(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高調波シーケンスを合成し、偶然シーケンスを合成し、および、線型機能ブロックの閉ループにより前記高調波シーケンスおよび前記偶然シーケンスを処理する、教会オルガン気送管音合成に適する方法であって、
前記高調波シーケンスの合成は、第一正弦波シーケンス(１６)の発生および第二正弦波シーケンス（１７）の発生に基づいており、前記第一正弦波シーケンスの周波数は、楽器に由来する情報に依存し、前記高調波シーケンスの基本周波数であり、前記第二正弦波シーケンスの周波数は、前記第一正弦波シーケンスの周波数の倍数であり、前記第一正弦波シーケンスは第一包絡線シーケンスと乗算され、前記第二正弦波シーケンスは第二包絡線シーケンスと乗算され、二つの乗算の結果が合計されることで前記高調波シーケンスが合成され、
前記偶然シーケンスの合成は、周期的インパルス性決定論的シーケンス（ＲＡＴＥ）の発生およびランダムシーケンスの発生に基づいており、前記周期的インパルス性決定論的シーケンス（ＲＡＴＥ）の基本周波数は、前記高調波シーケンスの基本周波数に比例し、前記ランダムシーケンスはフィルタに入力され、前記フィルタの出力は非線形要素（４２）に入力され、前記非線形要素において、前記非線形要素への現在の入力と、遅延要素（４５）によって遅延された前記非線形要素の現在の出力との差が、前記周期的インパルス性決定論的シーケンスの値をＲＡＴＥとして、±ＲＡＴＥの区間内に限定され、前記現在の出力と加算されて前記非線形要素の次の出力となり、前記非線形要素の出力が第三包絡線シーケンスと乗算されることで前記偶然シーケンス（ＮＯＩＳＥ）が合成され、
前記線形機能ブロック（１２）の前記閉ループは、前記線形機能ブロックの出力が増幅されて入力される遅延ライン（５４）と、前記遅延ラインの出力および前記高調波シーケンスが入力される第一入力ノード（４６）と、前記第一入力ノードの出力が入力されるローパスフィルタ（４７）と、前記ローパスフィルタの出力および前記偶然シーケンスが入力される第二入力ノード（４８）と、前記第二入力ノードの出力が入力されるハイパスフィルタ（４９）と、前記ハイパスフィルタの出力および包絡線発生器（５０）の出力を乗算した信号が入力されるフィルタ（５２）とを含み、前記フィルタの出力が前記線形機能ブロックの出力となることを特徴とする、教会オルガン気送管音合成に適する方法。
【請求項２】
前記高調波シーケンスの合成は、気送管音のアタックトランジェントの間の第一倍音周波数の時間進行に似せるため、独立した波形包絡線を前記二つの正弦波シーケンスに由来する二つのシーケンスに与えるため、包絡線の発生(２０ａおよび２０ｂ)を含むことを特徴とする請求項１に記述するような方法。
【請求項３】
気送管パイプワークへの空気流により注入される音響波の時間進行をシミュレートする「主高調波シーケンス」(１０)を独立して合成する「高調波成分発生器」（９）として定義される第一セクションと、
そのサンプル値が、前記ランダムシーケンスのエネルギーの大部分が前記「高調波シーケンス」（１０）の基本期間より短い時間へ集中するように、前記ランダムシーケンススペクトルを制御するランダムシーケンスおよび周期的インパルス性シーケンス（ＲＡＴＥ）を発生させる「偶然成分発生器」（１１）として定義される第二セクションと、
前記「高調波成分発生器」（９）および前記「偶然成分発生器」（１１）により発生される二つのシーケンスを入力として受け、そして音合成のための前記電子装置の生成物を表現するシーケンスを出力として生成する遅延ライン（５４）および線型フィルターからなる「線型共振器」（１２）として定義される閉ループセクションからなる、ことを特徴とする請求項１に記述される方法による音合成のための電子装置。
【請求項４】
前記「高調波成分発生器」（９）は、その基本周波数が一定比率を有し、そしてその包絡線は独立である二つの周期的シーケンスを生成する二つの周波数発生器からなる、ことを特徴とする請求項３に記述されるような音合成用電子装置。
【請求項５】
前記「高調波成分発生器」（９）は、そのサンプルが前記「主高調波シーケンス」（１０）の基本周波数に比例する頻度でそれらのランダム値を変更する偶然シーケンス（ＲＮＤＰＩＴＣＨ）を生成する発生器からなる、ことを特徴とする請求項３に記述するような音合成用電子装置。
【請求項６】
前記「偶然成分発生器」（１１）は遅延ライン（ＮＢＤＬ１,ＮＢＤＬ２,ＮＢＤＬ３,及びＮＢＤＬ４）および閉ループを形成するレートリミッター（４２）からなることを特徴とする、請求項３に記述されるような音合成用電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この特許申請は音響楽器の物理モデル化技術を活用することにより教会オルガンの気送管音合成に使用される方法及び電子装置に言及する。
【背景技術】
【０００２】
物理数学モデルの多くの数値アルゴリズムがリアルタイムで管楽器の音放射を合成するためにオルガン気送管の物理的挙動及びそれらが作り出す音の調査に基づき開発されてきた。
【０００３】
これらのモデルのいくつかは、通常「励起」として定義される非線型能動セクション及び通常「共振器」として定義される線型受動セクションの間の相互共生作用に基づく。一例は米国特許５、５２１、３２８に記述される方法の中に見出される。
【０００４】
関係する数値アルゴリズムは分析され、そして物理モデルに変換された楽器音を表現するシーケンスを即席で作り出す。
【０００５】
音はその間に強度がある値まで増加する「アタックトランジェント」として定義される初期時間区間を特徴とする。
【０００６】
強度値はその間は波形がほぼ周期的である「維持フェーズ」として定義される第二フェーズの間にわたり無限に維持される。
【０００７】
基本周波数が最も重要であるこの波形の分析的特徴は、数値シミュレーションの動作を調節するパラメーターの各々に依存する。
【０００８】
多くの非線型機能ブロックの存在のため、シミュレーションは周波数領域の代わりに時間領域において実行されるので、一組のパラメーターと発生シーケンスの各スペクトルの特徴の間の関係は先験的に確立することは極めて困難である．
【０００９】
特徴はしばしば経験的に一組のパラメーターを変更し、次に帰納的にこのような変更の影響を評価することにより変更できる．
【００１０】
特に基本周波数は又励起の量的特徴に依存し、共振器の周波数応答にのみ依存するのではなく、アタックトランジェントフェーズの間のシーケンスの展開は極めて無秩序であるため基本周波数の位相は一旦維持フェーズに到達した後では予め決めることは出来ない。
【００１１】
これら二つの特性は教会オルガンのような超多音電子楽器では受け入れられない。
【Ｎｏｔｅ（１）】
他の物理数学モデルは、米国特許５、５８７、５４８に記述される発明のように、ＰＣＭオ−ディオ合成および再生される楽器の一部の物理数学シミュレ−ションの結合使用を基礎とする。模倣される楽器の音サンプルを分析的に分解し（又は唯一の共振体のようなそれらの一部の）、そしてウエ−ブテ−ブルの一部として記憶するのにより便利なものから容易にそして安価にシミュレ−トできるものを分割することにより、このような方法の使用に必要なメモリ−の使用およびコンピュ−タ能力の間の良き妥協案を得ることが出きる。楽器の音響的挙動（先に分析されそして数学的に解釈された）の一部をシミュレ−トするアルゴリズムにより予備処理される励起シ−ケンスはウエ−ブテ−ブルとして通常記憶される。しかし前記方法は、物理数学モデルに必要なコンピュ−タ能力を通して、再生される各楽器音をサンプリング、分析および予め計算することを意味し、そして前記楽器の再生音は如何なる場合も前記動作および特にウエ−ブテ−ブル内に記憶されるものに拘束される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明はオルガン気送管音発生の物理シミュレーションプログラムを含むデジタル信号処理装置を基礎としたデジタル音響合成システムにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
プログラムは三つの基本的な概念的に独立したセクションに分割され、第一セクションは音の高調波部を発生させ、第二セクションは音の偶然部を発生させ、第三セクションは二つの入力及び一つの出力を伴う伝達関数によりこれらの成分を処理し、こうしてオルガンパイプ音を表現するシーケンスを得る。
【００１４】
音の高調波部を発生させるセクションの独立性のため、プログラムにより発生される基本周波数及び全波形の位相は先験的に決めることができる。
【００１５】
シミュレーションプログラムの数値パラメータは、一部はスタティックメモリーに含まれ、そして一部は電子音楽用鍵盤より及びリアルタイムで一組のユ−ザ−制御卓よりの情報を処理することにより一部は得られる。それらは主な特徴が音の高さ、強さ、時間包絡線、高調波構成及び偶然成分である発生音の基本的特徴を決定する。
【Ｎｏｔｅ（２）】
本当の楽器音からは如何なる情報も導かれず、そしてウエ−ブテ−ブルとして記憶されるので、メモリ−の使用は全く抑制される。更に静止ウエ−ブテ−ブルを入力として使用しないアルゴリズムだけがより幅広い種類の音を生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
先に述べた図に関して本発明の電子楽器はその型式、配置及び相互接続が図１に示す一組の要素より物理的に構成される。
【００１７】
実施例は、それがこの特許の主な革新的要素を表現していないし、物理数学的シミュレーションのアルゴリズムによりオルガンパイプ音を合成するために使用される電子楽器の唯一のそして必要な実現ではないので、単に図解目的のために示す。図１に関して音楽用鍵盤（１）及び一組のユーザー制御卓（２）よりの情報はROM（４）に含まれる多くの数値パラメーターにより表示器（６）の動作を調節する制御装置（３）により処理される。表示器（６）は一時的データの書き込み及び読み取りのためにRAM（５）を使用して、制御装置（３）の管理下にてリアルタイムにオルガンパイプ音の合成プログラムを実行する。合成プログラムの出力は、増幅システム及び拡声器（８）にて再生されるオルガンパイプ音を表現するアナログ信号へデジタルアナログ変換器（７）により適切に変換される数値シ−ケンスである．この発明の主な革新的要素である合成プログラムは三つのセクションを含む。各セクションは図２に示すようにオルガンパイプの音放射の数値シミュレーションにおける基本機能を有する．
【００１８】
ブロック（９）はその振幅及び周波数がタイミング良く経時変化する一組の高調波列より構成される主高調波シーケンス（１０）を発生させる。このシーケンスを使用しそしてその構成要素の一部を活用することにより、ブロック（１１）は音の無秩序成分を表現する擬似偶然信号を発生させる。先に述べたシーケンスはオルガン気送管の多くの特質の中の共振部の周波数応答をモデル化した線型共振器（１２）の二つの入力信号であり、そしてその出力（１３）はオルガンパイプ音を表現するシーケンスである。
【００１９】
図３のブロック図は高調波成分発生器（９）の機能ブロックの詳細図である。発振器（１４）はほぼ正弦波（１６）を発生させる．波形の基本周波数は発生される音符の基本周波数を含む範囲の値内で経時変化する．発振器の実施例詳細及び経時的に周波数を変化させるために使用される基準は以下に説明する．
【００２０】
波形（１７）は非線型ブロック（１５）を通してシーケンス（１６）より得られ、もしシーケンス（１６）が正確に正弦波シーケンスであれば
x[n]=sin[ω0n]
シーケンス（１７）は以下のようになる。
y[n]＝２(sin[ω0n])2−１＝−cos[2ω0n]＝sin[2ω0n−π／２]
即ちシーケンス（１６）の２倍の周波数の正弦波である．
【００２１】
二つのシーケンス（１６）及び（１７）の各々は該当する乗算器（１８a）及び（１８ｂ）により増幅され、そして機能ブロック（１９ａ）及び（１９ｂ）により±ＣＬＩＰ１及び±ＣＬＩＰ２の範囲内の値に限定される。ブロック（１９ａ）及び(１９ｂ)の出力は以下に説明するように夫々包絡線発生器(２０ａ)及び(２０ｂ)により作り出される二つのシーケンスにより乗算され、そして結果の積はノード(２１)へ合計される。合計は波形(１６)上で実行される一連の線型及び非線型瞬時動作により作り出されるシーケンスである．もし波形が正確にシーケンスx[n]であれば、そのスペクトルが高調波成分乗数ω0 (ω0を含む)により形成されるシーケンスがノード(２１)で得られる。
【００２２】
下に説明するようにシーケンス(２３)はその目的が積（２２）を通して高周波シーケンスの振幅変調である低周波波形である。
【００２３】
要素（２４）はそのインパルス応答がシーケンスδ−１[n−Ｎ]である遅延ラインである。ブロック（２５）の積及び合計と共にこの要素はそのインパルス応答が次式である線型フィルターを形成する。
ＣＢＹＰ＋ＣＤＥＬ・ｚ−Ｎ
ブロック（２６）は以下の式により記述される非線型瞬時機能である。
f(x)＝(x＋x0)−(x＋x0)３＋y0
ここでx0とy0は独立パラメータである．ブロックの目的はブロックにより処理されるシーケンスの高調波成分の振幅間の相互比率を修正することである。ブロック（２７）はそのピーク周波数が入力シーケンスの基本周波数に一致する帯域フィルターである．フィルターのパラメータＱはすばらしい近似で入力高調波シーケンスの基本周波数を得るように調整される。更にフィルターの位相応答はピーク周波数に対しては０であるので、フィルターの入力及び出力信号の基本周波数の位相は同じである。この特徴は基本周波数の削除影響無しにフィルターの入力及び出力シーケンスを合計することを可能にし、ブロック（２８）は、基本高調波成分及び他の全高調波成分グループの間の振幅比率を変更するためにシーケンスを合計する（それらをパラメータＧＡＩＮＤ及びＧＡＩＮＦにて重み付け）。ブロック（２８）の出力は主高調波シーケンス（１０）である。
【００２４】
正弦波振幅器（１４）はリアルタイムで動作周波数の変動に対するロバスト性改善のため必要な基準をもった二つの状態変数の通常の高調波発振器の特別な実施例にある。
【００２５】
図４は二つのタイミングよく初期化される状態変数ＶＡＲ１及びＶＡＲ２について各サンプリング区間毎に行われる動作サイクルを示す。
【００２６】
パラメータＦは一般的な構成においてステップ（２９）及び（３１）より構成される状態変数発振器により作り出される正弦波周波数を決定する。一般的な構成の欠点はそれが状態変数の現在値の機能において同じ変数により描写される正弦波振幅を変更せずにリアルタイムでパラメータＦの変動を受けることができないことである。更に発振器の状態変数の数値の正確性により、発振振幅の低下が定常状態においてさえ起こり得る。それはステップ（３０）により因数１＋ε（εは０に近い正の値）により変数ＶＡＲ２を増幅し、そしてステップ（３２）により変数ＶＡＲ１の幅を区間±１以内の値に限定するのに充分である。これらの基準を使用して変数ＶＡＲ１はすばらしい近似で単位振幅正弦波を描く。この変数は図３のブロック（１４）の出力（１６）である。パラメータＦは次式の関係により周波数fに依存する。
Ｆ(f)＝２sin(πf／fsr)
ここでfsrはサンプリング周波数である。周波数fは、付帯する振幅変更なく周波数変化を感知するには十分な区間[f0−Δf、f0＋Δf]以内でリアルタイムで変動することができる。
【００２７】
中心周波数f0よりの偏差をδfと定義して、このパラメータは図５の図式によりリアルタイムで変化する。信号（２３）と同様に、信号（３３）はその目的が発生された正弦波の周波数変調である低周波波形であり、変数ＶＡＲ１の支援で、ブロック（３４）は図６の図式により「サンプルアンドホールド」型の偶然波形を発生させる。最終的にδfは発振シーケンス（３３）及び偶然シーケンス（３４）の常数ＰＩＴＣＨパラメータ（それは任意区間[1−δ、1＋δ]の値を仮定し、正弦波の微調整を決定する）により変動する。ブロック（３４）は図６に描写され、変数ＶＡＲ１が負の値より正の値へ変化する度に、変数ＲＮＤＰＴＣＨは、δＲＮＤＰを独立パラメータとして、区間[1−δＲＮＤＰ、1＋δＲＮＤＰ]に一様に分布された確率密度関数の偶然変数である変数ＲＮＤＰＴＣＨは新しい値ＮＥＷＲＮＤへ更新される。
【００２８】
二つの発生器（２０Ａ）、（２０Ｂ）はその進行が一般に図７に図解される二つの五線分よりなる包絡線信号を作り出す。Ｔ１……Ｔ４は信号が夫々レベルＬ０よりＬ１へ、Ｌ１よりＬ２へ、Ｌ２よりＬ３へそしてＬ３より０へ進行する時間区分である。発生器は「注意開始」時点より夫々の包絡線信号の作り出しを開始する。レベル２は、その終了が対応する「注意終了」時点と一致する無限区間ＳＵＳＴＡＩＮの間を通して維持される。二つの発生器の各々はこれら８個のパラメータのそれ自身の組を使用する。
【００２９】
信号(２３)及び（３３）は図８に示す「低周波発振器」により作り出される。ブロック（３５）に図解される単位振幅及び周波数ＴＲＦＲＥＱの三角波の発生方法は暗に含まれる。パラメータＴＲＦＲＥＱ、ＴＲＡＭＰＬ、ＴＲＯＦＦＳＥＴ、ＴＲＣＯＥＦＦ１及びＴＲＣＯＥＦＦ２はその共通基本周波数がＴＲＦＲＥＱの二つの信号（２３）及び（３３）の形態を決定する。特に信号（３２）は平均値ＴＲＯＦＦＳＥＴ及び半振幅ＴＲＡＭＰＬの三角波であり、一方信号（３３）は図９に示すように放物線の部分により形成される。値ＴＲＣＯＥＦＦ１、ＴＲＣＯＥＦＦ２及び独立パラメータＫの間の関係は二方向唯一性である。信号（３３）の特別な進行はそれらが半音の１００分の１で表現される場合、正及び負の半周期が等しい進行の主周波数f0の周囲にできるだけ正確に（図５参照）三角波周波数変調を得るために必要である。
【００３０】
図２の発生器（１１）の構造は図１０、１１及び１２に詳細に図解する。図３及び１０に関しては正弦波発生器（１４）により作り出される信号（１６）は因子ＲＴＩＮＧＡＩＮにより増幅され、区間±１以内の値にブロック（３６）により振幅が限定され、次に高域フィルター（３７）により処理される。最後に非線型ブロック（３８）は信号の負の値を削除する。ブロック（３８）の出力において包絡線発生器（３９）により作り出される信号（図１３に図解）は合計され、そしてその結果はパラメータＲＴＧＡＩＮにより乗算される。結果のＲＡＴＥは図１１に描写される構造の一部である「ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ」として定義される非線型ブロック（４２）に使用される値のシーケンスである。図１１に関して、機能ブロック（４０）は低域フィルター（４１）により処理される一様に分布された確率密度関数にて白色偶然シーケンスを発生させる。得られるシーケンスは遅延ラインＮＢＤＬ１、ＮＢＤＬ２、ＮＢＤＬ３、ＮＢＤＬ４、合計ＮＢＳ１、ＮＢＳ２、ＮＢＳ３，乗算器ＮＣＧＡＩＮ、ＮＢＦＢＫ及び非線型ブロック（４２）により形成される構造の入力信号となる。相互接続の接続形態を含み、これらの要素により形成される組は「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」として定義される。先の組の出力であるブロック（４２）により発生される信号は因子ＮＧＡＩＮにより増幅され、そしてその時間進行が図１４に図解する包絡線発生器（４３）により作り出される信号により乗算される。信号ＮＯＩＳＥは図２の発生器（１１）の出力である．
【００３１】
図１２は合計ＲＳＬ１、ＲＳＬ２、リミタ−（４４）及び単位遅延要素（４５）により形成される非線型ブロック「ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ」（４２）を描写する．遅延（４５）に記憶される値は入力信号「ＩＮ」より加算器ＲＬＳ１により減算され、次にその結果は±ＲＡＴＥ（ＲＡＴＥは図１０に図解するネットワークにより発生されるシーケンスである）の区間以内の値に限定され、最後にノードＲＬＳ２で現在の遅延値（４５）に再度合計される。結果の「ＯＵＴ」は続くサイクルのために遅延要素（４５）に記憶される。図１３はブロック（３９）により発生される包絡線の時間進行を示し、「注意開始」時点でレベルＮＢＬＯより開始し、又対応する「注意終了」時点の後まで時間ＮＢＴでＮＢＬ１へ到達し、その間無限に維持される。図１４はブロック（４３）により発生されるシーケンスの時間進行を示し、「注意開始」時点で信号は値ＮＬ０より開始し、時間ＮＴ１後に値ＮＬ１に到達し、そしてレベルＮＬ２は時間ＮＴ２の間、続く「注意終了」時点まで維持される．この時点で信号はＮＴ３の時間で値０へ到達する。
【００３２】
図１１に関して非線型ブロック「ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ」（４２）は、そのゲインが図１１の構造「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」が線型時変フィルターであるように図１０の構造により発生される同じシーケンスＲＡＴＥにより描写される進行を有する線型フィルターと置換できる．。
【００３３】
図２に関して発生器（９）及び（１１）の出力は図１５に詳細に図解される共振器（１２）の入力となる。ネットワーク（１２）の機能ブロックはそれに沿ってサンプルシーケンスが潜在的に無限時間にわたり伝播する動作サイクルを形成する。二つの発生器（９）及び（１１）の二つの貢献は計算されたシーケンスエネルギーを維持するように夫々合計ノード（４６）及び（４８）で瞬時瞬時にこのシーケンスへ加えられる．図１５の構造は「パイプワーク」として定義されるオルガン気送管の共振部の数学モデルへの変換である。特に低域フィルター（４７）は周波数機能における可変強度をもって音響エネルギーの損失を模擬し、高域フィルター(４９)は基本周波数より低い全ての周波数成分を減衰させ、積（５１）により包絡線発生器（５０）は共振システムのループゲインの時間進行を表現する信号を作り出し、フィルター（５２）はそのモジュールを変更せずにシーケンス位相を変更させ、因子ＴＦＢＫ（５３）はパイプワークのトップでの音響終端型式に依存し、最後に遅延ラインＢＤＥＬＡＹ（５４）はパイプワークをベースからトップまで及びその逆をカバーするために音響圧力波により要求される時間を考慮する。包絡線発生器（５０）により作り出される信号の時間進行は図１６に描かれる。図１３の包絡線と同様に「注意開始」時点で信号は値ＦＢＬＯより時間ＦＢＴをかけて値ＦＢＬ１へ進行し、次に一定値に留まる。出力シーケンス(１３)は全体として図２の数学モデルにより放射される信号であり、即ちオルガン気送管の音放射の時間表現である．
【００３４】
記述は気送管音のデジタル音響合成技術の独創的革新的特徴に関して続く。
【００３５】
物理モデル化技術により連続音放射で楽器、中でも管楽器の音発生に関する文献は図１７の図式により普通は励起（５５）として定義される非線型能動部と、共振器（５６）として定義される線型受動部の間の相互作用に基づく解決法を提供する。米国特許５、５２１、３２８に開示される方法はこの技術の一例と考えることができる。管楽器の場合、システムに貢献するエネルギーは音圧の形であり、そして作り出される信号は共振器の一つ以上の適切な点より放射される音圧波の進行である。波形p(t)は演奏者（又は教会オルガンの場合は、ふいご）が楽器のマウスピース上で行う空気圧の進行である。この進行及び共振器内の適切な点における圧力w(t)の進行により、共振器中へ注入される発振音響圧e(t)が発生される。一旦維持フェーズに到達すると圧力e(t)は圧力w(t)と同一の基本周波数を有する。線型（非常に特別な動作モードは除いて）であるので、共振器は戻り信号w(t)を発生させるインパルス応答r(t)及び出力信号y(t)を発生させるインパルス応答h(t)により描写できる．後者は楽器音放射の時間進行である。それは周波数領域の代わりに時間領域で実行される数値シミュレーションであり、システムが安定する発振の基本周波数は、一旦維持フェーズに到達すれば、数学的に予測することは極めて困難である。これは周波数が強制信号e(t)の時間進行に依存し、共振器のインパルス応答の振幅スペクトルが相対的最大値を有する周波数値のみに依存しない事実による。事実如何なる型の高調波発振器（電子的、機械的等）もこの特徴を有する。管楽器（オルガンパイプを含む）に関して、それは例えば共振部の特徴は変更されないままでも強度増加に加えて音響波の基本周波数を増加させるため音圧を増加させるのに十分である。
【００３６】
図１７に図解される発振システムの別の不可避の特徴は、一旦維持フェーズへ到達したならば発生信号の位相の予測不可能性である．システムをシミュレートするために使用される波形p(t)は部分的に無秩序であり、そして如何なる場合もそれは共振器により維持される定常波の位相についての如何なる情報も含まず、信号y(t)のアタックトランジェントは常にそして予測不可能なように異なる。従って波形は維持状態において常に同じ周期的時間進行を有するが、システムをこの進行へ持っていく展開を決定することは不可能である．量的な点で、刺激p(t)が開始した瞬間を時刻原点として、図１７の安定した発振システム内で処理される如何なる信号の基本周波数位相の決定も不可能である。先験的に基本周波数の決定において遭遇する困難と共に、これは教会オルガンのような超多音電子楽器の分野では受け入れ難い。
【００３７】
この発明で使用される合成システムは一般的に描写される時間領域における合成に直接由来し、共振器により作り出される信号よりの励起信号の完全な自律性により特徴づけられる。事実図２のブロック（９）により即席で発生される主高調波シーケンス（１０）はこのシーケンスの、従って全体としてシステム（１３）により作り出されるシーケンスの基本周波数及び位相は先験的に完全に決定される本質的な違いをもって図１７（後者は教会オルガンの気送管のよい数学モデルであると仮定して）のシステムの信号e(t)のできるだけ忠実な限界である．
【００３８】
図１７に一般的に図解するように如何なる発振システムの数値パラメータの準備も、その数学モデルの完全な知識とは別に特別な感受性と技能が要求される。これはもしパラメータの一つだけが適切な範囲に含まれない値を持てば、システムの良き動作は損なわれそしてシステムは不安定又は不調和にさえなることを意味する．更に発振器の色々な動作モードが、システムの機能ブロックに沿って通過中の一つ以上の信号時間展開を制御不能にする危険を伴い、多くのパラメータに同時にかつ特別な注意を払い行動することによってのみ得ることができる。これはこの型式の合成により作り出される多くの音の調査を遅くかつ困難にする。これに反して図２に示すシステムのような共振器と励起の間にフィードバックのないシステムは全体としてシステムの良い動作を損なうことなく、完全に独立した方法で三つの機能ブロック（９）（１１）（１２）の数値パラメータを修正することを可能にする。これは同じ複雑さをもったフィードバックループシステムにより得られる音より多い種類の音を得ることを可能にする．
【Ｎｏｔｅ（３）】
現在の文献は、例えば米国特許５、５８７、５４８にあるように、振替合成として知られる励起ウエ−ブテ−ブルと共振フィルタ−（後者は楽器の線型および受動部品の音響的挙動をシミュレ−トするために使用される）を基礎とした代替技術を提案している.。このような場合、十分なサンプル音の分析と最適化で、楽器の共振部分に相当する物理数学アルゴリズムを使用するためにウエ−ブテ−ブル用の必要メモリ−容量および必要なコンピュ−タ能力の間の良き妥協案が見出される。反対に高調波成分発生器（９）の場合のように、その励起がウエ−ブテ−ブルに拘束されないシステムは、正弦波シ−ケンス（１６）上で行われる動作シ−ケンス、および図３の一組のパラメ−タ−に依存するより多種類の励起を得ることを可能にする。更に極僅かのメモリ−がウエ−ブテ−ブルより前記パラメ−タ−の記憶に必要である.。
【００３９】
図３のシステムは正弦波発振器（１４）により作り出される信号上で実行される一連の動作を示す．動作の型式及び順序は高調波成分が十分多くそして適切な時間展開を備えた波形を発生させるために使用されるただ一つの可能な実現である。如何なる場合も遅延（２４）や非線型機能（２６）のようなシステムの機能ブロックのいくつかはこれらの使用の必要なく文献で知られる管楽器の数学モデルに由来する．システムの独創性は主に異なる時間進行を主周波数および第一倍音周波数に提供するため、これが多くの気送管グル−プの特徴的挙動であるが、二つの独立した包絡線（２０ａ）および（２0ｂ）を利用することにある。.
【００４０】
図５及び６に関して、独創性はリアルタイムに満足なランダム周波数変動を得るため発振器（３４）の開発に由来する。因子（３３）を一定と仮定して、即ちシ−ケンスδfの低周波発振はないと仮定して、後者は正弦波シーケンスVAR１の周期毎に新しいランダム値を出力する。結果は確率密度関数の観点より波周期の統計的に一様分布された変動である。この変動は音放射における心地良い不規則性として認知される。他の点では、もしδfが毎サンプリング時に新しいランダム値を出力する場合、各波周期の長さは、それらの各々が一様分布された確率密度を備えN個の偶然貢献の合計により形成される変数により描写される（Nは周期当りのサンプル数）。中心極限定理の観点よりNが大きくなればこの変数の確率密度関数はガウス関数に、より接近する。周波数変動は、主周波数よりの大きい周波数偏差は小さな偏差より稀にしか得られないため非常に不規則である。これは、主な長さより非常に異なる長さの波周期が発生され、そして発生モデルの突然の誤動作として認知されるため、非常に心地が悪い。
【００４１】
図２の偶然成分（１１）の発生器は完全に独創的で、そして図１０、１１及び１２の実施例は多種多様なオルガン気送管より放射される音サンプルの分析に及びそれらの動作物理学上のいくつかの仮説に由来する。特にサンプルの個々の波周期のスペクトル写真の分析及び波周期よりかなり細かい時間分解能の使用により、音エネルギーの多くの部分は、波周期に沿い同じ位置に常に存在する周期よりかなり短い時間区間に集中することに気付くことができる。このような音エネルギーは多くの周期の平均としてカバーされる区間よりかなり広い周波数区間をカバーする。従って気送管音の定常部スペクトル写真の特徴は各インパルスに集中する個別周期のエネルギーで一連の等距離インパルスのスペクトル写真に似ている。これらの考慮は図１０に図解される構造を正当化し、シーケンスＲＡＴＥは正弦波（１６）上で実行される一連の基本的決定論的動作を通して得られる。一旦維持フェーズへ到達すると、シーケンスＲＡＴＥは量的にインパルス性進行を出力し、図１８はその一例を示し、ここでＴ０は正弦波（１６）の周期である。擬似インパルス性シーケンスを得るために使用される方法に関係なく、シーケンスは概念的に発生器（１１）の発明基礎の一つである。
【００４２】
図１１に図解する構造は四つの遅延ラインＮＢＤＬ１、ＮＢＤＬ2、ＮＢＤＬ３、及びＮＢＤＬ4、により形成される。合計ＮＢＳ1、ＮＢＳ2、及び積ＮＣＧＡＩＮと共に、最初の三つの遅延ラインはFIRフィルターを形成する。このフィルター（即ち合計ＮＢＳ2）の出力は非線型要素（４２）により処理され、次にＮＢＦＢＫにより乗算された後及び第四の遅延ライン及び合計ＮＢＳ３を通過した後、先のフィルターへ再度注入される。もしそれが要素（４２）向けでなければ、構造「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」は、そのスペクトルが遅延ラインの長さ及び二つの独立パラメータＮＣＧＡＩＮ及びＮＢＦＢＫにより、非決定論的方法で分布された多くの共振ピークのある任意の不調和進行を有する線型フィルターになる。これら四つの量は、口のすぐ内側のオルガンパイプの空間部のような不規則な幾何学構造の共振器周波数応答を模擬するように設計される。シーケンスＲＡＴＥの周期的発振のため、要素（４２）は経時的に全「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」の「ゲイン」（「ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ」は非線型ブロックのためそのようなことで厳密には決められない）の連続した周期変動を起こす。特に図１８に関してシーケンスＲＡＴＥが最小値を出力する場合、ブロック（４２）により起こされる非線型の歪みは「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」の共振効果を非常に削減するエネルギー損失を意味する。反対にシーケンスＲＡＴＥが比較的大きい値を出力する（かなり短い）瞬間には「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」の共振効果が現れ、そして偶然成分の強度が増加する。アタックトランジェントの間にその進行が図１３に示すような包絡線発生器（３９）のため、シーケンスＲＡＴＥは維持フェーズの間より大きい値を出力し、もしふいごより足への空気の通過を調節する弁が急速に開けられれば、気送管により作り出されるシッフ、コッフ等で定義される音響現象をシミュレ−トするため、合成の最初の瞬間に「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」の共振を増加させる．
【００４３】
非線型ブロック（４２）は二つの加算器ＲＬＳ1、ＲＬＳ2、リミタ−（４４）及び単位遅延要素（４５）により形成される。各サンプリング瞬間に前の出力値及び現在の入力値の間の違いは最初に区間±ＲＡＴＥ以内の値に幅が限定され、そして再度前の出力値に加算され、こうして現在の出力値を得る。出力シ−ケンスは入力シ−ケンスに「追従」し、値ＲＡＴＥにより限定される傾斜を維持する．単なる図解目的のため図１９は入力シ−ケンス（連続線）及び出力シ−ケンス（破線）のチャ−トを示す。瞬間ｔ0にシ−ケンスＩＮの傾斜は値ＲＡＴＥ／サンプルを上回り、従ってシ−ケンスＯＵＴはそれが点ｔ1で再結合するまで分離し、その後シ−ケンスＩＮは一定になる．瞬間ｔ2にシ−ケンスＩＮの過剰な傾斜は再接合点ｔ4迄シ−ケンスＯＵＴより直ちに分離を起こす．線型フィルタ−に関して「ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ」の利点は偶然シ−ケンスの不連続の可能性排除であり、一方尚十分な帯域幅を維持し、このような不連続性は人間の耳には非常に不快である．この側面は「ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ」の独創性を代表している．
【００４４】
非線型ブロック（４２）は、図１１の構造「ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ」への影響が周期的進行により、構造より発生する量的共振変動である如何なる機能ブロックとも置換可能である．
【００４５】
線型共振器(１２)に関して図１５の機能ブロック選択を含む物理的考慮はここに記述する．パイプワ−クとして定義されるオルガンパイプの共振部は最も基本的な方法で、フィ−ドバック係数ＦＢＫがフィルタ−のル−プゲインに関係し、そしてパラメ−タＮは同じものの第一共振周波数に逆比例する「くし型」フィルタ−１／(１−ＦＢＫ・ｚ−Ｎ)で数学的に記述できる．デジタル音響処理分野でよく使用される図１５のより複雑な共振器はこの基礎に由来する．共振器要素の中で遅延ライン(５４)の機能は明らかに見える．低域フィルタ−(４７)のモジュ−ルの応答はパイプワ−クに沿ったそれらの通過の間に色々な高調波成分により受ける色々なエネルギ−損失を考慮するように設計され、一方その遮断周波数が共振器の基本周波数より低い高域フィルタ−(４９)はパイプワ−ク内の平均音響圧力が外部圧力にほぼ等しい事実を考慮するため、定常波の連続成分を完全に排除する．包絡線発生器(５０)のため、共振器の第一動作フェ−ズの間にシステムのル−プゲインは、一旦維持フェ−ズに到達し、共振器におけるより速い初期エネルギ−の蓄積、即ち発生音のより早いアタックトランジェントを得るため、値に関し適度に過剰である．因子ＴＦＢＫ（５３）の符号は特に重要で、パイプワ−クに対しプラスは口及びトップを開き、そしてパイプワ−クに対しマイナスは口は開きトップは閉じる．これはパイプワ−ク終端に対応する音響圧力波反射の物理学に由来する．この物理法則は又考え方の観点より共振器の最も重要な要素である全域フィルタ−(５２)の使用を正当化する．もし一方でパイプワ−クの一次元モデルがパイプワ−クにおける音響波の長さ方向伝播をシミュレ−トするため個々の遅延ラインの使用を正当化するのに十分正確であれば、近似はパイプワ−クのトップのような無視できない横方向寸法により特徴づけられる構造的不連続性に対応して波反射で受け入れ難くなる．全域フィルタ−(５２)は線型共振器(１２)の共振を現実的に不調和にするため、周波数に関し選択的方法で要素(４６)……(５４)により形成される閉サイクルの全フェ−ズ遅延を修正する．同じフィルタ−は空気流入弁が閉じている場合小さな気送管の音の基本周波数の適度な減衰現象をシミュレ−トするため「注意終了」時点でその係数の制御された変動を通してリアルタイムにパイプワ−クの第一共振周波数の値を修正するために任意に使用される．
【図面の簡単な説明】
【００４６】
非常に明確にするため、本発明による方法と装置の記述は図解のみの目的を意図しそして限定の意味ではなくこの中の図面に関して続く。
【図１】本発明の物理モデル化技術を活用することにより、楽器音合成のために使用されるデジタル電子楽器の実現を示す。
【図２】本発明により三つの基本機能ブロック及び教会オルガンのパイプ音のデジタル音響合成プログラムの関係する相互接続を示す。
【図３】図２の三ブロックの一つを説明するフローチャートを示し、それによると本発明により教会オルガンの気送管音の高調波部を表現するシーケンスが発生される。
【図４】本発明により二つの状態変数を有するデジタル高調波発振器の安定した実現を示す。
【図５】本発明により図４に示す高調波発振器の動作周波数の時間変動を発生させるために使用される手順を示す。
【図６】本発明により図４に示す高周波発振器の動作周波数の時間進行の偶然成分を発生させるために使用されるフローチャートを示す。
【図７】本発明により気送管音の高調波部を表現するシーケンス発生に使用される時間包絡線の一例を示す。
【図８】本発明により気送管音の高調波部を表現するシーケンス発生に使用される低周波発振器のフローチャートを示す。
【図９】本発明により発振器周波数が音色レベル変更の知覚無しに変更される非直線状部分より構成される時間進行を示す。
【図１０】本発明により擬似インパルスの周期的シーケンス発生のためのアルゴリズムを示す。
【図１１】本発明により教会オルガンの気送管音の偶然部を表現するシーケンスが発生される図２の三ブロックの一つを説明する一組の相互接続された機能ブロックを示す。
【図１２】本発明によりシーケンスの二つの連続したサンプル間の違いを限定するために使用される状態装置を示す。
【図１３】本発明により気送管音発生のアタックトランジェントフェーズの間に使用される波包絡線の一例を示す。
【図１４】本発明により気送管音の偶然成分を発生させるために使用される波包絡線を示す。
【図１５】本発明により教会オルガン気送管の共振器数学モデルを表現する図２の三ブロックの一つを説明する構造を示す。
【図１６】本発明により気送管音発生のアタックトランジェントフェーズの間に使用される波包絡線の一例を示す。
【図１７】本発明により一般的な高調波発振器の実現に必要な二つの機能ブロック間の相互作用を示す。
【図１８】本発明により気送管音の偶然成分を発生させるために使用される。図１０のアルゴリズムにより発生される擬似インパルスの周期的波形の一例を示す。
【図１９】本発明により図１２の状態マシーンの動作を説明する。
【符号の説明】
【００４７】
図１
１（ＭＵＳＩＣＡＬ  ＫＥＹＢＯＡＲＤ）：音楽用鍵盤
２（ＵＳＥＲ  ＣＯＮＴＲＯＬＳ）：ユ−ザ−制御卓
３（ＣＯＮＴＲＯＬ  ＵＮＩＴ）：制御装置
４（ＲＯＭ）：ＲＯＭ
５（ＲＡＭ）：ＲＡＭ
６（ＤＳＰ）：表示器
７（ＤＡＣ）：デジタルアナログ変換器
８：拡声器
図２
９（ＨＡＲＭＯＮＩＣ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）：高調波成分発生器
１０（ＭＡＩＮ  ＨＡＲＭＯＮＩＣ  ＳＥＱＵＥＮＣＥ）：主高調波シ−ケンス
１１（ＡＬＥＡＴＯＲＹ  ＣＯＭＰＯＮＥＮＴ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ）：偶然成分発生器
１２（ＬＩＮＥＡＲ  ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ）：線型共振器
１３（ＯＵＴＰＵＴ）：出力
図３
１０（ＭＡＩＮ  ＨＡＲＭＯＮＩＣ  ＳＥＱＵＥＮＣＥ）：主高調波シ−ケンス
１４（ＳＩＮＵＳＯＩＤＡＬ  ＯＳＣＩＬＬＡＴＯＲ）：正弦波発生器
１５：非線型ブロック
１６、１７：シ−ケンス
１８a，１８b：乗算器
１９a、１９b：機能ブロック
２０a、２０b：包絡線発生器
２１：ノ−ド
２２：乗算器
２３（ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ  ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）：振幅変調
２４（ＤＥＬＡＹ）：遅延
２５：合計
２６（ＮＯＮ−ＬＩＮＥＡＲＩＴＹ）：非線型機能
２７（ＢＡＮＤ−ＰＡＳＳ  ＦＩＬＴＥＲ）：帯域フィルタ−
２８：合計
図５
３３（ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）：周波数変調
３４（ＮＯＩＳＥ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ  Ｓ＆Ｈ）：サンプルアンドホ−ルド型雑音発生器
図６
ＴＲＵＥ：正
ＦＡＬＳＥ：誤
図７、１３，１４，１６
ＬＥＶＥＬ：レベル
ＴＩＭＥ：時間
ＳＵＳＴＡＩＮ：維持区間
ＮＯＴＥ  ＯＮ：注意開始
ＮＯＴＥ  ＯＦＦ：注意終了
図８
２３（ＡＭＰＬＩＴＵＤＥ  ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）：振幅変調
３３（ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＭＯＤＵＬＡＴＩＯＮ）：周波数変調
３５：三角波
図１０
１６：信号
３６，３８：機能ブロック
３７：高域フィルタ−
３９：包絡線発生器
図１１
４０（ＷＨＩＴＥ  ＮＯＩＳＥ）：白色雑音
４１（ＬＰＦ）：低域フィルタ−
４２（ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ）：ＲＡＴＥ  ＬＩＭＩＴＥＲ
４３（ＮＯＩＳＥ  ＥＮＶＥＬＯＰＥ）：雑音包絡線
ＮＯＩＳＥ：雑音
ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ：ＮＯＩＳＥ  ＢＯＸ
図１２
４２：非線型ブロック
４４：リミタ−
４５：単位遅延ライン
図１５
４６，４８：ノ−ド
４７：低域フィルタ−
４９：高域フィルタ−
５０：包絡線発生器
５１：乗算器
５２：フィルタ−
５３：因子
５４：遅延
図１７
５５（ＥＸＣＩＴＡＴＩＯＮ）：励起
５６（ＲＥＳＯＮＡＴＯＲ）：共振器
図１８、１９
ＲＡＴＥ：ＲＡＴＥ
ｔ：時間
【図１】
0004663625.tif 000002
【図２】
0004663625.tif 000003
【図３】
0004663625.tif 000004
【図４】
0004663625.tif 000005
【図５】
0004663625.tif 000006
【図６】
0004663625.tif 000007
【図７】
0004663625.tif 000008
【図８】
0004663625.tif 000009
【図９】
0004663625.tif 000010
【図１０】
0004663625.tif 000011
【図１１】
0004663625.tif 000012
【図１２】
0004663625.tif 000013
【図１３】
0004663625.tif 000014
【図１４】
0004663625.tif 000015
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
0004663625.tif 000018
【図１８】
0004663625.tif 000019
【図１９】
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