没有击弦机的钢琴还是钢琴吗？

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采用击弦机的机械数码钢琴
【摘要】：本文介绍了一种采用机械钢琴击弦机和光电开关盒组件，以改善数码钢琴弹奏手感的机械数码钢琴。
【关键词】：机械数码钢琴 击弦机 光电开关盒

The mechanical digital piano with a Struck string machine
Jiangtao
(Wuhan Laite science and Technology Co,Wuhan,430010)
Abstract :This article introduce a mechanical digital piano with a struck string machine and a photoelectric switch box assembly, in order to improve the feeling of the hand when  play the digital piano.
Key words:Mechanical digital；struck string machine;photoelectric switich box
1.数码钢琴对机械钢琴的模拟
        钢琴被称为乐器之王，它的发音原理是弹奏者通过按下键盘上的琴键，牵动钢琴里面包着绒毡的小木槌，继而敲击钢丝弦发出声音，而这个传递琴键动作，敲击钢丝弦的机构就是击弦机。击弦机是钢琴的心脏，现代钢琴是在击弦机的基础上发展起来的--意大利人巴尔托洛梅奥·克里斯托弗利在1709年发明的世界上第一台钢琴从严格的意义上讲，只发明了钢琴的击弦机而已。可以说，离开了击弦机，钢琴也就不再是钢琴了。
        数码钢琴是依靠现代微机技术、数码音源技术，模拟钢琴音色和弹奏方式的一种电声乐器，其弹奏方法和声音均尽可能的模拟传统的钢琴。由于它具有音源稳定，无需调律、具有MIDI接口，便于乐曲创作、适应于集中教学等普通钢琴所不具备的优点，近十年来得到了快速的发展。通过现代的微电子技术、数码采样、录音和还原技术，数码钢琴的音色已经十分逼近于普通的机械钢琴，由于其音源库均在高档名琴上采用PCM的高保真音频流录音方式高速采样，其音色甚至超过普通的机械钢琴。
        为了模拟钢琴弹奏的手感和力度，目前国内外数码钢琴的制造厂家发明了弹簧力度键盘、逐级配重键盘等各种方法，包括国际知名大厂生产的价格昂贵的数码钢琴，其弹奏手感一直备受专业人士的病垢，其根本原因是这些方法无论怎样模拟，始终不能完全模拟手指击键时所感受的击弦机机械传动的微妙感受。弹奏手感不佳的问题，甚至已经成为了阻碍数码钢琴发展的最大障碍，许多弹奏着因此拒绝使用数码钢琴。因此，能否逼真的模拟机械钢琴的下键手感，成为衡量数码钢琴产品品质的最重要标准。
        本文所述的“机械数码钢琴”在数码钢琴上采用了机械钢琴的击弦机，这样其击键手感就与普通机械钢琴完全相同了。
2.机械数码钢琴
2.1机械数码钢琴的击弦机组件
        在击键方式和感觉上，数码钢琴与电子琴的区别就是其键盘是具有模拟钢琴键盘的力度感觉的，弹奏者通过不同的弹奏力度可以改变所发出的声音。如前文所述，目前在数码钢琴上广泛采用的键盘，大致可以分为利用弹簧力模拟钢琴键盘的力度键盘和采用杠杆原理在琴键触键部分的对侧逐级的安装配重块，以模拟钢琴键盘手感的配重键盘。
        采用弹簧力的力度键盘由于弹簧力的一致性较差，准确性亦不容易实现，长期弹奏中容易出现弹簧疲劳导致弹奏手感差、卡阻和按键“塌陷”故障率较高等原因，目前只是在成本较低的低端产品中使用。采用配重块的配重键盘，尽管从手感上较弹簧力度键盘有一定提高，但距离专业钢琴弹奏着所熟悉的下键感受，特别是与击弦机机械传动过程所反馈到指尖的微妙之处仍然想去甚远，而这可能就是传统钢琴历经数百年传承和发扬的精髓和奥秘。
        钢琴击弦机由5500多个极为细小的零件组成，准确描述击弦机的力矩传递函数是十分困难的，这也使得以其它方式模拟和仿真击弦机的工作过程具有很大的难度。因此，在数码钢琴上采用传统钢琴的击弦机，是数码钢琴实现传统钢琴弹奏手感的最好也是最直接的办法。
图1 采用击弦机的机械数码钢琴
        如图1所示，机械数码钢琴击弦机的安装部位和方式与普通机械钢琴完全一致，只不过由于没有普通机械钢琴的琴弦，击弦机的弦锤所击打的不是琴弦而是采用毡垫消音的机架，以模拟击弦过程并保证其击打不会发出噪音。
2.2光电力度开关
        配合采用了击弦机的力度键盘，如何实现对应于弹奏力度的声音呢？普通的数码钢琴采用了这样的方法：
        在每个琴键的下面安装了一个导电橡胶开关，这个导电橡胶开关包含了两个接点，这两个电气接点可在不同的按键深度下被接通，微机电路测量两个电气接点被接通的时间差T，对应两个接点之间的距离L，根据v=L/T就可以计算出按键的速度，对应于克服键盘向上弹力的大小，便可以线性的对应按键力度了。微机根据这个力度通过查表调出乐库中对应的音频文件，转换为模拟电信号，驱动扬声器发出不同的声音。

图2 键盘力度检测（速度检测）
        我们可以注意到在这个过程中，确保弹奏过程中这两个电气接点之间的距离L不发生改变和漂移是非常重要的，如果距离L发生改变，微机对应测量出来的速度和力度就会发生改变，那么微机查表调出的音频文件也会发生错误了。这就类似于普通钢琴琴弦缺乏校调所导致的音律不准，即使是有一个很好的击弦机，弹奏出的音乐也会出现偏差。而导电橡胶是用柔软的橡胶制造而成，其工作原理就是依靠导电橡胶变形时接通接点，而这个变形以及长期使用导致的老化就不可避免的导致接点距离L的改变。
       
        本机械数码钢琴的电气接点采用的是一个双接点的导电开关盒，开关盒的一端是另两个独立的发光管，另一端是对应这两个发光管的两只光敏管。在这两个发光管和光敏管之间，固定在琴键下面的是一个挡片，在按键过程中先后挡住这两组发光管和光敏管之间的光传输通道。利用这个导电开关盒，同样采用测量下键速度的方式，实现了不同力度下的发声不同，不会产生偏差和漂移。
2.3数码音源和音频放大器
        本机械数码钢琴的音源部分采用了法国DREAM公司生产的SAM2553音源主控芯片，SAM2553是一种单片的音源控制处理芯片，它包含了一个64位的DSP处理器和16位中央处理器，一个32K×16的RAM存储器，一个LCD液晶显示驱动器和一个键盘扫描处理单元，一个MIDI接口。
        利用SAM2533机械数码钢琴实现将存储的PCM音源文件转换为对应不同按键和下键力度的模拟信号。
        本机械数码钢琴的音频放大器采用对管放大器构成，为50W+50W甲乙类高保真音频功率放大器，以保证输出音频信号能够得到最大程度的还原成声音信号。
3.结论
        采用了机械钢琴击弦机机械数码钢琴，完全模拟了普通机械钢琴的弹奏手感，配合光电开关盒的应用，较为准确的模拟和还原了机械钢琴的弹奏方式，以数码音源和大功率、高保真音频功率放大器，实现了与高品质机械钢琴相当的效果。
       
参考文献：
QBT 2279-1996 钢琴击弦机，中国轻工业联合会
SAM2553 ，Atmel dream

（武汉铼特科技有限公司）

琴魔手

呵呵，好专业啊，看的眼都痛了也没看懂啥

mh60

太专业了，

jeanzjf

我记得还有拨弦的钢琴。当然它就是没有击弦机

筱旻

有击弦机的电钢不是啥新鲜玩意了，

以前发过贴介绍：https://www.cnkeyboard.com/bbs/thread-115087-1-1.html

楼主朋友能不能上传点高保真录音？

mh60

回复 4# 丁小捷
你想说什么呢？:)

121CY

有击弦机的电钢不是啥新鲜玩意了，

以前发过贴介绍：

楼主朋友能不能上传点高保真录音？
筱蓂 发表于 2011-7-18 11:20

    音源和其他国产电钢没啥区别，放个录音上来估计也不会有啥惊喜。键盘结构是卖点的话发几张结构照片看看吧。