JP2580769B2 - 楽音合成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、特に、電子管楽器に用いて好適な楽音合
成装置に関する。

「従来の技術」 自然楽器の発音メカニズムをシミュレートすることに
より得られたモデルを動作させ、これにより、自然楽器
の楽音を合成する方法が知られている。この種の技術
は、例えば特開昭63−40199号公報に開示されている。
以下、管楽器を例に、その発音メカニズムのモデルを説
明し、次いで、このモデルを用いた楽音合成装置につい
て説明する。

第６図はクラリネット、サクソフォーン等の管楽器の
概略構成を示したものである。同図において、１は管楽
器の共鳴管（管部）、２はリード、THは共鳴管１に形成
された音高操作用のトーンホール（音孔）を示す。

この構成において、吹奏者がリード２に呼気2Aを吹き
込むと、その呼気圧PAおよび自身の弾性特性によりリー
ド２が振動する（矢印2S）。この結果、リード２の管内
側に空気の圧力波（粗密波）が発生し、これが進行圧力
波Ｆとなって共鳴官１の終端部1Eに向かって送出され
る。そして、進行圧力波Ｆは共鳴管１内の各所および終
端部1Eにおいて反射され、反射圧力波Ｒとなってリード
２に戻り、リード２は反射圧力波Ｒからの圧力PRを受け
る。従って、吹奏中、リード２が受ける全圧力Ｐは、反
射圧力波Ｒの圧力をPRとすると、 Ｐ＝PA−PR ……（１） となり、結局、リード２は自身の弾性特性と上記圧力Ｐ
とにより振動する。そして、リード２の振動と共鳴管１
内の圧力波ＦおよびＲの往復運動とが共振状態となるこ
とにより楽音が発生される。

この時の共振周波数は、共鳴管１に形成されたトーン
ホールTHの開閉操作により切り換えられる。すなわち、
トーンホールTHの開閉操作が行われると、それに伴って
トーンホールTH近傍における圧力波の流れが変化し、共
鳴管１の実効的な長さが変化することによって共振周波
数の切換がなされる。

第７図は上述したような管楽器の発音メカニズムをシ
ュミレートすることにより得られた楽音合成装置の構成
例を示したものである。同図において、11はリード２の
動作をシュミレートした非線形素子、12は共鳴管２をシ
ュミレートした共振回路、13はリード２において行われ
る上記式（１）の圧力演算をシュミレートした減算器で
ある。ここで非線形素子11の出力信号は、進行波信号と
して共振回路12に入力され、共振回路12の出力信号、す
なわち、反射波信号は減算器13に入力されるようになっ
ている。

共振回路12において、BD₁,BD₂,…は、共鳴管１内を伝
播する空気圧力波の伝送遅延をシミュレートした双方向
伝送回路である。また、各双方向伝送回路BD₁,BD₂,…に
おいて、DFは進行波信号の伝送用の遅延回路、DRは反射
波信号の伝送用の遅延回路を示す。TRMは共鳴管１の終
端部1E（第６図）における圧力波の反射をシミュレート
した終端回路である。ここで、終端回路TRMは、反射に
伴う音響損失をシミュレートしたローパスフィルタML
と、同じく反射に伴って生じる入力信号の位相反転をシ
ミュレートした反転回路IVとからなる。なお、この反転
回路IVは、終端部1Eが開口端の場合のみ必要であり、閉
口端の場合は不要である。

JU₁はジャンクションであり、トーンホールTH近傍に
おける圧力波の散乱をシミュレートするものである。こ
こで、M₁,M₂は乗算器、A₁,A₂は減算器、Ajは加算器を示
す。加算器Ajには、双方向伝送回路BD₁からの進行波信
号が乗算器M₁によって係数a₁が乗じられて入力されると
共に、双方向伝送回路BD₂からの反射波信号が乗算器M₂
によって係数a₂が乗じされて入力され、入力信号の加算
が行われる。なお、これらの係数a₁およびa₂については
後述する。そして、この加算結果は、加算器Ajから減算
器A₁およびA₂に送られる。そして、減算器A₁では加算器
Ajの出力信号から進行波信号F₁が減算され、減算結果が
反射波信号R₂として双方向伝送回路BD₁に送られる。ま
た、減算器A₂では加算器Ajの出力信号から反射波信号R₁
が減算され、減算結果が進行波信号F₂として双方向伝送
回路BD₂に送られる。

ここで、信号F₁およびR₁に乗ずる係数について説明す
る。

＜トーンホールTHが開状態の場合＞ 第６図における共鳴管１内のトーンホールTH近傍の点
ｊにおいて、この点ｊの空気圧Pjは、 Pj＝a₁off P₁ ⁺＋a₂off P₂ ⁺ ……（２） となる。ここで、P₁ ⁺は共鳴管１のリード２側から点ｊ
に流入する空気圧力波の圧力、P₂ ⁺は共鳴管１の終端部1
E側から点ｊに流入する空気圧力波の圧力を示す。ま
た、a₁off,a₂offは、点ｊに流入する各空気圧力波の大
きさの配分を示す係数で、下記式（３）および（４）で
与えられる。

a₁off＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（３） a₂off＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（４） となる。ここで、φ_１は共鳴管１のリード２側の部分の
直径、φ_２は共鳴管１の終端部1E側の直径、φ_３はトー
ンホールTHの直径を示す。第７図において、進行波信号
F₁は上記圧力P₁ ⁺に相当し、反射波信号R₁は上記圧力P₂ ⁺
に相当する。また、この楽音合成装置では、トーンホー
ルTHが開状態の場合、上記係数a₁off、a₂offが係数a₁,a
₂として、乗算器M₁、M₂に与えられる。従って、加算器A
jからは、上記式（２）の演算結果、すなわち、点ｊに
おける空気圧力Pjに相当する信号が出力される。

一方、第６図において、点ｊから共鳴管１のリード２
方向に流出する空気圧力波の圧力P₁ ^-、共鳴管１の終端
部1E方向に流出する空気圧力波の圧力P₂ ^-とすると、こ
れらは各々 P₁ ^-＝Pj−P₁ ⁺ ……（５） P₂ ^-＝Pj−P₂ ⁺ ……（６） となる。これら各圧力P₁ ^-,P₂ ^-に相当する信号は、各
々、減算器A₁、A₂から出力される。

＜トーンホールTHが閉状態の場合＞ この場合、トーンホールTHの直径φ_３が０になった状
態と等価であると考えられる。従って、上記式（３）お
よび（４）において、φ_３＝０を代入して得られる下記
係数a₁on,a₂onが、係数a₁,a₂として加算器A₁,A₂に与え
られる。

a₁on＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（７） a₂on＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（８） そして、下記式（９）に従う共鳴管１内の点ｊの空気
圧Pjに相当する信号が加算器Ajから得られる。

Pj＝a₁on P₁ ⁺＋a₂on P₂ ⁺ ……（９） そして、圧力P₁ ^-,P₂ ^-に相当する信号が、各々、演算
器A₁、A₂から出力される。

このようにして、トーンホールTHの開閉操作に対応し
た共鳴管１内の空気圧力波の散乱状態の変化がシュミレ
ートされる。

この楽音合成装置の例では、吹奏圧PAに応じたバイア
ス値VAが減算器13を介して非線形素子11に与えられる。
非線形素子11の出力信号は、双方向伝送手段BD₁,BD₂,…
およびこれらに介挿されたジャンクションJU₁,…を経て
終端回路TRMに送られる。ここで、ジャンクションJU₁,
…では、上述したように対応するトーンホールTHの開閉
操作に対応して係数a₁,a₂が切り換えられ、これによ
り、当該ジャンクションJU₁における散乱状態が切り換
えられる。終端回路TRMに送られた進行波信号は、ロー
パスフィルタMLおよび反転回路IVによって処理され、反
射波信号として、双方向伝送回路BDn,…,BD₂,BD₁（ただ
し、BDnは図示してない終端回路TRMに最寄りの双方向伝
送回路を示す）およびこれらに介装されたジャンクショ
ンJU₁,…を経て、さらに減算器13を介して非線形素子11
に帰還される。このようにして、非線形素子11および共
振回路12が共振状態となる。この時の共振周波数は、ト
ーンホールTHの開閉に対応した各ジャンクションJU₁,…
における係数a₁,a₂の切換により切り換えられる。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、実際の管楽器には、第３図に図示するよう
に、トーンホールに盛り上がりのあるものも存在する。
この場合、共鳴管からトーンホールの開口部への圧力波
の分散およびトーンホールの開口部で反射した反力波の
共鳴管への戻りがあると考えられるが、従来の管楽器を
シミュレートした楽音合成装置では、トーンホールの盛
り上がりは全く考慮しておらず、従って、実際の管楽器
を正確にシミュレーションすることができないという問
題があった。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、盛
り上がりのあるトーンホールをシミュレーションするこ
とが可能な楽音合成装置を提供することを目的としてい
る。

「課題を解決するための手段」 第１の発明は、各々が入力信号に対して所定の遅延時
間を施して出力する第１乃至第３の信号処理手段と、 前記第１乃至第３の信号処理手段の出力信号を入力信
号として、これらの入力信号の間で所定の演算処理を行
って前記第１乃至第３の信号処理手段の各々に送出する
結合手段と、 楽音制御情報を発生する楽音制御情報発生手段と、 この楽音制御情報発生手段から発生された楽音制御情
報に応じて前記第１乃至第３の信号処理手段の少なくと
も１つの出力信号の符号を周波数に依存せずに反転ある
いは非反転させる制御手段とを備え、 前記第１乃至第３の信号処理手段の少なくとも１つに
演奏に対応した励振信号を入力することにより楽音信号
を発生するようにしたことを特徴としている。

また、第２の発明は、前記楽音情報発生手段から発生
された楽音制御情報が変化したとき、前記第１乃至第３
の信号処理手段の少なくとも１つの出力信号の符号を周
波数に依存せずに反転あるいは非反転させるとともに該
出力信号の大きさを時間経過に従って徐々に変化させる
ことを特徴としている。

また、第３の発明は、各々が入力信号に対して所定時
間の遅延を施して出力する第１および第２の信号処理手
段と、 入力信号に対して周波数帯域制御を施して出力する第
３の信号処理手段と、 前記第１乃至第３の信号処理手段の出力信号を入力信
号として、これらの入力信号の間で所定の演算処理を行
って前記第１乃至第３の信号処理手段の各々に送出する
結合手段と、 楽音制御情報を発生する楽音制御情報発生手段と、 この楽音制御情報発生手段から発生された楽音制御情
報に応じて前記第３の信号処理手段の出力信号の符号を
周波数に依存せずに反転あるいは非反転させる制御手段
とを備え、 前記第１乃至第３の信号処理手段の少なくとも１つに
演奏に対応した励振信号を入力することにより楽音信号
を発生するようにしたことを特徴としている。

また、第４の発明は、前記制御手段は、前記楽音情報
発生手段から発生された楽音制御情報が変化したとき、
前記第３の信号処理手段の出力信号の符号を周波数に依
存せずに反転あるいは非反転させるとともに該出力信号
の大きさを時間経過に従って徐々に変化させることを特
徴としている。

「作用」 上記構成において、第３の信号処理手段はトーンホー
ルの盛り上がり部分を想定したものであり、第１および
第２の信号処理手段はそれぞれリード側に共鳴管および
終端側の共鳴管を想定したものである。しかして、結合
手段により第１乃至第３の信号処理手段を結合すること
により、より正確に管楽器をシミュレートすることがで
きる。

「実施例」 以下、図面を参照し、本発明の一実施例を説明する。

第１図はこの発明の一実施例による楽音合成装置の構
成を示すブロック図である。なお、この図において、前
述した第７図と対応する部分には同一の符号が付してあ
る。同図において、21は楽器本体の装備された各種操作
子（図示せず）の操作を検知し、それに従って楽音制御
情報（トーンホールの開閉信号、吹奏の強弱の程度、ノ
ートオン、ノートオフ等）を発生する楽音制御情報発生
回路である。22は励振回路であり、例えば、前述した第
７図における非線形素子11および減算器13によって構成
される。ここで、励振回路22には、楽音制御情報発生回
路21から供給される吹奏の強弱を示す情報に従った値VA
が供給される。

JA₁はトーンホール１個分に相当するジャンクショ
ン、23はトンホール開閉信号に従ってジャンクションJA
₁における信号演算処理用の係数を制御するトーンホー
ル制御回路である。ここで、トーンホール制御回路23に
は第４図に示す係数演算回路が内蔵されている。第４図
において、M₁₁,M₁₂,M₁₃は乗算器、A₁₁は加算器、D₁₁は
除算器を示す。

なお、第１図では、管楽器のリードから第１個目のト
ーンホールに至るまでの部分と管楽器の終端部に相当す
る部分が例示されており、他の部分ついては図示が省略
されている。図示されていない双方向伝送回路BD₂から
終端回路TRMに至るまでの区間には、実際の管楽器の管
の長さに応じて双方向伝送回路BD₃,…,BDn（BDnは終端
回路TRMに最寄りの双方向伝送回路）が接続されると共
に、各双方向伝送回路の間のトーンホールの配置に対応
した位置にジャンクションJA₁およびトーンホール制御
回路23相当の回路が介挿されている。

第２図はジャンクションJA₁の構成を示すブロック図
である。なお、この図において、前述した第７図と対応
する部分には同一の符号が付してある。このジャンクシ
ョンJA₁は第３図に示すように管部から盛り上がったト
ーンホールをシミュレートしたものである。このような
トーンホール構造において、トーンホールが開状態の場
合、管内からトーンホールに向けて流出された空気圧力
波（圧力P₃ ^-）は一部が開口部で反射されて再び管内に
流入する（圧力P₃ ⁺）。従って、管内のトーンホール近
傍の点ｊの空気圧Pjは、 Pj＝a₁P₁ ⁺＋a₂P₂ ⁺＋a₃P₃ ⁺ ……（10） となる。前述と同様、P₁ ⁺はリード側から点ｊに流入す
る空気圧力波の圧力、P₂ ⁺は終端部側から点ｊに流入す
る空気圧力波の圧力である。この場合、各圧力の係数
は、 a₁＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（11） a₂＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（12） a₃＝２φ₃ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（13） となる。一方、トーンホールが閉状態の場合は、 a₁＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（14） a₂＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（15） a₃＝０ ……（16） となる。また、点ｊからリード側に流出する圧力波の圧
力P₁ ^-、終端部側に流出する圧力波の圧力P₂ ^-、トーンホ
ール側に流出する圧力波の圧力P₃ ^-、各々、 P₁ ^-＝Pj−P₁ ⁺ ……（17） P₂ ^-＝Pj−P₂ ⁺ ……（18） P₃ ^-＝Pj−P₃ ⁺ ……（19） となる。

第２図において、遅延回路DTFおよびDTRはトーンホー
ルの筒状の部分における空気圧力波の伝播遅延をシミュ
レートしたもので、筒状部分の高さＨに応じてその遅延
量が決められている。遅延回路DTFおよびDTRにおける
l₃、双方向伝送回路BD₁,BD₂内の各遅延回路におけるl₁,
l₂等は、各々、当該遅延回路をシフトレジスタによって
構成する場合の段数を示している。また、TLはトーンホ
ールの終端部での反射に伴う音響損失をシミュレートし
たローパスフィルタ、M₄は乗算器であり、トーンホール
の先端部における空気圧力波の反射をシミュレートした
ものである。A₃は減算器、M₃は乗算器であり、これらに
より管部からトーンホールへの空気圧力波の流出および
トーンホールから管部への空気圧力波の流入が制御され
る。

以下、この楽音合成装置の動作を説明する。楽音制御
情報発生回路21から吹奏圧を示す情報およびノートオン
信号が発生されると、吹奏圧に対応した値VAが減算器13
を介して非線形素子11に供給されると共に非線形素子11
の出力がイネーブルされて、その出力信号が双方向伝送
回路BD₁,ジャンクションJA₁,双方向伝送回路BD₂,…を介
して終端回路TRMに送られる。そして、終端回路TRMから
の反射波信号が上述と逆の経路をたどり加算器13を介し
て非線形素子11に帰還される。これによって非線形素子
11および共振系の回路（双方向伝送回路BD₁から終端回
路TRMに至るまでの回路）が共振状態となり楽音信号が
取り出される。

この状態において楽音制御情報発生回路21からトーン
ホール開閉信号が送られると、トーンホール制御回路23
ではこの信号に従って制御変数ｘが変化される。ここ
で、トーンホール開閉信号が「トーンホール開」に変化
した場合は、ｘは時間経過と共に０からφ₃ ²（φ_３はト
ーンホールの直径）まで徐々に変化する。この変化はト
ーンホールを押さえていた指を離す時の、トーンホール
における実効的な開口部面積の変化に対応する。また、
トーンホール開閉信号が「トーンホール閉」に変化した
場合は、ｘは時間経過と共にφ₃ ²から０に徐々に変化す
る。そして、この制御変数ｘは第４図の係数演算回路に
入力され、同回路によって下記式（20）〜（22）の係数
演算が行われる。

a₁（ｘ）＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋ｘ） ……（20） a₂（ｘ）＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋ｘ） ……（21） a₃（ｘ）＝2x/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋ｘ） ……（22） そして、演算によって得られた係数a₁（ｘ）,a
₂（ｘ）,a₃（ｘ）が乗算器M₁,M₂,M₃に与えられ、加算器
Ajへ入力される各信号のレベルが制御される。このよう
にして、トーンホールを徐々に開く場合および徐々に閉
じる場合におけるトーンホール近傍の空気圧力波の散乱
状態の変化に対応した信号処理制御が行われる。

一方、これと同時に、トーンホール制御回路23では、
乗算器M₄用の係数ｆ（ｘ）が演算される。なお、この演
算を行う回路については図示を省略した。ここで、係数
ｆは、ｘ＝０（トーンホール閉状態）の場合にｆ（０）
＝１、ｘ＝φ₃ ²（トーンホール開状態）の時にｆ
（φ₃ ²）＝−１、ｘが０〜φ₃ ²の場合、ｆはｘの増加に
従って緩やかに減少する。そして、演算によって得られ
た係数ｆは乗算器M₄に与えられる。このようにして、ト
ーンホールが徐々に開く場合および徐々に閉じる場合に
おけるトーンホール先端部の圧力波の反射特性の変化に
対応した信号制御が行われる。そして、各乗算器におい
て係数a₁（ｘ）,a₂（ｘ）,a₃（ｘ）,f（ｘ）が変化する
ことにより、この楽音合成装置における共振波形が変化
し、トーンホールを徐々に開いた場合あるいは徐々に閉
じた場合に相当する楽音信号の変化が再現される。

以上、第３図に示すようにトーンホールが管部から盛
り上がっている場合を例に説明したが、前述の第６図の
ように管部にただ穴を空けただけ（すなわち、高さＨ＝
０）のトーンホールの場合について説明する。この場
合、ジャンクションは第７図の構成のものを用い、トー
ンホール制御回路23の係数演算器としては第５図に示す
ものを用いる。第５図において、M₂₁,M₂₂は乗算器、A₂₁
は加算器、D₂₁は除算器を示す。この係数演算回路にト
ーンホールの開き具合を示す制御変数ｘを入力すること
により、上記式（20），（21）の演算が実行され、係数
a₁（ｘ）,a₂（ｘ）が得られる。そして、上記係数a
₁（ｘ）,a₂（ｘ）がa₁,a₂として乗算器M₁,M₂に与えられ
る。このようにすることで、上述の第３図のトーンホー
ル構造の場合と同様、第６図のトーンホール構造におい
て、トーンホールを徐々に開いた場合および徐々に閉じ
た場合の楽音の変化が再現される。

以上、本発明を、管楽器をシミュレートした楽音を合
成する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるも
のではなく、例えば、残響装置で、音場に穴を設け、そ
の穴を開閉させたときに生じる残響効果の変化をシュミ
レートする場合にも利用することができる。さらに、弦
楽器の弦を何か（例えば、指など）で軽く触れたときの
弦の振動のシミュレーションにも応用することができ
る。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば、盛り上がり
のあるトーンホールをシミュレートした信号処理手段
と、信号処理手段の出力信号の符号を周波数に依存せず
に反転あるいは非反転させる制御手段を設けたことによ
り、盛り上がりのあるトーンホールに対応した楽音の特
性を、トーンホールの開閉に応じた特性の変化を含めて
正確に模倣することができるので、より正確に管楽器を
シミュレートすることができ、リアルな楽音を合成する
ことができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による楽音合成装置の構成
を示すブロック図、第２図は同実施例におけるジャンク
ションJA₁の構成を示すブロック図、第３図は同実施例
におけるトーンホールの構造を示す図、第４図は同実施
例におけるトーンホール制御回路23に内蔵される係数演
算回路の構成を示すブロック図、第５図は係数演算回路
の別の例を示す図、第６図は管楽器の概略構成を説明す
る図、第７図は従来の楽音合成装置の構成を示すブロッ
ク図である。 11……非線形素子、BD₁,BD₂,〜……双方向伝送回路、JA
₁……ジャンクション、23……トーンホール制御回路、2
1……楽音制御情報発生回路。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】各々が入力信号に対して所定の遅延時間を
   施して出力する第１乃至第３の信号処理手段と、 前記第１乃至第３の信号処理手段の出力信号を入力信号
   として、これらの入力信号の間で所定の演算処理を行っ
   て前記第１乃至第３の信号処理手段の各々に送出する結
   合手段と、 楽音制御情報を発生する楽音制御情報発生手段と、 この楽音制御情報発生手段から発生された楽音制御情報
   に応じて前記第１乃至第３の信号処理手段の少なくとも
   １つの出力信号の符号を周波数に依存せずに反転あるい
   は非反転させる制御手段とを備え、 前記第１乃至第３の信号処理手段の少なくとも１つに演
   奏に対応した励振信号を入力することにより楽音信号を
   発生するようにしたことを特徴とする楽音合成装置。
2. 【請求項２】前記制御手段は、前記楽音情報発生手段か
   ら発生された楽音制御情報が変化したとき、前記第１乃
   至第３の信号処理手段の少なくとも１つの出力信号の符
   号を周波数に依存せずに反転あるいは非反転させるとと
   もに該出力信号の大きさを時間経過に従って徐々に変化
   させることを特徴とする請求項１記載の楽音合成装置。
3. 【請求項３】各々が入力信号に対して所定時間の遅延を
   施して出力する第１および第２の信号処理手段と、 入力信号に対して周波数帯域制御を施して出力する第３
   の信号処理手段と、 前記第１乃至第３の信号処理手段の出力信号を入力信号
   として、これらの入力信号の間で所定の演算処理を行っ
   て前記第１乃至第３の信号処理手段の各々に送出する結
   合手段と、 楽音制御情報を発生する楽音制御情報発生手段と、 この楽音制御情報発生手段から発生された楽音制御情報
   に応じて前記第３の信号処理手段の出力信号の符号を周
   波数に依存せずに反転あるいは非反転させる制御手段と
   を備え、 前記第１乃至第３の信号処理手段の少なくとも１つに演
   奏に対応した励振信号を入力することにより楽音信号を
   発生するようにしたことを特徴とする楽音合成装置。
4. 【請求項４】前記制御手段は、前記楽音情報発生手段か
   ら発生された楽音制御情報が変化したとき、前記第３の
   信号処理手段の出力信号の符号を周波数に依存せずに反
   転あるいは非反転させるとともに該出力信号の大きさを
   時間経過に従って徐々に変化させることを特徴とする請
   求項３記載の楽音合成装置。