JP4343780B2 - 調律装置、調律方法 - Google Patents

Description

本発明は、楽器の音や楽音信号の基本周波数と比較の基準となる基準周波数との偏差を測定し、その偏差を表示する調律装置に関する。

従来の調律装置は、マイクなどの入力手段を介して集音された楽音信号を矩形波に変換する波形整形部と、前記波形整形部から出力される矩形波間のエッジを計数することで周期を算出し、その周期からピッチを求める計測手段と、求まったピッチの音名・オクターブを判別する音名・オクターブ判別手段と、判別された音名・オクターブの基準ピッチに対し求まったピッチの誤差を算出するピッチ誤差算出部とからなり、表示部で音名とオクターブ及びピッチ誤差値を表示している（例えば、特許文献１参照。）。

また、弦楽器を調律する調律装置として、弾いた弦の入力信号のピッチを検出し、検出したピッチに対応させて弦の番号を表示している（例えば、特許文献２参照。）。
特開２０００−６６６６７号公報 特開平６−３０８９４６号公報

従来の調律装置は、入力された楽音信号を矩形波に変換し、矩形波の周期を計数することでピッチを算出する方法のみであった為、図８に示すように入力した楽音の音程に関する表示（音名やオクターブとセント誤差）のみであった。このため、音色の違いを判定することは困難であり、例えば、ピアノでオクターブ２の音名がＥの音と、ギター６弦の開放弦の音名Ｅが同じの場合、図８に示すように音程に関する表示（音名やセント誤差）が同じであって、調律対象の楽器の表示や、音色の違いを示す表示は困難であった。
また、弦楽器の調律をする場合には、調律者が弦番号と音名との対応を理解していなければならず、初心者にとっては、弦の調律作業が難しいという課題があった。例えば、弦楽器の弦を交換する際に、弦名を表示する調律装置或いは音名及びオクターブを表示する調律装置を使用したときの課題として、調律しようとしている弦の弾いた音程が、目的とする弦以外の弦名や音名が表示されるために、目的とする音程に対して高いか低いかのチューニングの判断を誤ることが度々であった。弦楽器の高い音程の弦を調律する過程で、低い音程の弦を表示することがしばしばあり、その作用を改善するには、調律者自身で調律する弦を指定しなければならないという煩わしさがあった。音色の違いを判断することは困難であった。

本発明の調律装置は、調律する楽器の音や楽音信号を入力する入力手段と、入力した信号を複数の周波数帯域毎の時系列信号に変換する変換手段を有し、楽音の波形に関する情報を記憶している波形情報記憶部と、前記波形情報記憶部の中から入力した楽音信号に該当する波形の情報を検索する楽音検索部とを有することで、調律する楽音波形に関する様々な調律作用を及ぼすようにしたものである。例として、調律の目標となる音名を自動的に定め、調律の目標とする音名のみしか表示をしないようにして、調律者の誤認識を低減することもできる。
また、音名などの音程に関する表示のほか、音色の情報を表示することで初心者でも簡単に、迅速にそして確実に調律が行なえるようにしたことを特徴としている。

本発明は、楽器の音の楽音信号から周期を抽出するピッチ抽出部と、抽出部で検出された周期とメモリに記憶された基準周期データを比較し、検出された周期のクロマチックの音名とオクターブを検索する検索部と、検出された周期の前記基準ピッチとのセント値を算出するセント値算出部と、波形情報記憶部に記憶された楽音波形の基準のスペクトルと前記楽音信号のスペクトルを比較し、楽音情報を検索する楽音検索部と、楽音検索部のから出力される楽音情報と、前記音名と、前記セント値を表示する表示部を有する調律装置とした。

さらに楽音情報が、楽器の種類を示すデータとした。
さらに音楽情報が、弦楽器の弦番号を有するデータとした。さらに音楽情報が、弦楽器のフレット数を有するデータとした。

本発明は、楽音の周期を抽出し、周期のクロマチックの音名とオクターブを検索し、周期の基準ピッチとの偏差を算出し、楽音のスペクトルと基準スペクトルとの比較により楽音の楽器の種別を判定し、音名とオクターブと偏差と楽器の種別を表示する楽器の調律方法とした。

本発明の調律装置では、調律する楽音の波形を認識して調律の目標となる音名を自動的に定め、調律の誤動作を低減するようにしたものである。これは、例えば弦楽器を調律する場合、弾いた弦の調律する弦番号や音名の対応関係を知らなくても、目標とする弦番号或は音名のみを表示することで、不要な音名表示を避けるなどの誤動作を低減するという効果がある。

また、音名などの音程に関する表示のほか、楽音に関する音色の情報を表示することで初心者でも簡単に、迅速にそして確実に調律が行なえるようにしたという効果を有している。

この発明に係る調律装置の実施例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図1は、本発明を適用した調律装置の構成を示すブロック図であり、この調律装置の全体の動作をマイクロコンピュータ２により制御するように構成されている。マイクロコンピュータには、調律装置全体の動作制御のプログラムなどが格納されたリード・オンリー・メモリや、プログラムを実行する際に必要なワーキング・エリアとしてのランダム・アクセス・メモリなどから構成されたメモリ２Ｄがある。

入力手段１は、楽器の音を電気信号に変換するマイクロフォンや、ジャックを介して得られた電気信号を増幅する低周波増幅器などで構成され、増幅された楽音信号Ｓ１を変換手段３と、波形整形手段４に出力する。

変換手段３は、後述する高速フーリエ変換部（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）であり、ＦＦＴ解析の信号（図２のような周波数スペクトルに基づくデータ）を、ＭＣＵ（マイクロコンピュ−タ）２に出力する。波形整形部４は、入力手段１の出力信号を受け、波形整形された電気信号Ｓ２（矩形波）をＭＣＵ２に出力する。

ピッチ抽出手段であるピッチ抽出部２Ａと、音名・オクターブ検索部２Ｂと、セント値算出部２Ｃと、メモリ２Ｄと、波形情報記憶部２Ｅと、楽音検索部２Ｇと、制御手段２Ｆは、マイクロコンピュ−タで構成されて構わない。
設定部６は、スイッチ部材の開閉によりスイッチ信号を発生する回路などで構成され、調律する楽器や弦楽器の弦、或いはクロマチックの音名などを外部から選択するための作用を行なう。設定部６の信号は、ＭＣＵ（マイクロコンピュ−タ）２の内部の制御手段２Ｆへ出力される。

波形情報記憶部２Ｅには、複数種類の周波数帯域に対して、例えば図２に示すテーブルのように、音名・オクターブ及びギターなどの弦に対する波形の周波数スペクトルの情報が記憶されている。

楽音検索部２Ｇは、変換手段３から出力されるＦＦＴ解析後の周波数スペクトルの信号と、予め波形情報記憶部２Ｅに記憶されている周波数スペクトルの信号とを比較し、例えば、ギターの弦の種類などに関する楽音情報を検索することもでき、制御手段２Ｆへ出力する。また、ＦＦＴ解析の周波数スペクトル信号を表示する目的で、制御手段２Ｆに出力しても構わない。

ピッチ抽出部２Ａは、電気信号Ｓ２に示す、矩形波の立ち上がり或いは立下り毎に時間間隔を計測して電気信号Ｓ２、即ち、楽音信号Ｓ１のピッチ（周期）を抽出する。抽出されたピッチの信号は、音名・オクターブ検索部２Ｂに出力される。

音名・オクターブ検索部２Ｂは、メモリ２Ｄ内に記憶されているオクターブ（完全８度の音程）や音名（オクターブ内に含まれる１２個の異なる音に付けられた名称）の基準周期デ−タと抽出したピッチの信号とを比較し、抽出したピッチに近い基準周期デ−タからクロマチック（完全８度の音程即ち、１オクタ−ブを１２個の半音階に分けた名称）の音名を算出する。検索手段２Ｂは、算出されたクロマチックの信号をセント値算出部２Ｃと制御手段２Ｆに出力すると共に、ピッチの信号をセント値算出部２Ｃへ出力する。

セント値算出部２Ｃでは、音名・オクターブ検索部２Ｂからの検索されたクロマチックの半音の信号を受け、メモリ２Ｄ内に記憶されているクロマチックの各半音の１セント（セントは、クロマチックの半音の、１００分の１程度の音程）に相当する基準デ−タの中から、該当する半音の１セントの基準デ−タを読込む。また、セント値算出部２Ｃは、該当する半音の１セントの基準デ−タと抽出したピッチの信号を基にクロマチックの半音に対するセント値を算出し、制御手段２Ｆへ出力する。

制御手段２Ｆは、音名・オクターブ検索部２Ｂとセント値算出部２Ｃならびに楽音検索部２Ｇなどの出力信号を受け、オクターブや音名とセント値、そしてＦＦＴで取得した楽音情報を加え、様々な形態の調律情報を表示する目的とした信号を表示部３へ出力する。また、制御手段２Ｆは、楽音検索部２Ｇからの信号を受け、音名・オクターブ検索部２Ｂとセント値算出部２Ｃのデータを制御し、入力した楽音波形の誤表示を防ぐため、例えば弦楽器を調律する場合、弾いた弦の調律する弦番号や音名の対応関係を知らなくても、目標とする弦番号或は音名のみを表示するような作用も実現できる。

表示部３は、針式メータや液晶表示素子、ＬＥＤ素子で構成され、様々な形態の調律情報を表示させることができる。

以上の構成においての調律装置は、電池などの携帯型バッテリを電源として持ち運びも可能である。

変換手段３の例として、高速フーリエ変換が掲げられＡ／Ｄコンバータ３Ａと、高速フーリエ変換部３Ｂで構成される。Ａ／Ｄコンバータ３Ａは、アナログ信号をデジタル信号に変換する回路であり、例えば、４４．１ｋＨｚのサンプリング周波数でサンプリングを行い、１６ｂｉｔの量子化としたデジタルデータで取り込めばよいが、データ取得数が増大するため、参照する楽器などに応じてサンプリング周波数及び量子化を低い値としても構わない。（ギターならば、１１ｋＨｚのサンプリング周波数としてもよい。）高速フーリエ変換部３Ｂは、短時間で周波数帯域毎の時系列信号（スペクトログラム）を解析する手法であり、１１ｋＨｚのサンプリング周波数の場合、０Ｈｚから５．５ｋＨｚまでの周波数スペクトル情報が得られる。高速フーリエ変換部３Ｂの実現手段として、ＤＳＰ（デジタル信号処理部）と各種のバッファ、レジスタ、ＤＭＡ（DIRECT MEMORY ACCESS）からなるデジタル信号処理手段によるＦＦＴ解析が望ましい。

図２は、ＦＦＴ処理後の周波数スペクトログラムの数値例であり、波形情報記憶部２Ｅに記憶されている。左端縦軸方向の数値Ａはアドレスであり、数値Ｂの（00000000）からクロマチック表記のオクターブ、音名、ギター開放弦音のサンプル例、ギター１２フレット(１２Ｆ)ハーモニックス音のサンプル例、そして周波数63Hz、128Hz、256Hz、512Hz、1024Hz、2048Hzに関するスペクトルレベルの例である。このように波形情報記憶部２Ｅは、各種の楽音の周波数スペクトルデータを記憶していて、そのデータを書き換え可能なメモリとしても良い。（楽器の種類、弦、調律スタイルなど様々な態様の周波数スペクトルのデータでも良い。）アドレス値（00000100）は、ギター６弦開放弦のスペクトログラムの一例であり、クロマチックの音名表記としては（オクターブ２・音名Ｅ）となる。

図３は、この6弦の開放弦のレベルをグラフに表したもので、表示部５より楽音波形の音色としての周波数スペクトログラムを追加した場合の本発明の調律装置の表示例である。セント値表示部１１には、基準周波数との差異を−５０から＋５０までのセント値で表示し、音名表示部１２には鍵盤と鍵盤上の音名１３を示し、測定された音名Eを点灯する。周波数に対応するオクターブをオクターブ表示部１５に示し、それぞれ各オクターブに対応するランプ１６のうち測定値の２オクターブの表示を点灯する。

楽音表示部２０には、楽音種類としてギター、弦番号６番、フレットを開放弦、オクターブ２、音色E、セント値０を表示する。スペクトル表示部３０には、縦軸を音の強弱を示すレベルを６４Hｚから２０４８Hzまで６ステップの周波数で表示する。

図４は、オクターブ２・音名Ｅの楽音を、ギターの弦番号の異なる弦によって弾弦で表した場合の周波数レベルを示す例であり、（例えば弦楽器の弦を交換する場合に弦を巻き上げる過程で、弦番号の異なる弦であっても音程が同じとなる過程があり）図５は、図４の周波数レベルをグラフに表したものである。

図５のグラフは、例えばギターの弦を交換する場合に弦を巻き上げる過程で、弦番号の異なる弦であっても音程が同じとなることがあり、クロマチックの音名が同じであっても、周波数スペクトルの違いによる楽音の特徴を抽出することができる。周波数スペクトルを活用し、調律対象の楽器の表示や、音色の違いを示す様々な表示も可能となり、また、弦楽器の調律をする場合、調律者が弦番号と音名との対応を理解していなくとも目的とする弾弦の調律情報のみを表示させることで、弦番号の異なる音程の表示を避けることにより容易で確実な調律が可能である。

実動作では変換手段３により図２のようなスペクトログラムの信号を、楽音検索部２Ｇを介し、制御手段２Ｆに出力する。このように変換手段３の信号を受け、制御手段２Ｆからはピッチ抽出の誤動作を防ぐ作用のほか、表示部5より波形の音色に関する表示、例えば、図３のようなスペクトログラム波形の表示をするようにしても構わない。

また、これらの一連の動作を、図６及び図７のフローチャートを参照しながらステップ毎に説明する。

図６は、本発明の調律装置のメインルーチンである。図６のステップＳ１００は、調律装置の起動したときに実行されるルーチンであり、各種のバッファ、レジスタ、パラメータなどを初期化するルーチンであり、ＭＰＵ２即ち、調律装置全体の制御を司るマイクロコンピュータが初期化される。ステップＳ１００を終了すると、ステップＳ１０１へ進む。

ステップＳ１０１は、調律者が目的とする調律のモードを外部から設定し、その状態を取込むルーチンであり、調律する楽器や弦楽器の弦、或いはクロマチックの音名などを外部から選択するための設定後、ステップＳ１０２へ進む。
ステップＳ１０２は、波形整形４の出力信号（電気信号Ｓ２）を取り込み、ステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３は、ピッチ抽出を行なうルーチンであり、電気信号Ｓ２に示す、矩形波の立ち上がり或いは立下り毎に時間間隔を計数して電気信号Ｓ２、即ち、楽音信号Ｓ１のピッチ（周期）を抽出し、ステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４は、メモリ２Ｄ内に記憶されているオクターブ（完全８度の音程）や音名（オクターブ内に含まれる１２個の異なる音に付けられた名称）の基準周期デ−タと抽出したピッチの信号とを比較し、抽出したピッチに近い基準周期デ−タからクロマチック（完全８度の音程即ち、１オクタ−ブを１２個の半音階に分けた名称）の音名とオクターブを算出し、ステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５は、検索されたクロマチックの半音の信号を受け、メモリ２Ｄ内に記憶されているクロマチックの各半音の１セント（セントは、クロマチックの半音の、１００分の１程度の音程）に相当する基準デ−タの中から、該当する半音の１セントの基準デ−タを読込む。また、セント値算出部２Ｃは、該当する半音の１セントの基準デ−タと抽出したピッチの信号を基にクロマチックの半音に対するセント値を算出し、ステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０６は、高速フーリエ変換部３Ｂ（ＦＦＴ：Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）により算出したスペクトルデータを受け、波形情報記憶部２Ｅに記憶されている楽音波形の基準のスペクトルデータと比較し、推定される楽器の音色など楽音情報を取得し、ステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０７は、表示ルーチンであり、入力した楽音のオクターブや音名とセント値、そしてＦＦＴで取得した楽音情報など、様々な形態の調律情報の中から、ステップＳ１０１で取り込んだ設定に基づき、表示部５により調律状態を表示させる動作を行う。ステップＳ１０７の実施後、このメインルーチンをリターンする。

図７は、変換手段３で実行される高速フーリエ変換のステップである。図７のステップＳ３００は、調律装置の起動したときに実行されるルーチンであり、変換手段３の構成要因の例としてＤＳＰからなるデジタル信号処理手段の各種のバッファ、レジスタ、パラメータなどを初期化するルーチンである。ステップＳ３００を終了すると、ステップＳ３０１へ進む。

ステップＳ３０１は、波形情報の取得を行なうルーチンであり、入力した楽音をデジタルデータに変換することで波形のサンプリングを行なうことを目的とし、取り込んだデータをＤＭＡ（DIRECT MEMORY ACCESS）などに記憶させる。ステップＳ３０１を終了すると、ステップＳ３０２へ進む。

ステップＳ３０２は、高速フーリエ変換による周波数成分を抽出するステップであり、ステップＳ３０１で取得した楽音波形のサンプリングデータから各周波数成分の定量化（レベルデータ）を算出する。周波数成分の定量化の例として図２のようなデータが掲げられ、デジタル信号処理の演算により、所望の有限長のスペクトル情報が算出される。ステップＳ３０２の処理を終了すると、ステップＳ３０３へ進む。

ステップＳ３０３は、算出されたスペクトル情報をＭＣＵ（マイクロコンピュータ）２に出力後、逐次波形を取り込み、前記の一連の作用を繰り返すようリターンする。

このようにＭＣＵ（マイクロコンピュ−タ）２によって構成される波形情報記憶部２Ｅと、制御手段２Ｆと、前記に説明したピッチ抽出部２Ａと、検索手段２Ｂと、セント値算出部２Ｃと、メモリ２Ｄとの作用は、以上説明したプログラムで実現できる。また、Ａ／ＤコンバータやＤＳＰなどで構成された、高速フーリエ変換処理を実施する変換手段３もプログラムで実現できる。

本発明の実施例を示す調律装置の構成を示すブロック図である。 ＦＦＴ処理後の周波数スペクトログラムの数値例である。 本発明の調律装置の表示例である。 ギターの弾弦の周波数レベルを示す例である。 図４の周波数レベルをグラフに表したものである。 本発明の調律装置のメインルーチンのフローチャートである。 変換手段３で実行するフローチャートである。 従来の調律装置の表示例である。

符号の説明

１ 入力手段
２ ＭＣＵ（マイクロコンピュ−タ）
３ 変換手段
４ 波形整形手段
５ 表示部
６ 設定部
３Ａ A/Dコンバータ（アナログ/デジタル変換部）
３Ｂ 高速フーリエ変換部
２Ａ ピッチ抽出部
２Ｂ 音名・オクターブ検索部
２Ｃ セント値算出部
２Ｄ メモリ
２Ｅ 波形情報記憶部
２Ｆ 制御手段
２Ｇ 楽音検索部
Ｓ１ 楽音信号
Ｓ２ 電気信号

Claims (4)

1. 調律する楽器の楽音信号のピッチと比較の基準となる基準ピッチデータとの偏差を測定し、その偏差を表示する調律装置であって、
   楽器の楽音信号を入力する入力部と、
   前記入力部から入力された楽音信号の波形データをＦＦＴ処理する変換部と、
   前記入力部から入力された楽音信号のピッチを抽出するピッチ抽出部と、
   前記ピッチ抽出部で抽出されたピッチとメモリに記憶された基準ピッチデータを比較し、クロマチックの音名とオクターブを検索する音名検索部と、
   前記ピッチ抽出部で抽出されたピッチと前記基準ピッチデータとのセント値を算出するセント値算出部と、
   複数種類の楽器の楽音信号の波形情報データを記憶する波形情報記憶部と、
   前記波形情報記憶部に記憶された波形情報データの基準のスペクトルと前記変換部で変換された楽音信号のスペクトルとを比較し、前記波形情報記憶部から類似する楽音情報を検索する楽音情報検索部と、
   前記楽音情報検索部で検索された楽音情報を、前記検索部で検索された音名とオクターブ、前記セント値算出部で算出されたセント値と共に表示する表示部と、
   を有することを特徴とする調律装置。
2. 前記楽音情報検索部は、前記波形情報記憶部に記憶された波形情報データから楽器の種別を特定し、前記表示部に楽器の種別を表示することを特徴とする請求項１記載の調律装置。
3. 前記楽音情報検索部で検索に使用した楽音信号の周波数成分データを前記表示部に表示することを特徴とする請求項１記載の調律装置。
4. 調律する楽器の楽音信号のピッチと比較の基準となる基準ピッチデータとの偏差を測定し、その偏差を表示する調律方法であって、
   楽器の楽音信号を入力するステップと、
   入力された楽音信号の波形データをＦＦＴ処理するステップと、
   入力された楽音信号のピッチを抽出するステップと、
   抽出されたピッチとメモリに記憶された基準ピッチデータを比較し、クロマチックの音名とオクターブを検索するステップと、
   抽出されたピッチと基準ピッチデータとのセント値を算出するステップと、
   あらかじめ複数種類記憶された波形情報データの基準のスペクトルと、ＦＦＴ処理された楽音信号のスペクトルとを比較し、類似する楽音情報を検索するステップと、
   検索された類似する楽音情報を、音名とオクターブ、セント値と共に表示するステップと、
   を有することを特徴とする調律方法。

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