JP2812348B2 - 楽音波形信号形成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、電子楽器などに用い
られる楽音波形信号形成装置に関し、特に波形信号を循
環させて所望の楽音波形信号を形成する循環信号路を有
する楽音波形信号形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、自然楽器をシミュレートした
物理モデルを用いて楽音波形信号を形成する装置が知ら
れている。例えば、特開平３−５８０９５号公報には、
バイオリンやビオラなどの擦弦楽器をシミュレートした
楽音波形信号形成装置が開示されている。

【０００３】これは、波形信号を循環させる循環信号路
中に直列に第１および第２の信号遅延手段を設け、一
方、外部からの起動制御信号（擦弦楽器の弓速度に相当
する信号）は第１および第２の信号遅延手段の各間の循
環信号路上の各波形信号と合成し非線形変換して、再び
第１および第２の信号遅延手段の各間の循環信号路上に
出力するものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来技
術では、循環信号路中に注入される信号は非線形変換手
段により非線形変換されたものである。この非線形変換
は、弓を弦に擦りつけた場合に、弓速度が小さいときに
は弓と弦の間における摩擦力は主に静止摩擦係数により
支配されて弦速度は弓速度とほぼ同じになるが、弓速度
が大きくなると前記摩擦力は主に動摩擦係数により支配
されて弦速度は弓速度より遅くなる、という現象をシミ
ュレートするために行なう変換である。そのため、非線
形変換手段の入出力特性は、入力（弓速度）が一定の範
囲にあるときはほぼ比例する出力（弦速度）とし、入力
が限界値を越えるとその位置で低い値の出力に落ち込む
ような特性となっている。言換えれば、所定の限界値で
不連続となるような特性を有している。

【０００５】そして、このような特性を有する非線形変
換手段により非線形変換された波形信号が循環信号路中
に注入されるため、この循環信号路から得られる楽音波
形信号も高周波成分の多い鋸波状の非線形な波形とな
り、最終的に放音される楽音の音質が自然でなくなった
り、しばしば折り返しノイズ発生の原因となるという問
題点があった。

【０００６】この発明は、上述の従来例における問題点
に鑑み、波形信号を循環させて所望の楽音波形信号を形
成する循環信号路を有する楽音波形信号形成装置におい
て、非線形波形を循環信号路中に注入することにより引
き起こされていた音質の不自然さやノイズの発生を抑
え、自然でノイズの少ない楽音波形信号を形成できるよ
うにすることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、この発明に係る楽音波形信号形成装置は、波形信号
を循環させる循環信号路と、前記循環信号路中に設けら
れた１個以上の信号遅延手段と、外部からの駆動信号を
入力するとともに、前記循環信号路上における波形信号
を入力して、該駆動信号と該波形信号とを合成し合成信
号を出力する入力手段と、前記入力手段から出力される
前記合成信号に非線形変換を施す非線形変換手段と、前
記非線形変換手段から出力される非線形変換後出力信号
をフィルタリングして、前記循環信号路上に出力するフ
ィルタリング手段と、１つの制御信号を入力する制御信
号入力手段と、前記１つの制御信号に基づいて、前記非
線形変換手段における非線形変換の特性、および前記フ
ィルタリング手段におけるフィルタリングの特性を、連
動して制御する特性制御手段とを備えたことを特徴とす
る。

【０００８】前記フィルタリング手段としては、例えば
所定のカットオフ周波数を有し高い周波数成分を遮断
（あるいは減衰）するローパスフィルタを用いるとよ
い。また、フィルタはＦＩＲ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕ
ｌｓｅ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ：有限インパルス応答）ある
いはＩＩＲ（Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｉｍｐｕｌｓｅ Ｒｅ
ｓｐｏｎｓｅ：無限インパルス応答）など、どのような
形式のものでもよい。前記フィルタリング手段の特性
は、前記非線形変換手段における制御に連動して決定さ
れる。すなわち、外部から入力した１つの制御信号に基
づいて、非線形変換の入出力特性と前記フィルタリング
手段のフィルタ特性の両者が連動して制御される。

【０００９】非線形変換にヒステリシス特性を付与すれ
ば、より自然な音質を得ることができる。ヒステリシス
特性を付与するためには、前記非線形変換後出力信号を
前記フィルタリング手段によりフィルタリングした出力
を再び非線形変換手段の入力側にフィードバック（正帰
還）させるとよい。このようなヒステリシス特性を付与
するためのフィードバック構造を設けた場合は、このフ
ィードバック構造において異常発振が起きないように前
記フィルタリング手段の特性を決定する。また、非線形
変換にヒステリシス特性を付与するためには、非線形変
換後出力信号を前記フィルタリング手段とは異なる別の
フィルタリング手段を介してフィードバックさせてもよ
い。

【００１０】

【作用】前記非線形変換手段から出力される非線形変換
後出力信号はそのまま循環信号路上に出力されるのでは
なく、その非線形変換後出力信号をフィルタリングした
後、循環信号路上に出力される。したがって、例えば非
線形変換された波形信号から高い周波数成分を除去して
循環信号路上に出力すれば、自然でノイズの少ない楽音
波形信号が形成できる。

【００１１】前記フィルタリング手段の特性を前記非線
形変換手段における非線形変換の特性の制御に連動させ
て制御しているので、きめ細かな音色の制御が可能とな
る。また、非線形変換にヒステリシス特性を付与すれ
ば、より自然な音質を得ることができる。

【００１２】

【実施例】以下、図面を用いてこの発明の実施例を説明
する。

【００１３】図１は、この発明の一実施例に係る楽音波
形信号形成装置を適用した電子楽器のブロック構成を示
す。この実施例は、擦弦楽器をシミュレートした物理モ
デルにこの発明を適用したものである。

【００１４】この実施例の電子楽器は、演奏操作子１、
設定操作子２、パラメータ発生部３、遅延回路５，６、
乗算器７，８、フィルタ９，１０、加算器１１，１２、
加算器１３、励振部１４、および乗算器１５を備えてい
る。遅延回路５，６、乗算器７，８、フィルタ９，１
０、加算器１１，１２、加算器１３、励振部１４、およ
び乗算器１５により、楽音波形信号形成装置が形成され
ている。

【００１５】演奏操作子１は、音階に対応した複数の鍵
を有する鍵盤であり、演奏者の鍵盤の操作に応じて発音
指示信号、音高情報およびタッチ情報などの演奏情報を
出力する。なお、鍵盤でなく別の操作装置、例えば擦弦
楽器の弓と弦を擦りつける動作を模倣できるような操作
装置を用いてもよい。設定操作子２は、音色選択スイッ
チなどのスイッチを備え、選択されている音色を表す音
色情報を出力する。パラメータ発生部３は、演奏情報お
よび音色情報を入力し、これらの情報に応じて、発生す
べき楽音波形信号を規定する種々のパラメータを発生出
力する。

【００１６】閉ループ回路４は、擦弦楽器の弦に対応し
て楽音波形信号を循環させる循環信号路であり、図のよ
うに直列に接続された遅延回路５，６、乗算器７，８、
フィルタ９，１０および加算器１１，１２により構成さ
れている。

【００１７】遅延回路５，６は、それぞれに入力するパ
ラメータＤ１，Ｄ２に応じて遅延時間が可変制御される
ようになっている。ループ回路４は擦弦楽器の弦に相当
し、遅延回路５，６における遅延時間は弦の長さに相当
する。したがって、パラメータＤ１，Ｄ２によって遅延
回路５，６における各遅延時間を制御することにより、
発生する楽音の音高が制御される。パラメータ発生部３
は、演奏操作子１から入力した音高情報に応じてこれら
の遅延時間Ｄ１，Ｄ２を決定し、遅延回路５，６に向け
て出力する。

【００１８】フィルタ（ローパスフィルタ）９，１０
は、それぞれに入力するパラメータＦ１，Ｆ２に応じて
フィルタ特性が可変制御されるようになっている。フィ
ルタ９，１０のフィルタ特性を変更することにより、種
々の弦の振動特性をシミュレートし、これにより楽音の
音色を変更することができる。パラメータ発生部３は、
演奏操作子１から入力したタッチ情報および設定操作子
２から入力した音色情報に応じて、これらのフィルタ特
性パラメータＦ１，Ｆ２を決定しフィルタ９，１０に向
けて出力する。

【００１９】乗算器７，８は、ループ回路４を循環する
波形信号に「−１」を乗算することにより、同信号の位
相をπだけずらす。乗算器７，８は、弦の両固定端にお
ける終端条件を実現するものである。

【００２０】フィルタ９，１０の各出力側におけるルー
プ回路４上の波形信号は、それぞれ加算器１３に入力
し、加算される。加算結果は、入力信号ＩＮとして励振
部１４に入力する。これにより、弓と弦との接触部が弦
上を進行する振動波によって変位することをシミュレー
トしている。

【００２１】励振部１４は、弓を弦に擦り付けたときの
弦の変位状態をシミュレートする。励振部１４には、擦
弦楽器における弓の移動速度（弓速）に相当する弓速信
号Ｅ、弓移動時に弓から弦に付与される圧力を表す弓圧
信号ＴＢＬＣ、励振部１４内部にあるフィードバックル
ープ（図２を参照して後述する）のゲインを規定するフ
ィードバックゲインＦＧ、および弦上を現在進行してい
る振動波を表す加算器１３からの入力信号ＩＮが入力す
る。そして、弓速Ｅかつ弓圧ＴＢＬＣの状態で弓を弦に
擦り付けたときの弦の変位状態を表す出力信号ＯＵＴを
出力する。また、励振部１４は、入力信号ＩＮにより、
弦上を既に進行中の振動波が弦の変位状態にどのように
影響するかについてもシミュレートする。

【００２２】励振部１４に入力する弓速Ｅ、弓圧ＴＢＬ
ＣおよびフィードバックゲインＦＧは、パラメータ発生
部３が発生する。特に、弓速Ｅは演奏操作子１から入力
したタッチ情報などに応じて、弓圧ＴＢＬＣは演奏操作
子１から入力したタッチ情報や設定操作子２から入力し
た音色情報などに応じて、フィードバックゲインＦＧは
演奏操作子１から入力したタッチ情報や設定操作子２か
ら入力した音色情報などに応じて、それぞれ決定され出
力される。また、これらのパラメータは、演奏操作子１
から発音指示信号が出力されている間、出力される。

【００２３】励振部１４から出力される弦の変位状態を
表す出力信号ＯＵＴは、乗算器１５に入力し、定数１／
２と乗算される。乗算結果は、ループ回路４中に設けら
れている加算器１１，１２を介して、ループ回路４に出
力されるようになっている。

【００２４】ループ回路４からの楽音波形信号の出力
は、加算器１１の出力側から取るようになっている。こ
の楽音波形信号の出力は、不図示のサウンドシステムに
入力し、これにより実際に放音が実施される。なお、楽
音波形信号の出力は、ループ回路４のどの位置から取っ
てもよい。また、複数箇所から出力を取り出し、合成し
て用いてもよい。さらに、取り出した出力信号に対し、
所定のフォルマントを付与するなどの後処理を行ないサ
ウンドシステムに入力するようにしてもよい。

【００２５】図２は、励振部１４の詳細なブロック構成
を示す。励振部１４は、加算器２１、非線形（ＮＬ）変
換部２２、フィルタ（ローパスフィルタ）２３、乗算器
２４、およびフィルタパラメータ供給部２５を備えてい
る。

【００２６】加算器２１は、励振部１４に入力した弓速
Ｅおよび入力信号ＩＮと乗算器２４の出力とを加算す
る。加算器２１の出力は、入力信号ＮＬＩとしてＮＬ変
換部２２に入力する。ＮＬ変換部２２は、入力信号ＮＬ
Ｉを非線形変換して弓の移動による弦の変位状態をシミ
ュレートした非線形変換後出力ＮＬＯを出力する。な
お、ＮＬ変換部２２の入出力特性は、弓圧ＴＢＬＣに応
じて変更制御されるようになっている。ＮＬ変換部２２
の入出力特性については後に詳細に説明する。

【００２７】ＮＬ変換部２２からの非線形変換後出力Ｎ
ＬＯは、フィルタ２３に入力する。フィルタ２３は、所
定のカットオフ周波数を有するローパスフィルタであ
り、これにより非線形変換後出力ＮＬＯ中の高い周波数
成分は遮断（あるいは減衰）される。このフィルタ２３
を通った信号が、励振部１４の出力信号ＯＵＴとして出
力される。

【００２８】なお、フィルタ２３の入出力特性は、フィ
ルタパラメータ供給部２５から与えられるフィルタパラ
メータに応じて変更制御される。フィルタパラメータ供
給部２５は、弓圧ＴＢＬＣを入力し、この値に応じてフ
ィルタパラメータを生成出力する。したがって、弓圧Ｔ
ＢＬＣに応じてフィルタ２３の入出力特性が決定され、
これにより弓圧ＴＢＬＣに応じた音色の変化が実現でき
る。上述したように、ＮＬ変換部２２の入出力特性も弓
圧ＴＢＬＣに応じて変更制御されるので、結果として、
ＮＬ変換部２２の入出力特性の変更制御に連動してＮＬ
変換部２２の入出力特性が変更制御されることとなる。
なお、フィルタパラメータ供給部２５において、さらに
弓速Ｅに応じてフィルタパラメータを生成し出力するよ
うにしてもよい。また、さらに音高に応じてフィルタパ
ラメ−タを変えるようにしてもよい。

【００２９】フィルタ２３の出力は、出力信号ＯＵＴと
して出力されるとともに、乗算器２４を介して加算器２
１にフィードバックされている。このフィードバックに
より、非線形変換にヒステリシス特性が付与される。こ
のようなヒステリシス特性の付与により、弓速に応じて
摩擦係数が変化する擦弦楽器の弓と弦との関係がよりよ
くシミュレートされ、最終的に得られる楽音が擦弦楽器
の楽音に近いものとなる。乗算器２４は、フィルタ２３
の出力にフィードバックゲインＦＧを乗算するもので、
これによりヒステリシスの幅が変更制御される。

【００３０】図３は、上述のＮＬ変換部２２の入出力特
性の一例を示すグラフである。横軸は入力ＮＬＩ、縦軸
は出力ＮＬＯを示す。ＮＬ変換部２２の入出力特性は、
弓圧ＴＢＬＣに応じて変更される。ここでは、弓圧ＴＢ
ＬＣが小さいとき実線のようになだらかな入出力特性を
示し、弓圧ＴＢＬＣが徐々に大きくなるにつれて破線か
ら一点鎖線、二点鎖線のようなより急峻な入出力特性を
示すようになっている。

【００３１】このような特性のＮＬ変換により、弓を弦
に擦りつけた場合に、弓速度が小さいときには弓と弦の
間における摩擦力は主に静止摩擦係数により支配されて
弦速度は弓速度とほぼ同じ（ここでは向きが反対となる
ような特性とした）になるが、弓速度が大きくなると前
記摩擦力は主に動摩擦係数により支配されて弦速度は弓
速度より遅くなるという現象をシミュレートしている。

【００３２】図４は、フィルタ２３の入出力特性の一例
を示すグラフである。横軸はフィルタ２３への入力の
値、縦軸は出力の値を示す。フィルタ２３の入出力特性
は、弓圧ＴＢＬＣに応じて変更される。ここでは、弓圧
ＴＢＬＣが小さいとき実線のようななだらかな入出力特
性を示し、弓圧ＴＢＬＣが徐々に大きくなるにつれて破
線から一点鎖線、二点鎖線のようなより急峻な入出力特
性を示すようになっている。

【００３３】図３および図４から分かるように、また上
述したように、ＮＬ変換部２２の入出力特性およびフィ
ルタ２３の入出力特性は、連動して、ともに弓圧ＴＢＬ
Ｃに応じて変更制御される。これにより、弓圧が小さい
ときはＮＬ変換部２２の入出力特性は図３の実線のよう
に高い周波数成分が比較的少ないので、フィルタ２３の
入出力特性も比較的なだらかとし、逆に弓圧が大きいと
きはＮＬ変換部２２の入出力特性は図３の二点鎖線のよ
うに高い周波数成分が多いのでフィルタ２３の入出力特
性も急峻なものとして高い周波数成分を遮断するような
制御が可能となる。また意識的に、弓圧が小さいときフ
ィルタ２３の入出力特性を急峻なものとして高い周波数
成分を遮断し、弓圧が大きいときフィルタ２３の入出力
特性をなだらかなものとして高い周波数成分を出力する
ような制御を行うこともできる。すなわち、弓圧に応じ
た多様な音色の変更制御が実現できる。

【００３４】次に、上記のように構成された実施例の電
子楽器の動作を説明する。

【００３５】まず、演奏者の鍵盤の操作に応じて、演奏
操作子１から発音指示信号、音高情報およびタッチ情報
などの演奏情報が出力される。設定操作子２からは、音
色情報が出力される。パラメータ発生部３は、これらの
情報に応じて各種のパラメータを出力する。それらのパ
ラメータのうち励振部１４に入力した弓速Ｅは、加算器
２１を介してＮＬ変換部２２に入力し、非線形変換され
る。非線形変換後の出力信号ＮＬＯは、フィルタ２３に
よりフィルタリングされ、例えば高周波成分を遮断する
などの処理が行なわれる。フィルタ２３の出力は励振部
１４の出力ＯＵＴとして、乗算器１５および加算器１
１，１２を介してループ回路４上に出力される。

【００３６】ループ回路４上に出力された信号は、この
ループ回路４上を循環する。このとき遅延回路５，６の
遅延時間（パラメータＤ１，Ｄ２）により、ループ回路
４上を循環する波形信号の音高が決定される。ループ回
路４中にはフィルタ９，１０が設けられており、循環す
る波形信号に対し弦の特性に応じた周波数特性が付与さ
れる。また、循環する波形信号は、加算器１３を介して
励振部１４の加算器２１に入力し弓速Ｅと加算されてＮ
Ｌ変換部２２に入力するので、弓と弦との接触部が弦上
を進行する振動波によって変位することがシミュレート
される。さらに、励振部１４の出力は乗算器２４を介し
て加算器２１にフィードバックされ、これにより非線形
変換の入出力特性にヒステリシス特性を付与している。
ループ回路４を循環する楽音波形信号は加算器１１の出
力側から取出され、後段のサウンドシステムに入力す
る。

【００３７】図５は、ＮＬ変換部２２の回路例を示す。
この図のＮＬ変換部２２は、ｎ個の変換テーブル３１−
１，３１−２，…，３１−ｎ、ｎ個の乗算器３２−１，
３２−２，…，３２−ｎ、係数発生部３３、および加算
器３４を備えている。ｎ個の変換テーブル３１−１，３
１−２，…，３１−ｎは、入力した入力信号ＮＬＩに応
じたそれぞれの値を出力する。それらの出力は、各々乗
算器３２−１，３２−２，…，３２−ｎにおいて係数ｋ
１，ｋ２，…，ｋｎと乗算される。これらの係数ｋ１，
ｋ２，…，ｋｎは、係数発生部３３が弓圧ＴＢＬＣに基
づいて出力する。乗算器３２−１，３２−２，…，３２
−ｎの出力は加算器３４にて加算される。

【００３８】変換テーブル３１−１，３１−２，…，３
１−ｎのそれぞれの内容および係数発生部で発生する係
数ｋ１，ｋ２，…，ｋｎを適当に選択することにより、
図３のような入出力特性を実現することができる。

【００３９】図６は、ＮＬ変換部２２の別の回路例を示
す。この図のＮＬ変換部２２は、除算器４１、変換テー
ブル４２、乗算器４３、および係数発生部４４を備えて
いる。係数発生部４４は、弓圧ＴＢＬＣに基づいて、除
算器４１の除数および乗算器４３の乗数となる係数を出
力する。変換テーブル４２は、例えば図３に示した入出
力特性を実現する。入力信号ＮＬＩは、除算器４１で係
数発生部４４から出力される係数で除算され、変換テー
ブル４２で非線形変換され、乗算器４３で係数発生部４
４から出力される係数と乗算され、出力信号ＮＬＯとし
て出力される。したがって、このＮＬ変換部２２の入出
力特性は、変換テーブル４２の入出力特性と相似形とな
る。なお、点線４５のように弓圧ＴＢＬＣで直接変換テ
ーブル４２の特性を変更制御するようにしてもよい。

【００４０】上記実施例によれば、非線形変換した出力
信号ＮＬＯをフィルタ２３を介してループ回路４に注入
している。したがって、例えばフィルタ２３として所定
の高周波成分を遮断するローパスフィルタを用いれば、
非線形変換後の出力信号ＮＬＯから高周波成分が除かれ
るので、ループ回路４から取出した楽音波形信号は自然
でかつ折り返しノイズを含まない。また、フィルタ２３
の出力は加算器２１へとフィードバックしているので、
非線形変換にヒステリシス特性を付与することができ、
より自然な楽音波形信号が形成できる。

【００４１】なお、上記実施例では擦弦楽器をシミュレ
ートした物理モデルにこの発明を適用した例を説明した
が、擦弦楽器のモデルには限らない。また、上記実施例
では、励振部はループ回路の外にある例を説明したが、
励振部がループ回路の一部を構成するようにしてもよ
い。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、波形信号を循環させて所望の楽音波形信号を形成す
る循環信号路を有する楽音波形信号形成装置において、
非線形変換後の波形信号をフィルタリングした後、循環
信号路中に注入しているので、音質の不自然さやノイズ
の発生を抑え、自然でノイズの少ない楽音波形信号を形
成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例に係る楽音波形信号形成
装置を適用した電子楽器のブロック構成図

【図２】 励振部の詳細なブロック構成図

【図３】 非線形変換部の入出力特性の一例を示すグラ
フ

【図４】 フィルタの入出力特性の一例を示すグラフ

【図５】 非線形変換部の回路例（その１）

【図６】 非線形変換部の回路例（その２）

【符号の説明】

１…演奏操作子、２…設定操作子、３…パラメータ発生
部、５，６…遅延回路、７，８…乗算器、９，１０…フ
ィルタ、１１，１２…加算器、１３…加算器、１４…励
振部、１５…乗算器、２１…加算器、２２…非線形（Ｎ
Ｌ）変換部、２３…フィルタ、２４…乗算器、２５…フ
ィルタパラメータ供給部。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波形信号を循環させる循環信号路と、 前記循環信号路中に設けられた１個以上の信号遅延手段
   と、 外部からの駆動信号を入力するとともに、前記循環信号
   路上における波形信号を入力して、該駆動信号と該波形
   信号とを合成し合成信号を出力する入力手段と、 前記入力手段から出力される前記合成信号に非線形変換
   を施す非線形変換手段と、 前記非線形変換手段から出力される非線形変換後出力信
   号をフィルタリングして、前記循環信号路上に出力する
   フィルタリング手段と、１つの制 御信号を入力する制御信号入力手段と、 前記１つの制御信号に基づいて、前記非線形変換手段に
   おける非線形変換の特性、および前記フィルタリング手
   段におけるフィルタリングの特性を、連動して制御する
   特性制御手段とを備えたことを特徴とする楽音波形信号
   形成装置。