JPH11219185A

JPH11219185A - 楽音合成装置及び合成アルゴリズム導出方法

Info

Publication number: JPH11219185A
Application number: JP10020584A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Nakanishi; 雅浩中西; Katsuyoshi Fujii; 克芳藤井
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-02-02
Filing date: 1998-02-02
Publication date: 1999-08-10

Abstract

(57)【要約】【課題】実際の管楽器の演奏ができない人でも本格的
な管楽器の演奏を疑似体験できる楽音合成装置を提供す
る。【解決手段】管楽器の発音メカニズムに基づく合成ア
ルゴリズムに対し、音声等の強制振動項を付加して導出
した非線形の微分方程式を解くことにより、管楽器音に
略等しい時間波形を生成するプロセッサ１０３と、微分
方程式の強制振動項として音声信号をプロセッサ１０３
に入力するマイク１０１を備え、プロセッサ１０３は音
声信号の各種情報（ピッチ／レベル／波形形状等）に基
づいて所望の楽音を生成する。音声の発生態様をコント
ロールするだけで、管楽器特有の音色変化を実現でき
る。例えば、グロール（音の立ち上がりに発生する「ブ
ルッ」という音韻）を表現する場合は、直接音声で「ブ
ルッ」と発音すればよく、タンギングを表現する場合は
「タ行」や「カ行」等の音声を入力するだけでよい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子楽器の音源な
どに用いられる楽音合成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自然楽器の発音構造を電子回路で模擬す
ることによって音色を合成する楽音合成装置が提案され
ている（例えば、特開平６−２２２７７７号公報）。こ
の類の合成装置によれば、特にトランペット等の管楽器
系の音色において、発音中に楽器らしく音色を変化させ
ることができるといった特徴を有している。

【０００３】以下、図面を参照しながら上述したような
従来の楽音合成装置について説明する。

【０００４】図８は従来の楽音合成装置のブロック図で
ある。図８において、６０１は減算器、６０２はトラン
ペットを吹奏する際の唇の振動をシミュレートする振動
部、６０３は唇の空隙の音響アドミタンスの特性を格納
するテーブル、６０４は乗算器、６０５は減算器、６０
６は積分器、６０７は加算器、６０８はディレイであ
る。

【０００５】図９は振動部６０２の回路図である。図９
において、７０１は減算器、７０２は加算器、７０３，
７０４は１サンプリング時間Ｔｓ分データを遅延させる
遅延器、７０５，７０６，７０７はそれぞれ係数ａ，
ｂ，ｃと対応するデータとの乗算を行う乗算器である。

【０００６】図１０はトランペットを吹奏する際の唇の
振動状態を示す縦断面図、図１１ははトランペットを吹
奏する際の唇の振動を、質点とバネとダッシュポットで
表した模式図、図１２はトランペットを吹奏する際の唇
の空隙の音響アドミタンス特性を表すグラフである。

【０００７】図１３は積分器６０６の回路図である。図
１３において、９０１は加算器、９０２は１サンプリン
グ時間Ｔｓ分データを遅延させる遅延器、９０３は係数
ｄとデータとの乗算を行う乗算器である。

【０００８】図１４（Ａ）はトランペットを吹奏する際
の口内の圧力に対応する口内圧力データＰの時間特性を
表すグラフ、図１４（Ｂ）はトランペットを吹奏する際
の唇の締め具合に対応するアンブッシャデータＡｍの時
間特性を表すグラフ、図１４（Ｃ）はピッチデータＰｉ
の時間特性を表すグラフ、図１４（Ｄ）は合成音データ
の時間特性を表すグラフである。

【０００９】図１５（Ａ）はトランペットを吹奏する際
の口内の圧力に対応する口内圧力データＰの時間特性を
表すグラフ、図１５（Ｂ）はトランペットを吹奏する際
の唇の締め具合に対応するアンブッシャデータＡｍの時
間特性を表すグラフ、図１５（Ｃ）はピッチデータＰｉ
の時間特性を表すグラフ、図１５（Ｄ）は合成音データ
の時間特性を表すグラフである。

【００１０】図１６はサキソフォンを吹奏する際のリー
ドの振動状態を示す縦断面図、図１７はサキソフォンを
吹奏する際のリードの振動を、質点とバネとダッシュポ
ットで表した模式図、図１８はサキソフォンを吹奏する
際のリードの空隙の音響アドミタンス特性を表すグラフ
である。

【００１１】以上のように構成された従来の楽音合成装
置について動作説明をする。まず、図８を用いて全体の
動作について説明する。まずトランペットを吹奏する際
に演奏者の口内に圧力が発生する。これに対応する口内
圧力データＰが減算器６０１に送出される。減算器６０
１において、マウスピース内の音圧に対応するデータＰ
ｍと口内圧力データＰとの差分値△Ｐが算出され、△Ｐ
が唇を振動させる強制振動項として振動部６０２に送出
される。一方、唇の締め具合に対応するアンブッシャデ
ータＡｍも振動部６０２に入力され、振動部６０２にお
ける固有振動数（唇の振動ピッチ）が決まる。△Ｐは振
動部６０２における振動を励起し、振動部６０２からは
唇の変位（唇の開き具合）に対応するデータｘがテーブ
ル６０３に送出される。テーブル６０３はデータｘに応
じて、唇の空隙の音響アドミタンスに対応するデータＡ
ｄｍ（ｘ）を参照し、乗算器６０４に送出する。乗算器
６０４では、△ＰとＡｄｍ（ｘ）を乗算し、演奏者の口
からマウスピースに対して流れ込む体積流速度に対応す
るデータＵが減算器６０５に送出される。減算器６０５
では、管からマウスピース内に逆流してくる体積流速度
ＵｉとＵとの減算が行われマウスピース内の体積流速度
に対応するデータＵｍが決まる。Ｕｍは、積分器６０６
において、マウスピース内の音響コンプライアンス（い
わゆる空洞状態）に起因する積分処理をうけ、マウスピ
ース内の音圧に対応するデータＰｍが決まる。一方、Ｕ
ｍは、Ｕｉと加算され管の本体側へ流れ込む体積流速度
に対応するデータＵｏが算出され、所望の合成音データ
として出力される。ディレイ６０８は、Ｕｉが管の本体
を通り、朝顔付近で反射されて再びＵｏとして戻ってく
るまでの過程（遅延）を集中定数的に模擬したものであ
り、この過程の長さ、即ちディレイ長は合成音データの
音高に対応するピッチデータＰｉによって制御される。
なお、簡単の為、朝顔の放射特性に対応する回路は省略
した。

【００１２】さて、図９〜図１２を用いて、振動部６０
２の内部動作について説明する。唇の振動において重要
な要素は、図１０におけるデータｘ（上唇の変位）であ
る。上唇と下唇が対称的に振動するものと仮定すると、
唇の空隙は、ｘに比例するものと考えることができる。
上唇の振動を簡易的に模擬したものが図１１に示す振動
モデルである。この振動モデルは（数１）で記述するこ
とができる。

【００１３】

【数１】

【００１４】図９に示す回路は（数１）の線形微分方程
式をデジタル回路化したものである。係数ａ，ｂ，ｃは
（数２）で表される。なお、バネ定数ｋはアンブッシャ
データＡｍに等しいものであるとする。唇の締め具合を
強くするということは、バネ定数ｋ（アンブッシャデー
タＡｍ）を大きくすることであり、唇の固有振動数が高
くなる。

【００１５】

【数２】

【００１６】振動部６０２において生成されたｘは、唇
の空隙の音響アドミタンスＡｄｍ（ｘ）を求める要素、
即ちテーブル６０３のアドレス値として送出される。テ
ーブル６０３には、図１２に示す音響アドミタンス特性
値が格納されており、ｘに基づいて参照された音響アド
ミタンスＡｄｍ（ｘ）は、乗算器６０４において△Ｐと
乗算され、唇の空隙を流れる体積流速度Ｕが算出され
る。なお、アンブッシャデータＡｍ及びピッチデータＰ
ｉのそれぞれの値は（数３）及び（数４）によって与え
られ、それらが共に値Ｔの時に、合成音データは周期Ｔ
の安定周期波形となる。

【００１７】

【数３】

【００１８】

【数４】

【００１９】次に、図１３を用いて、積分器６０６の内
部動作について説明する。積分器６０６は（数５）で記
述される微分方程式をデジタ回路化したものである。ま
た、係数ｄは（数６）で表される。

【００２０】

【数５】

【００２１】

【数６】

【００２２】以上説明した動作は、１サンプリング時間
Ｔｓあたりの動作であるが、これを複数サンプルに亘っ
て繰り返し行うことにより、図１４（Ｄ）に示す合成音
データを出力することとなる。合成音データの立ち上が
り時間は、図１４（Ａ）に示す口内圧力データＰの立ち
上がり時間に依存する。また音が立ち上がった直後の合
成音データの振幅レベルの安定性は、以下の２つの条件
を共に満足した場合に保証される。

【００２３】＜条件１＞口内圧力データＰが一定してい
ること。＜条件２＞ピッチデータＰｉ及びアンブッシャデータＡ
ｍの両者共に、周期Ｔに対応する値を一定して保つこ
と。

【００２４】図１４（Ｄ）に示す合成音データは、＜条
件１＞，＜条件２＞共に満足するので、その振幅レベル
は一定（安定）している。

【００２５】一方、図１５（Ｂ）に示すようにアンブッ
シャデータＡｍが、音の立ち上がり付近は小さく、周期
Ｔより十分長い時間を要して、次第に周期Ｔに対応する
値に近づくと、時刻０から時刻ｔａの間においては＜条
件２＞を満足できないので、図１５（Ｄ）に示すよう
に、合成音データの振幅レベルは一定しなくなる。この
現象は、アンブッシャデータＡｍが周期Ｔに対応する値
と異なる為、唇の固有振動モードと、管の本体内で生じ
る気柱の振動モード（ピッチデータＰｉに対応）が一致
しない（共振しない）為に生じる現象である。図１５
（Ｄ）のエンベロープ（破線で示したもの）の周期は、
唇の固有振動数、即ちアンブッシャデータＡｍに対応
し、周期Ｔに対して非常に低い周波数から次第に高い周
波数に近づいていき、時刻ｔａ以降は、振幅が一定した
周期波形となる。トランペット等の金管楽器の演奏にお
いては、この現象を音楽表現の要素（グロールという）
として積極的に利用されている。例えば、ジャズ系の演
奏においては、洒落た感じを出すために、わざと曲想に
応じて、グロール感の無い音色（図１４（Ｄ））と、グ
ロール感の有る音色（図１５（Ｄ））を使い分けること
がある。更に、吹き込み圧力も同時に変化させて、音色
変化をより複雑なものにすることもある。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図８に
示すような構成では、上述した音色変化を実現しようと
すると、口内圧力データＰやアンブッシャデータＡｍ等
の複数のパラメータを別々の操作子に割り当て、それら
を同時に制御する必要があり、音色を変化させることが
非常に困難である。

【００２７】本発明は、上記問題点を解決するもので、
上述した音色変化を簡単に実現することのできる楽音合
成装置を提供する。

【００２８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の楽音合成装置は、非線形の微分方程式に基
づく演算によって、楽器音の時間波形の形状に略等しい
時間波形（所望の楽音信号）を生成する振動シミュレー
ト手段と、音声などの外部信号を振動シミュレート手段
における非線形の微分方程式に基づく演算の強制振動項
として入力する外部信号入力手段とを備えたものであ
る。これにより、音声などの外部信号を用いて、直接振
動シミュレート手段の振動状態を制御するので、簡単に
音色変化（例えばグロール感）を制御することができ
る。

【００２９】

【発明の実施の形態】本発明は、音声を検出する音声検
出手段と、検出された音声のアナログデジタル変換を行
うアナログデジタル変換手段と、非線形の微分方程式に
基づく演算によって、楽器音の時間波形の形状に略等し
い時間波形（所望の楽音信号）を生成する振動シミュレ
ート手段と、前記振動シミュレート手段から出力される
デジタル出力を所望の楽音信号に変換するデジタルアナ
ログ変換手段とを備える。この構成によって、音声検出
手段が検出した音声信号に基づき、振動シミュレート手
段が非線形の微分方程式に基づく演算により楽器音の時
間波形の形状に略等しい時間波形（所望の楽音信号）を
生成する。管楽器の音色変化のニュアンスは音声の発生
の違いにおける音色変化のニュアンスに似ているので、
音声の発生の仕方の違いにより、管楽器らしい音色変化
を行うことができる。

【００３０】以下、本発明の実施の形態について図面を
参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態にお
ける楽音合成装置の構成を示すブロック図である。図１
において、１０１は音声を検出するマイク、１０２はア
ナログデジタル変換器（ＡＤＣ）、１０３は図２に示す
差分方程式（後述する非線形の微分方程式を漸化形式に
置換した演算式）を、１サンプリング時間Ｔｓ毎に実行
する振動シミュレート手段としてのプロセッサ、１０４
はデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、１０５は図２の
差分方程式中の微小時間項△Ｔの値を制御する△Ｔ制御
部、１０６は図２の差分方程式を１サンプリング時間Ｔ
ｓ内に実行する回数Ｎを制御するループ制御部、１０７
はプロセッサ１０３から出力されるデータの重みづけ制
御を行うミキシング制御部、１０８はセレクタ、１０９
は音声のピッチを抽出するピッチ抽出器である。なお、
ピッチ抽出器１０９の内部構成は一般的によく知られた
ものであるので、その内部構成についての説明は省略す
る。

【００３１】図２はプロセッサ１０３が実行する差分方
程式のフローチャートである。図３は図８の従来の楽音
合成装置を簡略化した回路図である。図３において、２
０１は減算器である。その他のブロックは図８の楽音合
成装置と同様である。

【００３２】図４は図３の楽音合成装置のディレイ６０
８を削除し、ディレイ６０８からの帰還入力の替わりに
外部からの周期波形データｗに置き換えた楽音合成装置
である。図４において３０１は減算器である。また、図
５は図４の楽音合成装置における外部入力の位置を減算
器６０１の後段に移動させた楽音合成装置である。図５
において３０２は加算器である。なお、加算器３０２に
は音声データｓが入力されるものとする。

【００３３】図６（Ａ）は音声データｓの時間特性図、
図６（Ｂ）は合成音データの時間特性図である。また、
同様に図７（Ａ）は音声データｓの時間特性図、図７
（Ｂ）は合成音データの時間特性図である。

【００３４】以上のように構成された楽音合成装置につ
いて動作説明をする。まず、本発明の楽音合成装置の合
成アルゴリズムである、図２の差分方程式の導出方法に
ついて説明する。まず、図８に示す従来の楽音合成装置
を図４に示す構成に変更する。これは単に図８の減算器
６０５と加算器６０７を、図３の減算器２０１にまとめ
ただけである。次に図３から図４を導出する。図３のデ
ィレイ６０８からは周期波形データｏｕｔ（Ｔ−ｔ）が
帰還される。なお、時間Ｔは合成音データのピッチに対
応する周期であり、またディレイ６０８の遅延時間でも
ある。周期波形データｏｕｔ（Ｔ−ｔ）に略等しい波形
を外部から与えたものが、図４に示す楽音合成装置であ
る。音色シミュレーションによれば、ｏｕｔ（Ｔ−ｔ）
と周期波形データｗは位相も含め厳密に一致させなくて
も、だいたいの波形形状が一致していれば、図３と図４
の合成音データは同じ音色となる。

【００３５】次に、図４から図５への変形であるが、減
算器３０１を除去する替わりに加算器３０２を追加し、
更に周期波形データｗの替わりに、これを積分した周期
波形データｗ２を入力させるような構成とすると、図４
と図５は等価な回路となる。周期波形データｗ２は、周
期波形データｗに対して、積分器６０６の積分作用（高
域遮断）を受けたデータであり、例えば図６（Ａ）に示
すような、倍音成分の少ない波形形状となる。この周期
波形データｗ２を音声データｓ（裏声のような倍音の少
ない音声が望ましい）として外部から入力すれば、図５
の合成音データは図３の合成音データの音色とほぼ等し
くなる。さて、図５の回路に基づき、図２の差分方程式
を導出する。図５の合成音データをｄｙ／ｄｔ（ｙを１
階微分したものであり、これを差分形式で表した場合ｙ
ｄｏｔと定義する）とすると、積分器６０６の出力がｙ
となる。また図１２に示すテーブル６０３の変換特性Ａ
ｄｍ（ｘ）をｘ²とすると、テーブル６０３の出力はｘ²
となる。さて図５と、（数１）に示す振動部６０２の微
分方程式を用いて、図２の差分方程式を導出する。ま
ず、（数１）の△Ｐが（ｓ−ｙ＋Ｐ）に対応するので、
（数１）は（数７）に変形できる。

【００３６】

【数７】

【００３７】（数７）において、新たな変数ｄｚ／ｄｔ
とｇ（ｘ）を導入すると、（数７）は（数８）に変形で
きる。

【００３８】

【数８】

【００３９】（数８）においてｔの２階微分項をｔの１
階微分項にすると（数９）が導出できる。

【００４０】

【数９】

【００４１】更に図５に基づき、ｄｙ／ｄｔ（ｙｄｏｔ
に対応）を導入すると（数１０）が導出できる。

【００４２】

【数１０】

【００４３】ここで、ｄｘ／ｄｔ等の１階微分項を１階
差分項に近似し、各差分項をｘｄｏｔ，ｙｄｏｔ，ｚｄ
ｏｔとすると、ｘ，ｙ，ｚは、（数１１）に示すように
微小時間項△Ｔを用いて表すことができる。

【００４４】

【数１１】

【００４５】さて、（数１１）の各種変数は１サンプリ
ング時間Ｔｓ毎に更新される漸化式であるが、１サンプ
リング時間Ｔｓより更に短い時間間隔で更新される漸化
式が、図２に示す差分方程式であり、１サンプリング時
間Ｔｓ内を４分割した。このように、更新の時間間隔を
より短くすることにより、アナログシステム（微分方程
式）をより厳密にシミュレートしたデジタルシステム
（差分方程式）が得られる。ここで（数１１）における
Ａ，Ｂ等の各種定数は、厳密には実際のトランペット等
の演奏時における様々な物理量（例えば唇の質量）を計
測することによって求められるものであるが、簡単の
為、図２の差分方程式に基づいて音色シミュレーション
を行った結果、各種定数の値は（数１２）に示す値とな
る。この値の場合に、ほぼトランペットの音色に近い音
色が得られる。

【００４６】

【数１２】

【００４７】さて、以上説明した図２の差分方程式を用
い、本発明の楽音合成装置の動作について説明する。ま
ず図１に示すように、音声信号がマイク１０１、アナロ
グデジタル変換器１０２を介して、音声データｓとして
プロセッサ１０３に取り込まれる。通常のトランペット
音色を合成する場合は、音声データｓは図６（Ａ）に示
すような振幅レベルの一定した周期波形とすればよい。
この入力により、合成音データｙｄｏｔは図６（Ｂ）に
示すような振幅レベルが一定した周期波形となる。この
波形は、図１４（Ｄ）に示す従来の楽音合成装置の合成
音データとほぼ形状の等しい波形となる。ちなみに、音
声信号として倍音成分を多く含むような声（例えば、じ
ゃがれた声）を入力すると、声自体がもつ倍音成分も合
成音データに含まれて出力されるので、実際のトランペ
ット等の楽器音色とは違う音色となる。但し、その楽器
音の特徴的な倍音構造（例えば、唇の固有振動に対応す
るのもの）は保存されるので、大まかな音色のイメージ
は変わらない。

【００４８】一方、図７（Ａ）に示すような、振幅レベ
ルが立ち上がりで変動するような音声データｓを入力す
ると、合成音データｙｄｏｔは図７（Ｂ）に示すような
振幅レベルが不安定な周期波形となる。この波形は、図
１５（Ｄ）に示す従来の楽音合成装置の合成音データと
ほぼ形状の等しい波形となる。なお、図７（Ａ）に示す
音声データｓは、「ブルッ」と発音した際の音色であ
り、トランペットのグロール感が有る時の立ち上がりの
音色（唇のみの振動音）にほぼ等しいものである。ま
た、トランペットなどの管楽器においては、タンギング
をした時の音色や、しない時の音色を、使い分けること
によって、音楽表現することがあるが、本発明の楽音合
成装置では、単に音声を「ア行の音韻」と「タ行の音
韻」を使い分けるだけで、タンギングをした時やしない
時の音色の違いも実現することができる。

【００４９】ここで、図２の差分方程式に導入した△Ｔ
とＮの意味について補足説明する。まず、△Ｔである
が、（数１１）において、ｘｄｏｔ，ｙｄｏｔ，ｚｄｏ
ｔからｘ，ｙ，ｚを算出する微小時間項として、それぞ
れの変数において共通に△Ｔを用いたが、物理的（厳
密）に言うとそれぞれ異なるものである。例えば、ｙｄ
ｏｔに対応する△Ｔは、（数６）及び図１３に示す積分
器６０６の累算係数ｄに対応する（音響コンプライアン
スＣに逆比例する）。これに対しｘやｚに対応する△Ｔ
は、それぞれ唇の締め具合いに対応するバネ定数ｋの関
数となる。従来の楽音合成装置では、バネ定数ｋはアン
ブッシャデータＡｍとして合成音データの音色を制御す
る要素であったが、本発明においては、音声信号によっ
て直接音色を制御する為、音色制御面（音色変化面）に
おいて、バネ定数ｋ（バネ定数ｋに対応させた△Ｔ）を
独立して設ける必要がない。また音色そのものにおいて
も、△Ｔを（数１２）に示したように共通の値として
も、音色シミュレーション上（聴感上）あまり問題な
い。ここで、△Ｔの値を変更させて、音色を変えること
について説明する。上述したように△Ｔは音響コンプラ
イアンスＣに逆比例する。音響コンプラインスＣとはマ
ウスピース内の内容積の大きさに対応するものである。
従って、△Ｔの値をより小さくすると、マウスピース内
の内容積が大きな音色（トランペットに対してトロンボ
ーンやチューバなどの音色）に変化する。

【００５０】本発明の楽音合成装置では、この点に着目
し、図１に示すように△Ｔ制御部１０５を備えた。な
お、△Ｔ制御部１０５は（表１）に示すテーブル、もし
くは（表２）に示すテーブルである。

【００５１】

【表１】

【００５２】

【表２】

【００５３】図１において、セレクタ１０８に入力され
るＭＯＤＥフラグが値０の場合、Ａ入力（楽器種指示デ
ータ）が選択される。この場合は、△Ｔ制御部１０５は
（表１）に示すテーブルであるとする。△Ｔ制御部１０
５からは、楽器種指示データに応じた△Ｔの値が読み出
され、プロセッサ１０３内に設定され、各楽器種指示デ
ータに応じた音色が合成されることとなる。一方、ＭＯ
ＤＥフラグが値１の場合、Ｂ入力（ピッチ抽出器１０９
の出力）が選択される。この場合は、△Ｔ制御部１０５
は（表２）に示すテーブルであるとする。△Ｔ制御部１
０５からは、音声のピッチに応じた△Ｔの値が読み出さ
れ、プロセッサ１０３内に設定され、各楽器種指示デー
タに応じた音色が合成されることとなる。このようにピ
ッチに応じて音色を変更することにより、そのピッチに
適した音色を（例えば、低いピッチ場合はチューバ、高
いピッチの場合はピッコロトランペットなどのよう
に）、自動的に切り替えることができる。また（表２）
のテーブルを、アドレス方向に分解能の細かいテーブル
とすることにより、それらの楽器種の切り替えをスムー
ズに（連続的に）行える。なお、ピッチ抽出器１０９は
アナログデジタル変換器１０２の出力（デジタルの音声
信号）のピッチを抽出するタイプのものでもよい。

【００５４】次にＮの意味であるが、Ｎは１サンプリン
グ時間Ｔｓあたりに（数１１）の差分方程式を実行する
回数であり、Ｎが大きければ大きい程、（数１０）の微
分方程式（アナログシステム）をより厳密にデジタルシ
ミュレートすることになり、音色の近似度が増す。但
し、Ｎの値に関わらずトランペット音色を合成する場
合、Ｎの値の増減に応じて、（数１３）に示す関係を保
ちながら△Ｔの値を調整する必要がある。

【００５５】

【数１３】

【００５６】（数１３）の関係式を用いれば、Ｎによっ
ても音色（楽器種）を変更できることがわかる。本発明
の楽音合成装置では、図１に示すようにループ制御部１
０６を備え、ループ制御部１０６を、楽器種指示データ
に基づいてＮの値を出力するテーブルとした。（表３）
に楽器種指示データとＮの関係を示す。

【００５７】

【表３】

【００５８】さて、図２に示す差分方程式では、所望の
合成音データをｙｄｏｔとしたが、（数１４）に示す演
算式により、簡単に合成音データの高域含有量の制御
（トーンコントロール）を行える。ｙはｙｄｏｔを積分
したもの、即ちローパスフィルタを通したものと等価で
あるので、ｙｄｏｔよりも高域成分の含有量が少ない。
従って（数１４）のミキシングゲインＭｇを大きくすれ
ば高域含有量が増加し、Ｍｇを小さくすれば高域含有量
が減少する。なおトーンコントロールデータは値１から
４を１ステップで切り替えられるものとする。トーンコ
ントロールデータとミキシングゲインＭｇの関係を（表
４）に示す

【００５９】

【数１４】

【００６０】

【表４】

【００６１】なお、ｙやｙｄｏｔに加え、音声データｓ
等の他の変数をミキシングしたものを合成音データとし
てもよい。

【００６２】以上、トランペット等の金管楽器について
説明したが、サックス等の木管楽器（リード系の管楽
器）にも応用展開することできる。それは図１８に示す
リードとマウスピースの空隙の音響アドミタンスＡｄｍ
（ｘ）を変更するだけでよい。トランペットの場合ｘ²
としたが、木管楽器の場合は、（数１５）に示す関係式
を用いればよい。

【００６３】

【数１５】

【００６４】この場合、（数１１）の差分方程式は（数
１６）のようになる。

【００６５】

【数１６】

【００６６】本発明の実施の形態では、プロセッサ１０
３を用いて差分方程式（デジタル）の形式で合成処理を
行うことを説明したが、（数７）あるいは（数１０）に
示す微分方程式（アナログ）の形式で合成処理を行うこ
ともできる。例えば（数１０）に示す１階微分の形式は
オペアンプや抵抗やコンデンサといったアナログ素子を
用いて構成できることは一般的に知られている技術であ
り、この技術を用いれば、アナログ回路で構成できるの
で、アナログデジタル変換器１０２やデジタルアナログ
変換器１０４が不要となり、コスト的なメリットも出て
くる。

【００６７】以上のように、本発明の実施の形態によれ
ば、音声データｓで直接図２に示す差分方程式（トラン
ペットの発音メカニズムに対応した方程式）を強制振動
させて音色を合成するので、グロール感が無い音色（図
６（Ｂ））やグロール感が有る音色（図７（Ｂ））等の
音色変化を、声の発生のさせ方だけでコントロールする
ことができる。また、差分方程式を（数１１）に示すも
のから（数１６）に示すものに変更することにより、サ
ックス等のリード系の管楽器にも対応できる。

【００６８】また、ＭＯＤＥフラグが値０の場合、楽音
種指示データに基づき、△Ｔ制御部１０５が（表１）に
示す変換を行うようにしたので、簡単に楽器種を変更す
ることができる。

【００６９】また、ＭＯＤＥフラグが値１の場合、ピッ
チ抽出器１０９が抽出した音声のピッチに基づき、△Ｔ
制御部１０５が（表２）に示す変換を行うようにしたの
で、ピッチに最適な楽器種を自動的に選択、あるいは連
続的に遷移させることができる。

【００７０】また、楽器種指示データに基づき、ループ
制御部１０６が（表３）に示す変換を行うようにしたの
で、簡単に音色を変更することができる。

【００７１】また、トーンコントロールデータに基づ
き、ミキシング制御部１０７が（表４）に示す変換を行
い、プロセッサ１０３が（数１４）のミキシングゲイン
Ｍｇを制御しながら所望の合成音データを出力するよう
にしたので、簡単に高域成分の含有量を変更することが
できる。

【００７２】なお、本実施の形態においては、外部入力
として音声を用いたが、図６（Ａ）や図７（Ａ）のよう
な複数の音声信号をサンプリングした音源を用意し、こ
の出力（ライン）をアナログデジタル変換器１０２に接
続するようにする。そして例えば鍵盤のタッチに応じ
て、図６（Ａ）や図７（Ａ）の波形を切り替えるように
すれば、タッチの強弱制御だけで同様の効果が得られ
る。

【００７３】

【発明の効果】本発明は、非線形の微分方程式に基づく
演算によって、楽器音の時間波形の形状に略等しい時間
波形（所望の楽音信号）を生成する振動シミュレート手
段と、音声などの外部信号を振動シミュレート手段にお
ける非線形の微分方程式に基づく演算の強制振動項とし
て入力する外部信号入力手段とを備え、外部信号入力手
段が音声などの外部信号を検出し、この信号を用いて直
接振動シミュレート手段の振動状態を制御するようにし
たので、簡単に音色変化（例えばグロール感）を制御す
ることができる。

【００７４】また、本発明は、非線形の微分方程式を差
分方程式の形式で解くことにより楽器音の時間波形の形
状に略等しい時間波形（所望の楽音信号）を生成する振
動シミュレート手段と、音声などの外部信号を振動シミ
ュレート手段における差分方程式の強制振動項として入
力する外部信号入力手段と、振動シミュレート手段にお
ける差分方程式の微小時間項△Ｔを指示された楽器種に
応じて変更する△Ｔ制御手段とを備え、△Ｔ制御手段
が、指示された楽器種パラメータに応じて、楽器の種類
（音色）の違いに対応する微小時間項△Ｔの値を制御す
るようにしたので、簡単に音色を変更することができ
る。

【００７５】また、本発明は、非線形の微分方程式を差
分方程式の形式で解くことにより楽器音の時間波形の形
状に略等しい時間波形（所望の楽音信号）を生成する振
動シミュレート手段と、音声などの外部信号を振動シミ
ュレート手段における差分方程式の強制振動項として入
力する外部信号入力手段と、振動シミュレート手段にお
ける差分方程式の微小時間項△Ｔを音声などの外部信号
のピッチに応じて変更する△Ｔ制御手段と、音声などの
外部信号のピッチ抽出手段とを備え、ピッチ抽出手段
が、音声などの外部信号のピッチを検出し、△Ｔ制御手
段が、検出されたピッチに応じて、微小時間項△Ｔの値
を制御するようにしたので、そのピッチに最適な音色を
合成することができる。

【００７６】また、本発明は、非線形の微分方程式を差
分方程式の形式で解くことにより楽器音の時間波形の形
状に略等しい時間波形（所望の楽音信号）を生成する振
動シミュレート手段と、音声などの外部信号を振動シミ
ュレート手段における差分方程式の強制振動項として入
力する外部信号入力手段と、振動シミュレート手段にお
ける差分方程式を１サンプリング単位時間内に実行する
回数Ｎを制御するループ制御手段とを備え、ループ制御
手段が、指示された楽器種パラメータに応じて、楽器の
種類（音色）の違いに対応するＮの値を制御するように
したので、簡単に音色を変更することができる。

【００７７】また、本発明は、非線形の微分方程式を差
分方程式の形式で解くことにより楽器音の時間波形の形
状に略等しい時間波形（所望の楽音信号）を生成する振
動シミュレート手段と、音声などの外部信号を振動シミ
ュレート手段における差分方程式の強制振動項として入
力する外部信号入力手段と、振動シミュレート手段にお
ける差分方程式中の変数ｙとその１次差分項ｙｄｏｔと
を混合したものを出力するとともにそのミキシング比を
制御するミキシング制御手段とを備え、ミキシング制御
手段が、所望の合成音データの要素である変数ｙとその
１次差分項ｙｄｏｔのミキシング比を変更するようにし
たので、簡単に所望の合成音データの高域含有量を制御
することができる。

【００７８】また、本発明は、楽器の発音メカニズムを
解析し、楽器の発振部分に相当する回路と、楽器の共鳴
部分（所望の楽音のピッチを決定する部分）に相当する
回路が結合された回路（回路Ａ）を求め、共鳴部分に相
当する回路を取り除くとともに発振部分に相当する回路
に対して音声などのピッチを有する外部信号を入力する
構成の回路（回路Ｂ）を求め、回路Ｂの信号処理の内容
を非線形の微分方程式に置換することによって、音声な
どの外部信号によって直接音色制御のできるアナログ回
路対応の合成アルゴリズムを導出することができる。

【００７９】また、本発明は、楽器の発音メカニズムを
解析し、楽器の発振部分に相当する回路と、楽器の共鳴
部分（所望の楽音のピッチを決定する部分）に相当する
回路が結合された回路（回路Ａ）を求め、共鳴部分に相
当する回路を取り除くとともに発振部分に相当する回路
に対して音声などのピッチを有する外部信号を入力する
構成の回路（回路Ｂ）を求め、回路Ｂの信号処理の内容
を非線形の微分方程式に置換し、更に非線形の微分方程
式に基づき非線形の差分方程式を求めることによって、
音声などの外部信号によって直接音色制御のできるデジ
タル回路対応の合成アルゴリズムを導出することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による楽音合成装置の構成
を示すブロック図

【図２】同楽音合成装置のプロセッサが実行する差分方
程式のフローチャート

【図３】従来の楽音合成装置を簡略化したブロック図

【図４】楽音合成装置の他の構成方法を示すブロック図

【図５】楽音合成装置の他の構成方法を示すブロック図

【図６】音声データと合成音データの波形図

【図７】音声データと合成音データの波形図

【図８】従来例における楽音合成装置のブロック図

【図９】同楽音合成装置の振動部の回路構成図

【図１０】トランペットを吹奏する際の唇の振動状態を
示す縦断面図

【図１１】トランペットを吹奏する際の唇の振動を、質
点とバネとダッシュポットで表した模式図

【図１２】トランペットを吹奏する際の唇の空隙の音響
アドミタンス特性を表すグラフ

【図１３】積分器の回路図

【図１４】トランペットの音を合成する場合の各信号の
波形図

【図１５】トランペットの音を合成する場合の各信号の
波形図

【図１６】サキソフォンを吹奏する際のリードの振動状
態を示す縦断面図

【図１７】サキソフォンを吹奏する際のリードの振動
を、質点とバネとダッシュポットで表した模式図

【図１８】サキソフォンを吹奏する際のリードの空隙の
音響アドミタンス特性を表すグラフ

【符号の説明】

１０２アナログデジタル変換器１０３プロセッサ１０４デジタルアナログ変換器１０５ △Ｔ制御部１０６ループ制御部１０７ミキシング制御部１０８セレクタ１０９ピッチ抽出器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非線形の微分方程式を解くことによっ
て、楽器音の時間波形の形状に略等しい時間波形（所望
の楽音信号）を生成する振動シミュレート手段と、音声
などの外部信号を前記振動シミュレート手段における非
線形の微分方程式の強制振動項として入力する外部信号
入力手段とを備えた楽音合成装置。
【請求項２】振動シミュレート手段が、非線形の微分
方程式を差分方程式の形式で解くことにより時間波形を
生成することを特徴とする請求項１記載の楽音合成装
置。
【請求項３】振動シミュレート手段が、２次の非線形
の微分方程式を差分方程式の形式で解くことを特徴とす
る請求項２記載の楽音合成装置。
【請求項４】非線形の微分方程式を差分方程式の形式
で解くことにより楽器音の時間波形の形状に略等しい時
間波形（所望の楽音信号）を生成する振動シミュレート
手段と、音声などの外部信号を前記振動シミュレート手
段における差分方程式の強制振動項として入力する外部
信号入力手段と、前記振動シミュレート手段における差
分方程式の微小時間項△Ｔを、指示された楽器種に応じ
て変更する△Ｔ制御手段とを備えた楽音合成装置。
【請求項５】振動シミュレート手段が、２次の非線形
の微分方程式を差分方程式の形式で解くことを特徴とす
る請求項４記載の楽音合成装置。
【請求項６】非線形の微分方程式を差分方程式の形式
で解くことにより楽器音の時間波形の形状に略等しい時
間波形（所望の楽音信号）を生成する振動シミュレート
手段と、音声などの外部信号を前記振動シミュレート手
段における差分方程式の強制振動項として入力する外部
信号入力手段と、前記振動シミュレート手段における差
分方程式の微小時間項△Ｔを音声などの外部信号のピッ
チに応じて変更する△Ｔ制御手段と、音声などの外部信
号のピッチを抽出するピッチ抽出手段とを備えた楽音合
成装置。
【請求項７】振動シミュレート手段が、２次の非線形
の微分方程式を差分方程式の形式で解くことを特徴とす
る請求項６記載の楽音合成装置。
【請求項８】 △Ｔ制御手段が、音声などの外部信号の
ピッチに応じて△Ｔを連続的に変化させることを特徴と
する請求項６または７記載の楽音合成装置。
【請求項９】非線形の微分方程式を差分方程式の形式
で解くことにより楽器音の時間波形の形状に略等しい時
間波形（所望の楽音信号）を生成する振動シミュレート
手段と、音声などの外部信号を前記振動シミュレート手
段における差分方程式の強制振動項として入力する外部
信号入力手段とを備えた楽音合成装置において、前記振
動シミュレート手段における差分方程式を１サンプリン
グ単位時間内にＮ回実行し、指示された楽器種に応じて
Ｎの値を変更することを特徴とする楽音合成装置。
【請求項１０】振動シミュレート手段が、２次の非線
形の微分方程式を差分方程式の形式で解くことを特徴と
する請求項９記載の楽音合成装置。
【請求項１１】非線形の微分方程式を差分方程式の形
式で解くことにより楽器音の時間波形の形状に略等しい
時間波形（所望の楽音信号）を生成する振動シミュレー
ト手段と、音声などの外部信号を前記振動シミュレート
手段における差分方程式の強制振動項として入力する外
部信号入力手段と、前記振動シミュレート手段における
差分方程式中の変数ｙとその１次差分項ｙｄｏｔとを混
合したものを出力させるとともにそのミキシング比を制
御するミキシング制御手段とを備えた楽音合成装置。
【請求項１２】振動シミュレート手段が、２次の非線
形の微分方程式を差分方程式の形式で解くことを特徴と
する請求項１１記載の楽音合成装置。
【請求項１３】ミキシング制御手段が、振動シミュレ
ート手段における差分方程式中の変数ｙとその１次差分
項ｙｄｏｔ以外の変数も同時にミキシングすることを特
徴とする請求項１１または１２記載の楽音合成装置。
【請求項１４】楽器の発音メカニズムを解析し、楽器
の発振部分に相当する回路と、楽器の共鳴部分（所望の
楽音のピッチを決定する部分）に相当する回路が結合さ
れた回路Ａを求め、前記共鳴部分に相当する回路を取り
除くとともに前記発振部分に相当する回路に対して音声
などのピッチを有する外部信号を入力する構成の回路Ｂ
を求め、前記回路Ｂの信号処理の内容を非線形の微分方
程式に置換することによって、合成アルゴリズムを導出
する方法。
【請求項１５】楽器の発音メカニズムを解析し、楽器
の発振部分に相当する回路と、楽器の共鳴部分（所望の
楽音のピッチを決定する部分）に相当する回路が結合さ
れた回路Ａを求め、前記共鳴部分に相当する回路を取り
除くとともに前記発振部分に相当する回路に対して音声
などのピッチを有する外部信号を入力する構成の回路Ｂ
を求め、前記回路Ｂの信号処理の内容を非線形の微分方
程式に置換し、更に前記非線形の微分方程式に基づき非
線形の差分方程式を求めることによって、漸化式形式の
合成アルゴリズムを導出する方法。