JP2011196756A - Method, device, and program for performing waveform analysis - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To analyze a sound that changes transiently and abruptly.SOLUTION: In an amplitude pulse-train calculation process 101, an analysis period is set centering on a maximum peak point in an analysis object signal to calculate an amplitude pulse train comprising a plurality of amplitude pulses discretely generated within the analysis period wherein a signal waveform within the analysis period among signal waveforms acquired by weighting/adding impulse responses by respective amplitude pulses acts as a signal waveform within the analysis period in the analysis object signal. In a compositing process 102, a composite signal is generated by adding up the respective impulse responses positioned at generation points of the respective amplitude pulses in the amplitude pulse-train and weighted by the respective amplitude pulses. In an output control process 103, the calculation process 101 and the compositing process 102 are repeated with a residual signal used as a new analysis object signal until the level of the residual signal falls within an allowable range, the residual signal found by subtracting the composite signal from the object signal.

Description

この発明は、音、振動、波動等の信号の波形解析を行う技術に関する。   The present invention relates to a technique for performing waveform analysis of signals such as sound, vibration, and wave.

従来の音・音声の一般的な波形解析は、解析対象である時間波形を正弦波の集合としてモデリングするものである。その一例として、CLSM(Clustered Line-Spectrum Modeling;集群正弦波モデリング)がある。このCLSMは、楽音の自由振動のように基音と倍音から構成された楽音がゆっくり減衰するとき、この振幅変化を持った信号波形を、互いに周波数が近接する複数の正弦波の重畳によって近似する方法である。すなわち、CLSMは、基音あるいは倍音のいずれも単一の周波数を有する正弦波ではなく、集群する(近接する)複数の正弦波の和として表わすことによって、波形の振幅変化である包絡線を表現する手段である。CLSMによって、ゆっくりと変化する包絡線を持った信号波形の基音と倍音を解析し表することができる。なお、CLSMは例えば非特許文献1に開示されている。   Conventional general waveform analysis of sound and voice is to model a time waveform to be analyzed as a set of sine waves. One example is CLSM (Clustered Line-Spectrum Modeling). This CLSM is a method of approximating a signal waveform having this amplitude change by superposition of a plurality of sine waves whose frequencies are close to each other when a musical tone composed of a fundamental tone and a harmonic overtone is slowly attenuated like free vibration of a musical tone. It is. That is, the CLSM expresses an envelope that is a change in the amplitude of a waveform by expressing either the fundamental tone or the harmonic overtone as a sum of a plurality of sine waves that are gathered (close to each other) instead of a sine wave having a single frequency. Means. CLSM can analyze and represent the fundamental and overtones of a signal waveform having a slowly changing envelope. Note that CLSM is disclosed in Non-Patent Document 1, for example.

東山三樹夫著「信号解析と音響学」、シュプリンガー・ジャパン株式会社発行、シュプリンガー・ジャパン株式会社発行、2007年7月9日、p.229〜233"Signal Analysis and Acoustics" by Mikio Higashiyama, published by Springer Japan, published by Springer Japan, July 9, 2007, p. 229-233

上述したCLSMは、楽音波形等における定常的な部分を構成する正弦波の組を求めるのに有効である。しかし、楽音の多くは定常的な波形が生じる以前に必ず過渡的な急激に変化する部分を有している。この急激な変化を示す部分は、僅かな時間長しかないが、その楽音の特徴を決める極めて重要な部分である。例えば打鍵による鋭い立ち上がり部分を解析して再現することができなければ、いくら基音と倍音の正弦波成分を解析して再現することができたとしても、ピアノ音らしいピアノ音にならない。楽音以外の音に関しても同様である。このように、楽音等の音を正確に解析するためには、定常的な部分だけでなく、過渡的で急激に変化する部分を解析することが必要であったが、従来、そのような過渡的で急激な変化をする音を解析するための有効な解析手段がなかった。   The above-mentioned CLSM is effective for obtaining a set of sine waves constituting a stationary part in a musical sound waveform or the like. However, many musical sounds always have a transitional and suddenly changing portion before a steady waveform is generated. The portion showing this abrupt change has a very short time, but is an extremely important portion that determines the characteristics of the musical sound. For example, if a sharp rising portion due to keystrokes cannot be analyzed and reproduced, no matter how much the sine wave component of the fundamental tone and harmonics can be analyzed and reproduced, it does not become a piano sound like a piano sound. The same applies to sounds other than musical sounds. As described above, in order to accurately analyze a sound such as a musical sound, it is necessary to analyze not only a stationary portion but also a transient and rapidly changing portion. There was no effective analysis means to analyze the sound that changes rapidly and suddenly.

この発明は、以上説明した事情に鑑みてなされたものであり、楽音の立ち上がり部分等、過渡的で急激な変化をする音を解析することができる波形解析方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the circumstances described above, and an object of the present invention is to provide a waveform analysis method capable of analyzing a transient and suddenly changing sound such as a rising portion of a musical sound.

この発明は、解析対象信号を、各々帯域通過フィルタのインパルス応答であって、互いに時間のずれた複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する方法であって、
前記解析対象信号における近似未了の成分を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理を繰り返し、この繰り返しにおいて発生する振幅パルス列を重ね合わせることにより、前記解析対象信号を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出することを特徴とする波形解析方法を提供する。
The present invention provides an amplitude pulse train that indicates the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the analysis target signal as an impulse response of each band-pass filter as a linear combination of a plurality of impulse responses that are shifted in time from each other. Is a method of calculating
The process of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the component that has not been approximated in the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses is repeated, and the amplitude pulse train generated in this repetition A waveform analysis method characterized by calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses .

これまでの波形解析は、信号波形をフーリエ変換等により得られる正弦波(線スペクトル)の集まりとしてモデリングするものが主であった。しかし、例えばピアノ音や打楽器音などのような急激な立ち上がりを特徴とする音の波形解析では、従来のスペクトルに基づく方法に代って、音信号波形の時間変化に着目した解析方法が必要となる。そこで、この発明では、理想ローパスフィルタのインパルス応答等、一定の帯域内に多くのスペクトル(理想的には連続スペクトル)を含んだ帯域通過フィルタのインパルス応答を用意し、解析対象信号を互いに時間のずれた複数のインパルス応答の一次結合とみなし、各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する。   Conventional waveform analysis has mainly modeled signal waveforms as a collection of sine waves (line spectra) obtained by Fourier transform or the like. However, for waveform analysis of sounds characterized by a sudden rise such as piano sounds and percussion instrument sounds, for example, an analysis method that focuses on temporal changes in the sound signal waveform is required instead of the conventional spectrum-based method. Become. Therefore, in the present invention, an impulse response of a band-pass filter including many spectrums (ideally a continuous spectrum) within a certain band, such as an impulse response of an ideal low-pass filter, is prepared, and signals to be analyzed are compared with each other in time. Considering this as a linear combination of a plurality of shifted impulse responses, an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response is calculated.

この発明によれば、解析対象信号を、一定の帯域内に多くのスペクトルを含んだインパルス応答の重畳として近似するので、解析対象信号を正弦波(線スペクトル)の集合体としてモデリングする従来の波形解析方法では解析することのできなかった音の過渡的で急激な変化をする部分を解析して表現することができる。   According to the present invention, the analysis target signal is approximated as a superimposition of impulse responses including many spectra within a certain band, so that the conventional waveform for modeling the analysis target signal as a collection of sine waves (line spectrum) It is possible to analyze and express a transient and sudden change portion of the sound that could not be analyzed by the analysis method.

この発明の一実施形態による波形解析方法を示す図である。It is a figure which shows the waveform analysis method by one Embodiment of this invention. 同波形解析方法の具体例の処理内容を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the processing content of the specific example of the waveform analysis method. 同実施形態におけるインパルス応答行列の内容を示す図である。It is a figure which shows the content of the impulse response matrix in the same embodiment. 同実施形態による波形解析方法の第1の解析例における解析対象信号の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the analysis object signal in the 1st analysis example of the waveform analysis method by the embodiment. 同解析例において1回目の振幅パルス算出処理において得られた振幅パルス列を示す図である。It is a figure which shows the amplitude pulse train obtained in the amplitude pulse calculation process of the 1st time in the analysis example. 1回目の振幅パルス算出処理が実行される前の解析対象信号(破線)と、1回目の合成処理により得られた合成信号(実線)の各波形を示す図である。It is a figure which shows each waveform of the analysis object signal (dashed line) before performing the amplitude pulse calculation process of the 1st time, and the synthesized signal (solid line) obtained by the 1st synthesis process. 1回目の出力制御処理において得られた残差信号Eの波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the residual signal E obtained in the output control process of the 1st time. 図7よりも時間軸の時間精度を粗くして同残差信号Eの概形を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing an outline of the residual signal E with coarser time accuracy than that of FIG. 7. 振幅パルス列算出処理、合成処理、出力制御処理を20回繰り返した後の残差信号Eの波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the residual signal E after repeating an amplitude pulse train calculation process, a synthetic | combination process, and an output control process 20 times. 振幅パルス列算出処理、合成処理、出力制御処理を20回繰り返すことにより得られた振幅パルス列を示す図である。It is a figure which shows the amplitude pulse train obtained by repeating an amplitude pulse train calculation process, a synthetic | combination process, and an output control process 20 times. 図10に示す振幅パルス列とインパルス応答サンプル列hとを畳み込むことにより得られた合成信号の波形を示す図である。Is a diagram showing a waveform obtained synthesized signal by convoluting an amplitude pulse train impulse response sample sequence h 0 shown in FIG. 10. 20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた各振幅パルス列を重ね合わせた振幅パルス列を用いて合成した合成信号のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the synthetic | combination signal synthesize | combined using the amplitude pulse sequence which overlap | superposed each amplitude pulse sequence obtained by the amplitude pulse sequence calculation process of 20 times, a synthesis process, and an output control process. ピアノ音信号(C4)のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of a piano sound signal (C4). ピアノ音信号にCLSMを施すことにより得られた正弦波成分を用いて合成された合成信号のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the synthetic | combination signal synthesize | combined using the sine wave component obtained by giving CLSM to a piano sound signal. CLSMにより得られた合成信号と20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた合成信号とを時間領域において加算した合成信号のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the synthetic | combination signal which added the synthetic | combination signal obtained by CLSM, and the synthetic | combination signal obtained by 20 amplitude pulse train calculation processes, a synthetic | combination process, and an output control process in a time domain. 20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の実行後の残差信号Eのパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the residual signal E after execution of 20 times of amplitude pulse train calculation processes, a synthesis process, and an output control process. 同実施形態による波形解析の第2の解析例における解析対象信号の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the analysis object signal in the 2nd analysis example of the waveform analysis by the same embodiment. 同解析例において1回目の振幅パルス列算出処理において得られた振幅パルス列を示す図である。It is a figure which shows the amplitude pulse train obtained in the amplitude pulse train calculation process of the 1st time in the analysis example. 1回目の振幅パルス列算出処理が実行される前の解析対象信号(破線)と、1回目の合成処理により得られた合成信号(実線)の各波形を示す図である。It is a figure which shows each waveform of the analysis object signal (dashed line) before performing the amplitude pulse train calculation process of the 1st time, and the synthetic | combination signal (solid line) obtained by the 1st synthesis process. 1回目の出力制御処理において得られた残差信号Eの波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the residual signal E obtained in the output control process of the 1st time. 図20よりも時間軸の時間精度を粗くして同残差信号Eの概形を示した図である。FIG. 21 is a diagram showing an outline of the residual signal E with coarser time accuracy than that of FIG. 20. 振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を10回繰り返した後の残差信号Eの波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the residual signal E after repeating an amplitude pulse sequence calculation process, a synthetic | combination process, and an output control process 10 times. 振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を10回繰り返すことにより得られた振幅パルス列を示す図である。It is a figure which shows the amplitude pulse train obtained by repeating an amplitude pulse train calculation process, a synthetic | combination process, and an output control process 10 times. 図23に示す振幅パルス列とインパルス応答サンプル列hとを畳み込むことにより得られた合成信号の波形を示す図である。It is a diagram showing a waveform obtained synthesized signal by convoluting an amplitude pulses and the impulse response sample sequence h 0 shown in FIG. 23. 10回の振幅パルス列算出処理により得られた各振幅パルス列を重ね合わせた振幅パルス列を用いて合成した合成信号のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the synthetic | combination signal synthesize | combined using the amplitude pulse train which overlap | superposed each amplitude pulse train obtained by 10 times of amplitude pulse train calculation processes. ドラム音信号のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of a drum sound signal. ドラム音信号にCLSMを施すことにより得られた正弦波成分を用いて合成された合成信号のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the synthetic | combination signal synthesize | combined using the sine wave component obtained by giving CLSM to a drum sound signal. CLSMにより得られた合成信号と10回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた合成信号とを時間領域において加算した合成信号のパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the synthetic | combination signal which added the synthetic | combination signal obtained by CLSM, and the synthetic | combination signal obtained by the amplitude pulse train calculation process of 10 times, a synthetic | combination process, and an output control process in the time domain. 10回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の実行後の残差信号Eのパワースペクトルを示す図である。It is a figure which shows the power spectrum of the residual signal E after execution of 10 times of amplitude pulse train calculation processes, a synthesis process, and an output control process. 同実施形態による波形解析の第3の解析例における解析対象信号の波形を示す図である。It is a figure which shows the waveform of the analysis object signal in the 3rd analysis example of the waveform analysis by the embodiment. 同解析例において振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた振幅パルス列を示す図である。It is a figure which shows the amplitude pulse train obtained by the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process in the same analysis example.

以下、図面を参照し、この発明の一実施形態について説明する。
<基本形態>
図1は、この発明の一実施形態である波形解析方法を示す図である。フーリエ変換では、時刻t=−∞〜+∞の期間に亙る各種の周波数の正弦波を直交基底とし、解析対象信号をこれらの直交基底の集合として近似する。これに対し、本実施形態による波形解析方法では、帯域通過フィルタのインパルス応答を、音、振動、波動等の解析対象信号を近似するために用意し、解析対象信号を互いに時間のずれた複数のインパルス応答の一次結合として近似するものである。本実施形態による波形解析方法では、解析対象信号における近似未了の成分を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理を繰り返し、この繰り返しにおいて発生する振幅パルス列を重ね合わせることにより、解析対象信号を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
<Basic form>
FIG. 1 is a diagram showing a waveform analysis method according to an embodiment of the present invention. In the Fourier transform, sinusoidal waves of various frequencies over a period from time t = −∞ to + ∞ are used as orthogonal bases, and an analysis target signal is approximated as a set of these orthogonal bases. On the other hand, in the waveform analysis method according to the present embodiment, the impulse response of the band pass filter is prepared for approximating the analysis target signal such as sound, vibration, wave, etc. It is approximated as a linear combination of impulse responses. In the waveform analysis method according to the present embodiment, the process of calculating an amplitude pulse sequence indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the component that has not been approximated in the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses is repeated. Then, by superimposing the amplitude pulse trains generated in this repetition, an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses is calculated.

この例では、帯域通過フィルタのインパルス応答として、理想ローパスフィルタのインパルス応答として知られるsinc(x)=sin(πx)/(πx)=sin(πft)/(πft)を使用する。ここで、sinc(x)のフーリエ変換は、|x|≦1/2の区間で1、それ以外の区間で0となる。従って、sin(πft)/(πft)を入力信号に畳み込むフィルタは、−2f〜2fの周波数帯域内でのゲイン(真数表現)が1であり、この周波数帯域以外の周波数以外の帯域のゲイン(真数表現)が0となる理想的なローパスフィルタとなる。本実施形態では、解析対象信号を複数のインパルス応答の一次結合として近似するのに用いる振幅パルス列を得るため、解析対象信号全体のうち最大ピーク点を中心とした所定時間長の解析期間内の信号波形に限定して、解析対象信号を近似するための振幅パルス列を算出する、という操作を繰り返す。より具体的には、本実施形態による波形解析方法は、図1に示す振幅パルス列算出処理101と、合成処理102と、出力制御処理103とにより構成されている。好ましい態様において、この発明は、コンピュータに振幅パルス列算出処理101と合成処理102と出力制御処理103とを実行させるプログラムとして実施される。また、他の好ましい態様において、この発明は、振幅パルス列算出処理101と合成処理102と出力制御処理103とを実行する手段を備えた波形解析装置として実施される。   In this example, sinc (x) = sin (πx) / (πx) = sin (πft) / (πft), which is known as the impulse response of the ideal low-pass filter, is used as the impulse response of the bandpass filter. Here, the Fourier transform of sinc (x) is 1 in the section of | x | ≦ 1/2 and 0 in the other sections. Therefore, the filter that convolves sin (πft) / (πft) with the input signal has a gain (expressed as an integer) in the frequency band of −2f to 2f of 1, and a gain in a band other than the frequency other than this frequency band. This is an ideal low-pass filter in which (true number expression) is zero. In this embodiment, in order to obtain the amplitude pulse train used to approximate the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses, the signal within the analysis period of a predetermined time length centered on the maximum peak point among the entire analysis target signal The operation of calculating the amplitude pulse train for approximating the analysis target signal is limited to the waveform. More specifically, the waveform analysis method according to the present embodiment includes an amplitude pulse train calculation process 101, a synthesis process 102, and an output control process 103 shown in FIG. In a preferred embodiment, the present invention is implemented as a program that causes a computer to execute an amplitude pulse train calculation process 101, a synthesis process 102, and an output control process 103. In another preferred embodiment, the present invention is implemented as a waveform analysis apparatus including means for executing an amplitude pulse train calculation process 101, a synthesis process 102, and an output control process 103.

図1において、最初の振幅パルス列算出処理101では、解析対象信号における近似未了の成分(この場合、近似を終えた成分が未だないので解析対象信号そのもの)の最大ピーク点を中心に前後合わせて所定時間長の期間を解析期間として、振幅パルス列を算出する。すなわち、解析期間内に離散的に発生する複数の振幅パルスからなる振幅パルス列であって、各振幅パルスの発生タイミングにおいて各振幅パルスの振幅により重み付けされた複数のインパルス応答hを加算した信号波形のうち解析期間内の信号波形が解析対象信号の近似未了の成分における解析期間内の信号波形を近似したものとなるような振幅パルス列PS1を算出する。   In FIG. 1, in the first amplitude pulse train calculation processing 101, the components that have not been approximated in the analysis target signal (in this case, the analysis target signal itself because there is no component that has been approximated yet) are aligned around the center. An amplitude pulse train is calculated using a period of a predetermined time length as an analysis period. That is, an amplitude pulse train composed of a plurality of amplitude pulses generated discretely within the analysis period, and a signal waveform obtained by adding a plurality of impulse responses h weighted by the amplitude of each amplitude pulse at the generation timing of each amplitude pulse. Among them, the amplitude pulse train PS1 is calculated so that the signal waveform in the analysis period approximates the signal waveform in the analysis period in the component that has not been approximated in the analysis target signal.

次に合成処理102では、振幅パルス列算出処理101により得られた振幅パルス列における各振幅パルスの発生点に最大ピーク点を各々有し、かつ、各振幅パルスの振幅により重み付けされた各インパルス応答hを加算することにより合成信号を生成する。   Next, in the synthesis processing 102, each impulse response h having a maximum peak point at each amplitude pulse generation point in the amplitude pulse train obtained by the amplitude pulse train calculation processing 101 and weighted by the amplitude of each amplitude pulse is obtained. A composite signal is generated by addition.

そして、出力制御処理103では、解析対象信号における近似未了の成分、すなわち、解析対象信号から合成信号を差し引いて得られる残差信号のレベルが許容範囲内に収まるか否かを判定する。そして、この残差信号のレベルが許容範囲内に収まらない場合、出力制御処理103では、残差信号を新たな解析対象信号として2回目の振幅パルス列算出処理101および合成処理102を実行させる。この場合の新たな解析対象信号は、元の解析対象信号のうち複数のインパルス応答hの一次結合として近似されていない近似未了の成分となる。   Then, in the output control process 103, it is determined whether or not the component of the analysis target signal that has not been approximated, that is, the level of the residual signal obtained by subtracting the synthesized signal from the analysis target signal falls within the allowable range. When the level of the residual signal does not fall within the allowable range, the output control process 103 causes the second amplitude pulse train calculation process 101 and the synthesis process 102 to be executed with the residual signal as a new analysis target signal. The new analysis target signal in this case is an incomplete component that has not been approximated as a linear combination of a plurality of impulse responses h in the original analysis target signal.

2回目の振幅パルス列算出処理101では、1回目と同様に解析対象信号(この場合は1回目の残差信号)から振幅パルス列PS2を算出する。また、2回目の合成処理102では、インパルス応答hと2回目の振幅パルス列算出処理101により得られた振幅パルス列とを用いて合成信号が生成される。そして、出力制御処理103では、解析対象信号(この場合、1回目の残差信号)からこの合成信号を差し引いて得られる残差信号のレベルが許容範囲内に収まるか否かを判定し、許容範囲内に収まらない場合には、当該残差信号を新たな解析対象信号として3回目の振幅パルス列算出処理101および合成処理102を実行させるのである。   In the second amplitude pulse train calculation processing 101, the amplitude pulse train PS2 is calculated from the analysis target signal (in this case, the first residual signal) in the same manner as the first time. In the second synthesis process 102, a synthesized signal is generated by using the impulse response h and the amplitude pulse train obtained by the second amplitude pulse train calculation process 101. Then, in the output control process 103, it is determined whether or not the level of the residual signal obtained by subtracting the synthesized signal from the analysis target signal (in this case, the first residual signal) falls within the allowable range. If it does not fall within the range, the third amplitude pulse train calculation process 101 and the synthesis process 102 are executed with the residual signal as a new analysis target signal.

このように、出力制御処理103では、残差信号のレベルが許容範囲に収まるまで、残差信号を解析対象信号として振幅パルス列算出処理101および合成処理102を繰り返し実行させる一方、この繰り返しにより得られる振幅パルス列PS1、PS2、…を重ね合わせ、解析開始前の元の解析対象信号全体を近似する振幅パルス列を完成してゆくのである。   As described above, in the output control process 103, the amplitude pulse train calculation process 101 and the synthesis process 102 are repeatedly executed using the residual signal as an analysis target signal until the level of the residual signal falls within the allowable range, and obtained by this repetition. The amplitude pulse trains PS1, PS2,... Are overlapped to complete an amplitude pulse train that approximates the entire signal to be analyzed before the analysis is started.

<具体的形態>
図2は本実施形態における波形解析アルゴリズムの具体例を示すフローチャートである。このフローチャートにおいて、ステップS11〜S13の各処理は、上述した振幅パルス列算出処理101を構成している。ステップS21の処理は、上述した合成処理102に相当する。ステップS31およびS32の各処理は、上述した出力制御処理103を構成している。この波形解析アルゴリズムの具体例では、振幅パルス列算出処理101において、インパルス応答行列を使用する。ステップS1〜S3の各処理は、このインパルス応答行列を生成するための行列生成処理100を構成している。
<Specific form>
FIG. 2 is a flowchart showing a specific example of the waveform analysis algorithm in the present embodiment. In this flowchart, each process of steps S11 to S13 constitutes the amplitude pulse train calculation process 101 described above. The process in step S21 corresponds to the above-described combining process 102. Each process of steps S31 and S32 constitutes the output control process 103 described above. In a specific example of this waveform analysis algorithm, an impulse response matrix is used in the amplitude pulse train calculation processing 101. Each process of steps S1 to S3 constitutes a matrix generation process 100 for generating this impulse response matrix.

まず、行列生成処理100について説明する。この例では、理想ローパスフィルタのインパルス応答を表す波形{sin(πft)}/(πft)を使用する。そして、f=1.5kHzの波形{sin(πft)}/(πft)を12kHzのサンプリング周波数でアップサンプリングしたサンプル列h(n)(n=−NMAX〜+NMAX;NMAXは十分に大きな整数)を算出する(ステップS1)。ここで、インパルス応答を12kHzのサンプリング周波数でサンプリングするのは、解析対象信号が12kHzのサンプリング周波数でサンプリングされており、これに合わせる必要があるからである。そして、このインパルス応答のサンプル列h(n)を用いて、インパルス応答行列を作成する。さらに詳述すると、インパルス応答サンプル列h(n)を用いて、図3(a)に示すように、隣り合ったもの同士がPサンプル(この例ではP=5)ずつ同じ時間方向にずれたN個(この例ではN=5)のインパルス応答サンプル列h(n−(j−1)P)(j=1〜N)を作成する(ステップS2)。次に図3(a)および(b)に示すように、N個のインパルス応答サンプル列h(n−(j−1)P)(j=1〜N)の各々から共通の時間帯T内に属するM個(この例ではM=7)のサンプルをサンプリングし、時間方向を行の並び方向とし、かつ、各インパルス応答の並び方向を列の並び方向とし、かつ、各インパルス応答のサンプル値を行列要素rijとするM行N列(この例では7行5列)のインパルス応答行列R={rij}(i=1〜M、j=1〜N)を作成する(ステップS3)。さらに詳述すると、図3(a)に示すように、時間帯Tの始点である観測点1と、時間帯TをM−1分割した各観測点(この例では観測点2〜6)と、時間帯Tの終点である観測点M(この例では観測点7)とに位置するM個のサンプル値をN個のインパルス応答サンプル列h(n−(j−1)P)(j=1〜N)から各々選択し、インパルス応答行列R={rij}(i=1〜M、j=1〜N)を作成している。 First, the matrix generation process 100 will be described. In this example, a waveform {sin (πft)} / (πft) representing an impulse response of an ideal low-pass filter is used. A sample string h 0 (n) obtained by up-sampling the waveform {sin (πft)} / (πft) at f = 1.5 kHz at a sampling frequency of 12 kHz (n = −NMAX to + NMAX; NMAX is a sufficiently large integer) Is calculated (step S1). Here, the reason why the impulse response is sampled at the sampling frequency of 12 kHz is that the analysis target signal is sampled at the sampling frequency of 12 kHz and needs to be adjusted to this. Then, an impulse response matrix is created using the impulse response sample sequence h 0 (n). More specifically, using the impulse response sample sequence h 0 (n), as shown in FIG. 3A, adjacent samples are shifted in the same time direction by P samples (P = 5 in this example). N (N = 5 in this example) impulse response sample trains h j (n− (j−1) P) (j = 1 to N) are created (step S2). Next, as shown in FIGS. 3A and 3B, a common time zone T from each of N impulse response sample sequences h j (n− (j−1) P) (j = 1 to N). M samples (in this example, M = 7) are sampled, the time direction is the row arrangement direction, the impulse response arrangement direction is the column arrangement direction, and each impulse response sample An impulse response matrix R = {r ij } (i = 1 to M, j = 1 to N) of M rows and N columns (in this example, 7 rows and 5 columns) whose values are matrix elements r ij is created (step S3 ). More specifically, as shown in FIG. 3A, the observation point 1 that is the start point of the time zone T, and each observation point obtained by dividing the time zone T by M-1 (in this example, observation points 2 to 6) M sample values located at an observation point M (observation point 7 in this example) that is the end point of the time zone T are represented by N impulse response sample sequences h j (n− (j−1) P) (j = 1 to N) to create an impulse response matrix R = {r ij } (i = 1 to M, j = 1 to N).

この例において、1個のインパルス応答は、最大ピーク点を中心として前後方向に各々減衰し、かつ、最大ピーク点を対称軸として前後対称な波形である。そして、インパルス応答行列R={rij}(i=1〜M、j=1〜N)の生成に用いるインパルス応答の組h〜hは、中央のインパルス応答hの最大ピーク点を対称軸として前後対称な波形である。そして、この例では、インパルス応答h〜hが、図3(a)に示すように、最も後に発生するインパルス応答hの最大ピークと最も先に発生するインパルス応答hの最大ピークとが少なくとも共通の時間帯Tの内側に含まれるように、共通の時間帯Tの長さが定められている。 In this example, one impulse response is a waveform that is attenuated in the front-rear direction around the maximum peak point, and that is symmetrical in the front-rear direction with the maximum peak point as the axis of symmetry. A set of impulse responses h 1 to h 5 used for generating the impulse response matrix R = {r ij } (i = 1 to M, j = 1 to N) is a maximum peak point of the central impulse response h 3. The waveform is symmetrical in the longitudinal direction as the axis of symmetry. And, in this example, the impulse response h 1 to h 5, as shown in FIG. 3 (a), the maximum peak of the impulse response h 1 that occurs earliest and largest peak of the impulse response h 5 occurring most later Is at least inside the common time zone T, the length of the common time zone T is determined.

この例による波形解析方法では、以上説明した行列生成処理100により得られたインパルス応答行列Rを用いて波形解析を行う。以下、ピアノ音(第1の例)の音信号を解析対象信号として、ステップS4以降の各処理の内容を具体的に説明し、次いでドラム音(第2の例)についての解析例を説明する。   In the waveform analysis method according to this example, the waveform analysis is performed using the impulse response matrix R obtained by the matrix generation process 100 described above. Hereinafter, the contents of each process after step S4 will be specifically described using the sound signal of the piano sound (first example) as an analysis target signal, and then an analysis example of the drum sound (second example) will be described. .

まず、解析対象信号xを取得して解析対象信号xとする(ステップS4)。図4は解析対象信号xの波形を例示するものである。この解析対象信号xは、CLSMによりピアノ音(C4)の音信号波形を構成する定常的な正弦波成分を求め、この正弦波成分を元のピアノ音信号から除去した信号、すなわち、正弦波の合成では表現することのできないピアノ音の立ち上がり区間の音信号(弦にハンマが当たった直後の弦の初期振動波形を示す音信号)である。この解析対象信号xのサンプリング周波数は、12kHzである。 First, acquired by the analysis object signal x 0 be analyzed signal x (step S4). Figure 4 illustrates the waveforms of the analysis object signal x 0. The analysis object signal x 0 obtains a steady sinusoidal components constituting the audio signal waveform of the piano sound (C4) by CLSM, signals obtained by removing the sinusoidal components from the original piano sound signal, i.e., a sine wave This is the sound signal of the rising section of the piano sound that cannot be expressed by the synthesis of (a sound signal indicating the initial vibration waveform of the string immediately after the hammer hits the string). The sampling frequency of the analysis object signal x 0 is 12 kHz.

次に振幅パルス列算出処理101について説明する。まず、解析対象信号xから最大ピーク点(最大ピークの発生時刻)を求める(ステップS11)。図4には、このステップS11の最初の実行により求められる最大ピーク(負のピーク)が丸印により示されている。次に解析期間を設定し、この解析期間内の解析対象信号から信号行列S={s}(i=1〜M)を取得する(ステップS12)。さらに詳述すると、ステップS11において求めた最大ピーク点を中心とし、かつ、前後合わせて上記共通の時間帯Tと同じ長さを持った期間を解析期間とする。そして、解析期間内に属する解析対象信号を、上述のインパルス応答行列Rを得るためにインパルス応答をサンプリングしたときのサンプリング周期と同じサンプリング周期でサンプリングし(すなわち、1/5ダウンサンプリング)、M個(この例ではM=7)のサンプルを取得して信号行列S={s}(i=1〜M)を作成する。 Next, the amplitude pulse train calculation process 101 will be described. First, the maximum peak point (maximum peak occurrence time) is obtained from the analysis target signal x (step S11). In FIG. 4, the maximum peak (negative peak) obtained by the first execution of step S11 is indicated by a circle. Next, an analysis period is set, and a signal matrix S = {s i } (i = 1 to M) is acquired from the analysis target signal within the analysis period (step S12). More specifically, an analysis period is defined as a period having the same maximum length as that of the common time zone T, centered on the maximum peak obtained in step S11. Then, the signals to be analyzed that belong to the analysis period are sampled at the same sampling cycle as when the impulse response was sampled in order to obtain the impulse response matrix R (that is, 1/5 downsampling), and M signals. (Sample M = 7 in this example) is acquired and a signal matrix S = {s i } (i = 1 to M) is created.

次に、N行1列の行列A={a}(i=1〜N)であって、線形方程式R・A=Sを満たす行列A={a}(i=1〜N)を推定計算し、このN行1列の行列A={a}(i=1〜N)の各要素の推定値を用いて振幅パルス列を生成する(ステップS13)。より具体的には、インパルス応答行列R={rij}(i=1〜M、j=1〜N)の擬似逆行列R−1を求め、この擬似逆行列R−1を信号行列S={s}(i=1〜M)に乗算することにより行列A={a}(i=1〜N)の最小自乗誤差解である行列A’を算出し、この行列A’={a’}(i=1〜N)の各要素が示す各振幅パルスからなる振幅パルス列を生成する。 Next, the matrix A = {a i } (i = 1 to N) satisfying the linear equation R · A = S, where the matrix A = {a i } (i = 1 to N) of N rows and 1 column. An estimation calculation is performed, and an amplitude pulse train is generated using the estimated values of the respective elements of the matrix A = {a i } (i = 1 to N) of N rows and 1 column (step S13). More specifically, a pseudo inverse matrix R −1 of an impulse response matrix R = {r ij } (i = 1 to M, j = 1 to N) is obtained, and this pseudo inverse matrix R −1 is obtained as a signal matrix S = By multiplying {s i } (i = 1 to M), a matrix A ′ which is a least square error solution of the matrix A = {a i } (i = 1 to N) is calculated, and this matrix A ′ = { Amplitude pulse train composed of each amplitude pulse indicated by each element of a ′ i } (i = 1 to N) is generated.

次に合成処理102であるステップS21の処理では、ステップS13において求めた振幅パルス列の各振幅パルスの振幅a’(i=1〜N)を重み係数としてN個のインパルス応答h(n−(j−1)P)に各々乗算して、各乗算結果を加算し、合成信号を生成する。 Next, in the process of step S21 which is the synthesizing process 102, N impulse responses h j (n−) using the amplitudes a ′ i (i = 1 to N) of the amplitude pulses of the amplitude pulse train obtained in step S13 as weighting factors. (J-1) Multiply each by P) and add each multiplication result to generate a composite signal.

次に出力制御処理103について説明する。まず、解析対象信号からステップS21において生成した合成信号を差し引き、残差信号Eを生成する(ステップS31)。次に残差信号Eのエネルギー|E|を算出し、このエネルギー|E|が許容値LMTより小さい場合は波形解析を終了し、許容値LMT以上である場合には残差信号Eを解析対象信号xとし、ステップS11に戻ってステップS11からステップS32の処理を繰り返す(ステップS32)。このステップS11からステップS32の処理が繰り返される過程において、ステップS32では、ステップS13が実行される毎に求められる各振幅パルス列を共通の時間軸上において重ね合わせ、元の解析対象信号を互いに位相のずれた複数のインパルス応答の一次結合として表現するための振幅パルス列(各インパルス応答の発生タイミングと振幅を示すパルス列)を算出する。 Next, the output control process 103 will be described. First, the combined signal generated in step S21 is subtracted from the analysis target signal to generate a residual signal E (step S31). Next, the energy | E | 2 of the residual signal E is calculated. If the energy | E | 2 is smaller than the allowable value LMT, the waveform analysis is terminated. If the energy | E | 2 is larger than the allowable value LMT, the residual signal E is calculated. The analysis target signal x is set, and the process returns to step S11 to repeat the processing from step S11 to step S32 (step S32). In the process in which the processes from step S11 to step S32 are repeated, in step S32, the amplitude pulse trains obtained each time step S13 is executed are superimposed on a common time axis, and the original signals to be analyzed are mutually phased. An amplitude pulse train (pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response) to be expressed as a linear combination of a plurality of shifted impulse responses is calculated.

図5は1回目の振幅パルス列算出処理(ステップS13)により得られた振幅パルス列を示すものである。この図5では、振幅パルス列が12kHzのサンプリング周波数のサンプル列として示されている。図6は1回目の振幅パルス列算出処理(ステップS13)が実行される前の解析対象信号(破線)と、1回目の合成処理(ステップS21)により得られた合成信号(太線)の各波形を示すものである。図7は1回目の出力制御処理(ステップS31)において得られた残差信号Eの波形の一部を拡大して示すものである。図6と図7とを比較すると、図6に示す解析対象信号x(破線)の最大ピーク部分(負のピーク)が、図7に示す残差信号Eでは大幅に除かれていることを確認することができる。すなわち、図6の解析対象信号x(破線)の13ms付近の最大ピーク(負のピーク)を精度よく近似する合成信号(実線)が算出されていることが分る。図8は図7よりも時間軸方向の表示範囲を広くして同残差信号Eの全体を示したものである。図8に示すように、1回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の実行のみでは残差信号Eのエネルギーレベルがまだ高いので、合計20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を繰り返すことにより、ピアノの弦の初期振動波形の大部分の成分を解析対象信号xから除去した。   FIG. 5 shows the amplitude pulse train obtained by the first amplitude pulse train calculation process (step S13). In FIG. 5, the amplitude pulse train is shown as a sample train having a sampling frequency of 12 kHz. FIG. 6 shows respective waveforms of the analysis target signal (broken line) before the first amplitude pulse train calculation process (step S13) and the synthesized signal (thick line) obtained by the first synthesis process (step S21). It is shown. FIG. 7 is an enlarged view of a part of the waveform of the residual signal E obtained in the first output control process (step S31). 6 is compared with FIG. 7, it is confirmed that the maximum peak portion (negative peak) of the analysis target signal x (broken line) shown in FIG. 6 is largely removed in the residual signal E shown in FIG. 7. can do. That is, it can be seen that a composite signal (solid line) that accurately approximates the maximum peak (negative peak) near 13 ms of the analysis target signal x (broken line) in FIG. 6 is calculated. FIG. 8 shows the entire residual signal E with a wider display range in the time axis direction than FIG. As shown in FIG. 8, since the energy level of the residual signal E is still high only by executing the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process once, the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output are performed 20 times in total. By repeating the control process, most components of the initial vibration waveform of the piano string were removed from the analysis target signal x.

図9は、振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を20回繰り返した後の残差信号Eの波形を示す。図10は振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を20回繰り返すことにより得られた振幅パルス列(20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の繰り返しの各回において得られた各振幅パルス列を共通の時間軸上で重ね合わせたもの)を示すものである。図11は図10に示す振幅パルス列とインパルス応答サンプル列h(n=−NMAX〜+NMAX)とを畳み込むことにより得られた合成信号の波形を示すものである。この図11に示す合成信号は、図4に示す解析対象信号xの75ms程度までの初期部分の時間波形をよく近似したものになっている。 FIG. 9 shows a waveform of the residual signal E after the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process are repeated 20 times. FIG. 10 illustrates an amplitude pulse train obtained by repeating the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process 20 times (the amplitudes obtained in each of the 20 repetitions of the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process). The pulse trains are superimposed on a common time axis). FIG. 11 shows a waveform of a composite signal obtained by convolving the amplitude pulse train and the impulse response sample train h 0 (n = −NMAX to + NMAX) shown in FIG. Composite signal shown in FIG. 11 is adapted to an approximation better time waveforms of the initial portion of up to about 75ms of analysis object signal x 0 shown in FIG.

次に各信号のパワースペクトルに着目し、本実施形態による波形解析処理の実行の効果を検討する。図12は20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた各振幅パルス列を重ね合わせた振幅パルス列を用いて合成した合成信号(図11に示す合成信号)のパワースペクトルを示す。図13はピアノ音信号(C4)のパワースペクトルである。図14は、ピアノ音信号にCLSMを施すことにより得られた正弦波成分を用いて合成された合成信号のパワースペクトルを示す(従来例)。図15は、CLSMにより得られた合成信号(図14)と20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた合成信号(図12)とを時間領域において加算した合成信号のパワースペクトルを示す。そして、図16は20回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の実行後の残差信号Eのパワースペクトルを示す。図13、図14および図15を比較すると、CLSMに加えて本実施形態による波形解析処理(具体的には10回に亙る振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理)を実行することにより、弦の初期振動波形の成分が合成信号に加わり、合成信号のパワースペクトル(図15)が原音であるC4のピアノ音のパワースペクトルに近づいたことが分る。そして、残差信号E(すなわち、解析対象信号における近似未了の成分)のパワースペクトルは、合成信号(近似が完了した成分)のパワースペクトル(図15)に比べて十分低いレベルになっていることが分る。以上のように、本実施形態によれば、正弦波の合成では得ることができなかった弦の初期振動波形を精度良く合成することができる。   Next, paying attention to the power spectrum of each signal, the effect of executing the waveform analysis processing according to the present embodiment will be examined. FIG. 12 shows a power spectrum of a synthesized signal (synthesized signal shown in FIG. 11) synthesized by using an amplitude pulse train obtained by superimposing the amplitude pulse trains obtained by 20 times of amplitude pulse train calculation processing, synthesis processing, and output control processing. . FIG. 13 shows the power spectrum of the piano sound signal (C4). FIG. 14 shows a power spectrum of a synthesized signal synthesized using a sine wave component obtained by applying CLSM to a piano sound signal (conventional example). FIG. 15 shows a synthesized signal obtained by adding the synthesized signal obtained by CLSM (FIG. 14) and the synthesized signal obtained by 20 amplitude pulse train calculation processes, the synthesized process, and the output control process (FIG. 12) in the time domain. The power spectrum is shown. FIG. 16 shows the power spectrum of the residual signal E after the 20th amplitude pulse train calculation process, synthesis process, and output control process. Comparing FIG. 13, FIG. 14 and FIG. 15, in addition to CLSM, by executing waveform analysis processing according to the present embodiment (specifically, amplitude pulse train calculation processing, synthesis processing and output control processing over 10 times), It can be seen that the component of the initial vibration waveform of the string is added to the synthesized signal, and the power spectrum (FIG. 15) of the synthesized signal approaches the power spectrum of the C4 piano sound that is the original sound. The power spectrum of the residual signal E (that is, the component that has not been approximated in the analysis target signal) is sufficiently lower than the power spectrum (FIG. 15) of the combined signal (component that has been approximated). I understand that. As described above, according to the present embodiment, it is possible to accurately synthesize an initial vibration waveform of a string that could not be obtained by synthesizing a sine wave.

次に、以上と同様な検討をドラム音(第2の例)について実施した結果を示す。図17は解析対象信号xの第2の例を示すものである。この解析対象信号xは、CLSMによりドラム音の音信号波形の定常部分の正弦波成分を求め、この正弦波成分を元のドラム音信号から除去した信号、すなわち、正弦波の合成では表現することのできないドラム音の立ち上がり区間の音信号(ドラムの打撃面にスティックが当たった直後の打撃面の初期振動波形を示す音信号)である。図17には1回目のステップS11の実行時に検出された解析対象信号xの最大ピークが丸印により示されている。 Next, the result of carrying out the same examination as above for the drum sound (second example) will be shown. Figure 17 shows a second example of the analysis object signal x 0. The analysis object signal x 0 obtains a sine wave component of the constant part of a sound signal waveform of drum sound by CLSM, signals obtained by removing the sinusoidal components from the original drum sound signals, i.e., expressed in the synthesis of the sine wave This is a sound signal of a rising section of the drum sound that cannot be performed (a sound signal indicating an initial vibration waveform of the striking surface immediately after the stick hits the striking surface of the drum). In FIG. 17, the maximum peak of the analysis target signal x detected at the time of the first execution of step S11 is indicated by a circle.

図18は1回目の振幅パルス列算出処理(ステップS13)により得られた振幅パルス列を示すものである。図19は1回目の振幅パルス列算出処理(ステップS13)が実行される前の解析対象信号(破線)と、1回目の合成処理(ステップS21)により得られた合成信号(実線)の各波形を示すものである。図20は1回目の出力制御処理(ステップS31)により得られた残差信号Eの波形を示すものである。図19と図20とを比較すると、図19に示す解析対象信号x(細線)の最大ピーク部分(正のピーク)が、図20に示す残差信号Eでは大幅に除かれていることを確認することができる。すなわち、図19の解析対象信号x(破線)の3ms付近の最大ピーク(正のピーク)を精度よく近似する合成信号(実線)が算出されていることが分る。図21は図20よりも時間軸方向の表示範囲を広くして同残差信号Eの全体を示したものである。図21に示すように、1回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の実行のみでは残差信号Eのエネルギーレベルがまだ高いので、合計10回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を繰り返すことにより、ドラムの打撃面の初期振動波形の大部分の成分を解析対象信号xから除去した。   FIG. 18 shows the amplitude pulse train obtained by the first amplitude pulse train calculation process (step S13). FIG. 19 shows respective waveforms of the analysis target signal (broken line) before the first amplitude pulse train calculation process (step S13) and the synthesized signal (solid line) obtained by the first synthesis process (step S21). It is shown. FIG. 20 shows the waveform of the residual signal E obtained by the first output control process (step S31). Comparison of FIG. 19 and FIG. 20 confirms that the maximum peak portion (positive peak) of the analysis target signal x (thin line) shown in FIG. 19 is largely removed in the residual signal E shown in FIG. can do. That is, it can be seen that a composite signal (solid line) that accurately approximates the maximum peak (positive peak) near 3 ms of the analysis target signal x (broken line) in FIG. 19 is calculated. FIG. 21 shows the entire residual signal E with a wider display range in the time axis direction than FIG. As shown in FIG. 21, since the energy level of the residual signal E is still high only by executing the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process once, the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output are performed a total of 10 times. By repeating the control process, most components of the initial vibration waveform of the striking surface of the drum were removed from the analysis target signal x.

図22は、振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を10回繰り返した後の残差信号Eの波形を示す。図23は振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理を10回繰り返すことにより得られた振幅パルス列(10回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の繰り返しの各回において得られた振幅パルス列を共通の時間軸上で重ね合わせたもの)を示すものである。図24は図23に示す振幅パルス列とインパルス応答サンプル列h(n=−NMAX〜+NMAX)とを畳み込むことにより得られた合成信号の波形を示すものである。この図24に示す合成信号は、図17に示す解析対象信号xの40ms程度までの初期部分の時間波形を精度良く近似したものになっている。 FIG. 22 shows the waveform of the residual signal E after the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process are repeated 10 times. FIG. 23 shows an amplitude pulse train obtained by repeating the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process 10 times (the amplitude pulse train obtained in each iteration of the 10 amplitude pulse train calculation processes, the synthesis process, and the output control process). Are superimposed on a common time axis). FIG. 24 shows the waveform of the composite signal obtained by convolving the amplitude pulse train and the impulse response sample train h 0 (n = −NMAX to + NMAX) shown in FIG. The combined signal shown in FIG. 24 is adapted to that accurately approximates the time waveform of the initial portion of up to about 40ms of analysis object signal x 0 shown in FIG. 17.

次に各信号のパワースペクトルに着目し、本実施形態による波形解析処理の実行の効果を検討する。図25は10回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた各振幅パルス列を重ね合わせた振幅パルス列を用いて合成した合成信号(図24に示す合成信号)のパワースペクトルを示す。図26はドラム音信号のパワースペクトルを示す。図27は、ドラム音信号にCLSMを施すことにより得られた正弦波成分を用いて合成された合成信号のパワースペクトルを示す。図28は、CLSMにより得られた合成信号(図27)と10回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理により得られた合成信号(図25)とを時間領域において加算した合成信号のパワースペクトルを示す。そして、図29は10回の振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理の実行後の残差信号Eのパワースペクトルを示す。図26、図27および図28を比較すると、CLSMに加えて本実施形態による波形解析処理(具体的には10回に亙る振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理)を実行することにより、ドラムの初期振動波形の成分が合成信号に加わり、合成信号のパワースペクトル(図28)が原音であるドラム音のパワースペクトル(図26)に近づいたことが分る。そして、残差信号E(すなわち、解析対象信号における近似未了の成分)のパワースペクトル(図29)は、合成信号(近似が完了した成分)のパワースペクトル(図28)に比べて十分低いレベルになっていることが分る。以上のように、本実施形態によれば、正弦波の合成では得ることができなかったドラムの初期振動波形を精度良く合成することができる。   Next, paying attention to the power spectrum of each signal, the effect of executing the waveform analysis processing according to the present embodiment will be examined. FIG. 25 shows a power spectrum of a synthesized signal (synthesized signal shown in FIG. 24) synthesized by using an amplitude pulse train obtained by superimposing the amplitude pulse trains obtained by the 10 amplitude pulse train calculation processes, the synthesis process, and the output control process. . FIG. 26 shows the power spectrum of the drum sound signal. FIG. 27 shows a power spectrum of a synthesized signal synthesized using a sine wave component obtained by applying CLSM to a drum sound signal. FIG. 28 shows a synthesized signal obtained by adding in the time domain the synthesized signal obtained by CLSM (FIG. 27) and the synthesized signal obtained by 10 amplitude pulse train calculation processes, the synthesized process and the output control process (FIG. 25). The power spectrum is shown. FIG. 29 shows the power spectrum of the residual signal E after the 10th amplitude pulse train calculation processing, synthesis processing, and output control processing. When comparing FIG. 26, FIG. 27 and FIG. 28, in addition to CLSM, by executing waveform analysis processing according to the present embodiment (specifically, amplitude pulse train calculation processing, synthesis processing and output control processing over 10 times) It can be seen that the component of the initial vibration waveform of the drum is added to the composite signal, and the power spectrum (FIG. 28) of the composite signal approaches the power spectrum (FIG. 26) of the drum sound that is the original sound. The power spectrum (FIG. 29) of the residual signal E (that is, the component that has not been approximated in the analysis target signal) is sufficiently lower than the power spectrum (FIG. 28) of the synthesized signal (component that has been approximated). You can see that As described above, according to the present embodiment, the initial vibration waveform of the drum that could not be obtained by the synthesis of the sine wave can be synthesized with high accuracy.

次に、本実施形態を壁の反射音の解析に利用した例を示す。図30は解析対象信号xの第3の例である壁の反射音信号の波形を示すものである。図31はこの解析対象信号について波形解析処理(具体的には振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理)を1回実行することにより得られた振幅パルス列を示すものである。図31に示す振幅パルス列は反射波を形成する鏡像音源あるいは仮想音源の強さ(同相あるいは逆相を表す正負の符号を含む)を表すものである。ここで、時刻t=0に到来する反射音を反射壁面上に生じる仮想音源からの反射音と考えることによって、時刻t=0より遅れて到来する反射音は、反射壁の内側に存在する仮想音源からの反射音を表すものとして理解することができる。従って、遅れて到来する反射音ほど反射壁内部に遠く存在すると考えられる仮想音源からの反射音を示している。以上のように本実施形態によれば、受音点において観測された壁からの反射音に波形解析処理(具体的には図2におけるステップS11〜S32の処理)を施すことにより、図30に示すような反射音を図31に示す5個の仮想音源による反射波の合成であると理解することができる。 Next, the example which utilized this embodiment for the analysis of the reflected sound of a wall is shown. Figure 30 shows a waveform of the reflected sound signals of the wall is a third example of the analysis object signal x 0. FIG. 31 shows an amplitude pulse train obtained by executing waveform analysis processing (specifically, amplitude pulse train calculation processing, synthesis processing, and output control processing) once for this analysis target signal. The amplitude pulse train shown in FIG. 31 represents the intensity (including positive and negative signs representing in-phase or opposite phase) of a mirror image sound source or a virtual sound source that forms a reflected wave. Here, by considering the reflected sound arriving at time t = 0 as reflected sound from the virtual sound source generated on the reflecting wall surface, the reflected sound arriving later than time t = 0 is the virtual sound existing inside the reflecting wall. It can be understood as representing reflected sound from a sound source. Therefore, the reflected sound from the virtual sound source which is considered to exist farther in the reflection wall as the reflected sound arrives later is shown. As described above, according to the present embodiment, the waveform analysis processing (specifically, the processing of steps S11 to S32 in FIG. 2) is performed on the reflected sound from the wall observed at the sound receiving point, so that FIG. It can be understood that the reflected sound as shown is a synthesis of reflected waves by the five virtual sound sources shown in FIG.

以上説明したように、本実施形態によれば、波形解析処理(具体的には振幅パルス列算出処理、合成処理および出力制御処理)を繰り返し実施することによって、正弦波の合成モデルでは解析することができなかった楽器音波形の初期振動部分の時間波形とそのスペクトルを解析することができる。また、本実施形態によれば、振幅パルス列算出処理(ステップS11〜S13)において、解析対象信号の近似未了の成分の最大ピーク点に合わせて解析期間を設定することにより、振幅パルスの発生タイミングについての必要な自由度を確保し、解析期間の決定後は、その解析期間内の固定された各位置に最大ピーク点を各々有する複数のインパルス応答を用いて振幅パルス列を算出しているので、少ない演算量で、十分な精度の解析結果を得ることができる。本実施形態による波形解析方法は、自然な音の解析および合成の他、壁面からの反射音の解析にも有効であり、音響空間のモデリングを行うための手段としても有効である。従って、室内音響設計、音響材料評価にも効果が期待できる。   As described above, according to the present embodiment, the waveform analysis process (specifically, the amplitude pulse train calculation process, the synthesis process, and the output control process) is repeatedly performed, so that the sine wave synthesis model can be analyzed. The time waveform and spectrum of the initial vibration part of the instrument sound waveform that could not be analyzed can be analyzed. Further, according to the present embodiment, the amplitude pulse generation timing is set in the amplitude pulse train calculation process (steps S11 to S13) by setting the analysis period according to the maximum peak point of the component that has not been approximated in the analysis target signal. Since the necessary degree of freedom is secured and the analysis period is determined, the amplitude pulse train is calculated using a plurality of impulse responses each having a maximum peak point at each fixed position in the analysis period. An analysis result with sufficient accuracy can be obtained with a small amount of calculation. The waveform analysis method according to the present embodiment is effective not only for analysis and synthesis of natural sound but also for analysis of reflected sound from the wall surface, and is also effective as a means for modeling acoustic space. Therefore, an effect can be expected for the room acoustic design and the acoustic material evaluation.

<他の実施形態>
以上、この発明の一実施形態を説明したが、この発明には、他にも各種の実施形態が考えられる。例えば次の通りである。
<Other embodiments>
Although one embodiment of the present invention has been described above, various other embodiments are conceivable for the present invention. For example:

(1)例えば通過帯域の異なった複数種類の帯域通過フィルタのインパルス応答を用意し、その中から所望のインパルス応答を選択して上記実施形態による波形解析方法を実行できるように、波形解析プログラムを構成してもよい。 (1) For example, a waveform analysis program is prepared so that impulse responses of a plurality of types of bandpass filters having different passbands are prepared, a desired impulse response is selected from the impulse responses, and the waveform analysis method according to the above embodiment can be executed. It may be configured.

(2)インパルス応答行列の行数Mおよび解析期間の長さを任意に選択できるように波形解析プログラムを構成してもよい。 (2) The waveform analysis program may be configured so that the number of rows M of the impulse response matrix and the length of the analysis period can be arbitrarily selected.

(3)上記実施形態におけるインパルス応答行列の行と列を入れ替えてもよい。さらに詳述すると、行列生成処理では、N個のインパルス応答を互いに時間をずらして並べ、各インパルス応答から共通の時間帯内に属するM個のサンプルをサンプリングし、時間方向を列の並び方向とし、各インパルス応答の並び方向を行の並び方向とし、各インパルス応答のサンプル値を行列要素とするN行M列のインパルス応答行列を生成する。そして、振幅パルス列算出処理では、解析期間の長さを共通の時間帯の長さとし、N行M列のインパルス応答行列との乗算結果が、解析対象信号における近似未了の成分の解析期間内のM個のサンプルとなる1行N列の行列を算出し、この1行N列の行列の各要素が示す各振幅パルスを用いてM個のサンプルからなる振幅パルス列を生成するのである。この態様においても上記実施形態と同様な効果が得られる。 (3) The rows and columns of the impulse response matrix in the above embodiment may be interchanged. More specifically, in the matrix generation process, N impulse responses are arranged with a time shift, M samples belonging to a common time zone are sampled from each impulse response, and the time direction is set as the column arrangement direction. Then, an impulse response matrix of N rows and M columns is generated with the arrangement direction of the impulse responses as the row arrangement direction and the sample values of the impulse responses as matrix elements. In the amplitude pulse train calculation process, the length of the analysis period is set as the length of the common time zone, and the multiplication result of the impulse response matrix of N rows and M columns is within the analysis period of the component that has not been approximated in the analysis target signal. A matrix of 1 row and N columns, which is M samples, is calculated, and an amplitude pulse sequence of M samples is generated using each amplitude pulse indicated by each element of the matrix of 1 row and N columns. In this aspect, the same effect as the above embodiment can be obtained.

(4)上記実施形態では、解析対象信号における近似未了の成分の最大ピーク点を中心に前後合わせて所定時間長の期間を解析期間として設定した。しかし、これは一例であり、解析期間における最大ピーク点以前の期間の長さと最大ピーク点以後の期間の長さは異なっていてもよい。 (4) In the above-described embodiment, a period of a predetermined time length is set as the analysis period, with the maximum peak point of the component that has not been approximated in the analysis target signal being centered. However, this is an example, and the length of the period before the maximum peak point in the analysis period may be different from the length of the period after the maximum peak point.

100……行列生成処理、101……振幅パルス列生成処理、102……合成処理、103……出力制御処理。 100: Matrix generation processing, 101: Amplitude pulse train generation processing, 102: Synthesis processing, 103: Output control processing.

Claims (8)

解析対象信号を、各々帯域通過フィルタのインパルス応答であって、互いに時間のずれた複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する方法であって、
前記解析対象信号における近似未了の成分を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理を繰り返し、この繰り返しにおいて発生する振幅パルス列を重ね合わせることにより、前記解析対象信号を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出することを特徴とする波形解析方法。
A method of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the signal to be analyzed as an impulse response of each bandpass filter as a linear combination of a plurality of impulse responses shifted in time from each other Because
The process of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the component that has not been approximated in the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses is repeated, and the amplitude pulse train generated in this repetition A waveform analysis method characterized by calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the signal to be analyzed as a linear combination of a plurality of impulse responses by superimposing them.
解析対象信号を、各々帯域通過フィルタのインパルス応答であって、互いに時間のずれた複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する方法であって、
前記解析対象信号における近似未了の成分に現れる最大ピーク点を含む所定の時間長の期間を解析期間とし、当該解析期間内の前記解析対象信号における近似未了の成分を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理を繰り返し、この繰り返しにおいて発生する振幅パルス列を重ね合わせることにより、前記解析対象信号を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出することを特徴とする波形解析方法。
A method of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the signal to be analyzed as an impulse response of each bandpass filter as a linear combination of a plurality of impulse responses shifted in time from each other Because
A period of a predetermined time length including the maximum peak point appearing in the component that has not been approximated in the signal to be analyzed is an analysis period, and the component that has not been approximated in the signal to be analyzed within the analysis period is a plurality of primary impulse responses. By repeating the process of calculating the amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximation as a combination, and superimposing the amplitude pulse train generated in this repetition, the signal to be analyzed is subjected to a plurality of primary impulse responses. A waveform analysis method characterized by calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximation as a combination.
前記解析期間内の前記解析対象信号における近似未了の成分を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための振幅パルス列を算出する処理では、前記解析期間内の固定された各位置に最大ピーク点を各々有する複数のインパルス応答を用いて振幅パルス列を算出することを特徴とする請求項2に記載の波形解析方法。   In the process of calculating an amplitude pulse train for approximating an incomplete component in the analysis target signal in the analysis period as a linear combination of a plurality of impulse responses, a maximum peak point is set at each fixed position in the analysis period. The waveform analysis method according to claim 2, wherein an amplitude pulse train is calculated by using a plurality of impulse responses each having the following. 解析対象信号における最大ピーク点を含む所定時間の長さを持った期間を解析期間とし、前記解析期間内に離散的に発生する複数の振幅パルスからなる振幅パルス列であって、各々帯域通過フィルタのインパルス応答であり、かつ、当該振幅パルス列における各振幅パルスの発生タイミングにおいて各振幅パルスの振幅により重み付けされた複数のインパルス応答を加算した信号波形のうち前記解析期間内の信号波形が前記解析対象信号における前記解析期間内の信号波形を近似したものとなる振幅パルス列を算出する振幅パルス列算出処理と、
前記振幅パルス列算出処理により算出された振幅パルス列における各振幅パルスの発生タイミングにおいて各振幅パルスの振幅により重み付けされた複数のインパルス応答を加算することにより合成信号を生成する合成処理と、
前記解析対象信号から前記合成信号を差し引いて得られる残差信号のレベルが許容範囲内に収まるまで、前記残差信号を新たな解析対象信号として前記振幅パルス列算出処理および前記合成処理を繰り返させ、この繰り返しにより得られる各振幅パルス列を重ね合わせる出力制御処理と
を具備することを特徴とする波形解析方法。
A period having a predetermined time length including the maximum peak point in the analysis target signal is set as an analysis period, and an amplitude pulse train composed of a plurality of amplitude pulses discretely generated in the analysis period, each of the band pass filters Among the signal waveforms that are impulse responses and are obtained by adding a plurality of impulse responses weighted by the amplitude of each amplitude pulse at the generation timing of each amplitude pulse in the amplitude pulse train, the signal waveform within the analysis period is the signal to be analyzed An amplitude pulse train calculating process for calculating an amplitude pulse train that approximates the signal waveform in the analysis period in
A synthesis process for generating a synthesized signal by adding a plurality of impulse responses weighted by the amplitude of each amplitude pulse at the generation timing of each amplitude pulse in the amplitude pulse string calculated by the amplitude pulse string calculation process;
Until the residual signal level obtained by subtracting the synthesized signal from the analysis target signal falls within an allowable range, the residual signal is used as a new analysis target signal, and the amplitude pulse train calculation process and the synthesis process are repeated, An output control process for superimposing the amplitude pulse trains obtained by the repetition.
N個の前記インパルス応答を互いに時間をずらして並べ、各インパルス応答から共通の時間帯内に属するM個のサンプルをサンプリングし、時間方向を行の並び方向とし、各インパルス応答の並び方向を列の並び方向とし、各インパルス応答のサンプルを行列要素とするM行N列のインパルス応答行列を生成し、または時間方向を列の並び方向とし、各インパルス応答の並び方向を行の並び方向とし、各インパルス応答のサンプルを行列要素とするN行M列のインパルス応答行列を生成する行列生成処理を具備し、
前記振幅パルス列算出処理では、前記解析期間の長さを前記共通の時間帯の長さとし、前記M行N列またはN行M列のインパルス応答行列との乗算結果が、それぞれ前記解析対象信号における前記解析期間内のM個のサンプルとなるN行1列または1行N列の行列を算出し、前記N行1列または1行N列の行列の各要素が示す各振幅パルスを用いてM個のサンプルからなる前記振幅パルス列を生成することを特徴とする請求項3に記載の波形解析方法。
The N impulse responses are arranged at different times, M samples belonging to a common time zone are sampled from each impulse response, the time direction is the row arrangement direction, and the impulse responses are arranged in columns. And an impulse response matrix of M rows and N columns with each impulse response sample as a matrix element, or a time direction as a column arrangement direction, and an arrangement direction of each impulse response as a row arrangement direction, A matrix generation process for generating an N-by-M impulse response matrix having the samples of each impulse response as matrix elements;
In the amplitude pulse train calculation process, the length of the analysis period is set to the length of the common time zone, and the multiplication result of the impulse response matrix of M rows and N columns or N rows and M columns is obtained in the analysis target signal. An N-row 1-column or 1-row N-column matrix, which is M samples within the analysis period, is calculated, and M is used by using each amplitude pulse indicated by each element of the N-row 1-column or 1-row N-column matrix. The waveform analysis method according to claim 3, wherein the amplitude pulse train including the samples is generated.
前記インパルス応答は、理想ローパスフィルタのインパルス応答であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1の請求項に記載の波形解析方法。   The waveform analysis method according to claim 1, wherein the impulse response is an impulse response of an ideal low-pass filter. 解析対象信号を、各々帯域通過フィルタのインパルス応答であって、互いに時間のずれた複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する装置であって、
前記解析対象信号における近似未了の成分を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理を繰り返し、この繰り返しにおいて発生する振幅パルス列を重ね合わせることにより、前記解析対象信号を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出することを特徴とする波形解析装置。
An apparatus for calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the signal to be analyzed as an impulse response of each band-pass filter as a linear combination of a plurality of impulse responses shifted in time from each other Because
The process of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the component that has not been approximated in the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses is repeated, and the amplitude pulse train generated in this repetition An amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the signal to be analyzed as a linear combination of a plurality of impulse responses by superimposing the signal to be analyzed is calculated.
解析対象信号を、各々帯域通過フィルタのインパルス応答であって、互いに時間のずれた複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理であって、
前記解析対象信号における近似未了の成分を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理を繰り返し、この繰り返しにおいて発生する振幅パルス列を重ね合わせることにより、前記解析対象信号を複数のインパルス応答の一次結合として近似するための各インパルス応答の発生タイミングと振幅とを示す振幅パルス列を算出する処理をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
A process of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the analysis target signal as an impulse response of each band-pass filter, which is a linear combination of a plurality of impulse responses that are shifted in time from each other Because
The process of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the component that has not been approximated in the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses is repeated, and the amplitude pulse train generated in this repetition , By causing the computer to execute a process of calculating an amplitude pulse train indicating the generation timing and amplitude of each impulse response for approximating the analysis target signal as a linear combination of a plurality of impulse responses. program.
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