JP5810574B2 - 楽音合成装置 - Google Patents

Description

この発明は、予め用意された波形データを用いて楽音信号を合成する楽音合成装置に関する。

従来から、自然楽器の挙動をシミュレートすることにより、自然楽器の発する楽音を電子的に再現しようとする試みが行われている。
自然楽器のうち、例えばピアノにおいては、多数並んだ弦のうち、鍵盤で押鍵された鍵に対応する弦をハンマーで叩いて発音させ、離鍵と同時に弦にダンパを当てて振動を静止することにより発音を停止させる。また、ある弦を叩いて振動させると、その弦から音が発せられるだけでなく、付近の弦が共鳴したり、また、弦の振動が響板を伝わって他の弦に伝達され、他の弦を振動させたりすることにより、他の弦からも音が発せられることになる。そして、このような共鳴や振動の伝達も、ピアノの演奏音を形成する大きな要素となっている。

このようなピアノの演奏音を電子的に再現しようとする試みとしては、例えば特許文献１及び２に記載のものが知られている。
特許文献１には、各音高の弦と対応する共鳴音形成チャンネルを設けて、音源が生成した、押鍵された鍵に対応する音高の楽音信号をその各共鳴音形成チャンネルに入力して各音高の弦と対応する共鳴音を形成させることが記載されている。

特許文献２には、ピアノにおける駒から響板への振動の伝播状態をシミュレートしたフィルタを用意して、このフィルタにピアノの弦の振動をシミュレートした楽音信号を供給し、フィルタから出力される楽音信号、またはそれと共にフィルタ処理する前の楽音信号を、楽音の音響として出力することが記載されている。

特許第２８２８８７２号公報 特許第２６５０５０９号公報

ところで、弦を備える自然楽器の挙動をシミュレートするに際しては、まず弦の振動による音を示す信号を生成し、その信号をもとに、共鳴や他の弦への伝播による音を示す信号を生成するという手法が、自然楽器に近い音を得るために有用であると考えられる。弦を備える自然楽器においては、演奏者の操作に基づき最初に発音するのは、通常は弦であるためである。

そして、この弦の振動による音を示す信号の生成について、特許文献１には、波形メモリ音源を用い、押鍵された鍵に対応する音高の楽音信号に所望の音色を付与すると共に演奏操作に応じてエンベロープを付与した楽音信号を生成することが記載されている。特許文献２には、物理モデル音源を用い、弦がハンマの打撃によって振動する状態をシミュレートした物理モデルである弦モデルに対し、ハンマの初速度を示すデータを与えることにより生成することが記載されている。

ここで、特許文献２に記載の手法を用いる場合、ハンマと弦の相互作用を再現するためのモデルが複雑となり、パラメータの調整等により得られる楽音の特性をある程度は調整できるものの、特定の機種の楽器の楽音を再現するといった用途には適さなかった。そして、特定の機種の楽器の楽音を少ない労力で再現したい場合、その楽器が実際に発する楽音の波形をサンプリングした波形を利用する波形メモリ音源を利用することは、一つの有効な手法である。

しかし、波形メモリ音源を用いても、例えば特許文献１に記載の手法では、音源に記憶させる各音高の楽音信号として、響板や弦の共鳴を含まない楽音信号を取得する必要がある。響板や弦の共鳴による音が含まれていると、弦の振動による音のみを再現することができないためである。従って、サンプリング作業は、発音させる弦以外の全ての弦や響板について、振動しないように制振材を配置して行う必要があり、非常な労力がかかるという問題があった。従って、多彩な機種の楽器による楽音を手軽に再現したいというような用途には向かないものである。
この発明は、このような背景に基づきなされたものであり、打弦楽器の弦モデルに供給する励振信号を、打弦楽器の音をサンプリングした波形から生成できるようにすることを目的とする。

上記の目的を達成するため、この発明の楽音合成装置は、少なくとも遅延手段を含むループ部からなるループ手段を有し、発音指示に応答して励振信号を上記ループ手段に入力することによって楽音信号を合成するようにした楽音合成装置において、共鳴を含む自然楽器の第１波形データを記憶する波形メモリと、その第１波形データのうち、音量レベルが所定レベル以上の周波数帯域の成分をそのまま通過させ、音量レベルがその所定レベルに達しない周波数帯域の成分を減衰させて第２波形データを生成する波形加工部を設け、上記波形加工部が生成した第２波形データを、上記励振信号として上記ループ手段に入力するようにしたものである。

このような楽音合成装置において、上記波形加工部に、上記第１波形データを複数の周波数帯域の波形データに分離する分離部と、上記複数の周波数帯域の各々に対応する複数のレベル制御部であって、それぞれ、上記分離手段による分離により得られた対応する周波数帯域の波形データのレベルを検出し、そのレベルが上記所定のレベルに達していなければその波形データを減衰させる複数のレベル制御部と、上記複数のレベル制御部が出力した波形データを合成して上記第２波形データを生成する波形合成部とを設けるとよい。

あるいは、上記波形加工部に、上記第１波形データを周波数分析して、その第１波形データの周波数特性を示す第１分析データを得る周波数分析部と、上記第１分析データのうち所定レベルに達していない周波数成分のレベルを減衰させて第２分析データを得る減衰部と、上記第２分析データに基づいて、その第２分析データが示す周波数特性を持つ波形データを、上記第２波形データとして生成する波形合成部とを設けるとよい。

以上のようなこの発明の楽音合成装置によれば、打弦楽器の弦モデルに供給する励振信号を、打弦楽器の音をサンプリングした波形から生成することができる。

この発明の楽音合成装置の実施形態の機能ブロック図である。 図１に示した弦モデル演算部が備える弦モデルの概略構成を示す図である。 図２に示した各弦模擬部の構成をより詳細に示す図である。 図１に示した響き除去部の構成を示す図である。 響き除去部に設けるフィルタのフィルタ特性を模式的に示す図である。 図４に示したゲートの構成を示す図である。 楽音合成装置を構成するハードウェアの例を示す図である。 響き除去部の構成の変形例を示す図である。 図８に示した響き除去部の動作について説明するための図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
まず図１に、この発明の楽音合成装置の実施形態の機能ブロック図を示す。
この図に示すように、楽音合成装置は、音源部１１，響き除去部１２，弦モデル演算部１３，響板モデル演算部１４，弦モデル制御部１５，出力波形生成部１６を備えている。また、音源部１１には、演奏操作子である鍵盤２１からの、少なくとも打鍵に係る操作情報（NoteONイベント）が入力し、弦モデル制御部１５には、これに加えて離鍵に係る操作情報（NoteOFFイベント）及び、サスティンペダル２２からのペダルオンオフに係る操作情報が入力する。

そして、これらのうち音源部１１は、鍵盤２１から入力するNoteONイベントを検出し、それに応じて、アコースティックピアノ（以下単に「ピアノ」といった場合にはこれを指す）における、NoteONイベントのあった音高の鍵の打鍵により発生する楽音のデジタル波形データを生成する機能を有する。

この音源部１１によるデジタル波形データの生成には、実際のピアノを１鍵ずつ打鍵して、打鍵により発生する音をＰＣＭ（Pulse Code Modulation）方式でデジタル波形データとして記録し、波形メモリに予め記憶させておいたものを用いる。このようなデジタル波形データを、各鍵の音高（及び打鍵のベロシティ）と対応させて記憶させておき、NoteONイベントがあった場合に、音源部１１がそのイベントに係る音高（及びベロシティ）と対応する波形データを波形メモリから読み出し、ベロシティに応じたエンベロープ処理等を行って出力することにより、打鍵に応じた波形データを生成することができる。

なお、３〜５鍵程度の音域毎に１音高分の波形データをサンプリングし、演奏時には、サンプリングした波形データのピッチを、演奏された鍵と対応するピッチにピッチシフトするようにすることにより、サンプリングの必要数を低減することも可能である。
また、波形メモリに記憶させておく波形データは、ピアノを自然な状態で打鍵して得られる波形データ、すなわち、弦の共鳴や、響板の響き、駒や響板を介しての、弦間での振動の伝達に起因する響き等が含まれる音の波形データである。この実施形態の一つの特徴は、このような波形データを用いても、弦モデル演算部１３を適切に駆動できるようにした点である。

次に、響き除去部１２は、音源部１１が出力する波形データから、打鍵に応じたハンマによる打弦により生じた波形以外の成分を除去する波形加工の機能を有する。この機能の詳細については後に詳述する。
また、弦モデル演算部１３及び響板モデル演算部１４は、それぞれピアノの弦及び響板の挙動をシミュレートしたモデルに従った演算を行う機能を有する。そして、弦モデル演算部１３及び響板モデル演算部１４は、相互に音響信号を授受しつつ、弦モデル演算部１３に対する打弦波形の入力に応じて、ピアノの各弦及び響板が発する音を示す波形データを、演算結果として出力する。これらの機能の詳細については、弦モデル演算部１３を中心に、後に詳述する。

弦モデル制御部１５は、鍵の打鍵／離鍵に係る操作情報と、サスティンペダルのオンオフに係る操作情報とに基づき、ピアノの動作を模して、弦モデル演算部１３が演算に使用するダンパの動作を示すパラメータの値を制御する機能を有する。それ以外にも、演奏操作に応じてパラメータを変化させる必要がある場合には、弦モデル制御部１５がその制御を行う。

出力波形生成部１６は、弦モデル演算部１３の演算結果である各弦が発する音の波形データと、響板モデル演算部１４の演算結果である響板が発する音の波形データとを合成して、演奏操作に応じてピアノが発する音の波形データを生成する。もちろん、複数チャンネルの波形データを生成することも可能である。例えば、特許第２６５０５０９号公報にあるように、３つのスピーカを備えたサウンドシステムでの楽音の再現に適した波形データを出力する等である。

次に、図１に示した弦モデル演算部１３のより具体的な構成について説明する。
図２に、その弦モデル演算部が備える弦モデルの概略構成を示す。ピアノにおいては、音高により１音当たり１本から３本の弦が設けられ、それが８８音分ある。図２に示すのは、このうち、１音分として３本の弦の挙動を再現する部分を取り出して示したものであり、実際には１〜３弦×８８音分の弦モデルが実装されることになる。すなわちその弦数分だけ後述する弦模擬部を備えた弦モデルが実装されることになる。

図２に示すように、楽音合成装置１０において、弦モデル演算部１３は、大まかに分けて、弦模擬部３０、ピン側結合部４０及び駒側結合部５０を備えている。
ピアノにおいて、弦の振動する部分は、主にピン（チューニングピン）と駒との間の部分であり、弦模擬部３０は、弦のうちこの部分の挙動をモデル化したものである。また、ピン側結合部４０及び駒側結合部５０は、それぞれピン及び駒における弦の接合による弦間のエネルギー授受をモデル化したものである。さらに、駒においては、響板との間でのエネルギー授受も起こるので、駒側結合部５０には、これをモデル化した構成も設けている。

また、弦模擬部３０は、３本の弦とそれぞれ対応する第１弦模擬部３１乃至第３弦模擬部３３を備えている。そして、ピン側から駒側へ進む弦振動の波を進行波、逆に駒側からピン側に進む波を後退波として、各弦模擬部には、進行波の挙動をモデル化した進行波演算部と、後退波の挙動をモデル化した後退波演算部とを設けている。以後、第１弦模擬部３１に関連する構成を代表として説明する。

第１弦模擬部３１に設けた進行波演算部３１ａと後退波演算部３１ｂとは、ピン側結合部４０に設けた加算器４１と、駒側結合部５０に設けた加算器５１とにより結合され、ループ部を形成している。このループ内において、進行波演算部３１ａと後退波演算部３１ｂとにそれぞれ弦の長さとその上を振動が伝わる速さに応じた遅延を設けることにより、進行波演算部３１ａと後退波演算部３１ｂとに、それぞれ弦の振動を模した波形を生成させることができる。
このとき、進行波演算部３１ａの出力を加算器５１により正負反転して後退波演算部３１ｂに入力し、後退波演算部３１ｂの出力を加算器４１により正負反転して進行波演算部に入力することにより、駒及びピンにおける固定端反射を模している。

また、ピン側結合部４０及び駒側結合部５０においては、上述した弦間のエネルギー授受をモデル化したウェーブガイドジャンクションを設けている。
すなわち、ピン側結合部４０には、加算器４３を設け、各弦模擬部の後退波演算部の出力に各弦からの寄与を示す係数（ａ_１〜ａ_３）を乗算器により乗じて加算器４３に入力し、加算する。そしてその結果を、進行波演算部への入力に加算する。
第１弦模擬部３１の場合、後退波演算部３１ｂの出力に乗算器４２で係数ａ_１を乗じて加算器４３に入力し、加算器４３による加算の結果を、ピンを通じた他弦からの伝播成分として、加算器４１により固定端反射の成分に加算する。

また、駒側結合部５０でも、同様な加算器と乗算器（各弦からの寄与を示す係数はｂ_１〜ｂ_３）を設けており、第１弦模擬部３１の場合、進行波演算部３１ａの出力に乗算器５２で係数ｂ_１を乗じて加算器５３に入力し、加算器５３による加算の結果を、駒を通じた他弦からの伝播成分として、加算器５１により固定端反射の成分に加算する。

ただし、駒側結合部５０は、響板とのエネルギーの授受を表わすために、加算器５４を介して、響板モデル演算部１４に駒からの振動を示す信号を入力できるようにしている。また、響板モデル演算部１４の出力も、響板からの寄与を示す係数ｃを乗算器５５により乗じて加算器５３に入力し、各弦からの入力に加算する。
ここで、響板モデル演算部１４は、駒からの振動波形を入力し、響板による共鳴の効果を付与した振動波形を出力する、ピアノの響板の特性をシミュレートするフィルタである響板モデルに従って演算を行うものである。

また、響板モデル演算部１４の出力を正負反転させて加算器５４に入力させる経路は、響板の振動を示す信号を生成するためのループの一部として機能する。また、響板モデル演算部１４の具体的な構成としては、例えば特許第２６５０５０９号公報の図６に記載のＦＩＲフィルタや同図９に記載の共鳴音形成回路を用いることができる。
また、響版モデル演算部１４は、弦モデル演算部１３を構成する全ての弦モデルについて共通であり、全ての弦モデルからの信号が入力し、全ての弦モデルに対して信号を出力する。

また、弦モデル演算部１３からの、打鍵に応じた楽音の波形データの出力としては、進行波演算部又は後退波演算部の出力信号を、各弦模擬部について加算したものを出力すればよい。弦モデル演算部１３全体からの出力は、弦モデル演算部１３を構成する全ての弦モデルからの出力信号を加算したものになる。そして、図２に示したモデルでは、ジャンクション（加算器５３）から各弦への戻りの経路（加算器５１）の経路があるので、ある弦の振動がジャンクションを介して異なる弦に伝わる、弦と弦の共鳴も再現することができる。

次に、図３に、図２に示した各弦模擬部の構成をより詳細に示す。
図３に示す構成のうち、上側のディレイ６１ａからＬＰＦ（ローパスフィルタ）６８ａまでの各部が進行波演算部であり、下側のＬＰＦ６８ｂからディレイ６１ｂまでの各部が後退波演算部である。

そして、これらのうち加算器６２ａ，６２ｂが、ハンマによる弦への打撃を示す信号を、励振信号として加算する箇所である。詳細は後述するが、鍵盤２１からのNoteONイベントに応じて音源部１１が生成した波形データを、響き除去部１２で響きの成分を除去した後、乗算器１７によって所定の係数を乗算することによりレベルを調整して、打鍵と対応する音高の弦についての弦模擬部に加算することにより、弦模擬部に、ハンマが弦を打つ時の波形を再現した励振信号の注入を行う。１音について複数の弦を設ける場合には、その全ての弦について、同じように波形の注入を行う。

また、これに合わせて、ダンパが弦から離れ、弦の振動が急速に減衰しない状態になったことを再現するため、ＬＰＦ６８ａ，６８ｂに、高い（減衰率の小さい）ゲインを与える減衰係数ＤＣ_Ｏを設定する。逆に、離鍵によりダンパが弦に接触している状態となった場合には、ダンパによる弦の振動の急速減衰を再現するため、ＬＰＦ６８ａ，６８ｂに、低い（減衰率の大きい）ゲインを与える減衰係数ＤＣ_ｃを設定する。もちろん、ＤＣ_ｃとＤＣ_Ｏの間の減衰係数ＤＣ_ｘを設定することにより、ダンパが弦に軽く接触している状態を再現することも可能である。各減衰係数により与える減衰率は、１＞ＤＣ_Ｏ＞ＤＣ_ｘ＞ＤＣ_ｃ＞０の関係にある。

また、乗算器６４ａ，６４ｂ，６５ａ，６５ｂ及び加算器６６ａ，６６ｂも、ダンパの機能をモデル化した部分である。ダンパが弦に接触している状態では、ダンパの位置が固定端と考え、各乗算器により乗算する係数においてｋ＝１に設定することにより、これを再現する。また、ｋ＝０に設定することにより、これらの各乗算器及び加算器が、弦の振動に何も影響を与えない状態となり、ダンパが弦から離れている状態を再現することができる。

もちろん、ｋを０と１の間の値に設定することにより、ダンパが弦に軽く触れている状態を再現することができるし、ｋを０から１、又は１から０に変化させる場合も、これをゆるやかに変化させることにより、ダンパが徐々に徐々に強く弦に接触する状態や、徐々に弦から離れている状態を再現することができる。上述した減衰係数についても、同様にゆるやかに変化させることは可能である。
これらの減衰係数及びｋの値の設定は、鍵盤２１からのNoteONイベント及びNoteOFFイベントと、サスティンペダル２２からのペダルオンオフのイベントに従い、弦モデル制御部１５が行う。打鍵時にはハンマによる弦の打撃前に、打撃する弦のダンパを解除し、離鍵時にはダンパを弦に接触させ、サスティンペダルがオンされた場合には全ての弦のダンパを解除し、オフされた場合にはダンパを戻すといった具合である。

また、６１ａ，６１ｂ，６３ａ，６３ｂ，６７ａ，６７ｂの各ディレイは、振動が弦を伝わるのに要する時間に対応する遅延を与えるためのものであり、進行波と後退波について各３箇所、再現したいピン、ハンマ、ダンパ、駒の位置関係に応じて、弦１本分の遅延時間を３箇所に分けて設定する。
ＬＰＦ６８ａ，６８ｂは、振動の伝播に伴って高次の振動波が低次の振動波より急速に減衰することを再現するためのフィルタである。低次の振動波もＬＦＰ６８ａ，６８ｂにより徐々に減衰させ、振動の自然減衰を再現する。

図２に示した各弦模擬部においては、以上の構成により、ハンマによる打撃とダンパによる制止を考慮した、弦の振動の様子を再現することができる。なお、第１弦模擬部３１〜第３弦模擬部３３のそれぞれでは、弦の発振周期に応じて各ディレイにおける遅延時間が異なるのみで、演算の工程は同じである。

次に、図１に示した響き除去部１２のより具体的な構成について説明する。
図４に、響き除去部１２の構成を示す。
図４に示すように、響き除去部１２は、ｎ個のＢＰＦ（バンドパスフィルタ）７１〜７ｎと、各ＢＰＦに対応して設けたｎ個のゲート８１〜８ｎと、加算器９０とを備える。
各ＢＰＦ７１〜７ｎは、ｎ個のフィルタで鍵盤２１の最低音から最高音までの周波数を通過帯域としてカバーしつつ、隣接するフィルタ間では通過帯域がなるべく重複しないように設けることが好ましい。そして、通過帯域の幅がログスケールの周波数で均等幅となるように設けることが好ましい。図５に、このような条件を満たす各フィルタのフィルタ特性の例を、模式的に示す。

好ましいフィルタ特性としては、例えば、各ＢＰＦの通過帯域の中心周波数を、鍵盤２１の８８鍵の各音高の周波数に合わせ、各フィルタを、対応する１／１２オクターブに入る周波数の信号を通過させるフィルタとすることが考えられる。
また、より粗く、４鍵に１バンドのフィルタとし、２２バンドの各フィルタが対応する１／３オクターブに入る周波数の信号を通過させるようにしてもよい。逆に、より細かくして、１鍵に２バンドのフィルタとし、１７６バンドの各フィルタが対応する１／２４オクターブに入る周波数の信号を通過させるようにしてもよい。

フィルタを細かく設けた方が響き除去後に好ましい特性の信号が得られるが、信号処理の演算リソースは多く費やすことになる。従って、使用できるリソースを考慮して適切なバンド数を定めるとよい。
以上のような各ＢＰＦ７１〜７ｎにより、音源部１１から入力する波形データを、各ＢＰＦと対応する周波数帯域の波形データに分離することができる。
なお、最低音をローパスフィルタとし、最高音と対応するフィルタをハイパスフィルタとすることも考えられる。

次に、図６に、図４に示したゲートの構成をより詳細に示す。
図６に示す通り、ゲート８１〜８ｎはそれぞれ、エンベロープ検知部９１、テーブル９２、ＬＰＦ９３及び乗算器９４を備える。
そして、エンベロープ検知部９１が、ゲートと対応するＢＰＦの出力波形のレベル（エンベロープ値）を検知し、テーブル９２に入力する。テーブル９２は、入力のレベルが所定の閾値ｓより小さい場合に０を、ｓ以上である場合に１を出力する。ＬＰＦ９３は、乗算器９４に与える係数が、急激に変化しないようにスムージングするために設けたものであり、係数補間器にて代替することもできる。そして、テーブル９２の出力をＬＰＦ９３を通して乗算器９４に乗算係数として設定し、対応するＢＰＦの出力波形にその乗算係数を乗じて、図４に示した加算器９０に入力する。

以上の各部により、ゲート８１〜８ｎは、音源部１１から入力する波形データのうち対応するＢＰＦが通過させる周波数帯域の成分について、その周波数帯域のレベルが所定値以上の場合にそのまま通過させ、レベルが所定値に達していない場合には減衰させることができる。
従って、各ゲート８１〜８ｎの出力を加算器９０により加算することにより、音源部１１から入力する波形データのうち、音量レベルが所定レベルに達しない周波数帯域の成分を除去した波形データを生成することができる。

音源部１１から入力する波形データのうち、打鍵に応じたハンマによる打弦により生じた音の成分は、音量レベルが、打弦後に、弦内での振動伝播、響板の振動、弦間の共鳴等により生じる響きの成分よりも高いと考えられる。従って、上記のような響き除去部１２によってレベルの低い周波数帯域の成分を除去することにより、ピアノを特に振動を制約しない状態で発音させてサンプリングして得た波形データを、音源部１１での発音に用いても、出力波形データからハンマによる打弦により生じた音以外の成分を効果的に除去して、弦模擬部３０に入力すべき、ハンマによる打弦により生じた音の波形データを容易に得ることができる。

このため、ハンマと弦との相互作用を物理的にモデリングしなくても、弦模擬部３０に、実機のピアノにおける打弦のエネルギーを模した自然な入力データを与えることができる。すなわち、打弦楽器の弦モデルに供給する励振信号を、打弦楽器の音をサンプリングした波形から生成することができるので、打弦に関しては、シミュレーションモデルの構築が不要であるし、モデルによる再現が不十分なことに起因する音質の低下も起こらない。
一方、音源部１１が使用する波形データのサンプリングにかかる手間も小さいため、多彩な機種、あるいは多彩な奏法での波形データを低コストでサンプリングすることができ、多彩な機種や奏法に係る音を、低コストで再現することができる。

ハンマによる打弦により生じた音の波形データは、ハンマによる弦の打撃により弦に与えられるエネルギーを的確に反映していると考えられ、この波形データを弦のモデルに励振信号として入力することにより、打撃後に弦に生じる振動を適切に再現することができると考えられる。

すなわち、ある鍵が打鍵（ＮｏｔｅＯＮ）されたとき、複数の弦モデルのうち、打鍵された鍵の音高に対応する弦のモデルに、ハンマの打弦により生じた励振信号が供給され、その弦モデルにおいて振動が発生する。その振動は、ジャンクションを介して響板モデルや他の弦のモデルに伝播し、響板モデルにおいて響板の振動による響きが付与され、他の弦のモデルにおいて弦の共鳴による響きが付与される。他の弦モデルの共鳴については、ダンパペダルがオフの場合は、その時点で押鍵されている鍵（ＮｏｔｅＯＮ後のＮｏｔｅＯＦＦが未発生の鍵）の弦のうちの調和関係にある弦のモデルが主に共鳴し、ダンパペダルがオンの場合は、全ての調和関係にある弦が共鳴する。また、同時に複数の鍵が打鍵された場合も同様に、それぞれの鍵について、対応する弦モデルに対応する励振信号が供給され、それらの弦モデルで振動が発生し響板モデルや他の弦モデルに伝播する。そして、各弦モデルで発生した振動、共鳴、および、響板モデルで発生した響きは、出力波形生成部１６において混合され、出力波形が形成される。

なお、ハンマによる打弦で生じる音は、打弦後極めて短い時間にしか発せられないと考えられる。そこで、NoteONイベントから所定時間経過した後は、音源部１１における波形データの出力を停止させたり、響き除去部１２において全周波数成分をカットしたりするようにしてもよい。

次に、以上説明してきた楽音合成装置１０を実現するためのハードウェアについて説明する。
図７は、楽音合成装置を構成するハードウェアの例を示す図である。
この図に示すように、楽音合成装置１０は、ＣＰＵ１０１，ＲＯＭ１０２，ＲＡＭ１０３，ＭＩＤＩ＿Ｉ／Ｆ（インタフェース）１０４，パネルスイッチ１０５，パネル表示器１０６，音源部１０７，ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１０８，ＤＡＣ（デジタル／アナログコンバータ）１０９をシステムバス１１２により接続すると共に、サウンドシステム１１０及び波形メモリ１１１を設けて構成することができる。

これらのうちＣＰＵ１０１は、楽音合成装置１０全体を制御する制御手段であり、ＲＯＭ１０２に記憶された所要の制御プログラムを実行することにより、パネルスイッチ１０５の操作検出、パネル表示器１０６における表示の制御、ＭＩＤＩ＿Ｉ／Ｆ１０４を介した通信の制御、音源部１０７による波形データ生成、ＤＳＰ１０８による波形データの演算、及びＤＡＣ１０９におけるＤＡ変換等を制御する制御動作を行う。また、図１に示した弦モデル制御部１５の機能及び、音源部１１や弦モデル制御部１５へのイベントの供給に係る機能は、ＣＰＵ１０１が担う。

ＲＯＭ１０２は、ＣＰＵ１０１が実行する制御プログラムや、パネル表示器１０６に表示させる画面の内容を示す画面データ、ＤＳＰ１０８に設定する、響き除去部１２や弦モデル演算部１３等の処理に用いるパラメータのデータ等、あまり頻繁に変更する必要のないデータを記憶する、フラッシュメモリ等による書き換え可能な不揮発性記憶手段である。
ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１のワークメモリとして使用する記憶手段である。
ＭＩＤＩ＿Ｉ／Ｆ１０４は、鍵盤２１及びサスティンペダル２２といった演奏操作子や、これらに代わって演奏内容を示す演奏データを提供するＭＩＤＩシーケンサ等の外部装置との間でＭＩＤＩデータの入出力を行うためのインタフェースである。

パネルスイッチ１０５は、楽音合成装置１０の操作パネル上に設けた、ボタン、ノブ、スライダ、タッチパネル等の操作子であり、パラメータの設定や、画面や動作モードの切り替え等、ユーザからの種々の指示を受け付けるための操作子である。
パネル表示器１０６は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）ランプ等によって構成され、楽音合成装置１０の動作状態や設定内容あるいはユーザへのメッセージ、ユーザからの指示を受け付けるためのグラフィカル・ユーザ・インタフェース（ＧＵＩ）等を表示するための表示手段である。

音源部１０７の機能は、図１を用いて説明した音源部１１の機能と同様である。音源部１０７が読み出す波形データは、波形メモリ１１１に記憶させておく。
ＤＳＰ１０８は、図１乃至図６を用いて説明してきた響き除去部１２、弦モデル演算部１３、響板モデル演算部１４及び出力波形生成部１６の機能に係る信号処理を実行する。プログラマブルなプロセッサを用いて構成することも可能である。
ＤＡＣ１０９は、ＤＳＰ１０８が出力するデジタル波形データをアナログ音響信号に変換して、サウンドシステム１１０を構成するスピーカを駆動する。なお、サウンドシステム１１０は、楽音合成装置１０を音声でなく楽音信号を出力するように構成する場合には、不要である。ＤＡＣ１０９も、アナログではなくデジタルの波形データを出力するように構成する場合には、不要である。

以上で実施形態の説明を終了するが、装置の構成、モデルの構造、具体的な演算の手順や内容等が上述の実施形態で説明したものに限られないことはもちろんである。
例えば、響き除去部１２については、図８に示す構成を採用することもできる。
すなわち、周波数分析部１２１と、減衰部１２２と、波形合成部１２３とを備えた構成とすることができる。

そしてまず、周波数分析部１２１により、音源部１１が生成した波形データの周波数分析を行い、図９（ａ）に示すような波形データの周波数特性を示す第１の周波数特性データを得る。次に、減衰部１２２により、得られた周波数特性データのうち、レベルが所定の閾値ｔに達していない周波数成分のレベルを減衰させて、図９（ｂ）に示すような第２の周波数特性データを生成する。その後、波形合成部１２３において、第２の周波数特性データに基づいて、その第２の周波数特性データが示す周波数特性を持つ波形データを生成する。

以上の各部により、上述した実施形態の響き除去部１２の場合と同様に、音源部１１から入力する波形データのうち音量レベルが所定レベルに達しない周波数帯域の成分を除去した、打鍵に応じたハンマによる打弦により生じた音の成分の波形データを生成することができる。
なお、周波数分析部１２１での周波数分析は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）により、波形合成部１２３での波形データ生成は、逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ）により行うことができる。このときの時間窓の長さは、リアルタイム処理を行うことを考慮して、１２８〜２０４８サンプル程度に定めるとよい。２０４８サンプルの場合、サンプリング周波数が５０キロヘルツであれば、時間にして約４ミリ秒分である。時間窓を狭くすれば時間遅れは小さくなるが、周波数分解能が落ちるため、あまりサンプル数を少なくすることも好ましくない。

また、演奏に先立って図８の響き除去部１２の処理を行い、その処理によって得られた波形データ、すなわち、励振信号の波形データを音源部１１の波形メモリに記憶することも考えられる。その場合、図１の響き除去部１２による処理は不要となり、音源部１１が該波形メモリから読み出して出力する波形データは、響き除去部１２をスルーして、そのまま弦モデル演算部１３（乗算器１７）に供給される。この場合、予め行われる響き除去部１２の処理は、リアルタイム処理とする必要はないので、より長い時間窓を用いて、ＦＦＴおよびＩＦＦＴの演算を高精度に行うことができる。

また、別の変形として、図１に示した弦モデル演算部１３及び響板モデル演算部１４の演算アルゴリズムを、上述した実施形態とは異なるものとすることができる。少なくとも遅延手段を含むループ部からなるループ手段を有し、発音指示に応答して励振信号を前記ループ手段に入力することによって楽音信号を合成するモデルであれば、この発明はどのようなモデルにより楽音信号を生成する場合でも適用可能である。
上述した実施形態ではピアノの楽音を再現する例について説明したが、固定された複数の弦に振動を与えて発音させる楽器であれば、ピアノ以外の楽器の楽音を再現する場合も、この発明は適用可能である。
また、実施形態の説明において述べたものも含め、以上において述べた変形は、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて適用可能である。

以上の説明から明らかなように、この発明の楽音信号生成装置によれば、打弦楽器の弦モデルに供給する励振信号を、打弦楽器の音をサンプリングした波形から生成することがことができる。
従って、この発明を適用することにより、より多彩な楽音の出力が可能な楽音合成装置を容易に構成することができる。

１０…楽音合成装置、１１…音源部、１２…響き除去部、１３…弦モデル演算部、１４…響板モデル演算部、１５…弦モデル制御部、１６…出力波形生成部、２１…鍵盤、２２…サスティンペダル、３０…弦模擬部、４０…ピン側結合部、５０…駒側結合部

Claims (3)

1. 少なくとも遅延手段を含むループ部からなるループ手段を有し、発音指示に応答して励振信号を前記ループ手段に入力することによって楽音信号を合成するようにした楽音合成装置であって、
   共鳴を含む自然楽器の第１波形データを記憶する波形メモリと、
   該第１波形データのうち、音量レベルが所定レベル以上の周波数帯域の成分をそのまま通過させ、音量レベルが該所定レベルに達しない周波数帯域の成分を減衰させて第２波形データを生成する波形加工部を備え、
   前記波形加工部が生成した第２波形データを、前記励振信号として前記ループ手段に入力することを特徴とする楽音合成装置。
2. 請求項１に記載の楽音合成装置であって、
   前記波形加工部が、
   前記第１波形データを複数の周波数帯域の波形データに分離する分離部と、
   前記複数の周波数帯域の各々に対応する複数のレベル制御部であって、それぞれ、前記分離手段による分離により得られた対応する周波数帯域の波形データのレベルを検出し、該レベルが前記所定のレベルに達していなければ該波形データを減衰させる複数のレベル制御部と、
   前記複数のレベル制御部が出力した波形データを合成して前記第２波形データを生成する波形合成部とを備えることを特徴とする楽音合成装置。
3. 請求項１に記載の楽音合成装置であって、
   前記波形加工部が、
   前記第１波形データを周波数分析して、該第１波形データの周波数特性を示す第１周波数特性データを得る周波数分析部と、
   前記第１周波数特性データのうち所定レベルに達していない周波数成分のレベルを減衰させて第２周波数特性データを得る減衰部と、
   前記第２周波数特性データに基づいて、該第２周波数特性データが示す周波数特性を持つ波形データを、前記第２波形データとして生成する波形合成部とを備えることを特徴とする楽音合成装置。

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