JP3097167B2 - 楽音合成装置 - Google Patents

楽音合成装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、金管楽器のシミュレー
トに用いて好適な楽音合成装置に関する。
【０００２】
【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。特
に、クラリネット等の管楽器の最も基本的なモデルとし
ては、リードの弾性特性をシミュレートした非線形増幅
素子と、共鳴管をシミュレートした双方向伝送回路とを
接続した閉ループ構造のモデルが知られている。このモ
デルでは、非線形増幅素子から信号が出力されると、こ
の信号は後退波信号が加算された後、進行波信号として
双方向伝送回路に入力される。
【０００３】次に、この進行波信号は双方向伝送回路の
終端部で反射され、双方向伝送回路を逆方向に伝搬され
る。しかる後に反射波信号は進行波信号に加算され、非
線形増幅素子（励振回路）に帰還される。このように、
非線形増幅素子と双方向伝送回路とからなる閉ループ回
路によって、管楽器における空気圧力波の伝播がシミュ
レートされる。
【０００４】また、実際の管楽器には、音高操作用の
孔、いわゆるトーンホールが設けられているものもある
が、このトーンホールをも含めて管楽器をシミュレート
したモデルも知られている。このモデルでは、トーンホ
ールに対応し、各双方向伝送回路間に信号散乱ジャンク
ション(以下、ジャンクションと略す)と呼ばれる信号処
理回路が介挿される。そして、各ジャンクションによ
り、隣接する双方向伝送回路からの各入力信号に対し係
数乗算等の演算処理が行われ、演算結果が隣接する双方
向伝送回路に供給される。この演算処理における乗算係
数等は当該トーンホールの開閉状態に対応して切り換え
られる。
【０００５】この場合、非線形増幅素子に帰還される信
号は、各ジャンクションにおいて折り返された成分の総
和となる。しかも、上述したように、各ジャンクション
における演算用の乗算係数は当該トーンホールの開閉状
態に対応して切り換えるので、結局、非線形増幅素子か
ら双方向伝送回路側を見た場合の伝送量周波数特性はト
ーンホールの開閉状態に対応して切り換えられる。この
伝送量周波数特性は、非線形増幅素子の出力信号が開放
状態のトーンホールに対応したジャンクションにおいて
折り返されて非線形増幅素子に帰還されるまでの遅延時
間に対応した周波数(１次)、およびそのほぼ整数倍の各
周波数(高次)に共振周波数を有する多峰性の特性とな
る。なお、この種の技術は、例えば特開昭６３−４０１
９９号公報に開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述の技術
においては、主に木管楽器のシミュレーションを行うこ
とを主眼としていたため、金管楽器（リップリード楽
器）のシミュレーションを行うことが困難であった。す
なわち、金管楽器は、楽音の種々のパラメータが演奏者
の唇の状態に大きく支配されるとともに、楽音の立上が
り時に独特の不安定さがあり、さらに、楽音に高調波成
分が多く含まれる等の特徴を有するため、このような特
徴を楽音に反映させなければ不自然な楽音になりがちで
あった。本発明は上述した事情に鑑みてなされたもので
あり、金管楽器の楽音を忠実にシミュレートすることが
できる楽音合成装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題解決するため、
請求項１に記載の発明にあっては、演奏者の息圧に関す
る息圧情報を発生する息圧情報発生手段と、前記演奏者
の唇の押圧力に関する押圧力情報を発生する押圧力情報
発生手段と、前記押圧力が大となると楽音信号の周波数
を高くする周波数制御手段と、前記楽音信号の周波数に
乱数成分を付加する乱数成分付加手段と、前記息圧が大
となると前記乱数成分のレベルを大とする乱数レベル制
御手段とを具備することを特徴としている。また、請求
項２に記載の発明にあっては、演奏者の息圧に関する息
圧情報を発生する息圧情報発生手段と、前記演奏者の唇
の押圧力に関する押圧力情報を発生する押圧力情報発生
手段と、前記息圧および押圧力によって共振特性が変化
する第１の共振手段と、前記共振手段から出力された信
号波を遅延させて前記第１の共振手段に帰還させる遅延
手段とを具備することを特徴としている。また、請求項
３に記載の発明にあっては、さらに楽音周波数近傍の共
振周波数を有する第２の共振手段と、低周波の共振周波
数を有する第３の共振手段とを具備することを特徴とし
ている。
【０００８】
【作用】請求項１に記載の構成にあっては、息圧情報発
生手段によって発生された息圧情報に基づき演奏者の息
圧が大となると乱数レベル制御手段によって息圧信号に
付加される乱数成分が大となる。従って、実際の金管楽
器において息圧を大とした場合に発生する楽音のピッチ
の揺らぎがシミュレートされる。また、請求項２に記載
の発明にあっては、息圧情報発生手段および押圧力情報
発生手段によって発生された息圧情報および押圧力情報
に基づき第１の共振手段の共振特性が変化する。従っ
て、該息圧および押圧力に応じて楽音信号に変化が付与
される。また、請求項３に記載の発明にあっては、さら
に楽音周波数近傍の共振周波数を有する第２の共振手段
と、低周波の共振周波数を有する第３の共振手段とを具
備するから、第２の共振手段と遅延手段とによって楽音
周波数が決定されるとともに、第３の共振手段によって
楽音の発生当初における不安定な振動状態がシミュレー
トされる。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照してこの発明の一実施例に
ついて説明する。Ａ．実施例の前提理論 Ａ．１ 金管楽器の物理モデル 本実施例の電子金管楽器は、金管楽器の発音機構をシミ
ュレートするものである。そこで、実際の金管楽器の物
理モデルを図２（イ）、（ロ）を参照し説明する。な
お、図２（イ）、（ロ）に示す物理モデルは、マッキン
タイヤー氏らによる木管楽器のモデル（M.E. Mcintyre,
R.T. Schumacher, J.Woodhouse “On theoscillations
of musical instruments", J.Acoust.Soc.Am.74(5),No
vember 1983 0001-4966/83/111325-21$00.88，1983 Aco
ustic Society of America）に、金管楽器（リップリー
ド楽器）における唇の動作を適用したものである。
【００１０】図２（イ）において２０は金管楽器の共鳴
管、２１は共鳴管２１に挿入されたマウスピースであ
る。３は演奏者の唇であり、マウスピース２１に押し当
てられている。演奏者がマウスピース２１に息を吹き込
むと、唇３の直下部分の圧力が変化し、唇３の非線形特
性により流量ｆが発生する。この流量ｆによる圧力変化
は、この瞬間における圧力後退波Ｒ1が加算され圧力進
行波Ｆ1となって共鳴管２０の終端部２０ｅに向かって
伝搬される。
【００１１】次に、圧力進行波Ｆ1は共鳴管２０の各部
で反射されつつ伝搬され、時間の経過とともに進行波Ｆ
2、Ｆ3に変化する。次に、圧力進行波Ｆ3は終端部２０
ｅで反射され反射波Ｒ2として唇３に向って伝搬する。
この反射波Ｒ2も共鳴管２０の各部で反射されつつ伝搬
され、時間の経過とともに反射波Ｒ3、Ｒ4に変化し、唇
３の直下に帰還される。この反射波Ｒ4と、この瞬間に
おける進行波Ｆ4との加算結果が、唇３の直下部分にお
ける圧力ｑとなる。また、口腔内部の空気圧（吹奏圧）
ｐとマウスピース１内部の空気圧（反射波Ｒに基づく圧
力）ｑとの差（以下、圧力差ｐhという）が大きい程、
大きな流入速度が得られる。また、図２（ロ）に同図
（イ）におけるＡ−Ａ'断面図を示す。図において網目
を付した部分の面積がスリット（開口面積）Ｓである。
【００１２】ここで、グレアム（Graham）の法則によれ
ば、ｐ≧ｑの場合において、単位面積を単位時間に流れ
る流量（空気速度ｖ）は、次式(A1)で表わされる。ｖ＝
√｛２（ｐ−ｑ）／ρ｝≡Ｌ（ｐh）……(A1)ただし、
ρは空気密度である。また、体積流量ｆは空気速度ｖに
スリットＳを乗じたものに等しい。ここで、式(A1)の関
係をグラフにしたものを図１４に示す。
【００１３】Ａ．２ 唇３の物理モデル 図２（イ）において、反射波Ｒ4が唇３に達すると、こ
れが唇３の振動にフィードバックされ、唇３の定常的発
振に寄与する。そのメカニズムについては、以下説明す
る二つのモデルが代表的である。外側モデル マーチン氏の論文(Daniel W Martin: Lip Vibrations i
n a Cornet Mouthpiece, J.Acoust Soc.Am.,Vol 13,194
2）およびフレッチャー氏の論文（N.H.Fletcher: Exci
tation Mechanisms in Woodwind and Brass Instrument
s, Acustica,Vol 43,1979）等によれば、唇３の振動
は、吹奏圧力によって唇３がマウスピース２１の内部で
押し開かれることによって振動が起こると説明されてい
る。これらの説によるならば、唇３の物理モデルは図３
に示すようになる。このモデルにおいては、共鳴管２０
の長手方向に移動可能にピストン２３が設けられ、この
ピストン２３がスプリング２４を介して共鳴管２０に取
付けられている。そして、このピストン２３が唇３に相
当し、図示の位置より左右に移動すると、元の位置の戻
る方向にスプリング２４によって付勢される。また、ピ
ストン２３と共鳴管２０との間隙２５が最も小となる位
置の断面積がスリットＳ（図２（ロ）参照）に相当す
る。
【００１４】このモデルによれば、口腔２８から印加さ
れる吹奏圧ｐとマウスピース内部の空気圧ｑとの差（ｐ
−ｑ）が大となれば大となるほど間隙２５が広がる。ま
た、空気圧ｑがある程度以上大きい場合には間隙２５が
完全になくなる一方、吹奏圧ｐがある程度以上大きい場
合にはピストン２３の移動が間隙２５の大きさの変化に
ほとんど影響を与えないことも判る。このように、スリ
ットＳは圧力差（ｐ−ｑ）の関数Ｓ（ｐ−ｑ）として表
すことができ、この関数をスリット関数という。そし
て、外側モデルにおけるスリット関数Ｓは、図５（イ）
に示すような特性を有する。
【００１５】上側モデル 一方、吉川氏の論文（吉川茂 管楽器の発音問題におけ
る問題点，音楽音響研究会資料 1986年３月）によれ
ば、吹奏圧によって生ずる吹奏流圧によって上下唇間に
ベルヌイ圧が生じ、その結果上下唇は閉じる方向に作用
することが発振原理になると説明されている。この説に
よるならば、唇３の物理モデルは図４に示すように構成
される。図においてピストン２６はスプリング２７を介
して吊り下げられており、共鳴管２０内のベルヌイ圧に
よって上下方向に移動する。ここで、ベルヌイ圧とは、
流速によって生ずる圧力であって流速に対して垂直な方
向に発生し、その値は流速が大となるほど大となる。
【００１６】なお、図４に示す物理モデルの構築にあっ
ては、以下のような仮定を設けている。(a)ベルヌイ圧
を受ける唇の面積は唇開度にはあまり影響されないこと
とする。(b)唇は上下にある場合も上側だけにある場合も
大差がないこととする（上下の唇がほぼ対称的に動くも
のと仮定する）。上述した仮定(a)、(b)は、上記吉川氏
の論文によるものであるが、実験等により妥当性が証明
されている。次に、ベルヌイ圧ＰBを数式で示すと下式
(A2)のようになる。ＰB＝−（ρ／２）｜２（ｐ−ｑ）
／ρ｜ ……(A2) 式(A2)によれば、圧力差（ｐ−ｑ）とベルヌイ圧ＰBと
の関係は図５（ロ）に示すようになる。そして、ベルヌ
イ圧ＰBとスリットＳとの関係は、図５（イ）と同様に
なるから、圧力差（ｐ−ｑ）とスリット関数Ｓとの関係
は図５（ハ）に示すようになる。図５（ハ）によれば、
圧力差（ｐ−ｑ）が大となるほど空気の流速が大とな
り、スリット関数Ｓが小となることが判る。すなわち、
上側モデルによるならば、外側モデルとは全く逆の結論
が導き出される。
【００１７】実際の金管楽器にあっては、上側モデルに
よる作用と外側モデルによる作用とによって発振が行わ
れ、その比率は前者が大であると考えられる。その詳細
を図１２を参照してさらに詳細に説明する。図１２にお
いて、上下唇は外側モデルに基づいて振動する外側リー
ド部３ａと上側モデルに基づいて振動する上側リード部
３ｂとから成っている。ここで、外側リード部３ａは比
較的大きな質量を有するため、大きな時定数を有する。
また、上側リード部３ｂは外側リード部３ａの上に小さ
く付いており、外側リード部３ａが押し開かれるように
上下に駆動されると、上側リード部３ｂもこれに伴って
動く。ここで、外側リード部３ａは大きな時定数を有す
ることにより上側リード３ｂに比較してきわめてゆっく
りと動くものと考えられる。すなわち、振動周波数が３
０ヘルツ前後であると考えられ、楽音のピッチ自体に直
接影響を与えるものではない。従って、上側リード部３
ｂがピッチ周波数の振動を行い、この振動状態における
唇３の初期スリットＳが外側リード部３ａによって与え
られるものと考えられる。これにより、演奏状態におけ
る唇３の実際のスリットＳは、外側リード部３ａの変位
と上側リード部３ｂの変位との和によって与えられるも
のと考えられる。
【００１８】Ａ．３ 物理モデル音源の全体構成 上述したような物理モデルに基づいて管楽器の楽音を発
生する物理モデル音源としては、図６に示す構成が一般
的である。図において１００は非線形部であり、第２図
における唇３等をシミュレートし、唇３を介して発生す
る圧力進行波を示す信号を、ジャンクション１０１を介
して線形部１０２に供給する。線形部１０２は共鳴管２
０をシミュレートするものであり、第２図において説明
した圧力進行波および圧力反射波を示す信号が伝搬され
る。また、ジャンクション１０１は、唇３における圧力
進行波と圧力反射波の相互干渉をシミュレートするもの
である。そして、線形部１０２を伝搬する圧力進行波あ
るいは圧力反射波が楽音信号として出力される。以下、
金管楽器および唇の物理モデルに基づいた非線形部１０
０および線形部１０１の基本構成を順次説明する。
【００１９】Ａ．４ 非線形部の基本構成 外側モデルに基づく非線形部 まず、外側モデルに基づく非線形部１００の基本構成を
図７を参照して説明する。図において１０３は加算器で
あり、吹奏圧を示す圧力信号ｐとマウスピース内部の圧
力を示す圧力信号ｑとが供給されると、両者の差（ｑ−
ｐ）を演算し演算結果を圧力差信号ｐhとして出力す
る。次に、１０４はＡＶＲ（自動電圧調整器）、１０５
はＤＣＦ（直流フィルタ）であり、それぞれ回路の寄生
発振を防止するために設けられたものである。すなわ
ち、ＡＶＲ１０４は圧力差信号ｐｈの振幅の過剰な変動
を抑制する一方、ＤＣＦ１０５は圧力差信号ｐhの高周
波成分を除去する。圧力差信号ｐｈはこれらＡＶＲ１０
４およびＤＣＦ１０５を順次介してＤＣＦ１０６および
グレアム関数テーブル１０８に供給される。
【００２０】グレアム関数テーブル１０８は、圧力差信
号ｐhに対して式(A1)の演算（グレアム関数）を施し、
その結果を速度信号ｖとして乗算器１０９に供給する。
一方、ＤＣＦ１０６においては圧力差信号ｐhの直流成
分が抽出され、この直流成分がスリット関数テーブル１
０７に供給される。スリット関数テーブル１０７は、図
５（イ）に示す特性に従って、圧力差信号ｐhに対応す
るスリットＳを出力する。次に、速度信号ｖおよびスリ
ットＳは乗算器１０９において乗算され、乗算結果が流
量信号ｆとして乗算器１１０に供給される。
【００２１】乗算器１１０においては、流量信号ｆと定
数ｚとが乗算される。ここで、定数ｚは、第２図（イ）
の物理モデルにおいてマウスピース２１および共鳴管２
０の空気流に対する抵抗、すなわち空気流量と空気圧と
の比例定数である。したがって、乗算器１１０からは、
空気圧を示す信号が出力される。そして、この信号は、
ジャンクション１０１内部の加算器１０１ａにおいて反
射波信号ｑiと加算される。なお、反射波信号ｑiは図２
（イ）のモデルにおいて唇３に到達する圧力反射波
Ｒ1、Ｒ4を示す信号である。この結果、第２図（イ）の
モデルにおける圧力進行波Ｆ1、Ｆ4に対応する進行波信
号ｑoがジャンクション１０１から出力される。
【００２２】進行波信号ｑoは管体線形部１０２に供給
され、その結果、所定時間経過後に管体線形部１０２か
ら圧力反射波を示す反射波信号ｑiが出力される。反射
波信号ｑiは加算器１０１ａに供給されるとともに乗算
器１０１ｃを介して二倍され、加算器１０１ｂに供給さ
れる。加算器１０１ｂにおいては、二倍された反射波信
号ｑiと乗算器１１０から出力された空気圧を示す信号
とが加算され、加算結果がマウスピース内部の圧力を示
す圧力信号ｑとして出力される。そして、この時点にお
ける圧力信号ｐから圧力信号ｑが減算され、減算結果が
新たな圧力差信号ｐhとして出力される。このように、
圧力差信号ｐhがＡＶＲ１０４を介して連続的に出力さ
れ、管楽器における圧力波の伝搬がシミュレートされ
る。
【００２３】上側モデルに基づく非線形部 次に、非線形部１００を上側モデルで構成した場合のブ
ロック図を図８に示す。図８の構成は大略図７と同様で
あるが、図７におけるＤＣＦ１０６およびスリット関数
テーブル１０７の代りに、全波整流回路１１１および共
振回路１１２が設けられている。ここで、全波整流回路
１１１は、ＤＣＦ１０５を介して供給された圧力差信号
ｐhの絶対値を演算し、演算結果の符号を「−」（マイ
ナス）に変換して出力する。これにより、式(A2)におけ
る絶対値符号の内部の演算が実現される。また、共振回
路１１２は唇３における周波数特性をシミュレートする
ための回路であり、詳細は後述する。
【００２４】混合モデルに基づく非線形部 (i)混合モデルの全体構成 次に、上記外側モデルと上側モデルとを混合して非線形
部１００を構成した場合のブロック図を図９に示す。図
９においては、上側モデルを実現するために全波整流回
路１１１、共振回路１１２およびスリット関数テーブル
１０７が設けられており、外側モデルを実現するため
に、共振回路１１４およびスリット関数テーブル１１５
が設けられている。
【００２５】スリット関数テーブル１０７から出力され
たスリットＳは、乗算器１１３を介して定数ｒが乗算さ
れ、乗算結果が加算器１１７に供給される。また、スリ
ット関数テーブル１１５から出力されたスリットＳは、
乗算器１１６を介して定数（１ーｒ）が乗算され、乗算
結果が加算器１１７に供給される。そして、加算器１１
７においては、両乗算器から供給された信号が加算さ
れ、加算結果が乗算器１０９に供給される。
【００２６】これにより、上側モデルによって求められ
るスリットと外側モデルによって求められるスリットと
が定数ｒによって重み付けされることが判る。なお、上
記以外の構成は、図７および図８に示す構成と同様であ
る。なお、図９に示すブロック図は、例えば図１０に示
すように簡略化することも可能である。
【００２７】(ii)混合モデルにおける各共振回路の構成 次に、上述した共振回路１１２，１１４の特性について
説明する。まず、共振回路１１２は上側モデルに基づく
唇３の共振状態をシミュレートするための回路であり、
バンドパスフィルタ的な共振特性を有している。すなわ
ち、共振回路１１２は、その共振周波数Ｆｕ付近にピッ
チ周波数Ｆｐが設定され、その振幅上昇比Ｑｕはきわめ
て大である。従って、通過帯域以外の信号はほとんど除
去されるものと考えることができる。ここで、共振回路
１１２を実際の電子楽器に使用する場合を考えると、音
作りのために振幅上昇比Ｑｕを適宜変更する場合がある
と考えられる。従って、共振回路１１２は、振幅上昇比
Ｑｕを変更した場合においてもピッチ周波数Ｆｐ付近の
ゲインの変化が小となるように構成すると好適である。
また、この回路に付与するパラメータとしては、上述し
た共振周波数Ｆｐおよび振幅上昇比Ｑｕで充分である。
【００２８】一方、共振回路１１４は外側リード部３ａ
（図１２参照）をシミュレートするための回路である
が、上述したように、外側リード部３ａは上側リード部
３ｂに比較してきわめてゆっくりと動作するため、共振
回路１１４の時定数は共振回路１１２に比較してきわめ
て低い値に設定する必要がある。なお、本発明者の解析
によれば、時定数を３０ｍｓｅｃ程度（この場合、共振
周波数は３０Ｈz程度になる）に設定すると好適であ
る。ここで、共振回路１１２，１１４は、例えば図１１
に示すような２次のＤＣフィルタによって構成すること
が可能である。図１１において２１１〜２１５は加算器
であり、２１６〜２１８は乗算器である。乗算器２１６
には乗算係数として「１／Ｑ」（但しＱは振幅上昇比で
ある）が供給され、乗算器２１７，２１８には乗算係数
として共振周波数Ｆが供給される。また、２１９，２２
０は遅延回路であり、それぞれ加算器２１３，２１４と
の組合せによって積分回路を構成している。
【００２９】ここで、図１１に示すフィルタ回路は信号
入力端を適宜変更することにより共振回路１１２，１１
４の何れにも使用可能に構成されている。すなわち、図
示の共振回路は、入力端２２１から信号が入力されると
共振回路１１４として動作する一方、入力端２２２から
信号が入力されると共振回路１１２として動作する。以
下、共振回路１１２の伝達関数をＨｕ（ω）、共振回路
１１４の伝達関数をＨｏ（ω）と表記する。
【００３０】(iii)混合モデルの動作 次に、図９による混合モデルの動作を図１３を参照して
説明する。まず、図１３（イ）に示すように、息圧信号
ｐが大となると、共振回路１１４の出力信号は徐々に大
となり、多少のリンギングを伴いながら一定値に収束す
る。これは、図１２において、口腔内の圧力が大となる
と、外側リード部３ａが徐々に押し広げられることによ
りスリットＳが徐々に大となることに相当する。一方、
共振回路１１２は高い共振周波数を有することにより、
管体線形部１０２との相互作用によって発振現象を呈す
る。従って、その出力信号波形は、同図（ハ）に示すよ
うに、ほぼ一定振幅の正弦波状になる。両共振回路の出
力信号は乗算器１１３，１１６を介して重み付けされた
後、加算器１１７を介して出力される。この加算器１１
７の出力信号は唇３のスリットＳに相当する信号であ
り、図１３（ニ）に示すような信号波形を有する。
【００３１】このように、図９に示す混合モデルによれ
ば、共振回路１１２および１１４を組合せたことによ
り、息圧信号ｐが付与された当初において加算器１１７
の出力信号波形が乱れる。ここで、実際の金管楽器にお
いても、息を吹込む際（アタック時）に不安定な挙動を
示すことが知られている。従って、図９の混合モデルに
よれば、この金管楽器特有のアタック時の不安定さがシ
ミュレートされることが判る。
【００３２】ローカルフィードバック排除型モデル
(i)ローカルフィードバック系に係る問題 上記〜において説明した各モデルは、流量信号ｆが
空気流に対する抵抗ｚと乗算され、乗算結果が直ちに加
算器１０１ｂを介して加算器１０３にフィードバックさ
れる。従って、このフィードバックループ（ローカルフ
ィードバックループ）においてリミットサイクル（高い
周波数での異常発振）が発生するという危険が有り、こ
れを防ぐために回路中にＤＣＦ１０５、ＡＶＲ１０４等
を挿入する必要が有った。しかし、ＤＣＦ１０５やＡＶ
Ｒ１０４によってもリミットサイクルを充分に抑制する
ことは困難な場合があり、むしろ音色の幅を狭くすると
いう問題を生ずることもある。従って、非線形部からロ
ーカルフィードバックループを除去することができれ
ば、リミットサイクルを抑制しつつＤＣＦ１０５やＡＶ
Ｒ１０４を取除くことができる。
【００３３】(ii)ローカルフィードバックループを除去
するための方策 まず、ローカルフィードバックループを除去するために
は、ローカルフィードバックループを有する系の伝達関
数を解析し、解析された伝達関数と等価であるとともに
しローカルフィードバックの無い系を採用すればよい。
その原理を説明するため、図１５にローカルフィードバ
ックループを有する系（図８〜図１０）を簡略化したモ
デルを示す。このモデルにおいては、簡単のため、乗算
器１０９に供給されるスリット信号Ｓは一定であること
としている。ここで、スリット信号Ｓを一定とした場合
において、乗算器１１０の出力信号ｘに対する乗算器１
０１ｃの出力信号ｙの応答関係を解析的に解くことによ
り、図１６に示すように、図１５と等価であってローカ
ルフィードバックループの無い系が構成される。また、
図１７に、図１５のグレアム関数テーブル１０８の特性
（曲線Ａ）と、図１６のグレアム関数テーブル１０８ａ
（曲線Ｂ）のグラフを示す。
【００３４】ここで、図１５、１６は等価であるが、そ
の等価性はある一定のスリット信号Ｓについてのみ成立
するものである。従って、スリット信号Ｓが種々の値を
取った場合における信号ｘ，ｙの応答特性を求め、これ
に基づいてテーブル１０８ａにおけるグレアム関数を適
宜修正する必要がある。まず、ローカルフィードバック
ループが存在する場合において、スリット信号Ｓが変化
した場合のグレアム関数の変化を図１８に示す。図１８
によれば、スリット関数が大となるに従って、グレアム
関数は一定のゲイン特性に収束するような飽和特性を有
することが判る。
【００３５】次に、ローカルフィードバックが無い場合
において、スリット信号Ｓが変化した場合のグレアム関
数の変化を図１９に示す。図１９によれば、スリット信
号Ｓに対してグレアム関数が単調な比例特性を有してい
ることが判る。ここで、金管楽器、特にトランペット等
の楽音は高次倍音を多く含む鋭い音に特徴が有り、これ
をシミュレートするためには図１９に示すグレアム関数
の変化を実現することが不可欠である。しかしながら、
上述した方策によって単にローカルフィードバックルー
プを除去すると、オープンループ系（管体線形部１０２
までも含めたループ系）に対して大きな利得を与える必
要が生じ、これによってオープンループ系において異常
発振を生ずる場合がある。本発明者の解析によれば、こ
の異常発振は、圧力差信号ｐhが「０」近傍付近にある
場合にグレアム関数の勾配がきわめて大となること（図
１９参照）に起因するものであることが判明した。従っ
て、ローカルフィードバックループを除去する場合に
は、何らかの方策によって圧力差信号ｐhが「０」近傍
にある場合のグレアム関数の勾配を抑制とすると一層好
適である。
【００３６】(ii)グレアム関数の勾配を抑制するための
方策 グレアム関数の勾配を抑制するための一つの方策として
は、図２０に示すような回路構成を採用することが考え
られる。図２０において１２４は関数テーブルであり、
テーブル１０８ａ（図１６参照）に設定されたグレアム
関数を圧力差信号ｐhで除算して成る関数が設定されて
いる。また、１２６は乗算器であり、関数テーブル１２
４の出力信号とスリット関数Ｓとを乗算して出力する。
１２５はリミット回路であり、乗算器１２６の出力信号
が所定値以上になると、この信号を該所定値に抑制して
出力する回路であり、図２１（イ）に示すような入出力
特性を有している。次に、１２８は乗算器であり、リミ
ット回路１２５の出力信号と、乗算器１２７を介して供
給された圧力差信号ｐhとを乗算して出力する。
【００３７】上記構成において、リミット回路１２５が
リミット動作を行わない場合には、図２０に示す回路は
図１６に示す回路と等価である。これは、図２０におけ
る関数テーブル１２４の出力信号は図１６におけるグレ
アム関数テーブル１０８ａの出力信号を圧力差信号ｐh
で除算した値に等しいが、この信号は乗算器１２８を介
して圧力差信号ｐhと乗算されるからである。一方、リ
ミット回路１２５がリミット動作を行った場合には、グ
レアム関数が図２２に示す直線Ａによって抑制された場
合に等しい入出力関係を有する。これにより、グレアム
関数の勾配を抑制しつつ、図１９に示された変化に近似
したグレアム関数の変化を実現することができる。ここ
で、図２１（イ）のリミット関数を用いた場合のグレア
ム関数の変化を図２２に示す。なお、リミット回路１２
５の入出力特性は、例えば図２１（ロ）に示すようなな
めらかな特性であってもよい。この場合、グレアム関数
の勾配は漸近的に抑制されるから、一層自然な楽音を発
生させることができるものと考えられる。
【００３８】Ａ．５ 管体線形部の構成 次に、管体線形部１０２の各種モデルの構成を説明す
る。Ｋ−Ｌラティスモデルに基づく管体線形部 管体線形部を実現するモデルの一例として、図２３に示
すようなＫ−Ｌラティスモデルが知られている。ここ
で、金管楽器の共鳴管２０（図２参照）は一般的には円
錐形であり、Ｋ−Ｌラティスモデルにおいては、この円
錐形をｍ段（ｍは「２」以上の自然数）の多段円筒状に
近似することによって共鳴管２０の圧力波の伝搬をシミ
ュレートしている。
【００３９】図において８１−０〜８１−ｍは遅延回路
であり、多段円筒状の管体における各段の振動の伝搬遅
延をシミュレートするものである。次に、８３は反転回
路であり、管体の終端部における圧力波の反射をシミュ
レートする。この反射の際の損失はローパスフィルタ８
０によってシミュレートされる。次に、８２−０〜８２
−ｍは管体各部における圧力波の反射をシミュレートす
るジャンクションである。上記各構成要素は全体として
ループ状に接続され、図２図（イ）のモデルにおける本
体部２０をシミュレートする。なお、このようなＫ−Ｌ
ラティスモデルに基づく管体線形部は、木管楽器をシミ
ュレートするために使用される周知の管体線形部と同様
であり、例えば、特願平１−１０１３０８、特願平１−
２５９７３５、特願平１−２５８２２９、特願平２−２
８０１９６あるいは特願平２−２８００１９７等におい
て、本出願人によって種々の回路が開示されている。
【００４０】円筒近似型モデルに基づく管体線形部 また、円錐管たる共鳴管２０は、二つの円筒管を並列に
接続することによっても近似することも可能である。ま
ず、図２４に示すように、共鳴管たる円錐ホーン３０と
点音源２９とが存在する場合、円錐ホーン３０の入力イ
ンピーダンスＺ1は、下式(A3)で示される。
【数１】 式(A3)においてｋは点音源の周波数、ｒ1は点音源２９
から円錐管３０までの距離、ｈは円錐管３０の長さ、ｒ
2はｒ1およびｈの和、ρは音波伝搬媒体たる空気の密
度、ｃは音速である。また、Ｚ2、Ｚ3は各々近似された
円筒の特性インピーダンスである。
【００４１】式(A3)から円錐管３０は二つの円筒管を並
列に接続したものと等価であることが判るが、このモデ
ルを用いて構成された管体線形部のモデルを図２５に示
す。図においてフィルタ１３０および遅延回路１３１等
によって一方の円筒管がシミュレートされる。すなわ
ち、該円筒管における圧力波の伝搬遅延が遅延回路１３
１によってシミュレートされ、該円筒管内部における損
失がフィルタ１３０によってシミュレートされる。
【００４２】また、フィルタ１３０および遅延回路１３
１は、図示のように、乗算器１３４，１３５および加算
器１３６を介して加算器１４０に接続されている。ま
た、同様に、フィルタ１３２および遅延回路１３３等に
よって他方の円筒管がシミュレートされる。そして、加
算器１４０によって、両円筒管の並列に接続されること
がシミュレートされる。
【００４３】ここで、エネルギー保存の法則に鑑みれ
ば、乗算器１４２，１３５，１３８の乗算係数ｂ１，ｂ
２，ｂ３は「−１」になるものと考えられ、乗算器１４
１，１３４，１３７の乗算係数ｆ１，ｆ２，ｆ３は
「０．５」になるものと考えられる。しかし、これらの
値以外にも系として正常に動作する組合せは多数存在す
るから、これらの乗算係数として種々の値を設定するこ
とによって音色の幅を持たせることも可能である。
【００４４】管体線形部の設計方法 次に、上述したモデルに基づいて、実際に管体線形部を
設計する場合の好適な手順を説明する。(i)基本的な設
計方法 まず、実際の金管楽器にあっては、任意のピッチを実現
するために管長を調節しつつ唇の緊張のさせ具合によっ
てモードを選ぶ。ここで、実際の金管楽器において管長
が可変である部分は直管になっているから、管長を調節
することは、物理モデルにおいては、例えばシフトレジ
スタを可変遅延回路として使用しすることによってシミ
ュレートすることができる。一方、管長が可変である部
分の前後の部分、すなわちマウスピース部やベル部にあ
っては、楽器の種類毎に様々な形状を有している。この
部分をシミュレートしてヴォイシングするためには、例
えば図４１に示すように、マウスピース部やベル部の形
状をディスプレイに表示し、表示された形状に近似した
多段円筒管によってシミュレートするとよい。
【００４５】上述した点に鑑みて、Ｋ−Ｌラティスモデ
ルと円筒近似型モデルとを組合せて成る管体線形部のモ
デルを図３１に示す。図において遅延回路４０、４２の
遅延時間は上記各円筒の長さに応じて設定する。また、
積分回路４４、遅延回路４５，４６は可変管長部分をシ
ミュレートしており、管長に応じた遅延時間ＤL1が与え
られる。また、遅延回路４０，４２によって、マウスピ
ース部を近似的に構成する各円筒における遅延時間がシ
ミュレートされる。さらに、ベル部においては、円錐型
で近似したモデルが使用されており、フレアの具合から
遅延回路５３，５８における遅延時間ＤLL，ＤLSが設定
される。また、ベル部においては、管形状を変更した場
合に、Ｋ−Ｌラティスモデルの各格子の係数、遅延時間
が影響されるのみならず、放射特性も影響を受ける。す
なわち、ベルを大きくすることにより低い周波数まで放
射されるようになるから、ローパスフィルタ５４，５９
のカットオフ周波数も下げる必要がある。なお、金管楽
器の物理モデルは、例えば図３２に示すように、円筒近
似型モデルを使用せずＫ−Ｌラティスモデルのみ使用し
ても構成し得ることは言うまでもない。
【００４６】(ii)ＰＬＬを用いたオートチューニング方
法 ところで、上述した設計方法によれば、共振周波数Ｆｕ
に関してはキーコードから決定できるが、遅延時間ＤL1
に対応する管長については実際にウエーブガイドを用い
て管の近似を行った後でなければ困難である。また、音
作りの段階においては、管体線形部あるいは非線形部に
係る種々のパラメータを変更する必要が生じるが、パラ
メータを変更した場合に音程を合せることはきわめて煩
雑であった。そこで、本発明者は、実際に管を含めた系
を発振させ、その発振周波数が所望のピッチになるよう
に管長すなわち遅延時間ＤL1を調整し得る方法を開発し
た。以下、その手順を説明する。
【００４７】まず、所望のピッチ周波数Ｆｐに対して、
共振周波数ＦｕはＦｕ＝Ｋｕ・Ｆｐ ……(A4) なる式で与えられる（ただしＫｕは定数であり、通常
「１」より僅かに大きな値になる）。なお、リップコン
トローラ情報が無いと決らないパラメータも多いが、そ
のような値に対しては、予めデフォルト値を決めてお
く。また、ランダムに変動するパラメータに対しては、
その変動幅に応じた乱数を付与しておく。次に、図３１
に示されたモデルの総遅延時間ＤLTを求め、これに基づ
いて遅延時間ＤL1を求める関係式は以下の通りとなる。
ＤLT＝ＤL1＋ＤL2＋ＤL3＋ＤLS＋ＤLL ∴ＤL1＝ＤLT−（ＤL2＋ＤL3＋ＤLS＋ＤLL） ……
(A5)
【００４８】次に、最低音（モードNO.＝２,ピストンは
全開）からチューニングをとっていくとすると、最低音
での遅延時間ＤLTの近似値（ＤLT，max）は次のように
して求まる。まず、最低音（Ｆｐ，min）は第２モード
であるから、（ＤLT，max）＝2/（Ｆｐ，min×Ｔ）
……(A6) となる。この値を式(A5)に代入すると、最低音における
遅延時間たる（ＤL1，max）が求められる。求められた
（ＤL1，max）に対して、（Ｆｐ，min）を目標周波数と
してＰＬＬをかけると、このピッチ周波数での遅延時間
ＤL1の最適値が求められる。次の目標ピッチが上記最低
音に対して半音高い音であるとすると、ピッチは約１．
０６倍になる。すなわち、総管長ＤLTは約１／１．０６
倍されることになる。従って、先に求められた最低音で
の遅延時間ＤL1に基づいて該最低音における遅延時間Ｄ
LTを式(A5)から求め、これを１／１．０６倍して再度式
(A5)から遅延時間ＤL1を求め、求めた遅延時間ＤL1に対
して再度ＰＬＬをかけるとよい。以下同様に、順次高い
ピッチに対応する遅延時間ＤL1を求めてゆくことによ
り、各ピッチに対して精度の高い初期値が得られるか
ら、ＰＬＬをかけることによって最適な遅延時間ＤL1を
設定することが可能である。
【００４９】このように、順次ピッチを上げながらチュ
ーニングを進めてゆくと、当該モードでの再高音に達す
る。すなわち、ピストンの切換ではなくモードの切換に
よってピッチを上げる必要が生じる。モードを切換える
と、管長は元の長さに戻ることとなるが、この場合の遅
延時間ＤL1は先に求めた最低音における遅延時間ＤL1と
ほぼ同値になるものと考えられる。従って、最低音にお
ける遅延時間ＤL1をモードが切換えられた後のＤL1の初
期値に設定し、この初期値に対してＰＬＬをかけること
によって同様に最適な遅延時間ＤL1を求めることができ
る。
【００５０】Ａ．６ エンベロープ発生方法の改善 本実施例のようないわゆる物理モデル音源においては、
楽音のエンベロープの発生要因は、外部から与えられる
各種パラメータに依るところが大きい。すなわち、外側
リード部における各種パラメータもエンベロープの発生
に寄与するが、エンベロープ特性の大半は制御ソフトウ
エアによって与えられるエンベロープ信号あるいは演奏
者によって与えられる息圧ｐ等によって決定される。と
ころで、本発明者の観察によれば、実際の金管楽器の演
奏時においては、息圧ｐに不感帯やヒステリシス特性が
存在することが判明した。すなわち、音の立上がり時に
おいては息圧ｐが所定値ｐthになるまで音が発生しない
一方、音の立下がり時においては息圧ｐが所定値ｐtlに
なるまで音が消えないことが判明した。なお、所定値ｐ
thは所定値ｐtlよりも常に大である。
【００５１】これら所定値ｐth，ｐtlは種々のパラメー
タや音域によって変化するが、例えば図４２（ロ）に示
すように、キーコードＫＣに対応して両者の概略値を予
め求めておき、この概略値に基づいて楽音を制御する
と、実際の金管楽器の楽音を一層忠実に再現することが
できる。すなわち、図４２（イ）に示すように、エンベ
ロープ信号が所定値ｐthを越えるまでは楽音を発生しな
い一方、エンベロープ信号が所定値ｐtl以下になると楽
音の発生を停止するようにすればよい。
【００５２】Ｂ．一実施例の構成 次に、本実施例の構成を図面を参照し説明する。全体
構成 まず、本実施例の全体構成を図１に示す。図において１
は金管楽器を模したリップコントローラであり、演奏者
によって入力された演奏情報をＭＩＤＩ信号に変換して
出力する。６はＭＩＤＩインターフェースであり、リッ
プコントローラ１から入力されたＭＩＤＩ信号をバス１
３を介して各部に供給する。 次に、２は中央処理装置
（ＣＰＵ）であり、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）４に設
定された処理プログラムに基づいて、他の構成要素を制
御するように構成されている。また、ＲＯＭ４には、制
御プログラムの他に、処理において使用される各種のデ
ータおよびテーブル等も格納されている。
【００５３】次に、８はスイッチ回路であり、音色等の
制御のために種々のスイッチ、操作子等が設けられてい
る。次に、７は表示装置であり、ＣＰＵ２の制御に基づ
いて各種の情報が表示可能に構成されている。次に、９
はＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセッサ）であり、
ＣＰＵ２からバス１３を介して供給された演奏情報に基
づいて楽音信号を発生する。発生された楽音信号はＤＡ
Ｃ（デジタル・オーディオ・コンバータ）を介してアナ
ログ信号に変換され、サウンドシステム１１を介して発
音される。
【００５４】次に、５はＲＡＭ（読出し／書込み記憶装
置）であり、ＣＰＵ２の動作に必要なワークメモリとし
て設けられている。なお、ＲＡＭ５はデータの消失を防
ぐためにバッテリ・バックアップ型の物を使用すると好
適である。また、１２は不揮発性ＲＡＭから構成された
ＲＡＭカートリッジであり、バス１３に着脱可能に設け
られるとともに、ＲＡＭ５と同様にＣＰＵ２によって読
出し／書込み自在になっている。ＲＡＭカートリッジ１
２は音色データの格納用に使用すると好適である。
【００５５】リップコントローラ１の構成 次に、リップコントローラ１の構成を図２６を参照して
説明する。図においてリップコントローラ１は細長筒状
に構成されており、その一端に吹込み口３１が設けられ
ている。また、吹込み口３１にはアンブシュアセンサ３
２が設けられている。、このアンブシュアセンサ３２は
唇３（図示せず）の押圧力を検出し、検出結果をアンブ
シュア信号ｅｍｂとして出力する。
【００５６】次に、３３は圧力センサであり、吹込み口
３１を介して吹込まれた演奏者の息圧を検出して出力す
る。また、３４、３５および３６はそれぞれ第１ピスト
ン、第２ピストンおよび第３ピストンであり、実際の金
管楽器における第１〜第３ピストンと同様の作用を行
う。すなわち、第１ピストン３４が押下されると楽音の
音程が全音下げられ、第２ピストン３５が押下されると
音程が半音下げられ、第３ピストン３６が押下される
と、音程が１音半だけ下げられる。
【００５７】次に、３７、３８および３９はさらに大き
く音程を下げるために設けられたピストンであり、ピス
トン３７が押下されると音程が半オクターブ下げられ、
ピストン３８が押下されると音程が１オクターブ下げら
れ、ピストン３９が押下されると、音程が２オクターブ
下げられる。ここで、ピストン３７〜３９の組合せによ
って設定できるオクターブの変位を下表１に示す。
【００５８】
【表１】
【００５９】表１において最上欄はピストン３桁の数字
が記載されているが、これはピストン３７〜３９のオン
／オフ状態を示しており、“０”がオフ状態、“１”が
オン状態に対応している。そして、表１の最下欄には各
状態におけるモード番号が示されている。なお、実際の
金管楽器にあっては、モード番号は唇の緊張度で指定で
きるのであるが、唇の緊張度を測定することは若干困難
である一方、上述のようにピストン３７〜３９で指定し
ても楽音のリアリティーは損われないものと考えられる
ので、本実施例にあっては上述のようにモード番号を指
定することとした。
【００６０】ＲＯＭ４のソフトウエア構成 次に、ＲＯＭ４に記憶されている制御プログラムの全体
構成を図２９を参照して説明する。図において６０はタ
スクスケジューラであり、所定周期毎にタイマ割込がか
けられることによって駆動され、他のプログラムを時分
割で実行する。次に、６１はＭＩＤＩデバイスドライバ
であり、ＭＩＤＩインターフェース６（図１参照）を介
して受信したＭＩＤＩ信号を内部で使用される演奏情報
に変換して他のプログラムに供給する。また、６２はＬ
ＣＥ（ＬＣエミュレータプログラム）であり、リップコ
ントローラ１の代りに鍵盤が演奏情報入力装置として使
用された場合に、この鍵盤の出力するＭＩＤＩ信号を、
リップコントローラ１の出力するＭＩＤＩ信号と等価な
信号に変換するプログラムである。次に、６３はＡＬＣ
（アルゴリズム制御プログラム）であり、ＭＩＤＩデバ
イスドライバ６１あるいはＬＣＥ６２から供給された演
奏情報に基づいてキーオン信号ＫＯＮを出力するととも
に、演奏情報に基づいて楽音制御のための各種パラメー
タを求め、これらパラメータをＤＳＰ９に供給する。な
お、上記各プログラムの詳細は動作とともに詳述する。
【００６１】ＤＳＰ９の構成 次に、ＤＳＰ９の構成を説明する。まず、ＤＳＰ９は高
速のＣＰＵおよびこのＣＰＵの制御プログラムを格納し
たＲＯＭおよびワーク用のＲＡＭ等から構成されている
（図示せず）。そして、上記ＲＯＭに格納された制御プ
ログラムは図６の物理モデル音源における非線形部１０
０、ジャンクション１０１および管体線形部１０２をそ
れぞれ実現するプログラムを有している。
【００６２】ここで、管体線形部１０２を実現するプロ
グラムのアルゴリズムの構成は図３１に示す管体線形部
のモデルと等価であり、非線形部１００およびジャンク
ション１０１を実現するプログラムのアルゴリズムは図
２７のブロック図に示すように構成されている。なお、
図２７に示すアルゴリズムは、図９および図２０に示す
モデルを組合せて構成されたものであり、ローカルフィ
ードバック排除型モデルとして構成されている。また、
図２７のアルゴリズムはソフトウエアによって実現され
るが、これに含まれる機能ブロックはハードウエアにお
ける回路素子と等価な動作を行うものであるから、説明
の便宜上、ハードウエア回路として説明する。
【００６３】図において共振回路１１２，１１４は、圧
力差信号ｐhに基づいて、それぞれ上側モデルおよび外
側モデルにおける唇３の振動状態をシミュレートする。
両モデルにおける重み付けは、それぞれ乗算器１１３，
１１６を介して供給される定数ｕ−ｇａｉｎおよびｏ−
ｇａｉｎによって決定される。なお、これら図２７にお
いて使用される各種定数はＡＬＣ６３（図２９参照）に
よって決定され、ＤＳＰ９に供給される（詳細は後述す
る）。
【００６４】さらに、乗算器１１６の出力信号には、オ
フセット量ｏ−ｏｆｆｓｅｔが加算される。これは、実
際に金管楽器を演奏する場合において、圧力差信号ｐh
が「０」の場合においても、唇３がある程度の開口面積
を有することに鑑みてである。 次に、乗算器１１３の
出力信号と加算器１５０の出力信号とは加算器１１７に
おいて加算され、スリット関数テーブル１０７に供給さ
れる。これにより、両モデルの重み付けを反映したスリ
ット信号Ｓがスリット関数テーブル１０７から出力され
る。また、圧力差信号ｐhは、図２０と同様に関数テー
ブル１２４に供給され、この圧力差信号ｐhに対応する
グレアム関数値をさらに圧力差信号ｐhで除算して成る
値の信号が出力される。この信号は乗算器１２６を介し
てスリット信号Ｓと乗算され、リミット回路１２５に供
給される。リミット回路１２５は図２１（ロ）に示すな
めらかなリミット関数が設定されている。
【００６５】次に、リミット回路１２５の出力信号は、
乗算器１２８を介して圧力差信号ｐhと乗算され、乗算
結果が流量信号ｆとして出力される。ここで、実際の金
管楽器においては、流量ｆに乱流成分が存在するため、
図２７示す構成においては乱流成分をシミュレートとす
る構成要素１５１〜１５８が設けられている。まず、１
５８は乱数発生器であり、乱数信号を出力する。次に、
１５１はＨＰＦ（ハイパスフィルタ）であり、乱数信号
の直流成分を除去する。１５２はＬＰＦ（ローパスフィ
ルタ）であり、主に音作りのために設けられ、乱数信号
の周波数スペクトルを設定する。
【００６６】次に、１５７は乗算器であり、乱数のレベ
ルを設定するための係数ｒ−ｇａｉｎを該乱数信号に乗
算する。次に、１５３は関数テーブルであり、流量信号
ｆが供給されると、｜ｆ｜0.5なる値を有する信号を出
力する。そして、この信号は乗算器１５５を介して乱数
信号に乗算され、この乗算結果が乱流成分として加算器
１５４を介して流量信号ｆに加算される。ここで、関数
テーブル１５３を設けた理由は、本発明者の解析によれ
ば、乱流成分の振幅が流量ｆの平方根に比例する関係に
あるためである。次に、乱流成分の付加された流量信号
ｆは、乗算器１１０を介して定数ｚが乗算され、さらに
加算器１０１ａを介して管体線形部１０２を実現するプ
ログラムに供給される。
【００６７】Ｃ．第１の実施例の動作 次に、第１の実施例の動作を説明する。キーオン時の
動作 一般の電子楽器に使用されるキーボード型の操作子にあ
っては、何れかのキーを押鍵するとキーオン信号が出力
される。一方、本実施例に使用されている管楽器型のリ
ップコントローラ１においては、特にキーオン信号を出
力しない。従って、ＣＰＵ２（すなわち図２９における
ＡＬＣ６３）はキーコード関連情報（モード情報、ピス
トン情報等）を受信した時にキーオン信号を受信したも
のとみなして以下の動作を行う。まず、上記キーコード
関連情報に基づいてキーコードが求められる。ピストン
とモードキーとによってキーコードを算出するには、ま
ずモードキーによるオクターブ情報を得、これに対して
下表２に示すようにピストンキーによるシフトを追加す
るとよい。
【００６８】
【表２】
【００６９】次に、ＣＰＵ２は求めたキーコードに対応
するピッチ周波数Ｆｐを求め（ピッチ周波数Ｆｐはキー
コードから一義的に求まる）、さらに式(A4)によって共
振周波数Ｆｕを求める。さらに、当該キーコードに対応
する遅延時間ＤL1を管体線形部に供給する。ここで、な
んらかのキーコードが入力されることにより遅延時間Ｄ
L1’が一度設定され、さらに別のキーコードが入力され
ることによって別の遅延時間ＤL1”を供給する場合に
は、ポルタメントを付与すると一層好適である。すなわ
ち、遅延時間ＤL1をＤL1’からＤL1”に徐々に変化させ
ることにより、実際の金管楽器に近似したピッチ変動を
付与することができるからである。ここで、例えばトラ
ンペット等をシミュレートする場合にはポルタメント時
間を短くし、トロンボーン等をシミュレートする場合に
はポルタメント時間を長くすることが好適なことは言う
までもない。
【００７０】また、キーオン時にはＬＰＦ５４，５９
（図３１参照）の特性、あるいは出力ミックス比（詳細
は後述する）等もキーコードに応じて設定する。ここ
で、キースケールは、１オクターブあたり１ブレークポ
イントのようなものでも良いが、実際の金管楽器の特性
を考えると図３４に示すように各ブレークポイントが段
差を有しているから、ブレークポイントの段差はモード
の切換わりに一致させることが好適である。また、モー
ドの切換わりにおいて楽音が急変することをヴォイシン
グで吸収するため、キースケールされるパラメータは全
て同様に変化される。
【００７１】他のリップコントローラ情報を受信した
ときの動作 次に、キーコード関連情報以外のリップコントローラ情
報を受信した場合の動作を説明する。ここで、キーコー
ド関連情報以外のリップコントローラ情報としては、息
圧信号ｐとアンブシュア信号ｅｍｂとがある。まず、息
圧信号ｐを受信すると、ＣＰＵ２は息圧信号ｐにキース
ケールされた定数を乗算してＤＳＰ９に出力する。一
方、アンブシュア信号ｅｍｂを受信した場合には、図３
５に示すアルゴリズムを介して各種定数を求め、これら
定数をＤＳＰ９に出力する。その動作を以下、詳細に説
明する。
【００７２】まず、アンブシュア信号ｅｍｂは乗算器７
０〜７６を介して比例定数が乗算され、乗算結果が加算
器７７〜８４を介して各定数ｕ−ｇａｉｎ，ｏ−ｇａｉ
ｎ，ｏ−ｏｆｆｓｅｔ，Ｑｏ，Ｆｏ，Ｑｕ，Ｆｕとして
出力される。これら各定数は、上述したように、ＤＳＰ
９に供給される。なお、各乗算器７０〜７６に供給され
る比例定数は実験等により求められる。
【００７３】図３５において「K.S.」とあるのはキース
ケーリングを表す定数である。これらの演算はＣＰＵ２
において実行する代りにＤＳＰ側において実行してもよ
いが、非線形部のアルゴリズムが各定数を受信する段階
までには、各定数には補完演算が施され、なめらかな変
化を有する状態にしておく必要がある。すなわち、図示
の例にあっては、各定数が変化する際に加算器７７〜８
３を介してキースケーリングが施されるため、各定数は
なめらかな変化が付与されつつ出力される。
【００７４】さらに、図示の構成にあっては、乱数発生
器６０によって乱数信号が発生され、この乱数信号がＬ
ＰＦ（ローパスフィルタ）６１、乗算器６２、乗算器６
３〜６９を順次介して加算器７７〜８３に供給される。
これは、金管楽器の有する不安定なアンブシュアを実現
するためである。また、乗算器６２にあっては比例定数
として圧力信号ｐが供給されるが、これは一般に口内圧
が大きいほどアンブシュアが不安定になり、ピッチ等の
安定度が低下することに鑑みてである。
【００７５】また、ピッチ情報はリップコントローラ１
を使用する場合には「１」に固定する。一方、リップコ
ントローラ１の代りに鍵盤等を用いた場合には任意の値
が設定される。この場合には、上述した遅延時間ＤL、
ＤL1の値に上記任意の値を乗算して出力する。実際の金
管楽器にあっては、トロンボーン等を除いてピッチベン
ドをかけることができないが、このようにすることによ
ってシンセサイザー的ななめらかなベンドやビブラート
が得られる。逆に、実際の金管楽器のような表情あるビ
ブラートをかける場合には、アンブシュアの変調を行う
方が好適であると考えられる。なお、図３５において、
ＬＰＦ６１はバンドパスフィルタであってもよいことは
言うまでもない。
【００７６】ＤＳＰ９における動作 ＣＰＵ２によって各定数ｕ−ｇａｉｎ，ｏ−ｇａｉｎ，
ｏ−ｏｆｆｓｅｔ，Ｑｏ，Ｆｏ，Ｑｕ，Ｆｕ等が求めら
れると、これらの定数に応じてＤＳＰ９における非線形
部１００の特性が決定される。そして、息圧信号ｐがＤ
ＳＰ９に供給されると、非線形部１００、管体線形部１
０２およびジャンクション１０１を介して圧力波信号が
伝搬され、金管楽器における発音のメカニズムがシミュ
レートされる。そして、この圧力波信号は、ＤＡＣ１０
（図１参照）を介してアナログ信号に変換され、サウン
ドシステム１１を介して発音される。
【００７７】Ｄ．変形例 本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、例
えば以下のように種々の変形が可能であることは言うま
でもない。Ｄ．１ ＬＣエミュレータ（ＬＣＥ）を用い
た変形例 まず、上記実施例におけるリップコントローラ１は管楽
器を模した物であったが、その代りに一般的なキーボー
ドを用いてもよい。この場合には、キーボードから出力
される信号を変形することによってリップコントローラ
１から出力される信号を模擬（エミュレート）する必要
がある。ここで、キーボードから出力されるは主にキー
オン、キーオフ、キーコード等であって息圧信号ｐある
いはアンブシュア信号ｅｍｂ等は出力されない。また、
キーボードにはモジュレータ、ベンドホイールあるいは
ペダル等各種の操作子が付属している場合があるが、基
本的にはそのような操作子の補助なしにエミュレートで
きれば好適である。
【００７８】エンベロープの発生方法 図３６にＬＣＥ６２とＡＬＣ６３との関係を示す。ＡＬ
Ｃ６３の入力はリップコントローラからの出力か、ある
いはＬＣＥ６２の出力か何れか一方が選択される。そし
て、ＬＣＥ６２はＡＬＣ６３の出力するピストン、モー
ドキー、息圧信号ｐおよびアンブシュアｅｍｂの４種類
の情報をエミュレートして出力する。図３７はＬＣＥ６
２の発生するエンベロープ信号と、息圧信号ｐおよびア
ンブシュアｅｍｂとの関係を示す図である。図において
階段状の実線はＬＣＥ６２の発生するエンベロープ信号
の波形であり、破線はハードウエアによる補間をうけて
ＡＬＣ６３に入力されるエンベロープ信号波形である
（なお、補間器はハードウエア側でアルゴリズムの前段
に設けられている）。
【００７９】キーオンがあると、ＬＣＥ６２には周期的
な起動がかかる。なお、その周期は通常２〜８ｍｓｅｃ
程度である。息圧信号ｐの立上がりには上述したように
不感帯が存在するため、そのレベルｐthまではハードウ
エアの補間定数を「０」にして立上げ、その後通常の補
間レートに設定し、エンベロープのステートをＡＤＳＲ
（アタック、ディケイ、サスティン、リリース）に順次
遷移してゆく。息圧信号ｐは音量を制御するため、その
エンベロープのアタック部のレートやレベルはベロシテ
ィや操作子情報から制御される。同様に、サスティン部
についてもペダルの操作やアフタタッチによって制御を
受ける。
【００８０】アンブシュアｅｍｂのエンベロープが多少
正（唇を閉じる方向）の値から開始するのは、アルゴリ
ズムの性質上、多少ｏ−ｏｆｆｓｅｔなどを小さめの値
から立上げた方がスムーズなアタックが得られるからで
ある。これについても、タッチ、操作子などからアタッ
ク部のレート、レベル等を制御できた方が好適である。
次に、キーオフ信号を受信すると、できるだけ速やかん
びリリースに移行させるために周期をリセットする。そ
して、このまま音が消えるまで周期的に起動をかける
が、次のキーオンまでそのままでも良いし、適当な（レ
ベルが小となった）ところで止めてもよい。図３７に示
す例にあってはリリース時にはアタック時とは逆方向に
アンブシュアｅｍｂをオフセットしているが、これは必
須ではなく、演奏表現の一例として示したものである。
【００８１】息圧信号ｐ、アンブシュアｅｍｂおよび
ピッチ情報の発生方法 ところで、実際の息圧信号ｐ、アンブシュアｅｍｂがキ
ーオンベロシティによって決定されるエンベロープのみ
によって動くのでは、楽音が単調になりがちである。従
って、この場合、楽音をアフタタッチ情報、モジュレー
ションあるいはペダル情報等によって修飾すると一層好
適である。その一例を図３８に示す。図においてエンベ
ロープジェネレータ６０の出力信号は、低周波発振器６
１およびエンベロープジェネレータ６２を介して出力さ
れる操作子出力（操作子は図示せず）によってオフセッ
トが加えられる。なお、低周波発振器６１の出力信号あ
るいはエンベロープジェネレータ６２の各パラメータ等
も操作子によって可変できるようにすれば一層好適であ
る。そして、息圧信号ｐ、アンブシュアｅｍｂおよびピ
ッチ情報に関しても基本的に同様な方法によってエンベ
ロープを発生することができる。
【００８２】各種コントローラは色々な組合せで使える
ように、図３９のように任意のコントローラ入力が指示
できるようにする。図において７１は加算マトリクス回
路であり、交点の「Ｏ」印は加算ポイントを示す。すな
わち、各種の操作子７２〜７４の操作情報が楽音に影響
を与えるように構成されており、楽音に影響を与える操
作子が適宜選択可能になっている。また、図示の回路に
あってはＴＥＧ（タッチエンベロープジェネレータ）７
０も操作子７２〜７４と同様に扱われる。次に、ＴＥＧ
７０の構成を図４０に示す。図において８０，８２は加
算器、８１は乗算器、８３は遅延回路であり、乗算器８
１には補間定数αが供給される。補間定数αは、キーオ
ン後数１００ｍｓｅｃ程度は小さくし、その後アフタタ
ッチに追従させるため大きくすると好適である。なお、
遅延回路８３の遅延時間は数ｍｓｅｃ〜数１０ｍｓｅｃ
程度にするとよい。
【００８３】Ｄ．２ 他の変形例 図３１においては、遅延回路５８を、インダクタンス要
素を付与するフィルタに変更してもよい。あるいは、図
３１および図３２において、遅延回路をオールパスフィ
ルタに変更してもよい。このように構成することによ
り、各モードの調和性がずれるため、特定のモードで発
振させたときにその発振波形の倍音成分が管体のモード
からずれることになり、結果として倍音の少ないくすん
だ音色になる。実際の金管楽器においても、ホルン系統
の金管楽器では同じ現象により倍音成分の減少が起こり
特有の音色を発生するため、このような金管楽器の音色
を忠実に再現することが可能になる。
【００８４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明の楽音合
成装置によれば、金管楽器の楽音を忠実にシミュレート
することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 一実施例の構成を示すブロック図である。
【図２】 金管楽器の動作の原理を示す図である。
【図３】 金管楽器の動作の原理を示す図である。
【図４】 金管楽器の動作の原理を示す図である。
【図５】 金管楽器における各物理量の特性を示す図で
ある。
【図６】 金管楽器の物理モデルの全体構成を示すブロ
ック図である。
【図７】 非線形部１００のブロック図である。
【図８】 非線形部１００のブロック図である。
【図９】 非線形部１００のブロック図である。
【図１０】 非線形部１００のブロック図である。
【図１１】 共振回路１１２，１１４のブロック図であ
る。
【図１２】 唇３の振動状態を示す図である。
【図１３】 図９における各部の波形図である。
【図１４】 グレアム関数の概形を示す図である。
【図１５】 非線形部１００のブロック図である。
【図１６】 非線形部１００のブロック図である。
【図１７】 グレアム関数の概形を示す図である。
【図１８】 グレアム関数の概形を示す図である。
【図１９】 グレアム関数の概形を示す図である。
【図２０】 非線形部１００のブロック図である。
【図２１】 リミット回路２１の特性を示す図である。
【図２２】 変形されたグレアム関数の概形を示す図で
ある。
【図２３】 管体線形部１０２のブロック図である。
【図２４】 円錐管３０と点音源２９との位置関係を示
す図である。
【図２５】 円錐管の物理モデルのブロック図である。
【図２６】 リップコントローラ１の側面図である。
【図２７】 非線形部１００のブロック図である。
【図２８】 共振回路１１２，１１４の特性図である。
【図２９】 ＲＯＭ４に設定された制御プログラムのブ
ロック図である。
【図３０】 ＤＳＰ９の全体構成を示すブロック図であ
る。
【図３１】 管体線形部１０２のブロック図である。
【図３２】 管体線形部１０２のブロック図である。
【図３３】 管体線形部１０２のチューニング方法を示
す図である。
【図３４】 金管楽器のブレークポイントを示す図であ
る。
【図３５】 ＡＬＣ６３のアルゴリズムの構成を示すブ
ロック図である。
【図３６】 ＲＯＭ４に設定された制御プログラムのブ
ロック図である。
【図３７】 ＬＣＥ６２の動作を示す図である。
【図３８】 一実施例の変形例の概要を示す図である。
【図３９】 一実施例の変形例の概要を示す図である。
【図４０】 一実施例の変形例の概要を示す図である。
【図４１】 円筒管近似したマウスピース部およびベル
部を示す図である。
【図４２】 金管楽器のヒステリシス特性を示す図であ
る。
【符号の説明】
２…中央処理装置（押圧力情報発生手段、息圧情報発生
手段、周波数制御手段、第１の共振手段、遅延手段、乱
数成分付加手段、乱数レベル制御手段、第２の共振手
段、第３の共振手段）、３２…アンブシュアセンサ（押
圧力情報発生手段）、３３…圧力センサ（息圧情報発生
手段）、１００…非線形部（周波数制御手段、第１の共
振手段）、１０２…管体線形部（遅延手段）、１５８…
乱数発生器（乱数成分付加手段）、１５３…関数テーブ
ル（乱数レベル制御手段）、１１２…共振回路（第２の
共振手段）、１１４…共振回路（第３の共振手段）。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G10H 1/053 G10H 1/00 G10H 7/00 513 G10H 7/08

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 演奏者の息圧に関する息圧情報を発生す
    る息圧情報発生手段と、 前記演奏者の唇の押圧力に関する押圧力情報を発生する
    押圧力情報発生手段と、 前記押圧力が大となると楽音信号の周波数を高くする周
    波数制御手段と、 前記楽音信号の周波数に乱数成分を付加する乱数成分付
    加手段と、 前記息圧が大となると前記乱数成分のレベルを大とする
    乱数レベル制御手段とを具備することを特徴とする楽音
    合成装置。
  2. 【請求項２】 演奏者の息圧に関する息圧情報を発生す
    る息圧情報発生手段と、 前記演奏者の唇の押圧力に関する押圧力情報を発生する
    押圧力情報発生手段と、 前記息圧および押圧力によって共振特性が変化する第１
    の共振手段と、 前記共振手段から出力された信号波を遅延させて前記第
    １の共振手段に帰還させる遅延手段とを具備することを
    特徴とする楽音合成装置。
  3. 【請求項３】 前記第１の共振手段は、楽音周波数近傍
    の共振周波数を有する第２の共振手段と、低周波の共振
    周波数を有する第３の共振手段とを具備することを特徴
    とする請求項２に記載の楽音合成装置。
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