从零开始深入全面认识电钢琴|电钢琴选购基础知识(2)

三、电钢琴原理之音色模拟
下面对“采样”和“物理建模”做讲解，力求大家能了解基本原理。
（1）采样
所谓采样，就是对原声三角大钢琴声音进行录制储存，以便在后期能释放出尽可能接近原声钢琴的声音。

 
你知道我们说的电钢琴为什么叫"数码钢琴"吗？
其实更直观的叫法应该是"数字钢琴"，因为它录制的声音是以二进制的0和1作为数字信号储存和运作的，此命名方法和数码相机一样道理。
所以采样其实也叫数字采样！
关于数字采样，采样率和位深度是影响音质的重要参数。(留到后面解析)
原声钢琴的每个音符，在不同力度的击弦下，变化是非常多端的，包括主音的长度，基音的强度，各个泛音的持续时间，消失时间节点等等，更复杂的还有琴槌击弦时产生的动能传导到其他弦上发生共振等发出非常微妙的声音......
电钢琴要模拟这些声音细节可不是一件容易的事情，所以各大制造商要从多个维度去采集，加上顶尖的调制技术糅合，以达到最佳效果。
下面简单阐述一下采样的几个维度。
采样的密度
在原声钢琴上，每按下一个键，就会有一个对应音高的音符出现。

起初受内存容量的限制，电钢琴制造商并不能采集每个琴键的音，只能在88个键的范围内隔5采1，或者隔3采1，然后通过建模技术拉伸样本去填补空白。
现在内存容量上来了，采样可以越来越密集了，有实力的电钢琴生产商基本都是逐键采样了，也就是88个键，每个键都录制一遍采集下来。
采样的时间长度
在原声钢琴按下一个琴键时，产生的声音可以持续5-30秒（具体情况视击弦力度和高低音区）。

受内存容量和芯片成本限制，低端的电钢琴并不会将一段声音完整地记录下来，而会把一部分切掉，只播放样本的前3-5秒，然后循环播放，把音量逐渐减小，做出衰减感。但这与原生钢琴上听到的衰减并不一样，它没有那么自然。
 
高端的电钢琴由于采用更大容量内存和性能更好的芯片，据说可以把声音记录到8秒以上，这其实能相当完整地记录声音的衰减过程了。
采样的层数
上面有提到，原声钢琴的音量音色是随击键力度而变化的。
低端的电钢琴受限于内存容量，往往只能做到“单层采样”，就是每个音符只在一种力度下去记录一个样本，然后通过动态滤波技术调节，让大力度弹奏的音符，开放出更多的高频谐音，让音色更亮，从而使得单层采样的电钢琴也能实现不同触键力度的音色变化。
但这种动态滤波做出的音色，只能说和原声钢琴音色变化的规律大致类似，很难实现原声钢琴声音的那种动态范围，效果细听之下会觉得单调和呆板。

 
现在有点实力的生产商都会对同一琴键进行多层采样，也就是对同一琴键在不同力度下采集样本，2层、3层、4层......甚至有些可以达到了10层，大大增加了单个音符的音色变化多样性和丰富了表现力。
立体声采样
何为“立体声”？简单点解析就是两个耳朵听到的东西是有差异的。由于耳朵方位不同，我们平时听到的物理发声都是立体的。
为让听者有更真实的听感，电钢琴往往采用立体声采样，就是在两边各采集一个样本，然后弹奏时各自释放。

还有琴弦共鸣、制音共鸣、击弦噪音、踏板噪音等原声钢琴细节也是要考虑进去的，这些被称为钢琴"灵魂"的才是音色模拟的难点，但是随着计算机技术的精进，很多问题都在被逐渐解决中。
（2）物理建模
什么是物理建模？
物理建模是使用数学模型和算法重建物理和电子组件的物理反应以及独特相互作用的过程，以创建逼真的复制品。

在音乐中，物理建模是指一种声音合成技术，旨在使用数学算法对真实声学乐器中产生声音的物理过程进行建模。
比如击弦力度或速度和音量音色有一个正向函数关系，它们之间可以构建一个模型（方程式），当然这些模型不是单一的，它受弦的材质、尺寸等诸多因素影响，而每个元素都要有自己的专用算法。
在这里，我们可以把物理建模技术理解成实时求解一组数学方程式的程序，这些方程式是符合大自然物理定律的，变量是琴弦的材质、长短、尺寸、刚度、运动的速度、琴槌的软硬、音板的材质、形状等等几十甚至上百个元素的参数，这些变量由键盘操控输入，计算出来的结果（信号）传到声卡就是产生的声音。
是否有人会觉得电钢琴被命名为"数码钢琴"很不公平？
为什么不叫"建模钢琴（Modeling Piano）"呢？难道就是因为采样技术先出来所以就给它定性了？
其实物理建模并不是新技术，几百年前牛顿、亥姆霍兹和瑞利等物理学家就已经试图去理解和模拟乐器的声音了。
后来这个研究领域在80年代变得特别活跃，但那时的情况和现在完全不同，我们知道物理建模合成就是一个庞大的计算过程，那时最强大的计算机运算几个小时，也只能得出几秒钟的声音。
我们现在的数码钢琴的第一批乐器是当时（1980年代初）合成器的专用版本，那时的合成器已经相对成熟，能够产生非常棒的声音阵列，许多合成器的标准功能是能够产生钢琴和其他常规乐器的声音，这导致了我们现在称为数码钢琴的分拆，所以数码钢琴的命名不是哪种技术先出来的问题，而是哪种技术先在数码钢琴（电钢琴）上被运用得比较成熟的问题。
现在物理建模能够发展这么迅速是得益于计算机技术的精进，CPU性能的提升使得很复杂的计算也能实时解出。
目前基于纯物理建模的比较成熟的音源是pianoteq，纯物理建模的电钢琴，比较典型的是罗兰Roland的V-Piano，感兴趣的小伙可以去了解一下。
物理建模的意义

物理建模能精准地再现原声乐器吗？
理论上，因为全部模型是符合物理定律的，只要能把全部影响声音的变量模型生成，然后不断调整各大参数，是可以非常接近真实声音的，但现实中的道路还很漫长......
但是物理建模的意义并不单单在于它有多接近原声钢琴，而在于它自然和丰富的表现力。
物理建模各大参数是可以调整的，而且是连续的，它会响应输入的信号生成声音，它的输出是不确定性的，并且总是根据控制信号的性质和播放内容而变化，换句话说，它是动态的，这个特征和现实中的击弦发声是一样的，就是它也可以实现原声钢琴不能实现的一些东西。

采样和物理建模对比

采样是录音的回放，因此就音调而言是非常真实的。但是样本就像一张照片，它在特定环境中以某种方式演奏，听起来总是一样的，因为它是静止的。
物理建模很多和物理属性（例如材料、尺寸等）相关参数是可以调整的，因此它是非常动态的。
两者对比有点像：采样给了特定颜色的画笔给你画画，而物理建模则给了水彩画笔给你画画。

 
硬件方面：
由于采样需要储存声音样本，所以对内存要求是非常高的，基本每增加一个变量，内存容量需求就要翻一番。

物理建模是数据高速运算实时生成声音，所以对CPU的性能要求非常高，但基本不需要内存。

想深入了解学习物理建模的小伙伴可以看文章后面给出的《模块化合成器的高级编程技术》和《AAS技术讲座-物理建模》链接

 
为了避免采样层切换的音色断层和突兀感，现在部分电钢琴生产商通过“采样+物理建模”的方式去完善，这样使得基于采样技术和基于物理建模技术的电钢琴界限变得模糊，也让演奏效果向个性化和鲜活化的方向演变。

 

四、电钢琴的踏板
电钢琴有单踏板和三踏板两种，这小节结合原声钢琴踏板的作用分别讨论一下电钢琴踏板的作用和半踏板概念。
 

（1）右踏板（延音踏板）和半踏板
在原声钢琴中，右侧踏板为延音踏板。电钢琴三踏板的右侧踏板也是一样延音作用。

如果电钢琴只有一个踏板（单踏板），那这个踏板就是延音踏板，有些人也称它为制音器踏板。因为它在原声钢琴的机械功能是将制音器提离琴弦。
在电钢琴上，延音踏板是一个电子开关，踩下时，它会控制弹奏的音符模仿原声钢琴自然衰减。
关于电钢琴的延音踏板，最常见的问题是它是否具有半踏板功能。
原声钢琴上，延音踏板机构可以将制音器从琴弦位置提起到完全脱离琴弦的位置或者介于两者之间的任何位置（制音器上羊毛毡变形的那一点高度差，估计1mm左右），就是中间有个“半压不压”的状态，它使弹奏者控制音调和延音上有更多的动态。
电钢琴要去模仿这个范围。
在电钢琴上要分两方面考虑:一是电钢琴是否支持半踏板，二是踏板是否支持半踏板功能。
高端电钢琴一般都有半踏板功能，是通过发送一些MIDI信号实现半踏的。而中低端的电钢琴就要分实际情况， 有些是不支持的，购买前考察清楚或者考虑清楚需不需要半踏。
买入门级电钢琴附送的方形塑料盒和购买的低价的金属踏板， 一般就是个开关。

 
（2）左踏板（柔音踏板/弱音踏板）
原声钢琴三踏板的最左端是软踏板（柔音踏板），它还有个名称是“Una corda”，原声钢琴中是“少一根弦”的意思，它的作用是稍微减小声音的音量和改变音调，让声音听起来更柔和。有看前面钢琴工作原理视频的小伙伴应该就很容易理解。
电钢琴三踏板最左端踏板作用也是一样的，踩下左踏板，音头变闷，整个音量相对减弱。
（3）中踏板
中踏板（sostenuto踏板）在三角钢琴里是选择性延音踏板，在立式钢琴里的作用是消音踏板（静音踏板）。前面章节有提到。
中踏板在电钢琴中的作用对很多小伙伴来说是比较困惑的。
电钢琴中，中踏板大部分也是作为选择性延音踏板（也叫后延音踏板）。按下一个键或者几个键，踩下中踏板，即使已经松开琴键，声音也会一直延续，直到松开踏板声音才会停止。
实际中我们很少会用到中踏板（在原声钢琴上也是），因为目前书面上只有几首经典曲目是需要用到此功能的。
所以在有些高端的电钢琴中踏板作用不是固定的，是可以设置中踏板甚至左端软踏板的作用，最常见的是设置为音量踏板控制整个乐器的音量或控制单一乐器的音色，还可以根据爱好设置为旋转扬声器控制、触发节奏中断等。

 

 

五、电钢琴的音响系统
电钢琴是一个键盘拾音、读取数据、即时运算和音频系统发音的有机整体（除了舞台电钢）。我们最终听到的声音是从音频（响）系统发出来的，所以说这一环节也是非常重要的。
电钢琴的音响系统由音源、功率放大器（功放）和扬声器组成，它的作用等同于原声钢琴的音板。
音源是储存在电钢琴里面的声音样本信号，下面主要说说功率放大器和扬声器。
1.功率放大器（功放）
功放是推动扬声器做功的设备，它的主要作用是把音源输入的音频信号的功率放大，然后传输给扬声器转化为声音。

目前市面上电钢琴从入门到高端的有2—12个扬声器，可以提供12—360W(瓦）输出功率。
为什么会有这么广泛的选择呢？下面我们通过音响系统功率输出的能力和人所能辨别到声音的变化之间的关系分析。
大多数人可以检测到的最小音量变化为3分贝（dB）,要使音量增加3分贝，则需要将功放输出功率（以W为单位）增加一倍。
看看下面这个表格：
 
数据来自ALDEN SKINNER《Digital Piano Basics》

上表是根据三种最常见的音乐会三角钢琴（贝森朵夫290, 斯坦威D型 和雅马哈CFIII S）的测量得出的一个动态范围模型。

这里描述的范围从最柔和的音量（64dB）扩展到可以产生的最大音量（103dB）。这里假设一个非常高效的音频系统输出0.015W功率产生64dB音量，当然不同音频系统起点是不一样的，具体要看被供电扬声器的大小和数量，还有弹奏的音符等。
表格中添加的动态变化可以反映一定的音乐感。

钢琴里通常用"f"和“p”表示音的强弱：ppp(非常非常弱)—pp（非常弱）—p（弱）—mp/mf （中等）—f（强）—ff（非常强）—fff(非常非常强)。这里的pf没有绝对的音量标准，只是表达了一种动态响应范围。

上面这个表格可以看到“指数爆炸”的概念其实也发生在功放里面。留意后面几行数据，到了后面几档，音量只是提高了一点点（3dB），但我们功放所需功率的增加是非常大的。

音量旋转按钮
当声音试图超过音响系统所能承受的范围时，系统就会对声音进行“削波（限幅）”，导致声音失真。
即使是非常高端的电钢琴，如果一直用最大的音量弹奏，也可能会对声音“削波”。而除了声音失真之外，长期超负荷运转系统还可能会损坏功放和扬声器。
所以弹奏时音量设置最好不要超过总音量的90%，在75%—80%为佳。
市面上能产生100W以上输出功率的电钢琴是比较少的。很多大功率的型号还会为高低音频率区间分别提供功放和扬声器，以此区分低功率高音频率和高功率低音频率。
还有些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。就是所谓的“双功放”或“三功放”，通过利用专为特定频率区间设置的优化功放和扬声器，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。
2.扬声器（喇叭）
扬声器是最终把音频信号转化为声音的部件。
现在电钢琴基本都是立体声采样，所以一般也是配备立体声音频系统，也就是说扬声器匹配的也是左右声道。
市面上最便宜的电钢琴两侧都会配有一个全频扬声器。这里的“全频”，是指频率的范围比较宽，现在一般的全频扬声器可以涵盖的频率范围是50Hz—25000Hz(赫兹），有些低频可以下至30Hz。
人的耳朵所能听到的频率范围是20Hz—20000Hz。

低频：200Hz以下。（50Hz以下一般称为“极低频”的频段） 中频：200Hz—6000Hz频段。高频：6000Hz以上。

从上面我们知道全频扬声器它基本覆盖了人耳所能听到的所有频率范围的声音。但是扬声器的频率响应不仅取决于其范围，还取决于其“平坦度”或准确性。
如果以不同频率但以相同的音量水平向全频扬声器发送多个信号，然后在产生这些声音时测量扬声器的输出音量，我们就会看到扬声器的“频率响应曲线”，结果显示全频扬声器在整个频率范围内是平坦的，但是在频谱上部和下部，音量会下降。
也就是说它并不能非常准确地传达音源的信号，在重低音和高音的表现力都是稍弱的，因而听到整体的声音比较平面，立体感没那么强。
这种全频扬声器一般是入门级电钢琴配备的，这是受成本和空间（紧凑设计的琴体）所决定的。

高端型号的电钢琴一般会使用三种扬声器，每种扬声器针对低音、中音或高音频率进行优化。

低音扬声器一般设计得比较大，我们知道声音在空气中是靠空气振动传播的，呈现低音音频需要大量的空气运动，所以需要低音扬声器的大表面积推动。在这里低音扬声器主要影响着我们对钢琴音色的整体感觉。
高音扬声器体积是很小的，它主要负责呈现钢琴高音的细节。

另外，扬声器的位置布局也是很重要的。低频倾向于在所有方向向上辐射，声音的频率越高，指向性越强，也就是说高音扬声器的精确放置更为重要。

电钢琴上大多数中低频扬声器位于键盘下方，因为那里有足够的空间。
高频的定向性要求高音扬声器通常布置在琴的上面某个地方让它直接指向演奏者的头部。