CN102194451B

CN102194451B - 信号处理装置和弦乐器

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Publication number: CN102194451B
Application number: CN2011100703408A
Authority: CN
Inventors: 黑木隆一郎
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-03-18
Filing date: 2011-03-18
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2031-03-18
Also published as: JP2011197325A; EP2372693B1; JP5691209B2; EP2372693A2; US20110226118A1; CA2734352A1; CN102194451A; EP2372693A3; CA2734352C

Abstract

本发明提供了信号处理装置和弦乐器。该信号处理装置由获取单元、滤波单元和改变单元组成。获取单元获取表示弦振动的信号。滤波单元根据滤波系数来对获取单元所获取的信号执行卷积运算并输出卷积运算所得到的信号。滤波系数被设置成使得卷积运算所得信号具有在特定频率范围内包含了与弦乐器主体共鸣相关的多个峰波形的频率响应。改变单元改变滤波系数以改变每个峰波形的峰值，同时保持频率响应中每个峰波形的宽度。

Description

信号处理装置和弦乐器

技术领域

本发明涉及一种将弦乐器的共鸣效果赋予音频信号的技术。

背景技术

用声学吉他之类的弦乐器演奏的声音音量是有限的。因此，在大厅中用弦乐器进行现场演出期间，使用麦克风来接收和放大所演奏的声音从而增大所演奏声音的音量。在该方法中，当存在其他乐器时，麦克风还可能拾取到由该其他乐器产生的声音并且还可能发生啸声。因此，弦乐器可使用压电元件来进行拾取，从而将弦振动转换成电信号并随后放大该电信号来增大音量。然而，尽管可以获得弦振动的电信号，但使用压电元件减小了弦乐器主体共鸣声的影响，也就是被称作“主体共鸣”的影响。因此，在许多情况下，当使用压电元件来进行拾取时从弦乐器听到的声音与直接从弦乐器听到的演奏声音是不同的。

因此，日本专利申请公开第2009-162997号公开了一种技术，其中使用压电元件进行拾取而获得的电信号不仅仅被放大，而且还使用有限脉冲响应(FIR)滤波器对该信号执行卷积运算以向该信号添加主体的共鸣声等。

然而，在日本专利申请公开第2009-162997号的技术中，由于FIR滤波器的特性是依照具有对应于麦克风所检测到的信号与来自压电元件的信号之差的特征的传递函数来确定的，所以用户无法有意加重或抑制主体共鸣声的成分。

另外，在许多情况下，主体的共鸣声在几个特定频率处具有峰值。因此，可使用均衡器来调整每个频率的水平。然而，这需要用户执行复杂的操作，因为用户需要查找这些特定频率并加重或抑制这些特定频率的水平。而且，如果在对表示主体共鸣声的电信号进行放大之后发出声音，则由于特定频率峰成分的影响会使弦乐器的主体和弦额外产生共鸣，因而引起啸声。

发明内容

针对上述情况提出本发明，并且本发明的一个目的是将弦乐器主体的共鸣声添加到表示弦乐器的弦振动的电信号中，同时允许用户有意加重或抑制弦乐器主体的共鸣声成分，从而提供调整共鸣声音量的简单操作并防止了由于共鸣声而产生的啸声。

为实现上述目的，本发明提供了一种信号处理装置，该装置包括：获取单元，其获取表示弦振动的信号；滤波单元，其根据滤波系数来对获取单元所获取的信号执行卷积运算并输出卷积运算所得到的信号，其中滤波系数被设置成使得卷积运算所得到的信号具有在特定频率范围内包含了与弦乐器主体的共鸣相关的多个峰波形的频率响应；以及改变单元，其改变滤波系数从而改变每个峰波形的峰值，同时保持频率响应中每个峰波形的宽度不变。

在一个优选实施例中，滤波单元包括：第一滤波器，该第一滤波器的滤波系数被设置成使得卷积运算所得到的信号的频率响应在特定频率范围内包含与该弦乐器主体的共鸣相关的多个峰波形；以及第二滤波器，其中设置有用于改变频率响应的另一滤波系数，并且其中改变单元改变设置在第二滤波器中的滤波系数。

在另一优选实施例中，改变单元改变滤波系数以使得频率响应中的多个峰波形的峰值之间的预定关系得以保持。

在另一个优选实施例中，信号处理装置还包括操作单元，该操作单元具有用于从用户接收操作的多个操作器，其中改变单元根据通过一个操作器接收到的单个操作来改变滤波系数。

在另一个优选实施例中，信号处理装置还包括存储单元，其存储了至少记录有第一滤波系数和第二滤波系数的表格，其中，第一滤波系数对应于其中所述多个峰波形之一的峰值作为第一值出现的频率响应，第二滤波系数对应于其中所述多个峰波形之一的峰值作为第二值出现的频率响应，其中操作单元接收到用于指定一个峰波形的峰值的操作，并且当根据操作单元接收到的操作所指定的峰波形的峰值既不是第一值也不是第二值时，改变单元通过使用第一滤波系数和第二滤波系数进行插值来计算对应于所指定峰值的滤波系数，并将设置在滤波单元中的滤波系数改变为计算出的滤波系数。

本发明还提供了一种弦乐器，包括：主体；弦；转换单元，其将弦振动转换成信号并输出该信号；获取单元，其从转换单元获取信号；滤波单元，其根据滤波系数对获取单元所获取的信号执行卷积运算并输出卷积运算所得到的信号，其中滤波系数被设置成使得卷积运算所得到的信号具有在特定频率范围内包含了与弦乐器主体的共鸣相关的多个峰波形的频率响应；以及改变单元，其改变滤波系数从而改变每个峰波形的峰值，同时保持频率响应中每个峰波形的宽度不变。

根据本发明，可将弦乐器主体的共鸣声添加到表示弦乐器的弦振动的电信号中，同时还允许用户能有意加重或抑制弦乐器主体共鸣声的成分，从而提供简单的操作来调整共鸣声的音量，并防止由于共鸣声而产生的啸声。

附图说明

图1示出了根据本发明一个实施例的吉他的外形；

图2的框图示出了根据本发明一个实施例的信号处理装置的构造；

图3示出了根据本发明一个实施例的滤波单元的频率响应；以及

图4示出了根据本发明一个实施例的设置表。

具体实施方式

[外形构造]

图1示出了根据本发明一个实施例的吉他1的外形。吉他1是一个将信号处理装置10和操作单元5安装到包括弦2、拾音器3和主体4的声学吉他上而构成的弦乐器。吉他1包括一个端子，通过该端子将信号处理装置10输出的音频信号Sout提供到外部装置。将该端子通过屏蔽线等连接到包括扬声器和放大器之类装置的放音器100。通过该连接，吉他1将音频信号Sout提供到放音器100以发出相应的声音。

拾音器3是一个转换单元，其包括压电元件并通过该压电元件将弦2的振动转换成电信号(以下称为“音频信号Sin”)。

操作单元5包括旋转开关、操作按钮等，并且一旦接收到用户在操作单元5上所执行的操作的信号，该操作单元就输出表示操作详情的信息。

信号处理装置10获取从拾音器输出的音频信号Sin和从操作单元5输出的信息。如下将参考图2来描述信号处理装置10的构造。

[信号处理装置的构造]

图2的框图示出了根据本发明一个实施例的信号处理装置10的构造。信号处理装置10包括获取单元11、均衡器(EQ)12、滤波单元13、改变单元14、存储单元15、以及输出单元16。

获取单元11获取从拾音器3输出的音频信号Sin并将该音频信号Sin从模拟转换成数字，以及将转换所得的音频数据Sd输出到均衡器12和滤波单元13。

均衡器12根据设置数据来对音频数据Sd执行均衡处理以输出音频数据Se。设置数据是根据用户在操作单元5上所执行的操作来设置的。

滤波单元13包括FIR滤波器131、无限脉冲响应(IIR)滤波器A 132、IIR滤波器B 133。滤波单元13依次使用FIR滤波器131、IIR滤波器A 132、以及IIR滤波器B 133来对输入音频数据Sd执行卷积处理，并且输出音频信号Sf。

滤波单元13被构造为使用设置在FIR滤波器131、IIR滤波器A132、以及IIR滤波器B 133中的滤波系数来在图3所示的多个频率响应中选择性地获取一个频率响应。

图3示出了滤波单元13的频率响应。在图3中，竖轴表示频率而横轴表示代表滤波单元13的频率响应的频谱S1、S2、S3、S4以及S5中的水平。频谱S3表示FIR滤波器131的频率响应。

通过根据来自吉他拾音器的信号与包括了麦克风所接收的共鸣声的吉他声音信号间的比较，估计出对应于拾音器与麦克风之间声学路径的传递函数的滤波系数，从而来获取设置在FIR滤波器131中的滤波系数。由于获取滤波系数的方法在日本专利申请公开第2009-162997及其相应的申请US2009-173218、EP2077549和CA2648419中已有公开，所以这里省略了对该方法的详细描述。上述公开文献中所包含的所有公开内容都通过引用并入本文。尽管在该实施例中描述了滤波系数固定的情况，但还可以如日本专利申请公开第2009-162997中那样更新滤波系数。由于以此方式获得的滤波系数被设置在FIR滤波器131中，所以通过FIR滤波器131获取的信号具有由频谱S3所表示的频率响应。也就是说，FIR滤波器131执行卷积运算来再现吉他1的主体4的共鸣声。换言之，FIR滤波器131以拾音器与麦克风之间声学路径的传递函数来对输入音频数据Sd进行卷积，从而将图3中的频谱S3所表示的频率响应赋予输出音频数据Sf。

该实施例中，输出信号的频率响应具有多个与主体4的共鸣声相对应的特征峰(在该示例中为两个峰f1和f2)。峰f1和f2表现为低音调音频R1至R2的特定频率范围(例如大约50到350Hz)内的多个特征峰。在该示例中，峰f1和f2分别位于大约110Hz和200Hz频率处。

与频谱S3不同，频谱S1、S2、S4和S5表示了通过改变设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133中的滤波系数而获得的滤波单元13的频率响应。具体来说，通过改变峰f1和f2的峰值同时保持峰f1和f2的峰波形的宽度不变来得到频谱S1、S2、S4和S5。尽管将这些峰波形的宽度定义为例如这些峰波形的半峰全宽(FWHM)，但这些峰波形的每个宽度还可被定义为在与峰值具有预定比的水平处的频率间的范围的宽度，或者被定义为在预定水平处的频率间的范围的宽度。以下，将该方式中的这种改变峰f1和f2同时保持其宽度简称为“峰f1和f2的改变”。这里，改变峰f1和f2以使得它们峰值间的预定关系能保持不变。在该示例中，峰f1和f2被设置为以相同的比例进行改变。

滤波单元13通过使用设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B133中的滤波系数对通过由FIR滤波器131进行的第一卷积运算所获得的信号额外地执行第二卷积运算来以上述方式增大或减小频率响应中峰f1和f2的峰值，可抑制由于共鸣声的峰f1和f2的影响而产生的啸声或加重主体的共鸣感。这里，滤波单元13可通过改变峰f1和f2的峰值而不是改变所有水平来加重主体的共鸣感或抑制由于峰f1和f2的影响而产生的啸声。当峰f1和f2被加重时，还可以通过适当设置所加重的峰f1和f2的频带来加重主体4的共鸣声的特征同时抑制啸声。

IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133用作所谓的参数均衡器，用来对已通过FIR滤波器131添加了主体4的共鸣声的音频信号中主体4的共鸣声的特征进行加重或抑制。具体来说，IIR滤波器A 132是用于改变频率响应中峰f1的滤波器，而IIR滤波器B 133是用于改变频率响应中峰f2的滤波器。

参考图2，改变单元14根据用户通过对操作单元5进行操作而指定的峰值来改变设置在滤波单元13的IIR滤波器A 132和I IR滤波器B 133中的滤波系数。在该示例中，用户通过旋转操作单元5上的一个操作器(例如，旋转开关)来指定峰值。在该示例中，假设用户指定的峰值是峰f1的峰值。用户只需指定用来改变峰值的任何值。例如，用户可以指定一个使峰值进行改变的相对量(即，百分比)。

改变单元14参考存储在存储单元15中的设置表来改变滤波系数。

图4示出了根据本发明一个实施例的设置表。在该设置表中至少指定了第一滤波系数和第二滤波系数，其中第一滤波系数对应于其中峰波形的峰值表现为第一值的频率响应，第二滤波系数对应于其中峰波形的峰值表现为第二值的频率响应。在该示例中，在设置表中指定了将要与图3所示具有指定了峰值的峰f1和f2的频谱的频率响应相关地设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133中的滤波系数。在该示例中，频率F、增益G、以及Q值被指定为将要设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133中的滤波系数。

滤波系数“频率F”是表示其水平将被增大或减小的频带中心的值。值“F1”被设置为IIR滤波器A 132中峰f1的频率，而值“F2”被设置为IIR滤波器B 133中峰f2的频率。根据与增益或Q值的关系而由对应于峰值的频率调整的值也可被设置在IIR滤波器A 132中。

针对增益G的滤波系数G13和G23是“0dB”。这使得滤波单元13的频率响应与FIR滤波器131的频率响应相同。在针对增益G的滤波系数当中，滤波系数G11和G21被指定成例如“+6dB”，而G12和G22被指定成例如“+3dB”，从而将峰f1和f2的峰值增大一定的量来加重主体共鸣，并且G14和G24被指定成例如“-3dB”，而G15和G25被指定成例如“-6dB”，从而将峰f1和f2的峰值减小一定的量。因此，峰f1和f2的峰值以相同的比例改变。

Q值是表示将要改变的带宽的系数，其被定义为相对于中心频率F1和F2的水平为-3dB水平的频率间的带宽(FWHM)。Q值还被指定为依照峰f1和f2的带宽的值。在峰f1和f2的FWHM保持恒定的情况下，Q值可保持恒定。然而，当峰f1和f2的峰值已减小时，在峰附近的水平处会出现一个大的下降(dig)。在这种情况下，Q值被指定为随着增益减小而增大。例如，从频谱S5能够看出，小峰出现在图3所示频率响应中峰f2的高频侧。在这种情况下，为了防止小峰信号的放大，设置表中指定了与峰f2相对应的IIR滤波器B 133的Q值，以使得带宽随着峰值的增加而减小。以此方式，吉他1可防止出现大的下降，从而抑制了从吉他1输出的音频信号Sout的声音质量发声改变。

中心频率F、增益G以及Q值的上述特定值是示例性的，可依据乐器或乐器的使用目的等来适当设置这些值。

参考图2，改变单元14参考上述设置表来改变设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133中的滤波系数。这里，当与用户指定的峰值相对应的频谱出现在设置表的对应关系中时，改变单元14将设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133中的滤波系数改变为对应于设置表中的频谱的滤波系数。

该方式中，改变单元14改变设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133中的滤波系数，从而将滤波单元13的频率响应改变为图3所示频谱的频率响应。

另一方面，当与用户指定的峰值相对应的频谱未出现在设置表的对应关系中时，改变单元14选择其峰值接近指定峰值的多个频谱。改变单元14随后对对应于这多个频谱的参数进行插值，并使用根据插值参数计算出的滤波系数。可通过对两点的值进行平均或使用连接多点的近似方程来执行上述插值，并且还可使用任何一致方法来执行上述插值。

改变单元14将设置在IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 133中的滤波系数改变为计算出的滤波系数。

存储单元15是诸如非易失性存储器之类的存储装置，其存储设置表。允许用户重写设置表。

输出单元16获取音频数据Se和音频数据Sf，将音频数据Se和音频数据Sf的每一个都从数字转换成模拟，通过针对音频数据Se和音频数据Sf设置的各自的放大因子(即增益)来放大两个模拟音频信号，将两个放大后的音频信号相加，随后将相加所得信号作为音频信号Sout输出到吉他1的端子。因此，输出单元16将音频信号Sout提供到与端子连接的放音器100。

在用户操纵操作单元5进行指定时，设置了放大因子。这里，当音频数据Se和音频数据Sf之一被设置排除在音频信号Sout以外时，输出单元16可将转换音频数据而产生的音频信号的放大因子设置为“0”。另外，在用于对音频数据执行处理的路径中提供的分量可被设置为禁用。

以上是对信号处理装置10的构造的描述。

本发明实施例的吉他1可在以上述方式通过滤波单元13对拾音器3输出的音频信号Sin执行卷积运算来将主体4的共鸣声添加到音频信号Sout之后输出该音频信号Sout。当从放音器100输出音频信号Sout时，由于峰f1和f2的影响可能会发声啸声。在此情况下，用户可对操作单元5进行操作来减小峰f1和f2的峰值以抑制啸声。这里，改变单元14改变设置在滤波单元13中的滤波系数，以得到这样的频率响应，即除峰f1和f2以外的频率处的水平不会显著减小。因此，吉他1可向放音器100提供减小了其中的啸声而不显著改变主体4的共鸣声感的音频信号Sout。相反地，吉他1还可增加峰f1和f2的峰值以加重主体4的共鸣声。

<变型>

尽管以上描述了本发明的实施例，但本发明还可提供如下所述的各种其他变型。

[变型1]

在以上实施例中，尽管改变滤波单元13的频率响应以使得峰f1和f2的峰值彼此相关地进行改变以保持峰f1和f2的峰值之间的预定关系，但并不需要彼此相关地改变峰f1和f2的峰值。

在这种情况下，存储单元15存储了设置表A和设置表B，其中在设置表A中指定了峰f1的峰值与将要设置在IIR滤波器A 132中的滤波系数之间的对应关系，而在设置表B中指定了峰f2的峰值与将要设置在IIR滤波器B 133中的滤波系数之间的对应关系。当用户通过对操作单元5进行操作来指定峰f1和峰f2的峰值时，改变单元14参考设置表A来改变设置在IIR滤波器A 132中的滤波系数，并参考设置表B来改变设置在IIR滤波器B 133中的滤波系数。

在该方法中，吉他1可为放音器100提供显著改变了主体4的共鸣声感的音频信号Sout。

[变型2]

在上述实施例中，尽管滤波单元13包括串联连接的FIR滤波器131、IIR滤波器A 132和IIR滤波器B 132，但本发明并不限于这样的构造。例如，滤波单元13可包括单个滤波器，也可包括更多数量的滤波器。也就是说，根据本发明的信号处理装置10可包括任意构造的滤波器，只要该滤波器具有如图3所示在指定的频率范围内出现对应于主体4的共鸣的多个峰波形的频率响应，并且只要该滤波器被构造为能够通过改变滤波器的滤波系数来改变峰波形的峰值而使得峰波形的宽度保持不变。

[变型3]

在上述实施例中，尽管存储单元15存储了能够在其中指定峰波形的峰值与滤波器系数间对应关系的设置表，但存储单元15还能将所述峰值与滤波系数间对应关系存储为算术表达式。在该情况下，改变单元14可使用算术表达式来计算对应于用户所指定峰值的滤波系数，并随后将设置在滤波单元13中的滤波系数改变为计算出的滤波系数。在该变型中，不需要执行上述实施例中所描述的插值处理。

[变型4]

在上述实施例中，尽管信号处理装置10是吉他1的一部分，但信号处理装置10并不需要作为吉他1的一部分。在该情况下，信号处理装置10可包括用于获取表示吉他弦振动的信号的输入端子，和对应于操作单元5的部件。存储单元15还可存储针对FIR滤波器131的滤波系数，以实现用于再现各种类型的吉他的主体共鸣声的频率响应，并该存储单元还存储分别对应于不同吉他的设置表。在该情况下，改变单元14可对输出了获取单元11所获取的音频信号Sin的吉他的模型进行识别，并随后将响应的滤波系数设置在滤波单元13中。这里，改变单元14可识别用户已通过对操作单元5进行操作而指定了的模型，将其作为吉他的模型。

这就允许用户通过将信号处理装置10连接到各种吉他来使信号处理装置10用于各种吉他模型。

[变型5]

在上述实施例中，尽管将吉他1作为弦乐器的示例进行了描述，但弦乐器并不一定必须是吉他之类的弹拨乐器。本发明的弦乐器可以是任意类型的弦乐器，例如小提琴之类的弓弦乐器以及钢琴之类的键盘乐器，这些弦乐器都使用弦来作为声音源，并且由于弦振动而使乐器主体之类的外壳发声共鸣。弦乐器可包括转换单元来将弦振动转换为电信号。

[变型6]

在上述实施例中，改变单元14还可分析音频数据Sd，确定在峰f1和f2的频率水平超过预定值时发声了啸声，以及自动改变滤波单元13的滤波系数以减小峰f1和f2的峰值，从而使峰f1和f2的频率水平降低到等于或小于所述预定值。

Claims

1.一种信号处理装置，包括：

获取单元，其获取表示弦振动的信号；

滤波单元，其根据滤波系数来对获取单元获取的信号执行卷积运算并输出卷积运算所得到的信号，其中滤波系数被设置成使得卷积运算所得到的信号具有在特定频率范围内包含了与弦乐器主体共鸣相关的多个峰波形的频率响应；以及

改变单元，其改变滤波系数以改变所述多个峰波形中每个峰波形的峰值，同时保持频率响应中所述多个峰波形中每个峰波形的宽度。

2.根据权利要求1所述的信号处理装置，其中滤波单元包括：

第一滤波器，其滤波系数被设置成使得卷积运算所得到的信号的频率响应在所述特定频率范围内包含与弦乐器主体共鸣相关的所述多个峰波形；以及

第二滤波器，其中设置有用于改变所述频率响应的另一滤波系数，并且其中，

所述改变单元改变设置在所述第二滤波器中的滤波系数。

3.根据权利要求1或2所述的信号处理装置，其中所述改变单元将所述滤波系数改变为使得所述频率响应中的所述多个峰波形的峰值之间的预定关系得以保持。

4.根据权利要求1或2所述的信号处理装置，还包括操作单元，所述操作单元具有用于接收来自用户的操作的多个操作器，

其中，所述改变单元根据通过所述多个操作器之一接收到的单个操作来改变所述滤波系数。

5.根据权利要求3所述的信号处理装置，还包括操作单元，所述操作单元具有用于接收来自用户的操作的多个操作器，

6.根据权利要求4所述的信号处理装置，还包括存储单元，所述存储单元存储了至少记录第一滤波系数和第二滤波系数的表格，其中所述第一滤波系数对应于所述多个峰波形之一的峰值表现为第一值的频率响应，所述第二滤波系数对应于所述多个峰波形之一的峰值表现为第二值的频率响应，

其中，所述操作单元接收到用于指定峰波形的峰值的操作，并且

当根据所述操作单元接收到的操作所指定的峰波形的峰值既不是所述第一值也不是所述第二值时，改变单元通过使用所述第一滤波系数和所述第二滤波系数进行插值来计算对应于所指定峰值的滤波系数，并将设置在所述滤波单元中的滤波系数改变为计算出的滤波系数。

7.根据权利要求5所述的信号处理装置，还包括存储单元，所述存储单元存储了至少记录第一滤波系数和第二滤波系数的表格，其中所述第一滤波系数对应于所述多个峰波形之一的峰值表现为第一值的频率响应，所述第二滤波系数对应于所述多个峰波形之一的峰值表现为第二值的频率响应，

8.一种弦乐器，包括：

主体；

弦；

转换单元，其将弦振动转换成信号并输出所述信号；

获取单元，其从所述转换单元获取所述信号；

滤波单元，其根据滤波系数对所述获取单元获取的信号执行卷积运算并输出卷积运算所得到的信号，其中所述滤波系数被设置成使得卷积运算所得到的信号具有在特定频率范围内包含了与弦乐器主体共鸣相关的多个峰波形的频率响应；以及

改变单元，其改变所述滤波系数以改变所述多个峰波形中每个峰波形的峰值，同时保持所述频率响应中的所述多个峰波形中每个峰波形的宽度。