采用反馈和输入驱动器增强的原声乐器
阅读：641发布：2020-05-08
专利汇可以提供采用反馈和输入驱动器增强的原声乐器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种由计算机装置实现的方法，对至少一个 传感器 所输出的声音数据进行处理以及对声传播结构的至少一个 驱动器 进行激励。传感器(CAP)感测通过传播结构振动所输出的声 信号 。传播结构承载至少一个驱动器(ACT)，所述至少一个驱动器由计算机装置控制并参与传播结构的振动。尤其是，所述方法包括：a)测量驱动器、传播结构以及传感器组件的传递函数；b)根据所选择的设置点来控制驱动器(ACT)的激励，以使传播结构振动：-考虑测量的传递函数，以及-考虑传感器在反馈模式所感测到的声信号。，下面是采用反馈和输入驱动器增强的原声乐器专利的具体信息内容。
1.一种由计算机装置实现的方法，对至少一个传感器所输出的声音数据进行处理以及对声传播结构的至少一个驱动器进行激励，
传感器(CAP)感测通过传播结构振动所输出的声信号，所述传播结构承载至少一个驱动器，所述至少一个驱动器由所述计算机装置控制并且参与传播结构的振动，所述方法包括：
a)测量驱动器、传播结构以及传感器组件的传递函数，
b)根据所选择的设置点来控制驱动器(ACT)的激励，使传播结构振动，其中：
-考虑测量的传递函数，以及
-考虑传感器在反馈模式所感测到的声信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述驱动器的激励以混合“反馈/前馈”模式进行控制。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤a)中：
-所述传递函数(H1)以开环(S2)方式进行测量，以及
-然后估算结构的振动参数(S3)，以计算反馈控制增益(S4)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述选择的设置点包括对声音幅度变化、均衡、延迟、混响、失真、相位变化、频率变化，幅度调制中的至少一种声音效果以及多种声音效果组合的控制。
5.根据权利要求4并结合权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述前馈类型的增益通过更新步骤a)所测量的传递函数，根据声音效果设置点来调整。
6.根据权利要求4和5中任一项所述的方法，其特征在于，所述反馈控制增益根据声音效果设置点来更新。
7.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述声音数据的处理采用抽样以低于一百微秒的延时来执行。
8.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述传播结构包括弦乐器音箱，在弦静音的情况下进行测量。
9.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述传播结构包括弦乐器音箱，两个驱动器设置在带有琴弦的琴桥两侧。
10.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步提供麦克风，用于感测靠近传播结构的空气中的声压(p)，所述方法进一步包括对驱动器、传播结构以及麦克风组件的第二传递函数(H2)的测量，
且其中，所述驱动器的激励以反馈/前馈模式进行控制，进而根据所述第二传递函数(H2)对反馈控制增益进行精确估算。
11.根据上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述传播结构包括真实的乐器音箱，所述计算机装置配置为真实的乐器提供选定乐器的振动特征和声音特征。
12.计算机程序，包括在所述程序由处理器(PROC)运行时用于执行根据上述权利要求中任一项所述方法的指令。
13.一种包括处理电路的装置(DIS)，所述处理电路配置用于执行根据权利要求1至10中任一项所述的方法。
采用反馈和输入驱动器增强的原声乐器
技术领域
[0001] 本发明涉及对在具有声传播结构的乐器上所感测的声音数据的处理。更具体地说，将感测和处理的声音数据所形成的信号提供给乐器传播结构的一个或多个驱动器，从而增强振动特性，尤其是使乐器所输出的声音可具有所期望的音响效果(延迟、混响、失真、均衡等)。
背景技术
[0002] 例如，弦乐器包括与带有琴弦的琴桥相耦合的传播结构(声板和可选的音箱)。因此，在本发明的范围内，提出使传播结构产生特殊效果的谐振，从而进一步彰显音乐家的演奏效果。例如，在延迟情况下，音乐家所演奏的音符经传播结构放大和扩散，但此外，作用于传播结构的一个或多个驱动器随之将振动应用于结构，并在一定时间间隔内以减小振幅的方式来重播所述音符，以便模拟延迟的效果。
[0003] 所述方法不同于通过电缆(或“插孔”)与扩音器相连的电吉他上常规弹奏所产生的效果情况。参考图1，该图阐述了安装在吉他GUI上的一个或多个传感器MIC感测弦的振动信号，并且所述信号提供给装置EF以便应用于信号的选择性传输(延迟、混响、失真、均衡)，“移相器”型或较慢的“飘忽效果器(flanger)”型相变，“合唱”型或更清晰的“八度(octaver)”型混合的频率略有变化，“颤音”型幅度调制，声音幅度变化：动态(“维持”或“压缩”类型，或非该类型，或其它)。所述装置EF(通常称之为“效果踏板”)通常与扩音器AMP相连接，扩音器以电子方式放大声音信号，并使得通过效果踏板EF所转换的声音信号传播。
[0004] 在本发明方法的情况下，乐器的传播结构(例如，常见的是吉他的音箱CAI)可用作“效果踏板”式装置DEV所转换的声音信号的“扩音器”或“扬声器”。
[0005] 更具体地说，在图2所示例中，将一个或多个传感器MIC安装在吉他的音箱上(例如在声音孔处)。所述传感器感测传播结构的声音振动。与所述声信号相对应的数字信号，可以作为装置DEV的输入E来激活并应用所需效果，以及通过其输出S来控制驱动器ACT并应用于音箱CAI，以便根据装置DEV使用者所选定的效果来实现音箱的振动。
[0006] 通常情况下，在图2中，弦乐器传播声音的电转换包括：
[0007] -将传感器和驱动器集成于所述乐器中，
[0008] -对感测信号应用处理，
[0009] -以及将所述信号发回驱动器。
[0010] 因此，乐器所传输的声音是音乐家演奏的声音和由装置DEV所转换的声音的总和(不需要将感测信号传递到放大链，如图1所示的常规执行和所说明的那样)。
[0011] 因此，所应用的转换一般是设置为“前馈”输入的数字音频效果(混响(或“回声”)、合唱、失真、均衡)，也就是说，处理不考虑传感器上驱动器发出的反馈。
[0012] 采用这类技术的转换不能获得预期效果。
[0014] 所传播出的声音质量较差，例如，与另一台乐器的声音质量相比，或者与图1所示类型的传统放大链所获得的声音质量相比。
[0015] 所述两个缺陷是由于未考虑传播结构的特性和/或具有弦激励的耦合特征的事实。实际上，传播结构的振动特征根据频率来不均匀地转换驱动器所激励的信号。这在音箱区域更为突出，在该区域中的谐振模式会引起从一个频率到另一个频率的幅度改变。所述不均匀的特征是由乐器制造商所施加的，并且是拔弦弹奏时乐器的质量指示。另一方面，当由驱动器执行激励时，根据所弹奏音符会导致不均匀的声音质量。另外，在某种频率上弦和音箱之间的显著耦合，会在驱动器发射后引起传感器的强烈的反馈。所述反馈会改变音箱的共振频率和衰减。因此，不考虑所述反馈的事实，是目标声音产生误差和不稳定的根源。
发明内容
[0016] 本发明旨在改善这种情况。
[0017] 为此，同样还提出了一种由计算机装置实现的方法，对至少一个传感器所输出的声音数据进行处理以及对声传播结构的至少一个驱动器进行激励。传感器感测通过传播结构振动所输出的声信号。传播结构承载至少一个驱动器，所述至少一个驱动器由前述计算机装置控制并参与传播结构的振动。
[0018] 特别是，该方法包括：
[0019] a)测量驱动器、传播结构以及传感器组件的传递函数，
[0020] b)根据所选择的设置点来控制驱动器的激励，使传播结构振动，其中：
[0021] -考虑测量的传递函数，以及
[0022] -考虑传感器在反馈模式所感测到的声信号。
[0023] 对前述传递函数的考虑，使得有可能精确地控制由乐器振动所产生的音响效果，从而有可能使得“虚拟”乐器获得真实乐器(其本身具有“标准”质量)所拥有的振动特征和声音特征(例如，被称之为“史特拉第瓦里”类型小提琴式质量的响度)。
[0024] 在方法的一个实施例中，驱动器的激励以混合“反馈/前馈”模式进行控制。
[0025] 在一个这样的实施例中，在步骤a)：
[0026] -所述传递函数以开环方式进行测量，以及
[0027] -然后可以估算结构的振动参数，以计算反馈控制增益，可见于如图7所示方法的例子。
[0028] 在一个实施例中，所选择的设置点包括对声音幅度变化、均衡、延迟、混响、失真、相位变化、频率变化，幅度调制中的至少一种声音效果和多种声音效果的组合的控制。
[0029] 很显然，在一个这样的实施例中，前馈类型的增益可以通过更新步骤a)所测量的传递函数，根据声音效果的设置点来调整。
[0030] 此外，反馈控制增益可根据声音效果的设置点来更新。
[0031] 此外，可以提供麦克风，以便感测靠近传播结构的空气中的声压。该方法可以进一步包括对驱动器、传播结构以及麦克风组件的第二传递函数的测量。这种实施例使得驱动器的激励以反馈/前馈模式进行控制，尤其是根据所述第二传递函数(参考后续将讨论的图3和图6中H2)对反馈控制增益进行精确估算。
[0032] 因此，根据所述实施例方法的应用，可包括配置前述计算机装置，以向真实乐器提供选定乐器(虚拟)的振动特征(上述第一传递函数)和声音特征(上述第二传递函数)。
[0033] 此外，声音数据的处理可以通过抽样以优选低于一百微秒的延时来执行。这通常是输入/输出物理音频延时(在模拟-数字转换器之前和在数字-模拟转换器之后)。
[0034] 在传播结构包括弦乐器音箱的实施例的一个例子中，前述传递函数在弦静音的情况下进行测量。
[0035] 在传播结构包括弦乐器音箱的实施例中，两个驱动器设置在带有琴弦的琴桥两侧。
[0038] 本发明的其他优点和特征将通过阅读下文本发明实施例示例的详细描述，以及参考附图而变得显而易见，其中；
[0039] -图1示出了与效果踏板相连接，同样也连接到扩音器的乐器的常规组件；
[0040] -图2示出了本发明范围中的传感器以及乐器上一个或多个驱动器的组件，其中乐器上的驱动器还与装置使用者的设置点来管理驱动器的装置相连接；
[0042] -图4示出了在以开环方式测量传感器和驱动器之间的传递函数之后的“反馈”(FB)型控制的调整；
[0043] -图5示出了根据音乐家所选定效果的前馈(FF)类型控制的调整；
[0044] -图6示出了更新后的反馈控制的并行调整，以考虑音乐家选定效果设置点所施加的前馈控制的新数值；
[0045] -图7为流程图，该流程图示出根据本发明方法的一个示例步骤；
[0046] -图8示出了适用于本发明实施的示例装置；
[0047] -图9示出了适用于吉他设备的优选实施例，所述设备与本发明所述装置相连接；
[0048] -图10A、10B和10C示出了在实施例的一个示例中操作的处理，以便根据前馈控制获得从前述传递函数H1所确定的参数。
具体实施方式
[0049] 如图9所示，配备有本发明装置的原声吉他具有：
[0051] -一个或多个(例如两个)电动驱动器ACT平行安装在琴桥的两侧；以及[0052] -装置DIS(通过输入E与传感器相连接，输出S与驱动器相连接)。
[0053] 参考图8，详细示出了实施例的一个示例中的装置DIS，该装置包括：
[0054] -用于传感器的预放大器PRA(通过装置的输入E)；
[0055] -快速模拟-数字转换器CAN；
[0056] -微控制器CTL；
[0057] -快速数字-模拟转换器CNA和(通过装置的输出S)激励驱动器ACT的功率放大器AP。
[0058] 处理的物理延时不超过几微秒。
[0059] 因此，装置DIS实际上实时操作(以非常低的延时，例如，在输入E和输出S之间只有几微秒)。装置DIS包括微控制器或更一般地处理电路CTL，通常包括：
[0060] -存储器MEM，存储本发明范围内的计算机程序的指令数据(以及可选的其他非永久性计算数据)；以及
[0061] -处理器PROC，读取存储器MEM的内容，以运行计算机程序，从而实施由抽样所实施的数字音频处理算法，所述算法通过对传播结构特性的估算来获知，如下文所述获得。
[0062] 本发明提出了一种反馈/前馈(FB/FF)类型的处理，其中：
[0063] -传感器CAP和驱动器ACT之间的传递函数H1可以开环方式作初始估算，如图4所示，
[0065] -控制器CTL可根据程序化效果，有选择性地调整预估的传递函数，
[0066] -当使用者演奏乐器时，应用程序化效果，以便以前馈模式来激励驱动器(如图3中的箭头F1)，
[0067] -随后，根据驱动器在乐器上操作的振动，尤其是对弦操作的振动(如图3中的箭头F2)来考虑调整的传递函数，尤其是控制传感器CAP感测的信号(例如，由处理器PROC在预放大器PRA处提供控制，如图8所示)，
[0068] -以反馈模式来调整和分析由传感器CAP所感测的声音或振动，以应用所需效果(CTL FF)，并考虑弦的振动以及更一般地对传播结构振动的驱动器的激励，所述振动叠加到音乐家的自然演奏和所需的音响效果。
[0069] 进一步可以实时估算在驱动器和一个或多个音响麦克风之间的振动音响传递函数H2，音响麦克风位于空间任何一点用于测量压力p(靠近音乐家、观众的耳朵，甚至是拾音器，例如，集成本发明装置中的计算机装置的智能手机)。因此，例如，由使用者选定声音效果所用的具体处理的前述预先选择，通常可通过无线连接(例如蓝牙)由智能手机上的应用程序来静态实施，或直接由乐器动态实施(例如，具有电位器，如同在电吉他上一样，可直接调节效果而不是音量)。
[0070] 因此，图3至图6中呈现的声压p，可通过麦克风(如同智能电话的麦克风，用作使用者界面，例如)。所述测量随后用于前馈增益(进一步传递函数H1)的确定，甚至可用于反馈/前馈中的增益的确定，以增强传到音乐家耳中的最终演奏的效果。
[0071] 应注意的是，图3中未示出反馈控制模式，仅示出了“音响路径”，而图6示出了本发明的实施。
[0072] 在图4所示的一个具体地实施例中，传感器和驱动器之间的传递函数H1，最初是在弦静音状态下进行测量的(音乐家没有拨弦)。所述传递函数在频率间隔上具有一系列峰值，以及每个频段的平均幅度(例如，九个频段)。因此，在驱动器和传感器之间的传递函数是以开环方式进行测量的，随后估算传播结构的振动特性(频率、谐振的质量因素、在传感器和驱动器处的振幅、和/或其它特性)。随后，根据所述测量，可以推导出传感器CAP处的振动特征，使之有可能进一步细化所应用的反馈控制(考虑进一步所描述的自动参数估算方法)。随后根据所述测量和估算对反馈控制器进行编程。如将进一步所示，对于每个新的前馈处理，将自动进一步重新编程。
[0073] 此外，参考图5，当使用者开始选择相同期望的声音修改时(上述效果)，可调整前馈类型的增益。所述增益的数值更新如上所述的传递函数(因为传感器处的声音特征将受到所选效果类型的影响，例如，音乐家弹奏后使得设备振动的延迟)，这也通过反馈来更新控制器的增益。因此，对于乐器的最佳恢复，可以考虑获得音乐家所选择完美的修改(考虑所述修改对乐器固有反馈的影响)。
[0074] 如果吉他手选择例如将声级增加6dB(声级加倍)，则装置测量前馈开环中在传感器处的信号增加6dB的传递函数H1的修改。因此，相同地估算新的频率幅度值以及与初始值的偏差。因此，可以理解为传递函数可以得到最好的估算：
[0075] -对于多个频段(通常约为10)，以及
[0076] -根据多个声音振幅声级(例如具有音乐家演奏的激励声级)。
[0077] 控制器调整反馈类型的增益(例如，每个控制增益相对增加6dB)，以获得稳定的控制。实际上，如果不考虑执行所述反馈，控制通常是不稳定的。如果音乐家通过变换前馈增益再次改变其声级，就要重新计算反馈的增益，并应用于系统(装置和驱动器/传感器)。
[0078] 因此，应当理解，传递函数是动态估算的，尤其是根据用户所选择的效果或效果的组合来动态估算的。
[0079] 如果音乐家希望其乐器具有与另一台乐器相同的音色，例如，已分析过的具有更好质量的吉他，则将所述更好质量吉他的频段幅度作为前馈增益的目标，此外，所述增益更新传感器的特性。然后，通过装置上的反馈型控制器，通过系统在闭环中的极点布置，对准更好吉他的频率和衰减，其中所述装置整合所述增益。如果没有反馈/前馈的组合，只涉及频率和衰减，但不能生成频段幅度和不稳定性。
[0080] 在这种情况下，很显然，估算第二传递函数H2是有用的，可以改进反馈计算参数(振动但也是声音)，随后，使用麦克风来感测靠近乐器传播结构空气中的声压p(例如，通过将智能手机麦克风靠近，可由本发明的处理进行操作)。因此，乐器可使使用者的耳朵听见类似于选定的目标乐器一样。
[0081] 仅作为指示性和非限制性示例，包括控制的乐器/传感器/驱动器系统可以用第一传统方法进行公式化，如下所示：
[0082] dx/dt＝Ax(t)+Bu(t)+Gw(t) (1)
[0083] y(t)＝Cx(t) (2)
[0084] u(t)＝-Kx(t) (3)
[0085] 其中，x(t)是系统的状态向量(例如，位移和模型速度的集合)，u(t)、y(t)和w(t)分别是控制、测量和干扰，A是表征传播结构的矩阵，B是驱动器的矩阵，C是传感器的矩阵，G是干扰的矩阵，K是控制器的增益矢量。
[0086] 所述系统取决于每个传播结构、传感器和驱动器的位置和数量，以及干扰。
[0087] 在一个具体实施例中，拾音器可使用位于吉他琴桥螺母下方或者位于弦和小提琴琴桥之间接口处的单个压电传感器(例如，陶瓷PZT或PVDF甚至MFC)来完成。另一个实施例可以提供分布在琴桥上的多个传感器，各自设在与每个弦的接口处。
[0088] 驱动使得好的扬声器外壳产生高质量的传播声音，同时又有可能测量音箱的振动特征。为此，可以通过多物理有限元的数字模拟来优化驱动器的位置和数量的确定。例如，在图9所示的一个具体实施例中，使用两个惯性电动驱动器ACT在琴桥上实施驱动，所述驱动器ACT并行安装在具有可控相位差的琴桥的两侧或安装用于接收立体声信号。
[0089] 在上述表达中，参数A、B、C和G可以通过例如有限元法对整个机电系统模拟的数字计算来估算的。另一种方法包括通过实验方式来估算，对于A、B和C，可以通过传感器和传动器之间开环的传递函数得到，对于G，可通过具有冲击锤或“振动器”和加速度计的琴桥处的导纳测量得到。随后，采用例如有理分式多项式(RFP)方法来进行预估。
[0090] 另一方面，x(t)不可直接访问(因为测量仅给出y(t))，在任何时刻都需要进行预估，例如，使用状态观测器，例如，龙贝格观测器(Luenbergerobserver)。
[0091] 随后可以写入系统的y/w传递函数：
[0092] y/w＝C(sld-A)G-1，仅用于系统 (4)
[0093] y/w＝C(sld-(A-BK))G-1，用于受控系统 (5)
[0094] 因此，传播结构的受控振动具有(A-BK)和加上单独A的动态。计算矢量K以实现某个振动目标，例如谐振的频率和衰减。例如，有可能使用(A-BK)的极点放置算法。
[0095] 在上述参考图3至图5的第二种方法中，所提出的控制器不仅引入了控制，还考虑了在传感器处的振动特征(使得有可能注入转换扬声声压p但产生反馈的前馈增益)。在这种情况下，除了A、B、C和G估算外，还可计算传递函数H1每个频段的平均值(以及图中所示传递函数H2中潜在的每个频段的平均值)。有可能选择，例如九个频段(Hz)：[20,100]；[100,200]；[200,400]；[400,800]；[800,1600]；[1600,3200]；[3200,6400]；[6400,12800]；
[12800,20000]。因此，所述频段中每一个的修改构成了前馈控制的目标。一旦确定了所述控制，就可以计算矢量C。
[12800,20000]。因此，所述频段中每一个的修改构成了前馈控制的目标。一旦确定了所述控制，就可以计算矢量C。
[0096] 图10A、10B和10C中示出了用于获得干预上述等式中的参数A、B、C、K的示例。参考图10A，测量传感器和驱动器之间传递函数H1的频谱(幅度/频率)。参考图10B，对传递函数H1的孤立幅度峰值的频率检测，使得有可能获得参数A、B和C。参考图10C，根据先前估算的参数A，B和C，进行传递函数H1的每个频段的平均幅度的计算，以便获得参数K。可以确实获得反馈控制器的增益K和前馈控制器每个频段的增益。因此，从整体上来看，可以通过频段幅度来获得所有频率、衰减和模型增益。
[0097] 在下文中，反馈控制的计算方式与前述第一种方法不同，称为“常规”(在可能立即出现的意义情况下)。
[0098] 在所述第二种方法中，等式(1)和(2)保持不变，但等式(3)变为：
[0099] u(t)＝-Kx(t)+Cx(t) (6)
[0100] 对于受控系统，系统的y/w传递函数为：
[0101] y/w＝C(sld-(A+BC-BK))G-1 (7)
[0102] 因此，受控箱具有(A+BC-BK)的动态，以及根据第一常规方法的控制器的(A-BK)的更多动态。矢量K的计算为了：
[0103] -为矢量C的所有修改提供稳定性，
[0105] 当然，这是实施例的一个示例，用于说明在传感器CAP处考虑的特征，如图6所示，直接用于前馈控制CTL FF，但间接也用于反馈控制CTL FB，反之亦然。实际上，前馈控制也可视为将振动特征的修改应用于传感器。
[0106] 参考图7，图7总结了本发明中的一系列方法步骤的示例，在例如将装置DIS与乐器/传感器/驱动器系统相连接的启动步骤S1之后，实际上，在步骤S2中测量前馈开环中的传递函数H1，同时有可能在步骤S3推导出传播结构的振动参数，特别是传递函数H1的形式，并且由此在步骤S4推导反馈控制参数。随后，在步骤S5，音乐家可以执行声音调节和/或具体效果，在这种情况下，在步骤S6更新前馈控制的参数以及在步骤S3和S4估算的其它参数。附加地或替代地，可以自动执行声音调节，例如，根据音乐家的具体演奏或其他特征。附带地，在一个可能的实施例中，效果可以不是由音乐家直接和限制地选择，而是可以根据音乐家的演奏动态地编程。
[0107] 否则(“否(no)”箭头，作为S5测试的输出)，装置DIS可以在步骤S7进行实时处理的操作，以应用由用户编程的声音调节和/或效果，以便在步骤S8通过真正乐器恢复原声。
[0108] 因此，上述方法特别考虑了振动参数预估和反馈控制增益计算的前馈控制参数。
[0109] 因此，本发明有可能大大降低不稳定性并获得声级，并且更一般地获得目标的音响质量，这得益于混合反馈/前馈控制器，也就是说，乐器固有反馈的处理和传统数字音频效果一起进行计算，以便将振动信号重新注入乐器传播结构的一个或多个驱动器ACT中。
[0110] 在本发明范围内实施的技术优点包括：
[0111] -原声乐器声级的增加和音色增强，
[0112] -将数字音频处理注入原声乐器，以避免拉森效果类型的不稳定，
[0113] -实现传播结构的目标振动特性，即谐振的频率和衰减以及每个频段的振幅，从而显着改善乐器的音响质量，
[0114] -可以提供单个传感器和单个驱动器，以执行所有转换。
[0115] 当然，本发明不限于通过示例的上述实施例；它可延伸到其它替代实施例。
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