(57)【要約】【課題】弦共鳴音の複雑な音像感を再現できるようにする。【解決手段】共鳴音発生部１５は、複数の弦共鳴回路をグルーピングした弦共鳴回路群１５−１〜１５−ｎを有する。各弦共鳴回路は音名毎の倍音に相当する共振周波数を有するデジタルフィルタである。押鍵時に楽音信号が入力されると、該楽音信号によって弦共鳴音信号が畳み込み演算部に入力され、予め測定したインパルス応答が畳み込まれる。畳み込まれた弦共鳴音信号は加算器２０で合成されて出力される。各弦共鳴回路群のそれぞれの出力信号には、同一空間内においてアコースティックピアノの駒上を想定した互いに異なる音源位置からのインパルス応答が畳み込まれる。【選択図】        図１
2007193129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
楽音の各倍音に対応した弦共鳴音信号を発生する複数の共鳴音発生手段と、
前記共鳴音発生手段で発生された弦共鳴音信号のそれぞれに、同一空間における異なる音源位置からのインパルス応答を畳み込む畳み込み演算手段と、
前記畳み込み演算手段の出力を合成して出力する加算手段とを具備したことを特徴とする共鳴音音像生成装置。
【請求項２】
前記共鳴音発生手段が、楽音の発音指示に応答して前記弦共鳴音信号を発生することを特徴とする請求項１記載の共鳴音音像生成装置。
【請求項３】
前記共鳴音発生手段を任意の数だけ含むグループを形成するとともに、
前記各グループに含まれる各共鳴音発生手段の出力を合成する加算手段を備え、該加算手段の出力を前記畳み込み演算手段の入力とするように構成したことを特徴とする請求項１または２記載の共鳴音音像生成装置。
【請求項４】
ダンパー操作子が操作されたときに、前記加算手段から合成された弦共鳴音信号を外部のサウンドシステムに供給するように構成したことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の共鳴音音像生成装置。
【請求項５】
予め前記インパルス応答を測定するための音源位置が、アコースティックピアノの響板上における複数の位置を想定して設定されたものであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の共鳴音音像生成装置。
【請求項６】
前記音源位置が、前記響板上に配置される駒上における複数の位置を想定して設定されたものであることを特徴とする請求項５記載の共鳴音音像生成装置。
【請求項７】
前記共鳴音発生手段はデジタルフィルタを有しており、そのインパルス応答が、倍音の振動波形を１自由度粘性減衰系モデルで模擬したものであり、
前記デジタルフィルタで使用されるフィルタ係数が、
１自由度粘性減衰系モデルの振る舞いを決めるためのモデルパラメータとして質量、減衰固有振動数、および減衰率を与えて、該モデルの運動方程式の係数となる粘性係数と剛性係数を求め、
前記モデルの運動方程式をラプラス変換し、ｓ表現の伝達関数式を得ると共に、これに求めた粘性係数、剛性係数及び質量を代入し、双一次変換を行って、ｚ表現のフィルタ係数を求め、
前記質量は任意の値とし、前記減衰固有振動数は模擬しようとする倍音の振動数であり、前記減衰率は倍音の減衰を指数関数で近似したときの指数として、その値を求めることによって決定されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の共鳴音音像生成装置。
【請求項８】
電子鍵盤楽器に組み込まれ、前記発音指示は、キー情報に含まれるキーオンデータであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の共鳴音音像生成装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載された共鳴音音像生成装置の加算手段で合成されたれた弦共鳴音信号の波形データを記憶した記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共鳴音音像生成装置および記憶媒体に関し、特に、アコースティックピアノでダンパーペダルを操作したとき等に生じる弦共鳴音に音像感を与えることができる共鳴音音像生成装置および記憶媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
アコースティックピアノでは、弦を押さえているダンパーをダンパーペダルで弦から外す操作を行い、実際に弾かれた弦だけでなく他の全ての弦を共鳴によって振動させる演奏手法がとられる。電子ピアノや電子オルガン等の電子楽器においては、このダンパーペダル操作による弦共鳴音を模擬する機能が要求される。
【０００３】
この弦共鳴音を模擬するために、例えば、通常の楽音をリバーブと呼ばれる残響付加回路に入力し、ダンパーペダルを踏み込んだ時に残響付加回路の出力に基づく残響音を発生させることが行われている。
【０００４】
また、アコースティックピアノの音をダンパーペダルを操作した状態で発生させ、その音を録音し、さらに録音された音からピアノの倍音成分のみを除去して共鳴音成分を生成し、この共鳴音成分の波形データをメモリに記憶しておき、ダンパーペダルが踏み込まれたときに、通常の楽音とともにこの波形データに基づく共鳴音を発生させることも行われている。
【０００５】
特開平０９−１２７９４１号公報には、基準音による共鳴音を伴う楽音から該基準音を除いた楽音の波形データを記憶する共鳴音メモリを備え、ダンパーペダルによる指示に応じて、前記共鳴音メモリから読み出された波形データの振幅を制御するようにした電子楽器が提案されている。
【特許文献１】特開平０９−１２７９４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記残響付加回路を用いた方法では、ある程度の拡がり感を持った残響音が得られるが、その音像感は単一であり、アコースティックピアノのような複雑な動きを伴う音像感を得ることは難しかった。また、録音されたアコースティックピアノの共鳴音からピアノの倍音成分のみを除去した共鳴音成分を使用する方法では、録音時の音像感は再現できるが、音像感を変更することはできないという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑み、アコースティックピアノのような複雑な音像感を有する共鳴音を再現できるとともに、多様な音響空間を想定して音像感を変更することができる共鳴音音像生成装置および記憶媒体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】
上記問題点を解決し、目的を達成するための本発明は、楽音の各倍音に対応した弦共鳴音信号を発生する複数の共鳴音発生手段と、前記共鳴音発生手段で発生された弦共鳴音信号のそれぞれに、同一空間における異なる音源位置からのインパルス応答を畳み込む畳み込み演算手段と、前記畳み込み演算手段の出力を合成して出力する加算手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、前記共鳴音発生手段を任意の数だけ含むグループを形成するとともに、前記各グループに含まれる各共鳴音発生手段の出力を合成する加算手段を備え、該加算手段の出力を前記畳み込み演算手段の入力とするように構成した点に第２の特徴がある。
【００１０】
また、本発明は、ダンパー操作子が操作されたときに、前記加算手段から合成された弦共鳴音信号を外部のサウンドシステムに供給するように構成した点に第３の特徴がある。
【００１１】
また、本発明は、予め前記インパルス応答を測定するための音源位置が、アコースティックピアノの響板上または駒上における複数の位置を想定して設定されたものであるる点に第４の特徴がある。
【００１２】
さらに、本発明は、前記共鳴音発生手段がデジタルフィルタを有しており、そのインパルス応答が、倍音の振動波形を１自由度粘性減衰系モデルで模擬したものである点に第５の特徴がある。
【００１３】
また、さらに本発明は、上記第１〜第５の特徴を有する共鳴音音像生成装置で作成された弦共鳴音信号を記憶した記憶媒体に第６の特徴がある。
【発明の効果】
【００１４】
第１〜第５の特徴を有する本発明によれば、弦共鳴音信号に異なるインパルス応答を畳み込んで出力されるので、この弦共鳴音信号によって形成される弦共鳴音の音像が、インパルス応答測定時の各音源位置に定位される。したがって、各共鳴音発生手段または各グループから発生される弦共鳴音信号毎で異なる音像位置が得られ、複雑な動きを伴う音像感を得ることができる。また、インパルス応答測定時の音源を選択することにより任意の音像感を得ることができる。
【００１５】
第２の特徴によれば、畳み込み演算手段の数を減らして、全体の構成を簡略化することができる。
【００１６】
第３の特徴によれば、ダンパーペダルなどダンパー操作子の操作時に弦共鳴音を発することができる。
【００１７】
第４の特徴によれば、アコースティックピアノの弦の位置に関連した弦共鳴音の音像感を得ることができる。
【００１８】
第５の特徴によれば、１自由度粘性減衰系モデルのパラメータを適宜設定することにより、任意の振動波形を再現して所望の共鳴音を発生させることができる。
【００１９】
第６の特徴によれば、例えば、電子ピアノ用の楽音として共鳴音を発生する際に、音像感を付与した波形データを記憶した波形メモリを実装することにより、発音される共鳴音に容易に音像感を付与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図２は本発明の一実施形態に係る共鳴音音像生成装置を含む電子ピアノのハードウェア構成を示すブロック図である。なお、このハードウェア構成は、以下の第２実施形態および第３実施形態に共通である。同図において、ＣＰＵ１は、システムバス２を介して図中に示した各部を制御する。システムバス２は、アドレスバス、データバスおよび制御信号ラインからなる。ＲＯＭ３はＣＰＵ１において用いられるプログラムを記憶するプログラムメモリ３ａや少なくとも音色データを含む各種データを記憶するデータメモリ３ｂを有している。ＲＡＭ４はＣＰＵ１による制御において発生する各種のデータ等を一時的に記憶する。
【００２１】
電子ピアノには、操作パネル（以下、単に「パネル」と呼ぶ）５、ＭＩＤＩインタフェース６、およびダンパーペダル（以下、単に「ペダル」と呼ぶ）７が設けられる。パネル５は、発生すべき楽音の音色を選択する音色スイッチ５ａを含む各種状態設定のためのスイッチ等によって構成され、このパネル５から設定された情報はＣＰＵ１に供給される。ペダル７は該ペダル７の操作（踏込）状態を検出して、そのペダル情報をＣＰＵ１に供給するペダルセンサ７ａを含んでいる。ペダルセンサ７ａは、可変抵抗器であり、この可変抵抗による電圧の変動などをペダル７の踏み込み量として検出する。検出されたペダル７の踏み込み量データは、ＣＰＵ１に送られる。ＣＰＵ１は踏み込み量データを受けた場合、ＲＡＭ４上に共鳴設定フラグを「１」に設定する。そして、この踏み込みが無くなれば、踏み込み量が「０」としてＣＰＵ１に送られ、ＲＡＭ４上の共鳴設定フラグは、「０」に設定される。
【００２２】
鍵盤８はＡ０〜Ｃ８までの８８鍵からなる鍵盤回路であり、図示しない鍵盤スキャン回路によって押鍵データ（キー情報）が検出される。各鍵にはそれぞれタッチセンサつまりキースイッチ８ａが設けられる。キースイッチ８ａは、演奏者の鍵盤８に対する演奏操作を検出して、押鍵された鍵の音高を示すキーコードＫＣや、押鍵・離鍵に対応して楽音の発生・消音タイミングを指示するキーオンＫＯＮ・キーオフＫＯＦＦ、押鍵速度に対応するキータッチＫＴなどのキー情報を出力する。キースイッチ８ａから出力される情報はシステムバス２を介してＣＰＵ１に供給される。
【００２３】
楽音発生部９は、同時に複数の発音を行なうため時分割制御されるチャンネルを備えたトーンジェネレータであり、複数のチャンネルすべての出力信号を累算して出力する。楽音発生部９では、押鍵操作により、いずれかのチャンネルが割り当てられ、該チャンネルにおいて押鍵操作に対応する楽音が生成される。
【００２４】
波形メモリ１０には、楽音情報の波形データが記憶されており、楽音発生部９は、波形メモリ１０に記憶されている波形データを読み出し、該波形データに基づいて楽音信号を生成する。前記楽音発生部９は、波形メモリ１０から鍵操作に対応して波形データを読み出すものであり、音色スイッチ５ａによって設定された音色の波形データを、キーオンに応答して読み出す。読出アドレスの歩進はキーコードＫＣに対応した速度で行なわれる。すなわち、キーコードＫＣに対応する読出レートで波形データを読み出す。
【００２５】
楽音信号は、共鳴回路１１を通し、その出力を加算器１１Ａで通常音と加算される。その後、ＤＡ変換器１２でアナログ信号に変換され、サウンドシステム１３に入力される。サウンドシステム１３は、アンプやスピーカ等から構成されており、ＤＡ変換器１２の出力信号を電子ピアノの出力として外部に発音させる。
【００２６】
本実施形態の電子ピアノは、ペダル７を操作したときに、アコースティックピアノでダンパーペダルを操作したときと同様の共鳴音を発生する。特に、アコースティックピアノにおける共鳴音の音像感を再現する。アコースティックピアノでは、響板に平行な面を一杯に使って多数の弦を張ってあり、各弦毎に固有の音像を形成する。したがって、本実施形態の電子ピアノにおいては、この音像を再現してアコースティックピアノと同様の残響音を発生させる。
【００２７】
具体的には、各音名に対応した弦共鳴回路の出力に対して同一空間の異なる位置からのインパルス応答を各々畳み込んで加算する。
【００２８】
図３は、インパルス応答を測定する装置の一例を示す図である。図３において、空間５０は、例えば、ピアノ教室を想定したものであり、この空間５０に複数のインパルス発生位置５１−１〜５１−ｎを設定する。インパルス発生位置５１−１〜５１−ｎはアコースティックピアノ（グランドピアノを想定）の駒に沿って配置する。インパルス発生位置５１−１〜５１−ｎにはインパルス発生源としてのスピーカ５２が置かれる。そして、演奏者の位置にダミーヘッド５３を配置する。ダミーヘッド５３は演奏者の頭部模型の両耳位置に配置されたマイクロフォン５３Ｌ，５３Ｒを有する。マイクロフォン５３Ｌ，５３Ｒはインパルス応答つまり検出レベルと検出タイミングとを記録するレコーダ５３に接続される。
【００２９】
図３に示すように構成されたインパルス応答測定装置において、インパルス発生位置５１−１〜５１−ｎのそれぞれの位置にスピーカ５２を順に配置してこのスピーカ５２からインパルスを発生させる。ダミーヘッド５３は、インパルス発生位置５１−１〜５１−ｎのそれぞれから発生されるインパルスによってインパルス発生位置５１−１〜５１−ｎのそれぞれに応じたインパルス応答を検出する。
【００３０】
上述のようにして測定されたインパルス応答を使って共鳴音音像生成装置を実現する。図１は、共鳴音音像生成装置の要部機能を示すブロック図である。同図において、共鳴音発生部１５には、複数の弦共鳴回路群１５−１、１５−２、１５−３、……、１５−ｎが設けられる。さらに各弦共鳴回路群１５−１〜１５−ｎには、複数の弦共鳴回路１６−１、１６−２、１６−３、……、１６−ｍが設けられる（弦共鳴回路群１５−１についてのみ図示しているが他の弦共鳴回路群１５−２〜１５−ｎも同様に構成される）。各弦共鳴回路１６−１〜１６−ｍはそれぞれ各音名毎の弦共鳴音を構成する倍音の周波数に相当する共振周波数を出力する。この例では、複数の音名、例えばＡ０からＣ１までの共鳴音信号を出力する弦共鳴回路を１群とする弦共鳴回路を構成している。弦共鳴回路の例は後述する。
【００３１】
弦共鳴回路群は鍵盤８の全ての鍵に対応した数を設けてもよいが、必ずしも全ての鍵に対応した数でなくてもよい。アコースティックピアノにおいては、ダンパーペダルによって制動を受ける音名が、Ａ０〜Ｆ６までの６９鍵である。したがって、少なくともこの６９鍵に対応した共鳴回路を設ければよい。また、ピアノ以外の他の楽器の楽音を模擬する場合はＡ０〜Ｆ６の範囲に限らない。
【００３２】
弦共鳴回路群１５−１の弦共鳴回路１６−１〜１６−ｍの出力を合成する加算器１７が設けられる。加算器１７の出力側には畳み込み演算部１８−１が設けられる。同様に、弦共鳴回路群１５−２〜１５−ｎにも出力側に畳み込み演算部１８−２、１８−３、……、１８−ｎがそれぞれ接続される。畳み込み演算部１８−１〜１８ｎには、それぞれインパルス応答記憶部１９−１、１９−２、１９−３、……、１９−ｎが接続される。インパルス応答記憶部１９−１〜１９−ｎには、インパルス発生位置５１−１〜５１−ｎから発せられたインパルスに対するダミーヘッド５３でのインパルス応答がそれぞれ記憶される。畳み込み演算部１８−１〜１８−ｎの出力側には加算器２０が設けられる。
【００３３】
弦共鳴回路群１５−１〜１５−ｎの入力側には、楽音発生部２１が接続される。楽音発生部２１は各音名毎の波形データを記憶する波形メモリと音源とからなる。楽音発生部２１と共鳴音発生部１５との間には、ゲート２２が設けられる。ゲート２２は、キースイッチ８ａからキーオンＫＯＮが入力されたときに開かれる。
【００３４】
加算器２０の出力側には、出力ゲート２３を設ける。この出力ゲート２３は、ペダル７の踏み込み量を検出するペダルセンサ７ａの出力が、ペダルオンを示す基準値以上になったときに開かれる。なお、出力ゲート２３はペダル７の踏み込み量に応じてレベルを調整する乗算器とすることができる。出力ゲート２３つまり乗算器には、ペダルセンサ７ａの出力に応じた乗算係数が入力される。
【００３５】
図１７は、弦共鳴回路の構成を示すブロック図である。弦共鳴回路に楽音発生部２１からの波形データを入力することにより、共鳴音波形データを得る。弦共鳴回路は、音名毎に、各音名の楽音を構成するｎ個の倍音の周波数に相当する共振周波数を発生するｎ個のフィルタ回路を備える。図１７は音名Ａ０およびＢ０に対応する部分を示す。共鳴回路１６１は、Ａ０の基音に相当する共振周波数を発生するフィルタＦＡ０−１と、ｎ個の倍音に相当する共振周波数を発生するフィルタＦＡ０−２〜ＦＡ０−ｎとを有する。同様に共鳴回路１６２は、Ｂ０の基音に相当する共振周波数を発生するフィルタＦＢ０−１と、ｎ個の倍音に相当する共振周波数を発生するフィルタＦＢ０−２〜ＦＢ０−ｎとを有する。加算器１６３，１６４は共鳴回路１６１および共鳴回路１６２の出力をそれぞれ合成する。また、加算器１６５は、共鳴回路１６１，１６２を含む、全ての音名に対応して設けられる図示しない共鳴回路の出力を合成する。
【００３６】
上記構成において、楽音発生部２１から、楽音信号（波形データ）が入力されると、各弦共鳴回路は入力波形データに基づいて弦共鳴音信号を発生する。楽音発生部２１は、キースイッチ８ａから供給されるキーオンＫＯＮ等のキー情報と音色スイッチａから入力される音色情報とに従って波形データを音源に読み込んで楽音情報を生成する。生成された楽音信号は、ゲート２２を介して各弦共鳴回路群１５−１ないし１５−ｎに入力される。
【００３７】
例えば、楽音発生部２１からＡ０の通常音の波形データが入力されると、弦共鳴回路群の各弦共鳴回路（フィルタ回路）が、入力された波形データに応答して基音または各倍音の弦共鳴音信号を出力する。但し、例えば音名Ａ０に関して言えば、入力されたＡ０の波形データに対してＡ０用の弦共鳴回路のみが応答するのではなく、Ａ０の基音および各倍音周波数と同じ共振周波数か、これらから少しずれた共振周波数を有する、他の音名用のフィルタも応答して弦共鳴音信号を出力する。例えば、Ａ４の基音（４４０Ｈｚ）に近似するＡ３の第２倍音（４４１Ｈｚ）のフィルタ特性を持つ弦共鳴回路からも弦共鳴音信号が出力される。
【００３８】
つまり、入力された楽音信号の倍音の周波数に対応した共振周波数を持つ共鳴回路は振幅が大きい弦共鳴音信号を発生し、信号の倍音の周波数とは異なる共振周波数を持つ共鳴回路は振幅が小さい弦共鳴音信号を発生する。即ち倍音の周波数と共振周波数が近ければ近いほど、その共鳴回路の出力の振幅は大きくなり、離れていれば離れているほど、その共鳴回路の出力の振幅は小さくなる。
【００３９】
複数の楽音が発生した場合、例えばＣ３とＧ３の鍵が強く押された場合、Ｃ３の強打に応じた楽音信号と、Ｇ３の強打に応じた楽音信号を読み出し、それらを加算した楽音信号を各共鳴回路群１５−１〜１５−ｎに送出する。例えばＣ３とＧ３の強打に応じた波形を加算したものが入力されると、Ｃ３とＧ３の強打波形の倍音周波数に近い共振周波数の共鳴回路からは、振幅が大きい弦共鳴音信号が発生し、Ｃ３とＧ３の強打波形の倍音周波数から離れた共振周波数の共鳴回路からは、小さな振幅の弦共鳴音信号が発生する。
【００４０】
弦共鳴音信号は加算器（例えば、弦共鳴回路群１５−１では加算器１７）で加算されて、対応する畳み込み演算部１８−１〜１８−ｎに供給されてインパルス応答を各々畳み込まれる。弦共鳴音信号は畳み込み演算部１８−１〜１８−ｎでインパルス応答を畳み込まれた後、加算器２０に入力されて加算されて出力される。合成された弦共鳴音信号はＤＡ変換され、サウンドシステム１３に供給される。
【００４１】
なお、インパルス応答は左右のマイクロフォン５３Ｌ，５３Ｒそれぞれについて測定された値であるので、左右それぞれのインパルス応答を畳み込み演算するために、畳み込み演算手段は各弦共鳴回路群毎に２系列設けられる。また、入力される楽音波形は、モノラル音のものであってもよいし、ステレオ音のものであってもよい。
【００４２】
図４は、電子ピアノの全体処理を示すフローチャートである。ステップＳ１では、ＣＰＵ１、ＲＡＭ４、音源ＬＳＩ（ＤＳＰ）等を初期化する。ステップＳ２では、パネル５のスイッチ等の状態を読み込んで対応の処理を行うパネルイベント処理を行う。ステップＳ３では、キースイッチ８ａの出力に基づいて通常音の楽音信号を発生する鍵盤イベントを実行する。鍵盤イベントにはキータッチＫＴに応じたエンベロープの設定も含まれる。
【００４３】
ステップＳ４では、ペダルセンサ７ａの出力に対応したペダルイベント処理が行われる。なお、ペダルイベント処理には、ペダル（ダンパーペダル）以外のペダルの処理を含むことができる。ステップＳ５では、その他の処理が行われる。
【００４４】
図５は、鍵盤イベント処理（ステップＳ３）の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ３０ではキーオンＫＯＮの有無により鍵盤８のオンイベントの有無つまり押鍵の有無を判断する。オンイベントならばステップＳ３１に進み、キー情報に応じて通常音信号発生のための通常音波形データを読み出す。この通常音波形データは通常音波形メモリ（図示しない）として波形メモリ１０に設けられる領域に格納されている。ステップＳ３２では、読み出した通常音波形データを音源ＬＳＩにロードして通常音波形信号を出力させる。
【００４５】
一方、ステップＳ３０でオンイベントと判断されなかった場合は、ステップＳ３３に進み、キーオフＫＯＦＦの有無により鍵盤８のオフイベントの有無つまり離鍵の有無を判断する。オフイベントならばステップＳ３４に進み、ペダル７が操作されているか、つまりペダルセンサ７ａの出力がペダルオン基準値以上か否かを判断する。ペダル７がオン操作されていれば、発音中の音を維持する（消音処理を行わない）。ペダル７がオン操作されていなければ、ステップＳ３５に進んで音源ＬＳＩにリリーススピードをロードして消音処理を行う。つまりリリーススピードに従って、徐々に楽音信号のレベルを低下させていく。
【００４６】
図６は、ペダルイベント処理（ステップＳ４）の詳細を示すフローチャートである。ステップＳ４０では、ペダル７がオン操作されたか否か、つまりペダルセンサ７ａの出力がゼロから変化したか否かを判断する。ペダル７が操作されたのであればステップＳ４１に進み、ペダルセンサ７ａの出力値に応じた乗算係数でゲート２２を制御する。
【００４７】
ペダル７がオン操作されたのでなければ、ステップＳ４２に進んでペダル７がオフ操作されたか否か、つまりペダルセンサ７ａの出力がゼロに下がったか否かを判断する。ペダル７がオフ操作されたのであれば、ステップＳ４３でゲート２２のレベルをゼロまで低下させる。
【００４８】
ペダル７のオフ操作でなければ、ステップＳ４２からステップＳ４４に移行し、ペダル７以外のペダルが操作されたか否かが判断される。ステップＳ４４が肯定であれば、ステップＳ４５で、操作されたペダルの種類に応じた処理を行う。
【００４９】
前記弦共鳴回路群１５−１〜１５−ｎの各弦共鳴回路１６−１〜１６−ｍ、……は、各音名の楽音を構成する複数個の倍音の周波数に相当する共振周波数を発生する同数個のフィルタ回路からなる。例えば、弦共鳴回路１６−１はＡ０の基音に相当する共振周波数を発生するフィルタ回路であり、弦共鳴回路１６−２はＡ０の２倍音に相当する共振周波数を発生するフィルタ回路である。
【００５０】
次に、弦共鳴回路の各フィルタの設計について述べる。フィルタとして、ＩＩＲフィルタを用いるのが好適であり、各倍音周波数に相当する入力周波数に応答して急峻に出力が立ち上がる特性に設計される。つまり、フィルタのインパルス応答は、倍音の振動波形を模擬するものであって、１自由度粘性減衰系モデルで再現できるものとする。１自由度粘性減衰系モデルのため、質量、減衰固有振動数、および減衰率をモデルパラメータとし、これに基づいて１自由度粘性減衰系モデルの運動方程式の係数となる粘性係数と剛性係数とを求める。さらに前記運動方程式をラプラス変換し、ｓ表現の伝達関数式を得る。そして、この伝達関数式に粘性係数、剛性係数および質量を代入し、双一次変換を行ってｚ表現のフィルタ係数を求める。
【００５１】
前記質量は任意の値とし、前記減衰固有振動数は模擬しようとする倍音の振動数であり、前記減衰率は倍音の減衰を指数関数で近似したときの指数としてフィルタ係数を求める。
【００５２】
１つのフィルタは、倍音の時間変動を模擬するように設計されるが、共振周波数や振幅の時間変動を十分に模擬すると回路規模が大きくなりすぎるので、概略模擬できるものとする。
【００５３】
図７は、１自由度粘性減衰系モデルを示す模式図である。１自由度粘性減衰系モデルは、ばね（剛性係数）Ｋ、質量Ｍ、およびダッシュポット（粘性係数）Ｃで表現される。なお、粘性はダンパーとも呼ばれるが、ここでは、ダンパーペダルとの混同をさけるためにダッシュポットという用語を用いる。質Ｍ量の変位をｘ、質量Ｍにかかる力をｆ（ｔ）としたときのこのモデルの運動方程式は、数式１のようになる。
【００５４】
【数１】
2007193129.tif 000003
【００５５】
さらに前記数式１をラプラス変換し、その伝達関数を求めると数式２で示すようになる。数式２の伝達関数式は分子が定数項のみであり、分母がｓの２次の多項式となっている。したがって、２次のローパスフィルタとして実現できる。
【００５６】
【数２】
2007193129.tif 000004
【００５７】
１自由度粘性減衰系モデルの振る舞いを表すための係数、およびそれらの関係式は一般に知られており、不減衰固有角振動数ω、臨界減衰計数ｃｃ、減衰比ζ、減衰係数σ、減衰角振動数ωｄとしたとき、数式３〜数式７で示すようになる。
【００５８】
【数３】
2007193129.tif 000005
【００５９】
【数４】
2007193129.tif 000006
【００６０】
【数５】
2007193129.tif 000007
【００６１】
【数６】
2007193129.tif 000008
【００６２】
【数７】
2007193129.tif 000009
【００６３】
減衰角振動数ωｄは、模擬しようとする倍音周波数に２πを乗じたものとし、減衰率σは、模擬しようとする倍音の得ぬ異を指数関数で近似した時の指数とする。また、質量Ｍは任意の値とし、ここでは「１」とする。このように、減衰固有角振動数ωｄ、減衰率σ、質量Ｍを既知とすれば、伝達係数Ｇ（ｓ）の分の多項式の係数である。粘性係数Ｃおよび構成係数Ｋは、数式６を変形したものと数式４とを数式５に代入した数式８で求められる。
【００６４】
【数８】
2007193129.tif 000010
【００６５】
したがって、粘性係数Ｃは数式９で示すようになる。
【００６６】
【数９】
2007193129.tif 000011
【００６７】
また、減衰固有角振動数ωｄは共鳴回路部分の共振周波数に２πを乗じた値である（すなわち、減衰固有角振動数（ｒａｄ）＝共振周波数（Ｈｚ））。数式７に数式４を代入すると数式１０が得られる。
【００６８】
【数１０】
2007193129.tif 000012
【００６９】
数式１０をΩについて解くと、数式１１が得られる。
【００７０】
【数１１】
2007193129.tif 000013
【００７１】
さらに数式３に数式１１を代入すると、数式１２によって剛性係数が求められる。
【００７２】
【数１２】
2007193129.tif 000014
【００７３】
以上により、ｓ表現の伝達係数の全ての係数が求まった。
【００７４】
さらにこれをデジタルフィルタで実現するためには、双一次変換によりｚ表現の伝達関数式を得る。双一次変換とはｓを数式１３のように置き換えることである。数式１３において、Ｔはサンプリング時間であり、ｚは単位遅延を表す。
【００７５】
【数１３】
2007193129.tif 000015
【００７６】
数式１３を数式２に代入して数式１４を得る。
【００７７】
【数１４】
2007193129.tif 000016
【００７８】
ここで、質量Ｍ、粘性係数Ｃ、剛性係数Ｋについて整理すると、数式１５〜数式１７のようになる。
【００７９】
【数１５】
2007193129.tif 000017
【００８０】
【数１６】
2007193129.tif 000018
【００８１】
【数１７】
2007193129.tif 000019
【００８２】
ここで、伝達関数式を示す数式２を数式１８のように表現する。
【００８３】
【数１８】
2007193129.tif 000020
【００８４】
分母多項式の係数は、数式１５〜数式１７より、数式１９のように求められる。
【００８５】
【数１９】
2007193129.tif 000021
【００８６】
上述のように、減衰固有角振動数ωｄ、減衰率σ、質量Ｍを既知として、共鳴回路のフィルタは実現できる。
【００８７】
続いて、減衰固有角振動数ωｄと減衰率σの求め方を説明する。減衰固有角振動数ωｄは、模擬しようとする倍音周波数に２πを乗じたものとするが、この倍音周波数はＦＦＴ分析で特定するか、楽音からバンドパスフィルタを使って抽出する方法など、周知の手法で得ることができる。
【００８８】
図８は、Ａ０の楽音のＦＦＴ分析による振幅−周波数特性を示す模式図である。図中ｆ１がＡ０の１倍音（基音）の周波数、ｆ２が２倍音の周波数、ｆＮ１が最高次倍音の周波数である。図１７におけるフィルタＦＡ０−１の減衰固有角振動数ωｄはｆ１×２πである。同様に、フィルタＦＡ０−２の固有角振動数ωｄはｆ２×２π、フィルタＦＡ０−３の固有角振動数ωｄはｆＮ１×２πとなる。
【００８９】
減衰率σは、倍音の波形と数式２０による最小二乗誤差が最も小さくなる減衰率σを用いている。Ａ０の楽音では、１倍音の波形（図９参照）と数式２０によって図９の波形に近似した波形（図１０参照）との差が最も小さくなるように減衰率σを設定する。
【００９０】
【数２０】
2007193129.tif 000022
【００９１】
数式２０において、ｘ（ｔ）は正弦波の瞬時値であり、Ａは振幅である。振幅Ａは近似しようとする倍音の最大振幅とする。
【００９２】
上記方法以外にも、倍音のエンベロープを抽出し、それを対数関数で近似する等の方法を用いても良い。図９に、Ａ０の１倍音の実際の波形を示し、図１０に数式２０によって近似したＡ０の１倍音の波形を示す。
【００９３】
なお、最小二乗誤差を求める方法、ＦＦＴによる分析方法等は周知であるので、説明は省略する。
【００９４】
弦共鳴回路としてのフィルタには、乗算器を直列接続して音色を設定することができる。つまり、弦共鳴回路１６−１〜１６−ｍのそれぞれの出力側に乗算器を接続することができる。この場合の乗算係数は、楽音波形のＦＦＴ分析の結果に基づいて求めることができる。一例として図８に示した振幅−周波数特性を有するＡ０の楽音波形について説明する。
【００９５】
図８において、１倍音は、周波数がｆ１Ｈｚで振幅レベルが０ｄＢであり、２倍音は、周波数がｆ２Ｈｚで振幅レベルが−２０ｄＢである。Ｎ１倍音（最高次倍音）は、周波数がｆＮ１Ｈｚであり振幅レベルは−４０ｄＢである。
【００９６】
したがって、振幅比は１倍音を１（基準）とすると、２倍音は１０(-20/20)＝０．１となり、Ｎ１倍音は１０(-40/20)＝０．０１となる。したがって、図１の１倍音の弦共鳴回路１６−１に接続される乗算器の乗算係数は「１」、２倍音の弦共鳴回路１６−２に接続される乗算器の乗算係数は「０．１」、Ｎ倍音の弦共鳴回路１６−Ｎに接続される乗算器の乗算係数は「０．０１」となる。
【００９７】
次に、模擬しようとする倍音について述べる。電子ピアノでは、アコースティックピアノの楽音波形を収音し、その収音された波形を波形メモリ１０に記憶する。したがって、共鳴回路の共振周波数を特定したり、減衰率を決定する場合は、収音した波形に基づいて、模擬しようとする倍音を抽出して利用する。
【００９８】
例えば、Ａ０の１倍音を模擬しようとする場合、Ａ０楽音波形から、ｆ１倍音を中心とし、ｆ１未満の帯域幅を持つバンドパスフィルタで切り出して、ゼロクロス分析による共振周波数の特定を行ったり、減衰の近似を行う。
【００９９】
図１１は、バンドパスフィルタの帯域幅を示す図である。図中矢印で示す範囲がバンドパスフィルタの通過域である。
【０１００】
図２における楽音発生部９を、波形読み出しでなく、楽音合成方式とすることができる。この場合、キー情報を楽音制御情報として楽音発生部９から発生した楽音を収音して、これについてＦＦＴ分析あるいはゼロクロス分析による共振周波数の特定を行ったり、減衰の近似を行う。すなわち、模擬しようとする倍音は、所定の楽音制御情報で楽音合成されて出力された楽音波形から抽出された倍音である。
【０１０１】
実際のピアノ音から各倍音を抽出して共振周波数および減衰率を決定する本実施形態では、従来の遅延ループによる共鳴音を発生させる場合に比べ、次のような利点がある。
【０１０２】
実際のピアノの倍音は厳密には基音の整数倍の周波数を有しておらず、多少のずれを有している。また、倍音の次数が高くなると、基音の整数倍からより高い方に周波数がずれることが知られている。また、あるべきところに倍音が存在しない場合がある。その逆に倍音が立たない場所に倍音が存在する場合がある。このように、ピアノは１台１台個性を有している。
【０１０３】
従来の遅延ループによる共鳴回路は、遅延時間の逆数の整数倍の周波数に正確に共鳴するため、上記ピアノの個性に対応できない。一方、本実施形態では、実際のピアノの倍音を１本１本抽出して共鳴回路を設計するので、実際のピアノ倍音を正しく再現することができる。
【０１０４】
上記共鳴回路では、入力された楽音に対し、それを基音としてその倍音構成となる弦共鳴回路を倍音構成分だけ用意する。しかし、１つの弦共鳴回路の共振周波数は１つの倍音周波数に相当するが、倍音周波数が等しいか非常に近い倍音周波数の倍音が複数存在する場合は、１つの倍音周波数でこれら複数の倍音周波数を代表させることができる。
【０１０５】
例えば、ある音名の楽音基音周波数がｆ１Ｈｚであるとすると、２倍音は（ｆ１×２）Ｈｚ、３倍音は（ｆ１×３）Ｈｚ、４倍音は（ｆ１×４）Ｈｚとなる。そして、この１オクターブ上の楽音の基音周波数は、（ｆ１×２）Ｈｚ、２倍音は（ｆ１×４）Ｈｚとなる。さらに２オクターブ上の楽音の基本周波数は（ｆ１×４）Ｈｚとなる。したがって、ある音名の楽音の２倍音と１オクターブ上の基音周波数はほぼ重なる。同様に、ある音名の楽音の４倍音と１オクターブ上の２倍音と２オクターブ上の基音周波数が重なる。また、オクターブの関係にない場合でも、異なる音名の異なる次数の倍音周波数が非常に近い場合がある。
【０１０６】
このように、周波数がほぼ等しい倍音については、個々の周波数毎に弦共鳴回路を持たずに、１つの倍音の周波数、またはそれらの平均の周波数の共振周波数とする弦共鳴回路を１つ持てばよい。これにより共鳴回路の規模を縮小することができる。
【０１０７】
図１２は複数の音名の楽音について、その倍音をＦＦＴ分析した結果を示す図である。図１２において、上段はＣ２の倍音、中段はＣ３の倍音、下段はＣ４の倍音である。図中四角形の枠で囲んだ倍音の部分は、それぞれ、１つの弦共鳴回路で作ることができる。
【０１０８】
弦共鳴回路に入力する楽音に含まれる倍音の周波数と入力される弦共鳴回路の共振周波数とが極めて近い場合、弦共鳴回路に入力する楽音に含まれる倍音の周波数と入力される弦共鳴回路の共振周波数とが異なる場合に比べ、前者の弦共鳴回路から出力される共鳴音が大きくなる。つまり楽音の倍音周波数と弦共鳴回路の共振周波数が近いと弦共鳴回路出力の振幅が大きくなりすぎる。その場合、本来得たい共鳴音らしい響きではなく、その共振周波数を持った安定した楽音のような聞こえとなってしまう。次に例を挙げる。
【０１０９】
図１３は、Ｃ２の１倍音弦共鳴回路、Ｃ３の１倍音弦共鳴回路、Ｇ♯２の１倍音弦共鳴回路へ、Ｃ２の楽音をそれぞれ入力した時に各弦共鳴回路から出力される共鳴音の楽音信号を上から順に示している。この図に示したように、Ｃ２の１倍音弦共鳴回路とＣ３の１倍音弦共鳴回路から出力される共鳴音の楽音信号が大きい。これは、Ｃ２の楽音が、Ｃ２の１倍音とＣ３の１倍音の周波数に極めて近い周波数の倍音を持つためである。この場合、共鳴音はＣ２の楽音が鳴っているような聞こえとなってしまう。
【０１１０】
このような不自然さをなくすため、特定の倍音周波数に対応する弦共鳴回路の共振周波数を所定量ずらした構成とする。図１３に示す共鳴音の振幅をほぼ同じ大きさに揃えるためには、弦共鳴回路の共振周波数を倍音周波数から少しずらせばよい。
【０１１１】
弦共鳴回路の共振周波数を倍音周波数から少しずらした結果を図１４に示す。図１４は、Ｃ２の１倍音から数Ｈｚずらした共振周波数の弦共鳴回路、Ｃ３の１倍音から数Ｈｚずらした共振周波数の弦共鳴回路、およびＧ♯２の１倍音から数Ｈｚずらした共振周波数の弦共鳴回路へ、Ｃ２の楽音をそれぞれ入力したときの共鳴音を上から順に示した図である。この図から明らかなように、弦共鳴回路の共振周波数を少しずらすことによって、共鳴音の振幅をほぼ同じ大きさに揃えることができる。
【０１１２】
ピアノは、弦振動が響板等に伝わり、それが放音される。同時にその振動は、駒を通して他の弦にも伝わる。さらに他の弦に伝わった振動は、再び駒を通って元の弦に伝わる。このフィードバック回路を電子ピアノで再現するために弦共鳴回路にフィードバック経路を設ける。図１５は、フィードバック経路を有する弦共鳴回路の一例を示す図である。共鳴回路１６Ｎの各弦共鳴回路の出力は、乗算器Ｍ１１−１〜Ｍ１１−ｎでレベル制御され、さらに、加算器ＡＤ１１−２により、元の入力楽音と加算され、再度この共鳴回路１６Ｎにフィードバックされる。
【０１１３】
また、共鳴回路へフィードバックする上記構成を持つと共に、そのフィードバック経路に弦共鳴回路の出力を所定時間遅延させる回路および／または弦共鳴回路の出力の振幅−周波数特性を変更する第２の弦共鳴回路を備えるようにしてもよい。
【０１１４】
例えば、図１６に示すように、共鳴回路１６Ｎに対するフィードバック経路に、共鳴回路１６Ｎの出力を所定時間遅らせる遅延器Ｄ１１−１及び共鳴回路１６Ｎの出力の振幅−周波数特性を変更するフィルタＦｌｔ１１−１を備える。この場合、遅延回路は振動の伝播遅延を模擬し、フィルタＦｌｔ１１−１は駒の伝達特性を模擬する。
【０１１５】
以上、本発明を最適の実施形態に従って説明したが、本発明はこの実施形態に限定されない。例えば、弦共鳴回路は１自由度粘性減衰系モデルを具現化したデジタルフィルタとしたが、予め共鳴音の楽音波形を波形メモリに記憶しておき、これを読み出して畳み込み演算部に入力する構成としてもよい。
【０１１６】
また、複数の弦共鳴回路の出力を単一の加算器で加算して合成信号として畳み込み演算部に入力する構成に代えて、個々の弦共鳴回路の出力を直接畳み込み演算部に入力するように変形してもよい。
【０１１７】
なお、上記実施形態では共鳴音音像生成装置を適用した電子楽器の例として電子ピアノを挙げて説明しているが、本発明は電子ピアノにのみ限定されるものではなく、他の楽器でも、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、同様な構成を取ることは可能である。
【０１１８】
また、畳み込み演算処理を行って音像感が付与された波形データを波形メモリ等の記憶媒体に記憶すれば、この波形メモリを電子ピアノなど各種電子楽器に装着して簡単に音像感を有する弦共鳴音を発生させることができる。
【０１１９】
さらに、本発明の共鳴音音像生成装置は、楽器を演奏した時の共鳴音を楽音の発生と同時に発音できる構成の他、楽器ではなく、特定の音響効果の得られる音響効果室などで、任意の音を発生させた際又は空気振動を起こさせて、その共鳴音を得る場合の音像の生成にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る共鳴音音像生成装置の要部機能を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る共鳴音音像生成装置のハード構成部分を示すブロック図である。
【図３】インパルス応答を測定する装置の一例を示す図である。
【図４】共鳴音音像生成装置のメイン処理を示すフローチャートである。
【図５】鍵盤イベント処理を示すフローチャートである。
【図６】ペダルイベント処理を示すフローチャートである。
【図７】１自由度粘性減衰系モデルを示すモデル説明図である。
【図８】ＦＦＴ分析による振幅−周波数特性を示すグラフである。
【図９】Ａ０の１倍音を示す波形図である。
【図１０】Ａ０の１倍音の近似波形を示す波形図である。
【図１１】倍音を切り出す帯域幅の例を示すグラフである。
【図１２】Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の倍音をＦＦＴ分析した振幅−周波数特性を示すグラフである。
【図１３】Ｃ２の楽音を、Ｃ２、Ｃ３、Ｇ♯２の各１倍音共鳴回路へ入力した時の共鳴音の状態を示すグラフである。
【図１４】Ｃ２の楽音を、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ♯２の各１倍音から数Ｈｚずらした共鳴周波数のそれぞれの共鳴回路へ入力した時の共鳴音の状態を示すグラフである。
【図１５】共鳴音発生部にフィードバック経路を付加した構成を示す図である。
【図１６】共鳴音発生手段にフィードバック経路、遅延回路、および振幅−周波数特性を変更するフィルタを付加した構成を示す図である。
【図１７】共鳴音発生部の要部構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１…ＣＰＵ、  ７…ダンパーペダル、  ７ａ…ペダルセンサ、  ８…鍵盤、  ８ａ…キーススイッチ、  １０…波形メモリ、  １１…デジタルフィルタ、  １５…共鳴音発生部、  １５−１〜１５−ｎ…弦共鳴回路群、  １６−１〜１６−ｍ…弦共鳴回路、  １７…加算器、  １８−１〜１８−ｎ…畳み込み演算部、  １９−１〜１９−ｎ…インパルス応答記憶部、  ２０…加算器
【図１】
2007193129.tif 000023
【図２】
2007193129.tif 000024
【図３】
2007193129.tif 000025
【図４】
2007193129.tif 000026
【図５】
2007193129.tif 000027
【図６】
2007193129.tif 000028
【図７】
2007193129.tif 000029
【図８】
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【図９】
2007193129.tif 000031
【図１０】
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【図１１】
2007193129.tif 000033
【図１２】
2007193129.tif 000034
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2007193129.tif 000037
【図１６】
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【図１７】
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