(57)【要約】【課題】自然楽器の吹奏感により近づけることができるとともに、演奏者が簡易に好みの吹奏感を設定することができる電子管楽器、楽音生成装置、楽音生成方法、及びプログラムを提供する。【解決手段】電子管楽器１００において、マウスピース１０に吹き込まれる息による吹奏圧の変化に対して、特定の物理モデルによる演算処理を実行することにより、遅延と減衰振動を付与した音量データが生成される。そして、指穴スイッチ１６０の運指操作に基づいて指定された音高の楽音を音源から読み出して再生するタイミングで、上記音量データに基づいて楽音の音量が制御される。【選択図】図５
2018049175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出する物理モデル吹奏圧算出部と、
前記物理モデル吹奏圧算出部により算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する楽音生成部と、
を備えることを特徴とする楽音生成装置。
【請求項２】
前記楽音生成部は、
前記演奏時に指定された音高の前記楽音を再生する音源と、
前記物理モデル吹奏圧を音量データとして用いて、前記音源から再生される前記楽音の音量を、前記物理モデル吹奏圧に付与された前記遅延と前記減衰振動に基づいて制御する音量制御部と、
を有することを特徴とする請求項１に記載の楽音生成装置。
【請求項３】
前記物理モデル吹奏圧算出部は、前記物理モデル演算により、前記吹奏圧に対して、前記吹奏圧センサにより前記吹奏圧が検出されたタイミングから前記遅延を有し、前記吹奏圧が検出されなくなったタイミング以降に前記減衰振動を続ける変化特性を付与することを特徴とする請求項１又は２に記載の楽音生成装置。
【請求項４】
前記物理モデル演算に適用される物理モデルは、コンピュータ上でソフトウェア的に構成される仮想モデルであって、特定方向に所定の距離離間し、対向して配置された一対の固定壁間に、１乃至複数の重りを、複数の弾性体により直列に接続して支持した構成を有し、
前記物理モデル吹奏圧算出部は、前記物理モデルの前記重りに前記吹奏圧に対応する力を印加した際の前記重りの位置の変化特性を、前記遅延と前記減衰振動として、吹奏圧に対して付与することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の楽音生成装置。
【請求項５】
前記物理モデルは、前記重りの質量、前記弾性体の強さ、前記弾性体の長さ、前記弾性体の制動の強さ、前記固定壁の位置を含むパラメータを有し、前記パラメータのうち、一つ以上を変更することによって前記音量データの変化特性が変更可能であることを特徴とする請求項４に記載の楽音生成装置。
【請求項６】
前記請求項１乃至５のいずれかに記載の楽音生成装置と、
前記楽音生成装置により生成された楽音を発音する発音部と、
を備えることを特徴とする電子管楽器。
【請求項７】
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出し、
前記算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことを特徴とする楽音生成方法。
【請求項８】
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出し、
前記算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子管楽器における楽音生成技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、サクソフォンやクラリネット等のアコースティック管楽器の形状や演奏方法を模した電子管楽器が知られている。このような電子管楽器の演奏においては、アコースティック管楽器と同様のキー位置に設けられたスイッチ（音高キー）を操作することにより楽音の音高（ピッチ）が指定され、また、マウスピース内に吹き込む息の吹圧により音量が制御されるとともに、マウスピースを口に銜えたときの唇の位置や舌の接触状態、噛み圧等により音色が制御される。
【０００３】
そのため、従来の電子管楽器のマウスピースには、演奏時に吹き込まれる息による吹奏圧や唇の位置、舌の接触状態、噛み圧等を検出するための各種のセンサが設けられている。このような演奏時の状態を検出するための各種のセンサを設けた電子管楽器については、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１２２６４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した特許文献１等に記載された電子管楽器においては、マウスピースに各種のセンサを設け、演奏時のセンサ出力に基づいて発音を制御することにより、自然楽器の演奏感に近づけることができる。ここで、電子管楽器により発音される楽音の音量については、演奏者がマウスピースに息を吹き込んだ際の吹奏圧を圧力センサで検出し、その検出信号を略そのまま音量に変換する手法が適用されていた。
【０００６】
一方、実際にサクソフォン等の自然楽器を演奏した場合、音量は一定ではなく、微妙な抑揚や振動を有している。すなわち、上述した従来の電子管楽器による音量制御方法においては、自然楽器の吹奏感が十分に得られず、また、演奏者が簡易に好みの吹奏感を設定することもできなかった。そのため、未だ改良の余地を有していた。
【０００７】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて、自然楽器の吹奏感により近づけることができるとともに、演奏者が簡易に好みの吹奏感を設定することができる電子管楽器、楽音生成装置、楽音生成方法、及びプログラムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る楽音生成装置は、
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出する物理モデル吹奏圧算出部と、
前記物理モデル吹奏圧算出部により算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する楽音生成部と、
を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係る電子管楽器は、
上記の楽音生成装置と、
前記楽音生成装置により生成された楽音を発音する発音部と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係る楽音生成方法は、
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出し、
前記算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るプログラムは、
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出し、
前記算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことをコンピュータに実行させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、自然楽器の吹奏感により近づけることができるとともに、演奏者が簡易に好みの吹奏感を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る電子管楽器の全体構造を示す外観図である。
【図２】一実施形態に係る電子管楽器の電気的な構成の一例を示すブロック図である。
【図３】一実施形態に係る電子管楽器に適用されるマウスピースの一例を示す概略断面図である。
【図４】一実施形態に係る電子管楽器における演奏時の処理動作を示すフローチャートである。
【図５】一実施形態に係る電子管楽器における演奏時の処理動作を示す機能ブロック図である。
【図６】一実施形態に係る電子管楽器の音量制御処理に適用される物理モデルの一例を示す概念図である。
【図７】一実施形態に適用される物理モデルを演算する全体処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】一実施形態に適用される物理モデルのバネの力を演算する処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】一実施形態に適用される物理モデルの重りの位置を演算する処理の一例を示すフローチャートである。
【図１０】一実施形態に適用される物理モデル演算により算出される物理モデル吹奏圧の変化特性と、自然楽器における音量の変化を示す波形データとを比較するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る電子管楽器、楽音生成装置、楽音生成方法、及びプログラムの実施形態について図面を参照しながら詳しく説明する。
（電子管楽器）
図１は、本発明の一実施形態に係る電子管楽器の全体構造を示す外観図である。
【００１５】
本発明が適用される電子管楽器１００は、例えば図１に示すように、アコースティック管楽器のサクソフォンの形状を模した外形を有し、管状の楽器本体１の一端側（図面上方端側）にマウスピース１０が取り付けられ、他端側（図面下方端側）に楽音が放出される放音部２が設けられている。マウスピース１０には、後述するように、少なくとも、マウスピース１０の吹込口から吹き込まれる演奏者の息圧を検出する吹奏圧センサが設けられている。また、楽器本体１の放音部２側の内部には、楽音を発生するスピーカ５が設けられている。また、楽器本体１の一側面（図面右方側の側面）には、運指操作により音高を指定する複数の指穴スイッチ３が配置されるとともに、他の側面（図面手前側の側面）には、電子管楽器１００の電源スイッチや、演奏状態等を制御するための各種の操作スイッチを有する操作部４が設けられている。また、図示を省略するが、楽器本体１には、マウスピース１０から出力される各種の検出信号や、指穴スイッチ３に基づいて取得される音高データ、操作部４から出力される制御信号に基づいて、スピーカ５から発生する楽音の音程や音量、音色等を制御する制御部が設けられている。
【００１６】
図２は、本実施形態に係る楽音生成装置を備えた電子管楽器の電気的な構成の一例を示すブロック図である。また、図３は、本実施形態に係る電子管楽器に適用されるマウスピースの一例を示す概略断面図である。
【００１７】
本実施形態に係る楽音生成装置を備えた電子管楽器１００は、図２に示すように、概略、ＣＰＵ１１０と、ＲＯＭ１２０と、ＲＡＭ１３０と、センサ群１４０と、ＡＤＣ１５０と、指穴スイッチ１６０と、ＧＰＩＯ１７０と、操作スイッチ１８０と、ＤＡＣ１９０と、発音部２００とを有し、これらがバス２１０によって相互に接続されている。なお、本実施形態に示す構成は、本発明に係る電子管楽器を実現するための一例であり、この構成に限定されるものではない。
【００１８】
ＣＰＵ（中央演算処理装置）１１０は、上述した制御部に対応し、ＲＯＭ１２０に記憶された所定のプログラムを実行することにより、指穴スイッチ１６０の運指操作に基づいて取得される音高データにより指定される音高の楽音を再生するように音源を制御するとともに、演奏時にセンサ群１４０により取得される各種の検出信号や、操作スイッチ１８０から出力される制御信号に基づいて、再生される楽音の音程や音量、音色等を制御する。特に、本実施形態においては、マウスピース１０に設けられた吹奏圧センサにより取得された吹奏圧に対して、特定の物理モデルを適用した演算（物理モデル演算）を行うことにより算出される物理モデル吹奏圧に基づいて、所定の音量の楽音を生成する制御を行う。なお、ＣＰＵ１１０における楽音生成方法については、詳しく後述する。
【００１９】
ＲＯＭ（リードオンリーメモリ）１２０には、電子管楽器１００の演奏時の各種動作を制御するために、ＣＰＵ１１０により実行される制御プログラムが記憶されている。特に、本実施形態においては、後述する楽音生成方法を実現するための楽音生成プログラムが記憶されている。また、ＲＯＭ１２０には特定の自然楽器、又は、各種の自然楽器における全ての楽音の波形データを録音した音源データが記憶されている。ここで、音源データとしては、ＰＣＭ（Pulse code modulation）音源や周知の各種音源を適用することができる。
【００２０】
ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）１３０は、電子管楽器１００の演奏時にＣＰＵ１１０が制御プログラムを実行する際に生成されるデータや、センサ群１４０から出力される検出信号を順次取り込んで一時保存する。なお、上述したＲＯＭ１２０に記憶される音源は、ＲＡＭ１３０に保存されているものであってもよい。
【００２１】
センサ群１４０は、演奏者がマウスピース１０を口に銜えて演奏する際の吹奏状態を検出するためにマウスピース１０の内部等に設けられる各種のセンサである。具体的には、例えば図３に示すように、マウスピース本体１２とリード１４とが組み合わされた構造を有するマウスピース１０の各所に、吹奏圧センサ１４１やバイトセンサ１４２、リップセンサ１４３、舌の形を検出するタンセンサ１４４、ボイスセンサ１４５等が設けられている。
【００２２】
吹奏圧センサ１４１は、マウスピース１０の吹込口から吹き込まれた息に基づく吹奏圧を検出する。バイトセンサ１４２は、マウスピース１０を口に銜えた際のリード１４を噛む圧力（リード噛み圧）を検出する。リップセンサ１４３は、マウスピース１０を口に銜えた際の唇の位置を検出する。タンセンサ１４４は、リード１４への舌の接触状態に基づいて舌の形を検出する。ボイスセンサ１４５は、マイク等により演奏者が発声した音声を検出する。これらのセンサ１４１〜１４５から検出信号として出力されるアナログ電圧値は、ＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）１５０によりデジタル電圧値に変換されて、ＣＰＵ１１０に取り込まれる。
【００２３】
指穴スイッチ１６０は、上述した指穴スイッチ３に対応し、演奏者の運指操作に応じたＯＮ、ＯＦＦ信号を出力する。ＯＮ、ＯＦＦ信号は、ＧＰＩＯ（General Purpose Input/Output；汎用入出力）１７０を介してＣＰＵ１１０に取り込まれる。
【００２４】
操作スイッチ１８０は、上述した操作部４に対応し、放音部２から放音される楽音の音色や音量を設定したり、制御したりする制御信号を出力する。制御信号は、ＣＰＵ１１０に取り込まれる。ここで、操作スイッチ１８０は、後述する物理モデルの構成やパラメータの設定を任意に変更設定できるものであってもよい。
【００２５】
発音部２００は、上述したスピーカ５を有し、ＣＰＵ１１０により指穴スイッチ１６０による音高データやセンサ群からの検出信号等に基づいて、ＲＯＭに記憶されている音源から所定の波形データを抽出して生成された楽音信号が、ＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）１９０によりデジタル信号からアナログ信号に変換された後、スピーカ５を介して所定の楽音が放音される。
【００２６】
（電子管楽器の制御方法）
次に、本実施形態に係る電子管楽器における制御方法について説明する。ここで、以下に説明する電子管楽器の制御方法には、本発明に係る楽音生成装置における楽音生成方法及びプログラムが含まれている。
図４は、本実施形態に係る電子管楽器における制御方法を示すフローチャートであり、図５は、本実施形態に係る電子管楽器に適用される楽音生成方法を示す機能ブロック図である。
【００２７】
本実施形態に係る電子管楽器の制御方法は、上述した電子管楽器１００のＣＰＵ１１０において、特定の楽音生成プログラムを含む制御プログラムを実行することにより実現されるものである。
【００２８】
電子管楽器における演奏時の処理動作は、例えば図４、図５に示すように、演奏者による指穴スイッチ１６０の運指操作に応じて指定された音高の楽音を、音源から読み出して再生する動作と、演奏者がマウスピース１０に息を吹き込んだ際の吹奏圧に対して、特定の物理モデルを適用した演算を行うことにより算出される物理モデル吹奏圧に基づいて、音源から再生される楽音の音量を制御する動作とが、演奏のタイミングに合わせて実行される。
【００２９】
具体的には、まず、電子管楽器１００の設定を初期化した後（ステップＳ１０１）、演奏者が指穴スイッチ１６０を操作して、所望の音高（ピッチ）を指定することにより、指穴スイッチ１６０のＯＮ、ＯＦＦ信号が、ＧＰＩＯ１７０を介してＣＰＵ１１０に読み込まれる（ステップＳ１０２）。
【００３０】
次いで、読み込まれた指穴スイッチ１６０のＯＮ、ＯＦＦ信号に基づいて、ＣＰＵ１１０においてソフトウェア的に構成された指穴スイッチ−ピッチ変換器１１２により、どの音を発生するかを一義的に決定する対照テーブル（ウェーブテーブル）を参照して、発音する楽音の音高を規定する音高データを取得する（ステップＳ１０３）。
【００３１】
次いで、取得された音高データに対して、ＣＰＵ１１０においてソフトウェア的に構成されたピッチアドレス発生器１１４により、アドレスを発生する。具体的には、基準音の周波数に対する、決定された音高の周波数の比率（倍率）をアドレスに設定することにより、再生する楽音を決定する。
【００３２】
一方、上述したように、演奏者が指穴スイッチ１６０を操作するタイミング合わせて、マウスピース１０を銜えて吹込口から息を吹き込むことにより、吹奏圧センサ１４１により検出された吹奏圧に対応した電圧値が、ＡＤＣ１５０を介してＣＰＵ１１０に読み込まれる（ステップＳ１０４）。
【００３３】
次いで、読み込まれた吹奏圧に対して、ＣＰＵ１１０においてソフトウェア的に構成された物理モデル３００を適用した演算（物理モデル演算）を行うことにより、所定の変化特性を有する物理モデル吹奏圧を算出し（ステップＳ１０５）、この演算出力を音量データとして取得する（ステップＳ１０６）。
【００３４】
次いで、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１０３において決定された楽音の音高アドレスに基づいて、ＲＯＭ１２０に記憶されたＰＣＭ音源１２２から対応する波形データを読み出して乗算器１１６に入力する。また、ＣＰＵ１１０は、このタイミングに合わせて、ステップＳ１０６において取得した音量データを乗算器１１６に入力する（ステップＳ１０７）。
【００３５】
次いで、乗算器１１６において、ＰＣＭ音源１２２から入力された波形データについて、物理モデル３００を適用した演算により取得された音量データの変化特性に応じた音量に設定された楽音信号が生成されて、ＤＡＣ１９０を介して発音部２００に出力される。これにより、指穴スイッチ１６０の運指操作に応じた音高の楽音が、物理モデル３００に基づく変化特性に応じた音量でスピーカ５から発音される（ステップＳ１０８）。以下、ＣＰＵ１１０が上述したステップＳ１０２〜Ｓ１０８の処理を繰り返し実行することにより、楽音がスピーカ５から連続的に発音されて曲が演奏される。
【００３６】
なお、図４に示したフローチャートにおいては図示を省略したが、ＣＰＵ１１０は、上述した一連の処理動作（ステップＳ１０１〜Ｓ１０８）の実行中に、演奏が終了したり中断したりする状態の変化を検出した場合には、処理動作を強制的に終了する。
【００３７】
（物理モデル）
次に、本実施形態に係る電子管楽器の制御方法（楽音生成方法）に適用される物理モデルについて具体的に説明する。ここでは、説明を簡明にするために、最も簡単な物理モデル（重り１個を２本のバネで支持した構成）を示して説明するが、より複雑な物理モデル（複数の重りを複数のバネで支持した構成）を適用するものであってもよい。
図６は、本実施形態に係る電子管楽器の制御方法（楽音生成方法）に適用される物理モデルの一例を示す概念図である。
【００３８】
本実施形態に適用される物理モデル３００は、ＣＰＵ１１０において特定のプログラムを実行することによりソフトウェア的に構成される仮想モデルであって、例えば図６に示すように、±Ｘ方向（図面左右方向）に所定の距離離間し、対向して配置された一対の固定壁（左壁、右壁）間に、重り（質量体）が左右両側に直列に接続された２本のバネＳＰ１、ＳＰ２により支持されている。本実施形態においては、この物理モデル３００において、重りが静止している初期状態で、重りに対して吹奏圧センサ１４１により検出された吹奏圧に応じた力を加えた場合の重りの位置の変化特性を、吹奏圧に付与することにより得られる物理モデル吹奏圧を、楽音の音量を制御する音量データとして用いる。
【００３９】
図７は、本実施形態に適用される物理モデルの演算処理の一例を示すフローチャートである。また、図８は、本実施形態に適用される物理モデルにおけるバネの力を演算する処理の一例を示すフローチャートであり、図９は、本実施形態に適用される物理モデルにおける重りの位置を演算する処理の一例を示すフローチャートである。
【００４０】
静止した重りに力を加えた場合の重りの位置の変化は、次に示すような一連の演算処理により求められる。
まず、速度、加速度に関する物理の一般式（１１）、（１２）を用いて運動方程式（１３）を書き換えると、時刻ｔにおける質量ｍの重りの位置ｘ（ｔ）は、（１４）式で表される。
【００４１】
【数１】
2018049175.tif 000003
【００４２】
上記の（１１）〜（１４）式において、ｘ（ｔ）、ｘ（ｔ−１）、ｘ（ｔ−２）は、それぞれ時刻ｔ、ｔ−１、ｔ−２における重りの位置であり、ｖ（ｔ）、ｖ（ｔ−１）は、それぞれ時刻ｔ、ｔ−１における重りの速度であり、ａ（ｔ）は、時刻ｔにおける重りの加速度であり、ｆは重りに加わる（又は、生じる）力である。
【００４３】
一方、バネは外圧が加わる方向に対して反対方向の復元力が発生する。この復元力は、バネ定数ｋで規定される。また、バネが復元するときの振動は、摩擦係数（又は減衰係数）ｄに依存して減衰して最終的に静止した状態に戻る。本実施形態に適用される物理モデル３００においては、重りを左右両側に接続された２本のバネＳＰ１、ＳＰ２により支持しているので、バネＳＰ１、ＳＰ２に生じる力ｆ１、ｆ２は、（１５）式の各式で表される。
【００４４】
【数２】
2018049175.tif 000004
【００４５】
上記の（１５）式において、各式の右辺第１項は、復元力を示し、同第２項は、バネの振動を示している。また、Ｌ１、Ｌ２は、左壁と右壁との間に２本のバネＳＰ１、ＳＰ２により接続された重りが静止している状態における、バネＳＰ１、ＳＰ２の長さであって、各壁と重りとの間の距離に対応する。
【００４６】
そして、本実施形態に適用される物理モデル３００においては、重りに与えられる力ｆは、バネＳＰ１、ＳＰ２に生じる力ｆ１、ｆ２と、吹奏圧に対応する力ｆｖとを合計した力に相当するので、（１６）式の関係が成り立つ。
【００４７】
【数３】
2018049175.tif 000005
【００４８】
本実施形態においては、上記のような関係に基づいて、所定のサンプリング周波数（例えば１０ｍsec間隔）で次に示すような演算処理を随時繰り返し実行して重りの位置を計算する。
【００４９】
物理モデルの演算処理は、例えば図７のフローチャートに示すように、まず、ＣＰＵ１１０は物理モデル３００の定数パラメータを初期化する（ステップＳ１１１）。ここで、物理モデル３００の定数パラメータは、重りの質量や、バネＳＰ１、ＳＰ２の強さ（バネ定数に基づき、外圧に対して反発する力）、バネＳＰ１、ＳＰ２の長さ、制動の強さ（摩擦係数又は減衰係数に基づき、バネの振動が減衰していくときに働く力）、バネを固定する壁の位置であって、初期化によりこれらのパラメータに固定値（定数）を設定する。なお、バネＳＰ１、ＳＰ２の強さや長さは、重りの位置に応じて変化する変数である。
【００５０】
次いで、上記の（１５）式に基づいて、ＣＰＵ１１０は、バネＳＰ１に生じる力ｆ１、及び、バネＳＰ２に生じる力ｆ２を演算する（ステップＳ１１２、Ｓ１１３）。具体的には、例えば図８のフローチャートに示すように、バネＮ（Ｎ＝ＳＰ１、ＳＰ２）の力を演算する処理は、各バネＮについて、まず、基準となる左壁の位置（基点０）から重りの位置を減算することにより、現在の壁と重りとの間の距離が計算されて、レジスタに保存される（ステップＳ１２１）。
【００５１】
次いで、ＣＰＵ１１０は、バネＮの力（ｆ１、ｆ２）について、上記の（１５）式の右辺第１項に示したバネ定数ｋに基づくバネの強さに関連する要素（バネの力（１））と、同第２項に示した摩擦係数ｄに基づくバネの制動の強さに関連する要素（バネの力（２））とを、それぞれ計算する。バネの力（１）は、バネＮの強さ（バネ定数ｋ）と、ステップＳ１２１において計算した現在の距離からバネＮの長さ（定数；Ｌ１、Ｌ２）を減算した結果（バネの伸縮距離）とを乗算することで得られる（ステップＳ１２２）。また、バネの力（２）は、バネＮの制動の強さ（摩擦係数又は減衰係数；ｄ）と、ステップＳ１２１において計算した現在の距離から直前（すなわち、１サンプリングタイム前）の距離を減算した結果（距離の差分）とを乗算することで得られる（ステップＳ１２３）。
【００５２】
次いで、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１２２及びＳ１２３において計算されたバネの力（１）、（２）を加算することにより、現在のバネＮの力（ｆ１、ｆ２）を計算する（ステップＳ１２４）。また、ＣＰＵ１１０は、次のサンプリングタイムでのバネＮの力の演算に使用するために、ステップＳ１２１において計算された現在の距離を、直前（１サンプリングタイム前）の距離としてＲＡＭ１３０に保存する（ステップＳ１２５）。
【００５３】
上記のバネＮ（Ｎ＝ＳＰ１、ＳＰ２）の力を演算する処理一連の処理を、各バネＳＰ１、ＳＰ２について演算することにより、現在の重りの位置で各バネＮに生じる力ｆ１、ｆ２が計算されて出力される（ステップＳ１１２、Ｓ１１３）。
【００５４】
次いで、ＣＰＵ１１０は、図７のフローチャートに戻って、上記の（１６）式に基づいて、ステップＳ１１２、Ｓ１１３において計算された力ｆ１、ｆ２と、吹奏圧に対応する力ｆｖとを加算することにより、重りに加わる力ｆを計算する（ステップＳ１１４）。]
【００５５】
次いで、ＣＰＵ１１０は、上記の（１４）式に基づいて、ステップＳ１１４において計算された力ｆを重りに与えることにより、重りの位置を算する（ステップＳ１１５）。具体的には、例えば図９のフローチャートに示すように、重りの位置を演算する処理においては、ＣＰＵ１１０は、まず、上記の（１４）式の右辺第１項の重りに加わる力と質量に関連する要素（重りの位置（１））と、同第２項及び第３項に示した直前のサンプリングタイム（ｔ−１）とその一つ前のサンプリングタイム（ｔ−２）における重りの位置に関連する要素（重りの位置（２））とを、それぞれ計算する。重りの位置（１）は、ステップＳ１１４において計算した重りに加わる力ｆを質量ｍで除算することで得られる（ステップＳ１３１）。重りの位置（２）は、現在の重りの位置から１サンプリングタイム前（すなわち直前）の位置（ｘ（ｔ−１））の２倍に、現在の重りの位置から２サンプリングタイム前の位置（ｘ（ｔ−２））を加算（又は減算）することで得られる（ステップＳ１３２）。
【００５６】
次いで、ＣＰＵ１１０は、ステップＳ１３１及びＳ１３２において計算された重りの位置（１）、（２）を加算することにより、現在の重りの位置（ｘ（ｔ））を計算する（ステップＳ１３３）。また、ＣＰＵ１１０は、次のサンプリングタイムでの重りの位置の演算に使用するために、直前の重りの位置を２サンプリングタイム前のもう一つ前の位置としてＲＡＭ１３０に保存するとともに（ステップＳ１３４）、ステップＳ１３３において計算された現在の重りの位置を直前の位置としてＲＡＭ１３０に保存する（ステップＳ１３５）。
【００５７】
上記の重りの位置を演算する一連の処理により、現在の重りの位置が計算されて出力される（ステップＳ１１５）。ここで、ステップＳ１３３において計算された重りの位置は、重りに接続されたバネＳＰ１、ＳＰ２の伸縮により連続的に変化するため、上述したバネＮの力の演算において使用した重りの位置から移動しているので、ステップＳ１２１において計算された距離が変化して、バネＮに生じる力ｆ１、ｆ２も変化している。これにより、ステップＳ１３１において重りに加わる力ｆがさらに変化することになり、重りの位置もさらに変化することになる。
【００５８】
ＣＰＵ１１０は、このようなバネＮの力と重りの位置の一連の演算を、所定のサンプリング周波数で繰り返し実行することにより、サンプリングタイムごとの重りの位置を順次取り出して（ステップＳ１１６）、位置データとして出力する。この位置データの変化特性は、物理モデル演算により、吹奏圧センサ１４１により検出された吹奏圧に付与されて物理モデル吹奏圧が出力され、ステップＳ１０６、Ｓ１０７に示したように、この出力が音量データとして取得されて、乗算器１１６におけるＰＣＭ音源１２２の音量制御に使用される。
【００５９】
（音量データの変化特性）
次に、上述した物理モデルを適用した演算（物理モデル演算）により算出される物理モデル吹奏圧の変化特性について説明する。この物理モデル吹奏圧の変化特性は、音量データの変化特性に対応する。
【００６０】
図１０は、本実施形態に適用される物理モデル演算により算出される物理モデル吹奏圧の変化特性と、自然楽器における音量の変化を示す波形データとを比較するための図である。図１０（ａ）は、吹奏圧に対する物理モデル吹奏圧の変化を示す特性図であり、図１０（ｂ）は、自然楽器（サクソフォン）から出力される楽音の音量の変化を示す波形データ（エンベロープ）である。ここで、図１０（ａ）に示した特性図の縦軸は、圧力の変化の相対的な大小関係を示し、圧力０は吹奏圧のない無発音状態を示す。また、同特性図の横軸は、時間の経過を示し、図１０（ａ）に示した横軸の範囲は概ね１秒（sec）分を示し、図１０（ｂ）では概ね２秒分を示す。
【００６１】
図６に示したような重りとバネＳＰ１、ＳＰ２を直列に接続した物理モデル３００においては、重りに対して、吹奏圧センサ１４１により検出された吹奏圧に対応する力ｆｖを、物理モデル３００の接続方向（±Ｘ方向）に印加して移動させた後、当該力ｆｖを開放することにより、バネＳＰ１、ＳＰ２の復元力により重りが＋Ｘ方向と−Ｘ方向とを往復する振幅運動を行いつつ、徐々に振動が減衰して、最終的に重りが初期状態の位置で静止する。
【００６２】
ここで、電子管楽器１００において、吹奏圧センサ１４１により検出される吹奏圧は、一般的には例えば図１０（ａ）中に点線曲線で示すように、演奏者がマウスピース１０に息を吹き込み始めると略同時に圧力が急激に上昇し、最高点（ピーク）に到達した後、圧力が急激に下降して、演奏者が息の吹き込みを終えると略同時に圧力が０に固定される。
【００６３】
このような吹奏圧の変化に対して、上述した物理モデル３００を適用した演算処理により取得した重りの位置の変化特性が付与された物理モデル吹奏圧は、例えば図１０（ａ）中に実線曲線で示すように、息の吹き込み始めにおいて、吹奏圧に対して遅延を生じるとともに、吹奏圧の変化よりも急峻な上昇傾向を示して、吹奏圧の最高点を超過（オーバーシュート）する。加えて、演奏者による息の吹き込みが終了して吹奏圧が０になった後においても、物理モデル３００における重りの動作と同様に、減衰振動を続けた後、圧力０に収束する。
【００６４】
具体的には、例えば図１０（ａ）に示した時間経過の全範囲である１秒に対して、演奏者が０．５秒程度、マウスピース１０に息を吹き込んだ場合、吹奏の開始（吹奏圧の検出）からやや遅延して出力された物理モデル吹奏圧は、吹奏の終了（吹奏圧の非検出）後も０．５秒程度、減衰振動を続ける変化特性を示す。これにより、本実施形態においては、物理モデル３００を適用した演算により演奏者の息の吹き込みのタイミングや吹奏圧に対して、遅延と減衰振動が付与された物理モデル吹奏圧が算出され、この物理モデル吹奏圧を音量データとして乗算器１１６に入力することによりＰＣＭ音源１２２から再生される楽音が、上記の変化特性に応じた音量に制御されて発音される。
【００６５】
また、本実施形態に適用される物理モデル演算により算出される物理モデル吹奏圧の変化特性について、自然楽器における音量の波形データと比較すると、図６に示したような簡易な物理モデルを適用した場合であっても、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、音量データとなる物理モデル吹奏圧に付与された遅延や減衰振動の変化特性を、自然楽器の音量の波形データに含まれる遅延や減衰振動に類似させることができることが判明した。
【００６６】
このように、本実施形態においては、マウスピース１０に吹き込まれる息による吹奏圧の変化に対して、特定の物理モデルを適用した演算処理を実行することにより、遅延と減衰振動を付与した音量データが取得される。そして、指穴スイッチ１６０の運指操作に基づいて指定された音高の楽音を音源から読み出して再生するタイミングで、上記音量データの変化特性に基づいて楽音の音量が制御される。
【００６７】
これにより、本実施形態によれば、吹奏圧をそのまま音量制御に使用する手法に比較して、自然楽器に近い吹奏感を実現することができる。特に、本実施形態によれば、音量データを取得するための物理モデル３００の構成（バネや重りの数等）やパラメータ（重りの質量や、バネの強さや長さ、制動の強さ、壁の位置等）を、例えば演奏者が操作部４の操作スイッチ１８０等を操作して変更設定することによって、音量を任意の変化特性で制御することができるので、比較的簡易に自然楽器に近い吹奏感を実現したり、好みの吹奏感を実現したりすることができる。
【００６８】
なお、上述した実施形態においては、サクソフォン型の外形を有する電子管楽器１００を示したが、本発明に係る電子管楽器はこれに限定されるものではなく、演奏時に吹奏圧を検出して、発音される楽音の音量を制御する構成を有する電子楽器であれば、クラリネット型やトランペット型等の他のアコースティック管楽器を模したものや、電子鍵盤（キーボード）に吹奏圧センサが付設された鍵盤ハーモニカ等の電子楽器であってもよい。
【００６９】
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲とを含むものである。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
【００７０】
（付記）
［１］
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出する物理モデル吹奏圧算出部と、
前記物理モデル吹奏圧算出部により算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する楽音生成部と、
を備えることを特徴とする楽音生成装置。
【００７１】
［２］
前記楽音生成部は、
前記演奏時に指定された音高の前記楽音を再生する音源と、
前記物理モデル吹奏圧を音量データとして用いて、前記音源から再生される前記楽音の音量を、前記物理モデル吹奏圧に付与された前記遅延と前記減衰振動に基づいて制御する音量制御部と、
を有することを特徴とする［１］に記載の楽音生成装置。
【００７２】
［３］
前記物理モデル吹奏圧算出部は、前記物理モデル演算により、前記吹奏圧に対して、前記吹奏圧センサにより前記吹奏圧が検出されたタイミングから前記遅延を有し、前記吹奏圧が検出されなくなったタイミング以降に前記減衰振動を続ける変化特性を付与することを特徴とする［１］又は［２］に記載の楽音生成装置。
【００７３】
［４］
前記物理モデル演算に適用される物理モデルは、コンピュータ上でソフトウェア的に構成される仮想モデルであって、特定方向に所定の距離離間し、対向して配置された一対の固定壁間に、１乃至複数の重りを、複数の弾性体により直列に接続して支持した構成を有し、
前記物理モデル吹奏圧算出部は、前記物理モデルの前記重りに前記吹奏圧に対応する力を印加した際の前記重りの位置の変化特性を、前記遅延と前記減衰振動として、吹奏圧に対して付与することを特徴とする［１］乃至［３］のいずれかに記載の楽音生成装置。
【００７４】
［５］
前記物理モデルは、前記重りの質量、前記弾性体の強さ、前記弾性体の長さ、前記弾性体の制動の強さ、前記固定壁の位置を含むパラメータを有し、前記パラメータのうち、一つ以上を変更することによって前記音量データの変化特性が変更可能であることを特徴とする［４］に記載の楽音生成装置。
【００７５】
［６］
前記［１］乃至［５］のいずれかに記載の楽音生成装置と、
前記楽音生成装置により生成された楽音を発音する発音部と、
を備えることを特徴とする電子管楽器。
【００７６】
［７］
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出し、
前記算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことを特徴とする楽音生成方法。
【００７７】
［８］
演奏時に吹奏圧センサにより検出された吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する物理モデル演算を行い、物理モデル吹奏圧を算出し、
前記算出された前記物理モデル吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【符号の説明】
【００７８】
１０      マウスピース
１００    電子管楽器
１１０    ＣＰＵ（物理モデル吹奏圧算出部）
１１６    乗算器（楽音生成部、音量制御部）
１２２    ＰＣＭ音源（楽音生成部）
１４１    吹奏圧センサ
１６０    指穴スイッチ
１８０    操作スイッチ
２００    発音部
３００    物理モデル
ＳＰ１、ＳＰ２    バネ
【図１】
2018049175.tif 000006
【図２】
2018049175.tif 000007
【図３】
2018049175.tif 000008
【図４】
2018049175.tif 000009
【図５】
2018049175.tif 000010
【図６】
2018049175.tif 000011
【図７】
2018049175.tif 000012
【図８】
2018049175.tif 000013
【図９】
2018049175.tif 000014
【図１０】
2018049175.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成29年11月16日(2017.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吹奏圧を検出する吹奏圧センサにより検出された第１の吹奏圧に対して、減衰振動を付与する演算を行って第２の吹奏圧を得る演算部と、
前記演算部で得た前記第２の吹奏圧に基づいて楽音を生成する楽音生成部と、
を備えることを特徴とする楽音生成装置。
【請求項２】
前記演算部は、前記吹奏圧センサにより逐次検出される吹奏圧の時間経過に従った変化である第１の吹奏圧変化を、前記第１の吹奏圧変化に対して減衰振動が付与された第２の吹奏圧変化に変換する演算を行い、
前記楽音生成部は、前記第２の吹奏圧変化に基づいて楽音を生成する、
ことを特徴とする請求項１に記載の楽音生成装置。
【請求項３】
前記演算部は、前記第１の吹奏圧に対して、遅延と減衰振動を付与する演算を行って前記第２の吹奏圧を得ることを特徴とする請求項１または２に記載の楽音生成装置。
【請求項４】
前記演算部は、前記吹奏圧センサにより第１のタイミングで検出された前記第１の吹奏圧に対して、前記第１のタイミングから遅延を有し、前記第１の吹奏圧が検出されなくなった第２のタイミング以降に減衰振動を続けるようにして、前記第１の吹奏圧変化を前記第２の吹奏圧変化に変換する演算を行う、
ことを特徴とする請求項２に記載の楽音生成装置。
【請求項５】
前記演算は、遅延と減衰振動が考慮された物理モデルであって、管楽器の構造に対応する物理モデルよりも簡易化された物理モデルに基づく演算である物理モデル演算であり、
前記物理モデルを規定するパラメータを変更することにより、前記第１の吹奏圧に対して付与する前記遅延と前記減衰振動とを変更可能である、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の楽音生成装置。
【請求項６】
前記物理モデルは、バネに接続された重りに対応した物理モデルであり、
前記物理モデル演算は、前記物理モデルに基づいてコンピュータ上でソフトウェア的に実行され、前記重りに前記吹奏圧に対応する力を印加した際の前記重りの位置の変化を算出し、前記算出した位置の変化に対応する前記遅延と前記減衰振動を前記吹奏圧に対して付与する演算である、
ことを特徴とする請求項５に記載の楽音生成装置。
【請求項７】
前記物理モデルは、特定方向に所定の距離離間し、対向して配置された一対の固定壁間に、１乃至複数の重りを、複数の弾性体により直列に接続して支持した構成を有する、
ことを特徴とする請求項５に記載の楽音生成装置。
【請求項８】
前記物理モデルは、前記重りの質量、前記弾性体の強さ、前記弾性体の長さ、前記弾性体の制動の強さ、前記固定壁の位置のうちの少なくとも１つのパラメータを有し、前記パラメータのうち、一つ以上を変更することによって前記吹奏圧に対して付与する前記遅延と前記減衰振動とを変更可能である、
ことを特徴とする請求項７に記載の楽音生成装置。
【請求項９】
前記請求項１乃至８のいずれかに記載の楽音生成装置と、
前記楽音生成装置により生成された楽音を発音する発音部と、
音高を指定する音高指定部と、
演奏時に前記音高指定部で指定された音高で再生される楽音の音量を、前記演奏時に検出される前記第１の吹奏圧に対して前記演算を行うことにより得た前記第２の吹奏圧に基づいて制御する制御部を備えることを特徴とする電子管楽器。
【請求項１０】
吹奏圧を検出する吹奏圧センサにより検出された第１の吹奏圧に対して、減衰振動を付与する演算を行い、
前記演算を行って得られた第２の吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことを特徴とする楽音生成方法。
【請求項１１】
吹奏圧を検出する吹奏圧センサにより検出された第１の吹奏圧に対して、減衰振動を付与する演算を行い、
前記演算を行って得られた第２の吹奏圧に基づいて楽音を生成する、
ことをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
本発明に係る楽音生成装置は、
吹奏圧を検出する吹奏圧センサにより検出された第１の吹奏圧に対して、減衰振動を付与する演算を行って第２の吹奏圧を得る演算部と、
前記演算部で得た前記第２の吹奏圧に基づいて楽音を生成する楽音生成部と、
を備えることを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
ＣＰＵ（中央演算処理装置）１１０は、上述した制御部に対応し、ＲＯＭ１２０に記憶された所定のプログラムを実行することにより、指穴スイッチ１６０の運指操作に基づいて取得される音高データにより指定される音高の楽音を再生するように音源を制御するとともに、演奏時にセンサ群１４０により取得される各種の検出信号や、操作スイッチ１８０から出力される制御信号に基づいて、再生される楽音の音程や音量、音色等を制御する。特に、本実施形態においては、マウスピース１０に設けられた吹奏圧センサにより取得された吹奏圧（第１の吹奏圧）に対して、特定の物理モデルを適用した演算（物理モデル演算）を行うことにより算出される物理モデル吹奏圧（第２の吹奏圧）に基づいて、所定の音量の楽音を生成する制御を行う。なお、ＣＰＵ１１０における楽音生成方法については、詳しく後述する。