JPH0833749B2 - 音合成方法 - Google Patents

音合成方法

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JPH0833749B2
JPH0833749B2 JP62148185A JP14818587A JPH0833749B2 JP H0833749 B2 JPH0833749 B2 JP H0833749B2 JP 62148185 A JP62148185 A JP 62148185A JP 14818587 A JP14818587 A JP 14818587A JP H0833749 B2 JPH0833749 B2 JP H0833749B2
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【発明の詳細な説明】 A. 産業上の利用分野 本発明は人間の音声又は楽器の音の合成方法に関す
る。
B. 発明の概要 本発明は、人間の音声又は楽器の音の合成方法におい
て、 音響管の断面積変化における音響伝搬の現象が、送電
線等の電気回路における系統過渡現象に近似しているこ
とに着目し、音響管の断面積変化をサージインピーダン
ス変化に対応させてサージインピーダンスの可変により
音の合成を行うときに、音響管に分岐音響管を連設させ
ることにより、 高品質の音を得るようにしたものである。
また、管楽器等の音響管の長さの変化による音合成
は、インピーダンス結合部に遅延回路を設けて、その長
さ変化に対応した遅延定数を変化させて合成できるよう
にしたものである。
C. 従来の技術 音声合成やミュージックシンセサイザー(電子楽器)
等の所謂音を人工的に合成して出力する電子装置は、最
近になって1ないし数チップの音声認識や音声合成のLS
Iが音声情報処理と半導体の大規模集積回路技術により
低価格で実現されるようになり、その使用目的,制約条
件により種々の方式が提案されている。この音声合成に
は、人間の発生した生の音声を録音しておき、これを適
当に結合して文章に編集する録音編集方式と、人間の声
を直接的には利用せず、人間の音声のパラメータだけを
抽出し、音声合成過程で、そのパラメータを制御して人
工的に音声信号を作り出す方法がある。
このパラメータ方式で良質な合成音が得られることで
広く利用されているパーコール(PARCOR)方式がある。
音声を電子計算機で扱う場合、音声波形をある周期毎
にサンプリングして各サンプリング点での音声信号の値
をアナログ/ディジタル変換し、その値を0と1の符号
で表示して行われるが、アナログ信号に忠実な記録をす
るには、ビット数を増やす必要があるが音声合成信号は
大変多くのメモリーを必要とする。
そこで、この情報量を極力少なくするために各種の高
能率な符号化法が研究開発されている。
その方法の1つとして、1つの音声信号の情報に対
し、最低限の1ビットとした方式で、デルタ変調方式が
ある。この方式は、1ビットの使い方として、次にくる
音声信号値が現在の値より高いか低いかを判定して、高
ければ符号“1"、低ければ符号“0"を与え音声信号の符
号化を行うもので、実際のシステム構成としては一定の
振幅ステップ量(デルタ)を定めておき、誤差が蓄積さ
れないように今までの符号化によって得られる音声の値
と、入力してくる音声信号との残差信号に対して、符号
化を行う。
このような構成は予測コード化といわれ、線形予測法
(何個か前のサンプル値から予測する)およびパーコー
ル方式(線形予測法の予測係数の代わりにパーコール係
数kといわれる偏自己相関関数を用いる)がある。
D. 発明が解決しようとする問題点 前述のように予測コード化を用いたものは、音と音と
の継ぎ目に相当する調音結合が難しいという問題があ
る。即ち第12図は横軸に音声発生の時間tをとり、縦軸
にパーコール係数kをとったもので、例えば母音から子
音を経て母音に至る発声において、母音の定常から過渡
を経て子音に至りまた母音の過渡を経て母音の定常音に
至る過程で母音と母音の継ぎ目の音が跡切れ、人間が聞
いたときに自然な感じを与えない。
また楽器音合成の場合は、音階の継ぎ目が重要である
が合成手法が実際の楽器の音発生の原理と異なるため、
やはり自然な感じが無く、特に残響音において顕著にあ
らわれる。これら両者において自然な音に近付けるため
には、鼻腔を含む調音モデルを導入することが考えられ
ているが、これを構成するメモリや、演算器等の電子部
品を多く必要とし装置が高価になる等の問題がある。
E. 問題点を解決するための手段 以上の点に鑑み、本発明は人間の音の発生又は楽器の
楽音は人間の口腔又は音響管の長さや断面積等の形状変
化によって作り出される。そこで、これら音響管の音波
の伝達を表す進行波現象を音響管等価回路で解析し、音
響管の断面積がサージインピーダンスに反比例すること
に着目し、サージインピーダンスを変化させることで断
面積を模擬的に変化させ、サージインピーダンスを連続
的変化することで調音結合をスムーズに行うことができ
るようにして人間の発声と同様な音の合成を容易となし
音声の自然性の向上を図ったものである。
このため、本発明の第1発明は隣合う2つの音響管と
これら管に連設された分岐音響管を伝搬電流源と音響断
面積に反比例したサージインピーダンスの並行回路とし
て扱い、前記隣合う2つの音響管と分岐音響管の形状変
化に伴う断面積変化に対応して、隣合う2つの音響管と
分岐音響管の各断面積の和に対する自管の面積比を係数
としたものである。
第2発明は第1発明に隣接ブロックへ新しく伝搬すべ
き電流源をサージインピーダンスに流れ込む電流と、当
該音響管に流れ込む電流の和を用いることである。
第3発明は第1発明に伝搬電流源の伝搬に遅延回路を
持ち、この遅延回路を可変とするようにしたものであ
る。
F. 作用 人間は口腔を動かすことにより、音を発声し、管楽器
は音響管の長さや形状を変化させることによって楽音を
作る。本発明は音響管(人間の声帯から口唇までの声道
も1つの音響管とみなすことができる)の断面積を等価
回路のサージインピーダンスに1対1に対応させかつ鼻
腔に相当する分岐音響管を前記音響管に設けて、その断
面積も考慮させているので、このサージインピーダンス
を変化させれば音響管の断面積を変化させたと同じとな
る。このサージインピーダンスの変更は、電気技術的に
極めて簡単にできるので、人間の音(鼻腔による音も考
慮)の発生と全く同様な音の合成ができ、特に従来の問
題点とされた音と音の継ぎ目にあたる調音結合もサージ
インピーダンスを連続的に変化することで良好に行わ
れ、自然に近い音の発声ができる。
また、音響管の長さを変えることは、音波の進行波を
遅らせることであるから電気回路的には遅延回路(メモ
リ)の段数を変えることに相当し遅延回路の定数を調整
することにより極めて簡単に模擬できる。従って断面積
変化と相俟ってより自然な楽器音も簡単に実現できる。
G. 実施例 音声を口から外に放射されるには、音源が必要で、こ
の音源は声帯によって作り出される。一方声帯は2枚の
ヒダを開閉することによって呼気を断続的に止める働き
があり、その断続によってパフと呼ばれる空気流が発生
し、声帯を緊張させるとこのヒダに張力が加わりヒダの
開閉の周波数が高くなり、周波数の高いパフ音が発生す
る。そして呼気流を大きくすると大きな音となる。
この音源波が声道のような円筒状の音響管を通過する
と、開放端から音波は共振現象によりある成分が強調さ
れ、ある成分が減弱し複雑な母音の波形が作り出され
る。音源が同じ波形をもっていても、口唇から放射され
るまでに通過する声道の形によって影響を受ける。即
ち、声道の形状が一定であれば音源のピッチや強度を変
えてもスペクトル包絡はあまり変化しない。声道は母音
によって極めて複雑な形状を示すが、声道があまり変化
しない部分と大きく変化する部分に分けて考えることが
できる。例えば第1図のように長さと断面積がA1,A2
それぞれ異なるような2つの音響管が接続したものと仮
定することができる。
第1図は音響管モデル図、第2図はその等価回路図
で、断面積がA1,A2とそれぞれ異なる2つの音響管を接
続した場合である。
この音響管の接続する面に着目すると、音波の流れは
断面積の異なる場合、その異なる面で音波の一部が反射
するという現象を生ずる。この現象は、電気回路でイン
ピーダンスの異なる線路にインパルス電流を流したとき
の過渡現象と同じである。
音声の発生は、前述したように声帯による音源の断続
によって行われるがこれは電気的には、インパルスが断
続的に印加すると等価となる。
音は気体,液体,固体のいずれでも伝わる一種の振動
であるが、電気回路的には、抵抗の無い無損失のLC分布
回路に対応させることができる。そしてこの等価回路の
電気的インピーダンス(V/I)は、 となるので、音波の場合に置き換えると音波の速度,空
気密度ρと音速cを掛けたρcとなり、音場におけるイ
ンピーダンス即ち音響インピーダンスは気体の質量と音
速だけに依存する。
断面積の異なる音響管が連設されていると、その境界
面で反射が起こる。これは電気的なサージインピーダン
スに模擬することができる。即ち、第1図のような音響
管の断面積の異なるブロックの接続された等価回路は第
2図に置き換えられる。
ここで、空気密度をρ,音速をcとすれば、各音響管
の音響アドミッタンスY1,Y2は次のように与えられる。
但し、Z1,Z2は音響インピーダンスである。
次に隣接ブロックよりの伝搬電流源をI1,I2とし、こ
れにより決定される電流分布a1,a2及びi1,i2並びに接
合点の電圧をeとすると またa1=i1+I1,a2=i2+I21=a1−I1,i2=a2−I となり、次のステップのための隣接ブロックの伝搬電流
源I1′,I2′は、 I1′=i1+a1,I2′=i2+a2となる。
上式でi1=a1−I1およびi2=a2−I2を代入して
1′=2a1−I1,I2′=2a2−I1としてもよい。
上記の方式において断面積Aの時間に対する補間状況
を後述の第5図に示す。ここで最も演算の簡単な直線補
間を示している。
第3図は音響管の電気回路等価モデル図で、その
(ア)図は声帯から口唇までの声道を1つの音響管とみ
なした音響管モデル図、(イ)図はその電気回路モデル
図、(ウ)図は進行波等価モデル図を示している。
第3図を説明するに先立ち、人間の母音はどのように
して作られるかを説明する。
第4図は音声発生時の声道の断面積変化を模擬したも
ので、その(ア)図は、「ア」の発声の場合で喉の奥が
狭く口唇が開いた状態で肺から押し出される呼気で声帯
が呼気を断続的に開閉して声道(音響管)の中で反射を
繰り返して出てくる音波が「ア」の音声波形となって出
てくる。「イ」は(イ)図のように喉の方が広く口唇の
先が狭いと「イ」の音声波形が出力される。
このように口の恰好で周波数が決まり、口の恰好を模
擬すれば「ア」なり「イ」が発声される。口の恰好は音
響管の断面積で模擬でき、また音響管の断面積の変化
は、サージアドミッタンスの変化で模擬でき、サージア
ドミッタンスの変化は、電気回路上極めて容易に可変で
きる。第3図(ア)は断面積A1,A2…Anと異なる断面
積をもった音響管を接続して声道を模擬したものであ
る。同図(イ)はその音響インピーダンスを電気回路の
LC回路に置き換えたもので、各音響管を1個のLC線路と
し、全体を集中線路のn−1の電気回路としたものであ
る。また第3図(ウ)は進行波等価モデル図で、各音響
管の音響インピーダンスZ1,Z2…Znは、音響管の断面
積に反比例(音響アドミッタンスは比例)し、音波の速
度に比例するので となる。なお、同図でZOは音源インピーダンス,ZLは放
射インピーダンスを示し、またブロック間の矢印は、進
行波と反射波を表している。
今「ア」という音声を発声させる場合は、第4図の口
唇の先の断面積に相当する断面積A1のところで「ア」
の口の恰好を与えて、インパルスPを断続的に印加する
ことで、「ア」の音が得られ、また「ア」から「イ」の
音を発声させる場合は、同図(イ)に示すように断面積
をA1′に狭め「イ」の口の恰好を与えることで「イ」
が得られる。
インパルスPが連続して断続的に与えられ、断面積全
体を「イ」の口の恰好に変化させる場合、声道は第3図
に示すn個の音響管によって模擬しているので、これら
の各断面積を「ア」から動かして口の恰好を「ア−イ」
と連続的に変えることになる。この音響管の断面積を変
えるということは、サージインピーダンスを徐々に変え
ることによって行われる。
従って、第5図に示すように断面積はA1からA1′に
連続的に変えられるので、定常状態の「ア」,「イ」の
音が得られることは勿論であるが、更にインピーダンス
は連続して可変できるので、その中間の音、即ち音と音
との間の音を得ることができる。従って第6図に示すよ
うに音の切れが無く人間の発音に近い調音結合がスムー
ズに行われる。
第7図は上記原理を本発明の実施例に適用した音響管
モデル図で、この第7図において、断面積A3の音響管
は鼻腔に相当する分岐音響管である。この分岐音響管は
断面積A1,A2の音響管の連設部から分岐されたものであ
る。この第7図の等価回路を示したものが第8図であ
る。この第8図の等価回路を用いてインピーダンスを計
算することで、計算量の低減と鼻の人口の開閉が簡単に
できる。ここで、第1図と第2図と同様に各音響管の音
響アドミッタンスY1,Y2,Y3を示すと次式のようにな
る。
次に第1図,第2図の場合と同様に隣接ブロックより
の伝搬電流源をI1,I2,I3とし、これにより決定される
電流分布a1,a2,a3及びi1,i2,i3は次式のようになる。
1=a1−I12=a2−I23=a3−I3 上記式から電流分布a1,a2,a3及びi1,i2,i3は計算さ
れ、次のステップのための隣接ブロックの伝搬電流源は
次式となる。
1′=i1+a12′=i2+a23′=i3+a3 上述した式から鼻腔入口の開閉は鼻腔部面積A3を零
(A3→0)とすればよい。そこで電流分布a1,a2,a3
式で、A3→0とすれば鼻腔入口は閉となる。また、A3
を徐々に動かせば、第3図に示すような調音結合と相俟
って人間の鼻音まじりの音声合成が可能となり、合成音
の高品質が達成できるようになる。
上記実施例では3分岐管の場合の説明であるが、楽器
音あるいはその他の応用を含めて多岐管に展開すること
は極めて容易である。次式はn分岐管を想定した時にお
けるi番目に着目した場合の一般式である。
1=ai−Ii,Ii′=ii+ai 上記実施例では従来困難であった鼻音の音声合成が比
較的簡単に得られ、かつ高品質の合成音が実現できるよ
うになる。これを達成するためのアルゴリズムも従来に
比較して簡単で計算量が少ないため、ソフトウェアの実
行時間が速くなる利点がある。またハードウェアも少な
くてすむので、低価格化も可能となる。さらに、流音
(「l」,「r」)を容易に得ることができる。これは
舌を上あごに付けると口腔は3分岐管となるから鼻音を
得る場合と同じになる。
次に音波の伝搬速度を考えると、これは長さlでLCを
持った電線路にインパルスを印加した時の過渡現象に似
ている。
即ち第9図に示すようにLCを有する線路を等価的に表
すと第10図のようになる。ここで両端部からみたサージ
インピーダンスZ01,Z02は、 となる。
ここで相手から到達してきた進行波を等価的な電流源
と考えると、 となり電流は中間にn個の遅延回路ブロックZがあれ
ば、n時間後に出力される。即ち左側の回路で発生した
ものがτ時間後右側に到達したということになる。
2は送り管側の電流 となる。但し、ディジタル計算においては、電圧または
電流を細分割するのでV1,V2は計測時刻tにおける電
圧,τは経過時間を示している。
第10図では、L,C回路にインパルスを印加すれば、τ
時間後に出力管側に出る。そしてτ時間前到達されたも
のは相手にも到達しているということを等価的に表して
いる。線路の長さlを1にするということは、遅延ブロ
ックnを正規化して1にすることで計算し易くなる。l
を3cmに刻む場合は遅延ブロックのnを3ブロックにす
ればよい。
第3図(ア)を人間の声道は男性で約17cmなので、1c
m刻みで17本の音響管で模擬すれば、A1から入った波形
は、半周期の電流を10に分割しそのΔtを10μsecとす
れば、170μsecかかってAn側から出てくる。楽器のトロ
ンボンを考えると、トロンボンは音響管の長短によって
楽音を変える。本発明によれば、トロンボンの「ア」の
音からトロンボンの「ニ」の音のパラメータを2つ持て
ば良いトロンボンの「ア」の音はトロンボンの「ド」の
音からトロンボンの上の音という2つのパラメータがあ
ればよい。その中間音は、遅延回路の遅延ブロックを変
えることによって自由に調音することができる。
即ち第10図における遅延回路Z1→Zn,Zn→Z1を可変
することで同じ面積をもつ音響管の長さを変化すること
に対応させることができる。
次に、第11図(ウ)の進行波等価モデルの演算処理を
第9図のフローチャートに基づいて説明する。
音響管A1にインパルスが入力されると、コンピュー
タよりなる演算処理装置は、ステップS1にてメモリよ
りA1のaOA,iOA,IOA,Eを取り出す。取り出した値をも
とに、ステップS2では、 aOA′=f(E,IaA) iOA′=aOA′−IOA の演算を行う。この演算値aOA′,iOA′およびステップ
3でメモリより導入された管A2の値a1B,a1A,i1B,
i1A,I1B,I1Aを用いてステップS4では、 a1B′=S1B(I1B+I1A) a1A′=S1A(I1B+I1A1B′=a1B′−I1B1A′=aiA′−I1B1B′=i0A′−a0A′ の演算を行う。ステップS5ではS4にて求められた
1B′,a1B′を用いて I0A′=i1B+a1B を演算する。また一方、S5にて求められた値i1A′,a
1A′と、ステップS6においてメモリより導入された管
3の値a2B,a2A,i2B,i2A,I2B,I2Aとを用いてステップ
7にて次の演算が行われる。
2B′=S2B(I2B+I2A) a2A′=S2A(I2B+I2A2B′=a2B′−I2B2A′=a2A′−I2A2B′=i1A+aiA′ ステップS8ではS7にて求められたi2B′,i2A′を用
いて I1A′=i2B′+a2A′ の演算が行われる。以下同様にして模擬された音響管の
断面積A1〜Anに夫々対応した演算が行われ、ステップ
n-1では、 anB′=f(InB) inB′=anB′−InBnB=in-1A+an-1A の演算を行う。その結果を用いてステップSnでは、 In-1A′=inB′+anB′ の演算を行う。すなわち、音響管のA1〜Anに対応した
等価回路の最終段(n段)における演算結果の出力がD/
A変換されて図示省略されたスピーカに出力され、スピ
ーカより音声として出力される。
したがって演算処理装置は音響管A1〜Anに対応した
演算を行うものであるから、この演算処理装置は音響管
のA1〜An個々の等価回路を流れる各部の電流値および
関数f,SiB,SiA(i=1,2…n−1)をテーブルとして有
しているメモリと、当該等価回路の各部の電流値を演算
する第1の演算手段と、当該等価回路とは相隣接する等
価回路の電流値を用いて当該等価回路の電流値を演算す
る第2の演算手段とを備えている。
なお、第11図は本発明の実施例のように分岐音響管が
ある場合にも同様に演算を行うことができる。また、各
音響管の半径rを演算し、この演算結果からπr2を計
算して断面積変化に適用してもよい。
H. 発明の効果 以上述べたように、本発明によれば、音響管の断面積
が等価回路のサージインピーダンスに1対1に対応して
いることに着目し、隣合う音響管に分岐音響管を連設さ
せて各管の断面積の変化をサージインピーダンスの変化
で模擬するようにしたものであるから、パラメータとし
ては、断面積だけを持てばよいので、極めて簡単に構成
でき、従来のように音声合成のために大容量のメモリを
必要としない。また、調音結合も、サージインピーダン
スの連続的な変化によってスムーズに行われるとともに
分岐音響管による鼻音部の開閉及び連続変化が容易であ
り合成音の高品質化が得られるので、より自然音に近い
発生が得られる。さらに、従来困難とされてきた流音
(「l」,「r」)が容易に得ることができる。
さらにまた、楽器音も遅延回路のメモリの段数を変え
ることにより自然な楽器音を容易に得ることができ、特
に管楽器における音色は3分岐管で模擬できるため、高
品質とすることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図〜第11図は本発明を説明するための図で、第1図
は音響管モデル図、第2図は音響管等価回路図、第3図
は音響管の電気回路等価モデル図、第4図は声道の変化
説明図、第5図は音響管断面積の時間に対する補間説明
図、第6図は本発明の原理による調音結合説明図、第7
図は本発明の一実施例の構成を示す音響管モデル図、第
8図は第7図の音響管の等価回路図、第9図は音声伝搬
を電気的に模擬した電気回路図、第10図は第9図の等価
回路図、第11図は本発明の音合成をコンピュータ処理す
るプログラムの一例を示すフローチャート図、第12図は
従来のパーコール合成による調音結合説明図である。 A1,A2…An……音響管(分岐音響管)の断面積、Y1,Y
2,Y3……音響管の音響アドミッタンス、C1,C2…Cn
…電気回路モデルの静電容量、L1,L2…Ln……同上の
リアクタンス、Z1,Z2…Zn……サージインピーダン
ス。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】音響管を用いて模擬する音合成において、
    隣合う2つの音響管とこれら管に連設された分岐音響管
    を伝搬電流源と音響断面積に反比例したサージインピー
    ダンスの並列回路として扱い、前記隣合う2つの音響管
    と分岐音響管の形状変化に伴う断面積変化に対応して、
    隣合う2つの音響管と分岐音響管の各断面積の和に対す
    る自管の面積比を係数として用いることを特徴とする音
    合成方法。
  2. 【請求項2】音響管を用いて模擬する音合成において、
    隣合う2つの音響管とこれら管に連設された分岐音響管
    を伝搬電流源と音響断面積に反比例したサージインピー
    ダンスの並列回路として扱い、前記隣合う2つの音響管
    と分岐音響管の形状変化に伴う断面積変化に対応して、
    隣合う2つの音響管と分岐音響管の各断面積の和に対す
    る自管の面積比を係数として用いると共に隣接ブロック
    へ新しく伝搬すべき電流源をサージインピーダンスに流
    れ込む電流と、当該音響管に流れ込む電流の和、若しく
    はサージインピーダンスに流れ込む電流の2倍の値と当
    該音響管の電流源との差を用いることを特徴とする音合
    成方法。
  3. 【請求項3】音響管を用いて模擬する音合成において、
    隣合う2つの音響管を伝搬電流源と音響管断面積に反比
    例したサージインピーダンスの並列回路として扱い、前
    記隣合う2つの音響管と分岐音響管の形状変化に伴う断
    面積変化に対応して、隣合う2つの音響管と分岐音響管
    の各断面積の和に対する自管の面積比を係数として用い
    ると共に、前記伝搬電流源の伝搬に遅延回路を持ち、且
    つこの遅延回路を可変とすることで同面積を持つ音響管
    の長さを変化することに対応させたことを特徴とした音
    合成方法。
JP62148185A 1987-04-14 1987-06-15 音合成方法 Expired - Lifetime JPH0833749B2 (ja)

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