CN1097256C - 乐音生成器 - Google Patents

Abstract

提供了一种乐音生成器，它即使在只有小容量的波形存储器的情况下也能够再现自然乐音。该生成器包括一个第一波形存储器1a，一个第二波形存储器1b，第一乘法器4a，第二乘法器4b，电平系数生成器3和加法器5。

Description

乐音生成器

本发明涉及一种乐音生成器，用于生成电子乐器、电子百音盒或类似音乐设备的乐音。

迄今，已提出大量利用数字技术的电子乐器，它们以某种方法在乐音波形的每个样点生成一个波形振幅值，并以相应于某一音高频率的速率读取它。

作为其中最简单的方法之一，已知它可在一个波形存储器中从乐音发声的开始到结束储存整个波形中每个样点的振幅值，并且通过顺序读取它们来产生一个乐音波形(例如日本专利公开号52-121313)。这一方法的优点是，当以适当的比特速率取样时，能够如实地再现自然乐器的声音。

作为另一方法，它只存储整个乐音波形中音色较少变化部分的基波波形，以通过重复将它读出而减小波形存储器的容量(例如日本专利公开号59-30599)。

然而，第一种方法有一个问题，即，存储波形数据所需的存储容量变得很大，从而在设备小型化和降低其成本方面带来大麻烦。第二种方法也有一个问题，即，它需要大的存储容量去再现波形急剧变化处的所谓冲击(attack)段，从而也在设备小型化和降低其成本方面带来麻烦。

因此，本发明的目的在于提供这样一种乐音生成器，它甚至在波形存储器容量小的情况下，也能够生成自然的乐音。

本发明提供了一种乐音生成器，包括：一个第一波形存储器，用于在从乐音生成起经历某一确定的周期以后，存储稳定的第一波形的一个周期的第一波形数据；一个第二波形存储器，用于在紧接在生成乐音之后的时间内和从生成乐音和第一波形的基波成分和谐波成分的时刻起到一段确定的时间结束之前，对一个根据在非稳定波形的基波成分与谐波成分之间的每个差值成分而组成的第二波形，存储其一个周期的第二波形数据；以及合成器，用于合成从所述第一波形存储器重复读出的所述第一波形数据和从所述第二波形存储器重复读出的所述第二波形数据，其中每个波形数据被给与不同的电平变化。

图1是一个说明本发明第一实施例的方块图。

图2是一些显示乐音波形的图。

图3是一些说明与乐音波形有关的波谱的图。

图4是一个说明本发明第二实施例的方块图。

图5是一些显示乐音波形的图。

图6是一些显示另一乐音波形的图。

图7是一些显示另一乐音波形的图。

参照图2和3，首先解释第一实施例的原理。

在图2A中的波形“a”表示从百音盒或类似设备的乐音发声开始直至当它衰减完为止的波形的电平变化，图2B表示一个从发声开始经过一段足够的时间以后(在时刻“t2”)的一个周期的波形，以及图2c表示一个紧接着发声开始以后(时刻“t1”)的一个周期的波形。虽然一个象百音盒之类的衰减系统的自然乐器的初始波形因含有一些谐波成分而是复杂的，但随着时间推移，谐波成分衰减并且波形转变成一种接近正弦波的单调性波形。此外，虽然波形变化程度在紧接发声之后是大的，但随着时间的推移，波形变化程度变小，且波形本身变成稳定的。这就是说，波形在紧接乐音生成之后是不稳定的，但在乐音生成以后经历一定周期后就变成稳定的。

图3A示出在图2A中时刻“t2”的平均(稳定)波谱(波谱用实线表示，为方便起见，此后称为“基谱”)，和在图2A中时刻“t1”的特征(不稳定)波谱(波谱用虚线表示，为方便起见，此后称为“初始波谱”)。当图2A中“a”的电平变化被给与具有上述基谱的波形时，相对于初始波谱，在“t1”产生差值d1，d2，d3……，如图3A所示。“d1”是基波的频率“f1”上的差值，“dn”间第n级谐波的频率“fn”上的差值。然后，在每个谐波差值d2，d3…与基波差值d1之间的相对差值被假定为“Dn”(Dn＝dn-d1)，由此可得到如图3B所示的相对差谱。

随后，例如一个百音盒发出的所希望的乐音可用下列方法生成：预先存储有上述基谱的一个周期的波形数据和有上述相对差谱的一个周期的波形数据，重复读取这样的数据，将图2A中“a”的电平变化给与前一个波形数据，且将图2A中“b”的电平变化给与后一个波形数据，并使它们互相加起来。

下面参照图1具体地解释第一实施例。一个波形存储器1a存储具有上述基谱(图3A中实线)的一周期的波形数据，一个波形存储器1b存储具有上述相对差谱(图3B中“Dn”)的一个周期的波形数据。地址计数器2a和2b生成用于以相应于某一音高频率的固定速率从波形存储器1a和1b读出波形数据的地址。

电平系数生成器3a为从波形存储器1a读出的波形数据生成对应于图2A中“a”的电平系数数据。电平系数生成器3b为从波形存储器1b读出的波形数据生成对应于图2A中“b”的电平系数数据。乘法器4a将来自波形存储器1a的波形数据与来自电平系数生成器3a的电平系数数据相乘。乘法器4b将来自波形存储器1b的波形数据与来自电平系数生成器3b的电平系数数据相乘。加法器5把由乘法器4a和4b得到的相乘数据相加。数模转换器6把来自加法器5的数字数据转换成模拟数据。

随后，解释图1所示第一实施例的操作。

为了操作图1所示的乐音生成器，对应所希望的乐音的数据需要预先存储于波形存储器1a和1b以及电平系数生成器3a和3b中。之后，在解释实际操作之前，将解释一种形成要在波形存储器1a和1b中存储的波形数据的方法。一般说来，波形数据是根据傅里叶变换/逆变换的原理形成的。首先，在紧接发声开始后的某一确定的时段，和在从发声开始起经过某一确定的周期以后的某一确定的时段，进行波谱分析，以找出基波成分和每个基波的谐波成分。这就是说，找出用图3A中实线表示的基谱和用图3A中虚线表示的初始波谱。然后，从基谱找出图3B中所示的相对差谱，从而找出初始波谱。假设基波成分和每个谐波成分为与其级相应的“Cn”(在此，n是整数1或大于1的整数)，则一个周期的波形数据“Dm”用下式表示： $D\left(m\right)=q\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{\mathrm{Cn}\·\mathrm{SIN}(2\mathrm{\πnm}/S-\mathrm{\Φn})\}$ 式中，“q”是一个使振幅值最佳化的系数，“n”是基波和每个谐波的级，“N”是其最高级，“S”是波形存储器中的数据数，“m”是从“0”至“S-1”的整数，以及“Фn”是基波和第n级谐波的相位。于是找出分别对应基谱和相对差谱的一个周期的波形数据，并将它预先存储于波形存储器1a和1b中。分别地，将对应于图2A中“a”的电平系数数据预先存储于电平系数生成器3a中，并将对应于图2A中“b”的电平系数数据预先存储于电平系数生成器3b中。

接着，解释图1所示乐音生成器的实际操作。根据来自地址计数器2a和2b的地址信号，以对应于音高频率“f”的固定速率读取存储在波形存储器1a和1b的波形数据。读取速率是由输入到地址计数器2a和2b的时钟信号“Ф”(Ф＝f·s)来确定的。

乘法器4a将来自波形存储器1a的波形数据与来自电平系数生成器3a的电平系数数据(对应于图2A中“a”的数据)相乘，以及乘法器4b将来自波形存储器1b的波形数据与来自电平系数生成器3b的电平系数数据(对应于图2A中“b”的数据)相乘。加法器5把由乘法器4a和4b得到的相乘数据相加。来自加法器的相加数据，通过数模转换器6从数字转换成模拟。

这样，可得到所希望的乐音输出。

应当指出，虽然作上述解释时假设了采用象百音盒之类的衰减系统乐音，但是当然可以不仅得出衰减系统的乐音，而且可以得出喇叭、风琴或类似乐器的各种乐音。

此外，还可以在波形存储器1a和1b与电平系数生成器3a和3b中分别存储多种数据。因此，可生成例如钢琴、喇叭和风琴之类乐器的多种乐音。而且，如果一种波形数据存储于波形存储器1a和1b中(例如钢琴数据)，并且多种数据存储于电平系数生成器3a和3b中，那就可以产生例如具有多种不同音调的“钢琴”声音。

参照图5，首先解释第二实施例的原理。

图5A示出一个从一个百音盒发出乐音开始直至它衰减完为止的完整的波形，图5B示出一个从发声开始经历一段足够的时间以后的一个周期的波形，以及图5C示出一个紧接发声开始以后的一个周期的波形。虽然一个象百音盒之类的衰减系统的自然乐器的初始波形，由于含有一些谐波成分而是复杂的，但随着时间推移，谐波成分会衰减并且波形变成一种接近正弦波的单调性波形。此外，虽然波形变化程度在紧接发声之后是大的，但随着时间推移，波形变化程度变小，且波形本身变成稳定的。这就是说，波形在紧接生成乐音以后是不稳定的，但在乐音生成以后经历一定的周期后就变成稳定的。

然后，可以用下列方法生成例如百音盒发出的所希望的乐音：预先存储图5B和5C中波形数据，重复读取这样的数据，再分别地，将图5B中波形数据与图5D中“1-K(t)”相乘，以及图5C中波形数据与图5D中“K(t)”相乘，并且把两个相乘结果相加得到的值与图5E中的包络“E(t)”相乘。

下面参照图4具体地解释第二实施例。

波形存储器1a存储图5B中波形数据，即从发出乐音开始起经历某一确定时间后的一个周期的波形数据，以及波形存储器1b存储图5C中波形数据，即紧接乐音发声开始以后的一个周期的波形数据。地址计数器2a和2b生成地址，用于以对应音高频率的固定速率，从波形存储器1a和1b读出波形数据。

电平系数生成器3生成电平系数数据(对应于图5D中“1-K(t)”和“K(t)”的数据)，用于改变从波形存储器1a和1b读出的波形数据的合成比率。乘法器4a将来自波形存储器1a的波形数据与来自电平系数生成器3的电平系数数据(对应于图5D中“1-K(t)”的数据)相乘。乘法器4b将来自波形存储器1b的波形数据与来自电平系数生成器3的电平系数数据(对应于图5D中“K(t)”的数据)相乘。加法器5把由乘法器4a和4b得出的相乘数据进行相加。

包络生成器6生成包络数据(对应于图5E中“E(t)”的数据)，用于把音量的时间状态(timewise)变化给与加法器5所得的相加数据。乘法器7将来自加法器5的相加数据与来自包络生成器6的包络数据相乘。数模转换器8把来自乘法器7的数字数据转换成模拟数据。

随后，解释图4中所示第二实施例的操作。

为了操作图4所示的乐音生成器，对应于所希望的乐音的数据需要预先存储于波形存储器1a和1b以及电平系数生成器3中。之后，在解释实际的操作以前，解释一种形成要在波形存储器1a和1b中存储的波形数据(对应于图5B和5C的数据)的方法。一般说来，波形数据是根据傅里叶变换/逆变换的原理形成的。首先，在紧接发声开始后的某一确定的时段，和在从发声开始起经历某一确定的周期以后的某一确定的时段，进行波谱分析，以找出基波成分和每个基波的谐波成分。假设基波成分和每个谐波成分分为与其级相应的“Cn”(在此n是整数1或大于1的整数)，则一个周期的波形数据“Dm”用下式表示： $D\left(m\right)=q\·\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\{\mathrm{Cn}\·\mathrm{SIN}(2\mathrm{\πnm}/S-\mathrm{\Φ})\}---\left(1\right)$ 式中，“q”是一个使振幅值最佳化的系数，“n”是基波与每个谐波的级，“N”是最高级，“S”是波形存储器中的数据数，“m”是从“0”到“S-1”的整数，和“Фn”是基波和第n级谐波的相位。于是找出分别相应于图5B和5C的一个周期的波形数据，并将其预先存于波形存储器1a和1b中。电平系数数据(对应于图5D中“1-K(t)”和“K(t)”的数据)预先存储于电平系数生成器3中。

其次，解释图4所示乐音生成器的实际操作。

根据来自地址计数器2a和2b的地址信号，以相应于音高频率“f”的固定速率读取存储在波形存储器1a和1b中的波形数据。读取速率是由输入到地址计数器2a和2b的时钟信号“Ф”(Ф＝f·s)来确定的。

乘法器4a将来自波形存储器1a的波形数据与来自电平系数生成器3的电平系数数据(对应于图5D中“1-K(t)”的数据)相乘，以及乘法器4b将来自波形存储器1b的波形数据与来自电平系数生成器3的电平系数数据(对应于5D中“K(t)”的数据)相乘。加法器5把由乘法器4a和4b得到的相乘数据相加。当从波形存储器1a和1b读出的波形数据是“da(Ф，t)”和“db(Ф，t)”时，则从加法器5输出的相加数据“d”用下式表示：

d＝da(φ，t)·{1-k(t)}+db(φ，t)·k(t)      (2)式中，“K(t)”满足“0＜K(t)＜1”。

乘法器7将来自加法器5的相加数据“d”与来自包络生成器6的包络数据(对应于图5E中“E(t)”的数据)相乘。从乘法器7输出的相乘数据“d’”用下式表示：

d’＝[da(φ，t)·{1-k(t)}+db(φ，t)·k(t)]·E(t)     (3)相乘数据“d’”由数模转模器8从数字转换成模拟。

这样，可以得到所希望的乐音输出。应当指出，虽然上述解释是在主要假设象百音盒之类的衰减系统的乐音的情况下作出的，但是当然可以不仅得到衰减系统的乐音，而且可以得到喇叭、风琴或类似乐器的各种乐音。分别与图5A至5E相对应，图6A至6E示出喇叭的波形，图7A至7E示出风琴的波形。

此外，还可以在波形存储器1a和1b中和在电平系数生成器3中分别存储多种数据。例如，如果分别对应于图5B、图6B和图7B的波形数据存储于波形存储器1a中，分别对应于图5C、图6C和图7C的波形数据存储于波形存储器1b中，分别对应于图5D、图6D和图7D的数据存储于电平系数生成器3中，以及相应的包络是由包络生成器6生成的，那就可以生成三种乐音。而且，如果在波形存储器1a和1b中存储一种波形数据(例如“钢琴”数据)，且在电平系数生成器3中存储多种数据，那就可以生成例如含有多种不同音调的“钢琴”的声音。

根据本发明，甚至在只有小容量的波形存储器的情况下，也可以生成自然乐音。结果，例如通过该简单结构来模拟自然乐器的音调，可有效地利用它。

Claims (3)

1.一种乐音生成器，包括：

一个第一波形存储器，用于在从乐音生成起经历某一确定的周期以后，存储稳定的第一波形的一个周期的第一波形数据；

一个第二波形存储器，用于在紧接在生成乐音之后的时间内和从生成乐音和第一波形的基波成分和谐波成分的时刻起到确定的周期结束之前，对一个根据在非稳定波形的基波成分与谐波成分之间的每个差值成分而组成的第二波形，存储其一个周期的第二波形数据；以及

合成器，用于合成从所述第一波形存储器重复读出的所述第一波形数据和从所述第二波形存储器重复读出的所述第二波形数据，其中每个波形数据被给与不同的电平变化。

2.根据权利要求1所述的乐音生成器，其中所述合成器包括：

第一乘法器，用于将所述的第一波形数据和一个随着时间推移而变化的第一电平系数相乘，以生成第一相乘数据；

第二乘法器，用于将所述的第二波形数据和一个随着时间推移而变化的第二电平系数相乘，以生成第二相乘数据；

电平系数生成器，用于生成所述第一电平系数和所述第二电平系数；以及

加法器，用于把由所述第一乘法器生成的所述第一相乘数据和由所述第二乘法器生成的所述第二相乘数据相加。

3.根据权利要求2所述的乐音生成器，其中所述第一电平系数提供一个对应所述乐音生成器生成的乐音的振幅变化的电平变化，以及所述第二电平系数提供一个对应所述乐音生成器生成的乐音的谐波成分变化的电平变化。

Images