JP3082258B2 - 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、例えば、電気ピアノ
などの楽音を合成するのに用いて好適な楽音合成装置に
関する。

【０００１】

【従来の技術】周知のように、電気ピアノとは、弦ある
いは音叉などの機械的振動体を具備しており、この振動
体を押鍵に応じて打弦した時に生じる振動体の振動を電
気的にピックアップし、これに基づいて楽音が形成され
るものである。こうした電気ピアノの楽音を、従来のＦ
Ｍ（周波数変調）音源を用いて合成する場合には、キャ
リアが基音を発生し、モジュレータがこの基音に低調波
と高域の倍音とを短いエンベロープで注入するようにし
ていた。このため、基音に複数の低調波や倍音を注入さ
せるには、複数のオペレータを必要とする。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した楽
音合成により電気ピアノの発音をシミュレートする場
合、特に、タッチ時に顕著となる倍音の表われ方など電
気ピアノ固有の楽音を形成することができなかった。ま
た、周知の波形読み出し方式による音源でもこれと同様
のことが言える。すなわち、この電気ピアノが発生する
楽音の特徴は、基音に対して複数の低調波や倍音が存在
することにあり、これは振動を検出する電磁ピックアッ
プの非線形性に由来している。したがって、上述したＦ
Ｍ音源にこの楽音の性質を持たせるには、加算合成によ
ってこれら低調波や高調波の倍音を生成すれば良いが、
このようにすると、大きなハードウェア構成となってし
まい、現実的でない。一方、波形読み出し方式による音
源では、倍音を含む波形をメモリに記憶しなければなら
ない。この場合、倍音の採録が難しいばかりか、膨大な
記憶容量を必要とする。

【０００３】このように、従来の楽音合成では、振動を
検出する電磁ピックアップの非線形性に基づく楽音合成
を行うことができないため、リアリティのある楽音を容
易に合成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、基音に対して複数の
低調波や倍音を含んだリアリティのある楽音を容易に合
成することができる楽音合成装置を提供することを目的
としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、振動体の振
動状態をシミュレートした周波数信号を出力する周波数
信号発生手段であって、少なくとも遅延手段を閉ループ
接続し、該閉ループに励振信号を入力するとともに、該
閉ループを循環する信号を前記周波数信号として出力す
るものと、所定のオフセット信号を発生すると共に、該
オフセット信号と前記周波数信号とを加算して出力する
オフセット加算手段と、ピックアップの非線形特性をシ
ミュレートするものであって、前記オフセット加算手段
の出力に非線形特性を付与させる非線形手段とを具備
し、前記非線形手段の出力を楽音信号として出力するこ
とを特徴としている。

【０００５】

【作用】上記構成によれば、周波数信号発生手段は閉ル
ープへ励振信号を入力してこの閉ループを循環する信号
を振動体の振動状態をシミュレートした周波数信号とし
て出力し、オフセット加算手段がこの周波数信号にオフ
セット信号を加算する。そして、非線形手段は、このオ
フセット信号に対応した非線形特性をオフセット加算手
段の出力に付与してピックアップの非線形特性をシミュ
レートする。そこで、この非線形手段の出力を楽音信号
として出力するようにする。これにより、非線形特性に
基づく楽音合成を必要とする発音系の動作がシミュレー
トされる。

【０００６】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。図１は電気ピアノにおける発音系の構造
を示す図である。図において、１は磁石１ａにコイル１
ｂが巻かれた電磁ピックアップである。２はこの電磁ピ
ックアップの中心軸からオフセットｄを隔てて対向する
鉄棒の振動体である。この振動体２は、図示されていな
いハンマにより打撃された場合に、図中の矢印方向に振
動する。この振動は、図２に示すように、電磁ピックア
ップ１で検出される。すなわち、電磁ピックアップ１に
対向する振動体２が振動に応じて変位すると、この鉄棒
（振動体２）の動きが磁石１ａの磁界に変化をもたら
し、その微分量が電位となってコイル１ｂの出力端に励
起される。なお、図２に示すｍは磁石１ａの磁界を表わ
し、ｖは振動体２の変位を表わしている。

【０００７】このような発音系の動作をシミュレートす
るには、まず、振動体２を形成する音叉の固有振動周波
数を特定しなければならない。電気ピアノにおける振動
体２は、通常、非対称形音叉で形成され、かつ、この音
叉の他端は比較的大きな鉄片である。このため、この音
叉の片側となる振動体２（鉄棒）は、一端が固定された
片持ち支持構造と見做すことができる。一般に、片持ち
支持された棒は、1，6.267，17.55Ｈｚ・・・という固有振
動モードを有することが知られている。この固有モード
の内、実際の楽音合成に寄与し得るものとしては、２
つ、もしくは３つのモードで十分と言える。しかしなが
ら、実際の電気ピアノの楽音波形を観察すると、基音以
外に低調波（基音の２〜４分の１程度の周波数）が存在
している。これは、音叉全体の固有振動を含むものであ
ると推測される。そこで、音叉の主要モードとしては３
つ、あるいは４つのモードを持てばよいことがわかる。

【０００８】ａ．第１実施例 図３は、上述した発音系の動作をシミュレートする楽音
合成装置の構成を示すブロック図である。この図におい
てｆ₁〜ｆ₄は、各々上述した音叉の主要モードに相当す
る周波数信号である。３−１〜３−４は、それぞれ入力
信号ｆ₁〜ｆ₄の周波数に対応した正弦波を発生する正弦
波回路である。４−１〜４−４は、正弦波回路３の出力
と、外部から供給されるエンベロープ信号とを乗算する
乗算器である。この乗算器４−１〜４−４には、それぞ
れ正弦波回路３の出力に所定の減衰時間を与えるエンベ
ロープ波形が乗算される。すなわち、基音ｆ₁に対応す
る乗算器４−１には、比較的長い減衰時間を与えるエン
ベロープ波形が乗算される。一方、他のモードｆ₂〜ｆ₄
に対応する乗算器４−２〜４−４には、所定の減衰時間
（数１０ｍｓｅｃ〜数１００ｍｓｅｃ）を与えるエンベ
ロープ波形が付与される。５は乗算器４−１〜４−４の
出力と、前述したオフセットｄに相当する直流分とを加
算して出力する加算器である。ここで、オフセットｄ
は、後述する非線形特性の動作点を指定する。６は非線
形関数がデータテーブルとして記憶されたＲＯＭであ
る。この非線形関数は、電磁ピックアップ１の非線形特
性、すなわち、前述した磁石１ａの磁界特性を表わして
いる。７は微分回路であり、非線形関数６から出力され
る磁界変化を微分し、前述のコイル１ｂの出力電圧に相
当する信号を発生する。

【０００９】次に、上記構成による楽音合成装置のシミ
ュレート結果について図４〜図５を参照し、説明する。
まず、この装置に入力される振動体２の主要モードとし
て、ｆ₁を基音、ｆ₂を高次音（約６倍音）およびｆ₃を
低調波（基音の約３分の１）とする。そして、この基音
ｆ₁の減衰を遅く、その他モードｆ₂，ｆ₃は比較的早く
減衰するようにエンベロープ波形を付与した場合、図４
（イ）に示す振動変位が得られる。この図から明らかな
ように、振動発生当初では、これら３つのモードが重な
り、その後基音ｆ₁成分のみとなる。そして、この振動
変位は、オフセットｄに相当する直流分が加えられた
後、電磁ピックアップ１の非線形と微分とにより、同図
（ロ）に示すような、複数の倍音と低調波とを含んだ楽
音出力が合成される。

【００１０】図５は、このような楽音出力が発生する過
程を説明するための図である。なお、同図（イ）および
（ロ）は、各スペクトル成分の強度を示すグラフであ
る。まず、同図（イ）に示すグラフから分るように、各
モードが重ね合わされた時点、すなわち、加算器５の出
力信号においては、基音ｆ₁、高次音ｆ₂および低調波ｆ
₃がそれぞれ独立に存在している。これが、非線形関数
６を介することによって相互に変調がかかり、同図
（ロ）に示すごとく、それぞれの正弦波周波数の和、差
の各成分が発生し、これにより複数の倍音や低調波を含
む楽音が合成される。なお、この場合における電磁ピッ
クアップ１の非線形特性は、（１）式に示す関数ｆ
（ｘ）を用いた。すなわち、 ｆ（ｘ）＝ｃ／（ｘ²＋ｃ）・・・・・（１） 但し、ｃ＝０．１とし、変位波形の最大値を約１．０と
している。

【００１１】ｂ．第２実施例 前述した電磁ピックアップ１は、電気ピアノだけでな
く、広く電気楽器に用いられている。例えば、電気ギタ
ーや、ベースに使用されるピックアップもこれと類似の
構成である。図６は、電気ギターに配設されるピックア
ップの外観を示す斜視図である。この図に示す電磁ピッ
クアップ１は、各弦Ｓに対向するようにポールピース
（磁石）Ｐが一列に配設されている。弦Ｓは、ポールピ
ースＰに対向する位置において縦方向（ポールピースＰ
の軸方向）および横方向（ポールピースＰに対して直角
方向）の両方向に振動する。ここで、弦Ｓが横振動する
場合には、前述した電気ピアノと同様の現象となる。一
方、弦Ｓが縦振動すると、弦ＳはポールピースＰに対し
て近付くか、あるいは遠退くだけであるため、該ポール
ピースＰの磁界に及ぼす影響は、単調増加あるいは単調
減少になる。弦のように多振動モードを有する系では、
後述する遅延フィードバックアルゴリズムにより発音メ
カニズムを近似することができる。

【００１２】図７は、この発明による第２実施例の構成
を示すブロック図である。この図に示す構成は、遅延フ
ィードバックアルゴリズムに基づいて電気ギターの発音
をシミュレートするモデルを表わしている。図におい
て、１０は電磁ピックアップ１の検出信号とフィルタ１
２の出力信号とを加算する加算器である。１１は遅延回
路であり、加算器１０の出力に対して、弦の振動周期に
相当する遅延時間を与える。フィルタ１２は、弦振動の
減衰特性を与えるものであって、高次の高調波成分ほど
急激に減衰させる。この回路要素１０〜１２は、ループ
回路を形成し、該ループ回路を信号が循環することで、
弦Ｓの変位がシミュレートされる。このループ回路から
取り出され、弦Ｓの変位を表わす信号は、加算器１３に
おいてオフセットと加算される。そして、加算器１３の
出力には、電磁ピックアップ１の非線形特性が与えられ
た後、微分回路１５によって微分される。この結果、複
数の倍音や低調波を含んだリアリティーのある楽音が合
成される。

【００１３】図８は、図７に示した発音モデルの詳細な
構成を示すブロック図である。図において、２５および
３０は、それぞれ位相反転回路であって、弦Ｓの駒側固
定端とナット側固定端とにおける弦振動の反射をシミュ
レートしている。２１および２６は、弦振動の減衰特性
を与えるフィルタである。２３，２４，２７および２９
は、各々弦振動の伝搬遅延を与えるように、所定段数の
シフトレジスタで構成される遅延回路である。２２は、
ナット側固定端で反射された弦振動の変位に相当する信
号と、打弦の際に与える変位に相当する信号とを加算す
る加算器である。一方、２８は駒側固定端で反射された
弦振動の変位に相当する信号と、打弦の際に与える変位
に相当する信号とを加算する加算器である。なお、打弦
の際に与える変位に相当する信号とは、後述する励振回
路３１から供給される。

【００１４】これら回路要素２１〜３０は、ループ回路
を形成し、該ループ回路には、打弦によって発生した弦
振動の変位に相当する信号が循環する。加算器３２は、
フィルタ２１の出力信号と、遅延回路２７の出力信号と
を加算する。励振回路３１は、外部から供給される打弦
情報と、加算器３２の出力信号とに応じて上述した打弦
の際に与える変位に相当する信号を発生する。なお、こ
の打弦情報とは、楽音発生を指示するキーオン等を表わ
す情報である。３３はピックアップが配設される位置に
おける両固定端からの反射波の変位と、オフセットとを
加算する加算器である。非線形関数３４は、外部から供
給される非線形パラメータに従って、ピックアップの非
線形特性を変化させる。フィルタ３５は、非線形関数３
４を介した信号に所定のフィルタリングを施し、その音
色を修飾する。

【００１５】このような構成によれば、打弦情報に応じ
て弦に所定の変位が与えられ、この変位に従った振動が
ループ回路を循環する。そして、ピックアップ位置での
変位が抽出され、これがオフセットと共に、非線形関数
に入力される。これにより、ピックアップの非線形特性
が加味され、豊富な倍音と低調波とを含むリアリティの
ある楽音が合成されることになる。

【００１６】ｃ．その他の実施例 ＦＭ音源との組合せ 図９は、従来のＦＭ音源に非線形関数を組合せた場合の
構成例を示すブロック図である。図において、４０，４
１は、各々周波数ｆ₁、ｆ₂の正弦波で周波数変調された
信号を出力するオペレータである。すなわち、周波数ｆ
₂の正弦波で周波数変調された信号は、周波数ｆ₁の正弦
波でさらに周波数変調される。そして、この信号を加算
器４２においてオフセットと加算し、これを非線形関数
４３へ入力させることで、倍音を含む楽音が合成され
る。このように、構成オペレータ数が少ないＦＭ音源で
も、非線形関数４２を追加することで、豊かな倍音を持
つ楽音が発生させることができる。一般に、非線形関数
４２に入力される信号としては、単純な音ほど効果が大
きい。

【００１７】波形読み出し方式の音源との組合せ 図１０は、従来の波形読み出し方式の音源に非線形関数
を組合せた場合の構成例を示すブロック図である。図に
おいて、４４は波形メモリ、４５はエンベロープ波形と
タッチ情報とを乗算して出力する乗算器。４６は波形メ
モリから読み出した波形データと、乗算器４５の出力信
号とを乗算する乗算器である。加算器４７は、乗算器４
６の出力信号とオフセットとを加算して出力する。そし
て、この加算器４７の出力信号が非線形関数４８を介す
ることで、この場合も倍音を含む楽音を合成することが
できる。このような構成によれば、波形メモリ４４に単
純な波形データを記憶しておけば良く、タッチが強く振
幅が大きくなると非線形関数によって効果的な倍音や、
低調波が生み出される。また、簡易な構成の割には良好
なタッチ感を得ることができる。さらに、波形メモリ４
４には、クロスフェードによるタッチなどの余分な情報
を記憶しておく必要がないので、記憶容量を節約するこ
とができる。

【００１８】ｄ．変形例 図１１は、第１実施例（図３参照）の変形例の構成を示
すブロック図である。この変形例では、電気ピアノにお
ける振動体（音叉）を２次の巡回型ディジタルフィルタ
５０−１，５０−２，・・・（以下、ＩＩＲと称する）で
シミュレートするようにしている。このＩＩＲ５０−
１，５０−２，・・・は、各々主要モード周波数ｆ₁,ｆ
₂と、レゾナンス（減衰時間）ｒ₁,ｒ₂に応じたインパル
ス応答を行う。すなわち、音叉へ与える打撃に相当した
入力パルスが供給されると、例えば、ＩＩＲ５０−１で
は、レゾナンスｒ₁により減衰が遅いモード周波数ｆ₁の
基音が形成される。一方、ＩＩＲ５０−２では、レゾナ
ンスｒ₂により減衰が遅い、モード周波数ｆ₂の倍音が形
成されるようになっている。

【００１９】ところで、前述した第１実施例（第３図参
照）においては、一旦発音を開始し、再びキーオンがな
される場合、エンベロープ波形をリセットするフォーシ
ングダンプを行わなければならない。これに対し、この
変形例にあっては、打撃に相当する入力パルスを供給す
れば良いので、フォーシングダンプすることなく再キー
オン（上記パルス入力に相当）することが可能になる。

【００２０】なお、以上の各実施例において説明した非
線形関数は、広範囲なダイナミックレンジとなる。した
がって、ＲＯＭ等にこの非線形テーブルを記憶させる場
合、膨大な記憶容量が必要になる。そこで、補間演算な
どを施す構成を採れば、この非線形テーブルに記憶され
るデータ数を間引けるので、該デーブルサイズを小さく
することができる。また、このデータの語長を減らすた
めに、浮動小数点で表現したり、周知のＤＰＣＭ符号な
どを用いてデータ圧縮を行ってもよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、周波数信号発生手段は閉ループへ励振信号を入力し
てこの閉ループを循環する信号を振動体の振動状態をシ
ミュレートした周波数信号として出力し、オフセット加
算手段がこの周波数信号にオフセット信号を加算する。
そして、非線形手段は、このオフセット信号に対応した
非線形特性をオフセット加算手段の出力に付与してピッ
クアップの非線形特性をシミュレートする。そこで、こ
の非線形手段の出力を楽音信号として出力するようにす
る。これにより、非線形特性に基づく楽音合成を必要と
する発音系の動作がシミュレートされ、基音に対して複
数の低調波や倍音を含んだリアリティのある楽音を容易
に合成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】電気ピアノにおける発音系の構造を示す図。

【図２】電磁ピックアップ１の動作原理を説明するため
の図。

【図３】この発明による第１実施例の構成を示すブロッ
ク図。

【図４】同実施例の動作を説明するための図。

【図５】同実施例の動作を説明するための図。

【図６】電気ギターに配設されるピックアップの外観を
示す斜視図。

【図７】この発明による第２実施例の構成を示すブロッ
ク図。

【図８】図７に示した発音モデルの詳細な構成を示すブ
ロック図。

【図９】従来のＦＭ音源に非線形関数を組合せた場合の
構成例を示すブロック図。

【図１０】従来の波形読み出し方式の音源に非線形関数
を組合せた場合の構成例を示すブロック図。

【図１１】第１実施例の変形例の構成を示すブロック
図。

【符号の説明】

１ 電磁ピックアップ、２ 振動体、３−１〜３−４
正弦波回路、４ー１〜４−４ 乗算器、５ 加算器、６
非線形関数。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−178297（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−126821（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−281296（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−294695（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−181994（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−344697（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−6176（ＪＰ，Ａ) 特許2571068（ＪＰ，Ｂ２) 特許2508333（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G10H 1/00 - 7/12 ＩＮＳＰＥＣ（ＤＩＡＬＯＧ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動体の振動状態をシミュレートした周
   波数信号を出力する周波数信号発生手段であって、少な
   くとも遅延手段を閉ループ接続し、該閉ループに励振信
   号を入力するとともに、該閉ループを循環する信号を前
   記周波数信号として出力するものと、 所定のオフセット信号を発生すると共に、該オフセット
   信号と前記周波数信号とを加算して出力するオフセット
   加算手段と、ピックアップの非線形特性をシミュレートするものであ
   って、 前記オフセット加算手段の出力に非線形特性を付
   与させる非線形手段とを具備し、前記非線形手段の出力
   を楽音信号として出力することを特徴とする楽音合成装
   置。