频信号（也就是湿音）滤除后予以输出；其中，预定时间段可基于真实钢琴延音消失的时间来确定。

本领域技术人员基于上述所述，应该理解，干声模块23的内部结构，在此不再详述。

所述模拟系统24与前述模拟系统1相同或相似，并以引用的方式包含于此，在此不再予以详述。

所述总合并模块25将所述干声模块23及所述模拟系统24输出的信号予以合并，优选地，其可采用加法器等来实现。

所述数模转换模块26用于将所述总合并模块25输出的信号进行数模转换，以驱动扬声器等。

当延音踏板踩下时，所述延音踏板监测模块27输出启动信号至所述模拟系统24，以便所述模拟系统24模拟出共振弦的音频信号，同时输出相应检测信号至所述干声模块23，以便所述干声模块23将所述钢琴音色合成模块22输出的合成音中的共振弦的音频信号（也就是湿音）滤除；当延音踏板放开时，所述延音踏板监测模块27再次输出启动信号至所述模拟系统24，以便所述模拟系统24模拟出逐步衰减的共振弦的音频信号，同时输出相应检测信号至所述干声模块23，以便所述干声模块23再预定的一段时间后将所述钢琴音色合成模块22输出的合成音直接输出。

综上所述，本发明的模拟钢琴弦共振音的方法及系统将信号分为两路分别进行处理，这样避免了左右相位的互相抵消；此外，采用两种高阶全通滤波，可在增加声音密度的同时，避免了音高的移动；再有，采用FIR低通滤波组，在具有良好的高频衰减可调性的同时可避免相位的失真叠加。而基于模拟系统形成的电钢琴，在midi音符37-48的这段音高周期，40db的衰减时间为6秒，可以达到与真实钢琴共振相似的效果。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (13)

1.一种模拟钢琴弦共振音的方法，其特征在于，所述模拟钢琴弦共振音的方法至少包括：

1)对待处理的音频信号分别进行采用阶数不同的两种高阶全通滤波；

2)将滤波后的两个音频信号分别进行共振模拟处理后予以合并，其中，每一共振模拟处理的过程为：先将音频信号分别进行多种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的音频信号各自进行FIR低通滤波后再与未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理；

3)将合并后的音频信号进行音色滤波及音量调节后形成弦共振音。

2.根据权利要求1所述的模拟钢琴弦共振音的方法，其特征在于：每一种延迟时间均基于所模拟的钢琴的一条共振弦的音高及回放率来确定。

3.根据权利要求1或2所述的模拟钢琴弦共振音的方法，其特征在于：每一衰减处理的衰减步长基于相应的延迟时间及所模拟的钢琴的一条共振弦衰减40dB所需时间来确定。

4.根据权利要求1所述的模拟钢琴弦共振音的方法，其特征在于：基于来进行高阶全通滤波，其中，a1为预定常数，n为阶数。

5.根据权利要求1所述的模拟钢琴弦共振音的方法，其特征在于：基于a2+(1-a2)z^-1来进行FIR低通滤波，其中，a2为预定常数。

6.根据权利要求1所述的模拟钢琴弦共振音的方法，其特征在于：基于来进行音色滤波，其中，k1、k2、k3为预定常数。

7.一种模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其特征在于，所述模拟钢琴弦共振音的模拟系统至少包括：

高阶全通滤波模块，用于对待处理的音频信号分别进行采用阶数不同的两种高阶全通滤波；

共振模拟处理模块，用于将滤波后的两个音频信号分别进行共振模拟处理后予以合并，其中，每一共振模拟处理的方式包括：先将音频信号分别进行多种不同延迟时间的延迟及衰减处理，再将延迟及衰减处理后的音频信号各自进行FIR低通滤波后再与未经过延迟及衰减处理的音频信号合并后再进行相应延迟及衰减处理；

形成模块，用于将合并后的音频信号进行音色滤波及音量调节后形成弦共振。

8.根据权利要求7所述的模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其特征在于：每一种延迟时间均基于所模拟的钢琴的一条共振弦的音高及回放率来确定。

9.根据权利要求7或8所述的模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其特征在于：每一衰减处理的衰减步长基于相应的延迟时间及所模拟的钢琴的一条共振弦衰减40dB所需时间来确定。

10.根据权利要求7所述的模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其特征在于：基于来进行高阶全通滤波，其中，a1为预定常数，n为阶数。

11.根据权利要求7所述的模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其特征在于：基于a2+(1-a2)z^-1来进行FIR低通滤波，其中，a2为预定常数。

12.根据权利要求7所述的模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其特征在于：基于来进行音色滤波，其中，k1、k2、k3为预定常数。

13.一种具有弦共振的电钢琴，其特征在于，所述电钢琴至少包括：

键盘扫描模块，用于确定电钢琴的各键盘的当前状态；

钢琴音色合成模块，用于基于各键盘的当前状态来形成合成音；

干声模块，用于基于所形成的合成音的音色及延音踏板是否踩下或放开来输出相应的合成原音；

权利要求7至12任一项所述的模拟钢琴弦共振音的模拟系统，其接入由所述钢琴音色合成模块输出的合成音；

总合并模块，用于将所述干声模块输出的合成原音及所述模拟钢琴弦共振音的模拟系统形成的弦共振音频信号合并；

数模转换模块，用于将所述总合并模块输出的音频信号进行数模转换；

延音踏板监测模块，用于当延音踏板踩下或放开时输出启动信号至模拟钢琴弦共振音的模拟系统，并输出相应检测信号至所述干声模块。