JPH0782342B2

JPH0782342B2 - 楽音合成装置

Info

Publication number: JPH0782342B2
Application number: JP1259735A
Authority: JP
Inventors: 利文国本
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1989-10-04
Filing date: 1989-10-04
Publication date: 1995-09-06
Anticipated expiration: 2010-09-06
Also published as: JPH03121498A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、特に管楽器音の合成に用いて好適な楽音合
成装置に関する。「従来の技術」管楽器の吹奏時、マウスピース部に取り付けられたリー
ドは、吹奏圧と共鳴管内の空気圧との圧力差によって弾
性変形する。そして、マウスピースとリードとの間隙、
すなわち、吹奏者の口から共鳴管内に向けて吹き込まれ
る空気流の通過経路の断面積が変化することにより、外
部から共鳴管内に流入する空気流の流速が変化し、共鳴
管内部の空気圧に変化がもたらされる。そして、このよ
うにして発生された空気圧の変化（励起振動）により共
鳴管内に空気圧力波の定在波が発生し（共鳴状態）、楽
音が出力される。このような管楽器の発音メカニズムをシミュレートして
得られる電気的モデルを動作させ、楽音を合成する方法
が知られている。具体的には、上述したような吹奏圧と
共鳴管内部の空気圧との差圧によってリードとマウスピ
ース部との間隙が変化する現象、およびこの間隙の変化
によって共鳴管内部の空気圧が変化する現象は、非線形
増幅回路によってシミュレートされる。また、共鳴管は
発生しようとする楽音の音高に対応した共振周波数を有
する共振回路によってシミュレートされる。そして、こ
れらの非線形増幅回路と共振回路とを閉ループ接続する
ことにより、管楽器音の楽音合成装置が実現される。こ
のような構成によれば、非線形増幅回路と共振回路との
間で共振が発生し、非線形増幅回路あるいは共振回路の
所定位置から楽音信号が取り出される。なお、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。「発明が解決しようとする課題」ところで、実際の管楽器においては、上述したようなリ
ードとマウスピースの間隙の変化のみではなく、リード
の振動に伴う直接的な空気の移動も共鳴管内の空気圧に
変化をもたらすはずであり、その影響が音色に現れるも
のと考えられる。しかしながら、従来、このようなリー
ドの動作によって共鳴管内に直接的にもたらされる空気
圧変動を厳密にシミュレートした楽音合成装置はなかっ
た。この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであ
り、リードの動作によって共鳴管内にもたらされる空気
圧変動の楽音への影響を忠実にシミュレートした楽音合
成装置を提供し、より自然楽器に近い音色の楽音を合成
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、（ａ）入力信号および帰還信号に対して所定の演算処理
を施し、該処理結果を出力する演算手段、（ｂ）前記演算手段の出力信号の高周波成分を抽出する
フィルタ手段、および（ｃ）前記演算手段の出力信号と前記フィルタ手段の出
力信号とに基づいて励振信号を出力する出力手段からなる励振手段と、前記励振手段から出力される励振信号に対し、少なくと
も遅延処理を施し、該処理結果を前記励振手段に帰還信
号として供給する信号処理手段とを具備し、前記励振手
段および前記信号処理手段を共振状態にすることにより
楽音信号を発生するようにしたことを特徴としている。「作用」上記構成によれば、励振手段で発生された励振信号は信
号処理手段を介して再び励振手段に帰還され、共振状態
となる。励振手段では、外部からの入力信号および帰還
信号に対し、演算手段によって、所定の演算処理が行わ
れると共に、前記演算処理結果の高周波成分がフィルタ
手段によって抽出され、さらに前記演算処理結果および
前記抽出された高周波成分に基づいて前記励振信号が発
生される。「実施例」以下、図面を参照し、本発明の実施例を説明する。

【第１実施例】第１図はこの発明の第１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。この楽音合成装置は、管楽
器のマウスピース部の動作をシミュレートした励振回路
10と、管楽器の共鳴管をシミュレートした共振回路30と
を、ジャンクション20を介して接続した構成となってい
る。ジャンクション20は、管楽器におけるマウスピース部と
共鳴管との接続部における空気圧力波の散乱をシシュレ
ートしたものである。このジャンクション20では、共振
回路30からの出力信号と励振回路10の出力信号が加算器
21によって加算されて共振回路30に入力され、加算器21
の出力信号と共振回路30の出力信号が加算器22によって
加算されて励振回路10に入力されるようになっている。共振回路30は、例えばシフトレジスタ等の遅延手段によ
って簡単に実現することができる。すなわち、励振回路
10の出力信号はジャンクション20を介して共振回路30に
入力され、共振回路30によって所定時間遅延され、ジャ
ンクション20を介して励振回路10に帰還される。この場
合、励振回路10と共振回路30との間を信号が往復するの
に要する時間によって楽音の１次の共振周波数が決定さ
れる。この楽音合成装置では、図示していない楽音制御
装置によって共振回路30の遅延時間が制御され、音高の
制御が行われる。励振回路10は、第２図に示すようなシングルリード楽器
のマスウピース部１をシミュレートしたものである。こ
こで、励振回路10について説明する前に第２図のマウス
ピース部１に取り付けられたリード２の動作について説
明する。吹奏時、リード２とマウスピース部１との間隙
Ｓを介してマウスピース部１内に空気流（息）が吹き込
まれ、この結果、マウスピース部１内に空気圧の変化が
生じ、この圧力変化が圧力進行波Ｆとなって共鳴管終端
部に向けて伝播する。そして、共鳴管の各部で反射され
た圧力波が反射圧力波Ｒとなってマウスピース部１に帰
還される。ここで、リード２とマウスピース部１との間隙Ｓが広い
程、空気流がマウスピース部１内に流入し易い。また、
マウスピース部１の外部の空気圧（吹奏圧Ｐ）とマウス
ピース部１内部の空気圧（共鳴管側からの反射波Ｒに基
づく空気圧PR）との圧力差が大きい程、上記流入速度と
して大きな速度が得られる。次に吹奏時におけるリード２の動きについて説明する。
マウスピース部１の内圧PRと吹奏圧Ｐとの圧力差PA＝PR
−Ｐが負の場合、この圧力差はリード２とマウスピース
部１との間隙Ｓを小さくするように（破線UL）作用し、
正の場合は間隙Ｓを大きくするように（破線LL）作用す
る。また、リード２には上記圧力差PAの他、エンブシュ
アＥ（吹奏者がマウスピース部１を口にくわえることに
よる圧力に関連した値）が加えられ、これらの圧力を総
合した圧力によってリード２が曲げられ、間隙Ｓが変化
する。この場合、リード２に加えられる総合的な圧力と
間隙Ｓとの関係は例えば２次関数等の非線形関数で近似
される。リード２が変位して間隙Ｓが変化すると、この結果、空
気流のマウスピース部１内への流入のし易さ、すなわ
ち、空気流に対するアドミッタンスが変化することとな
るので、マウスピース部１内において空気圧の変化が励
起される。また、マウスピース部１内においては、上述
のように、空気流に対するアドミッタンスが変化するこ
とにより空気圧が変化する他、以下説明するように、リ
ード２の移動に伴って強制的に空気が移動されることに
より空気圧の変化がもたらされる。すなわち、リード２が破線LLに示す状態から破線ULに示
す状態に変位したとすると、破線ULと破線LLとで囲まれ
た領域に相当する量の空気がマウスピース部１内に押し
込まれるので、マウスピース部１内の空気圧は正方向に
変化する。逆に、リード２が破線ULに示す状態から破線
LLに示す状態に変位したとすると、破線ULと破線LLとで
囲まれた領域に相当する量の空気がマウスピース部１外
に引き出されるので、マウスピース部１内の空気圧は負
方向に変化する。このようにして、マウスピース部１内に空気圧の変化が
もたらされ、共鳴管内における進行圧力波Ｆと反射圧力
波Ｒの往復運動が持続され、共鳴管内が共振状態となっ
て楽音が発生される。第１図における励振回路10は、以上説明したようなマウ
スピース部１におけるリード２の動作を忠実にシミュレ
ートしたものである。この励振回路10には、楽音発生
時、図示していない楽音制御回路から吹奏圧Ｐ、エンブ
シュアＥに相当する情報が与えられる。そして、これら
の情報と共振回路30側からの帰還信号に基づいて、以下
説明するようにして励振信号が発生され、共振回路30側
に入力される。減算器11には、共振回路30からジャンクション20を介し
て入力される信号、すなわち、第２図に示す共鳴管から
の反射波Ｒの空気圧PRに相当する信号と、吹奏圧Ｐに相
当する信号が入力される。そして、この減算器11から、
空気圧PRと吹奏圧Ｐとの圧力差PAに相当する信号が得ら
れる。減算器11の出力信号PAはフィルタ12に入力されると共
に、乗算器13によって反転されて信号−PA（この信号は
マウスピース部１の外部から内部に向って作用する空気
圧を示す）となって乗算器16に入力される。フィルタ12
はリード２の慣性およびダンピングファクタ等をシミュ
レートした１次のローパスフィルタである。そして、信
号PAは、このフィルタ12を介すことにより、高周波成分
が除去され、信号PBとして出力される。このようにし
て、急激な圧力変化を吸収するリード２の応答特性がシ
ミュレートされる。そして、加算器14によって、フィルタ12の出力信号PBに
対し、エンブシュアＥに相当する信号が加算され、実際
にリード２に加えられる全圧力に相当する信号PCが求め
られる。そして、この信号PCがROM（リードオンリメモ
リ）15にアドレスとして与えられる。これにより、ROM1
5内に予め記憶された非線形関数のテーブルが参照さ
れ、リード２とマウスピース部１との間隙Ｓ（第２図参
照）に相当する信号が出力される。そして、信号Ｓと信
号−PAとが乗算器16によって乗算され、マウスピース部
１内部に流入する空気に流速に相当する信号FLが得られ
る。一方、信号Ｓは、乗算器IVによって−１が乗算され、１
サンプルタイム遅延回路17aおよび減算器17bからなる微
分回路17に入力される。そして、微分回路17から微分信
号SSが出力される。この信号SSは、上述したリード２の
変位に伴ってマウスピース部１内に押し込まれたり、あ
るいはマウスピース部１外へ引き出される空気の移動速
度に比例する。ここで、信号Ｓが小さくなる場合に空気
がマウスピース部１内に押し込まれるように移動するの
で、信号Ｓを乗算器IVによって符号反転した後、微分回
路17によって微分するようにしている。そして、このよ
うにして得られた信号SSに対し、乗算器18によって比例
常数σが乗算され、空気の移動速度に相当する信号FSが
発生される。そして、信号FSと上述した間隙Ｓを通過して流入する空
気流の流速に相当する信号出力信号FLとが加算器19によ
って加算され、その加算結果に対し、乗算器19bによっ
て乗算係数Ｇが乗じられる。ここで、乗算係数Ｇはマウ
スピース部１内の管径に応じて決められる定数であり、
空気流の通りにくさ、すなわち、空気流に対するインピ
ーダンスに相当するものである。従って、乗算器19bか
らは、マウスピース部１内において発生する空気の圧力
変化に相当する信号、すなわち、上述の励振信号が得ら
れる。そして、この励振信号がジャンクション20を介
し、共振回路30に入力される。そして、励振信号は共振回路30によって所定時間遅延さ
れ、ジャンクション20を介して前述の信号PRとなって励
振回路10に帰還される。このようにして励振回路10→ジ
ャンクション20→共振回路30→ジャンクション20→励振
回路10という経路で信号の循環が行われ、この循環する
信号に基づいて楽音が発生される。

【第２実施例】第３図はこの発明の第２実施例の構成を示したものであ
る。この楽音合成装置は、ローパスフィルタ12の出力を
乗算器IVに接続して点が前述の第１図の構成と異なる。リード２の変位に伴って強制的に移動される空気流の速
度に相当する信号FSに対して正確さが要求される場合、
第１実施例のようにROM15の出力信号Ｓを微分して信号F
Sを求めることが望ましい。しかしながら、信号FSに対
してあまり正確さが要求されない場合、リード２の変位
（間隙Ｓ）でなく、リード２に加わる圧力を微分して信
号FSを求めるようにしてもよい。このようにした場合で
も、リード２の変位は出力信号PBの変化にほぼ比例する
ので、信号FSを近似的に求めることができる。また、通
常の吹奏時、エンブシュアＥはほぼ一定であるので、微
分の際に無視することができる。そこで、本実施例で
は、ローパスフィルタ12の出力信号PBを微分して信号FS
を求めるようにした。このようにしても、リード２の動
作の楽音への影響をある程度忠実に再現することができ
る。

【第３実施例】第４図はこの発明の第３実施例の構成を示したものであ
る。この実施例は、リード２の慣性、ダンピングファク
タ等の信号FSへの影響を無視したものであり、前述の第
２実施例における乗算器13から出力される信号（リード
２に加わる圧力−PA）の高周波成分をハイパスフィルタ
17dによって抽出し、抽出された高周波成分に乗算器18
によって比例定数σを乗算してマウスピース部１内の空
気圧変化への寄与分を求めるようにしている。また、前
述の第１および第２実施例では、空気流の流速の次元を
有する信号FLおよびFSを各々求めておき、両者の加算結
果にインピーダンスに相当する定数Ｇを乗算してマウス
ピース部１内の空気圧の変化を求めるようにしていた
が、本実施例では、間隙Ｓを通過する空気流の流速FLに
対応する空気圧変化への寄与分に相当する信号を求めて
おき（乗算器19b出力）、この信号と前述の乗算器18か
らの出力信号とを加算器19によって加算し、マウスピー
ス部１内の空気圧変化を求めるようにしている。

【第４実施例】第５図はこの発明の第３実施例の構成を示したものであ
る。本実施例では、前述の第３実施例におけるローパス
フィルタ12およびハイパスフィルタ17dを、フィルタ12b
で置き換えられている。フィルタ12bは、入力信号の低
周波成分を抽出する機能および入力信号の高周波成分を
抽出する機能を有し、各成分を出力するためのローパス
出力LOUTおよびハイパス出力HOUTを有する。この種のロ
ーパスフィルタ機能およびハイパスフィルタ機能を共に
備えたフィルタとしては、例えば第６図に示すIIRフィ
ルタ（非巡回型デジタルフィルタ）が良く知られてい
る。また、この実施例では、ROM15の出力信号と減算器1
3の出力信号とを乗算器16によって直接乗算し、該乗算
結果に乗算器19cによって定数−Ｇを乗算し、間隙Ｓを
通過する空気流の空気圧変化への寄与分を求めるように
している。このようにすることで、前述の第３実施例に
おける乗算器13を不要とした。また、これに伴い、フィ
ルタ12bのハイパス出力には乗算器18bによって定数−σ
を乗算し、加算器19に入力するようにした。なお、上述した各実施例は、デジタル回路によって楽音
合成装置を構成する場合について説明したが、アナログ
回路により実現することも勿論可能である。また、上記
実施例では、シングルリード楽器をシミュレートする場
合を例に説明したが、ほぼ同じ構成で金管楽器やダブル
リード楽器の楽音合成装置を実現することが可能であ
る。また、自然の管楽器をシミュレートする限りにおい
ては、上述のＧ、σ等の定数は固定である。しかし、自
然楽器にない楽音を実験的に合成する場合においては、
例えば、演奏時にリアルタイムに変化させたり、あるい
は音高に応じて変化させたり、あるいは吹奏圧Ｐ、エン
ブシュアＥなどに応じて変化させたりすることも考えら
れる。このようにすることで、極めて多様な音色の楽音
を合成することができる。「発明の効果」以上説明したように、この発明によれば、（ａ）入力信号および帰還信号に対して所定の演算処理
を施し、該処理結果を出力する演算手段、（ｂ）前記演算手段の出力信号の高周波成分を抽出する
フィルタ手段、および（ｃ）前記演算手段の出力信号と前記フィルタ手段の出
力信号とに基づいて励振信号を出力する出力手段からな
る励振手段と、前記励振手段から出力される励振信号に
対し、少なくとも遅延処理を施し、該処理結果を前記励
振手段に帰還信号として供給する信号処理手段とを具備
し、前記励振手段および前記信号処理手段を共振状態に
することにより楽音信号を発生するようにしたので、管
楽器のリードの動きに応じたマウスピース内の空気圧変
化が忠実にシミュレートされる。従って、実際の管楽器
に近い音色を有する楽音を合成す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図はこの発明の第１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図は同実施例がシミュレート
する管楽器のマウスピース部１を示す図、第３図はこの
発明の第２実施例による楽音合成装置の構成を示すブロ
ック図、第４図はこの発明の第３実施例による楽音合成
装置の構成を示すブロック図、第５図はこの発明の第４
実施例による楽音合成装置の構成を示すブロック図、第
６図は第５図におけるフィルタ12bの構成例を示すブロ
ック図である。 10……励振回路、30……共振回路、11……減算器、12…
…ローパスフィルタ、14……加算器、15……ROM、13,1
6,18,19b,18b,19c……乗算器、17d……ハイパスフィル
タ、17……微分回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）入力信号および帰還信号に対して所
定の演算処理を施し、該処理結果を出力する演算手段、（ｂ）前記演算手段の出力信号の高周波成分を抽出する
フィルタ手段、および（ｃ）前記演算手段の出力信号と前記フィルタ手段の出
力信号とに基づいて励振信号を出力する出力手段からなる励振手段と、前記励振手段から出力される励振信号に対し、少なくと
も遅延処理を施し、該処理結果を前記励振手段に帰還信
号として供給する信号処理手段とを具備し、前記励振手
段および前記信号処理手段を共振状態にすることにより
楽音信号を発生するようにしたことを特徴とする楽音合
成装置。