JPH0776874B2 - 楽音合成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は、特に、電子管楽器に用いて好適な楽音合成
装置に関する。

「従来の技術」 自然楽器の発音メカニズムをシミュレートすることによ
り得られたモデルを動作させ、これにより、自然楽器の
楽音を合成する方法が知られている。この種の技術は、
例えば特開昭63−40199号公報に開示されている。以
下、管楽器を例に、その発音メカニズムのモデルを説明
し、次いで、このモデルを用いた楽音合成装置について
説明する。

第６図はクラリネット、サクソフォーン等の管楽器の概
略構成を示したものである。同図において、１は管楽器
の共鳴管（管部）、２はリード、THは共鳴管１に形成さ
れた音高操作用のトーンホール（音孔）を示す。

この構成においては、吹奏者がリード２に呼気2Aを吹き
込むと、その呼気圧PAおよび自身の弾性特性によりリー
ド２が振動する（矢印2S）。この結果、リード２の管内
側に空気の圧力波（粗密波）が発生し、これが進行圧力
波Ｆとなって共鳴官１の終端部1Eに向かって送出され
る。そして、進行圧力波Ｆは共鳴管１内の各所および終
端部1Eにおいて反射され、反射圧力波Ｒとなってリード
２に戻り、リード２は反射圧力波Ｒからの圧力PRを受け
る。従って、吹奏中、リード２が受ける全圧力Ｐは、反
射圧力波Ｒの圧力をPRとすると、 Ｐ＝PA−PR ……（１） となり、結局、リード２は自身の弾性特性と上記圧力Ｐ
とにより振動する。そして、リード２の振動と共鳴管１
内の圧力波ＦおよびＲの往復運動とが共振状態となるこ
とにより楽音が発生される。

この時の共振周波数は、共鳴管１に形成されたトーンホ
ールTHの開閉操作により切り換えられる。すなわち、ト
ーンホールTHの開閉操作が行われると、それに伴ってト
ーンホールTH近傍における圧力波の流れが変化し、共鳴
管１の実効的な長さが変化することによって共振周波数
の切換がなされる。

第７図は上述したような管楽器の発音メカニズムをシミ
ュレートすることにより得られた楽音合成装置の構成例
を示したものである。同図において、11はリード２の動
作をシミュレートした非線形素子、12は共鳴管２をシミ
ュレートした共振回路、13はリード２において行われる
上記式（１）の圧力演算をシミュレートした減算器であ
る。ここで、非線形素子11の出力信号は、進行波信号と
して共振回路12に入力され、共振回路12の出力信号、す
なわち、反射波信号は減算器13に入力されるようになっ
ている。

共振回路12において、BD₁,BD₂,…は、共鳴管１内を伝播
する空気圧力波の伝送遅延をシミュレートした双方向伝
送回路である。また、各双方向伝送回路BD₁,BD₂,…にお
いて、DFは進行波信号の伝送用の遅延回路、DRは反射波
信号の伝送用の遅延回路を示す。TRMは共鳴管１の終端
部1E（第６図）における圧力波の反射をシミュレートし
た終端回路である。ここで、終端回路TRMは、反射に伴
う音響損失をシミュレートしたローパスフィルタMLと、
同じく反射に伴って生じる入力信号の位相反転をシミュ
レートした反転回路IVとからなる。なお、この反転回路
IVは、終端部1Eが開口端の場合のみ必要であり、閉口端
の場合は不要である。

JU₁はジャンクションであり、トーンホールTH近傍にお
ける圧力波の散乱をシミュレートするものである。ここ
で、M₁,M₂は乗算器、A₁,A₂は減算器、Ajは加算器を示
す。加算器Ajには、双方向伝送回路BD₁からの進行波信
号が乗算器M₁によって係数a₁が乗じられて入力されると
共に、双方向伝送回路BD₂からの反射波信号が乗算器M₂
によって係数a₂が乗じされて入力され、入力信号の加算
が行われる。なお、これらの係数a₁およびa₂については
後述する。そして、この加算結果は、加算器Ajから減算
器A₁およびA₂に送られる。そして、減算器A₁では加算器
Ajの出力信号から進行波信号F₁が減算され、減算結果が
反射波信号R₂として双方向伝送回路BD₁に送られる。ま
た、減算器A₂では加算器Ajの出力信号から反射波信号R₁
が減算され、減算結果が進行波信号F₂として双方向伝送
回路BD₂に送られる。

ここで、信号F₁およびR₁に乗ずる係数について説明す
る。

＜トーンホールTHが開状態の場合＞ 第６図における共鳴管１内のトーンホールTH近傍の点ｊ
において、この点ｊの空気圧Pjは、 Pi＝a₁offP₁₊＋a₂offP₂₊ ……（２） となる。ここで、P₁₊は共鳴管１のリード２側から点ｊ
に流入する空気圧力波の圧力、P₂₊は共鳴管１の終端部1
E側から点ｊに流入する空気圧力波の圧力を示す。ま
た、a₁off,a₂offは、点ｊに流入する各空気圧力波の大
きさの配分を示す係数で、下記式（３）および（４）で
与えられる。

a₁off＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（３） a₂off＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（４） となる。ここで、φ_１は共鳴管１のリード２側の部分の
直径、φ_２は共鳴管１の終端部1E側の直径、φ_３はトー
ンホールTHの直径を示す。第７図において、進行波形信
号F₁は上記圧力P₁₊に相当し、反射波信号R₁は上記圧力P
₂₊に相当する。また、この楽音合成装置では、トーンホ
ールTHが開状態の場合、上記係数a₁off、a₂offが係数
a₁,a₂として、乗算器M₁、M₂に与えられる。従って、加
算器Ajからは、上記式（２）の演算結果、すなわち、点
ｊにおける空気圧力Pjに相当する信号が出力される。

一方、第６図において、点ｊから共鳴管１のリード２方
向に流出する空気圧力波の圧力P_1-、共鳴管１の終端部1
E方向に流出する空気圧力波の圧力P_2-とすると、これら
は各々 P_1-＝Pj−P₁₊ ……（５） P_2-＝Pj−P₂₊ ……（６） となる。これら各圧力P_1-,P_2-に相当する信号は、各
々、減算器A₁、A₂から出力される。

＜トーンホールTHが閉状態の場合＞ この場合、トーンホールTHの直径φ_３が０になった状態
と等価であると考えられる。従って、上記式（３）およ
び（４）において、φ_３＝０を代入して得られる下記係
数a₁on,a₂onが、係数a₁,a₂として加算器A₁,A₂に与えら
れる。

a₁on＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（７） a₂on＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（８） そして、下記式（９）に従う共鳴管１内の点ｊの空気圧
Pjに相当する信号が加算器Ajから得られる。

Pj＝a₁onP₁₊＋a₂onP₂₊ ……（９） そして、圧力P_1-,P_2-に相当する信号が、各々、減算器A
₁、A₂から出力される。

このようにして、トーンホールTHの開閉操作に対応した
共鳴管１内の空気圧力波の散乱状態の変化がシミュレー
トされる。

この楽音合成装置の例では、吹奏圧PAに応じたバイアス
値VAが減算器13を介して非線形素子11に与えられる。非
線形素子11の出力信号は、双方向伝送手段BD₁,BD₂,…お
よびこれらに介挿されたジャンクションJU₁,…を経て終
端回路TRMに送られる。ここで、ジャンクションJU₁,…
では、上述したように対応するトーンホールTHの開閉操
作に対応して係数a₁,a₂が切り換えられ、これにより、
当該ジャンクションJU₁における散乱状態が切り換えら
れる。終端回路TRMに送られた進行波信号は、ローパス
フィルタMLおよび反転回路IVによって処理され、反射波
信号として、双方向伝送回路BD_n,…,BD₂,BD₁（ただし、
BD_nは図示していない終端回路TRMに最寄りの双方向伝送
回路を示す）およびこれらに介装されたジャンクション
JU₁,…を経て、さらに減算器13を介して非線形素子11に
帰還される。このようにして、非線形素子11および共振
回路12が共振状態となる。この時の共振周波数は、トー
ンホールTHの開閉に対応した各ジャンクションJU₁,…に
おける係数a₁,a₂の切換により切り換えられる。

「発明が解決しようとする課題」 ところで、実際の管楽器の吹奏では、吹奏者の指によっ
てトーンホールの開閉操作が行われ、この場合、トーン
ホールは徐々に開かれ、また、徐々に閉じられる。しか
しながら、上述した従来の楽音合成装置は、ジャンクシ
ョンの動作をトーンホールTHが全開の場合および全閉の
場合の２通りにしか切り換えていなかったので、実際の
管楽器吹奏における運指を考慮した楽音の変化を再現す
ることができないという問題があった。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、トー
ンホールを指で閉じたり徐々に開いた場合の楽音の変化
を再現することができる楽音合成装置を提供することを
目的としている。

「課題を解決するための手段」 この発明は、音孔を有する空間をシミュレートした楽音
合成装置であって、 入力信号を所定時間遅延させて出力する第１および第２
の信号処理手段と、 上記第１および第２の信号処理手段の出力信号を入力と
して、両入力に対し所定の演算処理を施して上記第１お
よび第２の信号処理手段に出力する信号散乱用ジャンク
ションと、 上記音孔の開閉に対応する操作に従い、徐々に開状態か
ら閉状態に、または、閉状態から開状態に変化する音孔
情報を発生する音孔情報発生手段と、上記音孔情報発生
手段から発生される音孔情報に基づき、上記信号散乱用
ジャンクションにおける演算処理に用いる係数を制御す
る制御手段とを備えることを特徴とする。

「作用」 上記構成によれば、音孔の開閉に対応する操作に従い、
徐々に変化する音孔情報が発生され、この情報に従って
信号散乱用ジャンクションにおける演算用の係数が制御
される。従って、音孔情報に応じて信号散乱用ジャンク
ションからの出力信号が変化し、この楽音合成装置で発
生される楽音信号が変化する。

「実施例」 以下、図面を参照し、本発明の一実施例を説明する。

第１図はこの発明の一実施例による楽音合成装置の構成
を示すブロック図である。なお、この図において、前述
した第７図と対応する部分には同一の符号が付してあ
る。同図において、21は楽器本体に装備された各種操作
子（図示せず）の操作を検知し、それに従って楽音制御
情報（トーンホールの開閉信号、吹奏の強弱の程度、ノ
ートオン、ノートオフ等）を発生する楽音制御情報発生
回路である。22は励振回路であり、例えば、前述した第
７図における非線形素子11および減算器13によって構成
される。ここで、励振回路22には、楽音制御情報発生回
路21から供給される吹奏の強弱を示す情報に従った値VA
が供給される。

JA₁はトーンホール１個分に相当するジャンクション、2
3はトーンホール開閉信号に従ってジャンクションJA₁に
おける信号演算処理用の係数を制御するトーンホール制
御回路である。ここで、トーンホール制御回路23には第
４図に示す係数演算回路が内蔵されている。第４図にお
いて、M₁₁,M₁₂,M₁₃は乗算器、A₁₁は加算器、D₁₁は除算
器を示す。

なお、第１図では、管楽器のリードから第１個目のトー
ンホールに至るまでの部分と管楽器の終端部に相当する
部分が例示されており、他の部分ついては図示が省略さ
れている。図示されていない双方向伝送回路BD₂から終
端回路TRMに至るまでの区間には、実際の管楽器の管の
長さに応じて双方向伝送回路BD₃,…,BD_n（BD_nは終端回
路TRMに最寄りの双方向伝送回路）が接続されると共
に、各双方向伝送回路の間のトーンホールの配置に対応
した位置にジャンクションJA₁およびトーンホール制御
回路23相当の回路が介挿されている。

第２図はジャンクションJA₁の構成を示すブロック図で
ある。なお、この図において、前述した第７図と対応す
る部分には同一の符号が付してある。このジャンクショ
ンJA₁は第３図に示すように管部から盛り上がったトー
ンホールをシミュレートしたものである。このようなト
ーンホール構造において、トーンホールが開状態の場
合、管内からトーンホールに向けて流出された空気圧力
波（圧力P_3-）は一部が開口部で反射されて再び管内に
流入する（圧力P₃₊）。従って、管内のトーンホール近
傍の点ｊの空気圧Pjは、 Pj＝a₁P₁₊a₂P₂₊＋a₃P₃₊ ……（10） となる。前述と同様、P₁₊はリード側から点ｊに流入す
る空気圧力波の圧力、P₂₊は終端部側から点ｊに流する
空気圧力波の圧力である。この場合、各圧力の係数は、 a₁＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（11） a₂＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（12） a₃＝２φ₃ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋φ₃ ²） ……（13） となる。一方、トーンホールが閉状態の場合は、 a₁＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（14） a₂＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²） ……（15） a₃＝０ ……（16） となる。また、点ｊからリード側に流出する圧力波の圧
力P_1-、終端部側に流出する圧力波の圧力P_2-、トーンホ
ール側に流出する圧力波の圧力P_3-は、各々、 P_1-＝Pj−P₁₊ ……（17） P_2-＝Pj−P₂₊ ……（18） P_3-＝Pj−P₃₊ ……（19） となる。

第２図において、遅延回路DTFおよびDTRはトーンホール
の筒状の部分における空気圧力波の伝播遅延をシミュレ
ートしたもので、筒状部分の高さＨに応じてその遅延量
が決められている。また、TLはトーンホールの終端部で
の反射に伴う音響損失をシミュレートしたローパスフィ
ルタ、M₄は乗算器であり、トーンホールの先端部におけ
る空気圧力波の反射をシミュレートしたものである。A₃
は減算器、M₃は乗算器であり、これらにより管部からト
ーンホールへの空気圧力波の流出およびトーンホールか
ら管部への空気圧力波の流入が制御される。

以下、この楽音合成装置の動作を説明する。楽音制御情
報発生回路21から吹奏圧を示す情報およびノートオン信
号が発生されると、吹奏圧に対応した値VAが減算器13を
介して非線形素子11に供給されると共に非線形素子11の
出力がイネーブルされて、その出力信号が双方向伝送回
路BD₁,ジャンクションJA₁,双方向伝送回路BD₂,…を介し
て終端回路TRMに送られる。そして、終端回路TRMからの
反射波信号が上述と逆の経路をたどり加算器13を介して
非線形素子11に帰還される。これによって非線形素子11
および共振系の回路（双方向伝送回路BD₁から終端回路T
RMに至るまでの回路）が共振状態となり楽音信号が取り
出される。

この状態において楽音制御情報発生回路21からトーンホ
ール開閉信号が送られると、トーンホール制御回路23で
はこの信号に従って制御変数ｘが変化される。ここで、
トーンホール開閉信号が「トーンホール開」に変化した
場合は、ｘは時間経過と共に０からφ₃ ²（φ_３はトーン
ホールの直径）まで徐々に変化する。この変化はトーン
ホールを押さえていた指を離す時の、トーンホールにお
ける実効的な開口部面積の変化に対応する。また、トー
ンホール開閉信号が「トーンホール閉」に変化した場合
は、ｘは時間経過と共にφ₃ ²から０に徐々に変化する。
そして、この制御変数ｘは第４図の係数演算回路に入力
され、同回路によって下記式（20）〜（22）の係数演算
が行われる。

a₁（ｘ）＝２φ₁ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋ｘ） ……（20） a₂（ｘ）＝２φ₂ ²/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋ｘ） ……（21） a₃（ｘ）＝2x/（φ₁ ²＋φ₂ ²＋ｘ） ……（22） そして、演算によって得られた係数a₁（ｘ）,a₂（ｘ）,
a₃（ｘ）が乗算器M₁,M₂,M₃に与えられ、加算器Ajへ入力
される各信号のレベルが制御される。このようにして、
トーンホールを徐々に開く場合および徐々に閉じる場合
におけるトーンホール近傍の空気圧力波の散乱状態の変
化に対応した信号処理制御が行われる。

一方、これと同時に、トーンホール制御回路23で、乗算
器M₄用の係数ｆ（ｘ）が演算される。なお、この演算を
行う回路については図示を省略した。ここで、係数ｆ
は、ｘ＝０（トーンホール閉状態）の場合にｆ（０）＝
１、ｘ＝φ₃ ²（トーンホール開状態）の時にｆ（φ₃ ²）
＝−１、ｘが０〜φ₃ ²の場合、ｆはｘの増加に従って緩
やかに減少する。そして、演算によって得られた係数ｆ
は乗算器M₄に与えられる。このようにして、トーンホー
ルが徐々に開く場合および徐々に閉じる場合におけるト
ーンホール先端部の圧力波の反射特性の変化に対応した
信号制御が行われる。そして、各乗算器における係数a₁
（ｘ）,a₂（ｘ）,a₃（ｘ）,f（ｘ）が変化することによ
り、この楽音合成装置における共振波形が変化し、トー
ンホールを徐々に開いた場合あるいは徐々に閉じた場合
に相当する楽音信号の変化が再現される。

以上、第３図に示すようにトーンホールが管部から盛り
上がっている場合を例に説明したが、前述の第６図のよ
うに管部にただ穴を空けただけ（すなわち、高さＨ＝
０）のトーンホールの場合について説明する。この場
合、ジャンクションは第７図の構成のものを用い、トー
ンホール制御回路23の係数演算器としては第５図に示す
ものを用いる。第５図において、M₂₁,M₂₂は乗算器、A₂₁
は加算器、D₂₁は除算器を示す。この係数演算回路にト
ーンホールの開き具合を示す制御変数ｘを入力すること
により、上記式（20），（21）の演算が実行され、係数
a₁（ｘ）,a₂（ｘ）が得られる。そして、上記係数a
₁（ｘ）,a₂（ｘ）がa₁,a₂として乗算器M₁,M₂に与えられ
る。このようにすることで、上述の第３図のトーンホー
ル構造の場合と同様、第６図のトーンホール構造におい
て、トーンホールを徐々に開いた場合および徐々に閉じ
た場合の楽音の変化が再現される。

以上、本発明を、管楽器をシミュレートした楽音を合成
する場合を説明したが、本発明はこれに限定されるもの
ではなく、例えば、残響装置で、音場に穴を設け、その
穴を開閉させたときに生じる残響効果の変化をシミュレ
ートする場合にも利用することができる。さらに、弦楽
器の弦を何か（例えば、指など）で軽く触れたときの弦
の振動のシミュレーションにも応用することができる。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば、音孔の開閉に
対応する操作に対応して音孔情報を徐々に開状態から閉
状態に、または、閉状態から開状態に変化させるように
したので、実際の管楽器の吹奏時における音孔の状態の
変化に即した楽音の変化を得ることができるという効果
が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による楽音合成装置の構成
を示すブロック図、第２図は同実施例におけるジャンク
ションJA₁の構成を示すブロック図、第３図は同実施例
におけるトーンホールの構造を示す図、第４図は同実施
例におけるトーンホール制御回路23に内蔵される係数演
算回路の構成を示すブロック図、第５図は係数演算回路
の別の例を示す図、第６図は管楽器の概略構成を説明す
る図、第７図は従来の楽音合成装置の構成を示すブロッ
ク図である。 11……非線形素子、BD₁,BD₂,〜……双方向伝送回路、JA
₁……ジャンクション、23……トーンホール制御回路、2
1……楽音制御情報発生回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力信号を所定時間遅延させて出力する第
   １および第２の信号処理手段と、 上記第１および第２の信号処理手段の出力信号を入力と
   して、両入力に対し所定の演算処理を施して上記第１お
   よび第２の信号処理手段に出力する信号散乱用ジャンク
   ションと、 上記音孔の開閉に対応する操作に従い、徐々に開状態か
   ら閉状態に、または、閉状態から開状態に変化する音孔
   情報を発生する音孔情報発生手段と、 上記音孔情報発生手段から発生される音孔情報に基づ
   き、上記信号散乱用ジャンクションにおける演算処理に
   用いる係数を制御する制御手段と を備えることを特徴とする楽音合成装置。