JPH04171496A - 楽音合成装置 - Google Patents

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、管楽器をシミュレートする装置に係り、特
に、雑音を伴った管楽器音を忠実に再現することができ
る楽音合成装置に関する。

「従来の技術」 近年、自然楽器の発音メカニズムをシミュレートしたモ
デルを動作させ、これにより自然楽器の楽音を合成する
装置が各種開発されている。この種の技術は、例えば、
特開昭６３−４０１９９号公報または特公昭５８−５８
６７９号公報に開示されている。

第９図は、管楽器の発音メカニズムをシミュレートする
楽音合成装置の構成を示したものである。

この図において、１１はＲＯＭ（リードオンリメモリ）
、１２は加算器、１３は減算器、１４および１５は乗算
器である。これら構成要素１１〜１５は、クラリネット
等の管楽器のマウスピースおよびリードからなる部分の
動作をシミュレートするものであり、これらは励振回路
１０を構成している。

２０は管楽器の管部、すなわち、共鳴管の伝送特性をシ
ミュレートした双方向伝送回路である。

この双方向伝送回路２０は、共鳴管における空気圧力波
の伝播４延をシミュレートした遅延回路り。

Ｄ、・・・、これらの遅延回路間に介挿されたジャンク
ションＪＵ、ＪＵ、・・・、共鳴管の終端部において空
気圧力波が反射する際のエネルギー損失等をシミュレー
トしたローパスフィルタＬＰＦ、および双方向伝送回路
２０内を伝播するデータの直流成分を阻止するバイパス
フィルタＩ（ＰＦからなる。

このジャンクションＪＵ、ＪＵ、・・・は、共鳴管にお
いて管の径か変化している箇所で発生する空気圧力波の
散乱をシミュレートするものであり、第９図には乗算器
Ｍ、〜Ｍ４および加算器Ａ　ｓ　、　Ａ　＋＋からなる
４乗算格子を用いた場合が示されている。ここで、各乗
算器Ｍ、〜Ｍ、に付された“１＋ｋ”、′−ｋ”、“１
−ｋ”、“ｋ”等は乗算係数であり、実際の共鳴管に近
い伝送特性が得られるように数値ｋが決められる。

このような構成において、加算器１２および減算器１３
には、吹奏圧に相当するデータＰが入力される。そして
、加算器１２の出力データは、双方向伝送回路２０の内
部を、遅延回路Ｄ−ジャンクションＪＵ−遅延回路Ｄ→
・・・　というように伝播し、ローパスフィルタＬＰＦ
に到達する。そして、ローパスフィルタＬＰＦおよびバ
イパスフィルタＨＰＦを介した後、遅延回路Ｄ−ジャン
クションＪｔＪ−・・・というように、上述とは逆向に
伝播し、双方向伝送回路２０から出力されて減算器１３
に入力される。

そして、減算器１３によって、双方向伝送回路２０の出
力データ（このデータは共鳴管の終端部側からマウスピ
ースとリードとの間隙に戻される空気圧力波の圧力に相
当する）からデータＰが減算される。この減算によって
、リードとマウスピースの間隙部の空気圧に相当するデ
ータＰ、が得られる。そして、このデータＰ、かＲＯＭ
ＩＩに供給されることにより、このＲＯＭＩ　１からリ
ードとマウスピースとの間隙の断面積、すなわち、空気
流に対するアドミッタンスに相当するデータＹが出力さ
れる。第１０図はＲＯＭＩ　１に記憶されたリードとマ
ウスピースとの間隙内の空気圧力（入力）と間隙の断面
積（出力）との関係を示す非線形関数Ａを例示したもの
である。

このようなデータＹとデータＰ、とは、乗算器１４によ
って乗算され、この結果、リードとマウスピースとの間
隙を通過する空気の流速に相当するデータＦＬが得られ
る。このデータＦＬには、乗算器１５によって乗算係数
Ｇが乗じられる。ここで、乗算係数Ｇは管楽器のリード
取り付は部付近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１５か
らは、マウスピースとリードとの間隙を通過する空気流
の流速と管部の空気流に対するインピーダンスの積、す
なわち、間隙を通過する空気流による管内の圧力変化分
に相当するデータＰ。

が得られる。そして、このデータＰ、とデータＰと力□
く加算器１２によって加算され、双方向伝送回路２０に
入力される。

このようにして励振回路１ｏと双方向伝送回路２０とで
構成される閉ループにおいて、データの循環、すなわち
、共振動作が行われ、双方向伝送路２０のローパスフィ
ルタＬＰＦの接続点のデータが取り出され、こうしたデ
ータに基づいて楽音が発生される。

ところで、実際の管楽器においては、サブトーンと呼ば
れる奏法がある。このサブトーンとは、リードとマウス
ピースとの間隙に息を吹き込む際に生じる雑音成分を誇
張させた奏法である。従来、こうした雑音の合成は、吹
奏圧に相当するデータＰに雑音に相当するデータを重畳
することにより行われていた。

「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上述した雑音成分は、息を吹き込むこと
によって、マウスピースとリードとの間隙部分に乱流が
生じ、この乱流に起因して管内の空気圧力波が乱され、
これが雑音となって発生されるものであ乞。従って、上
述した従来の雑音再現方法、すなわち、単に雑音に相当
するデータを重畳しただけでは実際の雑音発生メカニズ
ム□に即しておらず、この方法によって発生される雑音
は自然さに欠けてしまうという欠点があった。

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、実際
の雑音発生メカニズムに即した楽音合成装置を提供する
ものであり、これにより、管楽器演奏時の雑音効果を忠
実に再現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、演奏情報に対応した励振信号を発生する励
振手段と、少なくとも所定時間自己の入力信号を遅延す
ると共に、上記励振信号を繰り返し循環させるループ回
路とから構成され、このループ回路の循環信号を楽音信
号として用いるようにした楽音合成装置において、所定
のスペクトル分布を有する雑音信号を前記励振信号に応
じて発生する雑音発生手段と、前記ループ回路内の所定
の位置に介挿され、自己の入力信号に前記雑音゛信号を
重畳させる雑音重畳手段とを具備することを特徴として
いる。

「作用」 上記構成によれば、雑音発生手段が管内乱流を近似した
雑音信号を励振信号に応して発生し、雑音重畳手段かル
ープ回路の循環信号に当該雑音信号を重畳させる。これ
により、実際の雑音発生メカニズムに即した楽音合成が
なされる。

「実施例」 以下、図面を参照し、本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による楽音合成装置の全
体構成を示すブロック図である。

この図において、１はクラリネット等の管楽器を模した
操作子であり、吹奏者の操作に応じた各種信号を発生す
る。ここで、第２図および第３図を参照して操作子１の
構成について説明する。

まず、第２図（イ）は、この操作子１の一例を示す外観
図である。図において、１ａはキーオン信号Ｋｏｎおよ
びキーオフ信号Ｋｏｆｆを発生するキースイッチである
。１ｂはマウスピースであり、この内部には同図（ロ）
に示すようにカンチレバー１ｃおよび圧力センサ１ｄが
設けられている。カンチレバーＩＣは、吹奏者がマウス
ピース１ｂをくわえた時にリードへ与える圧力（この圧
力はアンプジュールと呼ばれる）を検出して出力する。

一方、圧力センサ１ｄは、吹奏者によってマウスピース
１ｂ内へ吹き込まれた息圧を検出して出力する。

このような構成による操作子１は、第３図に示すように
、上述した各検出信号をマイクロコンピュータ５へ供給
する。このマイクロコンピュータ５は、第１図に示すＣ
ＰＵ２、ＲＯＭ３、ＲＡＭ４および図示されていないＡ
Ｄ変換器から構成されている。こうした構成によるマイ
クロコンピュータ５は、上記キースイッチｌａ、カンチ
レバーＩＣおよび圧力センサ１ｄのそれぞれから供給さ
れた信号をディジタルデータに変換した後、スケーリン
グなどの処理を施し、各種データを発生する。

これらデータの内、キーオンＫｏｎ／キーオフＫｏｆｆ
データは、圧力センサ１ｄの出力信号が所定値以上であ
るか否かの判断によって生成されるものである。セント
値データＣは、音高を表すデータであり、キースイッチ
１ａの操作に応じたキーコードに基づいて生成される。

息圧データＰは、圧力センサ１ｄの出力信号に応じて生
成されるものであって、カンチレバーＩＣから得られる
アンプジュールデータＥによって吹奏感を出すように修
飾される。

次に、再び第１図を参照して実施例の構成について説明
する。図において、６はノイズ発生器であり、前述した
サブトーンや、息漏れ音を再現するための雑音データＮ
を発生する。この雑音データＮは、後述するマウスピー
スとリードとの間隙における乱流現象をシミュレートす
るために用いられる。なお、このノイズ発生器６の構成
については後述する。７はリード部であり、管楽器のマ
ウスピースおよびリードからなる部分の動作をシミュレ
ートするものである。８は管楽器の管部、すなわち、共
鳴管の伝送特性をシミュレートする管体部である。そし
て、これら構成要素６〜８は、楽音合成回路９を構成し
ている。

次に、この楽音合成回路９の構成について第４図を参照
して説明する。なお、この図において、前述した第９図
と対応する部分には同一の符号を付しである。この楽音
合成回路９は、励振回路１Ｏと、ジャンクション２２と
、管体形成回路２０とから構成されている。励振回路１
０は、減算器１３、加算器１６，３３、乗算器３１，３
２，３４、ＲＯＭＩ　ｌａ、１　ｌｂおよびフィルタ３
０ａ、３０ｂとからなり、管楽器のマウスピース部をシ
ミュレートする回路である。ジャンクション２２は、加
算器２２ａおよび２２ｂからなる。管体形成回路２０は
、管楽器における共鳴管をシミュレートする回路であり
、その詳細については後述する。

まず、このジャンクション２２では、乗算器３４および
管体形成回路２０の出力データか加算器２２ａによって
加算されて管体形成回路２０に入力され、管体形成回路
２０および加算器２２ａの出力データが加算器２２ｂに
よって加算され、さらに、この加算器２２ｂの出力デー
タがフィルタ３０ｂを介して減算器１３に入力される。

このようにすることで、共鳴管のマウスピース側の端部
における空気圧力波の散乱かシミュレートされる。

ここで、フィルタ３０ｂが介挿されているのは、励振回
路１０と管体形成回路２０との間を循環する信号か特定
の周波数で著しく大きくならないようにする為である。

減算器１３には、吹奏圧に相当する息圧データＰが入力
されると共に、フィルタ３０ｂを介した帰還データ（こ
のデータは共鳴管の終端部で反射されてマウスピース側
に戻ってくる空気圧力波に相当する）が入力される。そ
して、マウスピースとリードの間隙における空気圧に相
当するデータか減算器１３から出力され、フィルタ３０
ａに入力される。このフィルタ３０ａは、リードの動き
をシミュレートするものであり、入力された信号を帯域
制限して出力する。これは、リートへの圧力を変化させ
た場合、リード自身の慣性等があるため、リードの変位
に遅れが生じる。さらに、この圧力変化の周波数が高い
とリードは反応しなくなる。こうした圧力変化に応じた
リードの追随性をシミュレートするように、このフィル
タ３０ａでは帯域制限が行われる訳である。加えて、こ
のフィルタ３０ａにあっては、前述したアンプジュール
データＥに応じてリードに初期変位を与えるように構成
されている。

こうしたフィルタ３０ａの出力データＰ、には、加算器
１６によって、アンプジュールデータＥがオフセットと
して加算され、実際にリードに加えられる圧力に相当す
るデータＰ、が求められる。

そして、このデータＰ、は、Ｒ，０Ｍ１１ａに入力され
、該Ｒ’０Ｍ１１ａに記憶されている非線形関数Ａ（第
１０図参照）により、マウスピースとリードとの間隙部
分の空気流に対するアドミッタンスに相当するデータＹ
にテーブル変換される。続いて、このデータＹと定数す
とが、乗算器３〕、によって乗算される。ここで、この
定数すはマウスピースとリードとの間隙幅に相当する値
であるから、この乗算によりマウスピースとリードとの
間隙を通過する空気流の流速に相当するデータＦＬが求
められる。

ところで、マウスピースとリードとの間隙部分における
空気流の流速は、空気圧に応じて変化するが、ある速度
に達すると飽和してしまう。第５図は、こうした空気流
の流速の飽和特性を示す非線形特性Ｂの一例を示したも
のである。この飽和特性は、非線形関数Ｂのテーブルと
してＲＯＭ１１ｂに記憶されている。そして、このＲＯ
Ｍ１１ｂには、減算器１３の出力、すなわち、前述した
マウスピースとリードの間隙における空気圧に相当する
データが入力されることによって、テーブル変換がなさ
れ、飽和状態における空気流速を表すデータが出力され
る。このデータは、乗算器３２において上述したデータ
ＦＬと乗算され、この結果、間隙部における真の空気流
速を表すデータｆが求められる。′ 次に、このデータｆに応じて雑音データＮを発生するノ
イズ発生器６の構成について第６図を参照して説明する
。この図において、４０は減算器４０ａ、４０ｅ、加算
器４０ｂ、４０ｇ、係数乗算器４０ｃ、４０ｆおよび遅
延回路４０ｄ、４０ｈから構成される２次のローパスフ
ィルタである。このローパスフィルタ４０は、マウスピ
ースとリードとの間隙における乱流現象をシミュレート
するため、外部から供給されるホワイトノイズ信号ＷＮ
をフイルタリングし、これを雑音データＮとして出力す
る。このフィルタリングは、ホワイトノイズ信号ＷＮの
スペクトル分布を乱流のスペクトル分布に近似するもの
であり、この乱流のスペクトル分布は、後述するように
データｆのレイノルズ数Ｒに応じて決るものである。４
１は乗算器４１ａ、４１Ｃと演算器４１ｂとから構成さ
れるフィルタ定数発生回路であり、その詳細については
後述する。

ここで、上述したホワイトノイズ信号ＷＮのフィルタリ
ングについて説明する。まず、レイノルズ数Ｒとは、流
体における流れの状態を表す値であって、一般にこの値
が２０００　（無次元量）以下では層流となり、これ以
上では乱流となることか知られている。コルモゴロフ則
によれば、このレイノルズ数Ｒか大きくなればなる程、
乱流のスペクトル成分は低周波領域まで伸び、その直流
分のエネルギーはレイノルズ数Ｒにほぼ比例するとして
いる。そこで、スペクトル分布が−様なホワイトノイズ
信号ＷＮをレイノルズ数Ｒに応じてフィルタリングを行
えば、所望のスペクトル分布を持つ乱流を近似すること
かできる。

このような原理に基づき、このローパスフィルタ４０で
は、係数乗算器４０ｆの係数α、をデータｆのレイノル
ズ数Ｒに応じて変化させ、その周波数特性を第７図に示
すものにしている。同図では、横軸にｌｏｇ周波数、縦
軸にｄＢ振幅をとり、係数α。

が０１．００３．００１．０００３および０．００１の
各場合における周波数特性を示しである。

ところで、この周波数特性とレイノルズ数Ｒとの相関を
見ると、係数α、とＲ−’／”とが比例関係にあるのが
分る。そこで、上述したフィルタ定数発生回路４１では
、まず、乗算器４１ａにおいて前述したデータｆと定数
Ｃ１とを乗算してレイノルズ数Ｒを求める。ここで、こ
の定数Ｃ７は、ａ／νで与えられる値であり、ａは流れ
の太さ、幅などを代表する値、νは動粘性係数である。

このようにして求めたレイノルズ数Ｒは、演算器４１ｂ
によりＲ−””の演算がなされ、これが乗算器４１ｃに
おいて定数Ｃ宜と乗算される。定数Ｃｍは、係数α、と
Ｒ−”’との両者を対応させるための値である。こうし
て乗算器４１ｃから出力される係数データＤα２は、前
述したローパスフィルタ４０における係数乗算器４０ｆ
の乗算係数α、を設定する。この結果、時々刻々と変化
するデータｆのレイノルズ数Ｒに応じてローパスフィル
タ４０のカットオフ周波数か制御され、乱流をシミュレ
ートした雑音データＮが出力される。

次に、この雑音データＮは、加算器３３（第４図参照）
によってデータｆと加算され、この結果、乱流に相当す
るデータがオフセットとして付与されたデータＦＬＮが
出力される。そして、このデータＦＬＮには、乗算器３
４によって定数Ｚが乗じられる。この定数Ｚは、管楽器
のリード取り付は部付近の管径に応じて決められる値で
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。こうした乗算に
より、管内における空気圧に相当するデータが得られ、
このデータがジャンクション２２の加算器２２ａを介し
て管体形成回路２０に入力される。そして、管体形成回
路２０の出力データがジャンクション２２へ出力され、
フィルタ３０ｂを介して減算器１３に入力され、再び前
述と同様の信号処理か行われる。

ここで、第８図を参照して管体形成回路２０の構成につ
いて説明する。この図において、２０ａ。

・・・、２０ａはシフトレジスタで構成される遅延回路
であり、共鳴管における空気圧力波の伝播遅延をシミュ
レートする。２０ｂ、・・・、２０ｂは、これら遅延回
路２０ａの間に介挿されたジャンクションである。２０
ｃはインバータであり、この共鳴管の終端部における空
気圧力波の反射をシミュレートする。２０ｄはローパス
フィルタ（ＬＰＦ）　、２０ｅはバイパスフィルタ（Ｈ
ＰＦ）である。このような構成によれば、最終段の遅延
回路２０ａから出力される信号は、ＬＰＦ２０ｄを通っ
て管端で反射するものと、ＨＰＦ２０ｅを通って楽音出
力として出力されるものとに分れる。ここで、ＨＰＦ２
０ｅを介挿しているのは、管楽器における音響放射イン
ピーダンス特性が高域通過特性であるからである。なお
、図示されている遅延量ｄ。

〜ｄｎ、ジャンクション係数に１〜ｋｎ−ｓおよびフィ
ルタ係数ＦＣＬ　、　ＦＣＨは、前述したキーフード、
アンプジュールデータＥ１息圧データＰをもとに演算を
行った結果与えられるものであり、この演算はＣＰＵ２
により実行される。

このように構成された楽音合成回路９では、マウスピー
スとリードとの間隙を通過する空気流の流速に相当した
データｆに応じた乱流の雑音データＮがオフセットとし
て付与されるので、実際の管楽器における雑音発生メカ
ニズムに即した信号処理が行われる。こうした信号処理
を経て出力される楽音信号は、第１図に示すサウンドシ
ステム４０に供給され、このサウンドシステム４０がス
ピーカＳＰから楽音として発音するための処理を行う。

これにより、実際の管楽器吹奏において、息を強く吹き
込んでマウスピースとリードとの間隙部分の空気流速度
が飽和した時に雑音が大きくなるサブトーンや、息漏れ
音などの雑音効果を忠実に再現できるようになる。

なお、上述した実施例では、第１１図（イ）に示すよう
に加算器３３においてデータｆに雑音データＮを加算す
るようにしたが、雑音データＮの直流分の乗り方によっ
ては、同図（ロ）に示すように加算器３５および乗算器
３６を設け、雑音データＮに１を加算してからデータｆ
と乗算するようにしても良い。このようにすると、デー
タｆが雑音データＮで変調される。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば、雑音発生手段
が管内乱流を近似した雑音信号を励振信号に応じて発生
し、雑音重畳手段がループ回路の循環信号に当該雑音信
号を重畳させるので、実際の雑音発生メカニズムに即し
た楽音合成がなされ、演奏時に発生される雑音が忠実に
再現されるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による楽音合成装置の全体
構成を示すブロック図、第２図は同実施例における操作
子ｌの一例を示す外観図である。 第３図は同実施例における情報変換回路の構成を示すブ
ロック図、第４図は楽音合成回路９の構成を示すブロッ
ク図、第５図はＲＯＭＩ　ｌｂに記憶された非線形関数
Ｂを説明する図、第６図はノイズ発生器６の構成を示す
ブロック図、第７図はローパスフィルタ４０の周波数特
性を示す図、第８図は管体形成回路２０の構成を示すブ
ロック図、第９図は従来の楽音合成装置の構成を示すブ
ロック図、第１０図は第４図および第９図における非線
形関数Ａを説明する図、第１１図はデータｆに雑音デー
タＮを付与する一例を示すブロック図である。 ５・・・・・・マイクロコンピュータ、６・・・・・・
ノイズ発生器、７・・・・・・リード部、８・・・・・
・管体部、４０・・・・・・ローパスフィルタ、４１・
・・・・・フィルタ定数発生回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　演奏情報に対応した励振信号を発生する励振手段と、
   少なくとも所定時間自己の入力信号を遅延すると共に、
   上記励振信号を繰り返し循環させるループ回路とから構
   成され、このループ回路の循環信号を楽音信号として用
   いるようにした楽音合成装置において、 所定のスペクトル分布を有する雑音信号を前記励振信号
   に応じて発生する雑音発生手段と、前記ループ回路内の
   所定の位置に介挿され、自己の入力信号に前記雑音信号
   を重畳させる雑音重畳手段と を具備することを特徴とする楽音合成装置。