KR20050115937A - 교회 오르간 순관의 사운드 합성에 사용되는 방법 및 전자장치 - Google Patents

교회 오르간 순관의 사운드 합성에 사용되는 방법 및 전자장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 악기의 물리적 모델링 기술을 활용함으로서 교회 오르간 순관 파이프의 사운드를 재생해내는 데 사용되는 전자 장치 및 방법에 관한 발명이다. 이때, 본 발명은 디지털 신호 프로세서에 기반한 오디오-디지털 합성 시스템에 관한 발명으로서, 오르간 순관 파이프의 사운드 발생을 물리적으로 시뮬레이션하는 프로그램을 지닌다.

Description

교회 오르간 순관의 사운드 합성에 사용되는 방법 및 전자 장치{METHOD AND ELECTRONIC DEVICE USED TO SYNTHESISE THE SOUND OF CHURCH ORGAN FLUE PIPES, BY TAKING ADVANTAGE OF THE PHYSICAL MODELLING TECHNIQUE OF ACOUSTIC INSTRUMENTS}
본 발명은 음향 장비의 물리적 모델링 기술을 이용함으로서 교회 오르간 순관 파이프의 사운드를 합성하는 데 사용되는 방법 및 전자 장치에 관한 발명이다.
기명악기(aerophone)의 사운드 방출을 실시간으로 합성하기 위해, 오르간 순관 파이프의 물리적 거동 및 그 사운드를 검사함을 바탕으로 하는 물리적 및 수학적 모델의 수많은 수치적 알고리즘들이 개발되어 있다.
이러한 모델들 중 일부는 여진(excitation)이라 불리는 비선형 액티브 섹션과, 공진자(resonator)라 불리는 선형 패시브 섹션 사이의 상호 협력 작용을 바탕으로 한다. 한가지 예를 미국특허 5,521,328 호에 공개된 방법에서 발견할 수 있다.
상대적인 수치 알고리즘은, 분석되어 물리적 모델로 변환되는 악기의 사운드를 표현하는 시퀀스를 즉석에서 생성한다.
사운드는 어떤 값까지 강도가 증가하는 구간인 "어택 트랜지언트(attack transient)"라고 규정된 초기 시간 구간에 의해 특징지워진다. 이 강도 값은 "서스테인 페이즈(sustain phase)"라 규정된 제 2 페이즈동안 시간에 대해 무한정 유지된다. 이 서스테인 페이즈 동안 파형은 거의 주기적이다.
이 파형의 해석학적 특성은, 가장 중요한 기본 주파수를 바탕으로 살펴볼 때, 수치 시뮬레이션의 동작을 조정하는 각각의 매개변수에 따라 좌우된다.
수많은 비선형 기능 블록들의 존재 때문에 주파수 도메인 대신에 시간 도메인으로 시뮬레이션이 실행되는데, 발생된 시퀀스의 각각의 스펙트럼 특성과, 매개변수 세트간의 관계를 먼저 구축하기는 매우 어렵다.
매개변수 세트를 (실험적으로) 변경시킴으로서, 그리고 이러한 변화의 결과를 나중에 평가함으로서, 상기 특성이 변경될 수 있다.
특히, 기본 주파수는 공진자의 주파수 응답에만 좌우되는 것이 아니라, 여진의 정성적 특성에 따라서도 좌우된다. 어택 트랜지언트 페이즈동안 시퀀스의 전개는 매우 혼란스럽지만, 서스테인 페이즈에 도달하면 기본 주파수의 위상이 지정될 수 없다.
이러한 두 특이성은 교회 오르간같은 하이-폴리포니 전자 악기에서 받아들일 수 없다.
미국특허 5,587,548 호에 소개된 발명과 같은 그외 다른 물리적/수학적 모델들은 악기의 일부분의 물리적/수학적 시뮬레이션 및 PMC 오디오 합성을 이용함으로서 음을 재생한다. 모방할 악기의 사운드 샘플을 해석학적으로 분해함으로서, 그리고, 파표(wavetable)의 일부분으로 저장하기에 편리한 것으로부터, 쉽고 저렴하게 시뮬레이션할 수 있는 것을 나눔으로서, 이러한 방법의 구현에 필요한 연산 전력 및 메모리 이용 간의 양호한 절충을 확보할 수 있다. 악기의 음향 거동의 일부분을 시뮬레이션하는 알고리즘에 의해 미리 처리되는 여진 시퀀스(excitation sequence)는 파표(wavetable)로 저장되는 것이 일반적이다. 그러나, 상기 방법은 물리적/수학적 시뮬레이션을 위한 연산 전력을 필요로하며, 각 악기의 사운드를 새플링, 분석, 그리고 사전연산하는 것을 제시하며, 이렇게 상기 악기에서 재생된 사운드는 어떤 경우에도 상기 동작에 구속되며, 특히, 파표에 저장된 바에 구속된다.
도 1은 본 발명의 물리적 모델링 기술을 이용함으로서 악기의 사운드를 합성하는 데 사용되는 디지털 전자 악기의 구현 예 도면.
도 2는 본 발명에 따른 교회 오르간 순관 파이프의 사운드의 오디오 디지털 합성 프로그램에 대한 세가지 기본 기능 블록 및 상호관련관계를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 교회 오르간 순관 파이프의 사운드의 하모니부를 표현하는 시퀀스를 발생시키는 도 3의 세블록 중 한 블록을 설명하는 순서도.
도 4는 본 발명에 따라 두개의 상태 변수를 가진 디지털 하모닉 오실레이터의 안정한 구현의 도면.
도 5는 본 발명에 따라 도 4에 도시되는 하모닉 오실레이터의 동작 주파수의 시간 변화를 발생시키는 데 사용되는 과정의 도면.
도 6은 본 발명에 따라 도 4에 도시되는 하모닉 오실레이터의 동작 주파수의 시간 진행의 에일레토리 성분을 발생시키는 데 사용되는 순서도.
도 7은 본 발명에 따른 순관 파이프의 사운드의 하모닉 파트를 표현하는 시퀀스 발생에 사용되는 시간 엔빌롭의 예 도면.
도 8은 본 발명에 따른 순관 파이프의 소리의 하모닉 파트를 표현하는 시퀀스의 발생에 사용되는 저주파수 발진기의 순서도.
도 9는 본 발명에 따른 목재 음고의 변경을 인지하지 않으면서 발진기의 진동수를 변경할 수 있는 비-직선형 섹션의 시간 진행도.
도 10은 발명에 따른 의사임펄스 주기 시퀀스의 발생 알고리즘.
도 11은 교회 오르간 순관 파이프의 사운드의 에일레토리 부분을 표현하는 도 2의 세 블록 중 한 블록을 설명하는 상호연결된 기능 블록 세트. Z
도 12는 발명에 따른 시퀀스의 두 일련의 샘플들 간의 차리를 제한하는 데 사용되는 상태 장치의 도면.
도 13과 도 16은 본 발명에 따른 순관 파이프의 사운드 발생의 어택 트랜지언트 페이즈 중 사용되는 파 엔빌롭의 한 예 도면.
도 14는 발명에 따른 순관 파이프의 사운드의 에일레토리 성분을 발생시키는 데 사용되는 파 엔빌롭.
도 15는 본 발명에 따른 교회 오르간 순관 파이프의 공진자의 수학적 모델을 표현하는, 도 2의 세 블록 중 한 블록을 설명하는 구조도.
도 17은 본 발명에 따른 일반 하모닉 발진기의 구현에 필요한 두 기능 블록들 간의 상호 작용도.
도 18은 에일레토리 성분 발생에 사용되는 도 10의 알고리즘에 의해 발생되는 의사임펄스 주기 파형의 도면.
도 19는 본 발명에 따른 도 12의 상태 머신의 동작을 설명하는 도면.
본 발명은 디지털 신호 프로세서를 바탕으로 하는 오디오-디지털 합성 시스템을 구현한다. 이 프로세서들은 오르간 순관 파이프의 사운드 발생의 물리적 시뮬레이션 프로그램을 포함한다.
이 프로그램은 세가지 기본적인, 개념상으로는 독립적인 섹션들로 나누어진다. 제 1 섹션은 사운드의 하모니 부분(harmony part)을 발생시킨다. 제 2 섹션은 사운드의 에일레토리 부분(aleatory part)를 발생시킨다. 제 3 섹션은 두개의 입력과 한개의 출력을 가진 트랜스퍼 함수를 이용하여 이 성분들을 처리한다. 따라서, 오르간 파이프의 사운드를 표현하는 시퀀스를 획득한다.
사운드의 하모니 부분을 발생시키는 섹션의 독립성 때문에, 프로그램에 의해 발생된 전체 파형의 기본 주파수 및 위상이 먼저 결정될 수 있다.
시뮬레이션 프로그램의 수치 매개변수들은 정적 메모리에 부분적으로 저장되며, 전자 악기 키보드 및 사용자 제어 세트로부터 정보를 처리함으로서 부분적으로 획득할 수 있다. 이 매개변수들은 발생된 사운드의 기본 특성을 결정하며, 그 중에서 메인 특성은 음고(pitch), 세기, 시간 엔빌롭, 하모닉 조성(harmonic composition), 그리고 에일레토리 성분(aleatory component)이다.
어떤 정보도 실제 악기의 사운드로부터 도출되지 않으며 파표(wavetable)로 저장되지 않지만, 메모리 이용은 상당히 제약받는다. 더우기, 정적 파표를 입력으로 이용하지 않은 알고리즘만이 더 넓은 사운드의 구색을 생성할 수 있다. Z
상술한 도면을 참고로 하여, 본 발명의 전자 악기들이 구성요소들의 세트로 물리적으로 구성되며, 그 종류, 배열, 그리고 상호연결 관계가 도 1에 도시된다.
본 실시예는 설명용일 뿐이다. 도 1을 참고할 때, 악기 키보드(1)와 사용자 제어 세트(2)로부터의 정보는 제어 유닛(3)에 의해 처리되며, 상기 제어 유닛(3)은 ROM(4)에 저장된 다수의 수치 매개변수들을 이용하여 DSP(6)의 동작을 조정한다. DSP(6)는 제어 유닛(3)으로부터의 관리에 따라, 오르간 파이프의 사운드의 합성 프로그램을 실시간으로 실행하고, RAM(5)을 이용하여 임시 데이터를 기입 및 독출한다. 합성 프로그램의 프로덕트는 오프간 파이프의 사운드를 표현하는, 아날로그 신호로 DAC(7)에 의해 적절하게 변환되는 수치 시퀀스이다. 이는 증폭 시스템 및 스피커(8)로 재생성될 수 있다. 본 발명의 핵심 혁신 요소인 합성 프로그램은 세가지 섹션을 포함한다. 각각의 섹션은 도 2에 도시되는 바와 같이 오르간 파이프의 사운드 방출의 수치적 시뮬레이션에서 기본 기능을 가진다.
블록(9)은 한 세트의 하모닉 라인들로 형성되는 메인 하모닉 시퀀스(10)를 발생시킨다. 그 진폭 및 진동수는 시간에 따라 편안하게 변한다. 이 시퀀스를 이용하고 조성의 일부를 활용함으로서, 블록(11)은 사운드의 혼란 성분을 표현하는 의사에일레토리 신호(pseudoaleatory signal)를 발생시킨다. 상술한 시퀀스들은 선형 공진자(12)의 두 입력 신호들이며, 상기 선형 공진자(12)는 오르간 순관 파이프의 여러가지 성질의 공진 부분의 주파수 응답을 모델링하며, 그 출력(13)은 오르간 파이프의 사운드를 표현하는 시퀀스이다.
도 3의 블록도표는 하모닉 성분 발생기(9)의 기능 블록의 상세도이다. 발진기(14)는 사인파형(16)을 발생시킨다. 파형의 기본 주파수는 발생된 음표의 기본 주파수를 포함하는 값들의 범위 내에서 시간에 따라 변화한다. 발진기의 실시예에 대한 세부사항과, 시간에 따른 진동수 변화에 사용되는 기준이 아래에 설명된다.
파형(17)은 비선형 블록(15)을 통해 시퀀스(16)로부터 획득된다. 시퀀스*16)가 아래의 사인파형 시퀀스일 경우,
x[n] = sin[ω0n]
시퀀스(17)는 다음과 같을 것이다.
y[n] = 2(sin[ω0n])2 - 1 = -cos[2ω0n] = sin[2ω0n-π/2]
즉, 시퀀스(16)의 두배의 진동수를 가진 사인파형이 된다.
두 시퀀스(16, 17) 각각은 관련 멀티플라이어(18a, 18b)에 의해 증폭되며, 기능 블록(19a, 19b)에 의해 +/-CLP1과 +/-CLP2 구간 내의 값으로 제한된다. 블록(19a, 19b)들의 출력은 엔빌롭 발생기(20a, 20b)에 의해 각각 처리되는 수 시퀀스와 멀티플라잉되며, 결과적인 프로덕트들이 합산되어 노드(21)에 전달된다. 이 합계는 파형(16)에 대해 실행되는 선형 및 비선형 순간 동작에 의해 생성되는 시퀀스이다. 파형이 정확하게 시퀀스 x[n]일 경우, ω0의 배수인 하모닉 성분에 의해 스텍트럼을 형성할 시퀀스가 노드(21)에서 얻어질 것이다.
아래 설명되는 바와 같이, 시퀀스(23)는 저주파수 파형으로서, 그 용도는 프로덕트(22)를 통한 하모닉 시퀀스의 진폭 변조에 있다.
그 요소(24)는 시퀀스 δ-1[n-N]의 임펄스 응답을 가지는 지연 라인이다. 블록(25)의 합계와 프로덕트들과 함게, 이 요소는 임펄스 응답이 아래와 같은 선형 필터를 형성한다.
CBYP + CDEL·z-N
블록(26)은 다음의 수식으로 표현되는 비선형 순간 함수이다.
f(x) = (x+x0) - (x+x0)3 + y0
이때, x0와 y0는 독립 매개변수들이다. 이 블록의 용도는 이 블록에 의해 처리되는 시퀀스의 하모닉 성분들의 진폭들 간의 상호 비례를 수정하는 것이다.
블록(27)은 대역 통과 필터로서, 그 피크 주파수는 입력 시퀀스의 기본 주파수에 해당한다. 이 필터의 매개변수 Q는 훌륭한 근사에 해당하는 입력 하모닉 시퀀스의 기본 주파수를 얻도록 튜닝된다. 더우기, 피크 주파수의 상관성에서 필터의 위상 응답이 없기 때문에, 이 필터의 입력 및 출력 신호의 기본 주파수의 위상은 동일하다. 이 특성으로 인해, 필터의 입력 및 출력 시퀀스를 기본 주파수의 일부 탈락없이 합산할 수 있다. 블록(28)은 시퀀스들을 합산하여(매개변수 GAIND와 GAINF를 부여), 기본 하모닉 성분과 모든 다른 하모닉 성분 그룹 간의 진폭 비를 변경시킨다. 블록(28)의 출력은 메인 하모닉 시퀀스(10)이다.
사인파형 발진기(14)는 두개의 상태 변수를 가진 정규 하모닉 발진기의 특별한 실시예로 구성된다. 이는 실시간 동작 주파수의 변화에 대한 견고성을 개선시키기 위해 필요한 척도로서 활용된다.
도 4는 두 편리하게 초기화된 상태 변수 VAR1 및 VAR2에 대해 각각의 샘플링 구간에서 실행되는 동작들의 사이클을 도시한다.
매개변수 F는 정규 구성에서 단계(29) 및 (31)로 구성되는 상태 변수 발진기에 의해 생성되는 사인파형의 주파수를 결정한다. 이러한 정규 구성의 단점은 상태 변수들의 현재 값의 함수로, 동일 변수들에 의해 표현되는 사인파형의 진폭을 변경시킴없이 실시간으로 매개변수 F의 변화를 경험할 수 없다. 더우기, 발진기 상태 변수의 수치적 정밀도에 따라, 발진 진폭의 감소가 정적 조건에서도 발생할 수 있다. 이는 단계(30)를 이용하여 팩터 1+ε(ε은 0에 가까운 양수)만큼 변수 VAR2를 증폭시켜서 단계(32)를 이용하여 변수 VAR1의 폭을 구간 +/-1 내의 값으로 제한하기에 충분하다. 이러한 척도들을 이용하여, 변수 VAR1은 단일 진폭 사인파를 훌륭한 근사로 표현하는 이 변수는 도 3의 블록(14)의 출력(16)에 해당한다. 매개변수 F는 아래 관계에 따라 주파수 f에 의존한다.
F(f) = 2sin(πf/fsr)
이때, fsr은 샘플링 주파수이다. 주파수 f는 부수적인 진폭 변경없이, 주파수 변화를 인지하기에 충분하도록 구간 [f0-Δf, f0+Δf] 내에서 실시간으로 변화할 수 있다.
중앙 주파수 f0로부터의 편차를 δf로 규정하였을 때, 이 매개변수는 도 5의 기법에 따라 실시간으로 변화한다. 신호(23)와 마찬가지로, 신호(33)는 발생된 사인파의 주파수 변조를 목적으로 하는 저주파수 파형이다. 변수 VAR1의 도움으로, 블록(34)은 도6의 기법에 따라 "샘플 및 홀드(sample and hold)" 타입의 에일레토리 파형(aleatory waveform)을 발생시킨다. 결국, δf가 발진 시퀀스(33)와 에일레토리 시퀀스(34)의 일정한 PTICH 매개변수에 따라 변한다. 상기 PITCH 매개변수는 임의 구간 [1-δ, 1+δ]의 값을 가정할 때, 사인파의 정밀 튜닝을 결정한다. 블록(34)은 도 6에 도시되어 있다. 변수 VAR1이 음의 값으로부터 양의 값으로 진행할 때마다, 변수 RNDPTCH가 새로운 값 NEWRND로 업데이트된다. 이 새 값은 구간 [1-δRNDP, 1+δRNDP]에 균일하게 분포된 확률 밀도 기능을 가진 에일레토리 변수(aleatory variable)이다. 이때, δRNDP는 독립형 매개변수이다.
두 발생기(20A, 20B)는 두개의 5-세그먼트 엔빌롭 신호를 생성하며, 그 진행은 도 7에 도시되어 있다. T...T4는 레벨 L0에서 L1까지, L1에서 L2까지, L2에서 L3까지.. L3에서 0까지의 신호 진행에 대한 시간 구간이다. 발생기들은 "노트 온(note on)" 이벤트에 따라 해당 엔빌롭 신호의 생성을 시작한다. 레벨 L2는 무한 구간 SUSTAIN에 대해 시간에 대해 유지되며, 그 끝은 대응하는 노트 오프(note off) 이벤트와 일치한다. 두 발생기 각각은 이 8개의 매개변수들로 구성되는 자체 세트를 이용한다.
신호(23, 33)는 도 8에 도시되는 "저주파수 발진기"에 의해 생성된다. 블록(35)에 도시되는 단위 진폭 및 주파수 TRFREQ를 이용한 삼각파의 발생 방법은 절대적이다. 매개변수 TRFREQ, TRAMPL, TROFFSET, TRCOEFF1, 그리고 TRCOEFF2는 두 신호(23, 33)의 순응성을 결정한다. 그 공통 기본 주파수는 TRFREQ이다. 특히, 신호(32)는 평균값 TROFFSET 및 반-진폭 TRAMPL의 삼각파이다. 반면, 신호(33)는 도 9에서처럼 포물선의 섹션에 의해 형성된다. 값 TRCOEFF1, TRCOEFF2, 그리고 독립형 매개변수 K 간의 관계는 2방향 유일성(biunique)이다. 신호(33)의 특별한 진행은, 세미톤 센트(semitone sents)로 표현될 경우 양의 반주기 및 음의 반주기에 대해 동일한 진행을 보이도록, 명목 주파수 f 주변으로 가능한 정확하게 삼각 주파수 변조를 획득하는 데 필요하다.
도 2의 발생기(11)의 구조는 도 10, 11, 12에 상세하게 도시된다. 도 3 및 도 10을 참고할때, 사인파 발진기(14)에 의해 생성된 신호(16)는 팩터 RTINGAIN에 의해 증폭되고, 블록(36)에 의해 구간 +/-1 내의 값으로 그 진폭이 제한되며, 고역 통과 필터(37)에 의해 그후 처리된다. 마지막으로 비선형 블록(38)은 신호의 음의 값을 절단한다. 블록(38)의 출력에서, 엔빌롭 발생기(39)에 의해 생성된 신호(도 13)는 합산되어, 그 결과가 매개변수 RTGAIN에 의해 멀티플라잉된다. 그 결과 RATE는 "RATE LIMITER"로 정의되는 비선형 블록(42)에 사용되는 값들의 시퀀스이다. 상기 RATE LIMITER는 도 11에 도시되는 구조의 일부분이다. 도 11을 참고할 때, 기능 블록(40)은 저역 통과 필터(41)에 의해 처리되는 균일 분포의 확률 밀도 함수를 이용하여 백색 에일레토리 시퀀스(white aleatory sequence)를 발생시킨다. 이렇게 얻은 시퀀스는 지연 라인 NBDL1, NBDL2, NBDL3, NBDL4, 합계 NBS1, NBS2, NBS3, 멀티플라이어 NCGAIN, NBFBK,그리고 비선형 블록(42)에 의해 형성되는 구조의 입력 신호이다. 이 요소들에 의해 형성되는 세트는 상호연결 구조를 포함하여, "NOISE BOX"로 규정된다. 상기 세트의 출력인 블록(42)에 의해 발생되는 신호는 NGAIN에 의해 증폭되고, 엔빌롭 발생기(43)에 의해 생성되는 신호에 의해 멀티플라잉된다. 그 시간 진행은 도 14에 제시된다. 신호 NOISE는 도 2의 발생기(11)의 출력이다.
도 12는 합계 RLS1, RLS2, 리미터(44), 그리고 단위 지연 요소(45)에 의해 형성되는 비선형 블록 "RATE LIMITER"(42)를 도시한다. 지연 요소(45)에 저장된 값을 입력 신호 "IN"로부터 애더 RLS1을 이용하여 뺀다. 그 결과는 구간 +/- RATE 내의 값으로 제한되며, 노드 RLS2에서 현 지연 값(45)으로 다시 최종 합계된다. 이대, RATE는 도 10에 도시되는 네트워크에 의해 발생된 시퀀스이다. 그 결과 "OUT"는 일련의 사이클에 대해 지연 요소(45)에 기억된다. 도 13은 블록(39)에 의해 발생된 엔빌롭의 시간 진행을 도시한다. "노트 온(note on)" 이벤트에 따라, 레벨 NBL0에서 시작하여, 시간 NBT에서 레벨 NBL1에 도달한다. 이는 시간에 대해 무한정하게 유지되며, 물론 "노트 오프" 이벤트 이후에 해당한다. 도 14는 블록(43)에 의해 발생된 시퀀스의 시간 진행을 도시한다. "노트 온" 이벤트에 따라, 신호는 값 NL0에서 시작하여, 시간 NT1에서 값 NL1에 도달하고, 시간 NT2에서 레벨 LN2에 도달하며, 노트 오프 이벤트때까지 유지된다. 이 이벤트에 따라, 신호는 시간 NT3에서 0의 값에 도달한다.
도 11을 참조할 때, 비선형 블록 "RATE LIMITER"(42)는 선형 필터로 바뀔 수 있다. 그 이득은 도 10의 구조에 의해 발생된 동일한 시퀀스 RATE에 의해 나타나는 진행상황과 같다. 따라서 도 11의 구조 "NOISE BOX"는 시간에 따라 변하는 선형 필터이다.
도 2를 참조할 때, 발생기(9, 11)의 출력들은 도 15에 세부적으로 도시되는 공진자(12)의 출력이다. 네트워크(12)의 기능 블록들은 한 사이클의 동작들을 형성하며, 이에 따라, 샘플들의 시퀀스가 거의 무한한 시간에 대해 진행한다. 두 발생기(9, 11)에 대한 두 기여분이 합계 노드(46, 48)에 순간별로 이 시퀀스에 추가되어, 연산된 시퀀스의 에너지를 유지시킨다. 도 15의 구조는 "파이프워크"라 규정된 오르간 순관 파이프의 공진부의 수학적 모델로의 변환이다. 특히, 저역통과 필터(47)는 음향 에너지의 소실을 에뮬레이션하며, 이때, 가변적인 세기는 주파수의 함수이다. 고역통과 필터(49)는 기보 s주파수보다 작은 모든 주파수 성분을 감쇠시킨다. 프로덕트(51)를 이용하여, 엔빌롭 발생기(50)는 공진 시스템의 루프 이득의 시간 진행을 표현하는 신호를 생성한다. 필터(52)는 시퀀스 페이지를 변경시키며, 모듈을 불변으로 남긴다. 팩터 TFBK(53)는 파이프웍의 위에 음향 종단의 종류에 따라 좌우된다. 마지막으로, 지연 라인 BDELAY(54)는 하부로부터 상부까지 (그리고 그 역도 마찬가지) 파이프워크를 커버하는 음압파에 의해 필요한 시간을 고려한다. 엔빌롭 발생기(50)에 의해 생성되는 신호의 시간 진행은 도 16에 트레이싱된다. 도 13의 엔빌롭과 마찬가지로, 노트 온 이벤트에 따라, 신호는 시간 FBT에서 값 FBL0에서 값 FBL1으로 진행하며, 그후 일정하게 유지된다. 출력 시퀀스(13)는 전체적으로 도 2의 수학적 모델에 의해 방출되는 신호로서, 오르간 순관 파이프의 사운드 방출에 대한 시간 표현이다.
순관 파이프들의 사운드의 오디오 디지털 합성 기술의 핵심적인 혁신 특성에 관련한 설명이 이어진다.
물리적 모델링 기술을 이용한 연속 사운드 방출 기능을 가진 기기들의 사운드 발생에 관한 사항은 도 17의 기법에 따라, 여진(excitation)(55)이라 규정되는 비선형 액티브 파트와, 공진자(56)라 불리는 선형 패시브 파트 간의 상호작용을 바탕으로 하는 해법을 제시한다. 미국특허 5,521,328 호에 소개된 이 방법은 본 기술의 한 예로 고려될 수 있다. 기명악기(aerophone)의 경우에, 시스템에 기여하는 에너지는 음압 형태이며, 생성되는 신호는 공진자의 한개 이상의 적절한 포인트에 의해 방출되는 음압파의 진행이다. 파형 p(t)는 연주자가 악기 입부분에서 연주할 때의 음압의 진행이다. 이 진행 및 공진자 내 적절한 포인트에서 압력 (wt)의 진행에 따라, 공진자에 주사된 발진 음압 e(t)가 발생된다. 서스테인 페이즈에 도달하면, 음압 e(t)는 압력 w(t)와 같은 기본 주파수를 가진다. 매우 특별한 동작 모드를 제외하면 선형이기 때문에, 공진자는 임펄스 응답 r(t)와 임펄스 응답 h(t)로 기술될 수 있고, 임펄스 응답 r(t)는 리턴 신호 w(t)를 발생시키고, 임펄스 응답 h(t)는 출력 신호 y(t)를 발생시킨다. 출력 신호 y(t)는 기기의 사운드 발생의 시간 진행에 해당한다. 주파수 도메인 대신에 시간 도메인으로 수치 시뮬레이션이 실행되기 때문에, 시스템이 안정화되는 발진의 기본 주파수는, 서스테인 페이즈에 도달했을 때, 수학적 예측이 매우 어렵다. 이는 주파수가 공진자의 임펄스 응답의 진폭 스텍트럼이 관련 최대 값을 가지는 주파수 값에만 의존하는 것이 아니라, 신호 e(t)의 시간 진행에도 의존하기 때문이다. 실제로, 어떤 종류의 하모닉 발진기(전자적, 기계적, 등등)도 이러한 특성을 가진다. 오르간 파이프같은 바람을 이용한 기기들의 경우에, 공진 파트의 특성이 불변으로 유지됨에도 불구하고, 세기 증가에 추가하여, 음파의 기본 주파수 증가를 얻기 위해 음압을 증가시키는 것만으로 충분하다.
도 17에 도시된 발진 시스템의 또다른 불가피한 특성은 서스테인 페이즈에 도달하였을 때 발생된 신호의 페이지의 예측불가성이다. 시스템을 시뮬레이팅하는 데 사용되는 파형 p(t)가 부분적으로 혼돈형이고, 어떤 경우에도, 공진자에 의해 유지되는 정상파의 위상에 관한 정보를 지니지 않기 때문에, 신호 y(t)의 어택 트랜지언트는 항상 예측불가능하게 다르다. 따라서, 파형이 서스테인 조건에서 동일한 주기적 시간을 가지지만, 이러한 진행을 향해 시스템을 유도하는 전개를 결정하는 것은 불가능하다. 정성적 측면에서, 자극 p(t)가 시간 원점에서 시작할 때의 순간을 취함으로서, 도 17의 안정한 발진 시스템 내부에서 처리된 임의의 신호의 기본 주파수의 위상을 결정하는 것이 불가능하다. 기존 주파수를 먼저 결정할 때 나타나는 어려움과 함께, 교회 오르간같이 하이-폴리포니 전자 악기 분야에서 이러한 사항은 수용불가한 것이다.
본 발명에 사용되는 합성 시스템은 일반적으로 설명된 시간 도메인에서의 합성으로부터 직접 도출된다. 공진자에 의해 생성되는 신호로부터 여진 신호의 전체 자율성(total autonomy)에 의해 특성화된다. 실제로, 도 2의 블록(9)에 의해 즉석에서 발생된 메인 하모닉 시퀀스(10)는 도 17의 시스템의 신호 e(t)의 제한사항으로서, 그 실질적인 차이는 시스템(13)에 의해 생성되는 시퀀스, 시퀀스의 기본 주파수 및 위상이 우선적으로 완전하게 결정된다는 점이다.
도 17에 도시되는 바와 같은 임의의 발진 시스템의 수치 매개변수들의 준비는 이 수학적 모델의 완전한 지식과는 별도로, 특별한 숙련도를 필요로한다. 이는 시스템의 양호한 동작이 손산될 수 있다는 것을 의미하며, 매개변수들 중 단 하나가 적정 범위 내에 포함되지 않는 값을 가질 경우 시스템이 불안정해질 수 있음을 의미한다. 더우기, 다수의 매개변수들에 대해 특별히 주의하면서 동시에 동작함으로서발진기의 여러 다른 동작 모드를 얻을 수 있다. 이때, 시스템의 기능 블록들을 따라 이동할 때 한개 이상 신호의 시간 전개가 제어불가능하게 될 수 있다. 이로 인해, 이러한 종류의 합성으로 생성되는 여러 사운드들에 대한 검색이 느려지고 어려워진다. 역으로, 도 2와 같이 공진자와 여진 사이에 어떤 피드백도 없는 시스템의 경우, 세 기능 블록(9, 11, 12)들의 수치 매개변수들을 완전히 독립적인 방식으로 수정할 수 있고, 그러면서도 시스템의 양호한 동작에 손상을 가하지 않는다. 이로 인해, 동일한 복잡도를 가지면서 피드백 루프 시스템을 이용하여 얻는 것보다 다양한 사운드를 얻을 수 있다.
미국특허 5,587,548 호와 같은 현재의 문헌들은 여진 파표 및 공진 필터를 바탕으로 한 교환 합성(commuted synthesis)라 알려진 대안의 기술을 제시하고 있다. 이때, 공진 필터는 악기의 선형 및 패시브 파트의 음향 거동을 시뮬레이션하는 데 사용된다. 이러한 경우에, 적정하게 샘플링된 사운드의 분석 및 최적화로 인해, 악기의 공진 파트에 대응하는 물리적/수학적 알고리즘을 구현하는 데 필요한 연산 전력 및 파표(wavetables)에 대한 필요 메모리양 간에 양호한 절충선을 발견할 수 있다. 이와는 대조적으로, 하모닉 성분 발생기(9)의 경우에서처럼, 파표에 구속되지 않는 여진을 가지는 시스템은 도 3의 매개변수에 따라, 그리고 사인파 시퀀스(16)에서 실행되는 동작들의 시퀀스에 따라 다양한 여진을 획득할 수 있다. 더우기, 파표를 저장하는 것에 비해 상기 매개변수를 저장하는 데 더 적은 양의 메모리가 요구된다.
도 3의 시스템은 사인파형 발진기(14)에 의해 생성되는 신호에 대해 실행되는 동작들의 시퀀스를 도시한다. 이 동작들의 종류 및 순서는 안정한 시간 전개를 구비한 하모닉 성분이 충분히 풍부한 파형을 발생시키는 데 사용되는 여러가지 실현예 중 하나에 지나지 않는다. 어느 경우에도, 지연 요소(24)와 비선형 함수(26)같은 시스템의 기능 블록들 중 일부는 이들을 이용할 필요성없이 단 분야에 잘 알려진 바람을 이용한 악기의 수학적 모델로부터 도출된다.
도 5 및 도 6을 참고할 때, 그 핵심은 실시간적인 임의적 주파수 변화를 얻기 위한 발생기(34)의 발전으로부터 도출된다. 팩터(33)가 일정하다고 가정할 때, 즉, δf에 해당하는 시퀀스의 저주파수 발진이 없다고 가정할 때, VAR1에 해당하는 사인파 시퀀스의 매 주기마다 새로운 임의 값을 가정한다. 그 결과는 확률 밀도 함수 측면에서 파 주기의 정적인 균일 분포 변화이다. 이 변화는 사운드 방출에 상쾌한 불균일성으로 인지된다. 그렇지 않을 경우, δf가 매 샘플링 순간마다 새 임의 값을 가정할 경우, 매 파 주기의 길이는 N개의 에일레토리 기여분의 합에 의해 형성되는 변수에 의해 기술될 것이며, 그 각각의 기여분에는 균일 분포된 확률 밀도가 제공될 것이다(N은 주기 당 샘플 수다). 중앙 한계 정리(Central Limit Theorem) 측면에서, N이 클수록, 이 변수의 확률 밀도 함수가 가우시안 함수에 접근한다. 진동수 변화는 매우 불규칙할 것이다. 왜냐하면, 정규 진동수로부터의 작은 편차와는 달리 고주파수 편차는 훨씬 덜 나타날 것이기 때문이다. 이는 매우 상쾌하지 못한 일로서, 왜냐하면, 정규 길이로부터 매우 다른 길이를 가진 파 주기들이 발생될 수 있고, 발생 모델의 급격한 오기능으로 인식될 수 있기 때문이다.
도 2의 에일레토리 성분(11)의 발생기는 가장 원형에 가깝고, 도 10, 11, 12의 실시예는 다양한 오르간 순관 파이프에 의해 방출되는 사운드의 샘플 분석으로부터 나타난다. 그리고 이들 동작의 물리적 관계에 대한 일부 가설로부터 나타난다. 특히, 샘플의 개별 파 주기의 스펙트럼을 분석하여 파 주기보다 훨씬 정밀한 시간 분해능을 이용함으로서, 파 주기를 따라 동일한 위치에 항상 놓이는 상기 주기보다 훨씬 짧은 시간 구간에 다량의 사운드 에너지를 집중시킬 수 있다. 이러한 사운드 에너지는 다수의 주기에 의해 평균으로 커버되는 구간보다 훨씬 큰 진동수 구간을 커버한다. 따라서, 순관 파이프의 사운드의 고정부의 스펙트럼 특성은 동거리 임펄스의 트레인의 스펙트럼과 유사하다. 이때, 각각의 임펄스에 개별 주기의 에너지가 집중된다. 이러한 고려사항은 도 10에 도시된 구조를 정당화한다. 시퀀스 RATE는 사인파(16)에 대해 실행되는 일련의 단위 결정형 동작들을 통해 획득된다. 서스테인 페이즈에 도달하면, 시퀀스 RATE는 정성적으로 임펄스형인 진행을 가정하며, 도 18은 그 중 한 예를 도시한다. 이때, T0는 사인파(16)의 주기이다. 의사임펄스 시퀀스를 획득하는데 사용되는 방법에 상관없이, 시퀀스는 발생기(11)의 창의적 기반 중 하나에 해당한다.
도 11에 도시되는 구조는 네개의 지연 라인, NBDL1, NBDL2, NBDL3, NBDL4에 의해 형성된다. 합계 NBS1, NBS2 및 프로덕트 NCGAIN과 함께, 이 세 지연 라인들은 FIR 필터를 형성한다. 이 필터의 출력은 비선형요소(42)에 의해 처리되며, NBFBK에 의해 멀티플라잉된 후, 그리고 네개의 지연 라인과 합계 NBS3을 통과한 후, 상기 필터로 다시 진입한다. 이것이 비선형 요소(42)에 대한 것이 아닐 경우, 구조 "NOISE BOX"는 선형 필터일 것이며, 그 스펙트럼은 두 독립형 매개변수 NCGAIN과 NBFBK 및 지연 라인들의 길이에 따라, 자발적으로 불협화음 진행을 가질 것이다. 이때, 다수의 공진 피크가 비-결정 방식으로 분포된다. 이 네개의 양은 입 가까이 놓이는 오르간 파이프의 공간 부분처럼, 비정규적인 모양을 가진 공진자의 진동수 응답을 모방하기 위한 치수를 가진다. 시퀀스 RATE의 주기적 발진 때문에, 상기 요소(42)는 전체 "NOISE BOX"의 "이득"(RATE LIMITER는 비선형 블록이기에 이와 같이 엄격하게 정의할 수 없슴)의 시간에 대한 연속적인 주기적 변화를 일으킨다. 특히, 도 18을 참조할 때, 시퀀스 RATE가 최소값을 가정할 때, 상기 블록(42)에 의해 유발되는 비선형 왜곡들은 "NOISE BOX"의 공진 효과를 크게 감소시키는 에너지 손실을 제시한다. 역으로, 시퀀스 RATE가 비교적 높은 값들을 가정하는 (훨씬 짧은) 순간동안, "NOISE BOX"의 공진 효과가 나타나며, 에일레토리 성분의 세기가 증가한다. 어택 트랜지언트 페이즈 중, 엔빌롭 발생기(39) 때문에(도 13 참조), 시퀀스 RATE는 서스테인 페이즈 중보다 높은 값을 가정한다. 이는 제 1 합성 순간 중 "NOISE BOX"의 공진을 증가시켜서, 소리나는 부분부터 바닥부까지 공기의 경로를 조절하는 밸브가 신속하게 열릴 경우 순관 파이프에 의해 생성되는 음향 현상을 시뮬레이션할 수 있다.
비선형 블록(42)은 두개의 애더 RLS1, RLS2, 상기 리미터(44), 그리고 상기 단위 지연 요소(45)에 의해 형성된다. 매 샘플링 순간마다, 이전 출력 값과 현 입력값 간의 차는 구간 +/-RATE 내의 값으로 그 폭이 제한되며, 이전 출력 값에 다시 합산되어, 현 출력 값을 획득한다. 출력 시퀀스는 입력 시퀀스를 뒤따라, RATE에 따라 제한되는 경사를 유지한다. 이해를 돕기 위해, 도 19는 입력 시퀀스(연속 라인) 및 출력 시퀀스(쇄선)의 차트를 도시한다. 순간 t0에서, 시퀀스 IN의 기울기는 RATE/샘플값을 뛰어넘는다. 따라서, 시퀀스 OUT은 포인트 t1에서 재결합할 때까지 분리된다. 그후 시퀀스 IN은 일정하게 유지된다. 순간 t2에서, 시퀀스 IN의 과도한 기울기는 재결합 포인트 t3까지 시퀀스 OUT을 즉각적으로 분리시킨다. 선형 필터에 관하여, RATE LIMITER의 장점은 에일레토리 시퀀스의 가능한 불연속성을 제거하면서, 충분한 대역폭을 여전히 유지할 수 있다는 점이다. 위에 언급한 불연속성은 사람의 귀에 매우 불쾌하게 들린다. 이러한 태양은 RATE LIMITER의 핵심사항을 나타낸다.
비선형 블록(42)은 도 11의 NOISE BOX 구조에 대한 영향이 주기적 진행에 따른 이 구조에 의해 발생된 정량적 공진 변화에 해당하는 임의의 기능 블록으로 바뀔 수 있다.
선형 공진자(12)에 대하여, 도 15의 기능 블록들의 선택을 포함하는 물리적 고려사항이 이제부터 설명된다. 파이프웍(pipework)이라 규정되는 오르간 파이프의 공진부는 "comb" 필터 1/(1-FBK·z-N)로 가장 기본적인 방식으로 수학적으로 설명될 수 있다. 이 경우에, 피드백 계수 FBK는 필터의 루프 이득에 관련되어 있으며, 매개변수 N은 그 제 1 공진 주파수에 역으로 비례한다. 도 15의 좀더 복잡한 공진자는 이러한 기반으로부터 도출되며, 이는 오디오 디지털 처리 분야에 자주 사용된다. 공진자의 요소들 중에서, 지연 라인(54)의 기능은 명백하게 나타난다. 저역통과 필터(47)의 모듈의 응답은 파이프웍을 따라 진행 중 여러 하모닉 성분들에 의해 경험되는 여러 다른 에너지 손실을 고려하도록 설계된다. 이때, 공진자의 기본 주파수보다 낮은 컷오프 주파수를 가진 고역 통과 필터가 정상파의 연속 성분을 완전히 제거하여, 파이프웍 내 평균 음압이 외부 압력과 거의 동일하다는 사실을 설명할 수 있다. 엔빌롭 발생기(50) 때문에, 공진자의 제 1 동작 페이즈 중, 시스템의 루프 이득은 서스테인 페이트에 도달한 후의 값에 대해 적당하게 넘치는 정도여서, 공진자에 더 빠른 초기 에너지 누적을 획득할 수 있다. 즉, 발생된 사운드의 어택 트랜지언트를 더 빠르게 할 수 있다. 팩터 TFBK(53)의 부호는 특히 중요하다. 파이프웍에 대한 양의 부호는 입과 상부에서 열려있다는 것이며, 파이프웍에 대한 음의 부호는 이는 파이프웍 종단의 상관성에서 음압 파의 반사의 물리적 관계에서 도출된다. 이러한 물리적 법칙은 올패스 필터(52)의 이용을 또한 정당화한다. 이는 개념적 측면으로부터 공진자의 가장 중요한 요소에 해당한다. 파이프웍 내 음파의 길이방향 전파를 시뮬레이션하기 위해 개별 지연 라인의 이용을 정당화하는 데 파이프웍의 일차원 모델이 충분히 정확할 경우, 이러한 근사는 파이프웍 상부와 같은 무시할 수 없는 가로 길이에 의해 특성화되는 구조적 불연속성의 상관관계에서 음파 반사에 수용불가능한 것이 된다. 올패스 필터(52)는 주파수에 대해 선택적인 방식으로 요소(46...54)에 의해 형성되는 폐 사이클의 총 위상 지연을 수정하여, 선형 공진자(12)의 공진을 실제적으로 불협화음화하게 한다노트 오프 이벤트에 따라 그 계수의 제어된 변화를 통해 실시간으로 파이프웍의 제 1 공진 주파수의 값을 수정하는 데 앞서와 동일하 필터가 사용될 수 있어서, 공기 유입 밸브가 닫힐 때 작은 순관 파이프의 사운드의 기본 주파수의 온건한 감소 현상을 시뮬레이션할 수 있다.

Claims (11)

  1. 교회 오르간 순관 파이프의 사운드를 디지털 합성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    - 지정된 기본 주파수, 위상, 파 엔빌롭의 시간 진행을 가진 일련의 하모닉 성분들로 구성되는 시퀀스를 발생시키고,
    - 일련의 하모닉 성분들로 구성되는 상기 시퀀스에 대해 동기적인 주기적 진행에 따라 시간에 따라 변하는 스펙트럼을 가진 에일레토리 시퀀스(aleatory sequence)를 발생시키며,
    - 한 사이클의 선형 기능 블록들을 통해 상기 두 시퀀스들을 처리하는
    단계들을 포함하며, 이때, 한개 이상의 공진 주파수를 구비한 스펙트럼을 가진 임펄스 응답이 나타나고, 상기 스펙트럼을 실시간 및 비실시간으로 수정할 수 있으며, 폐 사이클에 의해 처리되는 상기 시퀀스의 스펙트럼 변화를 획득하면서, 상기 시퀀스의 기본 주파수에는 영향을 미치지 않는 것을 특징으로 하는 사운드의 디지털 합성 방법.
  2. 제 1 항에 따른 방법에 따라 사운드를 합성하는 전자 장치로서, 상기 전자 장치는,
    - 악기로부터 수신한 정보에 따라 좌우되는 기본 주파수를 가진 일련의 하모닉 라인들로 구성되는 "메인 하모닉 시퀀스"(10)를 자율적으로 발생시키는 "하모닉 성분 발생기"(9)로 정의되는 섹션,
    - 상기 "메인 하모닉 시퀀스"(10)의 기본 주파수에 따라 좌우되는 기본 주파수를 가진, 주기적 시퀀스의 진행에 따라 시간에 따라 변화하는 에너지를 가진 의사에일레토리 시퀀스(pseudoaleatory sequence)를 자율적으로 발생시키는 "에일레토리 성분 발생기(aleatory component generator)"(11)로 정의되는 섹션, 그리고
    - 악기로부터 수신한 정보에 따라 좌우되는 길이를 가진 한개 이상의 지연 라인을 지닌 "선형 공진자"(12)로 정의되는 폐 사이클 섹션으로서, 이때, 상기 "하모닉 성분 발생기"(9)와 "에일레토리 성분 발생기"(11)에 의해 발생된 두 시퀀스들을 처리함으로서, 상기 섹션이 사운드의 합성을 위한 상기 전자 장치의 프로덕트를 표현하는 시퀀스(13)를 발생시키는 바의 상기 폐 사이클 섹션
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 "하모닉 성분 발생기"(9)는 일련의 선형 및 비선형, 순간적이면서도 기억되는, 일정하면서도 시간에 따라 변하는 기능 블록들을 통해 상기 전자 장치에 의해 발생된 주기적 시퀀스(16)를 처리하여, 한개 이상의 하모닉 라인들에 의해 형성되는 "메인 하모닉 시퀀스"(10)를 획득하고, 이때, 그 진동수는 상기 주기적 시퀀스(16)의 진동수의 배수이고, 그 진폭은 시간에 따라 다르게 변화하는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 "하모닉 성분 발생기"(9)는 두개의 선형 필터(29, 31)를 지닌 폐 사이클에 의해 형성되는 하모닉 발진기(14)를 이용하여 주기적 시퀀스(16)를 생성하며, 제어 블록(30, 32)이 상기 주기적 시퀀스의 진폭을 일정하게 유지시켜서, 동작 주파수 변화가 변화하는 경우에 발진기를 안정하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 "하모닉 성분 발생기"(9)는 "메인 하모닉 시퀀스"(10)를 발생시키고, 상기 "메인 하모닉 시퀀스"(10)의 기본주파수는 악기로부터 수신한 정보에 따라 좌우되는 것으로서, 저주파수 발진 변수(33)와 에일레토리 변수(34) 간의 조합에 따라 변할 수 있으며, 상기 에일레토리 변수(34)의 값은 상기 "메인 하모닉 시퀀스"(10)의 기본 주파수에 따라 좌우되는 주파수와 함께 변화하는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 "하모닉 성분 발생기"(9)는 일련의 기능 블록들을 따라 한개 이상의 필터를 포함하며, 그 프로젝트 주파수는 "메인 하모닉 시퀀스"(10)의 기본 주파수에 따라 좌우되는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  7. 제 3 항에 있어서, 상기 "하모닉 성분 발생기"(9)는 하모닉 발진기(14)에 의해 발생된 제 1 하모닉 시퀀스(16)와, 상기 제 1 시퀀스(16)의 기본 주파수의 배수인 기본 주파수를 가진 제 2 하모닉 시퀀스(17)를 병렬로 처리하여, 두 하모닉 시퀀스의 진폭이 시간에 따라 독립적으로 진행되는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 "고조파 성부 발생기"(9)는 상기 하모닉 발진기(14)에 의해 발생된 시퀀스(16)의 하모닉 콘텐트를 풍부하게 하는 한개 이상의 비선형 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 상기 "에일레토리 성분 발생기"(11)는 백색 에일레토리 시퀀스(white aleatory sequence)(40)를 처리하여, "메인 하모닉 시퀀스"(10)의 기본 주파수에 따라 좌우되는 주파수를 가진 주기적 시퀀스의 진행에 따라 일련의 두 샘플 간 차가 제한되는 에일레토리 시퀀스를 생성하는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  10. 제 2 항에 있어서, 상기 "에일레토리 성분 발생기"(11)는 시간에 따라 변하는 한개의 필터를 포함하며, 이 필터의 트랜스퍼 함수는 "메인 하모닉 시퀀스"(10)의 기본 주파수의 함수인 주기성으로 주기적인 방식으로 변하는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
  11. 제 2 항에 있어서, 상기 "선형 공진자"(12)는 선형 기능 블록들의 폐 사이클에 의해 형성되며, 이에 따라, "하모닉 성분 발생기"(9)와 "에일레토리 성분 발생기"(11)에 의해 생성된 시퀀스들이 유입되며, 상기 폐사이클은 악기로부터 수신한 정보에 따라 좌우되는 주파수 응답을 가지며, "하모닉 성분 발생기"(9)에 의해 생성되는 상기 시퀀스의 하모닉 조성은 상기 폐 사이클의 주파수 응답과는 독립적이며, 그래서, 폐 사이클에 의해 처리되는 상기 시퀀스의 기본 주파수 값을 변경시키지 않으면서 실시간 및 비-실시간으로 상기 응답을 수정할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 사운드 합성용 전자 장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210044267A (ko) * 2018-08-13 2021-04-22 비스카운트 인터내셔날 에세. 피. 아. 악기 합성음 생성 시스템

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2846768B1 (fr) * 2002-10-31 2005-07-08 Centre Nat Rech Scient Procede de simulation et de synthese numerique d'un phenomene oscillant
TWI227010B (en) * 2003-05-23 2005-01-21 Mediatek Inc Wavetable audio synthesis system
JP5088030B2 (ja) * 2007-07-26 2012-12-05 ヤマハ株式会社 演奏音の類似度を評価する方法、装置およびプログラム
US8822804B1 (en) * 2013-02-09 2014-09-02 Vladimir Vassilev Digital aerophones and dynamic impulse response systems
US9824673B2 (en) * 2015-09-25 2017-11-21 Second Sound Llc Apparatus for tracking the fundamental frequency of a signal with harmonic components stronger than the fundamental
DE102017127416B4 (de) 2016-12-16 2024-04-18 Infineon Technologies Ag Hf-empfänger mit eingebauter testfähigkeit
US11842711B1 (en) * 2022-12-02 2023-12-12 Staffpad Limited Method and system for simulating musical phrase

Family Cites Families (31)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2909462A (en) * 1955-12-08 1959-10-20 Bristol Myers Co Acrylic acid polymer laxative compositions
US3515792A (en) * 1967-08-16 1970-06-02 North American Rockwell Digital organ
JPS5019259B1 (ko) * 1970-12-26 1975-07-05
US3816635A (en) * 1971-05-28 1974-06-11 Baldwin Co D H Single master tone generator
US3809789A (en) * 1972-12-13 1974-05-07 Nippon Musical Instruments Mfg Computor organ using harmonic limiting
US3867862A (en) * 1973-06-11 1975-02-25 Baldwin Co D H Electrical musical instrument
US3884108A (en) * 1974-01-11 1975-05-20 Nippon Musical Instruments Mfg Production of ensemble in a computor organ
US3910150A (en) * 1974-01-11 1975-10-07 Nippon Musical Instruments Mfg Implementation of octave repeat in a computor organ
US3972259A (en) * 1974-09-26 1976-08-03 Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha Production of pulse width modulation tonal effects in a computor organ
US4082028A (en) * 1976-04-16 1978-04-04 Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha Sliding overtone generation in a computor organ
US4348931A (en) * 1980-04-21 1982-09-14 Baldwin Piano & Organ Company Simulating wind noise in electronic organs using digital noise generators
US4423655A (en) * 1981-08-17 1984-01-03 Turner William D Electronic transfer organ
US4984276A (en) * 1986-05-02 1991-01-08 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Digital signal processing using waveguide networks
JPH0778679B2 (ja) * 1989-12-18 1995-08-23 ヤマハ株式会社 楽音波形信号形成装置
US5157216A (en) * 1990-01-16 1992-10-20 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Musical synthesizer system and method using pulsed noise for simulating the noise component of musical tones
JP2707818B2 (ja) * 1990-10-01 1998-02-04 ヤマハ株式会社 電子楽器
JP3097167B2 (ja) * 1991-04-10 2000-10-10 ヤマハ株式会社 楽音合成装置
JP2727841B2 (ja) * 1992-01-20 1998-03-18 ヤマハ株式会社 楽音合成装置
IT1259260B (it) * 1992-03-31 1996-03-11 Generalmusic Spa Apparecchio digitale per la riproduzione del suono musicale dell'organo classico
JP2722947B2 (ja) * 1992-06-16 1998-03-09 ヤマハ株式会社 楽音波形信号形成装置
JP2730417B2 (ja) * 1992-08-21 1998-03-25 ヤマハ株式会社 電子楽器
US5500486A (en) * 1993-07-13 1996-03-19 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Physical model musical tone synthesis system employing filtered delay loop
US5587548A (en) * 1993-07-13 1996-12-24 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Musical tone synthesis system having shortened excitation table
US5519167A (en) * 1993-08-09 1996-05-21 Yamaha Corporation Musical tone synthesizing apparatus
US5508473A (en) * 1994-05-10 1996-04-16 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Music synthesizer and method for simulating period synchronous noise associated with air flows in wind instruments
JP3226255B2 (ja) * 1994-09-01 2001-11-05 ザ ボード オブ トラスティーズ オブ ザ リーランド スタンフォード ジュニア ユニバーシティ 楽音合成システム
US5744741A (en) * 1995-01-13 1998-04-28 Yamaha Corporation Digital signal processing device for sound signal processing
JP3097487B2 (ja) * 1995-02-28 2000-10-10 ヤマハ株式会社 楽音合成装置
ATE208530T1 (de) * 1995-05-10 2001-11-15 Univ Leland Stanford Junior Effiziente synthesierung von durch nichtlinearen antrieb erzeugten musiktönen
US5917917A (en) * 1996-09-13 1999-06-29 Crystal Semiconductor Corporation Reduced-memory reverberation simulator in a sound synthesizer
US20050120870A1 (en) * 1998-05-15 2005-06-09 Ludwig Lester F. Envelope-controlled dynamic layering of audio signal processing and synthesis for music applications

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210044267A (ko) * 2018-08-13 2021-04-22 비스카운트 인터내셔날 에세. 피. 아. 악기 합성음 생성 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
JP2006521581A (ja) 2006-09-21
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