JPH0782328B2

JPH0782328B2 - 楽音合成装置

Info

Publication number: JPH0782328B2
Application number: JP1334218A
Authority: JP
Inventors: かおる小林
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1989-12-22
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPH03192397A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、撥弦楽器、打弦楽器等の楽音合成に用いて
好適な楽音合成装置に関する。

「従来の技術」従来より、自然楽器の発音メカニズムをシュミレートす
ることにより、自然楽器の楽音を合成する装置が知られ
ている。弦楽器音等の楽音合成装置としては、弦の残響
損失をシュミレートしたローパスフィルタと、弦におけ
る振動の伝播遅延をシュミレートした遅延回路とを閉ル
ープ接続した構成、あるいは、多数段のFIRフィルタな
どで弦の振動をシュミレートする構成のものが知られて
いる。このような構成において、閉ループ回路に例えば
インパルス等の励起信号を導入すると、この励起信号が
閉ループ内を循環する。この場合、励起信号は、弦の振
動周期に等しい時間で閉ループ内を一巡するとともに、
ローパスフィルタを通過する際に帯域が制限される。そ
して、この閉ループを循環する信号が弦楽器の楽音信号
として取り出される。

このような楽音合成装置によれば、遅延回路の遅延時間
およびローパスフィルタの特性を調整することにより、
ギター等の撥弦楽器音、ピアノ等の打弦楽器音など、自
然の弦楽器音にある程度近い楽音が合成できる。なお、
この種の技術は、例えば特開昭63−40199号公報あるい
は特公昭58−58679号公報に開示されている。

「発明が解決しようとする課題」ところで、例えばピアノなどの自然楽器では、ハンマが
弦を叩くことによって、弦が所定の振動数で振動する。
この場合、弦およびハンマは、複数設けられた鍵の各々
に設けられている。したがって、各鍵毎に、それに対応
する弦の長さや張り具合、また、ハンマの慣性質量に違
いがある。この結果、打弦することによりハンマが弦か
ら受ける反撥力は、それぞれの鍵（キー）によって微妙
に異なる。これは、自然楽器では、ハンマに対する反撥
力が異なることによって、各鍵が発生する音色も異なる
ということを意味する。しかし、上述した従来の楽音合
成装置では、ハンマの慣性質量およびその初速度が一旦
入力されると、閉ループ回路を循環する信号の時間軸上
の速度の変化は確定してしまう。したがって、従来の楽
音合成装置では、自然楽器が発生するような鍵（また
は、ピッチ）毎に微妙に音色の異なる楽音を忠実に再現
できないという問題を生じる。

この発明は、上述した問題点に鑑みてなされたもので、
自然楽器が発生するようなピッチ毎に微妙に音色の異な
る楽音を忠実に合成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」上述した問題を解決するために、この発明では、入力信
号を遅延させて出力するループ状の信号路であって、該
ループを信号が一巡するのに要する遅延時間を発生楽音
のピッチ周期に対応させて定めた閉ループ手段と、演奏
操作情報に従って励起信号を演算し、該励起信号を前記
閉ループ手段に供給する励起手段と、ピッチ情報発生手
段と、前記ピッチ情報に基づいて前記励起手段の演算パ
ラメータを変化させるスケーリング係数発生手段とを具
備することを特徴とする。

「作用」閉ループ手段に供給する励起信号を、演奏操作情報に従
って演算する際に、スケーリング係数発生手段により、
ピッチ情報に基づいて励起手段の演算パラメータを変化
させる。

この結果、ピッチの違いによって微妙に音色の異なる楽
音を忠実に合成する。

「実施例」次に図面を参照してこの発明の実施例について説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。この楽音合成装置では、ピアノ等の打弦楽器によ
る楽音が合成される。この図において、１は、閉ループ
回路であり、遅延回路３、加算器４、フィルタ５、位相
反転回路６、遅延回路７、加算器８、フィルタ９および
位相反転回路10から構成されている。この閉ループ回路
１は、ピアノの弦（１本）の振動をシュミレートするも
のである。

ここで、上記各構成要素の詳細について、第２図に示す
ピアノの励起振動のメカニズムに対応させて説明する。
まず、第２図において、Ｓはピアノの弦、HMはハンマを
示す。弦ＳおよびハンマHMは、１つの鍵に対応してい
る。また、上記弦Ｓは、その両端を固定端T₁およびT₂に
よって固定されている。このようなピアノにおいて、鍵
盤が押鍵されると、その鍵に対応する弦ＳがハンマHMに
よって打弦される。打弦によって生じた振動は、振動波
WaおよびWbとなって弦Ｓを伝播する。第１図に示す閉ル
ープ回路１は、上記弦Ｓをシュミレートしている。ま
た、遅延回路３および７には、振動波Waが固定端T₁で反
射されて打弦位置まで戻ってくる時間、あるいは振動波
Wbが固定端T₂で反射されて打弦位置まで戻ってくる時間
が遅延時間として設定される。また、反転回路６および
10は、各々、第２図における固定端T₁およびT₂に対応し
ており、これらによって振動波WaおよびWbが各固定端
T₁，T₂で位相反転する現象がシュミレートされる。この
ようにすることで、励起振動に対応する信号が閉ループ
回路１を一巡する時間と、弦Ｓの定在波Wsの振動周期と
が等しくなる。また、閉ループ回路１を伝播する信号
は、弦Ｓの長さに対応した音高の楽音信号として、増幅
器11によって増幅されて取り出される。また、フィルタ
５および９は、弦Ｓにおける振動の減衰の周波数特性を
シュミレートするためのものである。すなわち、このフ
ィルタ5,9を設けることにより、弦Ｓに発生する振動に
おいては、その周波数成分における高次の高周波成分
程、急速に減衰するという現象が忠実にシュミレートさ
れる。

また、第１図には、デジタル回路で実現される場合の楽
音合成装置の構成を例示している。例えば遅延回路３お
よび７は、各々シフトレジスタによって構成され、これ
らのシフトレジスタの各段は伝播するデジタル信号のビ
ット数に対応したフリップフロップで構成されている。
そして、各段のフリップフロップには所定周期如にサン
プルクロックが供給される。また、遅延回路３および７
に付したn,mはレジスタの段数を示している。他の構成
要素も遅延回路３および７と同様、デジタル回路によっ
て実現されている。

次に、第１図に示す楽音合成装置の説明に戻ると、遅延
回路３および７の出力信号（励起信号）は、励起信号25
へ供給される。励起回路25は、加算器12、乗算器13、積
分器16、減算器17、ROM18、乗算器19、積分器20、乗算
器21、積分器22、乗算器23および１サンプル周期遅延回
路24から構成されている。上記両励起信号は、加算器12
によって加算され、弦Ｓの振動速度に相当する速度信号
Vs₁として出力される。この速度信号Vs₁には、乗算器13
において後述するスケーリング係数K2が乗算される。

次に、乗算器13の信号は、加算器14に供給される。この
加算器14には、ハンマHMに働く反撥力に相当する信号Ｆ
が乗算器23、１サンプル周期遅延回路24を介して供給さ
れる。また、乗算器23には、乗算器13と同様にスケーリ
ング係数K1が供給されている。上記乗算器13の出力信号
と信号Ｆとは、加算器14および１サンプル周期遅延回路
１ごによって構成される積分回路16によって積分され
る。この積分結果は、第２図に示す弦Ｓの基準線REFか
らの変位Ｘに相当する弦変位信号ｘであり、この弦変位
信号ｘは、減算器17の一方の入力端子に供給される。減
算器17の他方の入力端子には、後述する積分器22が出力
する第２図に示すハンマHMの変位Ｙに相当するハンマ変
位信号ｙが供給される。この減算器17は、ハンマHMの変
位Ｙと弦の変位Ｘの差分値（相対変位Ｙ−Ｘ）に相当す
る差分信号ｚ（ハンマ変位信号ｙ−弦変位信号ｘ）を算
出してROM18へ出力する。ここで弦ＳにハンマHMが食い
込んでいる場合には、差分信号ｚは正となり、弦Ｓとハ
ンマHMとの間には、相対変位Ｙ−Ｘ（食い込み量）に応
じた反撥力が働く（信号Ｆが所定の値をとる）。一方、
弦ＳにハンマHMが軽く触れているだけの場合、あるいは
弦ＳからハンマHMが離れている場合には、差分信号ｚは
０または負であり、したがって、反撥力（信号Ｆ）は０
となる。

上述したROM18には、弦ＳおよびハンマHMの相対変位Ｙ
−Ｘと、弦ＳとハンマHMとの間に働く反撥力Ｆとの関係
を示す非線形関数Ａのテーブルが記憶されている。第３
図はハンマHMがフェルト等の柔らかい材料で作られてい
る場合における非線形関数Ａを例示したものである。同
図に示すように、相対変位Ｙ−Ｘが０または負の場合、
すなわち、ハンマHMが弦Ｓを叩いていない状態では、上
述したように反撥力Ｆは０であり、ハンマHMが弦Ｓを叩
いた場合には、相対変位Ｙ−Ｘが大きくなるのに従い反
撥力Ｆは緩やかに大きくなる。なお、ハンマHMが硬い材
質の場合は、相対変位Ｙ−Ｘの変化に対し反撥力Ｆが急
峻に立ち上がるように非線形関数Ａを設定する。

このようにして、ROM18は、任意の時点における相対変
位Ｙ−Ｘに応じた反撥力Ｆに相当する信号Ｆを乗算器19
および閉ループ回路１の加算器4,8へ出力する。一方の
加算器４および８に供給された信号Ｆは、閉ループ回路
１を循環する励起振動Wsに相当する信号に加算される。

他方、乗算器19は、上記信号Ｆに乗算係数−1/Mを乗算
する。ここで、ＭはハンマHMの慣性質量に相当する係数
であり、乗算器19は、ハンマHMの加速度に相当する加速
度信号αを積分器20へ出力する。積分器20は、前述した
積分器16と同様に加算器と１サンプル周期遅延回路から
構成されており、上記加速度信号αを積分し、ハンマHM
の速度変化分に相当する信号βとして乗算器21へ出力す
る。この乗算器21には、スケーリング係数PINVが供給さ
れており、乗算器21は、上記信号βに該スケーリング係
数PINVを乗算して積分器22へ出力する。積分器22は、ハ
ンマHMの初速度に相当する初速度信号V₀と信号βとを加
算した結果を積分し、ハンマHMの変位Ｙに相当する変位
信号ｙとして前述した減算器17へ供給する。

また、26はスケーリング係数発生手段であり、図示しな
い操作子（鍵盤等）が出力するキーコードKCに応じて、
上述したスケーリング係数K1,K2およびPINVを出力す
る。このスケーリング係数K1,K2,PINVは、前述した自然
楽器においては、それぞれの鍵に対応する弦Ｓの長さや
張力具合、ハンマHMの慣性質量の違いから生じるハンマ
HMの受ける反撥力Ｆの微妙な違いを実現するために、キ
ーコードKCから算出された係数である。すなわち、スケ
ーリング係数K1は、ハンマHMが弦Ｓに与える力、言い換
えれば、ROM18の出力をもとに弦Ｓの変位Ｘを計算する
ときの該弦Ｓの張力がハンマHMに与える影響の度合いを
示すパラメータである。また、スケーリング係数K2は、
スケーリング係数K1と同様に弦Ｓの張力がハンマHMに与
える影響の度合いを示すパタメータである。そして、ス
ケーリング係数PINVは、弦ＳがハンマHMに与える反撥力
の影響の度合いを示すパラメータである。また、このス
ケーリング係数K1,K2およびPINVを励起回路25へ供給す
るのは、音色に変化を与えるためだけではなく、オーバ
ーフローを防ぐためでもある。このスケーリング係数発
生手段26は、キーコードKCをもとにスケーリング係数K
1,K2およびPINVを演算によって求めるか、あるいは予め
各係数が記憶されたテーブルとして用意され、キーコー
ドKCに対応するスケーリング係数K1,K2およびPINVが読
出されるようになっている。

次に、上述した構成における実施例の動作について説明
する。

まず、遅延回路3,7にキーコードKCに対応した遅延時間
が設定される。また、積分器16,20および22における１
サンプル周期遅延回路は、すべて０にリセットされる。
次に、楽音発生制御回路は初速度信号V₀を出力する。ス
ケーリング係数発生26は、キーコードKCに応じたスケー
リング係数K1,K2およびPINVを出力する。また、積分器2
2は初速度信号V₀を積分し、ハンマ変位信号ｙを減算器1
7に供給する。この場合のハンマ変位信号ｙは、時間経
過と共に負から正に向って変化する。すなわち、この期
間中、弦変位信号ｘはまだ、０であるため、差分信号ｚ
は負の値となる。このため、信号Ｆは、この期間中、第
３図に示すように０となり、積分器20が出力する信号β
も０となる。したがって、積分器22では、初速度信号V₀
のみが積分され、ハンマ変位信号ｙは負から正に向かっ
て変化していく（第３図の矢印F₁参照、ハンマHMが静止
した弦Ｓの方に向かって移動することに相当する）。

そして、差分信号ｚが０を越えて正の値になると（ハン
マHMが弦Ｓに衝突したことに相当する）、ROM18から差
分信号ｚに応じた大きさの反撥力に相当する信号Ｆが出
力される。この信号Ｆは、乗算器19および閉ループ回路
１に供給される。

一方の乗算器19においては、この信号Ｆに係数−1/Mが
乗じられて、加速度信号α（負の値）が算出される。さ
らに、この加速信号αは、積分器20によって積分され、
速度変化分に相当する信号βが求められる。次に、乗算
器21において、この信号βにスケーリング係数PINVが乗
算される。ここで、信号βは負の値なので、積分器22で
は、初速度信号V₀から信号βの分だけ減じた演算結果に
対して積分が行われ、新たなハンマ変位信号ｙを減算器
17へ出力する。

他方の閉ループ回路１では、上記ハンマ変位信号ｙが当
該ループの信号に加算され、励起信号として一巡する。
そして、閉ループ回路１を一巡し、遅延回路3,7から出
力される各励起信号は、加算器12において、加算され速
度信号Vs₁として乗算器13へ供給される。乗算器13で
は、スケーリング係数K2が乗算され、積分器16の加算器
14に供給される。加算器14には、乗算器23において、ス
ケーリング係数K1が乗算された信号Ｆも供給されてお
り、この信号Ｆと上記乗算器13の出力信号とが加算さ
れ、かつ、積分される。そして、積分器16は、新たな弦
変位信号ｘを減算器17へ供給する。また、この閉ループ
回路１を循環する励起信号は、乗算器11を介して楽音信
号として出力される。

次に、励起回路25の減算器17は、前述した新たなハンマ
変位信号ｙから新たな弦変位信号ｘを減算し、差分信号
ｚを算出する。そして、ROM18は、上記差分信号ｚに応
じて新たな信号Ｆを出力する。

以上の動作は、信号βが初速度信号V₀を越えるまで行わ
れる。そして、この期間中の加速度信号αおよび信号β
は、差分信号ｚの増大に伴って負の方向に大きくなる。
したがって、ハンマ変位信号ｙの増大の度合いは、徐々
に鈍くなり減少していく。

そして、信号βの大きさが初速度信号V₀を越えると（ハ
ンマHMの速度の方向が弦Ｓから離れる方向に逆転するこ
とに相当する）、ハンマ変位信号ｙは負の方向に変化す
る。ハンマ変位信号ｙが負の方向に変化すると、差分信
号ｚが徐々に小さくなり、その結果、信号Ｆを徐々に小
さくなる（第３図の矢印F₂参照）。したがって、閉ルー
プ回路１を循環する励起信号も次第に減衰されていく。
そして、差分信号ｚが０より小さくなると（ハンマHMが
弦Ｓから離れ、弦Ｓの弾性特性から解放された状態に相
当する）、上述した打弦動作を終了する。

次に、上述した打弦動作とは異なるキーコードKCがスケ
ーリング係数発生手段26に供給されると、スケーリング
係数発生手段26は、該キーコードKCに応じた（前回とは
異なる）スケーリング係数K1,K2およびPINVを出力す
る。そして、上述した打弦動作と同様の動作が行われ
る。

以上のようにして、この実施例では、ハンマHMの初速度
V₀の違いだけでなく、キーコードKCの違いによっても微
妙に音色が変化する楽音を発生させる。

なお、上述した実施例では、差分信号ｚに対応する信号
Ｆ（反撥力）を出力するものとして、非線形関数Ａを記
憶するROM18を用いたが、差分信号ｚをもとに演算によ
って信号Ｆを求めもよい。

また、上述した実施例では、楽音合成装置をデジタル回
路で実現する場合について説明したが、アナログ回路に
よって実現することも勿論可能であり、デジタル回路で
実現した場合と同様の効果が得られる。

また、各遅延、演算等をソフトウエアで記述し、各種コ
ンピュータあるいはDSP（デジタル・シグナル・プロセ
ッサ）等で実現してもよい。

また、上述した遅延回路を含む閉ループ回路としては、
前述の特開昭63−40199号公報に開示されているウエー
ブガイドを利用してもよい。

「発明の効果」以上説明したように、この発明によれば、閉ループ手段
に供給する励磁信号を、演奏操作情報に従って演算する
際に、スケーリング係数発生手段によりピッチ情報に基
づいて励起手段の演算パラメータを変化させるため、自
然楽器が発生するようなピッチの違いによって微妙に音
色が異なる楽音を忠実に合成できる利点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図、
第２図はピアノの弦への励起振動の導入メカニズムを説
明する図、第３図は同実施例における非線形関数を例示
した図である。１……閉ループ回路、25……励起回路、26……スケーリ
ング係数発生手段。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力信号を遅延させて出力するループ状の
信号路であって、該ループを信号が一巡するのに要する
遅延時間を発生楽音のピッチ周期に対応させて定めた閉
ループ手段と、演奏操作情報に従って励起信号を演算し、該励起信号を
前記閉ループ手段に供給する励起手段と、ピッチ情報発生手段と、前記ピッチ情報に基づいて前記励起手段の演算パラメー
タを変化させるスケーリング係数発生手段と、を具備することを特徴とする楽音合成装置。