(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動モデルの機械的特性および材料特性を表わす特性データを記憶する特性データ記憶手段と、この特性データ記憶手段に記憶される特性データに従って前記振動モデルの挙動を決めるパラメータを算出するパラメータ算出手段と、入力波形に応じて励振される振動モデルの挙動を、前記パラメータ算出手段により算出されたパラメータに応じてシミュレートし、当該振動モデルが発生する振動波形を出力する波形出力手段と、を具備する音響効果装置において、前記パラメータ算出手段は、前記波形出力手段から出力される振動波形のピッチが上昇傾向にある場合と下降傾向にある場合とにおいて、前記振動モデルの固有振動を変化させるべくパラメータを変化させ、前記振動波形の音色を変化させることを特徴とする音響効果装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、電子楽器の音源や、効果音を付与するエフェクタ等に用いて好適な装置に関し、特に、減衰振動をシミュレートする振動モデルに従って入力波形を楽音出力に変換する音響効果装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、外部から供給される入力信号に応じて楽音パラメータを発生し、発生した楽音パラメータに基づき波形発生する外部制御方式の音響効果装置が案出されている。この種の装置としては、例えば、「ギターシンセサイザ」と呼ばれるものが開発されており、この装置では、通常の電気楽器と同様に、撥弦により生じる弦振動を、ピックアップコイル等でアナログ入力信号に変換した後、このアナログ入力信号のピッチ（音高周波数）および音量レベルを検出し、検出したピッチおよび音量に応じて所定の音色の楽音波形を発生するように構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
さて、上述した外部制御方式による音響効果装置では、演奏操作に従って発生する入力波形に基づき楽音出力を生成するので、例えば、自然楽器であるギターにピックアップコイル等を設けて、このコイル出力に基づき楽音波形を発生すれば、ギター演奏しながらもギターとは異なる音色の楽音を生成でき、従来には無い新規な楽器形態を実現することが可能となっているが、その反面、発音遅れが生じたり、演奏操作に応じて音色を微妙に変化させる等の音楽表現力や演奏効果に欠けるという弊害がある。
【０００４】
その為、近年ではこうした弊害を回避して、ある程度発音遅れが起こらず豊かな音楽表現力や演奏効果を得ることができるものも開発されてはいるが、これは振動減衰や共振をシミュレートする際に、制御パラメータをテーブル読出しにて生成する為、木目細かなパラメータ生成を為し得ず、未だ自然楽器が発生するような楽音を表現するには程遠い現状にある。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、木目細かなパラメータ生成を行い、従来には無い新規な楽器形態を実現しながらも、あたかも自然楽器のようなリアリティに富んだ音響効果を得ることができる音響効果装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、振動モデルの機械的特性および材料特性を表わす特性データを記憶する特性データ記憶手段と、この特性データ記憶手段に記憶される特性データに従って前記振動モデルの挙動を決めるパラメータを算出するパラメータ算出手段と、入力波形に応じて励振される振動モデルの挙動を、前記パラメータ算出手段により算出されたパラメータに応じてシミュレートし、当該振動モデルが発生する振動波形を出力する波形出力手段と、を具備する音響効果装置において、前記パラメータ算出手段は、前記波形出力手段から出力される振動波形のピッチが上昇傾向にある場合と下降傾向にある場合とにおいて、前記振動モデルの固有振動を変化させるべくパラメータを変化させ、前記振動波形の音色を変化させることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、振動モデルの機械的特性および材料特性を表わす特性データに従って前記振動モデルの挙動を決めるパラメータを算出すると、入力波形に応じて励振される振動モデルの挙動が、この算出されたパラメータに応じてシミュレートされ、当該振動モデルが発生する振動波形を出力し、前記パラメータ算出手段は、前記波形出力手段から出力される振動波形のピッチが上昇傾向にある場合と下降傾向にある場合とにおいて、前記振動モデルの固有振動を変化させるべくパラメータを変化させ、前記振動波形の音色を変化させる。したがって、振動モデルの機械的特性および材料特性をそれぞれ異ならせた木目細かなパラメータ生成を実現でき、この結果、従来には無い新規な楽器形態を実現しながらも、あたかも自然楽器のようなリアリティに富んだ音響効果を得ることが可能になっている。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明による音響効果装置は、例えば、楽音発生装置やエフェクタ等に適用され得る。以下、図面を参照して本発明の実施の形態である楽音制御装置を実施例として説明する。
【００１２】
Ａ．実施例の構成
（１）全体構成
図１は、本発明による音響効果装置が適用された楽音発生装置の全体構成を示すブロック図である。この図において、１は設定操作に応じた各種パラメータを発生して音源部６（後述する）側に供給する制御部であり、構成要素２〜５からなる。
制御部１において、２はＣＰＵであり、制御部１の各部を制御する一方、後述するディジタル・シグナル・プロセッサ９（以下、ＤＳＰと記す）に対して発生すべき楽音波形を指定するコントロール情報を発生して送出する。
【００１３】
３はＣＰＵ２のワークエリアとして使用されるＲＡＭであり、各種レジスタ／フラグデータが一時記憶される。４はＲＯＭであり、ＣＰＵ２にロードされる制御プログラムや制御データの他、後述する振動モデルの機械的特性や材料特性を表わす特性データが記憶されている。ＲＯＭ４に記憶される特性データとは、振動モデルの機械的特性および材料特性を表わす各種データであって、例えば、張力Ｔ、ヤング率Ｅ、せん断弾性係数Ｇ、体積弾性率Ｋ、比重ρおよび曲げこわさＩ等からなる。
【００１４】
５はＬＣＤパネルや各種操作スイッチなどから構成される操作部であり、設定操作に応じた操作信号を発生すると共に、これに応じてＣＰＵ２側から供給される表示制御信号に基づき設定状態をＬＣＤパネルに表示する。なお、この操作部５のＬＣＤパネルに上記の特性データを表示させ、ユーザーの操作に応じて対応する振動モデルの機械的特性を変更させたり、使用する材料特性（例えば、等方性材料、異方性材料等の選択）を変更することも可能になっている。
【００１５】
音源部６は、構成要素７〜１２から構成され、入力端Ｔ１に供給される入力信号を、上記制御部１から送出されてくるコントロール情報に基づいて所定の波形に変換した楽音波形を出力端Ｔ２から出力する。入力端Ｔ１には、例えば、マイクロフォンあるいはピックアップコイルなどで電気信号に変換された入力波形が供給される。
この音源部６において、７はバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）であり、入力波形の所要周波数成分のみを抽出すべくバンドパスフィルタリングを施してなる波形信号を出力する。８はＢＰＦ７の出力をＡ／Ｄ変換して波形データを発生するＡ／Ｄ変換器である。
【００１６】
ＤＳＰ９は、ＣＰＵ２から供給されるコントロール情報に従って自身に内蔵されるマイクロプログラムを実行して、上記Ａ／Ｄ変換器８から出力される波形データに対して振動モデル・シミュレーションを施して楽音波形（波形データ）を発生する。１０はＤＳＰ９の演算結果などが一時記憶されるワークＲＡＭ、１１はＤＳＰ９から出力される楽音波形（波形データ）をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器である。１２はこのアナログ信号にノイズ除去等のフィルタリングを施した後、増幅して出力端Ｔ２に供給する出力回路である。
【００１７】
上記構成によれば、操作部５においてなされる設定操作に応じてＣＰＵ２が発生すべき楽音波形を指定するコントロール情報を生成してＤＳＰ９に与える。そうすると、ＤＳＰ９では、バンドパスフィルタリングされた入力信号を、上記コントロール情報に従って所定の減衰振動波形に変換すべく、振動モデル・シミュレーションを実行し、これにより得られた減衰振動波形を楽音信号として出力する。
【００１８】
（２）振動モデルの構成
次に、ＣＰＵ２およびＤＳＰ９によって形成される振動モデルの概念および構成について順次説明する。
▲１▼モデル概念
ＣＰＵ２およびＤＳＰ９によって形成される振動モデルは、減衰振動系を最も単純な形で表現したものであって、図２に図示する通り、一端が固定されたバネＳＰの他端に重りＭを装着すると共に、その重りＭに対して振動を吸収するダンパＤＰを設けたものである。そして、こうした振動モデルに対して入力波形を振動入力として与えた時、このモデルがシミュレートする減衰振動を出力波形とする。
【００１９】
▲２▼モデル構成
次に、振動モデル・シミュレーションによって、入力波形を減衰振動波形に変換するユニット１００と、このユニット１００に対してシミュレーションに必要な諸条件、すなわち、上述したＣＰＵ２から供給されるコントロール情報に応じて重りＭの質量や、振動変位に対応して非線形に変化するバネＳＰのバネ定数およびダンパＤＰのダンピング定数（減衰率）等の各種パラメータを発生するモジュール２００と、このモジュール２００に一部内包され、ＣＰＵ２の動作によって具現されるダンパ特性算出部５０およびスプリング特性算出部６０の構成について説明する。
【００２０】
ａ．ユニット１００の構成
まず、上述の振動モデルに基づき減衰振動をシミュレートするユニット１００の構成について図３を参照して説明する。この図において、２０は乗算器であり、入力端ＩＮから供給される入力波形に入力ゲインＧ１を乗算して励振力ｆｉを発生する。入力ゲインＧ１は、変位を力に変換する定数であり、任意に設定可能としている。
２１は加算器であり、前段から供給される励振力ｆｉと、ダンパ・フィードバックループ（後述する）から供給されるダンパＤＰの減衰力−ｆｒと、スプリング・フィードバックループ（後述する）から供給されるバネＳＰの反発力ｆｄとを加算して重りＭに印加される合成力ｆを発生する。
【００２１】
２２は乗算器であり、上記加算器２１から出力される合成力ｆに重りＭの質量ｍの逆数を乗算して加速度信号ａを発生する。２３は後述する遅延回路２４の出力と乗算器２２が出力する加速度信号ａとを加算して出力する加算器である。遅延回路２４は、入力される信号を１サンプル遅延して出力する。ここで、加算器２３と遅延回路２４とは第１の積分器を構成し、加速度信号ａを積分して重りＭの速度に相当する速度信号Ｖを発生する。
【００２２】
こうして生成された速度信号Ｖは、遅延回路２５およびダンパシミュレート部２６から形成されるダンパ・フィードバックループに注入され、ダンパＤＰの減衰力−ｆｒに変換される。ここで、遅延回路２５は入力信号を最大ｎサンプル遅延して出力するものであり、ディレイフリーループの形成を防止すべく介装されているが、最大ｎサンプル遅延を生じさせることでダンパＤＰの固有振動をシミュレートすることも可能としている。
この遅延段数ｎは、発生する楽音のピッチに応じて変化させるようにしても良く、例えば、ピッチが上昇する場合と下降する場合とで異ならせ、音色変化を与えることもできる。さらに、この遅延段数ｎは、振動モデルの材料特性に応じてその材質内を伝播する音速（（Ｅ／ρ）1/2）に比例して小さくなるようにしてもよい。
【００２３】
ダンパシミュレート部２６は、構成要素２６ａ〜２６ｂからなる。２６ａはｎサンプル遅延された速度信号Ｖに減衰率−ｄｒ２を乗算する乗算器である。２６ｂは、ＲＯＭ４に記憶される特性データに基づき、後述するダンパ特性算出部５０によって算出される減衰係数−ＣＬDPと乗算器２６ａの出力とを乗算して減衰力−ｆｒを発生する乗算器である。そして、この減衰力−ｆｒは上述した加算器２１にフィードバック入力される。
【００２４】
さて、速度信号Ｖは、上述したダンパ・フィードバックループに注入される一方、加算器２７および遅延回路２８からなる第２の積分器に入力されて変位信号ｄに変換される。すなわち、この第２の積分器では、現在の速度信号Ｖと１サンプル前の速度信号Ｖとを逐次累算して速度積分を施すことによって変位信号ｄを発生する。そして、生成された変位信号ｄは、出力波形として出力端ＯＵＴに供給されると共に、構成要素２９，３０から形成されるスプリング・フィードバックループへ入力される。
【００２５】
２９は変位信号ｄを最大ｍサンプル遅延して出力する遅延回路である。この遅延回路２９は、ディレイフリーループの形成を防止すべく介装されているが、最大ｍサンプル遅延を生じさせることでバネＳＰの固有振動をシミュレートすることも可能としている。
３０はスプリグシミュレート部であり、構成要素３０ａ〜３０ｃからなる。３０ａはｎサンプル遅延された変位信号ｄにスプリングレートｓｒ２を乗算する乗算器である。３０ｂは、この乗算器３０ａの出力に応じたスプリング特性を発生する乗算器である。乗算器３０ｂは、ＲＯＭ４に記憶されている特性データに基づき、後述するスプリング特性算出部５０によって算出される反発係数ＣＬSPを、上記乗算器３０ａの出力に乗算してバネＳＰ（図２参照）の反発力ｆｄを発生し、これを上述した加算器２１にフィードバック入力する。
【００２６】
以上のように、ユニット１００では、入力波形に入力ゲインＧ１を乗算してなる励振力ｆｉと、ダンパＤＰの減衰力−ｆｒと、バネＳＰの反発力ｆｄとを加算して重りＭに印加される合成力ｆを求め、これに重りＭの質量ｍの逆数を乗算してなる加速度信号ａを積分して速度信号Ｖを発生する。
速度信号Ｖは上述のダンパ・フィードバックループを経て減衰力−ｆｒに変換される一方、積分されて変位信号ｄに変換される。この変位信号ｄは、出力波形として出力端ＯＵＴから出力される一方、上述のスプリング・フィードバックループを経て反発力ｆｄに変換される。
【００２７】
ｂ．モジュール２００の構成
次に、上述したユニット１００に対して各パラメータ（重りＭの質量ｍ、スプリングレートｓｒ１，ｓｒ２および減衰率ｄｒ１，ｄｒ２等）を与えるモジュール２００の全体構成について説明する。
【００２８】
（イ）モジュール２００の全体構成
モジュール２００は、１つのユニット１００を内包し、当該ユニット１００に対して付与する各パラメータの値を制御するモジュレータ群から構成されており、その一例を図４に示す。
図４において、Ｍ１〜Ｍ８はモジュレータであり、ＣＰＵ２から供給されるコントロール情報に応じた各種のパラメータを発生する。すなわち、モジュレータＭ１は入力ゲインＧ１を、モジュレータＭ２は重りＭの質量ｍを、モジュレータＭ３は減衰率ｄｒ１を、モジュレータＭ４は減衰率ｄｒ２をそれぞれ発生する。また、モジュレータＭ５は遅延回路２５の最大遅延段数ｎを、モジュレータＭ６はスプリングレート（バネ定数）ｓｒ１を、モジュレータＭ７はスプリングレート（バネ定数）ｓｒ２を、モジュレータＭ８は遅延回路２９の最大遅延段数ｍをそれぞれ発生する。
【００２９】
ＣＮＴ１，ＣＮＴ２はオフセットコントローラであり、それぞれ操作に応じたコントロール情報を生成し、ＣＰＵ２側に設けられるダンパ特性算出部５０およびスプリング特性算出部６０に供給し、これら算出部５０，６０においてそれぞれ算出される減衰係数−ＣＬDP、反発係数ＣＬSPを、上述したユニット１００内部の乗算器２６ｂおよび乗算器３０ｂの各係数としてデータセットする。なお、減衰係数−ＣＬDPを発生するダンパ特性算出部５０および反発係数ＣＬSPを発生するスプリング特性算出部６０の詳細については追って述べる。
このように、モジュレータＭ１〜Ｍ８およびオフセットコントローラＣＮＴ１，ＣＮＴ２により生成されるパラメータは、上述したユニット１００の対応各部に供給されるようになっている。
【００３０】
（ロ）モジュレータＭの構成
各パラメータを発生するモジュレータＭ１〜Ｍ８は、図５に示すように、構成要素４０〜４４から形成されている。この図において、４０は操作量に応じて出力レベルをオフセットコントロールする操作子である。４１は低周波信号を発生するＬＦＯ（低周波発振器）である。４２は周知のＡＤＳＲ型で波形制御するエンベロープジェネレータである。４３は信号エンベロープレベルを検出して出力するエンベロープフォロワである。４４はこれら構成要素４０〜４３の出力を加算する加算器である。
【００３１】
このような構成によるモジュレータＭ１〜Ｍ８では、ＣＰＵ２から供給されるコントロール情報に応じて各構成要素４０〜４３を制御して経時変化するパラメータを生成可能としている。
例えば、ユニット１００に入力波形が供給される当初には、操作子４０で設定される固定的なパラメータを発生し、以後、時間経過に応じてパラメータ値をＬＦＯ４１で周期的に変化させたり、パラメータ値の変化レート／レベルを構成要素４２，４３の出力に応じて経時変化させたりすることが可能になっている。この結果、ユニット１００に対して複雑に変化する各様なパラメータを与えることが可能になる。
【００３２】
ｃ．ダンパ特性算出部５０の機能
次に、図６を参照してダンパ特性算出部５０の機能について説明する。ダンパ特性算出部５０では、例えば、減衰モデルが図６に示す自然減衰系であれば、次式（１）で表現される運動方程式の解から前述した減衰係数−ＣＬDPを算出する。
つまり、ｍ（ｄｘ2／ｄｔ2）＋ｃ（ｄｘ／ｄｔ）＋ｋｔ＝０  …（１）
の解は、ｘ＝ｅstとすると、上記（１）式は次式（２）で表現され、
（ｍｓ2＋ｃｓ＋ｋ）ｅst＝０  …（２）
そして、この（２）式の解ｓは次式（３）で表わされる。
−（ｃ／２ｍ）±｛（ｃ／２ｍ）2−ｋ／ｍ｝1/2  …（３）
【００３３】
ここで、質量ｍとバネ定数ｋとが既知であるから、（ｃ／２ｍ）2−ｋ／ｍが「正」、「負」および「０」の３条件における係数ｃを算出し、それを減衰係数−ＣＬDPとすれば良い。すなわち、ユーザーが上記３条件をいずれかを選択すれば、その条件に対応する減衰係数−ＣＬDPが算出される訳である。
例えば、（ｃ／２ｍ）2−ｋ／ｍ＝０なる条件を選択した時には、ｃ＝（４ｍｋ）1/2となり、この場合、減衰係数−ＣＬDPは減衰振動と非周期運動の境界にあたる臨界減衰状態下に対応したものとなり、こうした係数を用いると不安定な波形を得ることができる。
【００３４】
ところで、本発明では、上述した自然減衰系によるモデルではなく、入力波形に応じて強制振動されるモデルの挙動についてシミュレートし、時々刻々変化する減衰係数−ＣＬDPを生成する必要がある。
強制振動の場合には共振周波数ωｒから減衰係数−ＣＬDPを逆算して算出することができる。つまり、共振周波数ωｒは次式（４）で表わされ、
ωｒ＝｛ｋ／ｍ−１／２（ｃ／ｍ）2｝1/2  …（４）
このωｒは図３に示した乗算器２６ｂに入力される信号（速度Ｖ）に相当する。したがって、減衰係数−ＣＬDPは次式（５）で算出可能となる。
ｃ＝（２ｋｍ−２ωｒ2ｍ2）1/2  …（５）
【００３５】
上記（５）式におけるバネ定数ｋおよび質量ｍはＲＯＭ４の特性データとして記憶され、ωｒは前述のＤＳＰ９にてリアルタイムに算出されるので、例えば、質量ｍが「１０」、バネ定数ｋが「５」の場合には、上記（５）式に基づき、その時の共振周波数ωｒに基づき、減衰係数−ＣＬDPは（１００−２００ωｒ2）1/2で算出される。
なお、バネが板状のものである場合には、その寸法形状（断面積Ａおよび長さＬ）と材料特性（ヤング率Ｅ、比重ρおよび曲げこわさＩ）に基づきその固有振動数ωを求め、この固有振動数ωに基づいて減衰係数−ＣＬDPを算出すれば良い。
【００３６】
ｄ．スプリング特性算出部６０の機能
次に、図７を参照してスプリング特性算出部６０の機能について説明する。スプリング特性算出部６０では、図７に図示する形状のコイルバネ、つまり、線径ｄの線材が半径Ｒにて巻回されてなるコイルバネが持つエネルギーから反発係数ＣＬSPを算出する。
すなわち、このコイルバネに加わる捩り応力τ1とせん断応力τ2とを合成した総合応力τmaxは、次式（６）で表わされる。
τmax＝τ1＋τ2＝１６ＰＲ（１＋ｄ／４Ｒ）／πｄ3  …（６）
そして、カスティリアノの定理に基づき総合応力τmaxからエネルギーＵを導出すると、次式（７）で表わされる。
Ｕ＝Ｐ2Ｒ2Ｌ／２ＧＩp …（７）
但し、Ｐは荷重、Ｌは線長（２πＲｎ（ｎは巻回数））、Ｉpは断面２次モーメント、Ｇはせん断弾性係数である。
【００３７】
さて、上記（７）式で表現されるエネルギーＵについて荷重Ｐで偏微分することにより撓みδ＝ＰＲ2Ｌ／ＧＩpが求まり、ここで、Ｌ＝２πＲｎ、Ｉp＝πｄ4／３２なる関係から、結局、撓みδ＝６４ｎＰＲ3／Ｇｄ4となり、次式（８）に基づき反発係数ＣＬSPを算出することができる。
ＣＬSP＝Ｐ／δ＝Ｇｄ4／６４ｎＲ3  …（８）
したがって、ＲＯＭ４に記憶される特性データ中より上記各定数Ｇ、ｄ、ｎ、Ｒを選択して上記（８）式に基づく演算を行えば、容易に反発係数ＣＬSPが算出でき、これが前述した乗算器３０ｂ（図３参照）の乗算係数として与えられる。
【００３８】
なお、反発係数ＣＬSP算出に用いる各定数Ｇ、ｄ、ｎ、Ｒは固定値として扱っても良いが、ユーザーの選択操作に応じてリアルタイムに変更する態様としてもよい。
また、以上に説明した内容はコイルバネを想定したものであるが、これに限らず、板バネ、トーションバー、空気バネ（体積弾性率を使用）にそれぞれ対応する算出式を予め設定しておき、ユーザーが選択するバネ種類に応じてこれらの内から選択して対応する反発係数ＣＬSPを生成する態様にすることも可能である。
【００３９】
さらに、降伏点以前および以降の２種類の材料特性データに分け、さらにはその材料の限界応力値τｂを準備しておき、ユーザーが設定したＰやＲの値により算出される総合応力τmaxが限界応力値τｂを下回る場合には、降伏点以前の材料特性データを用い、上回る場合には降伏点以降の材料特性データを用いるようにしてバネ定数ｋを生成することも可能である。このようにすることで、例えば、経年劣化した楽器が発生するホンキートンク調の楽音や、新品の楽器が出す楽音など、生成する楽音に自然なバリエーションを与えることができる。
【００４０】
▲３▼システム構成
次に、ＤＳＰ９において構築される振動モデル・シミュレーション・システムの構成について説明する。
前述したように、ユニット１００とモジュール２００とは一組になって入力波形を所望の減衰振動波形に変換する振動モデル・シミュレーションを行うが、ＤＳＰ９ではこれを複数組設けてシミュレーション・システムを構築している。本実施例の場合、図８に図示するように、ユニット１００を内包するモジュール２００を２段縦続した系統を並列２系統備える。
【００４１】
以下、図８を参照してシステム構成について説明する。２段縦続した並列２系統のモジュール２００−１〜２００−４は、加算器１０１〜１０５および乗算器１０６〜１１１が介装される信号伝搬路にて接続され、モジュール相互間で信号循環するようになっている。
すなわち、加算器１０１は、入力波形に乗算器１１１の出力を加算してモジュール２００−１に供給する。加算器１０２は、モジュール２００−１の出力と、乗算器１０９の出力と、乗算器１１０の出力とを加算してモジュール２００−２に供給する。加算器１０３は、入力波形に乗算器１０８の出力を加算してモジュール２００−３に供給する。加算器１０４は、モジュール２００−３の出力と、乗算器１０６の出力と、乗算器１０７の出力とを加算してモジュール２００−４に供給する。加算器１０５は、モジュール２００−２およびモジュール２００−４の各出力を加算して最終的に得られる出力波形を発生する。
【００４２】
各乗算器１０６〜１１１は、図中の要部拡大図として示すように、入力信号を少なくとも１サンプル遅延して出力する遅延回路ＤＥＬＡＹと、この回路ＤＥＬＡＹの出力に係数乗算する乗算回路ＭＵＬＴと、これら回路ＤＥＬＡＹ，ＭＵＬＴに遅延時間、乗算係数を与えるモジュレータＭとを有している。
つまり、モジュール２００−１〜２００−４内のモジュレータＭ１〜Ｍ８と同様に乗算係数を経時変化させる一方、ディレイフリーループを防止すべく遅延回路ＤＥＬＡＹを設けている。
【００４３】
１１２はエンベロープ検出部であり、入力波形のエンベロープレベルを検出し、検出したエンベロープレベルの変化態様から、例えばギター演奏時におけるピッキング等の演奏開始タイミングを発生する。このエンベロープ検出部１１２が出力する演奏開始タイミングは、各モジュール２００−１〜２００−４に供給され、内部モジュレータに各パラメータ発生を指示するトリガ信号として扱われる。
１１３はシリアルインタフェース回路であり、ＣＰＵ２から供給されるコントロール情報を各モジュール２００−１〜２００−４の内部モジュレータに供給する。
【００４４】
上記システムによれば、シリアルインタフェース回路１１３を介してＣＰＵ２からのコントロール情報が各モジュール２００−１〜２００−４の内部モジュレータに供給され、かつ、エンベロープ検出部１１２が演奏開始タイミングを発生すると、各モジュール２００−１〜２００−４では与えられたパラメータに基づき個々独立して前述した振動モデル・シミュレーションを実行し、入力波形を所定の減衰振動に変換してなる出力波形を発生する。
そして、この出力波形が上述した加算器１０１〜１０５および乗算器１０６〜１１１が介装される信号伝搬路を経て各モジュール２００−１〜２００−４相互間を循環しながら入力波形に重畳され、最終的に入力波形には存在しない周波数成分を持つ減衰振動波形が形成されて出力される。
【００４５】
こうした動作の一例を図９および図１０を参照して説明する。なお、この動作例では、ユニット１００を内包するモジュール２００を単体で動作させた一例を挙げている。
図９は入力波形の一例であり、これをユニット１００を内包するモジュール２００に入力すると、モジュール２００は図１０に図示する出力波形を発生する。これら入力波形と出力波形との対比から明らかなように、振動モデル・シミュレーションによる波形形成は、入力振動に対応した減衰振動（あるいは強制振動）を励起させる訳だから、入力波形に対する出力波形の遅延がなく、これ故、発音遅れを起こすことが無い。また、出力波形は入力波形が不連続となった時でも、不連続にならず、これにより、例えば、出力波形にフィルタリングを施す際の波形連続に起因するノイズ発生を防止し得るという２次的な効果もある。
【００４６】
また、振動モデル・シミュレーションによる波形形成では、入力波形には存在しない周波数成分が出力波形に現われる。つまり、重りＭの減衰振動に共振する周波数や、バネＳＰやダンパＤＰの固有振動に共振する周波数の他、図８に図示したシステム構成では、モジュール間同士の相互干渉による共振なども考えられる。
したがって、楽音として倍音成分や非倍音成分が入力波形とは全く異なる複雑な出力波形となることが予想され、しかも入力波形を演奏操作に応じて微妙に変化させたりすると、その変化が倍音成分に影響を与えるから、従来には無い新規な音楽表現力や演奏効果を達成することができる。
【００４７】
さらに、従来、テーブル読出しによりダンパ特性やバネ特性にかかわるパラメータを発生させていたのに対し、本実施例ではリアルタイムに算出し得る構成としたため、通常、自然界では考えられない音色変化や、原音（入力波形）にはない周波数成分を持つ出力波形を遅れなく連続的に発生しながらも、入力波形の変化のニュアンスを出力波形に反映し得る。これにより、従来には無い新規な楽器形態を実現しながらも、あたかも自然楽器のようなリアリティに富んだ音響効果を得ることができる訳である。
【００４８】
なお、上述した実施例では、２段縦続した並列２系統のモジュール２００−１〜２００−４を、加算器１０１〜１０５および乗算器１０６〜１１１が介装される信号伝搬路にて接続する態様を示したが、モジュール段数や接続経路はこれに限定されず、様々なバリエーションを取り得る。
つまり、上述の実施例においては、ＤＳＰ９が具現する振動モデル・シミュレーション・システムをハードウェアイメージとして説明したが、実際にはマイクロプログラムによって各モジュールや信号伝搬路の機能が定義されているので、シミュレーション・アルゴリズムを替えるだけで、容易に機能構成を変化させ得るようになっている。
【００４９】
また、本実施例による振動モデル・シミュレーションは、入力波形以外の外力が作用しない系を想定しているが、これに替えて、一方向に又は多方向に重力が加わる系をモデリングして波形形成するようにしても良い。
さらに、本実施例では、入力波形が重りＭに作用する外力としているが、これに限定されず、重りＭに作用するファクターを入力波形の速度などに置き換えても良い。
上述した実施例では、重りＭの速度に応じてダンパＤＰの減衰力を発生しているが、これに加えて重りＭの変位に応じて減衰力を発生するように静止摩擦や動摩擦、流体によるサージング、剥離振動等による影響をシミュレートすることも可能である。
【００５０】
また、予めバネＳＰに一定変位を与えておき、入力波形が印加された時点でそのバネＳＰを解放し、波形入力当初の振動レベルを所定値以上にして特殊な効果を付与するなどのエフェクタとして使用することも可能である。
なお、本実施例では、振動モデルの材質については等方性材料という前提で説明したが、これは異方性材料（例えば、円筒座標系木材など）のものであっても構わない。さらに、この座標系を選択するパラメータをユーザー操作に応じて変更できるようにすれば、一層、音作りの幅が広がることは言うまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、振動モデルの機械的特性および材料特性を表わす特性データに従って前記振動モデルの挙動を決めるパラメータを算出すると、入力波形に応じて励振される振動モデルの挙動が、この算出されたパラメータに応じてシミュレートされ、当該振動モデルが発生する振動波形を出力し、前記パラメータ算出手段は、前記波形出力手段から出力される振動波形のピッチが上昇傾向にある場合と下降傾向にある場合とにおいて、前記振動モデルの固有振動を変化させるべくパラメータを変化させ、前記振動波形の音色を変化させるので、振動モデルの機械的特性および材料特性をそれぞれ異ならせた木目細かなパラメータ生成を実現でき、この結果、従来には無い新規な楽器形態を実現しながらも、あたかも自然楽器のようなリアリティに富んだ音響効果を得ることが可能になっている。さらに、前記パラメータは機械的性質を用い、かつ材料に応じて等方性、異方性などを変更することもでき、幅広い音作りのバリエーションを持たせることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による音響効果装置が適用された一実施例の全体構成を示すブロック図である。
【図２】同実施例における振動モデルの概念を説明するための図である。
【図３】同実施例におけるユニット１００の構成を示すブロック図である。
【図４】同実施例におけるモジュール２００の構成を示すブロック図である。
【図５】同実施例におけるモジュレータの一構成例を示すブロック図である。
【図６】ダンパ特性算出部５０を説明するための図である。
【図７】スプリング特性算出部６０を説明するための図である。
【図８】振動モデル・シミュレーション・システムの構成を示すブロック図である。
【図９】入力波形の一例を示す波形図である。
【図１０】図７に図示した入力波形に振動モデル・シミュレーションを施して得られた出力波形の一例を示す波形図である。
【符号の説明】
２  ＣＰＵ（パラメータ算出手段）
３  ＲＡＭ
４  ＲＯＭ（特性データ記憶手段）
５  操作部（パラメータ算出手段）
７  ＢＰＦ
８  Ａ／Ｄ変換器
９  ＤＳＰ（波形発生手段）
１０  ワークＲＡＭ
１１  Ｄ／Ａ変換器
１２  出力回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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