JP2009025477A - ピアノ音の合成装置及び合成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の電子ピアノにおける、早いパッセージの演奏の際にアコースティックピアノと比較して音が途切れ途切れに聴こえるという違和感を取り除く。
【解決手段】ピアノの弦の周期的な振動に起因する音を表す音信号を発生する第１の音信号発生手段１と、ピアノのハンマーで弦を叩いた衝撃に起因する音を表す音信号を発生する第２の音信号発生手段２と、第１の音信号発生手段１で発生された音信号の減衰の仕方を、第２の音信号発生手段２で発生された音信号とは独立して制御する減衰制御手段３〜５とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、ピアノ音を合成する装置及び方法に関し、特に、電子ピアノの音源に採用することによって演奏時の聴感上の違和感を取り除けるようにしたものに関する。

アコースティックピアノの音を構成する要素は、大きく二つに分けることができる。一つは、鍵盤を押した際に、弦をハンマーで叩くことによって発生する弦の周期的な振動に起因する音（以下、周期的な弦振動音、または単に弦振動音とも呼ぶ）である。図１に示すように、ハンマー３０で叩いたことによる弦３１の振幅の変化が、弦３１を伝わってピン３２と駒３３とで反射されることにより、周期的な振動を起こす。弦３１の振動エネルギーは、その一部が駒３３を介して響板３４に伝わり、弦振動音として放射される。

二つ目は、弦をハンマーで叩いた衝撃が、直接ピアノの筐体や響板に伝わって発生する音（以下、衝撃音と呼ぶ）である。図１に示すように、この衝撃音は、ハンマー３０が弦３１に当たる位置がピン３５に近く、強いエネルギーがこのピン３５を介してピアノの筐体３６に伝わるために発生する。さらに、鍵盤を押した際に鍵盤の下部がピアノの筐体にぶつかった音も、この衝撃音に含まれる。

ところで、従来から、電子ピアノの音源としてはＰＣＭ音源が一般的に用いられている。ＰＣＭ音源は、アコースティックピアノの音名ごとに、数秒から数十秒に亘る実際のアコースティックピアノの音をサンプリングして録音したデータを保持している。そして、或る音名の演奏開始要求が与えられる（すなわち或る音名に対応する鍵盤が押される）と、その音名に対応するデータを再生する。その後、演奏停止要求が与えられる（すなわち鍵盤から手が離される）と、一定の時定数で出力を減衰させ、最終的に再生が停止する。

ここで、ＰＣＭ音源が保持するデータには、前述の周期的な弦振動音と衝撃音とが一緒に録音されている。そのため、演奏停止要求が与えられると、弦振動音と衝撃音との両方が同時に消えるようになっていた。

一方、電子ピアノの音源としては、アコースティックピアノでの音の発生メカニズムを、遅延回路及びフィルタを含んだ閉ループ回路によってシミュレートする物理モデル音源も存在している。

この物理モデル音源としては、弦の振動と響板の振動との両方をシミュレートするものも提案されている（特許文献１，２参照）。しかし、そこでシミュレートしている響板の振動は、あくまで弦の振動に起因するものであり、ハンマーで叩いた衝撃に起因するものではなかった。また、弦の振動のシミュレート結果と響板の振動のシミュレート結果とを合成して閉ループ回路にフィードバックしているので、演奏停止要求が与えられると、弦の振動をシミュレートした音と響板の振動をシミュレートした音とは、やはり同時に消えることになる。

特開平９−２２２８９０号公報 特開平１０−６３２７０号公報

ところで、電子ピアノでは、早いパッセージの演奏を行った際に、アコースティックピアノと比較して音が途切れ途切れに聴こえるという違和感を受けることがある。

本発明者は、その原因として、ＰＣＭ音源では前述のように弦振動音と衝撃音とが同時に消えることに着眼した。そのことを、図２を用いて説明する。アコースティックピアノの弦振動音は、鍵盤を押した後、鍵盤を押し続けた（またはダンパーペダルを踏んだ）状態では、音名に応じて、数秒から数十秒の間持続する。図２（ａ）は、この弦振動音の波形を例示する図である。

しかし、鍵盤を離し、且つダンパーペダルも踏まなければ、ダンパー（図１のダンパー３７）のフェルト面が弦を押さえることによって弦の振動を止めるので、弦振動音は、その後速やかに減衰する。早いパッセージの場合には、弦振動音は、図２（ｂ）に例示するように、２００ミリ秒前後の短い時間で減衰することになる。

これに対し、弦をハンマーで叩いた衝撃が直接ピアノの筐体や響板に伝わって発生する衝撃音は、ダンパーが作用しても減衰しない。この衝撃音を実測したところ、図２（ｃ）に示すように、およそ１秒近くの間持続することが判明した。

したがって、アコースティックピアノで早いパッセージの演奏を行った場合には、弦振動音が短い時間で消えた後も、衝撃音は聴こえている状態になる。

しかるに、ＰＣＭ音源を用いた電子ピアノで早いパッセージの演奏を行った場合は、前述のように弦振動音が消えるのと同時に衝撃音も消えてしまう。このことが、早いパッセージの演奏を行った際に音が途切れ途切れに聴こえる原因の一つであると考えられる。

なお、特許文献１，２に記載のような物理モデル音源を用いた電子ピアノで早いパッセージの演奏を行った場合でも、前述のように全ての音が同時に消えるので、やはり音が途切れ途切れに聴こえてしまうことになる。

そこで、本発明は、こうした従来の電子ピアノにおける聴感上の違和感を取り除くために、電子ピアノの音源に採用することによってこの聴感上の違和感を取り除けるようにしたピアノ音合成装置及びピアノ音合成方法を提供することを課題とする。

この課題を解決するため、本発明に係るピアノ音合成装置は、
ピアノの弦の周期的な振動に起因する音を表す音信号を発生する第１の音信号発生手段と、
ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音を表す音信号を発生する第２の音信号発生手段と、
前記第１の音信号発生手段で発生された音信号の減衰の仕方を、前記第２の音信号発生手段で発生された音信号とは独立して制御する減衰制御手段と
を備えたことを特徴とする。

このピアノ音合成装置では、ピアノの弦の周期的な振動に起因する音（すなわち周期的な弦振動音）を表す音信号と、ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音（すなわち衝撃音）を表す音信号とが、第１の音信号発生手段と第２の音信号発生手段とによって別々の音信号として発生される。そして、この弦振動音を表す音信号の減衰の仕方が、減衰制御手段により、この衝撃音を表す音信号とは独立して制御される。

このように、周期的な弦振動音を表す音信号の減衰の仕方が、衝撃音を表す音信号とは独立して制御されるので、電子ピアノの音源に採用すれば、早いパッセージの演奏の場合に、弦振動音だけを短い時間で減衰させ、衝撃音のほうはその後も持続させることが可能になる。

これにより、電子ピアノで早いパッセージの演奏を行った際に、音が途切れ途切れに聴こえるという違和感を取り除くことができる。

なお、一例として、減衰制御手段は、
弦に対するダンパーの位置を示す情報に基づき、前記第１の音信号発生手段によって発生された音信号のみを減衰させる減衰手段と、
前記減衰手段から出力された音信号と、前記第２の音信号発生手段で発生された音信号とを加算合成する加算手段と
で構成することが好適である。

また、一例として、第１の音信号発生手段は、
音名を指定する情報に基づき、指定された音名の基音の周波数の正弦波信号と、指定された音名の倍音の周波数の正弦波信号とをそれぞれ発振する複数の正弦波発振器と、
前記複数の正弦波発振器で発振された正弦波信号の振幅をそれぞれ時間的に変化させるためのエンベロープデータを生成する複数のエンベロープデータ生成器と、
前記複数の正弦波発振器で発振された正弦波信号と前記複数のエンベロープデータ生成器で生成されたエンベロープデータとをそれぞれ乗算する複数の乗算器と、
前記複数の乗算器から出力された信号を加算合成する加算手段と
で構成することが好適である。

また、一例として、第２の音信号発生手段は、
音名ごとに、ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音の波形データを保持した保持手段と、
音名を指定する情報に基づき、前記保持手段に保持された波形データの中から、指定された音名に対応する波形データを選択して出力する選択手段と
で構成することが好適である。

次に、本発明に係るピアノ音合成方法は、
ピアノの弦の周期的な振動に起因する音を表す音信号を発生する第１のステップと、
ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音を表す音信号を発生する第２のステップと、
前記第１のステップで発生した音信号の減衰の仕方を、前記第２のステップで発生した音信号とは独立して制御する第３のステップと
を有することを特徴とする。

このピアノ音合成方法では、ピアノの弦の周期的な振動に起因する音（すなわち周期的な弦振動音）を表す音信号と、ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音（すなわち衝撃音）を表す音信号とを、別々の音信号として発生する。そして、この弦振動音を表す音信号の減衰の仕方を、この衝撃音を表す音信号とは独立して制御する。

このように、周期的な弦振動音を表す音信号の減衰の仕方を、衝撃音を表す音信号とは独立して制御するので、電子ピアノの音源に採用すれば、早いパッセージの演奏の場合に、弦振動音だけを短い時間で減衰させ、衝撃音のほうはその後も持続させることが可能になる。

これにより、電子ピアノで早いパッセージの演奏を行った際に、音が途切れ途切れに聴こえるという違和感を取り除くことができる。

本発明に係るピアノ音合成装置，ピアノ音合成方法によれば、電子ピアノに音源として用いることにより、従来の電子ピアノにおけるような、早いパッセージの演奏を行った際に音が途切れ途切れに聴こえるという違和感を取り除くことができるという効果が得られる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて具体的に説明する。図３は、本発明を電子ピアノの音源に採用した実施の形態を示すブロック図である。このピアノ音合成装置は、倍音成分合成器１と、衝撃音成分発生器２と、減衰量生成器３と、減衰器４と、加算器５とで構成されている。

倍音成分合成器１，衝撃音成分発生器２には、電子ピアノの鍵盤（図示略）に配列された８８個の鍵のうち、現在押されている鍵に対応した音名を指定する音名情報が、電子ピアノ内のマイクロプロセッサ（図示略）から供給される。

倍音成分合成器１は、ピアノの弦の周期的な振動に起因する音（すなわち周期的な弦振動音）を表す音信号を、加算合成方式によって発生する回路である。図４は、この倍音成分合成器１の構成を示すブロック図である。倍音成分合成器１は、それぞれ正弦波発振器６−１〜６−Ｎ，エンベロープ生成器７−１〜７−Ｎ，乗算器８−１〜８−Ｎを有するＮ個の回路ブロック９−１〜９−Ｎと、加算器１０とで構成されている。

倍音成分合成器１に供給された音名情報は、各回路ブロック９−１〜９−Ｎに入力される。回路ブロック９−１，９−２，…９−Ｎでは、正弦波発振器６−１，６−２，…６−Ｎが、この音名情報によって指定された音名の基音，２倍音，…Ｎ倍音の周波数の正弦波信号をそれぞれ発振する。例えば音名情報によって指定された音名が中央オクターブの“ラ”である場合、正弦波発振器６−１，６−２，…６−Ｎの発振周波数はそれぞれ４４０Ｈｚ，８８０Ｈｚ，…（４４０×Ｎ）Ｈｚとなる。

また、エンベロープ生成器７−１〜７−Ｎは、正弦波発振器６−１〜６−Ｎが発振した正弦波信号の振幅を時間的に変化させるためのエンベロープデータをそれぞれ生成する。このエンベロープデータは、正弦波信号の周波数毎に異なっている。図５は、このエンベロープデータの一例を示す図である。

正弦波発振器６−１〜６−Ｎが発振した正弦波信号は、それぞれ乗算器８−１〜８−Ｎでエンベロープ生成器７−１〜７−Ｎからのエンベロープデータと乗算されて、回路ブロック９−１〜９−Ｎから出力される。

そして、各回路ブロック９−１〜９−Ｎから出力された信号が、加算器１０で加算合成されて、周期的な弦振動音を表す音信号として倍音成分合成器１から出力される。

図３の衝撃音成分発生器２は、ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音（すなわち衝撃音）を表す音信号を発生する回路である。図６は、この衝撃音成分発生器２の構成を示すブロック図である。衝撃音成分発生器２は、電子ピアノの鍵盤の８８個の鍵に一対一に対応した８８個の衝撃音データ保持メモリ１１−１〜１１−８８と、選択器１２とで構成されている。

衝撃音データ保持メモリ１１−１〜１１−８８には、電子ピアノの音名ごとの衝撃音の波形データがそれぞれ記憶されている。この波形データは、アコースティックピアノから弦を取り外した状態で、鍵盤の８８個の鍵を１つずつ押した際の衝撃音（ハンマーで叩いた衝撃に起因する音や、鍵盤の下部がピアノの筐体にぶつかった音）をサンプリングして録音したものである。

衝撃音データ保持メモリ１１−１〜１１−８８には、電子ピアノの音名ごとの衝撃音の波形データが、それぞれ１つずつ記憶されている。この波形データは、アコースティックピアノから弦を全て取り外した状態で、音名ごとに、弦を保持していた２つのピンのうちの鍵盤側のピン（図１におけるピン３５）をハンマーで直接叩き、その衝撃によって発生した音をサンプリングしたものである。

ただし、別の方法として、弦を張ったままのアコースティックピアノの鍵盤を１つずつ押した音をサンプリングし、その波形データからノッチフィルターによって正弦波成分を取り除いたものを衝撃音データ保持メモリ１１−１〜１１−８８に記憶させてもよい。

図２（ｃ）に示したように、ハンマーの打撃による衝撃音は１秒近くの間持続するので、衝撃音データ保持メモリ１１−１〜１１−８８に記憶されている波形データも、振幅値がゼロになるまでに１秒近くかかるデータである。

衝撃音成分発生器２に供給された音名情報は、選択器１２に選択制御信号として入力される。選択器１２は、各衝撃音データ保持メモリ１１−１〜１１−８８内の波形データのうち、この音名情報によって指定された音名に対応する波形データを選択して衝撃音成分発生器２から出力する。

なお、図６には８８個の衝撃音データ保持メモリ１１−１〜１１−８８を描いているが、単一のメモリに音名ごとの衝撃音の波形データを全て保持し、選択器１２が、音名情報によって指定された音名に対応する波形データをそのメモリから読み出すような構成にしてもよいことはもちろんである。

図３に示すように、減衰量生成器３には、鍵盤の離し具合やダンパーペダル（図示略）の踏み具合に対応して０から１００までの１００段階に変化するダンパー値が、電子ピアノ内のマイクロプロセッサから供給される。

減衰量生成器３には、ダンパー値と１秒あたりの減衰率とを対応させたテーブルを格納したメモリが設けられている。図７（ａ）は、このテーブルによって決定される減衰率の一部を示す図である。ダンパー値０は、鍵盤を完全に押しているか、またはダンパーペダルを完全に踏み込んでいる状態のダンパー値であり、減衰率は０ｄＢ／ｓｅｃに決定される。

鍵盤の離し具合が大きくなったり、ダンパーペダルの踏み具合が小さくなるにつれて、ダンパー値は大きくなる。ダンパー値１では減衰率は２ｄＢ／ｓｅｃに決定され、ダンパー値１００（鍵盤を完全に離したり、ダンパーペダルを全く踏んでいない状態のダンパー値）では減衰率は８０ｄＢ／ｓｅｃに決定される。

減衰量生成器３は、このようにして決定された減衰率に基づき、図７（ｂ）に例示するように、時間の進行につれて減衰量が増大する信号を出力する。

図３に示すように、倍音成分合成器１から出力された音信号（弦振動音を表す音信号）と、減衰量生成器３から出力された信号とは、減衰器４に入力される。減衰器４は、乗算器から成っており、この弦振動音を表す音信号に減衰量生成器３からの信号を乗算する。これにより、弦振動音を表す音信号が、ダンパー値に応じて減衰される。

減衰器４から出力された弦振動音を表す音信号と、衝撃音成分発生器２から出力された音信号（衝撃音を表す音信号）とは、加算器５に入力されて加算合成される。そして、この加算合成された音信号が、このピアノ音合成装置から出力される。

この実施の形態によれば、周期的な弦振動音（ピアノの弦の周期的な振動に起因する音）を表す音信号と、衝撃音（ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音）を表す音信号とが、倍音成分合成器１と衝撃音成分発生器２とによって別々の音信号として発生される。

そして、弦振動音を表す音信号のみが減衰量生成器３及び減衰器４によってダンパー値に応じて減衰された後で加算器５により衝撃音を表す音信号と加算合成される、というように、弦振動音を表す音信号の減衰の仕方が、衝撃音を表す音信号とは独立して制御される。

これにより、早いパッセージの演奏の場合に、弦振動音だけは短い時間（例えば図２（ｂ）に示したように２００ミリ秒前後）で減衰するが、衝撃音のほうはその後も持続する（図２（ｃ）に示したように１秒近くの間持続する）ようになる。

これにより、早いパッセージの演奏を行った際に、従来の電子ピアノにおけるような、アコースティックピアノと比較して音が途切れ途切れに聴こえるという違和感を取り除くことができる。

なお、以上の実施の形態では、周期的な弦振動音を表す音信号を、加算合成音源である倍音成分合成器１を用いて発生させている。しかし、加算合成音源以外の公知の音源（例えば物理モデル音源）を用いてこの弦振動音を表す音信号を発生させてもよい。

ただし、ＰＣＭ音源の場合には、弦振動音と衝撃音とが一緒に録音されているので、そのままでは、弦振動音を表す音信号と衝撃音を表す音信号とを別々の音信号として発生させるために用いることはできない。

また、以上の実施の形態では、衝撃音を表す音信号を、アコースティックピアノの実際の音に基づく波形データをメモリから読み出す構成の衝撃音成分発生器２によって発生させている。しかし、別の例として、衝撃音を表す音信号を、アコースティックピアノの実際の音に基づかずに、信号処理（例えば物理モデル音源でのシミュレーション）によって発生させてもよい。

また、以上の実施の形態では、周期的な弦振動音を表す音信号のほうは減衰量生成器３及び減衰器４によって減衰させているが、衝撃音を表す音信号のほうは全く減衰させていない。しかし、衝撃音を表す音信号を信号処理によって発生させる場合には、衝撃音を表す音信号のほうを、ダンパー値にかかわらず常に１秒近くの時間で減衰するように制御してもよい。

また、以上の実施の形態では、本発明を電子ピアノの音源に採用しているが、本発明は、例えばシンセサイザーのような音源装置においてピアノ音を発生させるために採用してもよい。

また、以上の実施の形態では、倍音成分合成器１，衝撃音成分発生器２，減衰量生成器３，減衰器４，加算器５といったハードウェア回路を設けているが、これらのハードウェア回路の全部または一部の機能を、コンピュータにソフトウェアを実行させることによって実現してもよい。

アコースティックピアノの内部構造を示す図である。 アコースティックピアノでの弦振動音，衝撃音の減衰の様子を示す図である。 本発明を電子ピアノの音源に採用した実施の形態を示すブロック図である。 図３の倍音成分合成器の構成を示すブロック図である。を示す図である。 図４のエンベロープ生成器が生成するエンベロープデータを例示する図である。 図３の衝撃音成分発生器の構成を示す図である。 図３の減衰量生成器で決定される減衰率と、減衰量生成器の出力信号とを示す図である。

符号の説明

１ 倍音成分合成器、 ２ 衝撃音成分発生器、 ３ 減衰量生成器、 ４ 減衰器、５ 加算器、 ６−１〜６−Ｎ 正弦波発振器、 ７−１〜７−Ｎ エンベロープ生成器、 ８−１〜８−Ｎ 乗算器、 ９−１〜９−Ｎ 回路ブロック、 １０ 加算器、 １１−１〜１１−８８ 衝撃音データ保持メモリ、 １２ 選択器、 ３０ ハンマー、 ３１ 弦、 ３２ ピン、 ３３ 駒、 ３４ 響板、 ３５ ピン、 ３６ ピアノの筐体、 ３７ ダンパー

Claims (5)

1. ピアノの弦の周期的な振動に起因する音を表す音信号を発生する第１の音信号発生手段と、
   ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音を表す音信号を発生する第２の音信号発生手段と、
   前記第１の音信号発生手段で発生された音信号の減衰の仕方を、前記第２の音信号発生手段で発生された音信号とは独立して制御する減衰制御手段と
   を備えたことを特徴とするピアノ音合成装置。
2. 請求項１に記載のピアノ音合成装置において、
   前記減衰制御手段は、
   弦に対するダンパーの位置を示す情報に基づき、前記第１の音信号発生手段によって発生された音信号のみを減衰させる減衰手段と、
   前記減衰手段から出力された音信号と、前記第２の音信号発生手段で発生された音信号とを加算合成する加算手段と
   から成ることを特徴とするピアノ音合成装置。
3. 請求項１に記載のピアノ音合成装置において、
   前記第１の音信号発生手段は、
   音名を指定する情報に基づき、指定された音名の基音の周波数の正弦波信号と、指定された音名の倍音の周波数の正弦波信号とをそれぞれ発振する複数の正弦波発振器と、
   前記複数の正弦波発振器で発振された正弦波信号の振幅をそれぞれ時間的に変化させるためのエンベロープデータを生成する複数のエンベロープデータ生成器と、
   前記複数の正弦波発振器で発振された正弦波信号と前記複数のエンベロープデータ生成器で生成されたエンベロープデータとをそれぞれ乗算する複数の乗算器と、
   前記複数の乗算器から出力された信号を加算合成する加算手段と
   から成ることを特徴とするピアノ音合成装置。
4. 請求項１に記載のピアノ音合成装置において、
   前記第２の音信号発生手段は、
   音名ごとに、ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音の波形データを保持した保持手段と、
   音名を指定する情報に基づき、前記保持手段に保持された波形データの中から、指定された音名に対応する波形データを選択して出力する選択手段と
   から成ることを特徴とするピアノ音合成装置。
5. ピアノの弦の周期的な振動に起因する音を表す音信号を発生する第１のステップと、
   ピアノの弦をハンマーで叩いた衝撃に起因する音を表す音信号を発生する第２のステップと、
   前記第１のステップで発生した音信号の減衰の仕方を、前記第２のステップで発生した音信号とは独立して制御する第３のステップと
   を有することを特徴とするピアノ音合成方法。

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