JPH03200296A

JPH03200296A - 楽音合成装置

Info

Publication number: JPH03200296A
Application number: JP1343212A
Authority: JP
Inventors: Toshifumi Kunimoto; 利文国本; Kaoru Kobayashi; かおる小林
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1989-12-28
Filing date: 1989-12-28
Publication date: 1991-09-02
Also published as: US5187314A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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ミュレートす
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。例えば、アコースティックピアノなどの打弦楽
器音の楽音合成装置としては、弦の残響損失をシミュレ
ートしたローパスフィルタと、弦における振動の伝播遅
延をシミュレートした遅延回路とを閉ループ接続した構
成のものが知られている。このような構成において、上
記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回路を循環する。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
プ回路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、この閉ループ回路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。この場合、上記インパルス
等の励起信号は、弦を打弦するハンマによる影響をシミ
ュレートするために設けられた励起回路によって供給さ
れる。この励起回路は、ハンマの質量、初速塵および閉
ループ回路を巡回する励起信号に基づいて、弦とハンマ
との相対変位を演算し、さらに、この相対変位からハン
マに加わる反力を求めて、これを閉ループ回路に供給す
る。さらに、励起回路は、上記反力を次の時点における
弦とハンマとの相互変位を演算するためのパラメータと
している。

「発明が解決しようとする課題」ところで、上述した楽音合成装置では、励起回路がルー
プを形成しているため、パラメータを変更したりすると
オーバーフローを生ずる場合がある。この結果、当該楽
音合成装置においては、励起回路の制御および該励起回
路のパラメータを変更する場合に適切な値を捜し出すこ
とが難しく、パラメータの変更が非常に困難であ３ると
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モノマ、
オーバーフローが起こらず、かつ、励起回路の制御およ
び該励起回路のパラメータの変更が非常に容易にできる
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、発音体
と、該発音体の一部を励起し、該発音体を往復伝播する
振動を発生せしめる発音操作子とからなる自然楽器の楽
音を合成する楽音合成装置において、入力信号に所定の処理を施す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、振
動が前記発音体を往復伝播する周期に等しくした閉ルー
プ手段と、前記発音操作子の操作情報に応じて、一意的に決定され
る時間の関数を出力する関数発生手段および前記関数に
従って前記発音体に与える励起振動に相当する励起信号
を演算し、該励起信号を前記閉ループ手段に供給する励
起信号演算手段からなる励起手段と、を具備することを特徴とする。

「作用Ｊまず、関数発生手段は、操作情報に応じて、所定の時間
関数を出力する。次に、励起信号演算手段は、上記関数
に従って発音体に与える励起振動に相当する励起信号を
演算し、該励起信号を閉ループ手段に供給する。この励
起信号は、所定の遅延素子からなる閉ループ手段を巡回
する。

そして、閉ループ回路を巡回する励起信号が楽音信号と
して取り出される。

「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、ｌ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ｌＯから構成されている。この閉ループ回
路Ｉは、ピアノの弦（１本）の振動をシミュレートする
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、上記値Ｓは、その両端を固定端Ｔ１および
Ｔ、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）Ｉ　Ｍ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図に示す閉ループロ路Ｉは、上記値Ｓをシミュレー
トしている。また、遅延回路３および７には、振動波Ｗ
ａ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Ｔ、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ＩＯは、各々、第２図における
固定端Ｔ、およびＴ、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Ｔ　ｒ　、　Ｔ　ｔで
位相反転する現象がシミュレートされる。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の定在波の振動周期とが等しくな
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ミュ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
る高次の高調波成分程、急速に減衰するという現象が忠
実にシミュレートされる。また、加算器４および８は、
閉ループ回路！を循環する励起信号に対して後述するハ
ンマの反力信号Ｆを加算する。また、閉ループ回路ｌを
伝播する励起信号は、弦Ｓの長さに対応した音高の楽音
信号として、乗算器２に増幅されて（定数に３が乗算さ
れる）取り出される。

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おり、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送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毎にサ
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。した
がって、上述した遅延回路３および７の遅延時間は、こ
の例の場合、上記フリップフロップの段数によって設定
される。また、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、非線形関数発生手段１１は、加算器Ｉ２、乗算器
Ｉ３、積分器１６、減算器１７、ＲＯＭｌ８、乗算器１
９、！サンプル周期遅延回路２０、ハンマ情報発生器２
１および関数発生器２２から構成されており、第２図に
示す弦Ｓが打弦された際に、ハンマＨＭを押し返そうと
する反撥力をシミュレートするものである。まず、加算
器１２は、閉ループ回路１の遅延回路３および７の出力
信号（励起信号）を加算し、弦Ｓの振動速度に相当する
速度信号Ｖｓ、とじて乗算器１３へ出力する。乗算器１
３は、上記速度信号Ｖｓ、に係数に２を乗算し、積分器
１６へ出力する。この積分器１６は、加算器１６ａおよ
びＩサンプル周期遅延回路１６ｂから構成されている。

加算器１６ａには、ハンマＨＭに働く反撥力に相当する
反力信号Ｆが乗算器１９、！サンプル周期遅延回路２０
を通して供給されており、上記乗算器１３の出力信号と
加算される。なお、上記乗算器１９は、上記反力信号Ｆ
に係数Ｋｌを乗算するようになっている。上記乗算器１
３の出力信号および反力信号Ｆは加算された後、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
の入力端に供給される。減算器１７の他方の入力端には
、後述する関数発生器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ＲＯＭｌ
８へ出力する。ここで、弦ＳにハンマトｆＭが食い込ん
でいる場合には、差分信号２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（反力信号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２は０または負であり、したがって、反撥力（反力
信号Ｆ）は０となる。

上述したＲＯＭ１Ｂには、弦Ｓおよびハンマ■（Ｍ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、ＲＯＭｌ８は、任意の
時点における相対変位Ｙ−Ｘに応じた反力信号Ｆを前述
した乗算器１９および閉ループ回路Ｉの加算器４．８へ
出力する。

次に、ハンマ情報発生器２１は、図示しない操作子（ｌ
盤など）が出力する演奏情報に従ってハンマＨＭに関す
る情報、例えば初速度Ｖ。、質量Ｍなどを関数発生器２
２へ出力する。関数発生器２２は、上記初速度Ｖ。およ
び質ＩＭに応じて、時々刻々と変化するハンマＨＭの変
位Ｙに相当するハンマ変位信号ｙを前述した減算器１７
へ出力する。なお、上記ハンマ変位信号ｙの時間的変化
パターンは、予めシミュレーションにより求めておいて
もよいし、演奏者が任意に設、定できるようにしてもよ
い。この例の場合、関数発生器２２は、第４図に示す回
路によって構成されている。また、この関数発′生器２
２が出力するシミュレーションによって求められた関数
ｆ　（ｔ）の−例を第５図に示す。まず、第４図におい
て、２３は時間係数発生器であり、カウンタあるいは積
分器から構成されている。この時間係数発生器２３は、
第５図に示す時間りの経過に対応させた時間係数ｔｃ（
ここでの値をＬｌとする）を出力する。この時間係数ｔ
ｃは、乗算器２４　ａ、２４　ｂ、・・・・・・２４　
ｘおよび乗算器２５ａに供給される。乗算器２４ａは、
上記時間係数ｔｃと時間係数ｔｃとを乗算し、時間定数
ｔｃ、（２乗されてｔ　ｌ”、！：なる）として乗算器
２４ｂおよび乗算器２５ｂへ出力する。次に、乗算器２
４ｂは、時間係数ｔｃ、と上記時間係数ｔｃとを乗算し
、時間定数ｔｃｔ（ｔ＋’となる）として、乗算器２５
ｃおよび図示しない乗算器２４ｃへ出力する。以下、乗
算器２４ａ、２４ｂと同様にして、乗算器２４ｃ〜２４
ｘは、それ自身より若い添字の乗算器の出力信号と上記
時間定数ｔｃとを乗算して出力するよう配列されている
。すなわち、各乗算器２４ａ〜２４ｘは、時間定数ｔ　
Ｃ＋　（ｔ　＋”）、ｔａｘ（ｔ　＋’）　、・・・・
・・ｔ　Ｃ２４（ｔ　＋”）を算出して、各々、乗算器
２５ｂ、２５ｃ、・・・・・・２５ｙへ出力する。乗算
９３２５　ａ〜２５ｙには、各々、定数ｂＣ１・・・・
・・２が設定されており、時間定数ｔ　Ｃ，Ｌ　Ｃ１〜
ｔ　ｃ、、と乗算して加算器２６ａ、２６ｂ、・・・・
・・２６ｙへ出力する（第４図の乗算器布のカッコ内参
照）。加算器２６ａ〜２６ｙは、乗算器２５ａ〜２５ｙ
の出力を順次加算し、最終的に加算器２６ｙの出力とし
て、ｆ　（ｔ　）：ｚ−ｔ　ｌ”’／−虹、″＋・・・・・
・・・・・・・　＋ｂ−ｔ、＋ａ　　・・・・・・　（
１）となる第５図に示す放物線状の軌跡を描くハンマ変
位信号ｙを得る。

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、図示しない操作子が演奏情報をハンマ情報発生器
２Ｉへ出力する。ハンマ情報発生器２１は、演奏情報に
従って、ハンマＨＭの初速度Ｖ０および質ＩＭを出力す
る。関数発生器２２は、初速度ｖ０および質ｊ１Ｍに応
じて、係数ａ−ｚを所定の値に設定した後、時間経過と
と６に順次出力される時間係数ｔｃに従ってハンマ変位
信号ｙを求めて順次減算器１７に供給する。

この場合のハンマ変位信号ｙは、第５図に示すように、
まず、時間経過と共に負から正に向って変化する。また
、ハンマ変位信号ｙが正に達するまでの期間中、弦変位
信号Ｘは、０となるため、差分信号２は負の値となる。

このため、反力信号Ｆは、この期間中、０となる。

そして、差分信号２が０を越えて正の値になると（ハン
マが弦Ｓに衝突したことに相当する）、ＲＯＭ１８から
差分信号２に応じた大きさの反撥力に相当する反力信号
Ｆが出力される（第３図の矢印Ｆ１参照、ハンマＨＭが
弦Ｓを押し上げていることに相当する）。

また、閉ループ回路ｌでは、加算器４および８において
、上記反力信号Ｆが係数乗算器を介して当該ループの励
起信号に加算され、新たな励起信号として一巡する。初
期状態においては、励起信号は０であるので、反力信号
Ｆがそのまま励起信号として巡回する。閉ループ回路Ｉ
を一巡し、遅延回路３および７から出力される各励起信
号は、非線形関数発生手段１１ヘフイードバツクされる
。

また、この閉ループ回路１を循環する励起信号は、乗算
器２を通して楽音信号として出力される。

非線形関数発生手段ｌ！では、フィードバックされた各
励起信号が加算器１２において加算され、速度信号Ｖｓ
ｌとして乗算器１３へ供給される。乗算器Ｉ３では、速
度信号Ｖ５１１に係数に２が乗算され、積分器１６に供
給される。積分器Ｉ６は、乗算器１９および星サンプル
期間遅延回路２０を通して供給された反力信号Ｆと上記
乗算器１３の出力信号との加算結果に対〜して積分を行
う。次に、積分器１６は、新たに求めた弦変位信号Ｘを
減算器１７へ供給する。この減算器Ｉ７は、面性した新
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２を算出する。そして、ＲＯＭ１８は、上
記差分信号２に応じて、新たな反力信号Ｆを出力する。

この反力信号Ｆは、閉ループ回路１へ供給され、加算器
４および８において、励起信号に加算される。

以上のように、関数発生器２２は、第５図に示す関数Ｂ
を出力し、）１０Ｍ１８は、この関数Ｂと閉ループ回路
！を巡回する励起信号とに従って、反力信号Ｆを求め、
上記閉ループ回路１に供給する。そして、上記動作は、
関数発生器２２からのハンマ変位信号ｙの出力が終了し
、かつ、閉ループ回路ｌの励起信号がフィルタ５および
９によって減衰されて０になるまで行われる。

また、第１図に示す関数発生器２２は、様々な変形が可
能である。第６図は、次式に示す関数を実現するための
回路である。

ｆ（む）＝−ａ（ｌ　　ｔ−ｂ　　ｌ）”　　＋ｃ　　
−−（２）ここで、ａはハンマＩ−Ｉ　Ｍの速度（＝キ
ーオン速度ＫＶ）に関係する係数、ｂは発音の時間軸上
の位置に関係する係数、Ｃは音量に関係する係数、ｎは
ハンマＨＭの速度に関係する係数であり、ｔは時間であ
る。この図において、３０は鍵盤であり、押鍵される度
に、キーオン信号ＫＯＰおよびキーオン速度ＫＶが各々
、カウンタ３１、テーブル３２へ出力する。カウンタ３
！は、キーオン信号ＫＯＰに基づいてカウントを開始し
、時間経過とともに大となる時間係数ｔｃを発生して加
算器３３へ出力する。また、テーブル３２には、シミュ
レーションによって予め求められた上記係数ａ。

ｂ、ｃおよびｎが記憶されている。これら係数ａ。

ｂ、ｃおよびｎは、ハンマＨＭの質量Ｍおよびキーオン
速度ＫＶの値を種々変えることによって求められており
、上記質ＩＭ、キーオン速度ＫＶの両パラメータの組合
せに応じて、最も適切な値が出力される。係数３は対数
変換回路３４へ供給され、係数すは加算器３３へ供給さ
れる。また、係数Ｃは加算器３５へ供給され、係数ｎは
乗算器３６へ供給される。対数変換回路３４は、係数ａ
を対数変換しくｌｏｇａとなる）、加算器３７へ出力す
る。

次に、加算器３３は、時間係数ｔｃと係数すとを加算し
て、絶対値回路３８へ出力する。この絶対値回路３８は
、加算器３３の出力信号の絶対値、八ＢＳをとり１ｔｃ
−ｂｌとなる）、これを対数変換回路３９へ出力する。

次に、対数変換回路３９は、絶対値ＡＢＳの対数値Ｌｌ
を取り、これを乗算器３６へ出力する。乗算器３６は、
対数値Ｌｌに係数ｎを乗算しくｌｏｇ（ｌ　ｔｃ　−ｂ
　ｌ　）　”となる）、加算器３７へ出力する。加算器
３７は、前述した対数値Ｌ２と上記ｌｏｇ（ｌ　ｔ　ｃ
　−ｂ　ｌ　）ｎとを加算しくｌｏｇａ　（ｌ　ｔ　ｃ
　−ｂ　ｌ　）ｎとなる）、対数逆変換回路４０に供給
する。対数逆変換回路４０は、上記１ｏｇａ　（ｌ　ｔ
ｃ−ｂ　Ｉ　）　’を逆変換してａ・（ｔｃ−ｂｌ）’
とし、反転回路４１へ出力する。次に、反転回路４１は
、上記逆対数変換凹路４０の出力信号を反転し、−１・
（ｌｔｃ−ｂｌ）“とじて加算器３５へ出力する。加算
器３５は、上記ａ・（ｌｔｃ−ｂｌ）’と係数Ｃとを加
算し出力する。

上述した構成によれば、鍵盤が打鍵されると、テーブル
３２は、キーオン速度ＫＶ、キーオン信号ＫＯＰに応じ
た係数ａ　、ｂ　、ｃおよびｎを各演算回路に供給する
。また、カウンタ３１は、キーオン信号ＫＯＰに従って
カウントを開始し、時間経過とともに大となる時間係数
ｔｃを出力する。そして、当該関数発生器２２は、最終
的に前述した（２）式に示す出力信号ｆ　（ｔ）を第１
図に示す減算器１７に供給する。

以下、前述した第１図に示す実施例と同様の動作が行わ
れ、閉ループ回路１の励起信号がフィルタ５および９に
よって減衰されて０になるまで行イつ　れ　る　。

なお、上述した変形例の場合、カウンタ３１が出力する
時間係数ｔｃをテーブル３２に供給し、係数ａ　、ｂ　
、ｃおよびれを選択するパラメータとしてもよい。

また、同変形例におけるテーブル３２は、１つに限らず
、異なった関数を有する複数のテーブルとし、鍵盤３０
が出力するタッチ情報に応じて選択的に変えられるよう
にしてもよい。あるいは、１つのテーブルに複数の関数
を記憶しておき、上記タッチ情報に応じて変えるように
、してもよい。

また、上述した実施例および変形例における関数発生器
２２は、時間係数ｔｃのｎ次式関数に限らず、半波正弦
波、ハミング窓関数などを出力するようにしてもよい。

また、上述したこれらの実施例では、差分信号２に対応
する反力信号Ｆ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２をもとに演
算によって反力信号Ｆを求めてもよい。

また、上述したこれらの実施例では、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、
プログラム記述でＤＳＰ（デジタル・シグナル・プロセ
ッサ）、コンピュータによって処理するようにしてもよ
い。

また、上述した遅延回路を含む閉ループ回路１としてば
、前述の特開昭６３−４０１９９号公報に開示されてい
るウェ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、励起手段を
ループ回路とけず、励起手段の変位を予め設定した関数
の範囲内で行うようにしために、オーバーフローが起こ
らず安定した制御ができるという利点が得られる。また
、同励起手段が安定しているために、打鍵時の励起手段
の微妙な変位をらシミュレートでき、自然楽器に近い楽
音を合成できるという利点が得られる。さらに、励起手
段のシミュレートを関数の係数設定によって行っている
ために、シミュレートのアルゴリズムを簡略化でき、か
つ、該励起手段のパラメータの変更が非常に容易にでき
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図は非線形関数の一例を示す説明図、第
４図は関数発生器の一例の構成を示すブロック図、第５
図は関数発生器が出力する時間の関数の説明図、第６図
は同実施例における関数発生器の変形例の構成を示すブ
ロック図である。１・・・・・・閉ループ回路、１１・・・・・・非線形
関数発生手段（励起手段）、２１・・・・・・ハンマ情
報発生器、２２・・・・・・関数発生器。

Claims

【特許請求の範囲】発音体と、該発音体の一部を励起し、該発音体を往復伝
播する振動を発生せしめる発音操作子とからなる自然楽
器の楽音を合成する楽音合成装置において、入力信号に所定の処理を施す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、振
動が前記発音体を往復伝播する周期に応じて定め閉ルー
プ手段と、前記発音操作子の操作情報に応じて、一意的
に決定される時間の関数を出力する関数発生手段および
前記関数に従って前記発音体に与える励起振動に相当す
る励起信号を演算し、該励起信号を前記閉ループ手段に
供給する励起信号演算手段からなる励起手段と、を具備することを特徴とする楽音合成装置。