JPH0833748B2

JPH0833748B2 - 音合成方法

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Publication number: JPH0833748B2
Application number: JP62148184A
Authority: JP
Inventors: 典雄須田
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1987-06-15
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2011-03-29
Also published as: JPS63311399A

Description

【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、音響管の半径を演算し、その演算結果における音響伝
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、音響管の半径を演算し、
その演算出力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を可変させたことにより、自然な音質の音の合成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の合成
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
にした音の合成方法である。

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10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、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
楽音は人間の口腔や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
管の半径を演算し、その後円周率と半径の２乗を乗算し
て断面積を求め、そ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
させることで音響管の半径を演算して求めた断面積を模
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。

また楽器の長さの変化は、遅延回路の段数で模擬し、
断面積変化と相俟ってより自然な楽器音を簡単に実現で
きるようにした。

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）の半径ｒを演算
し、その後、πｒ²から断面積を求め、その断面積を等
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。従って半径を
演算して求めた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. 実施例まず、本発明の実施例を述べる前に、本発明の背景に
ついて説明する。

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と
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
続的に印加されることと等価となる。

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および接
合点の電圧をｅとするとまたａ₁＝ｉ₁＋Ｉ₁,a₂＝ｉ₂＋Ｉ₂ ｉ₁＝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
Ｉ₁′＝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
を第５図に示す。この第５図は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…Ａ_n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…Ｚ_n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Ｚ_Oは音源インピーダンス,Z_L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。

上記のように断面積をＡ₁からＡ₁′に連続的に変えた
直線補間の例は第５図に示してある。この第５図におけ
る直線補間の場合でも合成としてはかなり良くなるけれ
ども、人間の口腔の動きは断面積の直線的な動きに対応
しているのではなく、「アゴ」や「舌」等の上下関係に
対応しているため、合成音としては第５図に示す直線補
間では多少不自然になることがある。

そこで、本発明では音響管の半径ｒを補間対象として
演算し、この演算結果から断面積をＡをＡ＝πｒ²にて
計算し、この計算結果を前記（１）式，（２）式に代入
することによって、（１）式，（２）式の面積比、すな
わち係数は次式となる。

なお、ｒ₁,r₂は隣接する音響管の半径である。上述の
ように、音響管の半径ｒを演算し、その結果から断面積
を得るようにしたので、定常状態の「ア」，「イ」の音
が得られることは勿論であるが、その中間の音、即ち、
音と音との間の音が自然に近い音質かつ品質で得ること
ができる。第６図は上記本発明による音響管の半径ｒを
補間対象として演算した結果の説明図で、図中一点鎖線
で示す曲線は半径ｒを演算したときの断面積の変化特性
曲線である。この曲線から音と音との間の音が自然に近
い音質で得られるようになる。

上記のものは隣接する２つの音響管の場合であるが、
隣接する多分岐管部の演算においては次の一般式を用い
て行う。

（但し、ｒ_kはｋ＝1,2…n,n分岐管部のそれぞれの音
響管の半径、ｒ_iはｉ番目分岐管の半径である）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７図に示すようにLCを有する線路を等価的に表
すと第８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。

Ｉ₂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８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８図における遅延回路Ｚ₁→Ｚ_n,Z_n→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３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（管の半径ｒ₁）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Ｓ
₁にてメモリよりＡ₁のａ_OA,i_OA,I_OA,Eを取り出す。取り
出した値をもとに、ステップＳ₂では、ａ_OA′＝ｆ（E,I_aA）ｉ_OA′＝ａ_OA′−Ｉ_OA の演算を行う。この演算値ａ_OA′,i_OA′およびステップ
Ｓ₃でメモリより導入された管Ａ₂（半径ｒ₂）の値ａ_1B,
a_1A,i_1B,i_1A,I_1B,I_1Aを用いてステップＳ₄では、ａ_1B′＝Ｓ_1B（Ｉ_1B＋Ｉ_1A）ａ_1A′＝Ｓ_1A（Ｉ_1B＋Ｉ_1A）ｉ_1B′＝ａ_1B′−Ｉ_1B ｉ_1A′＝ａ_iA′−Ｉ_1B Ｉ_1B′＝ｉ_0A′−ａ_0A′ の演算を行う。ステップＳ₅ではＳ₄にて求められた
ｉ_1B′,a_1B′を用いてＩ_0A′＝ｉ_1B＋ａ_1B を演算する。また一方、Ｓ₅にて求められた値ｉ_1A′,a
_1A′と、ステップＳ₆においてメモリより導入された管
Ａ₃（半径ｒ₃）の値ａ_2B,a_2A,i_2B,i_2A,I_2B,I_2Aとを用い
てステップＳ₇にて次の演算が行われる。

ａ_2B′＝Ｓ_2B（Ｉ_2B＋Ｉ_2A）ａ_2A′＝Ｓ_2A（Ｉ_2B＋Ｉ_2A）ｉ_2B′＝ａ_2B′−Ｉ_2B ｉ_2A′＝ａ_2A′−Ｉ_2A Ｉ_2B′＝ｉ_1A＋ａ_iA′ ステップＳ₈ではＳ₇にて求められたｉ_2B′,i_2A′を用
いてＩ_1A′＝ｉ_2B′＋ａ_2A′ の演算が行われる。以下同様にして模擬された音響管の
半径ｒを演算し、この演算結果からπｒ²を計算して断
面積が求められ、ステップＳ_n-1では、ａ_nB′＝ｆ（Ｉ_nB）ｉ_nB′＝ａ_nB′−Ｉ_nB Ｉ_nB＝ｉ_n-1A＋ａ_n-1A の演算を行う。その結果を用いてステップＳ_nでは、Ｉ_n-1A′＝ｉ_nB′＋ａ_nB′ の演算を行う。すなわち、音響管の半径ｒ₁〜ｒ_nを演算
し、その演算結果からπｒ₁ ²〜πｒ_n ²を計算し、得られ
た断面積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〜Ａ_n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〜Ａ_n個々の等価回路を流れる各部の電流値および
関数f,S_iB,S_iA（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。

H. 発明の効果以上のように本発明は、音響管の半径ｒを演算し、そ
の演算結果からπｒ²を計算し、得られた断面積が等価
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、音響管の半径を演算した結果により求めら
れた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、
音響管の半径を演算するだけを持てばよいので、極めて
簡単にでき、従来のように音声合成のための多くのメモ
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、自然
音に近い発声が得られる。

また、楽音も遅延回路のメモリーの段数を変えること
により容易に得ることができ、半径を演算した演算値の
変化と相俟ってより自然な楽器音を簡単に実現出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第９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図は本発明による音響管の半径ｒの時間に対す
る補間説明図、第７図は音声伝搬を電気的に模擬した電
気回路図、第８図は第７図の等価回路図、第９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10図は従来のパーコール合成
による調音結合説明図を示す。Ａ₁,A₂…Ａ_n……音響管、ｒ₁,r₂…ｒ_n…………音響管の
半径、Ｙ₁,Y₂……音響管の音響アドミッタンス、Ｃ₁,C₂
…Ｃ_n……電気回路モデルの静電容量、Ｌ₁,L₂…Ｌ_n……
同上のリアクタンス、Ｚ₁,Z₂…Ｚ_n……サージインピー
ダンス。

Claims

【特許請求の範囲】

【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、音響
管の形状変化に伴い音響管の半径を演算し、その後円周
率と前記演算により求められた半径とを乗算して断面積
を求める際に、次式の係数（但し、ｒ_i,r_i+1は隣合う２つの音響管の半径、ｉは1,
2,3…ｎである）を用いることを特徴とする音合成方
法。
【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、音響
管の形状変化に伴い音響管の半径を演算し、その後円周
率と前記演算により求められた半径とを乗算して断面積
を求める際に、次式の係数（但し、ｒ_i,r_i+1は隣合う２つの音響管の半径、ｉは1,
2,3…ｎである）を用いると共に隣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。
【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、音響
管の形状変化に伴い音響管の半径を演算し、その後円周
率と前記演算により求められた半径とを乗算して断面積
を求める際に、次式の係数（但し、ｒ_i,r_i+1は隣合う２つの音響管の半径、ｉは1,
2,3…ｎである）を用い、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。