奧爾登·斯金納
在本文的第1部分中，我們描述了數碼鋼琴如何執行其最基本的功能-模仿原聲鋼琴。我們首先進行音調制作，然后繼續進行控制（鍵盤和踏板），最后介紹樂器的音頻系統。在第2部分中，我們探索了數碼鋼琴超越簡單復制原聲鋼琴功能的所有方法。
音調制作
采樣率和位深度
現在大多數數字鋼琴中用來模擬原聲鋼琴復雜音調特性的技術稱為采樣。采樣是最簡單的形式，是對聲音進行數字記錄以供以后播放的過程。樣本集合（例如，再現鋼琴音調所需的樣本）稱為樣本集。為像鋼琴這樣復雜的樂器編譯樣本集時，需要做出許多決定，也許最重要的是采樣率和位深度。
采樣速率確定如何每秒聲音多次將被測量。必須對聲音進行足夠頻繁的采樣，以避免丟失采樣時間之間發生的變化。該速率又取決于所采樣聲音的頻率。鍵盤上最高音符的基本頻率是每秒4186個周期或赫茲（Hz）。但是，伴隨這些基本音調的泛音會以基本音調頻率的倍數振動，因此必須正確記錄以準確再現音調。幸運的是，光盤的發明人已經很清楚這一要求，很久以前就采用了44100Hz的采樣率進行音頻CD記錄。
另一個決定是每秒每秒進行44100次測量的精度。正如我們不想錯過在我們測量聲音之間發生的聲音變化一樣，我們也不能錯過這些變化的細節。在數字記錄中，這稱為位深度。位深度越高，可以記錄的細節越精細。在計算機中，一個8位數字表示最多256個細節級別，一個16位數字可以表示65,536個級別，而一個24位數字最多表示16,777,216個級別。我們將再次屈服于光盤開發人員的決定，并選擇16位數字作為我們的標準。
所有這些意味著在音頻CD標準下，每秒采樣的聲音被測量了44,100次，其細節程度可以代表多達65,536個單獨的級別。該樣本信息的這一秒僅占用了86 KB以上的內存空間。由于數字鋼琴制造商不會發布有關其采樣標準的信息，因此沒有與音頻CD標準進行比較的依據。但是，軟件鋼琴的開發者指出的費率往往高于此標準，因此可以合理地假設某些數字鋼琴制造商也可能超過這些費率。
循環播放
鋼琴音符的一個有趣的特征是它可以持續幾秒鐘，但是在最初的幾秒鐘之后，聲音的大部分初始復雜度消失了。剩下的幾秒鐘持續的聲音除了音量逐漸減小外幾乎沒有變化。通過引入一個稱為循環的過程，這為節省一些內存空間，從而節省一些金錢提供了可能性。循環播放涉及選擇一段短時間的聲音，該聲音在一段時間內基本保持不變，然后以逐漸減小的音量反復播放。細心地做，當專心聆聽一個音符的延音時幾乎無法檢測到結果，而在正常彈奏時在動蕩中完全消失了。
空間關系
原聲鋼琴產生的音符在樂器琴弦中有一個物理起點，當您從鍵盤的左（低音）端到右（高音）端演奏音階時，可以聽到從左向右移動的音符。為了保持這種空間關系，數碼鋼琴中的樣本以兩聲道立體聲錄制。此功能通常稱為“平移”，通過以類似于從原聲鋼琴聽到的聲音的方式對聲音進行物理定位來增加琴聲的真實感。
采樣音符數量
現在我們必須決定要采樣多少個音符。顯而易見的答案似乎是“所有人”，而一些制造商則選擇了這條路線。但是為了控制數碼鋼琴的成本，許多制造商都在尋找對全部88個音符進行采樣的替代方法。
在原聲鋼琴中，較長的低音弦的音色不同于較短的高音弦。事實上，當你從鍵盤的一端彈到另一端時，音色會發生多次變化。部分原因是琴弦長度不同，還有部分原因是不同音域的音符的類型和琴弦數量不同。在最低音區，弦槌擊打每個音符對應的琴弦，厚銅線包裹著的琴弦能減緩其振動速度以產生適當的音高。根據鋼琴的弦列設計，低音區有幾個八度音階，其中每個音符連接兩根琴弦，每根弦都用薄銅線包裹。最后，鍵盤中部的每個音符對應三根鋼絲琴弦。每個音符對應的一根、兩根或三根琴弦被稱為同音弦，因為每組同音弦被調成同一音高，發出相同的音符聲音。當從琴鍵的一端彈到另一端，就能聽到因琴弦的不同排列而造成的細微音色變化。
但是兩個相連音符的音色變化并不總是那么明顯。有時，發生變化的只是音高。事實證明，對于數碼鋼琴而言，播放不同音高的聲音樣本是一件非常簡單的事情。所以可以使用一個音色樣本作為兩個或三個連續音符的基礎來節省存儲空間。但是如果過度，就會導致明顯的音色問題。但是，如果至少采樣了三分之一的音符，多鍵盤中音色有更明顯變化的區域多加注意，這些共享樣本可以產生逼真的鋼琴音色。
動態變化的采樣
在我們從基本樣本集中進行之前，必須處理音調變化的另一個來源-動態效果（音量或響度的變化）。較重地敲擊弦線會產生更大數量的聲調，并且會突出較高的泛音，這不僅會使聲音變大，而且會使聲音更“邊緣”。當前，除了最便宜的樂器外，數字鋼琴使用的是三到五個動態樣本。當您以不同程度的力度彈奏時，數碼鋼琴會選擇最接近的適當動態樣本進行播放。使用單個樣本級別進行動態處理的入門級鋼琴也使用音符泛音的可變過濾來模擬這些音調差異，有時會取得顯著成功。
采樣其他效果
許多數字鋼琴都包含其他類型的樣本，旨在捕獲原聲鋼琴的更多細微差別。這時，最常見的兩個樣本是弦共振和阻尼效應。由于具有如此多的功能，不同的制造商很少會使用相同的術語來獲得相同的效果。弦的共鳴與弦的泛音有關。振動弦產生的每個泛音都處于或接近高音基頻的基本頻率，高音的基頻與演奏的基音具有數學關系。這導致相關音符的弦的微弱的共鳴或共振振動，并為聲音增加了另一個維度。（要聽到這種效果，請緩慢按下和弦的鍵（在本次討論中，我們將其設為C和弦，而無需實際發出聲音。）按住這些鍵的同時，快速敲擊并釋放C到所保持的和弦下方八度，會微弱地聽到上面C弦的共鳴。）
在原聲鋼琴中，當按下琴鍵時，擊弦機止音器會使琴鍵遠離弦，并在釋放琴鍵時返回以停止其振動。對聲音的影響不是瞬間的；琴弦的振動停止只需幾分之一秒。在此期間，隨著其泛音快速衰減，音調也會發生變化。放開琴鍵會觸發制音效果的采樣，并為數碼鋼琴的聲音添加另一個微妙的維度。
和弦
最后，我們必須考慮一下樂器可以同時演奏多少個音符，表示為和弦。快速瀏覽一下，可能意味著10應該足夠了。但是請考慮當您按住延音踏板同時彈奏和弦或琶音時會發生什么。持續保持的每個音符都占據一個復音。如果您按下延音踏板并用雙手彈奏一組三個音符的和弦，然后以連續較高的八度音程再重復三遍這些和弦，那么此時你就彈奏了24個延音音符。而彈奏分層音需要48個復調音符，分層音即兩種不同聲音的組合，如鋼琴和弦樂器。一些型號的數碼鋼琴有32個復音數，但當前大多數型號有64個或更多復音數。
注意事項：當您深入研究數碼鋼琴的規格時，你可能會被那些規格的數字所吸引，比如說采樣音符的數量、樣本所占的存儲空間大小，等等，但是這是非常不可靠的。數碼鋼琴的設計包括經濟因素（比如型號的售價數量）、潛在顧客的需求（初學者或專業人士），而且在很大程度上，由制造商的工程人才所決定。設計創意是工程人員將規格數字轉化為靈感的過程，而富有創意的工程師能利用規格數字提高鋼琴的音質，而缺乏創意的工程師則會讓鋼琴的音色更差，所以重要的并不是這些規格數字本身。
聲音產生的其他方法
在采樣變得商業可行之前（即負擔得起，在引入時，第一批采樣儀器的價格就相當于一所小房子的價格），各種形式的“合成”被用來制作電子音樂。振蕩器，濾波器，調制器，包絡線發生器和其他電子設備一起工作，可以發出前所未有的聲音，以及模糊地模仿熟悉的聲學樂器的聲音。經典模型是羅伯特·穆格在1960年代末和70年代后期的模塊化合成器，溫迪·卡洛斯正是用這種合成器演奏其專輯《時髦的巴赫》。當今的有些數碼鋼琴保留了與這些早期合成器幾乎相同的方式來修改聲音的功能。
看看當前出現的技術，我們發現一種稱為物理建模的方法。盡管以前在基于軟件的鋼琴中使用過建模，但去年羅蘭發行了V-Piano，這是第一款完全依靠這種技術的數字鋼琴。最近，雅馬哈發布了其新的CP舞臺鋼琴系列，該系列融合了建模和采樣技術。建模會將樂器的聲音分解為離散的元素，這些元素可以用數學方程式或算法表示。對于原聲鋼琴，這些算法表示影響音調的主要元素的行為-弦槌，琴弦，音板和阻尼器。采樣時，會從鋼琴的內存中檢索一個預先存在的采樣，而在建模時，會根據一系列復雜的計算實時創建音調。采樣需要大量內存來存儲高分辨率采樣集，
控制音調—鍵盤
就像在原聲鋼琴中一樣，鍵盤的作用是為演奏者提供對樂器音調資源的親密，可靠的控制。但是就像沒有單一的正確音調一樣，也沒有單一的正確感覺。而是有一個可接受范圍的觸摸特性。
觸摸重量
就像在原聲鋼琴中一樣，大多數數碼鋼琴的擊弦機主要是操縱桿的排列，但是數碼擊弦機的復雜性要低得多，不需要定期調整。玩家使用一些可定義的標準來判斷擊弦機。有些很容易衡量，有些則很主觀。數碼鋼琴購買者最經常爭論的是觸摸重量。
觸摸重量是按下按鍵所需的力的量，通常以克為單位。對于民謠鋼琴，通常認為50至55克范圍內的觸摸重量是正常的。鑰匙提供的阻力是摩擦力和被移動零件的質量的組合。這兩個因素在原聲鋼琴中的表現與在數碼鋼琴中的稍有不同。通常在完全踩下延音踏板的情況下測量原聲鋼琴的觸摸重量，這可以減輕阻尼器的重量并減少按下琴鍵所需的力。問題是，數碼鋼琴沒有制音器，因此數碼鋼琴制造商必須在鋼琴演奏者通過按鍵抬起減震器時會感覺到的重量增加，以及減震器通過延音踏板提起時的較輕重量之間做出選擇。該問題沒有固定答案，只是制造商的設計選擇。
與數碼鋼琴相比，摩擦也是聲學效果中更大的因素。聲音作用中的大部分摩擦力是由于各種鉸鏈點和軸承表面引起的，其中許多鉸鏈點和軸承表面都帶有布或氈套。隨著時間的流逝，這些襯套會磨損或變緊，從而減少了摩擦并降低了按下琴鍵所需的力。另一個因素是濕度。毛氈和木質零件易于吸收和釋放水分，隨著空氣中水分含量的變化有效地增加或減少了摩擦。由于數字擊弦機包含的氈制部件少得多，并且除了少數使用木鍵的高端擊弦機，大多數數碼鋼琴幾乎不含木質配件，因此，由于磨損和濕度波動而引起的摩擦變化將大大減少。
觸重的另一個特點是，鍵盤兩端的觸重各不相同。在鋼琴中，低音端的弦槌要遠遠重于高音端，這導致低音區的觸重更重，高音區的觸重更輕。而逐級配重擊弦機則是大多數數碼鋼琴為了復制鋼琴鍵盤的觸重而采用的類似逐級配重設計。在數碼鋼琴鍵盤的88個琴鍵上使用不同的重量設計，會增加成本而且也不一定有價值。所以通常數碼鋼琴采用四個不同的觸重值，每一種用于一個觸重區域。
琴鍵設計
一些使用木質琴鍵的高端數碼鋼琴能讓你體會到彈奏鋼琴的感覺。其中你能發現的一些不同琴鍵設計特點包括：琴鍵的輕微彎曲、琴鍵的質量差異，以及在按壓琴鍵時，木材與塑料的減震效果的細微差異，盡管這大多都隱匿于琴鍵下方的毛氈處。
琴鍵設計的另一個方面是鍵面材料的觸感。鋼琴演奏者喜歡象牙按鍵不僅因它外型美觀，還因為它是滲透性材料，不同于表面光滑的塑料琴鍵，象牙琴鍵具有一定程度的抓力。當演奏者的彈奏進入緊張階段，手心出汗時，這種抓力就尤為重要，這通常出現在彈奏有難度的樂章時，彈奏者的準確性和控制力達到極限。象牙鍵面的替代品，如卡瓦伊的Neotex、羅蘭的IvoryFeel和雅馬哈的Ivorite等仿象牙琴鍵同樣具備象牙鍵面久負盛名的優點：不會褪色、開裂和破碎。其他制造商也逐漸增添這一功能，當你比較鋼琴時，最好考慮一下這一因素。
動態（速度）傳感器
最后要探討的關于數碼鋼琴擊弦機的問題是，如何測量演奏者的手指按鍵力量。這通常經由兩個電觸開關實現。當按下琴鍵時，兩個開關會快速連續關閉。又或者，一些高端的多功能數碼鋼琴會采用光學傳感器來感測琴鍵的運動，當按下琴鍵時，琴鍵上的傳感器會分解光束。然而，這些傳感器實際測量的不是按鍵力量，而是按鍵的速度，這就是為什么你有時會看到鍵盤規格中會包含感應速度的原因。將琴鍵一按到底時，鋼琴會測量第一和第二個傳感器接收到信號所花費的時間。時間長表明琴鍵緩慢移動，那么鋼琴會發出柔和的音色；時間短意味著擊鍵更快、更有力，因此鋼琴會發出更響亮的音色，這些都是顯而易見的。一些擊弦機會采用附加開關來觸發其他類型的聲音樣本，比如說上文提到的制音效應。
現在一些數碼鋼琴采用三個傳感器（三觸點傳感器），而不是常見的兩個。第三個傳感器能讓彈奏者在琴鍵還未完全返回原來位置時就重新觸發音符，這大大地提高了琴鍵重復速度，還改善了鋼琴的連奏反應。
踏板
現代原聲鋼琴有三個踏板。讓我們看一下它們是如何工作的，以及它們的功能如何轉換為數碼鋼琴。
在普通的三踏板鋼琴中，右側的踏板是延音踏板。如果數字樂器只有一個踏板，那就是延音踏板。有些人將其稱為阻尼器踏板，因為它在原聲鋼琴上的機械功能是將阻尼器從琴弦上抬起。在數碼鋼琴上，延音踏板是一個電子開關。按下時，它會告知樂器，使演奏的音符像在原聲鋼琴上一樣逐漸衰減。
關于數碼鋼琴的延音踏板，最常見的問題是它是否可以執行稱為半踏板的功能。原聲鋼琴的延音踏板機構可以將阻尼器從擱在琴弦上的位置移動到完全脫離琴弦的位置，或兩者之間的任何位置。在這兩個位置之間是非常有用的半踏板位置，它使演奏者可以更好地控制音調和延音。雖然半踏板功能現在通常在高端數字設備上發現，但并不總是出現在價格較低的樂器上，在這種情況下，延音踏板很可能是一個簡單的開/關開關，可以實現完全延音或無延音，但是之間沒有任何東西。一些價格較低的數碼產品帶有單獨的方形塑料或金屬腳踏開關，而不是像鋼琴踏板那樣的東西。但是，即使鋼琴本身具有半踏板控制功能，腳踏開關也可能僅提供開/關延音。即使某些踏板具有鋼琴踏板的外觀和動作，也可能是同樣的情況。始終值得檢查規格以確保兩臺儀器和踏板可以進行半踏板控制。
三踏板的左踏板為弱音踏板。而在三角鋼琴中，為顯示其功能，這一踏板被稱為移位弱音踏板或一根琴弦踏板。在三角鋼琴中，踩下左踏板會將整個擊弦機（從琴鍵到弦槌）稍微向右移動。正如上文“音調制作”一節中提到的，在鋼琴中，大多數音符都連接兩根或三根琴弦。當弱音踏板將擊弦機向右移動時，弦槌僅擊打三根同音琴弦中的兩根琴弦。這就會產生兩個效果：降低音量，以及略微改變音質。
如同延音踏板一樣，數碼鋼琴的弱音踏板只是一個具有同等效果的電子開關。但是比起鋼琴，數碼鋼琴的擊弦機可以產生音量更低的聲音，所以弱音踏板在數碼鋼琴中的實用性大大減低了。然而，弱音踏板功能改變音質的效果依然實用，如果它真能實現這一功能，但是大多數數碼鋼琴的弱音踏板并不具備這一效果。
神秘的中間踏板是選擇踏板。理解選擇踏板最簡單的方法就是將其看作具有選擇性延音功能的踏板。任意彈奏一個或多個琴鍵，按下琴鍵的同時，踩住選擇踏板。選擇踏板就會提起這些琴鍵的制音器，即使在松開琴鍵后還能延長這些琴鍵的聲音，但是隨后彈奏的琴鍵，即使松開后也無法延音，除非你又使用了延音踏板。所以清楚了嗎？數碼鋼琴踏板最重要的就是完全擁有鋼琴三個踏板的功能。就曲譜而言，只有少數古典音樂才需要用到選擇踏板。如果你有需要就可以用，但是你可能永遠都不會有機會用到它。在數碼鋼琴中，中踏板會有另一個功能，這將在本文的第2部分中進行討論。
音響系統
大多數數字鋼琴的最后組成部分是音頻系統，即放大器和揚聲器，其功能與原聲鋼琴的音板相同：使鋼琴的聲音在有用的音量下可聽見。我說大多數數字鋼琴是因為某些專門為舞臺設計的樂器缺少板載音頻系統，因為它們始終會連接到擴聲或公共廣播（PA）系統。
當前市場上的數碼鋼琴可提供12至360瓦（W）的輸出功率，可通過2至12個揚聲器進行傳輸。要了解為什么會有如此廣泛的選擇，我們需要研究系統的功率輸出能力（以及揚聲器的類型，數量和位置）與我們所聽到的聲音之間的關系。
大多數人可以檢測到的最小音量變化是3分貝（dB），要使音量增加3dB，則需要將輸出功率（瓦特）加倍。考慮到這些關系，讓我們看一些數字。
根據對三種最常見的音樂會三角鋼琴（貝森朵夫290型，施坦威 D型和雅馬哈 CFIIIS型）的測量，得出了一個動態范圍。這個范圍從最柔和的音符（64dB）到我可以產生的最大音域（103dB）。分配適度0.015W -我們假設一個非常高效的音頻系統-為產生最柔和的音調（64dB），下圖跟蹤了隨音量增大而達到鋼琴動態范圍的頂部所需的放大器功率的變化。不同的音頻系統將有不同的起點，具體取決于被供電揚聲器的大小和數量，這些揚聲器使用電源的效率以及彈奏的音符（低音需要更多的功率來匹配高音音量）。表格中的動態變化數量可以反映一定程度的音樂性能。
如果你之前沒有看過這樣的表格，其結果會令你大吃一驚。因為你會看到擴音器真正需要大功率的是最后三到四檔的音量。
當音響系統試圖再現超過其可承受范圍的聲音時，就會對聲音“限幅”，導致聲音失真。需要注意的是，如果一直用最大音量彈奏，即使是最優質的鋼琴也可能會對聲音限幅。除了聲音失真之外，超負荷運轉系統還可能會損壞揚聲器和擴音器。關鍵是將音量設置在不高于其最大音量的75至80％之間。
如果你已經瀏覽了本刊最后的規格表，你就知道只有少數數碼鋼琴的聲道（左和右）會產生100瓦的輸出功率。許多具有大功率的型號還為高低音頻率區間分別提供擴音器和揚聲器，以此區分低功率高音頻率與高功率低音頻率。目前，僅有少數型號將音響系統分為三個獨立的子系統，即用于低音、中音和高音的系統。這些設計被稱為“雙功放”或“三功放”，通過利用專為特定頻率區間設置的優化擴音器和揚聲器，而不是將整個頻譜發送到整個音響系統中，大大提高音響效果和功率效率。
揚聲器
因為我們將在本出版物中考慮的所有數碼鋼琴都具有立體聲音頻系統，所以所有有關揚聲器的討論都將假定匹配的左右聲道。
最便宜的數碼鋼琴每側配有一個全頻揚聲器。雖然通常制造商稱這些揚聲器為“全頻”揚聲器，但實際上這種揚聲器只是受成本和安裝空間——有些型號相當小巧，所限的次級揚聲器。雖然全頻揚聲器擁有再現鋼琴樣本所需的20Hz-20kHz頻率范圍，但是這些頻率的處理方式并不相同。判斷揚聲器的頻率反應不僅取決于頻率范圍，還取決于頻率“平滑度”，或者說精確性。如果我們向一個揚聲器發送多個同一音量的不同頻率信號，當揚聲器發出這些頻率的聲音時，測量揚聲器的輸出音量，我們就會看到揚聲器的“頻率反應曲線”。全頻揚聲器的頻率反應曲線通常在中頻區域相對平滑，但到了頻譜的高頻和低頻區域，音量會大大下降。也就是說，揚聲器無法準確再現傳送信號的全部頻率范圍。這并不是因為揚聲器設計差勁。事實上，我常常驚訝于工程師能設計出這些揚聲器。但這些揚聲器仍是不準確的，會影響我們對鋼琴聲音的感知。如果高音和低音出現弱化或缺失，即使是最好的聲音樣本集也無法給人留下深刻的印象。
因此，大多數高端數碼鋼琴型號都配置三個揚聲器，每一個揚聲器分別用于優化低音、中音和高音頻率。低音頻率的精確再現需要大量空氣的移動，這就需要相對較大的表面積以及高頻的進出運動。低音揚聲器主要影響我們對鋼琴聲音的整體印象。
位于頻譜另一端的是高音揚聲器。雖然體積很小，但是高音揚聲器主要負責再現鋼琴高音的細微差別。低音揚聲器和高音揚聲器除了輸出頻率有明顯差異外，它們的安裝位置也不同。低頻聲音會向四面八方傳播，聲音頻率越高，傳播定向性就越強，這意味著將高音揚聲器精確放置尤為重要。數碼鋼琴的大多數中低頻揚聲器都位于鍵盤下方，因為鍵盤下方空間大。而高頻率的定向性要求高音揚聲器必須將聲音直接傳遞到彈奏者面前，所以通常高音揚聲器安置在鋼琴的控制面板上。
揚聲器系統中最新的一種—似乎是數碼鋼琴獨有的-是共鳴板揚聲器。該技術將在本期其他地方的“混合鋼琴”一文中討論。
因此，我們現在擁有了數碼鋼琴的所有功能：一個聲源，以及控制和收聽它的方法。但是目前沒有一架數碼鋼琴停在那里。它們都具有附加功能。這些附加功能從少數其他聲音到直接互聯網訪問。即使您當前的需求沒有超出基礎知識，您也應該了解樂器上的其他功能，以及它們如何使您感到驚訝并引誘您進入從未曾想過的音樂冒險中。要繼續，請閱讀“數字鋼琴基礎知識，第2部分：超越原聲鋼琴”。