JPH03140999A - Musical tone synthesizing device - Google Patents

Musical tone synthesizing device

Info

Publication number
JPH03140999A
JPH03140999A JP1278642A JP27864289A JPH03140999A JP H03140999 A JPH03140999 A JP H03140999A JP 1278642 A JP1278642 A JP 1278642A JP 27864289 A JP27864289 A JP 27864289A JP H03140999 A JPH03140999 A JP H03140999A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
data
waveform
musical
musical instrument
musical tone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP1278642A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Satoshi Usa
聡史 宇佐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Yamaha Corp
Original Assignee
Yamaha Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Yamaha Corp filed Critical Yamaha Corp
Priority to JP1278642A priority Critical patent/JPH03140999A/en
Publication of JPH03140999A publication Critical patent/JPH03140999A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Electrophonic Musical Instruments (AREA)

Abstract

PURPOSE:To allow the diversified sound creation based on the physical structure of a natural musical instrument by expressing the musical instrument with the parameters approximated by prescribed discrete elements based on a finite- element method operating the parameter data, and thereby forming the musical tone waveform data changing with time. CONSTITUTION:A parameter setting means 1 sets the parameter data approximated by the finite field of sets of the discrete elements coupled by discrete nodes with the musical instrument to synthesize the musical tone based on the finite-element method. The means sets the conditions of the displacement, speed and/or acceleration corresponding to the touch of the performance operator of the electronic musical instrument as initial conditions. An arithmetic means 3 calculates the solution of the equation of motion by using the after- touch data of the electronic musical instrument or the external data including press data together with the parameter data and initial conditions thereby forming the musical tone waveform data 4 changing with time. The diversified sound creation based on the physical structure of the natural musical instrument is possible in this way.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、楽音合成装置に関し、詳しくはいわゆる有限
要素法の手法を用いて楽音を合成する楽音合成装置に関
する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a musical tone synthesizer, and more particularly to a musical tone synthesizer that synthesizes musical tones using the so-called finite element method.

[従来技術] 従来、電子楽器における楽音合成の方式を大別すれば、
■高調波合成方式、■波形読出し方式、■フォルマント
方式、などに分類される。
[Prior Art] Traditionally, the methods of musical tone synthesis in electronic musical instruments can be roughly divided into:
It is classified into ■harmonic synthesis method, ■waveform readout method, ■formant method, etc.

ここで、■高調波合成方式は、所望の楽音波形F (t
)をフーリエ級数1で表現するもので、まず各高調波成
分ごとにその高調波と等しい周波数の正弦波の予定時間
間隔ごとの標本値を計算し、この値にその高調波成分の
振幅値に対応する定数を乗算した後加算合成する方式で
ある(例えば、特開昭48−90217号公報)。
Here, ■ the harmonic synthesis method uses the desired musical sound waveform F (t
) is expressed as a Fourier series 1. First, for each harmonic component, a sample value is calculated for each scheduled time interval of a sine wave with a frequency equal to that harmonic, and this value is used as the amplitude value of that harmonic component. This is a method of multiplying corresponding constants and then adding and synthesizing them (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 48-90217).

■波形読出し方式は、発音すべき楽音波形の基本となる
波形を予めメモリに記憶しておき、この記憶波形を所望
の読み出し速度で読み出すものである(例えば、米国特
許第3515792号公報)。
(2) The waveform readout method is a method in which a waveform that is the basis of a musical sound waveform to be generated is stored in advance in a memory, and this stored waveform is read out at a desired readout speed (for example, US Pat. No. 3,515,792).

また、■フォルマント方式は、フィルタを利用して矩形
波から各種の周波数成分を取り出して合成するものであ
る。
The formant method extracts and synthesizes various frequency components from a rectangular wave using a filter.

さらにその他にも、■所定の回帰装置を用いて過去の複
数の標本値(楽音信号の固定時間間隔ごとの標本値)か
ら新たな標本値を出力する楽音発生装置が、特公昭58
−27518号公報に開示されている。
In addition, there is also a musical tone generating device that uses a predetermined regression device to output new sample values from a plurality of past sample values (sample values at fixed time intervals of musical tone signals).
It is disclosed in Japanese Patent No.-27518.

数要素の有限な集合体で近似したパラメータデータを設
定し、そのパラメータデータを演算手段により操作して
、時間的に変化する楽音波形データを生成することとし
ている。
Parameter data approximated by a finite set of several elements is set, and the parameter data is manipulated by a calculation means to generate musical sound waveform data that changes over time.

[発明が解決しようとする課題] しかしながら、上述の■〜■の従来技術によれば、音高
、音量、および音色が時間的に変化する自然楽器の物理
的構造に基づく多様な音作りがてきないという不都合が
あった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, according to the prior art described in ■ to ■ above, it is difficult to create a variety of sounds based on the physical structure of natural musical instruments whose pitch, volume, and timbre change over time. There was an inconvenience that there was no one.

この発明は、上述の従来形における問題点に鑑み、従来
の方式では得ることのできなかった自然楽器の物理的構
造に基づく多様な音作りをすることができる楽音合成装
置およびこの楽音合成装置を用いた電子楽器を提供する
ことを目的とする。
In view of the above-mentioned problems with the conventional method, the present invention provides a musical tone synthesizer and a musical tone synthesizer capable of creating a variety of sounds based on the physical structure of natural musical instruments, which could not be obtained using conventional methods. The purpose is to provide electronic musical instruments that use

[課題を解決するための手段] この目的を達成するため、この発明に係る楽音合成装置
は、有限要素法に基づいて、楽音を合成しようとする楽
器を離散的な節点て結合された離[作 用] 上記構成の楽音合成装置によれば、楽音を合成しようと
する楽器は、有限要素法に基づぎ所定の離散要素て近似
されたパラメータで表現され、その楽器を表現するパラ
メータデータを操作することにより、時間的に変化する
楽音波形データか生成される。
[Means for Solving the Problems] In order to achieve this object, the musical tone synthesis device according to the present invention is based on the finite element method. Operation] According to the musical tone synthesis device having the above configuration, the musical instrument whose musical tone is to be synthesized is expressed by parameters approximated by predetermined discrete elements based on the finite element method, and the parameter data representing the musical instrument is By manipulating it, musical sound waveform data that changes over time is generated.

なお、パラメータデータとして、音高に対応した楽器の
形状または材質を示すデータあるいはこれらのデータに
音高に対応した所定の係数を掛けてスケーリングしたも
のを用いれは、生成される楽音波形データの音程を所望
の通りに制御することができる。
Note that if the parameter data is data indicating the shape or material of the instrument corresponding to the pitch, or data that is scaled by multiplying these data by a predetermined coefficient corresponding to the pitch, the pitch of the generated musical waveform data may be used. can be controlled as desired.

与えるべき初期条件としては、電子楽器の演奏操作子の
タッチに対応した変位、速度および/または加速度の条
件などがある。演算手段が、パラメータデータおよび初
期条件とともに電子楽器のアフタータッチデータまたは
ブレスデータ(吹奏の楽器を想定したときの吹込みの程
度を表わすデータ)を含む外力データをも用いて運動方
程式の解を算出するようにすれば、現実の楽器の発音状
況に、より近い状態で楽音波形データが生成される。
The initial conditions to be provided include displacement, velocity, and/or acceleration conditions corresponding to the touch of the performance operator of the electronic musical instrument. The calculation means calculates a solution to the equation of motion using external force data including aftertouch data or breath data (data representing the degree of blowing when assuming a wind instrument) of the electronic musical instrument, as well as parameter data and initial conditions. By doing so, musical sound waveform data can be generated in a state closer to the actual sounding state of the musical instrument.

[実施例] 以下、図面を用いてこの発明の詳細な説明する。[Example] Hereinafter, the present invention will be explained in detail using the drawings.

第1図は、この発明の一実施例に係る楽音合成装置の概
略構成を示す。同図において、1はパラメータ設定手段
、2は初期条件設定手段、3は波形演算手段、4は波形
演算手段3から出力される楽音波形データを示す。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a musical tone synthesis device according to an embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a parameter setting means, 2 is an initial condition setting means, 3 is a waveform calculation means, and 4 is musical waveform data outputted from the waveform calculation means 3.

第2図は楽音を合成しようとする楽器のモデルを表わす
模式図、第3図はこの楽器の外観図である。ここでは簡
単な例としてザイールの民族楽器であるサンプを模した
例を説明する。サンプとは第3図に示すような外観を有
し、アフリカに広く分布する摘奏の体嶋楽器である。サ
ンプは同図のように箱状(あるいは板状)の共鳴体8の
上に舌状薄片9を並べたものである。この舌状薄片9を
指で弾いて音を出す。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a model of a musical instrument for which musical tones are to be synthesized, and FIG. 3 is an external view of this instrument. Here, as a simple example, we will explain an example that imitates the sump, a folk instrument of Zaire. The sump has the appearance shown in Figure 3 and is a plucked instrument that is widely distributed in Africa. As shown in the figure, the sump consists of a box-shaped (or plate-shaped) resonator 8 on which tongue-like thin pieces 9 are arranged. This tongue-like thin piece 9 is played with a finger to produce sound.

この実施例ではサンプを模して第2図のようなモデルを
作り、その形状や密度・弾性などの材質のパラメータを
設定した。同図において、P1〜P8は長方形の板状の
断面の各節点を示ず。節点P7およびP8は固定されて
いるものとする。■1〜T6はこの長方形の板を構成す
る各離散要素(三角形要素)を示す。
In this example, a model as shown in FIG. 2 was created imitating the sump, and its shape, density, elasticity, and other material parameters were set. In the figure, P1 to P8 do not indicate nodes of a rectangular plate-like cross section. It is assumed that nodes P7 and P8 are fixed. (1) to T6 indicate discrete elements (triangular elements) constituting this rectangular plate.

このモデルを例として、以下の手順で楽音を合成する。Using this model as an example, synthesize musical tones using the following steps.

(1)与えられたパラメータから各三角形要素T1〜T
6の剛性マトリックスKを作成する。
(1) Each triangular element T1 to T from the given parameters
Create a stiffness matrix K of 6.

(2)与えられたパラメータから各三角形要素T1〜T
6の質量マトリックスMを作成する。
(2) Each triangular element T1 to T from the given parameters
Create a mass matrix M of 6.

(3)与えられたパラメータから各三角形要素T1〜T
6の減衰マトリックスCを作成する。
(3) Each triangular element T1 to T from the given parameters
6 attenuation matrix C is created.

(4)各三角形要素の初期条件(位置、スピード、およ
び加速度など)を設定する。
(4) Set initial conditions (position, speed, acceleration, etc.) for each triangular element.

(5)上記の(1)〜(3)で作成した各マトリックス
と(4)で設定した初期条件、さらに必要に応じて演奏
手法を加味した外力データなどのパラメータを考慮しつ
つ、これらに基づいて楽音波形データを合成する。
(5) Based on each matrix created in (1) to (3) above, the initial conditions set in (4), and parameters such as external force data that takes into account the performance technique as necessary. synthesize musical waveform data.

v(x y)がX方向の変位を表わす。v(x y) represents displacement in the X direction.

歪: ・・・・・ (2) 応力(平均応力モデル): (1)まず、三角形要素の剛性マトリックスにの作成に
つき説明する。
Strain: (2) Stress (average stress model): (1) First, the creation of a stiffness matrix of triangular elements will be explained.

本実施例では、いわゆる二次元の有限要素法の手法を用
いた。まず、第2図のモデルの各点P1〜P8のそれぞ
れにつき、変位、歪、および応力を以下のように置く。
In this example, a so-called two-dimensional finite element method was used. First, displacement, strain, and stress are set as follows for each point P1 to P8 of the model in FIG. 2.

変位・ ただし、u (x、y)がX方向の変位、ただし、ヤン
グ率をE1ポアソン比をνとし、dl−E/(1−ν2
) d2=νE/(1−ν2) G=E/(2(1+ν)) とする。
Displacement・where u (x, y) is the displacement in the X direction, Young's modulus is E1, Poisson's ratio is ν, and dl-E/(1-ν2
) d2=νE/(1−ν2) G=E/(2(1+ν)).

ここで、応力の式(3)の各項を1つの記号で置き換え
、式(3)を下記の式(4)で表現する。
Here, each term in the stress equation (3) is replaced with one symbol, and the equation (3) is expressed as the following equation (4).

(d)=(D)(ε)     ・・・・・・・ (4
)上記の記号を用いれは、歪エネルギーUは、と表わす
ことかできる。ただし、hは第2図のモデルの板厚、D
についての積分は物体全体についての積分の意味である
(d)=(D)(ε) ・・・・・・(4
) Using the above symbols, the strain energy U can be expressed as. However, h is the plate thickness of the model in Figure 2, D
An integral over an object means an integral over the entire object.

次に、近似方法としていわゆる三角形要素の方法を用い
て、三角形要素の頂点の変位(u)と要素内の歪(ε)
との関係を得る。
Next, using the so-called triangular element method as an approximation method, we calculate the displacement (u) of the vertex of the triangular element and the strain (ε) within the element.
Get a relationship with.

まず、1つの三角形要素に注目し、その頂点の番号をi
、j、にとする。この注目した三角形要素内の変位を一
次式で近似する。これは、要素内で歪(ε)を一定とみ
なすことである。
First, focus on one triangular element, and calculate the vertex number i
,j,. The displacement within this triangular element of interest is approximated by a linear equation. This is to consider the strain (ε) to be constant within the element.

U:α10+αIIX+α12y ■=α2゜+α21X+α22y   ・・・・・(6
)便宜上、3頂点(1番目の頂点、5番目の頂点、k番
目の頂点)の変位を全部−列に書くものとする。
U:α10+αIIX+α12y ■=α2゜+α21X+α22y ・・・・・・(6
) For convenience, the displacements of the three vertices (the first vertex, the fifth vertex, and the kth vertex) are all written in the - column.

(u)−(01,V+、u、+、VJ ub、Vk )” ・・・・・・・ (7) 式(6)の変位u、vが各頂点i て上記(7)の値をとるためには、 αlo+αIIXI +α+2y+=u+α10+αI
IXJ +α123’J=uJ(! to+ (! 目
X k+α+2yk=LIkα20+α21Xl +α
22yl=VIα20+α21XJ+α22yj=V、
+(X20+ (!2+Xk+ C122yk=’Vk
でなければならないから、 j、kにおい ・・・・(8) ・・・・・(9) ただし、 =  (XJ   Xi  )  (yk  3’+ 
 )−(xk  Xi  )  (yi   ’/l 
)・・・・・(lO) (X+、  yI ) (XJ、3’J)  (Xh、
3’k )は、それぞれi番目、1番目およびに番目の
点の座標である。
(u) - (01, V+, u, +, VJ ub, Vk)" ...... (7) The displacements u and v in equation (6) are each vertex i, and the value in (7) above is To take, αlo+αIIIXI +α+2y+=u+α10+αI
IXJ +α123'J=uJ(! to+ (! EyeX k+α+2yk=LIkα20+α21Xl +α
22yl=VIα20+α21XJ+α22yj=V,
+(X20+ (!2+Xk+ C122yk='Vk
Therefore, j, k odor...(8)...(9) However, = (XJ Xi) (yk 3'+
) − (xk Xi ) (yi '/l
)...(lO) (X+, yI) (XJ, 3'J) (Xh,
3'k) are the coordinates of the i-th, 1-th, and 2-th points, respectively.

式(9)をマトリックスの形にまとめると、・・・・・
・(11) 以上が三角形要素の方法であるが、この方法を用いるこ
とによって、三角形の頂点の変位(U)−(tl+、V
l、uJ+  vJ、  uk+  Vk)Tと要素内
の歪(ε)=(εx+6y+ γxy)Tとの関係が次
のように得られる。すなわち、式(2)と式(11)と
から、 1 ・・・・・・(12) 上記式(12)の右辺の係数マトリックスを(B)で表
わせば、 (ε)=(B)(u)        ・・・・・・(
13)である。
When formula (9) is summarized in matrix form,...
・(11) The above is the method for triangular elements. By using this method, the displacement (U)−(tl+,V
The relationship between 1, uJ+ vJ, uk+Vk)T and the strain within the element (ε)=(εx+6y+γxy)T is obtained as follows. That is, from equation (2) and equation (11), 1 ...... (12) If the coefficient matrix on the right side of equation (12) above is expressed as (B), (ε) = (B) ( u) ・・・・・・(
13).

以上の計算は頂点がt、j、にである1つの三角形要素
に着目したものであるから、このことを表わすように式
(13)の各マトリックスの記号には添字としてIJk
を付することとすれば、(6LJh= (B zk) 
(u )tJk”・・(14)となる。
The above calculation focuses on one triangular element whose vertices are t and j, so to represent this, each matrix symbol in equation (13) has IJk as a subscript.
If we add (6LJh= (B zk)
(u)tJk”...(14).

以上の関係をまとめると、応力の三角形要素成分(σ)
■、は、式(4) および式(14)から、(σ)+、
+に= (D)  (ε) +Jh2 =  (D)  (Bzk)(u)IJk ・”(15
)となる。
To summarize the above relationships, the triangular element component of stress (σ)
■, from equation (4) and equation (14), (σ)+,
+ = (D) (ε) +Jh2 = (D) (Bzk) (u) IJk ・”(15
).

一方、歪エネルギーの三角形要素成分UIJkは、歪と
応力との内積をとり積分したものだから、 =−×(三角形要素面積) × (u)IJkT(Bljk)T(D)(BIjk)
 (u)l、に=   (u)zk”(Kt、n+)(
uL+jk・・・・・(le)ま ただし、 (K+ai+ ) =hx (三角形要素面積)X (
B z++)”(D)(B zk)・・・・・(17) 次に、三角形要素(頂点i、j、k)にかかる外力(f
)lJkは (f)+jkT= (f ++g +、f J+gJ+
f br、gk)・・・・・(18) ただし、点nにかかる外力は、X方向成分をX方向の外
力をf、x方向の変位をu、y方向の外力をg、y方向
の変位を■とすれば、外力のなす仕事は、 ;Σ (f s  us  + gs  Vs  )=
 u+ft 十V+g+ + ujf、1 + vjg
、1 + ukfk+ Vkgk=  (u)zk  
(f)zb     ・・・・・(19)となる。
On the other hand, since the triangular element component UIJk of strain energy is obtained by taking the inner product of strain and stress and integrating it, = - × (triangular element area) × (u) IJkT (Bljk) T (D) (BIjk)
(u)l, ni = (u)zk”(Kt, n+)(
uL+jk...(le) However, (K+ai+) =hx (triangular element area)X (
B z++)” (D) (B zk) (17) Next, the external force (f
)lJk is (f)+jkT= (f ++g +, f J+gJ+
f br, gk)...(18) However, the external force applied to point n is as follows: If the displacement is ■, then the work done by the external force is; Σ (f s us + gs Vs )=
u+ft 10V+g+ + ujf, 1 + vjg
, 1 + ukfk+ Vkgk= (u)zk
(f) zb (19).

三角形要素の全エネルギーは、歪エネルギーと仕事のエ
ネルギーとを足したものであるから、n 2U +jk
W +jh =   (u )+、+h”(K +Jk)  (u 
)+tk一(u)zb   (f )zh  ”(20
)この式(20)をulで偏微分して;0とおくと、+
J41+J+に+5ui+”k+eVk“kHvt”k
3+u、1+に4+Vj+kHuk”ks+Vh)  
 f I = O・・121)となるが、(KIJ、)
は定義式(17)より対称マトリックスであるから、k
口=に11 である。
Since the total energy of a triangular element is the sum of strain energy and work energy, n 2U +jk
W +jh = (u)+, +h"(K +Jk) (u
)+tk-(u)zb(f)zh”(20
) By partially differentiating this equation (20) with respect to ul; and setting it to 0, +
J41+J++5ui+"k+eVk"kHvt"k
3+u, 1+ to 4+Vj+kHuk"ks+Vh)
f I = O...121), but (KIJ,)
is a symmetric matrix according to the definition formula (17), so k
Mouth = 11.

したがって、 k11u1+k12vI+J3uj+に+4v」+に+
suk十に+avk−f +・・・・・(22) 他の外力成分gl +  fJ −gJ = fk・ 
gkも同様にして算出することができる。マトリックス
にまとめると、 5 すなわち、 (K+Jk)  (u)+」h= (f)llk  ”
・(24)以上より、t、j、kを頂点とする三角形要
素に着目した剛性マトリックス(KIJk)の要素の値
が求められたこととなる。なお、ここで求めた(+’C
zk)はあくまでも全要素を考慮した剛性マトリックス
にの一部のt、j、に成分のみを表わすものである。す
なわち、第4図に示すように全6 要素を考慮した剛性マトリックスにの一部(斜線部分)
を求めたに過ぎない。したがって、剛性マトリックスK
を求めるには先ず全要素分の大きさのマトリックスKを
作っておき全要素をOにしておく。そして、あるi、j
、kについて上述のように剛性マトリックス(Kljk
)を求めて、Kに足し込んでいく。これにより、全要素
を考慮した剛性マトリックスKが求められる。
Therefore, k11u1+k12vI+J3uj++4v"++
suk + avk - f + (22) Other external force component gl + fJ - gJ = fk・
gk can also be calculated in the same way. When summarized in a matrix, 5, that is, (K+Jk) (u)+''h= (f)llk''
- (24) From the above, the values of the elements of the stiffness matrix (KIJk) focusing on the triangular elements whose vertices are t, j, and k have been found. In addition, the (+'C
zk) represents only some components of t, j, in the stiffness matrix considering all elements. In other words, as shown in Figure 4, a part (shaded area) of the stiffness matrix considering all six elements.
I just asked for it. Therefore, the stiffness matrix K
To find , first create a matrix K with the size of all the elements, and set all the elements to O. And some i, j
, k as described above for the stiffness matrix (Kljk
) and add it to K. As a result, a stiffness matrix K that takes all elements into consideration is obtained.

以上でこの楽器モデルの剛性マトリックスKが求められ
た。
The stiffness matrix K of this musical instrument model has been determined above.

この実施例は、上式(23)  (あるいは式(24)
)を全要素に拡張した同様の式の(f)のところに慣性
とか減衰などの成分を入れた運動方程式を作り、それを
解くことで波形を発生させるものである。
In this example, the above equation (23) (or equation (24)
) is extended to all elements, and a waveform is generated by creating an equation of motion in which components such as inertia and damping are added to (f), and solving it.

(2)次に、質量マトリックスMの作成について説明す
る。
(2) Next, creation of the mass matrix M will be explained.

この実施例では簡単のために、各三角形要素の質量が一
つの頂点に集中しているものと仮定する、いわゆるラン
ブト・マス・マトリックス(lumped mass 
matrix)の方法を用いた。これにより、全体の質
量を各点を中心とする複数領域に分割し、その領域ごと
の質量をその点の質量として割り当てる。
For simplicity in this example, we assume that the mass of each triangular element is concentrated at one vertex, a so-called lumped mass matrix.
matrix) method was used. As a result, the entire mass is divided into multiple regions centered on each point, and the mass of each region is assigned as the mass of that point.

このサンプのモデルでは均一な板を均一に分割すると仮
定しているので、マトリックスの対角成分の板の端に対
応する部分に(1/2)muが、他の対角成分にmuが
並ぶようなマトリックスかできる。なお、ここではラン
ブト・マス・マトリックスの方法を用いて質量マトリッ
クスMを作成したが、これに限らずCM (consi
stent mass )などの方法を用いることもで
きる。
This sample model assumes that a uniform plate is divided uniformly, so (1/2) mu is arranged in the part corresponding to the edge of the plate in the diagonal component of the matrix, and mu is arranged in the other diagonal components. You can create a matrix like this. Although the mass matrix M was created using the Lambut mass matrix method here, the mass matrix M is not limited to this.
Methods such as stent mass) can also be used.

(3)次に、減衰マトリックスCの作成について説明す
る。
(3) Next, creation of the attenuation matrix C will be explained.

減衰マトリックスCは、この減衰マトリックスCに変位
ベクトルの速度(0)を乗じて減衰力−(C)(u) の形で減衰力を与えるようなマトリックスである。この
成分を導入することにより減衰振動の発生か可能となる
The damping matrix C is a matrix that multiplies this damping matrix C by the velocity (0) of the displacement vector to give a damping force in the form of damping force - (C) (u). By introducing this component, it becomes possible to generate damped vibrations.

減衰マトリックスCは、近似として、上述の剛性マトリ
ックスKに定数を掛けて減衰マトリックスCとする、ま
たは質量マトリックスMに定数を掛けて減衰マトリック
スCとする、などの方法により作成することができる。
The damping matrix C can be created, as an approximation, by multiplying the above-mentioned stiffness matrix K by a constant to obtain the damping matrix C, or by multiplying the mass matrix M by a constant to obtain the damping matrix C.

(4)次に、本実施例の楽音合成装置への初期値および
パラメータの与え方について説明する。
(4) Next, how to give initial values and parameters to the musical tone synthesizer of this embodiment will be explained.

初めに与える初期値の1つとして楽器モデルの初期変位
があり、これを変化させることで想定した楽器を弾く強
さを変化させることができる。
One of the initial values given at the beginning is the initial displacement of the musical instrument model, and by changing this, it is possible to change the strength with which the assumed instrument is played.

第2図のサンプのモデルてはP1〜P8の8つの節点が
ある。節点PnのX座標をU。、X座標をvnで表わす
こととすれば、初期変位u(0)は、 u(0)−(u、、vl、u2.v2.u3.v3.u
4.v4u5・v5・u6・v6・u7・v7・u8・
Vδ)1と書ける。平衡状態Llbは、オールOで、9 ul、−(0,0,0,0,0,0,0,0゜0.0,
0,0,0,0,0.0)” で表わされる。今、簡単のために節点Pi、P2のみを
X方向に5+nmだけ引っ張ったとすると、初期変位u
(0)は、 u(0)−(0,5,0,5,0,0,0,0゜0.0
,0,0,0,0,0.0) Tとなる。これが初期変
位として人力される値である。もっと強く引っ張って、
節点Pi、P2のみをX方向に5+n+nだけ引っ張っ
たとすると、初期変位u(0)は、 u(0)−(0,10,0,10,0,5,0,50,
0,0,0,0,0,0,0)” となる。このようにして、イニシャルタッチが初期条件
として系に入力される。
The sump model in FIG. 2 has eight nodes P1 to P8. The X coordinate of node Pn is U. , if the X coordinate is expressed by vn, the initial displacement u(0) is
4. v4u5・v5・u6・v6・u7・v7・u8・
It can be written as Vδ)1. The equilibrium state Llb is all O, 9 ul, -(0,0,0,0,0,0,0,0°0.0,
0, 0, 0, 0, 0.0)". Now, for simplicity, if only the nodes Pi and P2 are pulled by 5+nm in the X direction, the initial displacement u
(0) is u(0)-(0,5,0,5,0,0,0,0゜0.0
,0,0,0,0,0.0) T. This is the value manually applied as the initial displacement. Pull harder,
If only nodes Pi and P2 are pulled by 5+n+n in the X direction, the initial displacement u(0) is u(0)-(0,10,0,10,0,5,0,50,
0,0,0,0,0,0,0)". In this way, the initial touch is input to the system as an initial condition.

次に、系へのパラメータを変えた場合について説明する
。ここで取り上げたサンプの例では振動系は時間的に一
定である。いま例えば、第2図のモデルの板の長さを短
くしたとすると振動の周期が短くなり音程か高くなる。
Next, a case will be explained in which the parameters to the system are changed. In the sump example discussed here, the vibration system is constant over time. For example, if we shorten the length of the plate in the model shown in Figure 2, the period of vibration will become shorter and the pitch will become higher.

0 この場合、節点座標が変わるので上述の剛性マトリック
スK、質量マトリックスMおよび減衰マトリックスCが
変わる。したがって、後述する波形発生演算における出
力のピッチが変わり、音程(キー)か変化することとな
る。
0 In this case, since the nodal coordinates change, the above-mentioned stiffness matrix K, mass matrix M, and damping matrix C change. Therefore, the pitch of the output in the waveform generation calculation described later changes, and the pitch (key) also changes.

(5)次に、上記のように用意した質量マトリックスM
、剛性マトリックスK、減衰マトリックスC1外力F(
t)、および初期条件u(0)、Q(0)、 ti (
0)より運動方程式を作成し、その解として波形サンプ
ル値を得る波形発生演算について説明する。
(5) Next, mass matrix M prepared as above
, stiffness matrix K, damping matrix C1 external force F(
t), and initial conditions u(0), Q(0), ti(
0) to create an equation of motion and obtain a waveform sample value as a solution to the waveform generation calculation.

まず運動方程式は一般的には次のようになる。First, the equation of motion is generally as follows.

MO(t)+Cu(t) +Ku (t)−f (t)
−0・・・・・(30)なお、式(30)のu (t)
、 u (t)、 ti (t)は、すべての節点に対
するX方向に関するデータとX方向に関するデータとを
並べたベクトルである。また、f (t)も、すべての
節点に対して定時間ごとに作用するX方向の外力とX方
向の外力とを並へたベクトルである。したがって、実際
には、式(30)は各節点のX方向およびX方向のそれ
ぞれについての運動方程式の集りといえる。
MO(t)+Cu(t)+Ku(t)−f(t)
-0...(30) Note that u (t) in equation (30)
, u (t), ti (t) are vectors in which data related to the X direction and data related to the X direction are arranged for all nodes. Further, f (t) is also a vector that aligns the external force in the X direction and the external force in the X direction that act on all nodes at regular intervals. Therefore, in reality, equation (30) can be said to be a collection of equations of motion for each node in the X direction and in the X direction.

この運動方程式(30)に、加速度の変化が区間ごとに
均一であるとの線形加速を仮定して、時刻tにおける現
在データu (t)、 Q (t)ii (t)から、
Δを経過した時刻を十Δtにおける次のサンプル点デー
タu(を十Δt)11(を十At)、ti (tiAt
)を計算する。この繰返しによって、時間的に変化する
波形データが生成される。
In this equation of motion (30), assuming linear acceleration where the change in acceleration is uniform for each section, from the current data u (t), Q (t)ii (t) at time t,
The next sample point data u (at 10 At) 11 (at 10 At), ti (at at
). This repetition generates waveform data that changes over time.

ここて用いたサンプの例では、減衰が単純なタイプであ
るので、後から減衰をエンベロープとして付与し、減衰
マトリックスCは計算には組み入れない。また、サンプ
の演奏では最初に弾くときを除くと外力は加わらない。
In the sample example used here, the attenuation is of a simple type, so the attenuation is added later as an envelope, and the attenuation matrix C is not incorporated into the calculation. Also, when playing a sump, no external force is applied except when you first play it.

すなわち、運動方程式(30)のf (t)の項もゼロ
で、外力は最初の変位(初期変位)を与える外力のみ作
用する。
That is, the term f (t) in the equation of motion (30) is also zero, and only the external force that provides the first displacement (initial displacement) acts.

したかって、運動方程式(30)は次のようになる。Therefore, the equation of motion (30) becomes as follows.

Mu  (t)+Ku  (t)=O−(31)ここで
、各要素の各点の加速度は直線的に変化し、ある時間ご
とに決めることができると仮定する。すなわち、ある時
刻に加速度αで次の時刻に加速度βになったとすると、
その時刻間で加速度はαからβへと直線的に変化してい
くものとする。このような、線形加速の仮定から、u(
t+Δt) −u (t)+ΔtQ (t)+(Δ t
2/3) ”G (t)+ (Δ t2/6)*Qft
+Δ t)・・・・・・・ (32) u(t+Δt)−u(t)÷(Δt/2)*(Q(t)
+ Q(t+Δ1))・・・・・・・(33) 式(32)を、式(31)てtの代わりにt十Δtとし
た下式(34) %式%(34) に代入すると、 Mu(t÷Δt) +K (u (t)+Δtu(t) +(Δt2/3)*a(t) +(Δt’/a)*a(
t÷Δt))  −0(35) となる。したがって、 3 (Me(Δ t 2/6) +K)  申 Q(t +
 Δ t)−−K (u (t)+ΔtQ (t) +
(Δt2/31 *Q (t) ) −(36)よって
、 0(t+Δt) −−(Me(Δt2/6) +K) −’ψK(u(t
)÷ΔtQ(を戸(Δt2/3)輸(t))・・・・・
・ (37) 以上で、時刻tにおける現在データu (t)u (t
) 、 u (t)から、Δを経過した時刻t+Δtに
おける次のサンプル点のtj(t+Δt)か求められる
Mu (t) + Ku (t) = O - (31) Here, it is assumed that the acceleration at each point of each element changes linearly and can be determined at a certain time interval. In other words, if the acceleration is α at one time and becomes β at the next time, then
It is assumed that the acceleration changes linearly from α to β during that time. From this assumption of linear acceleration, u(
t+Δt) −u (t)+ΔtQ (t)+(Δ t
2/3) ”G (t)+ (Δ t2/6)*Qft
+Δt)・・・・・・(32) u(t+Δt)−u(t)÷(Δt/2)*(Q(t)
+ Q (t + Δ1)) (33) Substituting formula (32) into formula (34) below, using formula (31) and substituting t + Δt for t, % formula % (34) , Mu(t÷Δt) +K (u (t)+Δtu(t) +(Δt2/3)*a(t) +(Δt'/a)*a(
t÷Δt)) -0(35). Therefore, 3 (Me(Δt 2/6) +K) Q(t +
Δt)−−K(u(t)+ΔtQ(t)+
(Δt2/31 *Q (t) ) −(36) Therefore, 0(t+Δt) −−(Me(Δt2/6) +K) −′ψK(u(t
)÷ΔtQ((Δt2/3) import(t))・・・・・・
・ (37) With the above, the current data u (t) at time t
), u (t), tj(t+Δt) of the next sample point at time t+Δt after Δ has passed can be found.

さらに、このu(t+Δt)を上の2つの式(32)お
よび(33)に代入して、u(t+Δt)と6(t+Δ
t)を得る。
Furthermore, by substituting this u(t+Δt) into the above two equations (32) and (33), we obtain u(t+Δt) and 6(t+Δt).
t) is obtained.

第5図は、サンプのモデルにおける楽音波形合成の過程
をフローヂャートで表わしたものである。
FIG. 5 is a flowchart representing the process of musical sound waveform synthesis in the sample model.

同図において、まずステップS1では入力した系の物理
パラメータ例えば想定した楽器の形状や4 材質などに基づいて、節点座標、歪εおよび応力0を特
定し、ヤング率Eおよびポアソン比υを用いて剛性マト
リックスにおよび質量マトリックスMを計算する。そし
て、ステップS2てINV = (Me(A t2/6
)+K)−’を計算する。
In the figure, first, in step S1, the nodal coordinates, strain ε, and stress 0 are specified based on the input physical parameters of the system, such as the assumed shape of the instrument and the material, and the Young's modulus E and Poisson's ratio υ are Calculate the stiffness matrix and the mass matrix M. Then, in step S2, INV = (Me(A t2/6
)+K)-'.

方、ステップS3では初期条件を設定する。On the other hand, in step S3, initial conditions are set.

ここでは初期速度ら(0)をゼロとし、初期変位u (
0)を指で引っ張った距離に設定している。
Here, the initial velocity et (0) is set to zero, and the initial displacement u (
0) is set to the distance pulled by the finger.

次に、ステップS4て上記式(37)に基づきU(t+
Δt)を計算する。さらに、ステップS5で上記式(3
3)に基づきα(t+Δt)を、ステップS6て上記式
(32)に基づきu(t+Δt)を、それぞれ計算する
Next, in step S4, U(t+
Δt). Furthermore, in step S5, the above formula (3
3), and in step S6, u(t+Δt) is calculated based on the above equation (32).

そして、ステップS7で適当な点の変位を抽出し波形デ
ータのサンプル値とする。この例ては、u’(t+Δt
)の中て固定点に最も近い点、すなわち第2図の節点P
5のX方向の変位を抽出し、これを波形データのサンプ
ル値としている。なお、どの節点の変位をもサンプル値
として用いることができ、後から選択できるようにして
もよい。
Then, in step S7, the displacement at an appropriate point is extracted and used as a sample value of the waveform data. For example, u'(t+Δt
) that is closest to the fixed point, i.e. the node P in Figure 2.
5 in the X direction is extracted and used as a sample value of the waveform data. Note that the displacement of any node can be used as a sample value, and may be selected later.

2回目以降の繰返し処理では、求めたu(t+Δt)、
u(t+Δt)、U(t+Δt)を次のu(t)、α(
t)、 ti (t)として用いて、ステップS4以降
の計算を行なう。このようにして計算を繰返し、波形出
力のサンプル値を得ていく。波形出力に対しては、この
後にエンベロープを付与して楽音発生する。
In the second and subsequent iterations, the obtained u(t+Δt),
u(t+Δt), U(t+Δt) as the next u(t), α(
t) and ti (t) to perform calculations from step S4 onwards. In this way, calculations are repeated to obtain sample values of the waveform output. After that, an envelope is applied to the waveform output to generate a musical tone.

なお、ここでΔtはシミュレーションステップ(逐次計
算間隔)であり、サンプリングレートの逆数ではない。
Note that Δt here is a simulation step (sequential calculation interval) and is not the reciprocal of the sampling rate.

次に、上述したような楽音合成装置を電子楽器に適用し
た例につき説明する。
Next, an example in which the above-described musical tone synthesis device is applied to an electronic musical instrument will be described.

第6図は、前記実施例の楽音合成装置を適用した電子楽
器の概略ブロック構成図である。同図において、11は
楽音合成装置のパラメータ設定および初期条件設定部、
12は有限要素法による波形演算部、13は波形演算部
12において合成した楽音波形をメモリに書き込むため
の書き込み処理部、14は合成された楽音波形データを
記憶するための波形バンクメモリである。
FIG. 6 is a schematic block diagram of an electronic musical instrument to which the musical tone synthesis device of the embodiment is applied. In the figure, 11 is a parameter setting and initial condition setting section of the musical tone synthesis device;
12 is a waveform calculation unit using the finite element method; 13 is a write processing unit for writing the musical tone waveform synthesized in the waveform calculation unit 12 into memory; and 14 is a waveform bank memory for storing the synthesized musical waveform data.

また、15は鍵盤、16は鍵盤15の押鍵を検出する押
鍵検出部、17は鍵盤15の押鍵時のタッチデータを検
出するタッチ検出部、18はボイスナンバなどを選択す
るための操作子、19はボイス選択部である。20はボ
イス選択部19から出力されるボイスナンバなどのボイ
スデータ、タッチ検出部17から出力されるタッチデー
タおよび押鍵検出部16から出力される押鍵キーコート
に基づいて、波形バンク14内の波形データを選択し読
み出す読み出し部である。21はボイス選択部19から
のボイスナンバなどのデータ、タッチ検出部17から出
力されるタッチデータおよび押鍵検出部16から出力さ
れる押鍵キーコードなどのデータを入力し、ざらに押鍵
検出部16からキーオン信号を受けてエンベロープな発
生するエンベロープ発生部である。22は波形バンク1
4から読み出された波形データにエンベロープ発生7 8 部21からのエンベロープを付与するための積算器、2
3は積算器22から出力されるデジタル楽音信号をアナ
ログ信号に変換するD/A変換器、24はD/A変換器
23から出力される楽音信号に基づいて楽音を発生する
サウンドシステムである。
Further, 15 is a keyboard, 16 is a key press detection unit that detects a key press on the keyboard 15, 17 is a touch detection unit that detects touch data when a key is pressed on the keyboard 15, and 18 is an operation for selecting a voice number, etc. Child 19 is a voice selection section. Reference numeral 20 indicates the data in the waveform bank 14 based on the voice data such as the voice number outputted from the voice selection section 19, the touch data outputted from the touch detection section 17, and the pressed key code outputted from the key pressed detection section 16. This is a reading unit that selects and reads out waveform data. 21 inputs data such as voice numbers from the voice selection section 19, touch data output from the touch detection section 17, and data such as pressed key codes outputted from the key press detection section 16, and roughly detects key presses. This is an envelope generating section that receives a key-on signal from the section 16 and generates an envelope. 22 is waveform bank 1
an integrator for applying an envelope from the envelope generation section 78 to the waveform data read from the section 21;
3 is a D/A converter that converts the digital musical tone signal outputted from the integrator 22 into an analog signal, and 24 is a sound system that generates musical tones based on the musical tone signal outputted from the D/A converter 23.

第7図は、第6図の波形バンク14のメモリマツプを示
す。波形バンク14には付番31で示すように振動解析
の手法で計算した波形データをボイスナンバごとに編集
して格納しである。一つのボイスナンバに対応する波形
データは、付番32に示すように音域ごとの波形データ
から構成される。さらに、一つの音域の波形データは付
番33に示すように鍵盤のタッチが弱いときの波形デー
タおよびタッチが強いときの波形データから構成される
。各波形データはアタック部およびループ部を有してい
る。
FIG. 7 shows a memory map of waveform bank 14 of FIG. In the waveform bank 14, as indicated by number 31, waveform data calculated by a vibration analysis method is edited and stored for each voice number. The waveform data corresponding to one voice number is composed of waveform data for each range, as indicated by number 32. Furthermore, the waveform data of one range is composed of waveform data when the touch of the keyboard is weak and waveform data when the touch is strong, as indicated by number 33. Each waveform data has an attack part and a loop part.

この第6.7図に示す実施例の電子楽器は基本的に波形
メモリタイプの電子楽器であり、演奏に先立って波形バ
ンクメモリ14に、前述したように演算した波形データ
をあらかじめ格納しておく。すなわち、演奏に先立って
まずパラメータおよび初期条件設定部11により想定す
る楽器の形および初期変位量などを設定する。そして、
波形演算部12において有限要素法の手法を用いて波形
データを計算し、書き込み部13によりこの波形データ
を波形バンク14に書き込む。このとき、幾つかの別種
類の楽器を想定してパラメータを適宜変更し、さらに初
期変位量を変更して、いろいろな楽音データを得ておき
、ボイスナンバ別に格納しておく。以上のようにして、
波形バンク14には第7図に示すような波形データが格
納される。
The electronic musical instrument of the embodiment shown in FIG. 6.7 is basically a waveform memory type electronic musical instrument, and the waveform data calculated as described above is stored in the waveform bank memory 14 before performance. . That is, prior to performance, first, the shape and initial displacement amount of the assumed musical instrument are set using the parameter and initial condition setting section 11. and,
The waveform calculation section 12 calculates waveform data using the finite element method, and the writing section 13 writes this waveform data into the waveform bank 14 . At this time, assuming several different types of musical instruments, the parameters are changed as appropriate, and the initial displacement amount is further changed to obtain various musical tone data and stored for each voice number. As above,
The waveform bank 14 stores waveform data as shown in FIG.

次に、演奏者がボイス選択操作子18によりボイスナン
バを選択し鍵盤15を押鍵したとすると、押鍵キーコー
ド、タッチデータおよびボイスナンバなどのデータが押
鍵検出部16、タッチ検出部17およびボイス選択部1
9から読み出し部20に入力する。読み出し部20はこ
れらのデータに基づいて波形バンク14から所定の波形
データを読み出し、積算器22に入力する。この波形デ
ータは、積算器22においてエンベロープ発生器21か
ら出力されるエンベロープデータと積算されてエンベロ
ープが付与され、D/A変換器23およびサウンドシス
テム24を介してこの波形データに基づいて楽音が発生
する。
Next, when the performer selects a voice number using the voice selection operator 18 and presses the keyboard 15, data such as the pressed key code, touch data, and voice number are transmitted to the pressed key detection section 16 and the touch detection section 17. and voice selection section 1
9 to the reading section 20. The readout section 20 reads out predetermined waveform data from the waveform bank 14 based on these data and inputs it to the integrator 22 . This waveform data is integrated with the envelope data output from the envelope generator 21 in an integrator 22 to give an envelope, and a musical tone is generated based on this waveform data via a D/A converter 23 and a sound system 24. do.

なお、波形バンク14に格納した波形データを音域別あ
るいはタッチの別の波形の間で補間するようにしてもよ
い。
Note that the waveform data stored in the waveform bank 14 may be interpolated between different waveforms for each range or touch.

第8図は、この発明に係る楽音合成装置を用いてリアル
タイムに波形データを合成し楽音を発生する電子楽器の
構成を示す。同図において、41は想定した楽器のモデ
ルを表わすパラメータおよび初期条件などを設定するた
めの操作子、42は設定されたパラメータなどのデータ
から所定のマトリックスおよび初期値を作成する演算部
、43は演算部42で作成したマトリックスデータなど
をパラメータバンクメモリ44に書き込むための制御部
、44はマトリックスおよび初期値データを記憶するパ
ラメータバンクメモリである。46は電子楽器の鍵盤、
47は鍵盤46の押鍵を検出する押鍵検出部、48は鍵
盤46の押鍵の際のタッチデータを検出するタッチ検出
部、49はボイスナンバを選択するための操作子、50
はボイス選択制御部である。
FIG. 8 shows the configuration of an electronic musical instrument that synthesizes waveform data in real time and generates musical tones using the musical tone synthesis device according to the present invention. In the figure, 41 is an operator for setting parameters and initial conditions representing the model of the assumed musical instrument, 42 is a calculation unit that creates a predetermined matrix and initial values from data such as the set parameters, and 43 is a A control section writes matrix data etc. created by the calculation section 42 into a parameter bank memory 44, and 44 is a parameter bank memory that stores matrix and initial value data. 46 is the keyboard of an electronic musical instrument,
47 is a key press detection unit that detects a key press on the keyboard 46; 48 is a touch detection unit that detects touch data when a key is pressed on the keyboard 46; 49 is an operator for selecting a voice number; 50
is a voice selection control section.

また、45は押鍵検出部47からのキーコード、タッチ
検出部48からのタッチデータおよびボイス選択制御部
50からのボイスデータに基づいて、パラメータバンク
44に記憶されたパラメータを選択しさらにそのスケー
リングを行なうパラメータ選択およびスケーリング部で
ある。51は押鍵検出部47からのキーオン信号を受け
て有限要素法による波形データを演算する波形演算部、
52はエンベロープ発生器、53は波形演算部51から
の波形データとエンベロープ発生器52からのエンベロ
ープデータとを積算してデジタル楽音信号とする積算器
、54はデジタル楽音信号をアナログ楽音信号に変換す
るD/A変換器、55はサウンドシステムである。波形
演算部511 2 からパラメータ選択およびスケーリング部45へは、演
算器のタイミング情報が渡される。
Further, 45 selects the parameters stored in the parameter bank 44 based on the key code from the key press detection section 47, the touch data from the touch detection section 48, and the voice data from the voice selection control section 50, and further scales the parameters. This is a parameter selection and scaling section that performs. 51 is a waveform calculation unit that receives a key-on signal from the key press detection unit 47 and calculates waveform data using the finite element method;
52 is an envelope generator; 53 is an integrator that integrates the waveform data from the waveform calculation section 51 and the envelope data from the envelope generator 52 to produce a digital musical tone signal; and 54 converts the digital musical tone signal into an analog musical tone signal. A D/A converter and 55 are a sound system. Timing information of the arithmetic unit is passed from the waveform arithmetic unit 511 2 to the parameter selection and scaling unit 45 .

第9図は、第8図のパラメータバンク44のメモリマツ
プを示す。付番61で示すようにパラメータバンク44
は各ボイスナンバごとのパラメータデータが順に並べら
れている。1つのボイスナンバに対応するパラメータデ
ータは、付番62に示すように幾つかの音域ごとに区分
けされている。1つの音域に対応するパラメータは、付
番63に示すように構成されている。すなわち、まずマ
トリックス (M+(Δt’/6)傘K)−1 の成分データと、各成分をスケーリングするパラメータ
にとを積算したマトリックス (M+(Δt2/6)◆Kl−’ * kの成分データ
を格納している。次に、タッチデータを初期値データナ
ンバ(1〜S)に変換するための変換テーブルおよび初
期値データ1〜Sが格納されている。
FIG. 9 shows a memory map of the parameter bank 44 of FIG. Parameter bank 44 as indicated by number 61
Parameter data for each voice number is arranged in order. Parameter data corresponding to one voice number is divided into several sound ranges as indicated by number 62. The parameters corresponding to one sound range are configured as shown in number 63. That is, first, the component data of the matrix (M+(Δt'/6) umbrella K)-1 and the component data of the matrix (M+(Δt2/6)◆Kl-'*k) which is multiplied by the parameter for scaling each component. Next, a conversion table for converting touch data into initial value data numbers (1 to S) and initial value data 1 to S are stored.

この第8.9図に示す実施例の電子楽器は、波形データ
を演奏と並行してリアルタイムに合成し、楽音出力する
タイプの電子楽器である。波形演算部51における演算
は高速で行なう必要があるため、S4.S5.S6の演
算を高速並列演算器によって行なうようにしている。
The electronic musical instrument of the embodiment shown in FIG. 8.9 is of a type that synthesizes waveform data in real time in parallel with the performance and outputs musical sounds. Since the calculation in the waveform calculation section 51 needs to be performed at high speed, S4. S5. The calculation in S6 is performed by a high-speed parallel arithmetic unit.

この実施例の電子楽器では、まず演奏に先立って、パラ
メータ設定操作子41により想定する楽器の形状および
材質などのパラメータを設定する。ここでは複数の楽器
について設定することができる。そして、ボイス選択操
作子49において1つのボイスナンバを選択することに
より、そのボイスナンバに対応する楽音発生すべき楽器
(あらかじめ想定した形状や材質などを有する楽器)が
選択できる。演算部42は、設定したパラメータに基づ
いて前述したような演算を行ない、その結果パラメータ
バンク44には第9図に示したようなデータが格納され
る。
In the electronic musical instrument of this embodiment, first, prior to performance, parameters such as the shape and material of the assumed musical instrument are set using the parameter setting operator 41. Here you can make settings for multiple instruments. By selecting one voice number using the voice selection operator 49, it is possible to select an instrument (musical instrument having a predetermined shape, material, etc.) that should generate a musical tone corresponding to that voice number. The calculation unit 42 performs the calculations described above based on the set parameters, and as a result, data as shown in FIG. 9 is stored in the parameter bank 44.

次に、演奏者がボイス選択操作子49によりボイスナン
バを選択し鍵盤46を押鍵したとする。
Next, assume that the performer selects a voice number using the voice selection operator 49 and presses the keyboard 46.

このとき、押鍵キーコード、タッチデータおよびボイス
ナンバなどのデータが押鍵検出部47、タッチ検出部4
8およびボイス選択部50からパラメータ選択およびス
ケーリング部45に入力する。パラメータ選択およびス
ケーリング部45は、これらのデータに基づいてパラメ
ータバンク44の中の所定のパラメータデータを選択し
、押鍵された鍵にあった音程の音を発生するようスケー
リングの処理を行なう。波形演算部51は、これらのパ
ラメータデータを用いて有限要素法の手法を用いて波形
データを計算し出力する。この波形データは、積算器5
3においてエンベロープ発生器52から出力されるエン
ベロープデータと積算されてエンベロープが付与され、
D/A変換器54およびサウンドシステム55を介して
この波形データに基づいて楽音が発生する。
At this time, data such as key press key codes, touch data, and voice numbers are sent to the key press detection section 47 and the touch detection section 4.
8 and the voice selection section 50 to the parameter selection and scaling section 45. The parameter selection and scaling section 45 selects predetermined parameter data in the parameter bank 44 based on these data, and performs scaling processing to generate a sound with a pitch matching the pressed key. The waveform calculation unit 51 uses these parameter data to calculate and output waveform data using a finite element method. This waveform data is transmitted to the integrator 5.
3, it is integrated with the envelope data output from the envelope generator 52 to give an envelope,
Musical tones are generated via the D/A converter 54 and sound system 55 based on this waveform data.

この実施例によれば、パラメータバンク45に設定され
たパラメータの選択をキーコート(音高データ)などに
基づいて行なっている。一方、想定した楽器の大きさを
犬キ<シたり材質を重く設定すれば音高は低くなり逆に
設定すれば音高は高くなる。そこで、音高データに基づ
き適当なパラメータを設定してやれば音高の調整ができ
ることとなる。さらに、タッチに関しても同様にして、
入力タッチデータが強いタッチを示していた場合はそれ
たけ大きい初期変位を設定するなどにより、調整するこ
とができる。
According to this embodiment, the parameters set in the parameter bank 45 are selected based on key codes (pitch data) and the like. On the other hand, if the intended size of the instrument is made smaller or made of heavier material, the pitch will be lower, and if you set the opposite, the pitch will be higher. Therefore, by setting appropriate parameters based on the pitch data, the pitch can be adjusted. Furthermore, in the same way regarding touch,
If the input touch data indicates a strong touch, adjustment can be made by setting a correspondingly larger initial displacement.

なお、適当な減衰項を導入してエンベロープ波形発生器
を省略しても良い。また、鍵盤の代わりにドラムバット
を用いてパーカッション音を発生するようにしてもよい
。さらに、アフタータッチ検出を加えて演算に外力の作
用を加えてもよい。
Note that the envelope waveform generator may be omitted by introducing an appropriate attenuation term. Also, a drum bat may be used instead of a keyboard to generate percussion sounds. Furthermore, aftertouch detection may be added to add the effect of an external force to the calculation.

第10図は、外力および減衰のパラメータをも考慮した
楽音合成の手順を示すフローチャートである。ステップ
Sitで減衰マトリックスCを計算していること、外力
を与えるステップ318が新たに付は加えられているこ
と、およびステップS12.S14の計算式が異なるこ
と、などを除けば第4図のフローチャートと同様の処理
手順となっている。
FIG. 10 is a flowchart showing a procedure for musical tone synthesis in consideration of external force and attenuation parameters. The attenuation matrix C is calculated in step Sit, a new step 318 for applying an external force is added, and step S12. The processing procedure is the same as the flowchart of FIG. 4, except that the calculation formula in S14 is different.

第11.12図は、サンプのモデルを用いて計5 6 算した波形の発生例を示す。第11図と第12図とでパ
ラメータを異ならせたため、第12図の波形では高調波
成分が含まれているような波形となっている。
Figure 11.12 shows an example of the generation of a total of 56 waveforms using the sump model. Since the parameters are different between FIG. 11 and FIG. 12, the waveform in FIG. 12 contains harmonic components.

なお、上述した実施例では線形加速の手法による振動解
析で波形データを演算算出する例を示したが、これに限
らず演算部は次のような振動解析の各手法に基づいた演
算とすることもできる。この場合は、上記実施例の演算
部は次のような式に基づいた演算を行なうよう設定され
る。
In addition, in the above-mentioned embodiment, an example was shown in which waveform data is calculated by vibration analysis using a linear acceleration method, but the calculation unit is not limited to this, and the calculation unit may perform calculations based on each of the following vibration analysis methods. You can also do it. In this case, the calculation section of the above embodiment is set to perform calculations based on the following equation.

■ オイラー法の例 ti(t+Δt) =M−’xKx (u (t)+G (t)Δt)G(
t+Δt) =LI (t) +ti (t)Δtu(
t+Δt) =u (t) +LI (t)Δt■ 線
形加速法の他の例 Δti=ij (t+Δt)−〇(1)ΔO=G (を
十Δt)−〇(1) Δ t =Δtむ (t)+□Δd Δu=u (を十Δt)−u(t) (Δt)2 +        Δ0 +ΔF) ただし、ΔF=F (t+Δt) F  (t) ■ ニューマークβ法の例 Δ t ム (t + Δ t  )  =  (M+  −C
+ B  A  t2に )x  (−C(Q(t)+ Δ を 御一同(t)) +F(t+Δ1)  ) (Δt)2 u(ti Δt) −u (t)+ Δtc+ (t)
 +      Q (t)+(Δt)2  β (0
(t+Δt) −0(t) )なお、βは安定な解を得
るためのパラメータで、  0≦β≦1/2 の範囲よ
り選択する。
■ Example of Euler's methodti(t+Δt) =M−'xKx (u(t)+G(t)Δt)G(
t+Δt) =LI (t) +ti (t)Δtu(
t+Δt) =u (t) +LI (t)Δt■ Other examples of linear acceleration method Δti=ij (t+Δt)−〇(1) ΔO=G (tenΔt)−〇(1) Δt =Δt ( t)+□Δd Δu=u (tenΔt)−u(t) (Δt)2 + Δ0 +ΔF) However, ΔF=F (t+Δt) F (t) ■ Example of Newmark β method Δ t Mu (t +Δt) = (M+ −C
+ B A t2)
+ Q (t) + (Δt)2 β (0
(t+Δt) −0(t)) Note that β is a parameter for obtaining a stable solution, and is selected from the range of 0≦β≦1/2.

■ ウィルソンのθ法の例 θとしては、θ〉1で安定した値の得られるθを選択す
る。
(2) Example of Wilson's θ method As θ, select θ that provides a stable value when θ>1.

u(ti Δt)=u(t)十 (Δt)2 ΔtC+ (t) +      O(t)■ ツーボ
ルト法の例 現在データu (t)と過去のデータu(t−Δt)お
よびu(t−2Δt)と外力f(t+Δt)を用いて3
次式の近似をして、っきのサンプル点のデータu(t+
Δt)を得る。
u(ti Δt) = u(t) ten(Δt)2 ΔtC+ (t) + O(t) ■ Example of two-volt method Current data u(t) and past data u(t-Δt) and u(t- 2Δt) and external force f(t+Δt)
By approximating the following equation, data u(t+
Δt) is obtained.

(θΔt)2 K (u (t)十 θΔtII(t) +     
   Q (t) )+F(t+θΔ1)  ) ti  (ti Δ1)= (θ−1) Q (t) +0(t+θΔt)θ また、上述した実施例では2次元の有限要素法を用いた
が、これに限らず3次元あるいは1次元 9 (例えば、部分ごとに材質が異なるようなもの)の有限
要素法を用いてもよい。
(θΔt)2 K (u (t) ten θΔtII(t) +
Q (t) ) + F (t + θΔ1) ) ti (ti Δ1) = (θ−1) Q (t) +0 (t + θΔt)θ In addition, the two-dimensional finite element method was used in the above example, but However, a three-dimensional or one-dimensional finite element method (for example, one in which the material is different for each part) may be used.

さらに、マトリクスで表現された振動問題を解く手法と
して、いわゆるモード解析の手法があるか、このモート
解析の手法を用いてもよい。
Furthermore, as a method for solving vibration problems expressed in a matrix, there is a so-called modal analysis method, or this moat analysis method may be used.

[発明の効果コ 以上説明したように、本発明によれば、自然楽器の物理
的構造に基づぎ有限要素法の手法により楽器を表現する
種々のパラメータを設定しているので、従来得ることの
できなかった自然楽器の物理的構造に基づく多様な音作
りをすることができ、かつ過渡応答の自然な楽音合成装
置が提供される。また、現実にないパラメータを使用す
ることにより、新しい音色を合成することができる。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, various parameters expressing the musical instrument are set using the finite element method based on the physical structure of the natural musical instrument, so that it is possible to overcome the problems previously obtained. A natural musical tone synthesis device with transient response is provided, which can create a variety of sounds based on the physical structure of natural musical instruments, which was previously impossible. Furthermore, by using parameters that do not exist in reality, new tones can be synthesized.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、この発明の一実施例に係る楽音合成装置の概
略構成図、 第2図は楽音を合成しようとする楽器のモデル 0 を表わす模式図、 第3図は、この楽器の外観図、 第4図は、剛性マトリックスにと計算で求めたK IJ
kとの対応関係を示す図、 第5図は、サンプのモデルにおける楽音波形合成の過程
を表わすフローチャート、 第6図は、この発明の一実施例に係る楽音合成装置を適
用した電子楽器のブロック構成図、第7図は、第6図の
電子楽器の波形バンクのメモリマツプ、 第8図は、この発明の一実施例に係る楽音合成装置を用
いてリアルタイムに波形データを算出するようにした電
子楽器のブロック構成図、第9図は、第8図の電子楽器
のパラメータバンクのメモリマツプ、 第10図は、外力パラメータをも加味した実施例の処理
手順を示すフローチャート、 第11図および第12図は、合成した楽音波形データの
例である。 1;パラメータ設定手段、 2;初期条件設定手段、 3;波形演算手段、 4;楽音波形データ、 11:パラメータおよび初期条件設定部、12;波形演
算部、 13;合成波形書き込み部、 14:波形バンク、 15:鍵盤、 16;押鍵検出部、 17:タッチ検出部、 18;ホイス選択操作子、 19;ボイス選択部、 20;メモリ読み出し部、 21;エンベロープ発生部、 22:積算部、 23 、 D/A変換器、 24;サウンドシステム。 第 951−
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a musical tone synthesis device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram representing a model 0 of a musical instrument for which musical tones are to be synthesized, and FIG. 3 is an external view of this musical instrument. , Figure 4 shows the calculated K IJ in the stiffness matrix.
FIG. 5 is a flowchart showing the process of musical sound waveform synthesis in the sample model. FIG. 6 is a block diagram of an electronic musical instrument to which a musical sound synthesis device according to an embodiment of the present invention is applied. FIG. 7 is a memory map of the waveform bank of the electronic musical instrument shown in FIG. 9 is a block diagram of the musical instrument; FIG. 9 is a memory map of the parameter bank of the electronic musical instrument shown in FIG. 8; FIG. 10 is a flowchart showing the processing procedure of the embodiment that also takes external force parameters into consideration; FIGS. 11 and 12. is an example of synthesized musical waveform data. 1; Parameter setting means; 2; Initial condition setting means; 3; Waveform calculation means; 4; Musical sound waveform data; 11: Parameter and initial condition setting section; 12; Waveform calculation section; 13; Synthetic waveform writing section; 14: Waveform bank, 15: keyboard, 16; key press detection section, 17: touch detection section, 18; whistle selection operator, 19; voice selection section, 20; memory reading section, 21; envelope generation section, 22: integration section, 23 , D/A converter, 24; sound system. No. 951-

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)有限要素法に基づいて、楽音を合成しようとする
楽器を離散的な節点で結合された離散要素の有限な集合
体で近似したパラメータデータを設定するパラメータ設
定手段と、該パラメータデータを操作することにより、
時間的に変化する楽音波形データを生成する演算手段と を具備することを特徴とする楽音合成装置。
(1) Based on the finite element method, a parameter setting means for setting parameter data that approximates an instrument whose musical tone is to be synthesized by a finite collection of discrete elements connected by discrete nodes; By operating
What is claimed is: 1. A musical tone synthesis device comprising: arithmetic means for generating temporally changing musical waveform data.
JP1278642A 1989-10-27 1989-10-27 Musical tone synthesizing device Pending JPH03140999A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1278642A JPH03140999A (en) 1989-10-27 1989-10-27 Musical tone synthesizing device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP1278642A JPH03140999A (en) 1989-10-27 1989-10-27 Musical tone synthesizing device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH03140999A true JPH03140999A (en) 1991-06-14

Family

ID=17600124

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP1278642A Pending JPH03140999A (en) 1989-10-27 1989-10-27 Musical tone synthesizing device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JPH03140999A (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03174195A (en) * 1989-10-27 1991-07-29 Yamaha Corp Musical tone synthesizer and electronic musical instrument using the musical tone synthesizer
JPH03174196A (en) * 1989-10-27 1991-07-29 Yamaha Corp Musical tone synthesizer

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6340199A (en) * 1986-05-02 1988-02-20 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リーランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティ Signal processor
JPH03174196A (en) * 1989-10-27 1991-07-29 Yamaha Corp Musical tone synthesizer

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6340199A (en) * 1986-05-02 1988-02-20 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リーランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティ Signal processor
JPH03174196A (en) * 1989-10-27 1991-07-29 Yamaha Corp Musical tone synthesizer

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03174195A (en) * 1989-10-27 1991-07-29 Yamaha Corp Musical tone synthesizer and electronic musical instrument using the musical tone synthesizer
JPH03174196A (en) * 1989-10-27 1991-07-29 Yamaha Corp Musical tone synthesizer
JP2722727B2 (en) * 1989-10-27 1998-03-09 ヤマハ株式会社 Electronic musical instrument

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Hiller et al. Synthesizing musical sounds by solving the wave equation for vibrating objects: Part 1
US7915515B2 (en) Device for producing signals representative of sounds of a keyboard and stringed instrument
EP0926655B1 (en) Device and method of generating tone and picture on the basis of performance information
EP2261891B1 (en) Method for synthesizing tone signal and tone signal generating system
Borin et al. Musical signal synthesis
Lin et al. Development of performance system with musical dynamics expression on humanoid saxophonist robot
JP2006047451A (en) Electronic musical instrument
Holm Virtual violin in the digital domain: physical modeling and model-based sound synthesis of violin and its interactive application in virtual environment
US5180877A (en) Musical tone synthesizing apparatus using wave guide synthesis
JPH0437799A (en) Musical sound synthesizing device
JP2722727B2 (en) Electronic musical instrument
JPH03140999A (en) Musical tone synthesizing device
JP2768168B2 (en) Music synthesizer
JPH03174196A (en) Musical tone synthesizer
JPH0754428B2 (en) Music signal generator
US5290969A (en) Musical tone synthesizing apparatus for synthesizing a muscial tone of an acoustic musical instrument having a plurality of simultaneously excited tone generating elements
Mintz Toward timbral synthesis: a new method for synthesizing sound based on timbre description schemes
Pearson et al. A Musicians Approach to Physical Modeling.
JP5332296B2 (en) Music synthesizer and program
Pearson TAO: a physical modelling system and related issues
Lopes et al. Tumaracatu: an ubiquitous digital musical experience of maracatu
JPH0437800A (en) Musical sound generating device
Schmutzhard et al. Numerical simulation of transients in single-reed woodwind instruments
Hamsavahini et al. Physical Modeling and Implementation of Musical Instruments on TMS320C6713 DSP
Reddy et al. Implementation of automatic piano player using Matlab graphical user Interface