热点文章电子管风琴的发声原理及技术特点
作者：张九文 加入时间：2006/7/1 1:31:19 阅读：7046
与传统乐器不同，现代的电子管风琴作为一个独立的、集成度极高的音乐生产中心，由如下几个部分构成：音源、键盘、音序器、周边控制器。是他们使电子管风琴产生优美多变而又富有魅力的音响并拥有人性化很强的音乐表现力。
下面，我们就一起来看一下电子管风琴每一个部分的工作原理和用途。
首先，我们从音源部分开始。这里是电子管风琴一切功能的核心部分。之所以称她为“音源”，顾名思义，她是电子管风琴声音的源泉。在电子管风琴的内部，她以芯片的形式存在着，依靠计算模拟或回放真实音响采样而合成或再现各种声音。在我们所能接触到的电子管风琴中的音源部分，应用到了以下几种声音的合成方法：
1、 AWM(Advance Wave Memory)高级波形记忆回放系统。有时也叫做PCM系统。这是现代电子乐器开发商最早用在采样回放型电子音乐合成器和采样器上的音色合成方式。她的工作原理是这样的：采集声音源在最有特点的音域发出的几个音，然后再对所记录下来的声音的音高、产生和衰减时间、上升率、衰减率进行调整，把调节好的声音按音区分配给键盘从而达到逼真的还原采样前的声音效果。
尽管AWM技术是回放来自真实乐器、经典合成器或电子声、自然声的采样波形，但是AWM系统也提供了包络器、调制器、滤波器对采样波形进行修改和再创作。因此，AWM系统的优点不仅在于她杰出的还原真实音响的能力，也在于她对声音的修整能力。
2、 FM（Frequency Modulation）频率调制系统。这是一种相对AWM来说较为古老的声音合成技术，在AWM技术产生之前已经被广泛的应用在电子合成器技术上。它的理论以及来自于傅立叶定理的变化应用。在声学领域，该定理可衍生出一条推论：任何复杂的波形都可以化解为若干简单的正弦波的叠加组合。FM技术将此依据逆行过来：利用模拟技术或数字技术的振荡器先产生简单的正弦波波形，然后再用调制器对它进行调制，而产生出复杂的波形，再对其进行滤波修改、放大、效果叠加，得到多彩的声音。如果我们用示波器来研究某个音色所包含的波形，并对波形进行解调处理，分析出波形的细节，我们就可以用FM技术模拟出近乎真实的声音。
这里我们讲到的只是FM技术的理论，但是应用的时候就并非那样那样简单。由于FM技术依靠电声技术的成分过多，而且FM运算器的数量往往有限，造成波形的变化过于富有规律，呈线性变化，而日常生活中声音的变化却不是十分规则，所以其优势并不在于产生真实乐器的声音，而是在于产生电子味道很浓的特殊音色。
不能完美的再现真实乐器的声音并不能掩盖FM技术优秀的一面。就是这种“古老”的技术在上个世纪七十年代——一个电声技术高速发展的时代，造就了至今为止电子音乐史上最富传奇色彩、最为畅销、流传最为广泛的电子合成器YAMAHA DX-7！这项技术产生了一大批极为优秀的音色，甚至直到21世纪，数字技术高度发达的今天，这些音色仍然流行在音乐界，被广泛的应用着。例如：在各个型号的电子管风琴的钢琴音色组中，排列第一号的电子钢琴音色就是当年DX-7的众多特色音色中的一个，按下键盘听一听，是不是很熟悉？呵呵，这个电子钢琴音色至今仍频繁的出现在大量的我们耳熟能详的音乐作品中，任何兼容GM标准的电子乐器音色表的第6号音色都是她！
在电声技术领域，有一件怪事：虽然FM技术如此古老，但当今即使最先进的数码采样音源系统仍不能十分有效的再现这个古老系统强大的声音处理控制能力。传统的FM系统拥有极为优秀的系统稳定性，和选择声音操作切入点的极高的精确性。而现代采样技术由于多种原因，特别是采样声音的数量有限，在不同音域音色切换是容易产生音色特征的突变。FM技术由于并不是回放采样波形，而是依靠本身的计算来产生声音，因此在某些音色上，特别是电子音色和合成管乐的音色上表现得十分完美。 所以，在现在的电子管风琴音源系统中，都在每个常规音色中都保留了8个FM运算器，用来丰富AWM的音响效果或者产生多变的电子音色。
3、 VA（Virtual Acoustlc Synthesls）虚拟物理模型合成技术。这项技术最早是YAMAHA研发于上个世纪80年代，也属于一种新型合成技术，用来合成电子管风琴上的独奏音色。八十年代的HS-8上就可以看到这种技术的雏形。后来，YAMAHA决定与美国斯坦福大学（Stanford）共同开发这项技术，并申请了专利和注册商标。用这项技术产生的声音较常规合成方法产生的音色更接近于真实乐器的声音。
这项技术并不依赖AWM和FM系统中的振荡器所产生的原始波形信号，它采用计算的方法模拟真实乐器在发声时本身各个部位的震动频率余震东方适合共鸣反射现象，进行物理建模而产生声音。所以她在音色的模仿上能产生绝对逼真的效果，比单纯依靠回放采样的音色的AWM系统在演奏中的音色更具人性化。
VA合成技术为电子管风琴演奏创造了许多有利的条件。以AWM合成方式发声的键盘乐器由于自身合成方法的问题，给演奏造成了许多局限，如小提琴在每次演奏同一个音的时候，音色、音高都会发生极为微妙的变化，从而表达丰富的感情，AWM系统根本不能表现这些东西，但VA系统却能根据触键力度、时间、触后及系统专用信息计算并模拟出这种细微的变化。你可以利用这点来模拟小提琴的箱体震动、揉弦技巧等演奏手法，创造更美的音乐。
但是，VA技术在完美中也有一种缺陷，就是发音数太少。由于技术条件的限制，每个独立的VA音源只能同时响应一个音。这就使我们无法用她来演奏和弦和和声音程希望随着技术的发展，更好的VA系统会被创造出来，提供给我们更加完美的性能。
介绍过了音源部分，我们来说说键盘。键盘使我们用来演奏音符的工具，也是我们与电子管风琴进行交流的第一界面。从当年早期的电子管风琴到今天的现代电子管风琴，键盘也随着时间不断发展。接下来就让我们重温一下键盘发展的历史。
早期的电子管风琴键盘手感极差，不仅机械结构不够灵敏，而且不具备今天来说最基本的力度感应功能。如把这种键盘拿给今天的电子管风琴演奏员，对于演奏员那将是无法忍受的灾难！但是当年毕竟是当年，那种键盘已经是当年最尖端技术的结晶，那种键盘也曾带给那一代人艺术上的享受，使他们感受到了电子乐器的魅力，页点燃了早期电子管风琴演奏员对这种乐器的热情。从20世纪初算起，这种不带力度感应的键盘的生命已经整整延续了70年！但事物总是不断发展的，到20世纪八十年代，这种键盘的生命才开始走到尽头。
毫不夸张的说：20世纪八十年代是电子乐器的春天！在八十年代，不仅AWM、VA、FM技术已经被开始应用或已经达到一定高度，而且键盘领域也发生了一场技术革命，这个革命的标志就是压敏导电橡胶被引入电子键盘乐器领域。压敏导电橡胶的特点是随着压力的不断增大，本身的电阻会不断变小。把她装在键盘上替代原来的阻值不变的金属片，她能感受到我们触键的力度（准确的说应该时下键的速度，因为往往速度达到了，下键的力度就会达到相应值。），并在音量和音色上体现出来，这项技术也是在这段时间被应用到了电子管风琴领域，大大增强了电子感风琴的表现能力，是电子管风琴的发展进入到了一个新的时代，从此，键盘开始以百倍于原来的速度发展。
到了八十年代末,键盘的配重和触后系统相继被发明出来。配重系统能成功的模拟钢琴键盘的击弦感觉，这使电子管风琴的触键手感告别迟钝和干涩，使演奏员即使触摸键盘听不到声音也是一种享受。触后感应是我们的手指在已经下键后，再次对键盘施加压力，键盘仍然会做出反应，此项功能可以用来模仿弦乐器的揉弦、萨克斯管的颤音等演奏技巧。这又使电子管风琴感情的表达在继力度键盘发明之后又上升到了一个新的高度。
下面让我们来看一下周边控制器。
这部分的作用是在演奏的同时用身体的其他部分来弥补双手演奏上不能完成的工作。周边控制器包括：膝控开关、脚控开关、表情音量踏板、弯音踏板和外接MIDI控制器。在演奏电子管风琴的时候，脚会演奏相应的低声部旋律，而如果双手要演奏钢琴声部，没有延音踏板是不可以的。而这时双脚又被低音声部占用，所以膝控开关便开始发挥作用，完成延音踏板的工作。打开膝控开关的延音功能后，将膝控开关推下，再用膝盖压迫膝控开关就可以使键盘产生延音。除此之外，脚控开关可以改变音色组，膝控开关可以控制自动伴奏的音型，表情踏板可以控制音量……，这就是周边控制器的作用。
最后，我们来说一下音序器的作用。严格的说，电子管风琴上的音序记录部分不应该叫做“音序器”，而应该叫做“音乐磁盘录音机”（MDR，即Music Disk Recorder的缩写）。它的作用就象一台普通的磁带录音机，用来记录乐曲中各种信息数据。而“音序器”的作用不单是记录信息，更重要的是对所记录的信息拥有强大的编辑能力，这种编辑能力是MDR所不具备的。但MDR又比录音机更为复杂。他具体能做些什么呢？让我们来一起了解一下吧。它能记录各声部的音色，每个音符的力度、时值、触后等控制信息。它可以让我们在演奏一首多声部乐曲时，将无法同时弹奏的声部先记录下来，在正式演奏的时候予以重放，和我们现场的演奏融为一体，使我们的演奏更加丰富，还可以把记录好的乐曲信息在其他支持同样格式的回放设备上进行重放，取得与制作时完全相同的效果，为音乐作品的交流提供了便利的条件。
下面，我们就一起来看一下电子管风琴每一个部分的工作原理和用途。
首先，我们从音源部分开始。这里是电子管风琴一切功能的核心部分。之所以称她为“音源”，顾名思义，她是电子管风琴声音的源泉。在电子管风琴的内部，她以芯片的形式存在着，依靠计算模拟或回放真实音响采样而合成或再现各种声音。在我们所能接触到的电子管风琴中的音源部分，应用到了以下几种声音的合成方法：
1、 AWM(Advance Wave Memory)高级波形记忆回放系统。有时也叫做PCM系统。这是现代电子乐器开发商最早用在采样回放型电子音乐合成器和采样器上的音色合成方式。她的工作原理是这样的：采集声音源在最有特点的音域发出的几个音，然后再对所记录下来的声音的音高、产生和衰减时间、上升率、衰减率进行调整，把调节好的声音按音区分配给键盘从而达到逼真的还原采样前的声音效果。
尽管AWM技术是回放来自真实乐器、经典合成器或电子声、自然声的采样波形，但是AWM系统也提供了包络器、调制器、滤波器对采样波形进行修改和再创作。因此，AWM系统的优点不仅在于她杰出的还原真实音响的能力，也在于她对声音的修整能力。
2、 FM（Frequency Modulation）频率调制系统。这是一种相对AWM来说较为古老的声音合成技术，在AWM技术产生之前已经被广泛的应用在电子合成器技术上。它的理论以及来自于傅立叶定理的变化应用。在声学领域，该定理可衍生出一条推论：任何复杂的波形都可以化解为若干简单的正弦波的叠加组合。FM技术将此依据逆行过来：利用模拟技术或数字技术的振荡器先产生简单的正弦波波形，然后再用调制器对它进行调制，而产生出复杂的波形，再对其进行滤波修改、放大、效果叠加，得到多彩的声音。如果我们用示波器来研究某个音色所包含的波形，并对波形进行解调处理，分析出波形的细节，我们就可以用FM技术模拟出近乎真实的声音。
这里我们讲到的只是FM技术的理论，但是应用的时候就并非那样那样简单。由于FM技术依靠电声技术的成分过多，而且FM运算器的数量往往有限，造成波形的变化过于富有规律，呈线性变化，而日常生活中声音的变化却不是十分规则，所以其优势并不在于产生真实乐器的声音，而是在于产生电子味道很浓的特殊音色。
不能完美的再现真实乐器的声音并不能掩盖FM技术优秀的一面。就是这种“古老”的技术在上个世纪七十年代——一个电声技术高速发展的时代，造就了至今为止电子音乐史上最富传奇色彩、最为畅销、流传最为广泛的电子合成器YAMAHA DX-7！这项技术产生了一大批极为优秀的音色，甚至直到21世纪，数字技术高度发达的今天，这些音色仍然流行在音乐界，被广泛的应用着。例如：在各个型号的电子管风琴的钢琴音色组中，排列第一号的电子钢琴音色就是当年DX-7的众多特色音色中的一个，按下键盘听一听，是不是很熟悉？呵呵，这个电子钢琴音色至今仍频繁的出现在大量的我们耳熟能详的音乐作品中，任何兼容GM标准的电子乐器音色表的第6号音色都是她！
在电声技术领域，有一件怪事：虽然FM技术如此古老，但当今即使最先进的数码采样音源系统仍不能十分有效的再现这个古老系统强大的声音处理控制能力。传统的FM系统拥有极为优秀的系统稳定性，和选择声音操作切入点的极高的精确性。而现代采样技术由于多种原因，特别是采样声音的数量有限，在不同音域音色切换是容易产生音色特征的突变。FM技术由于并不是回放采样波形，而是依靠本身的计算来产生声音，因此在某些音色上，特别是电子音色和合成管乐的音色上表现得十分完美。 所以，在现在的电子管风琴音源系统中，都在每个常规音色中都保留了8个FM运算器，用来丰富AWM的音响效果或者产生多变的电子音色。
3、 VA（Virtual Acoustlc Synthesls）虚拟物理模型合成技术。这项技术最早是YAMAHA研发于上个世纪80年代，也属于一种新型合成技术，用来合成电子管风琴上的独奏音色。八十年代的HS-8上就可以看到这种技术的雏形。后来，YAMAHA决定与美国斯坦福大学（Stanford）共同开发这项技术，并申请了专利和注册商标。用这项技术产生的声音较常规合成方法产生的音色更接近于真实乐器的声音。
这项技术并不依赖AWM和FM系统中的振荡器所产生的原始波形信号，它采用计算的方法模拟真实乐器在发声时本身各个部位的震动频率余震东方适合共鸣反射现象，进行物理建模而产生声音。所以她在音色的模仿上能产生绝对逼真的效果，比单纯依靠回放采样的音色的AWM系统在演奏中的音色更具人性化。
VA合成技术为电子管风琴演奏创造了许多有利的条件。以AWM合成方式发声的键盘乐器由于自身合成方法的问题，给演奏造成了许多局限，如小提琴在每次演奏同一个音的时候，音色、音高都会发生极为微妙的变化，从而表达丰富的感情，AWM系统根本不能表现这些东西，但VA系统却能根据触键力度、时间、触后及系统专用信息计算并模拟出这种细微的变化。你可以利用这点来模拟小提琴的箱体震动、揉弦技巧等演奏手法，创造更美的音乐。
但是，VA技术在完美中也有一种缺陷，就是发音数太少。由于技术条件的限制，每个独立的VA音源只能同时响应一个音。这就使我们无法用她来演奏和弦和和声音程希望随着技术的发展，更好的VA系统会被创造出来，提供给我们更加完美的性能。
介绍过了音源部分，我们来说说键盘。键盘使我们用来演奏音符的工具，也是我们与电子管风琴进行交流的第一界面。从当年早期的电子管风琴到今天的现代电子管风琴，键盘也随着时间不断发展。接下来就让我们重温一下键盘发展的历史。
早期的电子管风琴键盘手感极差，不仅机械结构不够灵敏，而且不具备今天来说最基本的力度感应功能。如把这种键盘拿给今天的电子管风琴演奏员，对于演奏员那将是无法忍受的灾难！但是当年毕竟是当年，那种键盘已经是当年最尖端技术的结晶，那种键盘也曾带给那一代人艺术上的享受，使他们感受到了电子乐器的魅力，页点燃了早期电子管风琴演奏员对这种乐器的热情。从20世纪初算起，这种不带力度感应的键盘的生命已经整整延续了70年！但事物总是不断发展的，到20世纪八十年代，这种键盘的生命才开始走到尽头。
毫不夸张的说：20世纪八十年代是电子乐器的春天！在八十年代，不仅AWM、VA、FM技术已经被开始应用或已经达到一定高度，而且键盘领域也发生了一场技术革命，这个革命的标志就是压敏导电橡胶被引入电子键盘乐器领域。压敏导电橡胶的特点是随着压力的不断增大，本身的电阻会不断变小。把她装在键盘上替代原来的阻值不变的金属片，她能感受到我们触键的力度（准确的说应该时下键的速度，因为往往速度达到了，下键的力度就会达到相应值。），并在音量和音色上体现出来，这项技术也是在这段时间被应用到了电子管风琴领域，大大增强了电子感风琴的表现能力，是电子管风琴的发展进入到了一个新的时代，从此，键盘开始以百倍于原来的速度发展。
到了八十年代末,键盘的配重和触后系统相继被发明出来。配重系统能成功的模拟钢琴键盘的击弦感觉，这使电子管风琴的触键手感告别迟钝和干涩，使演奏员即使触摸键盘听不到声音也是一种享受。触后感应是我们的手指在已经下键后，再次对键盘施加压力，键盘仍然会做出反应，此项功能可以用来模仿弦乐器的揉弦、萨克斯管的颤音等演奏技巧。这又使电子管风琴感情的表达在继力度键盘发明之后又上升到了一个新的高度。
下面让我们来看一下周边控制器。
这部分的作用是在演奏的同时用身体的其他部分来弥补双手演奏上不能完成的工作。周边控制器包括：膝控开关、脚控开关、表情音量踏板、弯音踏板和外接MIDI控制器。在演奏电子管风琴的时候，脚会演奏相应的低声部旋律，而如果双手要演奏钢琴声部，没有延音踏板是不可以的。而这时双脚又被低音声部占用，所以膝控开关便开始发挥作用，完成延音踏板的工作。打开膝控开关的延音功能后，将膝控开关推下，再用膝盖压迫膝控开关就可以使键盘产生延音。除此之外，脚控开关可以改变音色组，膝控开关可以控制自动伴奏的音型，表情踏板可以控制音量……，这就是周边控制器的作用。
最后，我们来说一下音序器的作用。严格的说，电子管风琴上的音序记录部分不应该叫做“音序器”，而应该叫做“音乐磁盘录音机”（MDR，即Music Disk Recorder的缩写）。它的作用就象一台普通的磁带录音机，用来记录乐曲中各种信息数据。而“音序器”的作用不单是记录信息，更重要的是对所记录的信息拥有强大的编辑能力，这种编辑能力是MDR所不具备的。但MDR又比录音机更为复杂。他具体能做些什么呢？让我们来一起了解一下吧。它能记录各声部的音色，每个音符的力度、时值、触后等控制信息。它可以让我们在演奏一首多声部乐曲时，将无法同时弹奏的声部先记录下来，在正式演奏的时候予以重放，和我们现场的演奏融为一体，使我们的演奏更加丰富，还可以把记录好的乐曲信息在其他支持同样格式的回放设备上进行重放，取得与制作时完全相同的效果，为音乐作品的交流提供了便利的条件。
