数码钢琴基础知识，第1部分 模仿原声钢琴

奥尔登·斯金纳

在本文的第1部分中，我们描述了数码钢琴如何执行其最基本的功能-模仿原声钢琴。我们首先进行音调制作，然后继续进行控制（键盘和踏板），最后介绍乐器的音频系统。在第2部分中，我们探索了数码钢琴超越简单复制原声钢琴功能的所有方法。

 

音调制作

采样率和位深度

现在大多数数字钢琴中用来模拟原声钢琴复杂音调特性的技术称为采样。采样是最简单的形式，是对声音进行数字记录以供以后播放的过程。样本集合（例如，再现钢琴音调所需的样本）称为样本集。为像钢琴这样复杂的乐器编译样本集时，需要做出许多决定，也许最重要的是采样率和位深度。

采样速率确定如何每秒声音多次将被测量。必须对声音进行足够频繁的采样，以避免丢失采样时间之间发生的变化。该速率又取决于所采样声音的频率。键盘上最高音符的基本频率是每秒4186个周期或赫兹（Hz）。但是，伴随这些基本音调的泛音会以基本音调频率的倍数振动，因此必须正确记录以准确再现音调。幸运的是，光盘的发明人已经很清楚这一要求，很久以前就采用了44100Hz的采样率进行音频CD记录。

另一个决定是每秒每秒进行44100次测量的精度。正如我们不想错过在我们测量声音之间发生的声音变化一样，我们也不能错过这些变化的细节。在数字记录中，这称为位深度。位深度越高，可以记录的细节越精细。在计算机中，一个8位数字表示最多256个细节级别，一个16位数字可以表示65,536个级别，而一个24位数字最多表示16,777,216个级别。我们将再次屈服于光盘开发人员的决定，并选择16位数字作为我们的标准。

所有这些意味着在音频CD标准下，每秒采样的声音被测量了44,100次，其细节程度可以代表多达65,536个单独的级别。该样本信息的这一秒仅占用了86 KB以上的内存空间。由于数字钢琴制造商不会发布有关其采样标准的信息，因此没有与音频CD标准进行比较的依据。但是，软件钢琴的开发者指出的费率往往高于此标准，因此可以合理地假设某些数字钢琴制造商也可能超过这些费率。

循环播放

钢琴音符的一个有趣的特征是它可以持续几秒钟，但是在最初的几秒钟之后，声音的大部分初始复杂度消失了。剩下的几秒钟持续的声音除了音量逐渐减小外几乎没有变化。通过引入一个称为循环的过程，这为节省一些内存空间，从而节省一些金钱提供了可能性。循环播放涉及选择一段短时间的声音，该声音在一段时间内基本保持不变，然后以逐渐减小的音量反复播放。细心地做，当专心聆听一个音符的延音时几乎无法检测到结果，而在正常弹奏时在动荡中完全消失了。

空间关系

原声钢琴产生的音符在乐器琴弦中有一个物理起点，当您从键盘的左（低音）端到右（高音）端演奏音阶时，可以听到从左向右移动的音符。为了保持这种空间关系，数码钢琴中的样本以两声道立体声录制。此功能通常称为“平移”，通过以类似于从原声钢琴听到的声音的方式对声音进行物理定位来增加琴声的真实感。

采样音符数量

现在我们必须决定要采样多少个音符。显而易见的答案似乎是“所有人”，而一些制造商则选择了这条路线。但是为了控制数码钢琴的成本，许多制造商都在寻找对全部88个音符进行采样的替代方法。

在原声钢琴中，较长的低音弦的音色不同于较短的高音弦。事实上，当你从键盘的一端弹到另一端时，音色会发生多次变化。部分原因是琴弦长度不同，还有部分原因是不同音域的音符的类型和琴弦数量不同。在最低音区，弦槌击打每个音符对应的琴弦，厚铜线包裹着的琴弦能减缓其振动速度以产生适当的音高。根据钢琴的弦列设计，低音区有几个八度音阶，其中每个音符连接两根琴弦，每根弦都用薄铜线包裹。最后，键盘中部的每个音符对应三根钢丝琴弦。每个音符对应的一根、两根或三根琴弦被称为同音弦，因为每组同音弦被调成同一音高，发出相同的音符声音。当从琴键的一端弹到另一端，就能听到因琴弦的不同排列而造成的细微音色变化。

但是两个相连音符的音色变化并不总是那么明显。有时，发生变化的只是音高。事实证明，对于数码钢琴而言，播放不同音高的声音样本是一件非常简单的事情。所以可以使用一个音色样本作为两个或三个连续音符的基础来节省存储空间。但是如果过度，就会导致明显的音色问题。但是，如果至少采样了三分之一的音符，多键盘中音色有更明显变化的区域多加注意，这些共享样本可以产生逼真的钢琴音色。

动态变化的采样

在我们从基本样本集中进行之前，必须处理音调变化的另一个来源-动态效果（音量或响度的变化）。较重地敲击弦线会产生更大数量的声调，并且会突出较高的泛音，这不仅会使声音变大，而且会使声音更“边缘”。当前，除了最便宜的乐器外，数字钢琴使用的是三到五个动态样本。当您以不同程度的力度弹奏时，数码钢琴会选择最接近的适当动态样本进行播放。使用单个样本级别进行动态处理的入门级钢琴也使用音符泛音的可变过滤来模拟这些音调差异，有时会取得显著成功。

采样其他效果

许多数字钢琴都包含其他类型的样本，旨在捕获原声钢琴的更多细微差别。这时，最常见的两个样本是弦共振和阻尼效应。由于具有如此多的功能，不同的制造商很少会使用相同的术语来获得相同的效果。弦的共鸣与弦的泛音有关。振动弦产生的每个泛音都处于或接近高音基频的基本频率，高音的基频与演奏的基音具有数学关系。这导致相关音符的弦的微弱的共鸣或共振振动，并为声音增加了另一个维度。（要听到这种效果，请缓慢按下和弦的键（在本次讨论中，我们将其设为C和弦，而无需实际发出声音。）按住这些键的同时，快速敲击并释放C到所保持的和弦下方八度，会微弱地听到上面C弦的共鸣。）

在原声钢琴中，当按下琴键时，击弦机止音器会使琴键远离弦，并在释放琴键时返回以停止其振动。对声音的影响不是瞬间的；琴弦的振动停止只需几分之一秒。在此期间，随着其泛音快速衰减，音调也会发生变化。放开琴键会触发制音效果的采样，并为数码钢琴的声音添加另一个微妙的维度。

和弦

最后，我们必须考虑一下乐器可以同时演奏多少个音符，表示为和弦。快速浏览一下，可能意味着10应该足够了。但是请考虑当您按住延音踏板同时弹奏和弦或琶音时会发生什么。持续保持的每个音符都占据一个复音。如果您按下延音踏板并用双手弹奏一组三个音符的和弦，然后以连续较高的八度音程再重复三遍这些和弦，那么此时你就弹奏了24个延音音符。而弹奏分层音需要48个复调音符，分层音即两种不同声音的组合，如钢琴和弦乐器。一些型号的数码钢琴有32个复音数，但当前大多数型号有64个或更多复音数。

注意事项：当您深入研究数码钢琴的规格时，你可能会被那些规格的数字所吸引，比如说采样音符的数量、样本所占的存储空间大小，等等，但是这是非常不可靠的。数码钢琴的设计包括经济因素（比如型号的售价数量）、潜在顾客的需求（初学者或专业人士），而且在很大程度上，由制造商的工程人才所决定。设计创意是工程人员将规格数字转化为灵感的过程，而富有创意的工程师能利用规格数字提高钢琴的音质，而缺乏创意的工程师则会让钢琴的音色更差，所以重要的并不是这些规格数字本身。

声音产生的其他方法

在采样变得商业可行之前（即负担得起，在引入时，第一批采样仪器的价格就相当于一所小房子的价格），各种形式的“合成”被用来制作电子音乐。振荡器，滤波器，调制器，包络线发生器和其他电子设备一起工作，可以发出前所未有的声音，以及模糊地模仿熟悉的声学乐器的声音。经典模型是罗伯特·穆格在1960年代末和70年代后期的模块化合成器，温迪·卡洛斯正是用这种合成器演奏其专辑《时髦的巴赫》。当今的有些数码钢琴保留了与这些早期合成器几乎相同的方式来修改声音的功能。

看看当前出现的技术，我们发现一种称为物理建模的方法。尽管以前在基于软件的钢琴中使用过建模，但去年罗兰发行了V-Piano，这是第一款完全依靠这种技术的数字钢琴。最近，雅马哈发布了其新的CP舞台钢琴系列，该系列融合了建模和采样技术。建模会将乐器的声音分解为离散的元素，这些元素可以用数学方程式或算法表示。对于原声钢琴，这些算法表示影响音调的主要元素的行为-弦槌，琴弦，音板和阻尼器。采样时，会从钢琴的内存中检索一个预先存在的采样，而在建模时，会根据一系列复杂的计算实时创建音调。采样需要大量内存来存储高分辨率采样集，

控制音调—键盘

就像在原声钢琴中一样，键盘的作用是为演奏者提供对乐器音调资源的亲密，可靠的控制。但是就像没有单一的正确音调一样，也没有单一的正确感觉。而是有一个可接受范围的触摸特性。

触摸重量

就像在原声钢琴中一样，大多数数码钢琴的击弦机主要是操纵杆的排列，但是数码击弦机的复杂性要低得多，不需要定期调整。玩家使用一些可定义的标准来判断击弦机。有些很容易衡量，有些则很主观。数码钢琴购买者最经常争论的是触摸重量。

触摸重量是按下按键所需的力的量，通常以克为单位。对于民谣钢琴，通常认为50至55克范围内的触摸重量是正常的。钥匙提供的阻力是摩擦力和被移动零件的质量的组合。这两个因素在原声钢琴中的表现与在数码钢琴中的稍有不同。通常在完全踩下延音踏板的情况下测量原声钢琴的触摸重量，这可以减轻阻尼器的重量并减少按下琴键所需的力。问题是，数码钢琴没有制音器，因此数码钢琴制造商必须在钢琴演奏者通过按键抬起减震器时会感觉到的重量增加，以及减震器通过延音踏板提起时的较轻重量之间做出选择。该问题没有固定答案，只是制造商的设计选择。

与数码钢琴相比，摩擦也是声学效果中更大的因素。声音作用中的大部分摩擦力是由于各种铰链点和轴承表面引起的，其中许多铰链点和轴承表面都带有布或毡套。随着时间的流逝，这些衬套会磨损或变紧，从而减少了摩擦并降低了按下琴键所需的力。另一个因素是湿度。毛毡和木质零件易于吸收和释放水分，随着空气中水分含量的变化有效地增加或减少了摩擦。由于数字击弦机包含的毡制部件少得多，并且除了少数使用木键的高端击弦机，大多数数码钢琴几乎不含木质配件，因此，由于磨损和湿度波动而引起的摩擦变化将大大减少。

触重的另一个特点是，键盘两端的触重各不相同。在钢琴中，低音端的弦槌要远远重于高音端，这导致低音区的触重更重，高音区的触重更轻。而逐级配重击弦机则是大多数数码钢琴为了复制钢琴键盘的触重而采用的类似逐级配重设计。在数码钢琴键盘的88个琴键上使用不同的重量设计，会增加成本而且也不一定有价值。所以通常数码钢琴采用四个不同的触重值，每一种用于一个触重区域。

琴键设计

一些使用木质琴键的高端数码钢琴能让你体会到弹奏钢琴的感觉。其中你能发现的一些不同琴键设计特点包括：琴键的轻微弯曲、琴键的质量差异，以及在按压琴键时，木材与塑料的减震效果的细微差异，尽管这大多都隐匿于琴键下方的毛毡处。

琴键设计的另一个方面是键面材料的触感。钢琴演奏者喜欢象牙按键不仅因它外型美观，还因为它是渗透性材料，不同于表面光滑的塑料琴键，象牙琴键具有一定程度的抓力。当演奏者的弹奏进入紧张阶段，手心出汗时，这种抓力就尤为重要，这通常出现在弹奏有难度的乐章时，弹奏者的准确性和控制力达到极限。象牙键面的替代品，如卡瓦伊的Neotex、罗兰的IvoryFeel和雅马哈的Ivorite等仿象牙琴键同样具备象牙键面久负盛名的优点：不会褪色、开裂和破碎。其他制造商也逐渐增添这一功能，当你比较钢琴时，最好考虑一下这一因素。

动态（速度）传感器

最后要探讨的关于数码钢琴击弦机的问题是，如何测量演奏者的手指按键力量。这通常经由两个电触开关实现。当按下琴键时，两个开关会快速连续关闭。又或者，一些高端的多功能数码钢琴会采用光学传感器来感测琴键的运动，当按下琴键时，琴键上的传感器会分解光束。然而，这些传感器实际测量的不是按键力量，而是按键的速度，这就是为什么你有时会看到键盘规格中会包含感应速度的原因。将琴键一按到底时，钢琴会测量第一和第二个传感器接收到信号所花费的时间。时间长表明琴键缓慢移动，那么钢琴会发出柔和的音色；时间短意味着击键更快、更有力，因此钢琴会发出更响亮的音色，这些都是显而易见的。一些击弦机会采用附加开关来触发其他类型的声音样本，比如说上文提到的制音效应。

现在一些数码钢琴采用三个传感器（三触点传感器），而不是常见的两个。第三个传感器能让弹奏者在琴键还未完全返回原来位置时就重新触发音符，这大大地提高了琴键重复速度，还改善了钢琴的连奏反应。

踏板

现代原声钢琴有三个踏板。让我们看一下它们是如何工作的，以及它们的功能如何转换为数码钢琴。

在普通的三踏板钢琴中，右侧的踏板是延音踏板。如果数字乐器只有一个踏板，那就是延音踏板。有些人将其称为阻尼器踏板，因为它在原声钢琴上的机械功能是将阻尼器从琴弦上抬起。在数码钢琴上，延音踏板是一个电子开关。按下时，它会告知乐器，使演奏的音符像在原声钢琴上一样逐渐衰减。

关于数码钢琴的延音踏板，最常见的问题是它是否可以执行称为半踏板的功能。原声钢琴的延音踏板机构可以将阻尼器从搁在琴弦上的位置移动到完全脱离琴弦的位置，或两者之间的任何位置。在这两个位置之间是非常有用的半踏板位置，它使演奏者可以更好地控制音调和延音。虽然半踏板功能现在通常在高端数字设备上发现，但并不总是出现在价格较低的乐器上，在这种情况下，延音踏板很可能是一个简单的开/关开关，可以实现完全延音或无延音，但是之间没有任何东西。一些价格较低的数码产品带有单独的方形塑料或金属脚踏开关，而不是像钢琴踏板那样的东西。但是，即使钢琴本身具有半踏板控制功能，脚踏开关也可能仅提供开/关延音。即使某些踏板具有钢琴踏板的外观和动作，也可能是同样的情况。始终值得检查规格以确保两台仪器和踏板可以进行半踏板控制。

三踏板的左踏板为弱音踏板。而在三角钢琴中，为显示其功能，这一踏板被称为移位弱音踏板或一根琴弦踏板。在三角钢琴中，踩下左踏板会将整个击弦机（从琴键到弦槌）稍微向右移动。正如上文“音调制作”一节中提到的，在钢琴中，大多数音符都连接两根或三根琴弦。当弱音踏板将击弦机向右移动时，弦槌仅击打三根同音琴弦中的两根琴弦。这就会产生两个效果：降低音量，以及略微改变音质。

如同延音踏板一样，数码钢琴的弱音踏板只是一个具有同等效果的电子开关。但是比起钢琴，数码钢琴的击弦机可以产生音量更低的声音，所以弱音踏板在数码钢琴中的实用性大大减低了。然而，弱音踏板功能改变音质的效果依然实用，如果它真能实现这一功能，但是大多数数码钢琴的弱音踏板并不具备这一效果。

神秘的中间踏板是选择踏板。理解选择踏板最简单的方法就是将其看作具有选择性延音功能的踏板。任意弹奏一个或多个琴键，按下琴键的同时，踩住选择踏板。选择踏板就会提起这些琴键的制音器，即使在松开琴键后还能延长这些琴键的声音，但是随后弹奏的琴键，即使松开后也无法延音，除非你又使用了延音踏板。所以清楚了吗？数码钢琴踏板最重要的就是完全拥有钢琴三个踏板的功能。就曲谱而言，只有少数古典音乐才需要用到选择踏板。如果你有需要就可以用，但是你可能永远都不会有机会用到它。在数码钢琴中，中踏板会有另一个功能，这将在本文的第2部分中进行讨论。

音响系统

大多数数字钢琴的最后组成部分是音频系统，即放大器和扬声器，其功能与原声钢琴的音板相同：使钢琴的声音在有用的音量下可听见。我说大多数数字钢琴是因为某些专门为舞台设计的乐器缺少板载音频系统，因为它们始终会连接到扩声或公共广播（PA）系统。

当前市场上的数码钢琴可提供12至360瓦（W）的输出功率，可通过2至12个扬声器进行传输。要了解为什么会有如此广泛的选择，我们需要研究系统的功率输出能力（以及扬声器的类型，数量和位置）与我们所听到的声音之间的关系。

大多数人可以检测到的最小音量变化是3分贝（dB），要使音量增加3dB，则需要将输出功率（瓦特）加倍。考虑到这些关系，让我们看一些数字。

根据对三种最常见的音乐会三角钢琴（贝森朵夫290型，施坦威 D型和雅马哈 CFIIIS型）的测量，得出了一个动态范围。这个范围从最柔和的音符（64dB）到我可以产生的最大音域（103dB）。分配适度0.015W -我们假设一个非常高效的音频系统-为产生最柔和的音调（64dB），下图跟踪了随音量增大而达到钢琴动态范围的顶部所需的放大器功率的变化。不同的音频系统将有不同的起点，具体取决于被供电扬声器的大小和数量，这些扬声器使用电源的效率以及弹奏的音符（低音需要更多的功率来匹配高音音量）。表格中的动态变化数量可以反映一定程度的音乐性能。

如果你之前没有看过这样的表格，其结果会令你大吃一惊。因为你会看到扩音器真正需要大功率的是最后三到四档的音量。

当音响系统试图再现超过其可承受范围的声音时，就会对声音“限幅”，导致声音失真。需要注意的是，如果一直用最大音量弹奏，即使是最优质的钢琴也可能会对声音限幅。除了声音失真之外，超负荷运转系统还可能会损坏扬声器和扩音器。关键是将音量设置在不高于其最大音量的75至80％之间。

如果你已经浏览了本刊最后的规格表，你就知道只有少数数码钢琴的声道（左和右）会产生100瓦的输出功率。许多具有大功率的型号还为高低音频率区间分别提供扩音器和扬声器，以此区分低功率高音频率与高功率低音频率。目前，仅有少数型号将音响系统分为三个独立的子系统，即用于低音、中音和高音的系统。这些设计被称为“双功放”或“三功放”，通过利用专为特定频率区间设置的优化扩音器和扬声器，而不是将整个频谱发送到整个音响系统中，大大提高音响效果和功率效率。

扬声器

因为我们将在本出版物中考虑的所有数码钢琴都具有立体声音频系统，所以所有有关扬声器的讨论都将假定匹配的左右声道。

最便宜的数码钢琴每侧配有一个全频扬声器。虽然通常制造商称这些扬声器为“全频”扬声器，但实际上这种扬声器只是受成本和安装空间——有些型号相当小巧，所限的次级扬声器。虽然全频扬声器拥有再现钢琴样本所需的20Hz-20kHz频率范围，但是这些频率的处理方式并不相同。判断扬声器的频率反应不仅取决于频率范围，还取决于频率“平滑度”，或者说精确性。如果我们向一个扬声器发送多个同一音量的不同频率信号，当扬声器发出这些频率的声音时，测量扬声器的输出音量，我们就会看到扬声器的“频率反应曲线”。全频扬声器的频率反应曲线通常在中频区域相对平滑，但到了频谱的高频和低频区域，音量会大大下降。也就是说，扬声器无法准确再现传送信号的全部频率范围。这并不是因为扬声器设计差劲。事实上，我常常惊讶于工程师能设计出这些扬声器。但这些扬声器仍是不准确的，会影响我们对钢琴声音的感知。如果高音和低音出现弱化或缺失，即使是最好的声音样本集也无法给人留下深刻的印象。

因此，大多数高端数码钢琴型号都配置三个扬声器，每一个扬声器分别用于优化低音、中音和高音频率。低音频率的精确再现需要大量空气的移动，这就需要相对较大的表面积以及高频的进出运动。低音扬声器主要影响我们对钢琴声音的整体印象。

位于频谱另一端的是高音扬声器。虽然体积很小，但是高音扬声器主要负责再现钢琴高音的细微差别。低音扬声器和高音扬声器除了输出频率有明显差异外，它们的安装位置也不同。低频声音会向四面八方传播，声音频率越高，传播定向性就越强，这意味着将高音扬声器精确放置尤为重要。数码钢琴的大多数中低频扬声器都位于键盘下方，因为键盘下方空间大。而高频率的定向性要求高音扬声器必须将声音直接传递到弹奏者面前，所以通常高音扬声器安置在钢琴的控制面板上。

扬声器系统中最新的一种—似乎是数码钢琴独有的-是共鸣板扬声器。该技术将在本期其他地方的“混合钢琴”一文中讨论。

因此，我们现在拥有了数码钢琴的所有功能：一个声源，以及控制和收听它的方法。但是目前没有一架数码钢琴停在那里。它们都具有附加功能。这些附加功能从少数其他声音到直接互联网访问。即使您当前的需求没有超出基础知识，您也应该了解乐器上的其他功能，以及它们如何使您感到惊讶并引诱您进入从未曾想过的音乐冒险中。要继续，请阅读“数字钢琴基础知识，第2部分：超越原声钢琴”。