JP2558940B2

JP2558940B2 - 楽音合成装置

Info

Publication number: JP2558940B2
Application number: JP2245569A
Authority: JP
Inventors: 大輔森; 雅浩中西; 克芳藤井; 正彦畠中
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-09-13
Filing date: 1990-09-13
Publication date: 1996-11-27
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: JPH04122994A

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は、電子楽器のうちで、特にアコースティック
な、すなわち、自然楽器と同様な音色を合成する楽音合
成装置に関する。

従来の技術近年、電子楽器にはディジタル技術による楽音合成方
式が導入されて、合成音の品質の向上が著しく、また、
入力方法としても鍵盤や管楽器形状のもの、あるいはギ
ター形状のものなど多様化してきている。楽音合成方式
としては、自然楽器の楽音波形をそのまま記憶しておい
て、再生すべき音高に比例した速度で再生するいわゆる
PCM方式に準じた方式が多く使用されているが、自然楽
器の実際の発音形態に対応した楽音合成方式も数多く提
案されている。

このような機能は、例えば文献（“On the oscilla
tion of musical instruments",M.E.McIntyre R.T.
Schumacher J.Woodhouse共著,J.Acoust.Soc.Am74
（５）,November1983 p1325−p1345記載）に詳述され
ている。

以下、図面を参照しながら上述の楽音合成装置につい
て説明する。

第12図は従来の楽音合成装置の構成を示すものであ
る。第12図について説明する前に、第９図〜第11図を参
照しながら、原理について説明する。

第９図は、クラリネットの断面図を示す。第９図にお
いて左端Ａはマウスピースに対応しており、そのリード
部分を口腔圧力q_mを有する口によって覆われているもの
とする。なお、全てのトーンホールは塞がれているもの
とする。口腔圧力q_mとリード直下の管内圧力ｑとの圧力
差によって、リード付近には流速ｆが発生する。流速ｆ
は管内の特性インピーダンスｚを介して、進行波圧力q_o
（＝ｆ・ｚ）を形成する。進行波圧力q_oは、第９図の左
端Ａから右端Ｂ（開口端部）まで進行した後に、右端Ｂ
において、放射及び反射が起きる。反射波圧力q_iは、進
行波圧力q_oと、第11図に示すような反射係数ｒ（ｔ）と
を畳み込み演算することによって得ることができる。反
射波圧力q_iは、管内を右端Ｂから左端Ａへ進行し、リー
ド直下の管内圧力ｑ（＝q_o＋q_i）が変動することによっ
て、第10図のような関係から口腔圧力q_mと管内圧力ｑと
から決まる流速ｆがリード付近に発生することとなる。
上述の動作を繰り返すことにより、クラリネットの発音
が繰り返されることとなる。

第11図の反射係数ｒは、クラリネットが４分の１波長
管であることから、出力する音高の時間周期をＴとする
と、左端Ａから右端Ｂ、更に、右端Ｂにおける反射によ
って、右端Ｂから左端Ａまでの往復経路に相当する時間
長T/2のところに反射のピークが集中していることがわ
かる。

第10図は、リード直下の管内圧力ｑと口腔圧力q_mと流
速ｆとの関係を示している。第10図のq_rは、リードの復
元力に打ち勝ってリードとマウスピースの隙間を閉じる
ために必要とされる圧力に対応するものである。

第12図において、120は駆動部、121は変換部、122は
遅延部、123はキーオン処理部である。

以上のような構成要素によりなる楽音合成装置につい
て以下その動作を説明する。

まず、楽音合成装置に出力すべき楽音の音高を指示す
るノート信号と、発音のタイミングを指示するキーオン
信号と、出力楽音の強さを指示するタッチ信号とが入力
されると、キーオン処理部123は、キーオン信号のオン
に対応して、遅延部122に対してリセット信号を出力
し、所定時間（Tr）経過後に、各部に対してオン信号を
出力し、各部の動作が開始される。駆動部120は、出力
する楽音がピアノなどのパーカッシブ音のときにはイニ
シャルタッチ、クラリネットなどのノンパーカッシブ音
のときにはアフタータッチのいずれかのデータq_mをキー
オン処理部123から出力されるオン信号がオンの間出力
し、オン信号がオフのときには零値を出力する。変換部
への駆動入力であるデータq_mを、駆動部出力として適当
な値とするためにスケーリングをしてもよい。

変換部121は、例えば第13図のように構成することが
できる。第13図において、130はＦ（ｑ）テーブル、131
は乗算器、132と133は加算器である。以上のような構成
要素によりなる変換部121は直前に出力した進行波圧力q
_oと遅延部122から出力される反射波圧力q_iは加算器133
によって加算されてリード直下の管内圧力ｑが出力され
る。Ｆ（ｑ）テーブル130は第10図の関係にしたがっ
て、入力される管内圧力ｑに対応する流速ｆを出力す
る。

Ｆ（ｑ）テーブルから出力される流速ｆは、乗算器13
1において、管の特性インピーダンスｚと乗算された後
に加算器132において反射波圧力q_iと加算されて進行波
圧力q_oとして出力される。

遅延部122は、例えば第14図のように構成することが
できる。第14図において、160は反射係数発生部、161〜
163は単位遅延器、171〜174は乗算器、165は累算器であ
る。

反射係数発生部160は、クラリネットの管形状に基づ
いて算出された第11図に示すような反射係数ｒ（ｔ）を
基準クロックCf［Sec］毎にサンプリングすることによ
って得られる反射係数ｒ（ｉ・Cf）を（１）式に基づい
て演算した後に、171〜174の各乗算器へ供給するものと
する。但し、ｉ＝0,1,2,…,2Nとする。

ｒ（ｉ・Cf）＝Ａ・Exp｛−Ｂ（ｉ・Cf−Ｔ）｝ ……
（１）ここで、ＡとＢとは想定する管の反射特性によって決
定される定数である。Ｎは、161〜163に示す単位遅延器
の個数であり、171〜174の乗算器の個数よりも１だけ少
ない正整数である。ここで、クラリネットの出力する最
低音を例えば100［Hz］とし、基準クロックCfの周波数
を20［KHz］とすると、Ｎは４分の１波長管の場合には
（２）式のように決定することができる。

遅延部122において、ノート信号に対応した音高音を
形成するための係数制御は、反射係数発生部160におい
て、各ノート信号（音高）つまり時間Ｔに対応させて、
（１）式により得られるｒ（ｉ・Cf）を演算発生した後
に、これらを乗算器171〜174へ供給することとなる。

以上のようにして第14図の端子180,181から出力され
る進行波圧力q_oと反射波圧力q_iは、それぞれデジタル楽
音として、あるいは、変換部121への入力として出力さ
れることとなる。

なお、第14図の端子180から出力されるデジタル楽音
を早く出力させるために、端子185から出力をさせても
よい。

他のバイオリンの弦、パイプオルガン等の楽器につい
ても上述したクラリネットと同様の動作によって楽音が
合成される。

発明が解決しようとする課題しかしながら、上記のような構成では音高に対応して
算出される反射係数によって楽音が合成されるために、
管楽器における替え指、または弦楽器における弦の使い
分けのように、同一音名（同一音程）の音を演奏するた
めの演奏形態が複数存在する場合においても、複数の演
奏形態それぞれに対応した音色の楽音が合成できないと
いう問題点があった。

本発明は上記問題点を解決するため、同一音名の音を
演奏するための演奏形態が複数存在する場合において、
それらの演奏形態に対応した音色変化を実現できる楽音
合成装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段この目的を達成するために、本発明の楽音合成装置
は、駆動入力と反射波成分とから進行波成分を出力する
変換部と、入力される進行波成分に対して反射波成分を
演算出力するフィルタと、各音高に存在する複数の演奏
形態それぞれに対応した複数の反射係数セットを記憶す
るメモリと、出力すべき演奏形態指示に対応した反射係
数セットをメモリから読み出しフィルタへ供給する反射
係数供給部とから構成される。

作用この構成によって、反射係数供給部は入力される演奏
形態を指示する形態信号に従って、対応する反射係数セ
ットの中から反射係数をフィルタにおける演算に必要な
タイミングで順次にメモリから読みだしフィルタへ供給
するので、フィルタは変換部から出力される進行波成分
に対して演奏形態個有の反射係数セットにより反射波成
分の演算が行われることとなる。

実施例以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら
説明する。

第４図に本発明の実施例における楽音合成装置と入力
装置との関係を示す。

第４図において、１は入力装置、２は楽音合成装置で
ある。入力装置１は、第５図のように構成される。

第５図において、10は音高指示部、11は発音センス
部、12はタッチセンス部、13は信号形成部である。発音
センス部11は、楽音出力のオンオフをセンスし、キーオ
ン信号として出力する。また、タッチセンス部12は出力
する楽音の強弱をセンスし、タッチ信号を出力するが、
これらは公知の技術である。

本実施例においては、たて笛状の入力形態を有する音
高指示部10について説明する。

第１表に示すような運指に従うたて笛状の入力形態を
音高指示部10が有しているとする。音高指示部10は、第
２図に示すような管楽器状に配置されたスイッチ群Si
（ｉ＝1,2,…,8）の入力パターン（運指表のパターン）
を信号形成部13へ送出する。信号形成部13は、入力され
るスイッチ群Siのパターンと第１表に記載されている運
指表のパターンとを比較し、一致したパターンの形態ナ
ンバとノートナンバとをそれぞれ形態信号とノート信号
として出力する。ここで、各スイッチSiは、第３図に示
すようにして構成することができる。第３図において、
101は押しボタン、102と103は押しボタン復帰用バネ、1
04と105とは管楽器形態本体のきょう体である。各スイ
ッチSiの出力は、押しボタン101が押さえられていると
きにOFF、押さえられていないときにONとなり、第１表
ではこのOFFとONをそれぞれ●と○印として示してい
る。

第１表では、音名C₃について、形態ナンバ８と９との
２種類の替え指の状態が存在していることが分かる。

以上のような入力装置１から出力されるノート信号，
形態信号，タッチ信号，キーオン信号によって制御され
る楽音合成装置２について以下に述べる。

第１図は本発明の一実施例の楽音合成装置のブロック
図である。第１図において、220は遅延部、201はメモリ
である。なお、駆動部120,変換部121、キーオン処理部1
23は従来例の構成と同じものである。

第６図は本発明の一実施例における遅延部220とメモ
リ201とのブロック図を示す。

第６図において、200は反射係数供給部、202はフィル
タである。なお、単位遅延器161〜163,乗算器171〜174,
累算器165などは従来例の第14図のものと同じものであ
る。

本実施例においては、管楽器のマウスピース部でイン
パルスを発生し、その楽器の各音高（＝Ｊ）の運指ごと
に対応して得られる応答をマウスピース部で測定し、こ
のインパルスレスポンスr_j（ｔ）を従来例と同様にして
サンプリングし、そのまま反射係数セットとしてメモリ
201に記憶させておくものとするが、インパルスレスポ
ンスでなく従来例と同様にして理論的に算出したものを
記憶させておくようにしてもよい。なお、ここでは各反
射係数セットの係数の数Ｈは、すくなくとも、出力する
楽器の最低音を合成するために必要な単位遅延の個数を
（Ｋ−１）個とするときのＫに等しいものとする。ここ
で、最低音を合成するために必要とする単位遅延の個数
（Ｋ−１）個のＫは、最低音の音高FL［Hz］と基準クロ
ックCf［Sec］とから（３）式のような関係となる。

上記ｋは、サンプリング周期を基準クロックCfとする
ときの最低音の１周期語長であり、第６図の実線に示す
ようにｋを中心として反射係数が分布するので、Ｋは2k
程度が望ましい。一般に反射係数の特性は、音高が上昇
するにつれて、第11図破線に示すようにその形状が移動
することとなる。

上述のようにして得られるたて笛の各演奏形態に対応
する反射係数Ｋ個を15個の演奏形態についてメモリ201
に記憶させておくものとする。

形態信号Ｊ（Ｊ＝1,2,…,15）が入力されると、反射
係数供給部200は、形態ナンバの小さな順にメモリ201に
記憶されている反射係数セットの中から、形態信号Ｊに
対応する記憶開始アドレスADRS0（＝Ｊ・Ｋ−Ｋ［Wor
d］）からＫワード分の反射係数を読みだし、第６図の1
71〜174に示すようなＫ個からなる乗算器それぞれに対
応する反射係数を送出するので、形態信号ごとに異なる
特性の反射波圧力q_iが演算出力される。

以下に、反射係数供給部200について説明する。第７
図に本発明の一実施例における反射係数供給部200のブ
ロック図を示す。

第７図において、250〜252はレジスタ、253はスイッ
チ、254はインバータ、255はアンド回路、256は乗算
器、257〜260は加算器、261〜263はラッチである。な
お、第８図に反射係数供給部の各部のタイミングチャー
トを示す。

反射係数供給部200の各部は、基準クロックCfとレジ
スタ252のゼロフラグとから決まるアンド回路255の出力
をクロックの整数倍のタイミングで動作をするものとす
る。

まず、キーオン処理部123からリセット信号が出力さ
れると、レジスタ250は、入力される形態信号Ｊから上
述のようにして加算器257と乗算器256とによって演算さ
れたADRS0が初期設定される。同時に、レジスタ251とレ
ジスタ252にはそれぞれ“0"と“（Ｋ−１）”とが初期
設定される。また、ラッチ261〜263も０に初期設定され
る。メモリ201は、レジスタ250から出力されるアドレス
データADRS0に対応する反射係数“DATA0"を出力する。
スイッチ253は、反射係数“DATA0"をレジスタ251の内容
が示す値“0"に従って第０番目のラッチ261へ送出し、
ラッチ261の内容“DATA0"はフィルタ202の第０番目の乗
算器171で有効な乗算値として使用される。このとき、
フィルタ202内の他の乗算器は262〜263のラッチの内容
が“0"となっているため有効な演算としては機能しない
ことになる。キーオン処理部123が基準クロックのタイ
ミングにしたがってオン信号を出力すると、クロックCL
1に従って、レジスタ250とレジスタ251はそれぞれ１だ
け増加して“ADRS1"と“1"とになり、また、レジスタ25
2は１だけ減少して“（Ｋ−２）”となる。上述と同様
の動作によって、メモリ201のアドレスADRS1に記憶され
た反射係数“DATA1"が、今度はラッチ262へ送出され
て、ラッチ262の内容“DATA1"はフィルタ202の第１番目
の乗算器172で有効な乗算値として使用されることとな
る。以上の動作を繰り返して、メモリ201の“ADRS（Ｋ
−１）”に記憶された“DATA（Ｋ−１）”がフィルタ20
2の第（Ｋ−１）番目の乗算器174で有効な乗算値として
使用されるようになると、レジスタ252の値が０となり
ゼロフラグが出力されるため、アンド回路255からクロ
ックが出力されないようになるので、反射係数供給部20
0は、その供給動作を終了する。

以上のようにして、反射係数供給部200は、基準クロ
ックに準じたタイミングによって、反射係数を演算に必
要な順に、順次に送出されることとなる。

駆動部120と変換部121とキーオン処理部123と単位遅
延器161〜163と乗算器171〜174とは、従来と同様の動作
によって基準クロックに対応した楽音合成がなされるの
で、端子190からは、音高により異なる反射波の影響を
受ける楽音が出力されることとなる。

端子195からデジタル楽音出力をとるようにすれば、
キーオン信号がオンになってから、１基準クロックの遅
れだけで発音を開始することができる。

本実施例では、形態信号により、反射係数セットを選
択するようにしたが、形態信号を音高毎のバリエーショ
ンとしてとらえて、ノート信号と形態信号とから反射係
数を選択するようにしてもよい。すなわち、ノート信号
Ｌとその音高に対するバリエーションを表す形態信号ｊ
とから、記憶開始アドレスADRS0を（４）式のように決
定することもできる。

ADRS0＝（Ｌ−１）・Ｋ＋（ｊ−１）・Ｋ …（４）ここで、ｊはその音高に対する演奏形態の数をＧとす
ると、１からＧまでの値をとるものとする。

ギター形状の入力形態の場合にも同様にして、例え
ば、第１弦と第２弦と第３弦とで出力可能な同一音高の
楽音に関して、その演奏形態に対応する反射係数をそれ
ぞれ使い分けることによって弦ごとに特徴的な音色を選
択出力することが可能である。

なお、本実施例では管楽器の例について説明したが、
弦楽器や打楽器などの他の楽器についても同様にして、
その楽器において各演奏形態を形成する状態ごとに、駆
動点にインパルスを入力したときに、駆動点に反射して
くるインパルスレスポンスをその演奏形態に対応する反
射係数セットとしてメモリに記憶させておくことにより
構成することができる。

また、本実施例では入力装置１において、運指形態か
ら音高が判定されるようにしたが、同一運指形態異音色
の場合にも、オクターブスイッチ入力を設けて第１表を
変形することにより、指示された音高と演奏形態に固有
の反射係数を特定することもできる。

以上のように本実施例によれば、形態ナンバに対応し
て、実際の楽器と同様に反射特性の異なる反射係数セッ
トをメモリから同じ数だけ読み出すようにしたので、反
射係数セットを計算することなく、楽器ごとに適切な段
数のフィルタによって、高音質の楽音を合成することが
可能となる。

また、本実施例では、フィルタを非巡回型のフィルタ
として構成したので、基準クロックに対応するタイミン
グごとに反射係数を１個ずつフィルタへ送出してもフィ
ルタでの演算タイミングに支障をきたすことなく楽音合
成が可能となる。

さらに、本実施例によれば形態ナンバとそれに対応す
る形態信号によって、反射係数セットを選択するように
したため、選択した反射係数セットにより自動的にその
音高を決定することができる。

発明の効果本発明は楽器の発音機構に基づいて、進行波成分と反
射波成分とを演算発生しながら楽音合成する場合に、楽
音の替え指または替え弦などの同一音高でも異なる演奏
形態に対応して楽器の反射特性を予めメモリに記憶して
おくようにしたので、出力楽音の演奏形態に対応してメ
モリから読みだした反射係数により、反射波成分を演算
するだけで、自然楽器と同様の音色を簡単に実現するこ
とができる。

また、本発明は楽器の発音機構に基づいて、進行波成
分と反射波成分とを演算発生しながら楽音合成する場合
に、複数の反射係数を反射波演算に必要な順に供給する
ようにしたので、発音指示に対する発音開始の時間遅れ
を非常に小さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の楽音合成装置のブロック
図、第２図はたて笛状の入力形態を有する音高指示部の
側面図、第３図は同じくそのスイッチの断面図、第４図
は本発明の一実施例における楽音合成装置の入力装置と
を示すブロック図、第５図は同じく入力装置のブロック
図、第６図は同じく遅延部とメモリの構成を示すブロッ
ク図、第７図は同じく反射係数供給部の構成を示すブロ
ック図、第８図は同じく反射係数供給部の動作タイミン
グ図、第９図はクラリネットの断面図、第10図はリード
近傍の圧力と流速の特性図、第11図は従来例の反射係数
特性図、第12図は従来例の楽音合成装置のブロック図、
第13図および第14図は同じくその各部のブロック図であ
る。１……入力装置、２……楽音合成装置、10……音高指示
部、11……発音センス部、12……タッチセンス部、13…
…信号形成部、120……駆動部、121……変換部、123…
…キーオン処理部、200……反射係数供給部、201……メ
モリ、202……フィルタ、220……遅延部、130……Ｆ
（ｑ）テーブル。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】駆動入力と反射波成分とから進行波成分を
出力する変換部と、入力される前記進行波成分に対して前記反射波成分を演
算出力するフィルタと、替え弦または替え指など演奏形態により異なる複数の反
射係数セットを記憶するメモリと、演奏形態指示に対応した前記反射係数セットを前記メモ
リから読み出し前記フィルタへ供給する反射係数供給部
とにより構成される楽音合成装置。
【請求項２】駆動入力と反射波成分とから進行波成分を
出力する変換部と、入力される前記進行波成分に対して前記反射波成分を演
算出力する非巡回型のフィルタと、替え弦または替え指など演奏形態により異なる複数の反
射係数セットを記憶するメモリと、演奏形態指示に対応した前記反射係数セットを構成する
複数の反射係数を前記メモリから読み出し前記フィルタ
へ供給する反射係数供給部とにより構成され、前記反射係数供給部は前記複数の反射係数は前記フィル
タにおける演算に必要とされる反射係数から順次に前記
フィルタへ出力するようにしてなる楽音合成装置。
【請求項３】フィルタの有する単位遅延の個数（Ｋ−
１）のＫと前記反射係数セットを構成する複数の反射係
数の個数Ｈとを等しくしてなる請求項２記載の楽音合成
装置。
【請求項４】反射係数セットを構成する複数の反射係数
の数を一定にしてなる請求項１または２記載の楽音合成
装置。