JP3125626B2 - 楽音信号合成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スネアドラム等の打楽
器音の合成に用いて好適な楽音信号合成装置に関するも
のであり、ゲーム機器の音響合成装置や、音響波形を生
成するコンピュータシステムに適用して好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】少なくとも一方に遅延手段を含む複数の
信号伝達手段からなるネットワークは、シンバル、タム
などのドラム音の合成に適しており高品質の音源を実現
することができ、このネットワークにより打楽器音を合
成することは、特開平５−１５８４７６号公報に示され
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ドラムにはスネアドラ
ムといわれる、ドラムの裏面外側の直径に当たる部分に
スネア（スナッピー）がついているドラムがある。この
スネアは、数本のガット弦、または金属弦からなり響き
線とも云われ、共鳴振動のさわりとなってスネアドラム
の音色を決定している。このスネアドラムの楽音を合成
するには、スネアとドラムの皮との相互作用をアルゴリ
ズムで実現する必要がある。しかしながら、この相互作
用は非常に複雑で前記信号伝達手段からなるネットワー
クのような物理モデルで実現することはきわめて困難で
あるという問題点があった。

【０００４】そこで、本発明はスネアと皮の相互作用を
複雑な接触と、接触により皮の受ける反作用の２つの点
に注目することにより、物理モデルを用いてスネアドラ
ム音を合成できるようにした電子楽器やゲーム機器の楽
音信号合成装置を提供することを目的としている。ま
た、本発明はコンピュータシステムで音響波形を生成す
るための音響合成アルゴリズムを提供することを目的と
している。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の楽音信号合成装置は、双方向に信号路を持
ち、少なくともその一方に遅延手段を含む信号伝達手段
と、該信号伝達手段に駆動信号波形を出力する駆動信号
発生手段と、前記双方向の信号路の少なくとも一方の信
号路の信号を、他方の信号路の信号に負の反射係数ある
いは正の透過係数のいずれかの係数に応じて結合させ
る、前記信号伝達手段に設けられた信号反射手段と、前
記信号伝達手段を伝達する信号の値に応じて前記負の反
射係数あるいは前記正の透過係数のいずれかの係数を発
生する反射係数発生手段とを備えるようにしたものであ
る。

【０００６】また、前記目的を達成することのできる本
発明の他の楽音信号合成装置は、双方向に信号路を持
ち、少なくともその一方に遅延手段を含む信号伝達手段
と、該信号伝達手段に駆動信号波形を出力する駆動信号
発生手段と、前記双方向の信号路の少なくとも一方の信
号路の信号を、他方の信号路の信号に負の反射係数ある
いは正の透過係数のいずれかの係数に応じて結合させ
る、前記信号伝達手段に設けられた信号反射手段と、時
間変化信号発生手段により発生された時間変化信号の値
に応じた前記負の反射係数あるいは前記正の透過係数の
いずれかの係数を発生する反射係数発生手段とを備える
ようにしたものである。さらに、前記した楽音信号合成
装置の各構成を楽音発生アルゴリズムに置き換え、この
楽音発生アルゴリズムを実行することにより楽音信号合
成装置を実現するようにしたものである。

【０００７】

【作用】本発明によれば、信号伝達手段に反射手段を設
け、この反射手段に与える反射係数を、信号伝達手段を
伝達する信号、あるいは時間変化信号に基づいて発生す
ることにより、スネアが共鳴振動のさわりとなるスネア
ドラムの音を物理モデルを用いて合成することができ
る。

【０００８】

【実施例】図１に本発明の第１実施例の楽音信号合成装
置のブロック図を示すが、本発明はスネアはほぼ剛体で
あると仮定し、スネアがドラムの皮に接触した時にドラ
ムの皮を伝播する振動を全反射させ、スネアが皮に非接
触の時は全透過させている。図１において、１は演奏操
作子からの指示に応じて駆動波形を発生する駆動波形発
生部、２−１，２−２・・・２−ｎは表の皮をシミュレ
ーションする遅延手段を含む双方向の信号路からなる信
号伝達手段であるウェーブガイド（ＷＧ）、３−１，３
−２・・・３−ｎは裏の皮をシミュレーションする遅延
手段を含む双方向の信号路からなるウェーブガイド（Ｗ
Ｇ）、４−１，４−２，４−３はＷＧ２−１，２−２・
・・２−ｎの出力と、ＷＧ３−１，３−２・・・３−ｎ
の出力を合成する合成手段、５はＷＧ２−１，２−２・
・・２−ｎ、およびＷＧ３−１，３−２・・・３−ｎと
により合成された楽音をミキシングして合成楽音を出力
する出力ミキサ（ｍｉｘ）である。

【０００９】また、６は感度調整用のアドミタンス（ａ
ｄｍ）、７は遅延回路８とで積分器を構成する加算器、
９は加算器１０の出力から遅延回路８と加算器７とから
なる積分器の出力を減算し、減算結果（ＤＩＦ）のＭＳ
Ｂだけを出力する減算器、１０は係数乗算器１１の出力
とスレッショルド信号を加算する加算器、１１はノイズ
発生器１３よりのノイズ量を調整する係数乗算器、１２
はノイズの周波数特性を調整するフィルタ、１３はラン
ダムなノイズを発生するノイズ発生器、１４は減算器９
より出力される減算信号のＭＳＢビットが「０」のとき
に透過係数ｐｃを選択し、「１」のときに反射係数ｒｃ
を選択して出力するセレクタ、１５は前記駆動信号発生
部１，ウェーブガイド２−１〜２−ｎ，３−１〜３−ｎ
等を制御する制御回路である。

【００１０】また、裏の皮をシミュレートするウェーブ
ガイド３−１，３−２・・・３−ｎのうち、ウェーブガ
イド３−ｎには反射回路が設けられてスネアがドラムの
皮に接触したときに皮の振動がその部位で反射されて反
射による新たな振動が生じることをシミュレートしてい
る。このウェーブガイド３−ｎは、双方向の信号路と反
射回路とから構成されているが、一方の信号路は、加算
器２１、遅延回路（ＤＥＬＡＹ）２２，２７、フィルタ
２８、係数乗算器２９とが縦続接続されて構成され、他
方の信号路は、加算器３０、遅延回路（ＤＥＬＡＹ）３
１，３３、フィルタ３４、係数乗算器３５とが縦続接続
されて構成されている。また反射回路は加算器２４，２
６，３２及び係数乗算器２５とから構成されている。

【００１１】このように構成された楽音信号合成装置の
動作を説明すると、ドラムにおいて表の皮をスティック
等により叩くと、皮に互いに反対方向に進む振動波が発
生し、この２つの振動波が皮を支持する胴の端部で位相
反転され、新たな振動波とされて合成される結果、胴の
端部を節とする定在波に従って皮は振動するようにな
る。また、ドラムの皮はほぼ円形とされてその周縁が胴
に固定されているため、皮のどこをどの位の強さで叩く
か等に応じて色々なモードの定在波が存在するようにな
る。さらに、この振動波は胴を介してあるいはドラム中
の空気圧を変化させて裏の皮を振動させている。図１に
おけるウェーブガイド２−１，２−２・・・２−ｎはこ
のような振動をシミュレートしており、駆動波形発生部
１よりの駆動波形は、スティック等でドラムを叩いたタ
イミングで各ウェーブガイド２−１，２−２・・・２−
ｎに供給されている。

【００１２】これらのウェーブガイド２−１，２−２・
・・２−ｎは、前記したウェーブガイド３−ｎの反射回
路を省略した図２に示す構成とされており、駆動信号は
双方向信号路にそれぞれ挿入されている加算器２６，３
２に供給されている。そして、各ウェーブガイド２−
１，２−２・・・２−ｎの双方向の出力はそれぞれ合成
器４−２，４−１で合成されて、合成出力は各ウェーブ
ガイド２−１，２−２・・・２−ｎに入力されている。
また、ドラムの裏の皮をシミュレートするウェーブガイ
ド３−１〜３−ｎの動作も同様であるが、表の皮を叩い
たことにより裏の皮が振動することを、ウェーブガイド
３−ｎ以外に駆動信号波形発生部１からの駆動波形を供
給することによりシミュレートしている。各ウェーブガ
イド３−１，３−２・・・３−ｎの双方向の出力はそれ
ぞれ合成器４−２，４−３で合成されて、合成出力は各
ウェーブガイド３−１，３−２・・・３−ｎに入力され
ている。

【００１３】ウェーブガイドの説明をウェーブガイド３
−ｎを例に上げて説明すると、遅延回路２２，３３およ
び遅延回路２７，３１は、皮を伝播する振動波の伝播遅
延時間に相当するものであり、信号路の出力信号を減算
信号として加算器２１，３１に供給することにより、皮
の周縁部で位相反転された新たな振動波を発生させてい
る。また、フィルタ２８は、皮における振動の減衰の周
波数特性をシミュレートしている。

【００１４】また、反射回路において、双方向信号路に
それぞれ挿入されている遅延回路２２と遅延回路３１の
出力信号を加算器２４で加算して取り出し、係数乗算器
２５にて負とされた係数ｋを乗算した後、双方向の信号
路にそれぞれ挿入されている加算器２６，３２に供給す
ることにより、スネアがドラムの裏の皮に接触したこと
による反射信号を発生させており、係数乗算器２５にて
ゼロまたは正とされた係数ｋを乗算した後、加算器２
６，３２に供給することにより、スネアがドラムの裏の
皮に接触していないことによる透過信号を発生させてい
る。これにより、セレクタ１４が負の反射係数ｒｃを選
択して係数乗算器２５に供給したときには反射信号が発
生され、セレクタ１４がゼロまたは正の透過係数ｐｃを
選択して係数乗算器２５に供給したときには加算器２
５，３２は透過信号を発生するようになる。

【００１５】ところで、双方向の信号路を伝播する速度
信号は加算器２３で取り出され、アドミタンス（ａｄ
ｍ）６により感度が調整されるようレベル調整されて、
加算器７と遅延回路８とからなる積分器で積分されるこ
とにより、変位信号とされて減算器９に減算信号として
供給される。また、ノイズ発生器１３より発生されたラ
ンダムなノイズはフィルタ１２により周波数特性が調整
され、係数乗算器１１により係数が乗算されることによ
りノイズ量が調整される。さらに、加算器１０で反射・
透過のレベルを決定するスレッショルド信号が加算され
て減算器９へ被減算信号として供給されている。減算器
９からは減算信号ＤＩＦのＭＳＢ、すなわちサインビッ
トだけが出力されるため、積分器出力のほうが大きいと
きは「０」が出力され、積分器出力のほうが小さいとき
は「１」が出力される。このように、減算器９は一種の
比較器として動作している。

【００１６】そして、減算器９より出力されるＭＳＢビ
ットが「０」のとき、セレクタ１４はゼロまたは透過係
数ｐｃを選択して係数乗算器２５に印加することによ
り、スネアがドラムの皮に接触していない状態をシミュ
レートしている。また、ＭＳＢビットが「１」のときセ
レクタ１４は反射係数ｒｃを選択して係数乗算器２５に
印加することにより、スネアがドラムに接触している状
態をシミュレートしている。このように、双方向信号路
の速度信号とノイズ発生器１３よりのノイズに応じて反
射信号および透過信号を発生しているが、反射信号ある
いは透過信号の発生されるタイミングは、ノイズ発生器
１３よりのノイズに応じたランダムなタイミングとされ
る。

【００１７】なお、駆動波形発生部１は、パルス状やバ
ースト状の複数の駆動波形が、例えば波形メモリに記憶
されており、ＷＡＶＥ信号によりいずれかを指示してい
る。また、楽音を出力するタイミングを示すキーオン
（ＫＯＮ）信号、及びドラムを叩く強さを示すタッチ信
号（Ｔｏｕｃｈ）も供給されて、これらの信号に応じた
駆動信号が発生されて、各ウェーブガイドに供給されて
いる。また、音色の設定は各ウェーブガイドのフィルタ
のフィルタ係数、遅延回路の遅延時間、及び、係数乗算
器９の係数を調整してノイズ量を調節すると共に、加算
器１０で加算されるスレッショルドレベルを可変あるい
はフィルタ１２の周波数特性を調整することにより、反
射と透過の切り換えレベルおよびタイミングを調整する
ようにして、音色の設定を行っている。この制御は制御
回路１５により行われる。この場合、一例として透過係
数ｐｃは「０．０」、反射係数は「−１．０」とされて
いる。また、駆動波形発生部１から発生される駆動波形
はウェーブガイドの少なくとも１つに入力されていれば
良い。

【００１８】次に、本発明の第２実施例の楽音信号合成
装置におけるウェーブガイド３−ｎ及び反射・透過切り
換え手段の構成だけを図２（ｂ）に示し、他のウェーブ
ガイド２−１，２−１・・・２−ｎ、ウェーブガイド３
−１，３−１・・・等は省略している。この図に示す第
２実施例は、図１に示す第１実施例と比較してセレクタ
１４に供給するセレクト信号の作成方法が異なってい
る。すなわち、第２実施例においては、ノイズ発生器１
３より発生されたランダムなノイズの周波数特性をフィ
ルタ１２において調整して、減算器９へ減算信号（ｘ）
として供給すると共に、減算器９にスレッショルド（ｔ
ｈ）信号を供給することにより、減算信号レベルｘがス
レッショルドレベルｔｈ以下とされたときに、減算器９
より出力される減算出力のＭＳＢが「１」となる。この
場合、セレクタ１４は反射係数ｒｃを選択して、例えば
「−１」の反射係数を係数乗算器２５に与えることによ
り、加算器２６，３２において反射信号を発生させてい
る。

【００１９】また、減算器９に供給されるスレッショル
ドレベルｔｈより減算信号レベルｘが大きいときは、減
算器９のＭＳＢが「０」となる。これにより、セレクタ
１４は透過係数ｐｃを選択して、例えば「０」の透過係
数を係数乗算器２５に与えることにより、加算器２６，
３２において信号路の信号をそのまま透過させている。
これにより、反射・透過切り換え手段の構成を簡略化す
ることができる。なお、フィルタ１２のフィルタ係数を
演奏態様やｔｏｕｃｈの強弱等に応じて変えるようにし
ても良い。

【００２０】さらに、図３（ａ）に本発明の第３実施例
の楽音信号合成装置におけるウェーブガイド３−ｎ及び
反射・透過切り換え手段だけの構成を示し、他のウェー
ブガイド２−１，２−１・・・２−ｎ、ウェーブガイド
３−１，３−１・・・等は省略している。この図に示す
第３実施例は、図１に示す第１実施例と比較してセレク
タ１４に供給するセレクト信号の作成方法が異なってい
る。すなわち、第３実施例においてはノイズ発生器１３
より発生されたランダムなノイズの周波数特性をフィル
タ１２において調整して、減算器９へ減算信号（ｘ）と
して供給すると共に、減算器９に任意時間波形関数発生
器４０より発生された時間と共に変化する任意波形関数
が、スレッショルド信号として供給されている。

【００２１】そこで、任意波形関数のレベル以下の減算
信号レベルｘとされたときには、減算器９のＭＳＢが
「１」となる。これにより、スイッチからなるセレクタ
１４は反射係数ｒｃ側へ切り替わり反射係数ｒｃを選択
して、例えば「−１」の反射係数を係数乗算器２５に与
えることにより、加算器２６，３２において反射信号を
発生させる。また、減算器９に供給される任意波形関数
のレベルより減算信号レベルｘが大きいときは、減算器
９のＭＳＢが「０」となる。これにより、セレクタ１４
は透過係数ｐｃ側へ切り換えられ透過係数ｐｃを選択し
て、例えば「０」の透過係数を係数乗算器２５に与える
ことにより、加算器２６，３２において信号路の信号を
そのまま透過させている。

【００２２】これにより、種々の任意のランダムなタイ
ミングで反射・透過を切り換えることができるようにな
る。なお、任意時間関数発生器４０は演算あるいは波形
メモリにより任意時間関数を発生させるようにしている
が、その任意時間関数はＴｏｕｃｈ等により変えるよう
にしても良く、任意時間関数はＫＯＮ信号により発生さ
れ始めるようにされている。

【００２３】前記した実施例においては、透過係数と反
射係数とを切り換えることにより独立した係数値ｋをそ
れぞれ発生していたが、透過係数と反射係数との間の補
間値を係数ｋとして発生することのできる変形例を図３
（ｂ）（ｃ）に示す。図３（ｂ）は、減算信号ｘをスレ
ッショルド信号ｔｈから減算した減算値ＤＩＦのレベル
に応じて係数テーブル４１から係数ｋを出力するように
している。この係数テーブル４１には反射係数から透過
係数までの係数値（−１〜０）が連続的に係数テーブル
として格納されているので、減算値ＤＩＦのレベルに応
じた係数ｋが出力されるようになる。

【００２４】また図３（ｃ）は、減算信号ｘをスレッシ
ョルド信号ｔｈから減算した減算値ＤＩＦのレベルに応
じて補間器４２から係数ｋを出力するようにしている。
この補間器４２には透過係数ｐｃと反射係数ｒｃの係数
値が入力されており、減算値ＤＩＦのレベルに応じて透
過係数ｐｃと反射係数ｒｃとの補間値を演算しているの
で、減算値ＤＩＦのレベルに応じた係数ｋが出力される
ようになる。なお、図３（ｂ）（ｃ）に示す変形例にお
いて、スレッショルド信号に替えて任意時間関数を用い
るようにしても良い。また、減算信号ｘとしては図１あ
るいは図２（ｂ）に示す構成で発生したいずれかの減算
信号を用いるようにすれば良い。

【００２５】次に、本発明の第４実施例の楽音信号合成
装置におけるウェーブガイド３−ｎ及び反射・透過切り
換え手段の構成だけを図４に示し、他のウェーブガイド
２−１，２−１・・・２−ｎ、ウェーブガイド３−１，
３−１・・・等は省略している。この図に示す第４実施
例は、図１に示す第１実施例と比較してセレクタ１４に
供給するセレクト信号を発生させる構成が異なってい
る。すなわち、第４実施例においてはノイズ発生器１３
より発生されたランダムなノイズの周波数特性がフィル
タ１２において調整されて、係数乗算器１１へ供給され
ている。さらに、この係数乗算器１１には第１任意時間
波形関数発生器（ＥＧ１）４３より発生された第１任意
時間波形関数が係数として供給されている。さらに、係
数乗算器１１の出力は減算信号として減算器９に供給さ
れており、一方減算器９には第２任意時間波形関数発生
器（ＥＧ２）より発生された第２任意時間波形関数がス
レッショルド信号として供給されている。また、減算器
９よりの減算値はリミッタ４５により「−１」〜「０」
の係数値に制限されて係数乗算器２５に供給されてい
る。

【００２６】この構成によると、ＫＯＮ信号によりＥＧ
１より発生される第１任意波形関数により、ノイズ量が
時間と共に変化するよう調整されると共に、ＥＧ２より
発生される第２任意時間波形関数に応じて反射・透過の
レベルが時間と共に変化しながら切り換えられるため、
第１任意波形関数、第２任意波形関数およびノイズ量に
応じた種々の「−１」〜「０」の間のランダムな係数で
反射・透過を時間変化するよう切り換えることができる
ようになる。

【００２７】以上の説明においては、ウェーブガイドを
用いてスネアドラム音を合成するようにしたが、本発明
はこれに限らず、リバーブ等の音場効果装置全般に音色
変化制御技術として使用することができる。例えば、ウ
ェーブガイドを弦のモデルとして使用し、そこに本発明
による反射と透過制御を適用すれば、ギターの弦が振動
時にフレットに触れる場合のように、弦の振動に何かが
触れて「びびり」を起こすような現象のシミュレーショ
ンを行うことを可能とすることができる。さらに、その
他ゲーム等の各種の効果音合成に用いることができる。

【００２８】なお、駆動波形発生部は駆動波形を記憶し
たメモリから駆動波形を読み出す方式のほかに、周波数
変調など各種変調に基づいた波形発生方式や、任意のパ
ルス発生器などを用いてもよい。また、圧電センサの衝
撃や打撃を検出するセンサの検出出力を用いて駆動波形
を生成するようにしてもよい。さらに、駆動波形は演奏
操作に応じて特性を変化させても良い。すなわち、例え
ばその波形あるいは周波数特性、振幅、時間幅（あるい
は継続時間）などを可変制御するようにしてもよい。

【００２９】また、本発明の各構成は、ハードウェアで
実現可能であり、また本発明の楽音信号合成装置の楽音
発生アルゴリズムをプログラムとしてＤＳＰあるいは高
速ＭＰＵに実行させることにより、本発明の各構成を実
現することもできる。そして、楽音発生アルゴリズムを
プログラムとして実行させる場合に、楽音合成プログラ
ムのほかに、リズムや楽曲の自動演奏プログラムを組み
合わせて実行させるようにしてもよい。さらに、ＤＳＰ
やＭＰＵは楽音合成処理だけに限らず、操作子処理や表
示管理処理、及びゲーム等の処理を行うようにしてもよ
い。

【００３０】

【発明の効果】本発明は以上のように、信号伝達手段に
反射手段を設け、この反射手段に与える反射係数を、信
号伝達手段を伝達する信号、あるいは時間変化信号に基
づいて発生することにより、スネアが共鳴振動のさわり
となるスネアドラムの音を物理モデルを用いて合成する
ことができるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施例の楽音信号合成装置の構
成を示す図である。

【図２】 ウェーブガイドの構成、及び本発明の第２実
施例の楽音信号合成装置における反射機能を有するウェ
ーブガイド及び反射・透過切り換え手段だけの構成を示
す。

【図３】 本発明の第２実施例の楽音信号合成装置にお
ける反射機能を有するウェーブガイド及び反射・透過切
り換え手段だけの構成、及び係数を発生する手段の変形
例を示す。

【図４】 本発明の第２実施例の楽音信号合成装置にお
ける反射機能を有するウェーブガイド及び反射・透過切
り換え手段だけの構成を示す。

【符号の説明】

１ 駆動波形発生部、２−１〜２−ｎ，３−１〜３−ｎ
ウェーブガイド、４−１〜４−３ 合成器、５ 出力
ミキサ、６ アドミタンス、７，１０ 加算器、８ 遅
延回路、９ 減算器、１１ 係数乗算器、１２ フィル
タ、１３ ノイズ発生器、１４ セレクタ、１５ 制御
回路、２１，２３，２４，２６，３０，３２ 加算器、
２２，２７，３１，３３ 遅延回路、２８，３４ フィ
ルタ、４０，４３，４４ 任意時間関数発生器、４１
係数テーブル、４２ 補間器、４５ リミッタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 双方向に信号路を持ち、少なくともそ
   の一方に遅延手段を含む信号伝達手段と、 該信号伝達手段に駆動信号波形を出力する駆動信号発生
   手段と、 前記双方向の信号路の少なくとも一方の信号路の信号
   を、他方の信号路の信号に負の反射係数あるいは正の透
   過係数のいずれかの係数に応じて結合させる、前記信号
   伝達手段に設けられた信号反射手段と、 前記信号伝達手段を伝達する信号の値に応じて前記負の
   反射係数あるいは前記正の透過係数のいずれかの係数を
   発生する反射係数発生手段とを備えることを特徴とする
   楽音信号合成装置。
2. 【請求項２】 双方向に信号路を持ち、少なくともそ
   の一方に遅延手段を含む信号伝達手段と、 該信号伝達手段に駆動信号波形を出力する駆動信号発生
   手段と、 前記双方向の信号路の少なくとも一方の信号路の信号
   を、他方の信号路の信号に負の反射係数あるいは正の透
   過係数のいずれかの係数に応じて結合させる、前記信号
   伝達手段に設けられた信号反射手段と、 時間変化信号発生手段により発生された時間変化信号の
   値に応じた前記負の反射係数あるいは前記正の透過係数
   のいずれかの係数を発生する反射係数発生手段とを備え
   ることを特徴とする楽音信号合成装置。