JPH03174195A - Musical tone synthesizer and electronic musical instrument using the musical tone synthesizer - Google Patents

Musical tone synthesizer and electronic musical instrument using the musical tone synthesizer

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JPH03174195A
JPH03174195A JP1278641A JP27864189A JPH03174195A JP H03174195 A JPH03174195 A JP H03174195A JP 1278641 A JP1278641 A JP 1278641A JP 27864189 A JP27864189 A JP 27864189A JP H03174195 A JPH03174195 A JP H03174195A
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Abstract

PURPOSE:To allow the production of various tones based on the physical structure of a natural musical instrument by computing and calculating waveform data by a technique of vibration analyses. CONSTITUTION:This device has a parameter setting means 1 which sets the parameter data to approximate the musical instrument to be subjected to synthe sis of its musical tones with the finite sets of field of the discrete elements joined at discrete nodes and an initial condition setting means 2 which applies the initial conditions corresponding to the initial displacement to the presumed musical instrument to the prescribed equation of mation with respect to the respective discrete elements. A waveform computing means 3 repeats and calculates the solution to the prescribed equation of motion based on the parame ter data and the initial conditions 4 by the technique of the vibration analyses and forms musical tone waveform data 4 changing with time. The production of the various tones based on the physical structure of the natural musical instrument is executed in this way.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野コ 本発明は、楽音合成装置およびこの楽音合成装置を用い
た電子楽器に関し、詳しくはいわゆる振動解析の手法を
用いて楽音を合成す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に関する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Field of Application] The present invention relates to a musical tone synthesizer and an electronic musical instrument using this musical tone synthesizer, and more specifically to a musical tone synthesizer that synthesizes musical tones using a so-called vibration analysis method. The present invention also relates to an electronic musical instrument using this musical tone synthesis device.

[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.First, for each harmonic component, a sample value is calculated for each scheduled time interval of a sine wave with the same frequency as that harmonic, and this value corresponds to the amplitude value of that harmonic component. This method performs addition and synthesis after multiplication by a constant (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5B
−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.

[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できないという不都合が
あった。
[Problems to be Solved by the Invention] However, according to the above-mentioned conventional techniques (■ to ■), it is not possible to create diverse sounds based on the physical structure of natural musical instruments whose pitch, volume, and timbre change over time. There was this inconvenience.

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] この目的を遠戚するため、この発明に係る楽音合成装置
は、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お
よび想定したこの楽器に与える初期変位に相当する初期
条件を設定し、一方この想定した楽器の各11敗要素に
ついての所定の運動方程式を与えて、この運動方程式の
解を繰返し算出する振動解析を行なうことにより時間的
に変化する楽−音波形データを生成することとしている
[Means for Solving the Problem] In order to achieve this objective distantly, the musical tone synthesis device according to the present invention constructs a musical instrument for which musical tones are to be synthesized by a finite collection of discrete elements connected by discrete nodes. Approximate parameters and initial conditions corresponding to the initial displacement given to this assumed instrument are set, while a predetermined equation of motion is given for each of the 11 elements of this assumed instrument, and solutions to this equation of motion are repeatedly calculated. By performing vibration analysis, time-varying musical sound waveform data is generated.

また、本発明に係る電子楽器は、このような楽音合成装
置による楽音波形データの生成を、この楽音波形データ
に基づく実際の発音に先立って行ない、その生成された
楽音波形データを適当な記憶手段に一時記憶しておき、
発音が指示されたときにこの楽音波形データに基づいて
発音を行なうこととしている。さらに、楽音波形データ
の生成を実際の発音とほぼ並行してリアルタイムに行な
うこととしてもよい。
Further, in the electronic musical instrument according to the present invention, musical sound waveform data is generated by such a musical sound synthesis device prior to actual sound generation based on this musical sound waveform data, and the generated musical sound waveform data is stored in an appropriate storage means. Temporarily store it in
When a sound generation is instructed, the sound is generated based on this musical sound waveform data. Furthermore, the musical sound waveform data may be generated in real time almost in parallel with the actual sound production.

[作 用コ 上記構成の楽音合成装置によれば、楽音を合成しようと
する楽器は所定の離散要素で近似されたパラメータで表
現され、その楽器に対し初期変位に相当する初期条件が
与えられる。そして、これらの条件のもとに所定の運動
方程式の解がいわゆる振動解析の手法により繰返し算出
される。これにより、時間的に変化する楽音波形データ
が生成される。
[Operation] According to the musical tone synthesizer having the above configuration, the musical instrument whose musical tone is to be synthesized is expressed by parameters approximated by predetermined discrete elements, and an initial condition corresponding to an initial displacement is given to the musical instrument. Then, under these conditions, a solution to a predetermined equation of motion is repeatedly calculated by a so-called vibration analysis method. As a result, musical 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吠てスケーリングしたも
のを用いれば、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 you use data indicating the shape or material of the instrument corresponding to the pitch, or scaled data by multiplying these data by a predetermined coefficient corresponding to the pitch, as the parameter data, the generated musical waveform data will be The pitch 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.

[実施例コ 以下、図面を用いてこの発明の詳細な説明する。[Example code] 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鳴奏の体喝楽器である。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 an appearance as shown in Figure 3, and is a vocal drum instrument 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
断面の各節点を示す。節点P7およびP8は固定されて
いるものとする。T1〜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 indicate nodes of a rectangular plate-like cross section. It is assumed that nodes P7 and P8 are fixed. T1 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.

(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。
(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、v (x、y
)がy方向の変位を表わす。
Displacement: However, u (x, y) is the displacement in the X direction, v (x, y
) represents the displacement in the y direction.

歪: (2) 応力(平均応力モデル): ただし、ヤング率をE1ポアソン比をνとし、dl=E
/(1−ν2) d2=υE/(1−ν2) G=E/ (2(1+ν)) とする。
Strain: (2) Stress (average stress model): However, Young's modulus is E1 Poisson's ratio is ν, and dl=E
/(1-ν2) d2=υE/(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).

((5)=(D)(ε)     ・・・・・・・(4
)上記の記号を用いれば、歪エネルギーUは、と表わす
ことができる。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
((5)=(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1i
、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 its vertex number 1i
,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.

11=Q、0+αIIX+α12y v = a 2(、+ a 21X +a 22y  
 ・・−−−(6)便宜上、3頂点(i番目の頂点、j
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。
11=Q, 0+αIIX+α12y v = a 2(, + a 21X +a 22y
...---(6) For convenience, 3 vertices (i-th vertex, j
The displacements of the vertices (the th vertex, the kth vertices) are all written in the - column.

(u)−(u+  、Vl  、uj 、Vj 、ul
(、Vk)T・・・・・・・ (7) 式(6)の変位u、vが各頂点i、j、kにおいて上記
(7)の値をとるkめには、 alQ+(X++xl +Q+zyi =ut(Z r
o+ (Z IIX J+α123’J=IJJ(!1
g+α目Xk +α+23’に=lJk′・・°(a)
Q20+α21Xl +Q2zyl =V+α20+(
X21XJ +Q223/J =VJ(X20+α21
Xk+α22yk:vkでなければならないから、 ・・・・・(9〉 ただし、 =  (XJ  −Xi  )  (yb  −yt 
 )−(X+c  −X+  )  (yj −yt 
 )・・・・・(10) (X+、  yl ) (XJ、  y」 )  (X
k 、3’k )は、それぞれi番目、j番目およびに
番目の点の座標である。
(u)-(u+, Vl, uj, Vj, ul
(, Vk)T... (7) For the kth displacement u, v in equation (6) to take the value of (7) above at each vertex i, j, k, alQ+(X++xl +Q+zyi =ut(Z r
o+ (Z IIX J+α123'J=IJJ(!1
g+αth Xk +α+23'=lJk'...°(a)
Q20+α21Xl +Q2zyl =V+α20+(
X21XJ +Q223/J =VJ(X20+α21
Since Xk + α22yk: must be vk, ... (9) However, = (XJ - Xi ) (yb - yt
) − (X+c −X+ ) (yj −yt
)...(10) (X+, yl) (XJ, y'') (X
k , 3′k ) are the coordinates of the i-th, j-th, and i-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(Ll )−(u+、
Vl+  uj+  Vj、uk+  vt+)” と
要素内の歪(ε)=(ε。、 y、γxy)Tとの関ε 係が次のように得られる。すなわち、式(2)と式(1
’l)とから、 ・・・・・・(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)=CB)(u)       ・・・・・・(1
3)である。
When formula (9) is summarized in matrix form,...
・(11) The above is the method for triangular elements, but by using this method, the displacement of the vertex of the triangle (Ll)−(u+,
The relationship ε between "Vl+ uj+ Vj, uk+ vt+)" and the strain (ε)=(ε., y, γxy)T in the element is obtained as follows. That is, equation (2) and equation (1
'l), ......(12) If the coefficient matrix on the right side of the above equation (12) is expressed as (B), (ε)=CB)(u) ......(1
3).

以上の計算は頂点がi、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llk
を付することとすれば、(e )+jb= (B tj
k) (u )IJk・・・・・・(14)となる。
The above calculation focuses on one triangular element whose vertices are i, j, so to represent this, each matrix symbol in equation (13) has the subscript llk
If we add (e )+jb= (B tj
k) (u) IJk (14).

以上の関係をまとめると、応力の三角形要素成分(Q 
)zhは、式(4)および式(14)から、(o)口に
=(D)(ε)zk = (D)  (BtJh) (uLJk−−−−(x
s)となる。
To summarize the above relationships, the triangular element component of stress (Q
)zh is obtained from equations (4) and (14) as (o)=(D)(ε)zk=(D)(BtJh)(uLJk---(x
s).

一方、歪エネルギーの三角形要素成分U IJk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)Ijl(BIjk)T(D)(BIJk)(u 
)zk =  (ulzk”(KtJk)(u)tjk・・・・
(16)ま ただし、 (KIJk)=h×(三角形要素面積)×(B IJk
)T(D ) (B +、+b)・・・・・(17) 次に、三角形要素(頂点i、j、k)にかかる外力(f
 )i」mは (f)+j1= (f+、g+、f、+、gj、f+c
、gk)・・・・・(18) ただし、 点れにかかる外力は、 X方向成分を X方向の外力をf、X方向の変位をu1y方向の外力を
g、y方向の変位をVとすれば、外力のなす仕事は、 =Σ (f。
On the other hand, the triangular element component U IJk of strain energy is the inner product of strain and stress and is integrated, so = - × (triangular element area) × (u) Ijl (BIjk) T (D) (BIJk) (u
)zk = (ulzk”(KtJk)(u)tjk...
(16) However, (KIJk) = h x (triangle element area) x (B IJk
) T (D ) (B +, +b) (17) Next, the external force (f
)i''m is (f)+j1= (f+, g+, f, +, gj, f+c
, gk)...(18) However, the external force applied to the point is as follows: The X-direction component is the external force in the X-direction, f is the displacement in the X-direction, g is the external force in the y-direction, and V is the displacement in the y-direction. Then, the work done by the external force is =Σ (f.

U 雪 十gl ■ 奪 ) =u+ft + Vigi +ujf」+ VjgJ+
ukfk+ vkgk=  (u)1.+k”  (f
L、+k    ”・(19)となる。
U snow ten gl ■ take) =u+ft + Vigi +ujf''+ VjgJ+
ukfk+ vkgk= (u)1. +k” (f
L, +k''・(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 = U 、j
k−W、Jk =   (u )+、+1(K +Jit)  (u 
)+、+に(u)tjk”  (fLjk  ・・・・
(20)この式(20)をulで偏微分してfOとおく
と、”k14VJ”klSLlk”k16Vk”k21
Vl”k31uJ”k41VJ+に51uk”ka+V
b)−f +  = O・・・(21)となるが、(K
+、+k)は定義式(17)より対称マトリックスであ
るから、kll=kl  である。
Since the total energy of a triangular element is the sum of strain energy and work energy, n = U, j
k-W, Jk = (u)+, +1(K+Jit) (u
)+,+(u)tjk" (fLjk...
(20) If we partially differentiate this equation (20) with respect to ul and set it as fO, then “k14VJ”klSLlk”k16Vk”k21
Vl”k31uJ”k41VJ+51uk”ka+V
b) −f + = O...(21), but (K
+, +k) is a symmetric matrix according to the defining formula (17), so kll=kl.

したがって、 k++ut”k+zV+”k+3uj”k+4v、1+
に+suh+に+avk@ f +・・・・・(22) 他の外力成分gt l fJ + gJ r fk・g
m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、 すなわち、 (K+Jm )  (u31’Jk= (f)lJk 
 ”・・(24)以上より、i、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(K+、+i+
)の要素の値が求められたこととなる。なお、ここで求
めた(K、k)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i、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0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, k++ut"k+zV+"k+3uj"k+4v, 1+
to +suh+ to +avk@f +...(22) Other external force components gt l fJ + gJ r fk・g
m can be calculated in the same way. When summarized in a matrix, (K+Jm) (u31'Jk= (f)lJk
”...(24) From the above, the stiffness matrix (K+, +i+
) has been found. Note that (K, k) obtained here represents only some i, j components in the stiffness matrix considering all elements. That is, as shown in FIG. 4, only a part (the shaded part) of the stiffness matrix considering all the elements was obtained. Therefore, to obtain the stiffness matrix K, first create a matrix K with a size equal to all the elements, and set all the elements to 0. Then, find the stiffness matrix (Kljk) as described above for certain i, j, k, and calculate K
I'm going to add it to. 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ができる。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. A matrix like this is created. 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(6)を乗じて減衰力=(C)(+:t
) 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が可能となる
The damping matrix C is calculated by multiplying this damping matrix C by the velocity (6) of the displacement vector to obtain the damping force=(C)(+:t
) is a matrix that provides a damping force in the form of 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ではP1〜P8の8つの節点が
ある。節点PnのX座標をunq y座標をvnで表わ
すこととすれば、初期変位u(0)は、 u (0) = (Ll+ +Vl +u2 +■2 
+u3 +v3 +u4 +v4L’l+シ!+u6+
v8+u7+v7+ua+v6)Tと書ける。平衡状態
ubは、オールOで、ub−(o、o、o、o、o、o
、o、o。
In the sample model shown in FIG. 2, there are eight nodes P1 to P8. If the X coordinate of the node Pn is expressed by unq and the y coordinate by vn, the initial displacement u (0) is as follows: u (0) = (Ll+ +Vl +u2 +■2
+u3 +v3 +u4 +v4L'l+shi! +u6+
v8+u7+v7+ua+v6) It can be written as T. The equilibrium state ub is all O, ub-(o, o, o, o, o, o
, o, o.

o、o、o、o、o、o、o、o)” で表わされる。今、簡単のために節点Pi、P2のみを
X方向に5mm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゜o、o
、o、o、o、o、o、o)” となる。これが初期変位として入力される値である。も
っと強く引っ張って、節点PI、P2のみをX方向に5
InI11だけ引っ張ったとすると、初期変位u (0
)は、 u(0)=(0,10,0,10,0,5,0,5゜0
.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。
o, o, o, o, o, o, o, o)". Now, for simplicity, suppose only the nodes Pi and P2 are pulled by 5 mm in the X direction, then the initial displacement u(
0) is u(0)''(0,5,0,5,0,0,0,0゜o,o
, o, o, o, o, o, o)". This is the value input as the initial displacement. Pull even harder, and only the nodes PI and P2 will be moved by 5 in the X direction.
If only InI11 is pulled, the initial displacement u (0
) is u(0)=(0,10,0,10,0,5,0,5゜0
.. 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が高くなる。
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.

この場合、節点座標が変わるので上述の剛性マトリック
スに1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)が変化することとな
る。
In this case, since the nodal coordinates change, the above-mentioned stiffness matrix, one mass matrix M, and the damping matrix C change. Therefore, the pitch of the output in the waveform generation calculation described later changes, and the pitch (key) changes.

(5)次に、上記のように用意した質量マトリックスM
1剛性マトリックスに1減衰マトリツクスC1外力F(
t)、および初期条件u (0)、 (s(0)、u 
(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
1 stiffness matrix and 1 damping matrix C1 external force F (
t), and initial conditions u (0), (s(0), u
A waveform generation calculation for creating an equation of motion from (0) and obtaining a waveform sample value as a solution will be explained.

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.

MQ(t)+CG(t)+Ku(t)−f(t)−0・
・・・・(30)なお、式(30)のu (t)、  
u (t)、 u (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
対して一定時間ごとに作用するX方向の外力とX方向の
外力とを並べたベクトルである。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。
MQ(t)+CG(t)+Ku(t)-f(t)-0・
...(30) Note that u (t) in equation (30),
u (t), u (t) is X for all nodes
This is a vector in which data related to the direction and data related to the X direction are arranged. Further, f (t) is also a vector in which an external force in the X direction and an external force in the X direction that act on all nodes at regular intervals are arranged. 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)、 (s (t)ti (t)から
、Δを経過した時刻t+Δtにおける次のサンプル点デ
ータu(t+Δt)Q(t+Δt)、ti(t+Δt)
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, we can calculate Δ from the current data u (t), (s (t)ti (t)) at time t. Next sample point data u(t+Δt)Q(t+Δt), ti(t+Δt) at elapsed time t+Δt
Calculate. This repetition generates waveform data that changes over time.

ここで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.

したがって、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・・・・・・(3
1)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(を十Δ t)−u (t)+Δ tI:I(
t)◆(Δt’/3) IQ (t) + <Δt2/
[1)IQ(t◆Δt)・・・・・・・(32) cI(tIA t)−Q(t)”  (Δt/2)申(
Q(t)+  Q(t+Δ1))(33) 式(32)を、式(31)でtの代わりにt+Δtとし
た下式(34) %式%(34) に代入すると、 MQ(t+Δt) +K (u (t)+ΔtQ (t) +(Δt”/3)傘a (t) + (Δt2/6)◆
Q(t+Δt))  −。
Mu (t) + Ku (t) = O (3
1) Here, the acceleration at each point of each element changes linearly,
Assume that it can be determined at certain times. That is, if the acceleration is α at one time and becomes β at the next time, the acceleration linearly changes from α to β between those times. From this assumption of linear acceleration, u(is 1Δt)−u(t)+ΔtI:I(
t)◆(Δt'/3) IQ (t) + <Δt2/
[1) IQ(t◆Δt)・・・・・・(32) cI(tIA t)−Q(t)” (Δt/2)
Q(t) + Q(t+Δ1)) (33) Substituting equation (32) into the following equation (34) where t is replaced with t+Δt in equation (31), MQ(t+Δt) +K (u (t) + ΔtQ (t) + (Δt”/3) umbrella a (t) + (Δt2/6)◆
Q(t+Δt)) −.

(35) となる。したがって、 (M+(Δt2/13)+K)  * Q(t◆ Δt
)−−K(u(t)◆Δtu (t) + (Δt’/
3)同(t))−・(3B)よって、 Q(t+Δt) ・−(M+(Δt2/6) +K) −’傘 K(u(
t)+Δ tQ (t)+ (Δ t2/3)IQ (
t))・・・・・・(37) 以上で、時刻tにおける現在データu(t)。
(35) becomes. Therefore, (M+(Δt2/13)+K) * Q(t◆ Δt
)−−K(u(t)◆Δtu (t) + (Δt'/
3) Same (t)) −・(3B) Therefore, Q(t+Δt)・−(M+(Δt2/6) +K) −′Umbrella K(u(
t)+Δ tQ (t)+ (Δ t2/3)IQ (
t)) (37) The above is the current data u(t) at time t.

u (t)、 ti (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ti(t+Δt)が求
められる。
Time t when Δ has passed from u (t), ti (t)
The next sample point ti(t+Δt) at +Δt is determined.

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α(t+Δ
t)を得る。
Furthermore, by substituting this U(t+Δt) into the above two equations (32) and (33), u(t+Δt) and α(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
をフローチャートで表わしたものである。
FIG. 5 is a flowchart showing 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S
2でINV = (M+(Δt’/6)+K)−’を計
算する。
In the same 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 shape and material of the assumed instrument, and the stiffness is determined using Young's modulus E and Poisson's ratio υ. matrix and calculate the mass matrix M. And step S
2, calculate INV = (M+(Δt'/6)+K)-'.

一方、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0(O)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 0 (O) 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で上記式(37)に基づきti(t
+Δt)を計算する。さらに、ステップS5で上記式(
33)に基づきQ(t+Δt)を、ステップS6で上記
式(32)に基づきu(t+Δt)を、それぞれ計算す
る。
Next, in step S4, ti(t
+Δt). Furthermore, in step S5, the above formula (
Q(t+Δt) is calculated based on the equation (33), and u(t+Δt) is calculated based on the above equation (32) in step S6.

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。この例では、u(t+Δt)
の中で固定点に最も近い点、すなわち第2図の節点P5
のy方向の変位を抽出し、これを波形データのサンプル
値としてしする。なお、どの節点の変位をもサンプル値
として用し)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. In this example, u(t+Δt)
The point closest to the fixed point in , that is, the node P5 in Figure 2
The displacement in the y 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 it may be possible to select it later.

2回目以降の繰返し処理では、求めたu (t+Δt)
、Ll (tIAt)、u (t+Δt)を次のu (
t)、 (x (t)、 (i (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)
, Ll (tIAt), u (t+Δt) as the next u (
t), (x (t), (i (t)),
Calculations from step S4 onwards are performed. 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通用した電子楽
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 using the musical tone synthesis device of the embodiment. 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ド
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人力し、さらに押鍵
検出部16からキーオン信号を受けてエンベロープを発
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部2
1からのエンベロープを付与するための積算器、23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 selects data in the waveform bank 14 based on voice data such as voice numbers outputted from the voice selection section 19, touch data outputted from the touch detection section 17, and pressed key codes outputted from the key pressed detection section 16. This is a reading unit that selects and reads out waveform data. 21 manually 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; This is an envelope generating section that receives a key-on signal from 16 and generates an envelope. 22 is waveform bank 1
Envelope generator 2 applies the waveform data read from 4
23 is a D/A converter that converts the digital tone signal output from the integrator 22 into an analog signal; 24 is a D/A converter 23;
This is a sound system that generates musical tones based on musical tone signals output from.

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 FIGS. 6 and 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つから読み出し部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 a key on the keyboard 15, data such as the pressed key/key code, touch data, and voice number are transmitted to the key press detection section 16 and the touch detection section. 17 and one voice selection section 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 sent to an envelope generator 21 in an integrator 22.
The waveform data is integrated with the envelope data outputted from the waveform data to give an envelope, and a musical tone is generated based on this waveform data via the D/A converter 23 and the sound system 24.

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51からパラメータ選択およびスケーリング部4
5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. Parameter selection and scaling section 4 from waveform calculation section 51
5, the timing information of the arithmetic unit is passed.

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) *K) −’ 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)*K)−’・に 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 Component data is stored.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ド(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
大きくし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
だ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 assumed size of the musical instrument is made larger or the material is made heavier, the pitch will be lowered, and vice versa, the pitch will be raised. 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、適当な減衰環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パッド
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 a suitable attenuation ring. Further, a drum pad 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S18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 S18 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 waveforms calculated using Sump's 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)+u (t)Δt)u 
(t+At)=Ij(t)+ti (t) Δtu(を
十Δt) =u (t) +L1 (t)Δt■ 線形
加速法の他の例 ΔG=■(t+Δt)−U (t) Δα=α(t+Δt) −〇 (t) Δ U=U (t+Δt) (1) +ΔF) ただし、 Δ F=F (t+Δt) (1) ■ ニューマークβ法の例 +F(t+Δt) ) +(Δt)2  β(0(t+Δt) −Q (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)+u (t)Δt)u
(t+At)=Ij(t)+ti (t) Δtu(tensΔt) =u (t) +L1 (t)Δt■ Other examples of linear acceleration method ΔG=■(t+Δt)−U (t) Δα=α (t+Δt) −〇 (t) Δ U=U (t+Δt) (1) +ΔF) However, Δ F=F (t+Δt) (1) ■ Example of Newmark β method +F(t+Δt) ) +(Δt)2 β (0(t+Δt) −Q (t)
) Note that β is a parameter to obtain a stable solution,
Select from the range 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.

+F(t+θΔ1)  ) (、。 、 = (E) −1)G(t)+(1(tl
? A t)b ■ 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、つぎのサンプル点のデータu(t
+Δt)を得る。
+F(t+θΔ1) ) (,. , = (E) -1)G(t)+(1(tl
? A t) b ■ Example of two-volt method Approximating a cubic equation using current data u (t), past data u (t-Δt) and u (t-2Δt), and external force f (t+Δt), Data u(t
+Δt) is obtained.

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(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。
Further, in the above-described embodiment, a two-dimensional finite element method is used, but the present invention is not limited to this, and a three-dimensional or one-dimensional (for example, one in which the material is different for each part) finite element method may be used.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、自然楽器の物理
的構造に基づき振動解析の手法により波形データを演算
算出しているので、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および電子楽器が
提供される。
[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, waveform data is calculated using a vibration analysis method based on the physical structure of a natural musical instrument. Provided are a musical tone synthesizer and an electronic musical instrument that can create various sounds based on physical structures and have natural transient response.

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。
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通
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;ボイス選択操作子、 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。
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 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 using a musical sound synthesis device according to an embodiment of the present invention. 7 is a memory map of the waveform bank of the electronic musical instrument shown in FIG. 6, and FIG. 8 is a diagram of the electronic musical instrument that calculates waveform data in real time using a musical tone synthesizer according to an embodiment of the present invention. 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 into account external force parameters; 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 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 unit, 17; Touch detection unit, 18; Voice selection operator, 19; Voice selection unit, 20, Memory reading unit, 21; Envelope generation unit, 22; Integration unit, 23 , D/A converter, 24; sound system.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)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、 上記各離散要素についての所定の運動方程式に対し、想
定した上記楽器に与える初期変位に相当する初期条件を
与える初期条件設定手段と、上記パラメータデータおよ
び初期条件に基づいて、上記運動方程式の解を算出する
演算手段とを具備し、 上記運動方程式の解を繰返し算出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ことを特徴とする
楽音合成装置。
(1) 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, and a predetermined equation of motion for each of the above-mentioned discrete elements. The apparatus further comprises: an initial condition setting means for providing an initial condition corresponding to an assumed initial displacement given to the musical instrument; and an arithmetic means for calculating a solution to the equation of motion based on the parameter data and the initial conditions; A musical tone synthesis device characterized in that musical sound waveform data that changes over time is generated by repeatedly calculating solutions to equations.
(2)請求項1に記載の楽音合成装置を用いて、楽音波
形データの生成を実際の発音に先立って行ない、その生
成楽音波形データを記憶手段に一時記憶した後発音する
ことを特徴とする電子楽器。
(2) The musical tone synthesis device according to claim 1 is used to generate musical sound waveform data prior to actual sound generation, and the generated musical sound waveform data is temporarily stored in a storage means before sounding. electronic musical instrument.
(3)請求項1に記載の楽音合成装置を用いて、楽音波
形データの生成を実際の発音とほぼ並行してリアルタイ
ムに行なうことを特徴とする電子楽器。
(3) An electronic musical instrument characterized in that the musical tone synthesis device according to claim 1 is used to generate musical sound waveform data in real time almost in parallel with actual sound production.
(4)前記パラメータデータが、音高に対応した前記楽
器の形状を示すデータを含む請求項1から3に記載の楽
音合成装置または電子楽器。
(4) The musical tone synthesis device or electronic musical instrument according to any one of claims 1 to 3, wherein the parameter data includes data indicating a shape of the musical instrument corresponding to a pitch.
(5)前記楽器の形状を示すデータが、音高に対応した
所定の係数を掛けることによりスケーリングされている
請求項4に記載の楽音合成装置または電子楽器。
(5) The musical tone synthesis device or electronic musical instrument according to claim 4, wherein the data indicating the shape of the musical instrument is scaled by multiplying by a predetermined coefficient corresponding to pitch.
(6)前記パラメータデータが、音高に対応した前記楽
器の材質を示すデータを含む請求項1から5に記載の楽
音合成装置または電子楽器。
(6) The musical tone synthesis device or electronic musical instrument according to any one of claims 1 to 5, wherein the parameter data includes data indicating a material of the musical instrument corresponding to a pitch.
(7)前記楽器の材質を示すデータが、音高に対応した
所定の係数を掛けることによりスケーリングされている
請求項6に記載の楽音合成装置または電子楽器。
(7) The musical tone synthesis device or electronic musical instrument according to claim 6, wherein the data indicating the material of the musical instrument is scaled by multiplying by a predetermined coefficient corresponding to the pitch.
(8)前記初期条件が、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を含
む請求項1から7に記載の楽音合成装置または電子楽器
(8) The musical tone synthesis device or electronic musical instrument according to any one of claims 1 to 7, wherein the initial conditions include conditions of displacement, velocity, and/or acceleration corresponding to a touch of a performance operator of the electronic musical instrument.
(9)前記演算手段が、前記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
はブレスデータを含む外力データをも用いて前記運動方
程式の解を算出する請求項1から8に記載の楽音合成装
置または電子楽器。
(9) The musical tone according to any one of claims 1 to 8, wherein the calculation means calculates a solution to the equation of motion using external force data including aftertouch data or breath data of the electronic musical instrument, as well as the parameter data and initial conditions. Synthesizer or electronic musical instrument.
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