JP5151483B2 - 係数測定装置、効果付与装置、および楽音発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、アコースティック楽器の共鳴を忠実に再現することができる係数測定装置、効果付与装置、およびこの効果付与装置を用いた楽音発生装置に関する。

アコースティック楽器の楽音をライブ演奏等のために増幅する場合、マイクで収音することが一般的である。しかし、マイクでアコースティック楽器の楽音を収音すると、ハウリングが発生しやすいという問題がある。そこで、ピエゾピックアップを用いて弦振動を拾い、音声信号として出力する場合が多い。

しかし、ピエゾピックアップではアコースティック楽器の共鳴音（例えばアコースティックギターの胴共鳴）を十分に拾うことができない。そこで、ディレイやリバーブ等の音響効果を付与し、共鳴音を再現するものが提案されている（例えば特許文献１参照）。また、残響感を再現するためにＦＩＲフィルタを用いて信号処理を行うものも提案されている（例えば特許文献２参照）。
特開２００３−１５６４４号公報 特開２００５−２４９９７号公報

しかし、特許文献１のように、ディレイやリバーブ等の音響効果を付与するだけではアコースティック楽器の箱鳴り（特定の周波数が強調されたり減衰されたりすること。）のような共鳴感を表現できなかった。

また、特許文献２のようにＦＩＲフィルタを用いる場合には、事前にインパルス応答を測定する必要があった。インパルス応答を測定するには、インパルスハンマや加振器で加振することが一般的であるが、インパルスハンマの測定では測定のばらつきが多く、安定した測定ができないという問題があった。また、加振器の測定では、加振器を楽器に接触させるため、実際の演奏時と共鳴特性が変わってしまうという問題があった。

そこで、この発明は、インパルス応答の測定をする必要なく、アコースティック楽器の共鳴を忠実に再現することができる係数測定装置、効果付与装置、およびこの効果付与装置を用いた楽音発生装置を提供することを目的とする。

この発明の係数測定装置は、楽器の弦振動に基づくピックアップ信号を入力するライン入力部と、マイク取得信号を入力するマイク入力部と、ピックアップ信号を入力する適応フィルタ部と、を備えている。また、この発明の効果付与装置は、楽器の弦振動に基づくピックアップ信号を入力するライン入力部と、前記係数測定装置で予め推定された伝達関数が設定され、この設定された伝達関数で前記ピックアップ信号を処理した出力信号を生成するフィルタ部と、前記出力信号を出力する出力部と、を備えている。適応フィルタ部は、楽器の共鳴に基づく伝達関数、および楽器からマイクに至る音響空間の伝達関数を推定する。適応フィルタ部は、この推定した伝達関数でピックアップ信号を処理して出力信号を生成する。また、適応フィルタ部は、出力信号とマイク取得信号との差分を参照信号として伝達関数を更新する。出力信号は、適応フィルタ部が伝達関数を都度更新することでマイク取得信号に近づけられる。そのため、出力信号には、共鳴音や残響音が含まれる。このようにして推定された伝達関数を設定したフィルタ部を備えた装置であれば、アコースティック楽器の共鳴音や残響音を再現した信号を出力することができ、また、いわゆる箱鳴りのような共鳴感も再現することが可能である。また、ピックアップ信号には、音響空間のノイズ、帰還音声（外部で増幅された後に放音された出力信号）が含まれていないため、出力信号がループしてハウリングが発生するおそれも少ない。

また、上記発明の係数測定装置において、適応フィルタ部は、楽器の共鳴時間に相当するタップ数を備えていることが望ましい。タップ数が多いと適応フィルタ部の演算量が増大するだけでなく、実際の共鳴時間よりも多いタップ数はノイズ成分として寄与することとなる。また、タップ数が少ない場合は胴共鳴を再現することができない。そのため、実験等により実際のアコースティック楽器の共鳴時間を測定するか、一般的なアコースティック楽器の平均共鳴時間を設定しておくことが望ましい。

また、この発明の楽音発生装置は、上記効果付与装置に加え、弦振動を検出し、ピックアップ信号を生成するピックアップ、および前記ピックアップ信号を出力するピックアップ出力部を備えた楽器と、をさらに備え、効果付与装置のライン入力部にピックアップ出力部を接続することを特徴とする。

この発明によれば、インパルス応答の測定をする必要なく、アコースティック楽器の共鳴を忠実に再現することができる。

以下、本発明に係る実施形態として、ギター、係数測定装置、および共鳴シミュレーション装置（効果付与装置）について説明する。図１は、ギターおよび係数測定装置の構成を示す図である。

ギター１は、ピックアップ１１を有するエレクトリックアコースティックギターである。ピックアップ１１は、ギター１の下駒部に設けられており、ギター１の筐体や弦等の振動を音声信号として検出する。ピックアップ１１で検出された音声信号は、フロントエンドのアンプで増幅され、出力端子（不図示）を経て外部に出力される。ピックアップ１１には、電磁誘導により振動を検出するマグネティックピックアップや圧電効果により振動を検出する圧電素子等が用いられる。

係数測定装置２は、ＦＩＲフィルタ２１、加算器２２、ライン入力端子２３、マイク入力端子２４、および出力端子２５を備えている。上記ギター１の出力端子から出力された音声信号は、ライン入力端子２３に入力され、Ａ／Ｄ変換処理によりデジタル音声信号としてＦＩＲフィルタ２１に入力される。

また、マイク入力端子２４には、マイク３が接続され、マイク３で収音したマイク信号（アナログ音声信号）が入力される。マイク入力端子２４に入力されたマイク信号は、Ａ／Ｄ変換処理によりデジタル音声信号として加算器２２に入力される。本実施形態では、マイク３は、ギター１が発する楽音を収音する。

ＦＩＲフィルタ２１は、ギター１からマイク３に至る音響経路の伝達関数、および楽器１の共鳴に基づく伝達関数を模擬し、ピックアップ１１で検出された音声信号をフィルタリングする有限長の適応型フィルタである。

図２は、係数測定装置２の信号処理系統を示したブロック図である。なお、同図に示す音声信号は全てデジタル音声信号である。同図に示すように、ＦＩＲフィルタ２１には、ピックアップ１１で検出された音声信号である入力信号ｘ（ｋ）が入力される。ＦＩＲフィルタ２１は、入力信号ｘ（ｋ）をフィルタリングし、出力信号ｙ（ｋ）を生成する。ＦＩＲフィルタ２１のフィルタ係数は、上記のように音響経路の伝達関数を模擬したものであるため、出力信号ｙ（ｋ）は、ギター１からマイク３に至る音声を模擬した信号となる。出力信号ｙ（ｋ）は、出力端子２５を経て外部へ出力される。外部へ出力された出力信号ｙ（ｋ）は、例えばアンプやスピーカを備えたサウンドシステムへ出力され、音声として放音される。なお、係数測定装置２をフィルタ係数の推定にのみ用いる場合であれば出力端子２５は必須ではなく、出力信号ｙ（ｋ）を外部に出力する構成は必須ではない。

加算器２２には、マイク信号（目標信号）ｄ（ｋ）が入力される。加算器２２は、目標信号ｄ（ｋ）から出力信号ｙ（ｋ）を減算し、誤差信号ｅ（ｋ）を出力する。誤差信号ｅ（ｋ）は、ＦＩＲフィルタ２１に入力される。この誤差信号ｅ（ｋ）は、ＦＩＲフィルタ２１のフィルタ係数を更新するための参照信号として用いられる。すなわち、ＦＩＲフィルタ２１は、目標信号ｄ（ｋ）および誤差信号ｅ（ｋ）に基づいて、フィルタ係数がギター１からマイク３に至る音響経路の伝達関数に一致するようにフィルタ係数を逐次更新する。なお、フィルタ係数がある程度収束したところで更新を止めるようにしてもよい。更新を止めることで、ハウリングが発生しやすいフィルタ係数に変更されるおそれもない。また、後述のように、ある程度収束したフィルタ係数が設定されたフィルタ部を内蔵した共鳴シミュレーション装置を実現することも可能である（図３を参照）。

上記フィルタ係数の更新には所定の適応アルゴリズムを用いる。例えば、ＬＭＳ（Ｌｅａｓｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ）アルゴリズムを用いる。ＬＭＳアルゴリズムでは、誤差信号ｅ（ｋ）の２乗平均値Ｊ＝Ｅ［ｅ（ｋ）＾２］（ただし、Ｅ［・］は期待値）とすれば、Ｊを最小にするようなフィルタ係数が演算により推定される。無論、他の適応アルゴリズムを用いるようにしてもよく、共鳴を再現する楽器に応じてアルゴリズムを変更するようにしてもよい。

また、ＦＩＲフィルタ２１には、アコースティックギターの胴鳴り時間を想定したタップ数が設定されている。アコースティックギターの胴鳴り時間は実験等により測定するか、一般的なアコースティックギターの胴鳴り時間（例えば１０数ミリ秒程度）を設定すればよい。タップ数が多いとＦＩＲフィルタ２１の演算量が増大するだけでなく、実際の胴鳴り時間よりも多いタップ数はノイズ成分として寄与する可能性もある。また、タップ数が少ない場合はギター１の胴共鳴を再現することができない。そのため、あらかじめギター１の胴鳴り時間を測定し、測定した時間に合致するようにタップ数を設定することが望ましい。なお、利用者が手動でタップ数を変更できるようにしてもよい。その場合、共鳴シミュレーション装置２に設定変更用のユーザインタフェースを設ければよい。

ここで、入力信号ｘ（ｋ）は、ピックアップ１１で検出された音声信号であるため、主に弦振動を検出したものであり、ギター１の胴共鳴を検出したものではない。一方で、目標信号ｄ（ｋ）は、マイク３の収音信号であるため、実際のギター１の楽音（放音音声）を検出したものであり、共鳴音や残響音も含まれる。出力信号ｙ（ｋ）は、目標信号ｄ（ｋ）を模擬したものであり、ＦＩＲフィルタ２１により都度、目標信号に近づけられるため、共鳴音や残響音が再現された信号となる。

そのため、本実施形態の係数測定装置２によれば、音響経路の伝達関数、および楽器の共鳴に基づく伝達関数を推定することができるとともに、ギター１の胴共鳴や残響音を再現した信号を出力することができ、また、いわゆる箱鳴りのような共鳴感も再現することが可能である。また、その場で収音した実際の楽器音声を目標信号として用いるため、経年変化等による楽器の音の変化も再現することが可能である。さらに、ピックアップ１１は、音響空間のノイズ、帰還音声（外部で増幅された後に放音された出力信号）を取得することがないため、出力信号ｙ（ｋ）がループしてハウリングが発生するおそれも少ない。

次に、上記係数測定装置２で推定された伝達関数を用いた共鳴シミュレーション装置について説明する。図３は、共鳴シミュレーション装置４の構成を示すブロック図である。なお、図１と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

共鳴シミュレーション装置４は、ＦＩＲフィルタ４１、ライン入力端子４３、および出力端子４５を備えている。ギター１の出力端子から出力された音声信号は、ライン入力端子４３に入力され、Ａ／Ｄ変換処理によりデジタル音声信号としてＦＩＲフィルタ４５に入力される。ＦＩＲフィルタ４１は、係数測定装置２で推定された伝達関数が設定されている。そのため、ＦＩＲフィルタ４１は、ライン入力端子４３から入力された音声信号をフィルタ処理することで、ギター１の胴共鳴や残響音を再現した出力信号を生成することができる。この出力信号は、出力端子４５から外部に出力さる。外部に出力された出力信号は、例えばアンプやスピーカを備えたサウンドシステムへ出力され、音声として放音される。

このように、共鳴シミュレーション装置４は、係数測定装置２で推定された伝達関数が設定されているＦＩＲフィルタを備えているため、エレクトリックアコースティックギターのピックアップ信号を入力するだけで、共鳴音や残響音が再現された信号を出力することができる。

なお、本実施形態では、ギター１としてエレクトリックアコースティックギターを示したが、通常のアコースティックギターであっても共鳴シミュレーション装置を用いることができる。この場合、アコースティックギターに別途ピックアップを取り付け、このピックアップで取得した信号を上記ライン入力端子２３（ライン入力端子４３）に入力すればよい。

また、本実施形態では、胴共鳴をシミュレートする対象楽器としてギターを示したが、無論、他のアコースティック楽器の共鳴をシミュレートしてもよい。

また、本実施形態の共鳴シミュレーション装置２において、加算器２２の後段に他のエフェクタ（ディレイ、リバーブ等）を設け、出力信号をさらに信号処理することも可能である。例えば残響音を強調したい場合等に好適である。

ギターおよび係数測定装置の構成を示す図である。 係数測定装置２の信号処理系統を示したブロック図である。 ギターおよび共鳴シミュレーション装置の構成を示す図である。

符号の説明

１−アコースティックギター
２−共鳴シミュレーション装置
３−マイク
１１−ピックアップ
２１−ＦＩＲフィルタ
２２−加算器
２３−ライン入力端子
２４−マイク入力端子
２５−出力端子

Claims (4)

1. 楽器の弦振動に基づくピックアップ信号を入力するライン入力部と、
   マイク取得信号を入力するマイク入力部と、
   前記楽器の共鳴に基づく伝達関数、および前記楽器からマイクに至る音響空間の伝達関数を推定し、当該推定した伝達関数で前記ピックアップ信号を処理した出力信号を生成するとともに、前記出力信号と前記マイク取得信号との差分を参照信号として前記伝達関数を更新する適応フィルタ部と、
   前記適応フィルタ部の前記出力信号を出力する出力部と、
   を備えた効果付与装置。
2. 楽器の弦振動に基づくピックアップ信号を入力するライン入力部と、
   マイク取得信号を入力するマイク入力部と、
   前記楽器の共鳴に基づく伝達関数、および前記楽器からマイクに至る音響空間の伝達関数を推定し、当該推定した伝達関数で前記ピックアップ信号を処理した出力信号を生成するとともに、前記出力信号と前記マイク取得信号との差分を参照信号として前記伝達関数を更新する適応フィルタ部と、
   を備えた係数測定装置であって、
   前記適応フィルタ部は、前記楽器の共鳴時間に相当するタップ数を備えることを特徴とする係数測定装置。
3. 楽器の弦振動に基づくピックアップ信号を入力するライン入力部と、
   請求項２に記載の係数測定装置で予め推定された伝達関数が設定され、この設定された伝達関数で前記ピックアップ信号を処理した出力信号を生成するフィルタ部と、
   前記出力信号を出力する出力部と、
   を備えた効果付与装置。
4. 弦振動を検出し、ピックアップ信号を生成するピックアップ、および前記ピックアップ信号を出力するピックアップ出力部を備えた楽器と、
   請求項１または請求項３に記載の効果付与装置と、を備え、
   前記ライン入力部に前記ピックアップ出力部を接続して、当該ライン入力部に前記楽器の前記ピックアップ信号を入力する楽音発生装置。

Images