(57)【要約】  本発明は音響的フィードバック効果のソフトウェア又はハードウェアエミュレーションのための装置について説明する。本発明は入力用のアナログ−デジタルインタフェース（２００）を有し、その出力はアンプモデル（２０４）、室内音響モデル（２０６）及びストリングモデル（２１０）を通過したこのデジタル信号のフィードバックと加算される（２０２）。加算された信号（２０２）はデジタルからアナログへ変換され（２０５）、その後、標準アンプへ接続できる。室内音響モデルはフィードバック量が制御される音量制御（２０８）を有し、一方ストリングモデルはフィードバックする高調波のモデル（２１２）と、入力されるデジタル信号が含む基本周波数を決定するアルゴリズムを最後に含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
音声信号を受信し、第１の信号を生成する入力インタフェース（２００）と、
前記第１の信号で動作し、第２の信号を生成するアンプ及びスピーカの第１のモデル（２０４）と、
前記第２の信号で動作し、第３の信号を生成する室内音響の第２のモデル（２０６）と、
前記第３の信号で操動作し、第４の信号を生成する弦の強弱の第３のモデル（２１０）と、
前記第４の信号を前記第１の信号に加算するフィードバック（２０２）と、
前記第４の信号と前記第１の信号の合計を出力オーディオ信号として出力するインタフェース（２０５）と、
を備える弦楽器の音響的フィードバックのエミュレーション用装置。
【請求項２】
前記第１の信号の周波数成分（２１２）により制御されるバンドパスフィルタが弦の強弱（２１０）として用いられることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
最適アルゴリズム（２１４）が前記第１の信号における基本周波数及び高調波を算出することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかのステップ及び機能を有する弦楽器の音響的フィードバックのエミュレート方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法を実現するためにデータ処理システムを命令するように適合されたプログラムコードを有する弦楽器の音響的フィードバックをエミュレートするためのコンピュータプログラム製品。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の属する技術分野］
本発明は概して音響的フィードバックのシミュレーションのためのシステムに関連し、さらに具体的に言えば、アンプ及びスピーカからギターのような弦楽器へのフィードバックに関連する。
【０００２】
［背景］
ジミ・ヘンドリックス（Ｊｉｍｉ  Ｈｅｎｄｒｉｘ）は、現在アマチュアからプロまですべてのギタリストに使用される効果であるスクリーミングギターアンプの認識を最も広めた者であろう。フィードバック効果は、スピーカからの音が部屋の音響応答を介してギターの弦を刺激したときに物理的に実現され、スピーカ等に順に影響を及ぼす。図１はこのフィードバックを示す。その結果、フィードバックを発生するためには、かなり大きい音量とギター及びスピーカの間の距離を短くすることが必要とされる。このいわゆるフィードバックは、スピーカへの増幅を低減するか、又はスピーカとギターとの間の距離を増加させることのみで止めることができる。
【０００３】
ギタリストにとっての現実の問題は、大音量が必要であるため、フィードバック効果のリハーサルを行うことが困難なことである。このため、例えばヘッドフォンを使用することは出来ない。室内音響も効果に影響を与えるため、原則としてギタリストは効果が存在するステージ又はスタジオでフィードバック効果を実践しなければならない。そのためこのような効果のシミュレーションが行え、小さい音量を用いてあらゆる環境で実験できることには多大な実際的関心がある。
【０００４】
音響的フィードバックは、正帰還を有し、閉ループシステムを不安定にするフィードバックシステムの一例である。フィードバックシステムの理論は制御理論分野のあらゆるテキスト、例えばT.Glad and L.Ljung, Reglerteknik, grundldggande teori (Studentlitteratur 1989)に記載されている。現在、ＣＤプレーヤのトラック制御や回転制御、車のステアリングサーボ機構やＡＢＳシステムから、流量、温度、濃度等を制御するあらゆる装置産業によって使用される数百のループまで、様々な異なる制御ループが使用されている。 文献に記載されているあらゆる事例では、フィードバックは制御されるシステムを安定化するために使用される。従って、音響システムを不安定にさせる本願は、完全な理論が存在せず、かなり独特なものに見えるであろう。
【０００５】
図１の物理的系統全体をシミュレートするためには、アンプ、スピーカ、室内音響及び弦の強弱（string dynamics）が必要とされる。この系統の各部のモデル化方法は、モデリング及びシステム同定に関するテキスト、例えばL.Ljung and T.Glad, Modeling of dynamic system, L.Ljung, System identification, Theory for the user (Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, second edition, 1999), T.Soederstroem and P.Stoica, System identification(Prentice Hall, New York, 1989)に記載されている。
【０００６】
テキストに従ってこれを行った場合、間違いなく不安定なシステムが得られるが、本物のフィードバック効果のような音は出ない。一般的な線形フィードバックシステムの理論、T.Glad and L.Ljung, Reglerteknik, grundldggande teori (Studentlitteratur 1989)、は信号振幅が極めて速やかに物理的意味を欠く無限領域に近づくと述べている。従って、非線形モデル及びより進歩した線形理論、例えばT.Glad and L.ljung, Reglerteori, flervariabla och olinjdra metoder (Studentlitteratur 1997) 又はD.Atherton Nonlinear Control Engineering、が必要である。
【０００７】
この分野の先行特許はすべて色々な方法でギターを変えている。
【０００８】
ＵＳ６６８１６６１は弦楽器の空洞への開口部を動的に変える。
【０００９】
ＵＳ５４４９８５８は奏者の手に取り付け、音及びフィードバックに影響を与えるコイル装置を含む。
【００１０】
ＵＳ５２３３１２３、ＵＳ４９４１３８８、ＵＳ４８５２４４、ＤＥ４１０１６９０はすべて、弦に直接影響を与える電磁送信機（いわゆるトランスデューサ）を用いて音を引き延ばすいわゆるサスティナの例を与える。
【００１１】
ＵＳ４６９７４９１は電磁送信機をネックに装備し電気的にフィードバックされたギターの一例を与える。
【００１２】
［発明の概要］
本発明は弦楽器を変えず、弦楽器に影響を与えたり弦楽器をモニタしたりする余分なセンサやアクチュエータを用いずにフィードバックのシミュレーションを行うことを目的とする。図１の物理的フィードバックループは図２による構造を用いてシミュレートされる。このシミュレーションに基づく装置は、ギターのマイクの出力とプリアンプとの間、例えばペダル製品に接続されることが意図される。
【００１３】
まず第１に、コンピュータ信号にて自励発振を得るために非線形アンプモデル（２０４）を用いらなければならない。記述関数の理論、D.Atherton Nonlinear Control Engineering、は他のすべての部分が線形であるフィードバックシステムにおける静的非線形性は安定振動を起こし得ることを示す。これは本願に求められる効果である。音量制御（２０８）がギターとアンプとの間の距離をシミュレートする室内音響の線形モデル（２０６）を使用することができる。フィードバックループの最中央部は弦の強弱である。これは好ましくは、弦の基本周波数の１又はそれより大きい高調波（２１２）を維持するバンドパスフィルタ（２１０）として実装される。弦の基本周波数の知識を得るために、それを推定するアルゴリズム（２１４）が必要とされる。従って、弦の強弱は信号自身と同調する多くの高調波を次のギターマイク信号へフィードバックする。
【００１４】
［図面の簡単な説明］
本発明は添付した図面と共に実施例を示すことによりさらに説明されるであろう。
【００１５】
図１はフィードバック中の実際の音の流れのブロック図を示す。弦楽器（１０２）は、信号が外部接続されたアンプ及びスピーカ（１０６）に送信されるマイクにより捕らえられる音を発する。音波は弦楽器に戻る途中で、室内音響（１０８）及び音波への弦の動的応答（１１０）により変えられる。
【００１６】
図２はフィードバック中のシミュレートされた音の流れのブロック図を示す。Ｈは音響フィードバックパスであり、Ｇは弦及びマイクの力学である。
【００１７】
図３はシミュレーションアルゴリズムの一実施例のフローチャートを示す。
【００１８】
［本発明の詳細な説明］
〈一般的背景〉
本発明は方法及びその方法の実現を含み、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組合せにより実現し得る。本発明の最も実行可能な実現はコンピュータプログラム製品、好ましくはプログラムコードを備えたデータ記憶媒体又は記述に従って方法ステップや機能を実行するためにデータ処理装置を制御又は命令するように考案された他の手段を有する形であろう。発明された方法を実行するデータ処理装置は、一般的に中央演算処理装置（ＣＰＵ）、データ記憶手段及び信号又はパラメータ値のＩ／Ｏインタフェースを含む。本発明は機構及び記述に従って方法ステップや機能を実行する機能段又は他の手段を有する装置又はシステムにおいて、特別に設計されたハードウェア及びソフトウェアとして実現され得る。
【００１９】
〈アンプモデル〉
図２のループ全体を記述するため、信号ｅの記述は加算点（２０２）の後に始まる。アンプモデルの主要な特徴は非線形であることである。本発明の一実施例は
【数１】
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を使用し得る。真空管アンプにおける力学を正確に表現するさらに進歩したモデルを用いることができ、例えばF.Gustafsson, P.Connman, O.Vberg, N.Odelholm and M.Enqvist, Softube AB, A system and method for simulation of nonlinear audio equipment, 特許出願nr SE-0301790-2, US 10/872012, 2003-06-26に記載されているモデルである。
【００２０】
〈室内音響のモデル〉
室内音響の最も単純可能なモデルは純粋な時間遅延及び減衰であり、ｚ変換は
【数２】
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として表現でき、ａは減衰、Ｔは時間遅延を示す。音量制御（２０８）を用いてユーザに減衰に影響を与えるようにさせることが適している。さらに進歩した音響モデルは、認識された良好な力学を有するステージ、スタジオ又はその他の場所からの実際の測定を用いて、Ｈ（ｚ）のシステム同定を用いることにより構築でき、L.Ljung, System identification, Theory for the user (Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ, second edition, 1999), T.Soederstroem and P.Stoica, System identification(Prentice Hall, New York, 1989)に見られる。
【００２１】
〈ストリングモデル〉
弦の強弱はおそらくフィードバックループの最も重要な部分である。張力を受けている弦は、基本周波数及び高調波に応答する多くの共振モードを有する。物理的ストリングはシミュレートされた自励発振を起こすため、基本周波数及び高調波を推測するために（２００）におけるサンプルされたデジタル信号を利用することができ、下記の周波数推定の節に記載される。引っ張られている弦がどれか分かるとすれば、基本周波数及び高調波が分かる。上述の式を記載するための理論は、送信される信号ｒｔｕｔが周期的であることのみを言い、分析はどの正弦波周波数がアンプへ送信される信号を占めるかを示す。このため、どの高調波が残るかはほとんど予測不能である。そのため、本発明の一実施例は、１つ又は一部の高調波（基本波を含む）を通過させる一般的なバンドパスフィルタＧ（ｚ）を含む。バンドパスフィルタＧ（ｚ）（２１０）は多くの異なる方法で実現でき、F.Gustafsson, L.Ljung, and M.Millnert, Signalbehandling(Studentlitteratur, 2000)に見られる。本発明は異なる基本周波数に対しどの高調波がバンドパスフィルタを通過したかのデータベースを含む。基本周波数を決定するアルゴリズムは次の節にて説明する。
【００２２】
〈周波数推定〉
周波数推定の最も一般的なアルゴリズムは離散フーリエ変換（ＤＦＴ）、F.Gustafsson, L.Ljung, and M.Millnert, Signalbehandling(Studentlitteratur, 2000)、である。ＤＦＴから、特定の周波数より発生する物理的ストリングからの信号エネルギの一部の大きさを計算できる。弦の引っ張り及びその基本周波数を探すため、一定の基本周波数からのエネルギ及びその倍数からのエネルギを加えることができる。これはこの基本周波数を用いて、周期信号にエネルギを与える。
【００２３】
周波数推定は最適に行われる必要があり、以下の原則の１つを用いて行うことが出来る。
１．ＤＦＴの再帰的実行
２．信号の重なり部分のためにＤＦＴが計算されるＤＦＴのバッチ状の実行
３．F.Gustafsson, L.Ljung, and M.Millnert, Signalbehandling(Studentlitteratur, 2000)に見られる、例えばＬＭＳ又はＲＬＳアルゴリズムを有する自己回帰モデルにおける時間変化パラメータを推定する適応モデルに基づくアルゴリズム。これらのパラメータは周波数に翻訳される。
【００２４】
実際には、周波数推定は好ましくは２つのステップで行われる。第１に、演奏された音に物理的に応答する粗い推定が行われ、第２に、音の震動や小さい時間変化を探知する細かい推定が行われる。検出及び粗い推定は大きいバッチにて又は遅い適応フィルタで行われ、一方細かい推定は、速いけれども小さい周波数の変化をより良く探知するために、短いバッチにて又は速い適応フィルタで行われる。
【００２５】
〈実施〉
図３は本発明の一実施例のフローチャートを示す。プログラムが起動した時（３０４）、以下のステップを有する再帰的ループが始まる。
１．弦楽器からサンプルするデジタル信号のバッチが格納されるＡＤ変換及びバッファリング（３０６）。
２．エネルギ制御（３０８）。弦楽器からのエネルギが大きい場合のみフィードバックが始まる。
３．マイク信号における基本波の検出及び粗い推定（３１０）。
４．基本波周辺の小さい変化の周波数推定を与える速い適応フィルタ又は小さいバッチを用いた周波数の細かい推定（３１２）。
５．アンプモデル、室内音響モデル及びバンドパスフィルタを含み、上述の操作によるデジタル信号のフィルタリング（３１４）。
６．フィードバックシミュレーションが活性しているか否かの判定（３１６）。
７．計算されフィルタをかけられた信号をバッファへ加算するフィードバック機構（３１８）。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】フィードバック中の実際の音の流れのブロック図を示す。
【図２】フィードバック中のシミュレートされた音の流れのブロック図を示す。
【図３】シミュレーションアルゴリズムの一実施例のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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