JP7167892B2 - 電子楽器、楽音発生方法及びプログラム - Google Patents

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Description

本発明は、電子楽器、楽音発生方法及びプログラムに関する。
アコースティックピアノの共鳴音をより忠実に模擬できる共鳴音生成装置の技術が提案されている。（例えば、特許文献１）
特開２０１５－１４３７６４号公報
電子楽器、特に弦のモデルを使用する電子楽器において、弦のモデルを遅延出力と帰還出力とを含めたコムフィルタやウェーブガイドにより、弦同士のストリングレゾナンス効果と称される共鳴音を、弦モデル同士の信号をクロストークさせることにより発生させることは、異常発振につながる可能性が高く、実現が困難であった。
これは、すべての弦モデルの累積出力を各弦モデルに再入力すると、その累積出力自体に各弦モデルの出力が含まれているために、コムフィルタの安定した帰還量を超えたフィードバックが発生するのが主な要因となるためである。
遅延ループを応用した音源では、弦同士の共鳴を実現するために累積出力を再び各弦モデルに入力する（フィードバック型）と異常発振することが多いために、あえて共鳴器をモデル出力の後段に接続すること（フィードフォワード型）で実現されている例がある。これは、換言すると共鳴器を別途設置する方法となる。
特許文献１に記載された技術もこのフィードフォワード型に相当し、弦モデルと同等の共鳴器をフィードフォワード型で接続することで、実際の物理的な共鳴を安定して発生させることができる。しかしながらその反面、弦モデルと共に共鳴器を設けるために、回路規模は非常に大きくなると言う不具合を生じる。
本発明は前記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、回路規模を増大することなく、異常発振を抑制しながら共鳴音を生成することが可能な電子楽器、楽音発生方法及びプログラムを提供することにある。
本発明の一態様に係る電子楽器は、第１音高に対応する第１閉ループからの第１出力信号と、第２音高に対応する第２閉ループからの第２出力信号と、を加算することで加算信号を生成し、前記加算信号から前記第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより、前記第２音高に応じた信号成分を含む楽音信号を、前記第１音高に応じた楽音信号として出力し、前記減算信号は、発音中の音高に対応する閉ループに帰還させ、発音中ではない音高に対応する閉ループには帰還させない。
本発明によれば、回路規模を増大することなく、異常発振を抑制しながら共鳴音を生成することが可能となる。
本発明の一実施形態に係る共鳴する鍵相対位置に対応して共鳴音として発音させる相対音程の関係を示す図。 同実施形態に係るシステム全体を簡略化して示す図。 同実施形態に係る電子鍵盤楽器の基本的なハードウェア回路の構成を示すブロック図。 同実施形態に係る音源のＤＳＰが実行する機能をハードウェア構成として示すブロック図。 同実施形態に係る波形メモリに格納される励振信号用の８８鍵分の波形データを例示する図。 同実施形態に係る波形読出し部と窓掛け処理部の回路構成を示すブロック図。 同実施形態に係るオールパスフィルタの回路構成を示すブロック図。 同実施形態に係るローパスフィルタの回路構成を示すブロック図。 同実施形態に係る録音、収集された、或る鍵における音の強さ（ベロシティ値）の異なる楽音波形を例示する図。 同実施形態に係る強弱波形の加算合成から励振信号を生成する方法を例示する図。 同実施形態に係るベロシティ値に応じて波形メモリの読出しアドレスを変化させる過程を例示する図。 同実施形態に係る波長（ピッチ）に応じた窓関数の関係を例示する図。
以下、本発明を電子鍵盤楽器に適用した場合の一実施形態について、図面を参照して説明する。
［本実施形態の基本概念］
本発明を電子楽器に適用した場合の実施形態の具体的な構成と動作の説明を行なう前に、本実施形態での基本的な概要について説明しておく。
発生すべき共鳴音を予めノートの関係から算出しておくことで、共鳴音を生成する方法もある。例えば、Ａ４（４４０Ｈｚ）とＡ５（８８０Ｈｚ）の各音高の音を同時に重ね合わせて発音させた場合、Ａ４の第２倍音（８８０Ｈｚ）とＡ５の基音（８８０Ｈｚ）が同じ周波数となり、Ａ５（８８０Ｈｚ）の共鳴音が発生する。この場合の相対音高差は１２半音となる。
図１は、共鳴する鍵相対位置（半音単位）に対応して共鳴音として発音させる相対音程（半音単位）の関係を示す図である。図１中、鍵相対位置「＋１２」を検索し、発音する相対音程「＋１２」を得る。すなわち、ある音高を基準にした場合、例えばＡ４に１２半音をプラスした結果のＡ５を得る、というように、２音の相対的な音高差と発音すべき共鳴相対音程をルックアップテーブル等により記憶しておくか、あるいはその都度２つの音程の基音周波数の公倍数を算出することで、共鳴音を発生させる各音高を示すデータを取得し、取得されたデータに基づいて、共鳴音を発生させることができる。
このような方法を採る場合、特別な共鳴器がなく、実際に共鳴するものでもないために異常発振を生じることもない。ただし、２音を発音させる場合は１音の共鳴音を発音させるだけでよいが、３音を発音させる場合には３通りの音の組合わせで３つの共鳴関係を考慮する必要があり、共鳴音も３音となる。つまり、発音数の増加に伴って発生すべき共鳴音の組み合わせの数が急激に増加する。すなわち、各共鳴音を発音させるための発音チャンネルがそれぞれ必要となる。それゆえ、共鳴音の発生数に制限を設けるならば、発生すべき共鳴音のすべてが発生できなくなるというデメリットが生じることになるうえ、組み合わせのすべてをプロセッサで演算するならば、ソフトウェア上の負担が増すことにもなる。
そこで本実施形態では、複数の弦のモデルのストリングレゾナンス効果による共鳴音を、多くの演算リソースを追加せずに実現する。すなわち、複数の鍵の押鍵に応じて、複数の弦モデルがそれぞれ出力する各出力データを累算した全弦モデルの累算データから、自弦モデルからの出力データを減算することで得られる自弦モデルを除く他弦モデルの累算データを自弦モデルにフィードバックとして帰還入力させることで、異常発振を起こりにくくしたものである。
図２は、本実施形態に係る弦モデルシステムを簡略化して示す図である。例えばピアノの電子楽器の場合、最大８８鍵部の弦モデルＳＭ１～ＳＭ８８を備えるもので、それぞれの出力信号が加算器ＡＤ１で累算され、その累算出力を楽音信号として出力させる。同時に、同累算出力を反転アンプＭＰ１により極性（位相）を反転（－１を乗算）させた上で帰還ループ信号として各弦モデルＳＭ１～ＳＭ８８に帰還入力させる。
各弦モデルＳＭ１～ＳＭ８８では、それぞれ自身の弦モデルで出力した内容を帰還ループ信号から減算した上で、その差となる信号をモデル内のループ回路に加算することで、共鳴音を伴う楽音を発生する。
図２に示したように、累算出力を反転アンプＭＰ１により極性（位相）を反転（×－１）させる負帰還型の構成とすることで、各弦自身の帰還値が負帰還係数を減じた分低くなり、安定度を増すことができる。
そして、安定度が増すことで、共鳴値の上限をより高く設定することができ、大きなストリングレゾナンス効果を得ることができる。
ちなみに、負帰還の構成にすることで、各弦自身の帰還値が負帰還係数を減じた分低くなり、すなわち各弦の帰還率が低くなることで利得が小さくなる。弦モデルは、正帰還の遅延ループであるから各弦の音程は異なるが、各弦の直流利得は等しい。各弦の直流利得が小さくなることで、利得が高いことに起因する残留も減少できるというわけである。
［構成］
図３は、同実施形態を電子鍵盤楽器１０に適用した場合の基本的なハードウェア回路の構成を示すブロック図である。同図で、演奏操作子である鍵盤部１１での操作に応じた、ノートナンバー（音高情報）と音量情報としてのベロシティ値（押鍵速度）とを含む操作信号が、ＬＳＩ１２のＣＰＵ１２Ａに入力される。
ＬＳＩ１２は、バスＢを介してＣＰＵ１２Ａ、ＲＯＭ１２Ｂ、ＲＡＭ１２Ｃ、音源１２Ｄ、Ｄ／Ａ変換部（ＤＡＣ）１２Ｅを接続している。
ＣＰＵ１２Ａは、電子鍵盤楽器１０全体の動作を制御する。ＲＯＭ１２Ｂは、ＣＰＵ１２Ａが実行する動作プログラムや演奏のための励振信号用波形データ等を記憶する。ＲＡＭ１２Ｃは、ＣＰＵ１２ＡがＲＯＭ１２Ｂに記憶されている動作プログラムを読み出して展開記憶し、当該プログラムを実行する際のワークメモリである。ＣＰＵ１２Ａは、演奏動作時に音源１２Ｄに対して、ノートナンバーやベロシティ値などのパラメータを与える。
音源１２Ｄは、ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）１２Ｄ１、プログラムメモリ１２Ｄ２、ワークメモリ１２Ｄ３を有する。ＤＳＰ１２Ｄ１がプログラムメモリ１２Ｄ２に記憶される動作プログラムや固定データを読み出してワークメモリ１２Ｄ３上に展開して記憶させた上で動作プログラムを実行することにより、ＣＰＵ１２Ａから与えられたパラメータに応じて、ＲＯＭ１２Ｂから必要な励振信号用波形データに基づく部分データを読出し、信号処理によって楽音信号を生成し、生成した楽音信号をＤ／Ａ変換部１２Ｅへ出力する。
Ｄ／Ａ変換部１２Ｅは、楽音信号をアナログ化してアンプ（ａｍｐ．）１３へ出力する。アンプ１３で増幅されたアナログの楽音信号により、スピーカ１４が楽音を拡声放音する。
図４は、主として音源１２ＤのＤＳＰ１２Ｄ１が実行する機能をハードウェア構成として示すブロック図である。同図は、後述するノートイベント処理部３１、波形メモリ３４、加算器４４、遅延保持部４８、反転アンプ４９を除いて、図中にIVで示す範囲が鍵盤に含まれる１鍵に相当する。この電子鍵盤楽器１０では、鍵盤部１１に８８鍵あるものとして、同様の回路が８８鍵分設けられる。
また電子鍵盤楽器１０では、実際のアコースティックピアノに準じて、１鍵当たりで１本（最低音域）、２本（低音域）または３本（中音域以上）の弦モデルの信号循環回路を有するものとする。図４では、３本の弦モデルの信号循環回路を有する鍵用の回路IVを抽出して示している。
前記鍵盤部１１での鍵の操作に応じたノートオン／オフ信号が、ＣＰＵ１２Ａからノートイベント処理部３１に入力される。
ノートイベント処理部３１は、操作された鍵に応じて、共鳴音として図１で示した発音する相対音程を考慮した上で、発音開始（ノートオン）時のノートナンバーとベロシティ値の各情報を波形読出し部３２及び窓掛け処理部３３に送出するとともに、各弦モデルのゲートアンプ３５Ａ～３５Ｃにノートオン信号とベロシティ値に応じた乗数とを送出する。
さらにノートイベント処理部３１は、エンベロープジェネレータ（ＥＧ）４２と減衰アンプ４０Ａ～４０Ｃに対して帰還減衰量を示す信号を送出する。
波形読出し部３２は、ノートナンバーとベロシティ値の情報とに応じた読出しアドレスを発生して、波形メモリ３４から励振信号としての波形データを読出す。
図５は、波形メモリ３４に格納される、励振信号用の８８鍵分の波形データを例示するものである。Ｗａｖｅ（０）が最低音の波形データ、Ｗａｖｅ（８７）が最高音の波形データである。同一波長数分だけ波形データを格納するのに際し、低音の方が波長が長いため、高いノートナンバーに対応する波形データよりも低いノートナンバーに対応する波形データの方が、波形データが長くなり、メモリにおける占有領域が大きくなる。
発音する音高にしたがって、この８８音の励振信号用波形データのどれかの先頭アドレスに、発音のベロシティ値に応じて各Ｗａｖｅ（ｎ）内でオフセットした値が加算されたアドレス値が、オフセットアドレスとして与えられる。
波形読出し部３２は、波形メモリ３４から読出した部分データを窓掛け処理部３３へ出力する。
窓掛け処理部３３は、ノートナンバー情報から当該ノートナンバーに応じた音高の波長に対応した時間幅で窓掛け（窓関数）処理を実行し、窓掛け処理後の波形データをゲートアンプ３５Ａ～３５Ｃへ送出する。
以下、３本の弦モデルの信号循環回路の１つ、例えば最上段のゲートアンプ３５Ａの後段側を例にとって説明する。
ゲートアンプ３５Ａにおいて、窓掛け処理後の波形データに対し、ベロシティ値に応じた乗数での増幅処理を施し、処理後の波形データを加算器３６Ａへ出力する。加算器３６Ａにはまた、後述する加算器４１Ａの出力する、共鳴音が重畳された波形データが帰還入力されており、その加算出力がこの弦モデルの出力として、ディレイ回路３７Ａ及び加算器４３に出力される。
ディレイ回路３７Ａは、アコースティックピアノにおいて、当該弦が振動した際に出力される音の１波長の整数部に応じた値（例えば、高音の鍵に対応している場合は２０、低音の鍵に対応している場合は２０００といった整数値）として、弦長ディレイＰｔ0_ｒ[ｎ]が設定されており、その弦長ディレイＰｔ0_ｆ[ｎ]分だけ波形データを遅延して、後段のオールパスフィルタ（ＡＰＦ）３８Ａへ出力する。
オールパスフィルタ３８Ａは、当該１波長の小数部に応じた値として、弦長ディレイＰｔ0_ｆ[ｎ]が設定されており、その弦長ディレイＰｔ0_ｆ[ｎ]分だけ波形データを遅延して、後段のローパスフィルタ（ＬＰＦ）３９Ａへ出力する。つまり、ディレイ回路３７Ａ（～３７Ｃ）及びオールパスフィルタ３８Ａ（～３８Ｃ）により、入力されたノートナンバー情報（音高情報）に応じて決定されている時間（１波長分の時間）、遅延される。
ローパスフィルタ３９Ａは、その弦長の周波数に対して設定された広域減衰用のカットオフ周波数Ｆｃ[ｎ]より低域側の波形データを通過させて、減衰アンプ４０Ａ及び遅延保持部４５Ａへ出力する。
減衰アンプ４０Ａは、共鳴音の重畳に関係ない通常の減衰処理を行ない、減衰後の波形データを加算器４１Ａへ出力する。
遅延保持部４５Ａは、ローパスフィルタ３９Ａが出力した波形データを１サンプリング周期分だけ（Ｚ－１）保持した上で減算器４６Ａへ減数として出力する。
減算器４６Ａにはまた、後述する反転アンプ４９から全弦モデルを重畳した、１サンプリング周期前の共鳴音の波形データが入力されており、ローパスフィルタ３９Ａの出力である、自身の弦モデルの波形データを減数として、その差の波形データが減衰アンプ４７Ａに出力される。
ところで、エンベロープジェネレータ４２はノートイベント処理部３１からの帰還減衰量を示す信号により、時間的に変化するＡＤＳＲ（Ａｔｔａｃｈ（立ち上がり）／Ｄｅｃａｙ（減衰）／Ｓｕｓｔａｉｎ（減衰後の保持）／Ｒｅｌｅａｓｅ（余韻））の段階に応じた音量を示す信号を乗算器５０に送出する。乗算器５０は、これと共鳴レベルの信号とを乗算して積を共鳴値を示す信号として減衰アンプ４７Ａ（～４７Ｃ）に出力する。
減衰アンプ４７Ａは、乗算器５０から入力される、共鳴値に応じた減衰率での減衰処理を行ない、減衰後の波形データを加算器４１Ａへ出力する。
加算器４１Ａは、減衰アンプ４０Ａが出力する、自身の弦モデルにおける波形データと、減衰アンプ４７Ａが出力する、自身の弦モデル分のみを減算した他の全弦モデルを重畳した共鳴音の波形データとを加算して、和となる波形データを帰還入力として加算器３６Ａへ与える。
前述した如く加算器３６Ａでの加算出力が、この弦モデルの出力として、同ループ回路内のディレイ回路３７Ａに出力されると共に、加算器４３に出力される。
加算器４３は、加算器３６Ａの出力する波形データと、同様に励振信号の循環回路を構成する他の２系統の弦モデルの加算器３６Ｂ，３６Ｃの出力する波形データとを加算処理し、その和を当該鍵の操作に応じた楽音信号として、加算器４４に出力する。
加算器４４では、押されている各鍵の楽音信号を加算し、その和を楽音発生のために次段のＤ／Ａ変換部１２Ｄへ出力する一方で、加工前の共鳴音の波形データとして遅延保持部４８へ出力する。
遅延保持部４８は、加算器４４が出力した波形データを１サンプリング周期分だけ（Ｚ－１）保持した上で、各鍵用の回路の減算器４６Ａ～４６Ｃへ出力する。
図６は、波形読出し部３２と窓掛け処理部３３の回路構成を示すブロック図である。
鍵盤部１１での押鍵があった場合、発音すべきノートナンバーとベロシティ値とに応じた先頭アドレスを示すオフセットアドレスが、オフセットアドレスレジスタ５１に保持される。このオフセットアドレスレジスタ５１の保持内容が加算器５２に出力される。
一方、発音初期時にリセットされて「０（ゼロ）」となるカレントアドレスカウンタ５３のカウント値が、加算器５２、補間部５６、加算器５５、窓掛け部５７に出力される。
カレントアドレスカウンタ５３は、励振信号の再生ピッチを保持するピッチレジスタ５４の保持値と、自身のカウント値とが加算器５５で加算された結果により、順次カウント値を増加させるカウンタとなる。
ピッチレジスタ５４の設定値である再生ピッチは、通常の場合、波形メモリ３４内の波形データのサンプリングレートが弦モデルと一致していれば「１．０」となる一方、マスタチューニングやストレッチチューニング、音律等によりピッチが変更された場合には「１．０」から加減された値が与えられる。
カレントアドレスにオフセットアドレスを加算する加算器５２の出力（アドレス整数部）が読出しアドレスとして波形メモリ３４に出力され、波形メモリ３４から対応する波形データが読出される。
読出された波形データは、補間部５６において、カレントアドレスカウンタ５３の出力する、ピッチに応じたアドレス小数部に応じて補間処理された後に、窓掛け部５７へ出力される。窓掛け部５７では、カレントアドレスカウンタ５３の出力するカレントアドレスの進行に伴い、窓テーブル５８に記憶される、ハニング（ハン／ハミング）窓やブラックマン窓などの窓関数テーブルに基づいて、波形データに対する窓掛け処理を行ない、窓掛け処理後の波形データを励振信号として、ゲートアンプ３５Ａ～３５Ｃへ出力する。
図７は、オールパスフィルタ３８Ａ（～３８Ｃ）の詳細な回路構成を示すブロック図である。前段のディレイ回路３７Ａからの出力が、減算器７１に入力される。減算器７１は、アンプ７２が出力する、１サンプリング周期前の波形データを減数として減算を実行し、その差となる波形データを遅延保持部７３及びアンプ７４へ出力する。アンプ７４は、弦長ディレイＰｔ_ｆに応じて減衰させた波形データを加算器７５へ出力する。
遅延保持部７３は、送られてきたデータを保持し、１サンプリング周期分（Ｚ－１）遅延してアンプ７２及び加算器７５へ出力する。アンプ７２は、弦長ディレイＰｔ_ｆに応じて減衰させた波形データを減算器７１へ減数として出力する。加算器７５の和出力が、前段のディレイ回路３７Ａ（～３７Ｃ）での遅延動作と合わせて、入力されたノートナンバー情報（音高情報）に応じて決定されている時間（１波長分の時間）分だけ遅延した波形データとして、後段のローパスフィルタ３９Ａ（～３９Ｃ）へ送出される。
図８は、ローパスフィルタ３９Ａ（～３９Ｃ）の詳細な回路構成を示すブロック図である。前段のオールパスフィルタ３８Ａ（～３８Ｃ）からの遅延された波形データが減算器８１に入力される。減算器８１には、アンプ８２が出力する、カットオフ周波数Ｆｃ以上の波形データが減数として与えられるもので、その差として、カットオフ周波数Ｆｃ未満の低域側の波形データが算出され、加算器８３に出力される。
加算器８３には、遅延保持部８４が出力する、１サンプリング周期前の同波形データが合わせて入力され、その和となる波形データが遅延保持部８４へ出力される。遅延保持部８４は、加算器８３から送られてきたデータを保持し、１サンプリング周期分（Ｚ－１）遅延して、このローパスフィルタ３９Ａの出力とする一方で、アンプ８２、加算器８３へも出力する。
結果としてローパスフィルタ３９Ａ（～３９Ｃ）は、その弦長の周波数に対して設定された広域減衰用のカットオフ周波数Ｆｃより低域側の波形データを通過させて、後段の減衰アンプ４０Ａ及び遅延保持部４５Ａへ出力する。
［動作］
次に前記実施形態の動作について説明する。
まず、波形メモリ３４（ＲＯＭ１２Ｂ）に格納される波形データについて説明する。
図９は、録音、収集された、同一ノートナンバーでベロシティ値の異なる楽音波形を例示する図である。図９（Ａ）がピアノ（ｐ）、図９（Ｂ）がメゾフォルテ（ｍｆ）、図９（Ｃ）がフォルテ（ｆ）の各波形を示している。モデリングにおいては、波形の最初の部分に近く、衝撃以降で倍音構成が安定した部分（図中のｔ２区間）のみを使用することが望ましい。
また、前処理として、これら複数の録音データに対し、振幅が等しくなるように正規化処理しておくことが望ましい。
図１０は、或るノートナンバーに対応する音高において、強弱波形の加算合成から励振信号を生成する方法を例示する図である。強弱に応じた波形データの先頭部分のデータを、図中にそれぞれ示す加算比率で示すような値で、格納アドレスの進行と同様の時系列に沿って、それぞれ強度が変化するように加算する。
具体的には、図１０（Ａ）は、強度の高い（音の強さが、強い）第１の波形データであるフォルテ（ｆ）の波形データの約６周期分を示すもので、この波形データに対して図１０（Ｂ）に示すように、始めの約２周期分を有効とするための加算比信号が与えられている。したがって、乗算器（アンプ）２１では、「１．０」～「０．０」の間で変化する、この加算比信号を乗数（増幅率）として波形データを乗算処理し、その積となる波形データを加算器２４へ出力する。
同様に、図１０（Ｃ）は、強度が中庸な（音の強さが、やや強い）第２の波形データであるメゾフォルテ（ｍｆ）の波形データの約６周期分を示すもので、この波形データに対して図１０（Ｄ）に示すように、中央の約２周期分を有効とするための加算比信号が与えられている。したがって、乗算器２２がこの加算比信号を乗数として波形データを乗算処理し、その積となる波形データを加算器２４へ出力する。
同じく、図１０（Ｅ）は、強度が低い（音の強さが、弱い）第３の波形データであるピアノ（ｐ）の波形データの約６周期分を示すもので、この波形データに対して図１０（Ｆ）に示すように、終盤の約２周期分を有効とするための加算比信号が与えられている。したがって、乗算器２３がこの加算比信号を乗数として波形データを乗算処理し、その積となる波形データを加算器２４へ出力する。
したがって、これらの波形データを加算する加算器２４の出力は、図１０（Ｇ）に示すように、２周期毎に「強」→「中」→「弱」と連続的に波形が変化する。
このような波形データ（励振信号用波形データ）を波形メモリ３４に格納しておき、演奏強度に応じた開始アドレスを指定することで、必要な波形データ（部分データ）を励振信号として読出す。読出した波形データは、図１０（Ｈ）に示すように、窓掛け処理部３３により窓掛け処理されて、後段の各信号循環回路に供給される。
波形データとして２～３波長分を用いるために、音高によって、波形データを構成するサンプリングデータの数は異なる。例えば、アコースティックピアノの８８鍵の場合、低音から高音で、サンプリングデータの数は約２０００～２０程度（サンプリング周波数：４４．１［ｋＨｚ］の場合）となる。
なお、前記した波形データの加算方法は、同じ楽器の演奏強度が異なる波形データの組合わせのみに限るものではない。例えば、エレクトリックピアノの場合、鍵を弱打した場合は正弦波に近い波形特性を有する一方で、強打した場合はサチュレーションした矩形波のような波形の形状となる。これらの明らかに形状の異なる波形や、例えばギターなどから抽出した波形など、様々な異なる楽器の楽音を連続して加算し、演奏強度やその他の演奏操作子により連続的に変化させるようなモデリングの楽音を発生させることができる。
図１１は、音源１２Ｄを駆動時に、波形読出し部３２がベロシティ値に応じて波形メモリ３４の読出しアドレスを変化させる過程を例示する。波形メモリ３４に、図１１（Ａ）に示すように、フォルテ（ｆ）からピアノ（ｐ）に連続して変化するような波形データを格納しておき、演奏時のベロシティ値に応じた波形データ部分を読出すべく、読出し開始アドレスを変化させる。
図１１（Ｂ）は、ベロシティ値がフォルテ（ｆ）の場合、図１０（Ｃ）は、ベロシティ値がメゾフォルテ（ｍｆ）の場合、図１０（Ｄ）は、ベロシティ値がピアノ（ｐ）の場合の、それぞれ波形データの読出し範囲を示している。
実際には前記３段階に限らず、図中に破線で窓掛け波形を示すように、ベロシティ値に応じて、例えばベロシティ値の分解能が７ビットであれば１２８段階に分けて、当該ノートナンバーでの波形データの読出し位置を連続的に変化させる。
なお、読出した波形データに対する窓掛け処理を施すに当たっては、当該音程によって波長が異なるため、窓掛け処理を施す「窓」部分の時間長も異ならせる必要がある。
図１２は、波長（ピッチ）に応じた窓関数の関係を例示する図である。図１２（Ａ）は、音高Ｆ４（ＭＩＤＩ：６５）のフォルテ（ｆ）の場合の波形データに対する、波形読出し範囲と窓関数とを示す。同様に、図１２（Ｂ）は、１オクターブ高い音高Ｆ５（ＭＩＤＩ：７７）の場合、図１２（Ｃ）は、さらに１オクターブ高い音高Ｆ６（ＭＩＤＩ：８９）の場合を示している。
各図に示すように、波形メモリ３４に格納している波形データに対して窓掛け処理した結果を励振信号として用いる際、指定されたノートナンバーに応じた音高によって波長の時間幅が異なるため、楽音として発生させる発音ピッチに応じて窓掛けを行なうサイズ（時間幅）も変更する必要がある。
なお、前述したように波形メモリ３４から波形読出し部３２が読出した波形データに対して、窓掛け処理部３３により窓掛け処理を行なうのに加えて、波形メモリ３４に格納している波形データ自体を、事前に窓掛け処理を施して不要な周波数成分を除去したものとする。
ここで用いる、格納用の波形データに施す窓関数としては、例えばハニング（ハン／ハミング）窓、ブラックマン窓、カイザー窓など、楽音の原音の倍音成分に影響が少ない関数であれば良い。
波形読出し部３２により波形メモリ３４から読出され、窓掛け処理部３３で窓掛け処理された波形データが、ゲートアンプ３５Ａ～３５Ｃを介して、操作されたベロシティ値に応じた乗数で処理された後に、弦モデルを構成する信号循環回路に入力される。
１つの弦モデルにおいては、発生する楽音の波長分の遅延を生じさせるディレイ回路３７Ａ（～３７Ｃ）を含んだ閉ループで構成されており、ループ内にはオールパスフィルタ３８Ａ（～３８Ｃ）、ローパスフィルタ３９Ａ（～３９Ｃ）、減衰アンプ４０Ａ（～４０Ｃ）と、他の音高の全弦モデルの共鳴音の波形データを帰還入力させるための遅延保持部４５Ａ（～４５Ｃ）、減算器４６Ａ（～４６Ｃ）、減衰アンプ４７Ａ（～４７Ｃ）、それらを加算する加算器４１Ａ（～４１Ｃ）、モデルの信号の励振信号を加算する加算器３６Ａ（～３６Ｃ）で構成されている。
ディレイ回路３７Ａ（～３７Ｃ）、オールパスフィルタ３８Ａ（～３８Ｃ）は、発生する楽音のピッチ周波数の小数部の逆数と１とを加算した値をデジタル処理で遅延させる関係上、波長の整数部が弦長ディレイＰｔ0_ｒ[ｎ]（～Ｐｔ2_ｒ[ｎ]）としてディレイ回路３７Ａ（～３７Ｃ）に与えられる一方で、波長の小数部が弦長ディレイＰｔ0_ｆ[ｎ] （～Ｐｔ2_ｆ[ｎ]）としてオールパスフィルタ３８Ａ（～３８Ｃ）に与えられる。
前述した如く、図４では、アコースティックピアノに準じて１鍵に対応して３本の弦モデルが設けられた、中音域乃至高音域の鍵位置に対応する回路の構成を示している。
アコースティックピアノの場合、これら３弦のモデルのピッチの調整具合がユニゾンと称され、微小に異なるピッチに設定される。これら異なるピッチは、モデリングするピアノによって調整されるパラメータである。
発音からの時間と共に倍音成分の減衰を調整するローパスフィルタ３９Ａ（～３９Ｃ）へのカットオフ周波数Ｆｃ[ｎ]も、同様にモデリングするピアノや弦に応じて設定される。
各弦モデルの出力は加算器４３で加算され、さらに８８鍵分の出力が加算器４４で加算されて、次段のＤ／Ａ変換部１２Ｅへ出力されるとともに、共鳴音の波形データとして遅延保持部４８、反転アンプ４９により負帰還入力される。
閉ループの弦モデルを励振する信号となる波形データは、波形読出し部３２により波形メモリ３４から読出され、窓掛け処理部３３により窓掛け処理された後に、ゲートアンプ３５Ａ～３５Ｃにおいてベロシティ値に応じた乗数が乗算されて、弦モデルを構成する各信号循環回路に供給される。
ノートオン（押鍵）があった時点で、ノートイベント処理部３１からエンベロープジェネレータ４２に信号が送られ、エンベロープジェネレータ４２の出力と共鳴レベルとによって算出される共鳴値が減衰アンプ４７Ａ（～４７Ｃ）に乗数（増幅率）として与えられる。
各弦モデルの遅延系の出力であるローパスフィルタ３９Ａ（～３９Ｃ）の出力は、直接減衰アンプ４０Ａ（～４０Ｃ）に送られる一方で、遅延保持部４５Ａ（～４５Ｃ）により１サンプリング周期分遅延された後に、減算器４６Ａ（～４６Ｃ）で減数として、その時点で発音されているすべての弦モデルの波形データを重畳した負帰還の共鳴音の波形データから減算される。したがって、減算器４６Ａの出力する波形データは、共鳴音から当該弦モデルの成分を除去したものとなり、減衰アンプ４７Ａ（～４７Ｃ）で共鳴値に応じた減衰が施された後に、加算器４１Ａ（～４１Ｃ）で自身の弦モデルの波形データと加算され、その和出力が当該閉ループでの帰還入力となる。
このように、予め自身の弦モデルの成分が除去された共鳴音の波形データと当該弦モデルの波形データとが加算されて閉ループ回路の帰還入力となるため、共鳴音による異常発振を抑制できる。
離鍵時のノートオフが発生する（消音化を含む弱音化指示を受け付ける）と、閉ループに内装された共鳴音用の減衰用乗算器である減衰アンプ４７Ａにより減衰係数が調整されるよう、エンベロープジェネレータ４２がＲ（Ｒｅｌｅａｓｅ（余韻））の段階の音量に対応した共鳴値の信号を出力する。
このとき、ノートオン信号が途絶えることで、新たに波形読出し部３２によって読み出された励振信号用の波形データがゲートアンプ３５Ａ～３５Ｃで遮断されて閉ループ回路に入力されなくなり、各弦モデルでは、発生する楽音信号、共鳴音分も含めて、設定されている減衰係数にしたがって自然に消音処理される。
［実施形態の効果］
以上詳述した如く本実施形態によれば、回路規模を増大することなく、異常発振を抑制しながら共鳴音を生成することが可能となる。
また本実施形態では、ノートイベント処理部３１が鍵操作に応じて出力するノートオンの信号に応じて、共鳴音も含めて対応する鍵の弦モデルでの楽音信号を発生させることができ、回路の構成と制御を簡易化できる。
さらに本実施形態では、エンベロープジェネレータ４２が出力する、楽音の音量の時間変化を制御する信号を用いて共鳴音の減衰を制御するものとしたので、共鳴音を発生させるための構成を比較的に簡易化なものとしながら、きわめて自然な減衰処理を施すことが可能となる。
加えて本実施形態では、励振信号となる波形データに対して窓関数を用いた窓掛け処理を施した後に閉ループ回路に入力させるものとしたので、波形データを閉ループ回路で共鳴音の波形データと合わせて繰り返し演算処理する際の取り扱いを効率的に実行できる。
なお、前述した如く、本実施形態は電子鍵盤楽器に適用した場合について説明したものであるが、本発明は楽器や特定のモデルに限定されるものではない。
その他、本願発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、その場合組み合わせた効果が得られる。更に、前記実施形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［請求項１］
第１音高を含む複数の音高の指定に応じて、指定された音高に対応して設けられる閉ループそれぞれの出力信号が累算された累算信号から、前記第１音高に応じた第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより前記複数の音高が共鳴する共鳴音信号を含む前記第１音高に応じた楽音信号を出力する、電子楽器。
［請求項２］
前記累算信号の極性を反転させた信号から、前記第１音高に応じた第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させる、
請求項１に記載の電子楽器。
［請求項３］
前記第１音高及び第２音高の指定に応じて、前記第１音高に応じた励振信号を循環させている前記第１閉ループに、前記第２音高に応じた励振信号を循環させている第２閉ループからの出力信号に基づく信号を加えることにより前記第２音高との共鳴音信号を含む前記第１音高に応じた楽音信号を生成するとともに、前記第２閉ループに、前記第１閉ループからの出力信号に基づく信号を加えることにより前記第１音高との共鳴音信号を含む前記第２音高の第２楽音信号を生成する、
請求項１または２に記載の電子楽器。
［請求項４］
前記励振信号は、対応する音高において音の強さがそれぞれ異なる複数の波形データに基づいて生成されている励振信号用波形データに含まれている部分データに対して窓関数を掛けることにより生成されている、
請求項３に記載の電子楽器。
［請求項５］
音高データ及び音量データを含む演奏操作データの入力に応じて、入力された前記演奏操作データに含まれる音高データが示す音高に応じた励振信号用波形データから、入力された前記演奏操作データに含まれる音量データに応じた部分データを読み出し、
読み出された前記部分データに対して窓関数を掛けることにより前記励振信号を生成する、
請求項３または４に記載の電子楽器。
［請求項６］
読み出される前記部分データのサンプル数は前記音高データが示す音高に応じて異なり、前記窓関数の窓の幅も前記音高データが示す音高に応じて異なる、
請求項５に記載の電子楽器。
［請求項７］
減算信号は、ノートオン中の音高に対応する閉ループに帰還させ、ノートオン中以外の音高に対応する閉ループには帰還させない、
請求項１乃至６のいずれかに記載の電子楽器。
［請求項８］
電子楽器のコンピュータに、
第１音高を含む複数の音高の指定に応じて、指定された音高に対応して設けられる閉ループそれぞれの出力信号が累算された累算信号から、前記第１音高に応じた第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより前記複数の音高が共鳴する共鳴音信号を含む前記第１音高に応じた楽音信号を出力させる、方法。
［請求項９］
電子楽器のコンピュータに、
第１音高を含む複数の音高の指定に応じて、指定された音高に対応して設けられる閉ループそれぞれの出力信号が累算された累算信号から、前記第１音高に応じた第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより前記複数の音高が共鳴する共鳴音信号を含む前記第１音高に応じた楽音信号を出力する、プログラム。
１０…電子鍵盤楽器
１１…鍵盤部
１２…ＬＳＩ
１２Ａ…ＣＰＵ
１２Ｂ…ＲＯＭ
１２Ｃ…ＲＡＭ
１２Ｄ…音源
１２Ｄ１…デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）
１２Ｄ２…プログラムメモリ
１２Ｄ３…ワークメモリ
１２Ｅ…Ｄ／Ａ変換部（ＤＡＣ）
１３…アンプ（ａｍｐ．）
１４…スピーカ
３１…ノートイベント処理部
３２…波形読出し部
３３…窓掛け処理部
３４…（励振信号生成用）波形メモリ
３５Ａ～３５Ｃ…ゲートアンプ
３６Ａ～３６Ｃ…加算器
３７Ａ～３７Ｃ…ディレイ回路
３８Ａ～３８Ｃ…オールパスフィルタ（ＡＰＦ）
３９Ａ～３９Ｃ…ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
４０Ａ～４０Ｃ…減衰アンプ
４１Ａ～４１Ｃ…加算器
４２…エンベロープジェネレータ（ＥＧ）
４３，４４…加算器
４５Ａ～４５Ｃ…遅延保持部（Ｚ－１）
４６Ａ～４６Ｃ…減算器
４７Ａ～４７Ｃ…減衰アンプ
４８…遅延保持部（Ｚ－１）
４９…反転アンプ（×－１．０）
５０…加算器
５１…オフセットアドレスレジスタ
５２…加算器
５３…カレントアドレスカウンタ
５４…ピッチレジスタ
５５…加算器
５６…補間部
５７…窓掛け部
５８…窓テーブル
７１…減算器
７２…アンプ
７３…遅延保持部（Ｚ－１）
７４…アンプ
７５…加算器
８１…減算器
８２…アンプ
８３…加算器
８４…遅延保持部（Ｚ－１）
ＡＤ１…加算器
Ｂ…バス
ＭＰ１…反転アンプ（×－１．０）
ＳＭ１～ＳＭ８８…弦モデル

Claims (10)

  1. 第１音高に対応する第１閉ループからの第１出力信号と、第２音高に対応する第２閉ループからの第２出力信号と、を加算することで加算信号を生成し、
    前記加算信号から前記第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより、前記第２音高に応じた信号成分を含む楽音信号を、前記第１音高に応じた楽音信号として出力し、
    前記減算信号は、発音中の音高に対応する閉ループに帰還させ、発音中ではない音高に対応する閉ループには帰還させない、
    電子楽器。
  2. 前記第１音高に対応する第１操作子及び前記第２音高に対応する第２操作子を含む複数の操作子と、音源と、を備え、
    前記音源が、
    前記第１操作子及び前記第２操作子の指定に応じて、前記第１音高に対応する前記第１閉ループからの前記第１出力信号と、前記第２音高に対応する前記第２閉ループからの前記第２出力信号と、を生成し、
    前記第１出力信号と前記第２出力信号とを加算することで前記加算信号を生成し、
    前記加算信号から前記第１閉ループ内を循環する信号を減算した前記減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより、前記第２音高に応じた信号成分を含む前記楽音信号を、前記第１音高に応じた楽音信号として出力する、請求項１に記載の電子楽器。
  3. 前記音源は、
    前記加算信号を生成するために、前記第１閉ループからの第１出力信号と、前記第２閉ループからの第２出力信号と、の加算結果の信号の極性を反転させる、請求項２に記載の電子楽器。
  4. 前記音源は、
    前記第１操作子及び第２操作子の指定に応じて、
    前記第１音高に応じた励振信号を循環させている前記第１閉ループに、前記第２音高に応じた励振信号を循環させている第２閉ループからの第２出力信号に基づく信号を加えることにより前記第２音高に応じた信号成分を含む前記第１音高に応じた楽音信号を生成するとともに、前記第２閉ループに、前記第１閉ループからの第１出力信号に基づく信号を加えることにより前記第１音高に応じた信号成分を含む前記第２音高に応じた楽音信号を生成する、請求項２または３に記載の電子楽器。
  5. 前記励振信号は、対応する音高において音の強さがそれぞれ異なる複数の波形データに基づいて生成されている励振信号用波形データに含まれている部分データに対して窓関数を掛けることにより生成されている、請求項４に記載の電子楽器。
  6. 音高データ及び音量データを含む演奏操作データの入力に応じて、入力された前記演奏操作データに含まれる音高データが示す音高に応じた励振信号用波形データから、入力された前記演奏操作データに含まれる音量データに応じた部分データを読み出し、
    読み出された前記部分データに対して窓関数を掛けることにより前記励振信号を生成する、請求項４または５に記載の電子楽器。
  7. 読み出される前記部分データのサンプル数は前記音高データが示す音高に応じて異なり、前記窓関数の窓の幅も前記音高データが示す音高に応じて異なる、請求項６に記載の電子楽器。
  8. 複数の音高それぞれを指定する複数の操作子と、
    前記複数の音高にそれぞれ対応する出力信号を生成する複数の閉ループを有する音源と、
    を備え、前記音源は、
    前記複数の操作子の操作で指定される音高の出力信号を、指定された音高に対応する閉ループから出力し、
    前記複数の閉ループそれぞれから出力される出力信号を加算することで加算信号を生成し、
    前記複数の閉ループそれぞれについて、前記加算信号から各閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を各閉ループに帰還させることにより、複数の音高による共鳴音信号を含む楽音信号を各閉ループから出力し、
    前記減算信号は、発音中の音高に対応する閉ループに帰還させ、発音中ではない音高に対応する閉ループには帰還させない、
    電子楽器。
  9. 電子楽器が、
    第１操作子及び第２操作子の指定に応じて、第１音高に対応する第１閉ループからの第１出力信号と、第２音高に対応する第２閉ループからの第２出力信号と、を生成し、
    前記第１出力信号と前記第２出力信号とを加算することで加算信号を生成し、
    前記加算信号から前記第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより、前記第２音高に応じた信号成分を含む楽音信号を、前記第１音高に応じた楽音信号として出力し、
    前記減算信号は、発音中の音高に対応する閉ループに帰還させ、発音中ではない音高に対応する閉ループには帰還させない、
    方法。
  10. 電子楽器のコンピュータに、
    第１操作子及び第２操作子の指定に応じて、第１音高に対応する第１閉ループからの第１出力信号と、第２音高に対応する第２閉ループからの第２出力信号と、を生成させ、
    前記第１出力信号と前記第２出力信号とを加算することで加算信号を生成させ、
    前記加算信号から前記第１閉ループ内を循環する信号を減算した減算信号を前記第１閉ループに帰還させることにより、前記第２音高に応じた信号成分を含む楽音信号を、前記第１音高に応じた楽音信号として出力させ、
    前記減算信号は、発音中の音高に対応する閉ループに帰還させ、発音中ではない音高に対応する閉ループには帰還させない、
    処理を実行させるプログラム。
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