(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
音高に対応する遅延量が設定される遅延手段を含む線形部と、該線形部を励振する励振部とからなる音源手段と、
該音源手段における前記線形部と前記励振部により形成されるループのトータルゲインを算出し、算出されたトータルゲインに基づいて、前記音源手段の発音領域を見積もる制御手段と、
該制御手段により見積もられた発音領域を含む領域上に、前記音源手段における演奏操作子により設定されている現行動作値を表示することができる表示手段と、
を備えることを特徴とする楽音合成装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記トータルゲインが１以上の領域を前記発音領域と見積もるようにしたことを特徴とする請求項１記載の楽音合成装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、楽器をシュミレー卜した物理モデル音源を備える楽音合成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
クラリネット等の管楽器の演奏音を発生する楽音合成装置においては、管楽器のマウスピース内の空気振動の振る舞いを電気的にシミュレートすることにより、管楽器音を発生する物理モデル音源を備える楽音合成装置が知られている。このような管楽器の楽音合成装置においては、キーボード操作により押鍵のピッチ情報を入力させるとともに、押鍵速度、押鍵圧力等により吹奏操作の息圧やアンブシャーに対応したパラメータ制御信号を形成して物理モデル音源に入力させることにより、管楽器の電子音を発生させている。
【０００３】
従来の管楽器アルゴリズムの物理モデル音源の構成例を図５に示す。図５において、吹奏圧に相当する息圧信号（BRETH）は、入力部となる減算器２０３に入力され、唇の締めや構えに相当する信号であるアンブシャー信号（AMBS）は、入力部となる加算器２０５に入力される。減算器２０３は信号ラインＬ２の入力信号から入力された息圧信号を減算することにより、マウスピースのリードを変位させるための差圧信号を出力する。減算器２０３の出力側にはローパスフィルタ（ＬＰＦ）２０４が接続され、差圧信号の高域成分を除去している。これは、リードが高域成分に応答しないためである。加算器２０５は、アンブシャー信号とローパスフィルタ２０４の出力とを加算して第１非線形テーブル（ＮＬ１）２０６に出力する。この第１非線形テーブル（ＮＬ１）２０６は付与された圧力に対するリードの変位をシミュレートするもので、所定の非線形の入出力特性を有している。これにより、第１非線形テーブル２０６の出力はマウスピースのリードにおける空気通路面積を表す信号となる。
【０００４】
第１非線形テーブル２０６の出力は乗算器２１６の一方の入力に接続される。乗算器２１６の他方の入力には第２非線形テーブル２０７の出力が供給されている。第２非線形テーブル２０７には、減算器２０３からの差圧信号が入力されており、狭い管路では流速が飽和することから差圧が大きくなった際に差圧と流速とが比例しなくなることを、第２非線形テーブル２０７はシミュレートしている。乗算器２１６は、第１非線形テーブル２０６の出力と第２非線形テーブル２０７の出力とを乗算することにより、マウスピースのリードにおける空気流速を表す信号を出力している。乗算器２１６の出力は、減衰器２０９を介して加算器２１０に入力される。減衰器２０９には管径に応じたループゲインが乗算されて、管径に応じて減衰されるようになる。減衰器２０９の出力は、加算器２１０に入力される。
【０００５】
信号ラインＬ１，Ｌ２をたすき掛けする線路と、加算器２１０および加算器２１１とによりジャンクションが構成されている。この加算器２１０は、信号ラインＬ２を構成するためのディレイ回路２１５の出力信号と減衰器２０９の出力信号とを加算して信号ラインＬ１に出力している。また、加算器２１１は信号ラインＬ１の信号とディレイ回路２１５からの信号を加算して信号ラインＬ２に出力している。このループにより、マウスピースとリードとの間隙直後における入力流速による入射波と、共鳴管からの反射波の合成圧力がシミュレートされる。
信号ラインＬ１の信号は管の解放端での反射をシミュレートするフィルタ２１３と減衰器２１４、および、ディレイ回路２１５を介して信号ラインＬ２に帰還される。フィルタ２１３はローパスフィルタ単独またはローパスフィルタとハイパスフィルタとが組み合わされて用いられる。フィルタ２１３は共鳴管の形状をシミュレートしている。ディレイ回路２１５は、共鳴管の長さおよび同共鳴管の端部からトーンホールまでの長さに対応してマウスピースからの入射波が反射波としてマウスピースに戻ってくる状態をシミュレートしている。そして、信号ラインＬ１の波形信号を、空気中の楽音の放射特性をシミュレートするためのバンドパスフィルタ２１２を介して楽音として取り出している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、演奏操作子の操作情報を直接音源に入力すると、ある操作領域では音がでなかったりあるいは不快な音やいわゆる裏返りの音（高次共振周波数での発振によって発する音）等の不整音を発生する場合があった。したがって、このような不整音発生を避けて演奏操作子を操作しなければならず、物理モデル音源を備える楽音合成装置の操作は容易ではなかった。
このような不整音は、例えば息圧とアンブシャーのパラメータが正常な発音領域に入っていないために生じる。管楽器の息圧とアンブシャーの関係は、図６に示すように、４本の直線により囲まれる音が鳴り始める正常な発音領域Ａと、一度発生した音が持続する持続領域Ｂと、音が消えるまたは不快音を発生する不整音領域Ｃとにおおよそ分割される。したがって、演奏操作子をある息圧に対応した状態で操作した場合に、そのときのアンブシャーが高すぎまたは低すぎて発音領域Ａに入らないと音は鳴り始めない。また、不整音領域Ｃに入れば音が消えたりまたは不快音や裏返り音を発生する。
これを利用して、物理モデル音源を備える楽音合成装置の操作を容易にするために、演奏操作子からの操作データが例えば不整音領域にある場合には、これを発音領域に入るデータに補正し、この補正されたデータを物理モデル音源に入力することが提案されていた（特開平３−２２５３９７号）。
【０００７】
しかしながら、図６に示すような正常な発音領域Ａと、一度発生した音が持続する持続領域Ｂと、音が消えるまたは不快音を発生する不整音領域Ｃとを知るためには、２次元領域において息圧とアンブシャーとの異なる値を組み合みあわせたパラメータを多数設定して実際に計測する必要があり、多大の労力と時間とが必要になるという問題点があった。
そこで、本発明は、物理モデル音源の発音領域を容易に見積もることができると共に、その操作を容易に行うことのできる楽音合成装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の楽音合成装置は、音高に対応する遅延量が設定される遅延手段を含む線形部と、該線形部を励振する励振部とからなる音源手段と、該音源手段における前記線形部と前記励振部により形成されるループのトータルゲインを算出し、算出されたトータルゲインに基づいて、前記音源手段の発音領域を見積もる制御手段と、該制御手段により見積もられた発音領域を含む領域上に、前記音源手段における演奏操作子により設定されている現行動作値を表示することができる表示手段とを備えている。
【０００９】
また、上記本発明の楽音合成装置において、前記制御手段は、前記トータルゲインが１以上の領域を前記発音領域と見積もるようにしてもよい。
【００１０】
このような本発明によれば、音源手段における線形部と励振部により形成されるループのループゲインを算出することにより、音源手段の発音領域を見積もることができるようになる。この場合、発音領域をループゲインが１以上の領域とすればよい。そして、見積もられた発音領域を含む領域において、音源手段における演奏操作子による現行動作値を表示できるようにしている。これにより、この現行動作値が発音領域内となるように演奏操作子を操作することにより、難しいといわれている物理モデル音源の演奏を容易に行うことができるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態における楽音合成装置のハードウェア構成をブロック図で図１に示す。
図１に示す楽音合成装置１において、ＣＰＵ１０は各種プログラムを実行することにより楽音合成装置１における楽音生成の動作を制御する中央処理装置（Central Processing Unit）である。メモリシステム（MEMORY SYSTEM）１１は、ＣＰＵ１０が実行する楽音生成制御処理のプログラムや、各種データが格納されているＲＯＭ（Read Only Memory）と、楽音合成装置１におけるメインメモリであり、ＣＰＵ１０のワークエリア等が設定されるＲＡＭ（Random Access Memory）から構成されるメモリシステムである。ＤＳＰ（Digital Signal Processor）１２は、ＣＰＵ１０の制御の基で物理モデルの音源アルゴリズムを実行することにより楽音を発生する信号処理装置である。ＤＡＣ１３は、発生された楽音をサンプリング周期でアナログ楽音信号に変換して出力するディジタル／アナログ変換器である。
【００１２】
演奏操作子１４は、キーボード等の演奏操作子であり、キーボード操作により押鍵のピッチ情報を出力しているとともに、押鍵速度、押鍵圧力等により吹奏操作の息圧やアンブシャーに対応した演奏操作子情報を出力している。この演奏操作子１４を操作した際の演奏操作子情報はＤＳＰ１２に供給されて、演奏操作子情報に応じた楽音がＤＳＰ１２により発生されるようになる。一般操作子１５は、パネル等に設けられた複数のスイッチであり、一般操作子１５を操作した際のスイッチ情報はバス１７に送出される。表示装置１６は、楽音合成装置１の設定画面が表示されたり、演奏中においては演奏操作子１４により入力された演奏操作子情報で設定されるＤＳＰ１２により実現されている物理モデル音源の現行動作値が、後述するようにその発音領域と共に表示される。演奏者は、この表示画面を見ながら現行動作値が発音領域内に位置するように演奏操作子１４を操作することにより、正常な発音を物理モデル音源に行わせることができるようになる。また、バス１７は各ブロック間においてデータ等を相互に授受するためのバスであり、データバスやアドレスバスから構成されている。
【００１３】
上記した楽音合成装置１のハードウェア構成は、パーソナルコンピュータやワークステーションにＤＳＰボードを拡張したのと同様の構成とされており、ＤＳＰボードを拡張したパーソナルコンピュータやワークステーションにより楽音合成装置１を構成するようにしてもよい。
本発明にかかる楽音合成装置１では、ＣＰＵ１０が楽音合成装置のベースとされており、ＣＰＵ１０が表示装置１６の表示制御や音色パラメータの生成等の演奏情報の供給管理を行っている。そして、ＤＳＰ１２がＣＰＵ１０の制御の基で供給された演奏情報に基づいて物理モデル音源の音源アルゴリズムを実行することにより、楽音を発生して出力するようにしている。
【００１４】
次に、ＤＳＰ１２が実行する音源アルゴリズムで実現される物理モデル音源の構成を示すブロック図を図２に示す。
図２に示す物理モデル音源は、クラリネットやサックス等の管楽器の物理モデル音源とされており、励振部２と、励振部２で駆動される線形部（管体モデル部）３とから構成されている。励振部２には、吹奏圧に相当する息圧信号（BRETH）と、唇の締めや構えに相当する信号であるアンブシャー信号（AMBS）が、演奏操作子１４を操作した演奏操作子情報として入力されている。また、演奏操作子１４から出力されるピッチ情報も、図示されていないが励振部２に入力される。息圧信号（BRETH）は減算器２１に入力され、減算器２１において線形部３から供給されているフィードバック信号から息圧信号が減算されることにより、マウスピースのリードを変位させるための差圧信号がドライブ信号（DRIVE）として出力される。このドライブ信号は、ローパスフィルタからなるリードダイナミクスフィルタ（RDF）２２に供給され、ドライブ信号（DRIVE）の高域成分が除去される。ＲＤＦ２２は、リードのダイナミクスを模擬するためのフィルタであり、リードが高域成分に応答しないことから高域成分を除去している。
【００１５】
ＲＤＦ２２にはアンブシャー信号（AMBS）が供給されており、アンブシャー信号に応じてＲＤＦ２２の通過特性が変更されている。ＲＤＦ２２から出力される高域成分の除去されたドライブ信号は、アンブシャー信号と共に非線形変換部１（REEDNL）２３に供給される。この非線形変換部１（REEDNL）２３は付与された圧力（ドライブ信号）に対するリードの変位をシミュレートするもので、所定の非線形の入出力特性のテーブルを有している。このテーブルは複数用意されており、アンブシャー信号に応じたいずれかのテーブルが選択される。これにより、非線形変換部１（REEDNL）２３の出力はマウスピースのリードにおける空気通路面積を表す信号となる。
【００１６】
非線形変換部１（REEDNL）２３の出力は乗算器２５の一方の入力に供給される。この乗算器２５の他方の入力には非線形変換部２（GRAHAMNL）２４の出力が供給されている。非線形変換部２（GRAHAMNL）２４は、狭い管路では流速が飽和して差圧が大きくなった際に差圧と流速とが比例しなくなることを模擬しており、減算器２１から出力されたドライブ信号が所定値で飽和する入出力特性の非線形テーブルを有している。乗算器２５は、非線形変換部１（REEDNL）２３の出力と非線形変換部２（GRAHAMNL）２４の出力とを乗算することにより、マウスピースのリードにおける空気流速を表す信号を出力している。乗算器２５の出力は、励振部２におけるドライブゲイン（DRVGAIN）を示す減衰器２６を介して励振信号として励振部２から出力される。この減衰器２６には管径に応じたドライブゲイン（DRVGAIN）が乗算されて、管径に応じて減衰されるようになる。
【００１７】
励振部２により駆動される線形部（管体モデル部）３は、往路に往路第１遅延手段２７（DELAY1a）と往路第２遅延手段２８（DELAY2a）との縦続接続を有する。また、復路に復路第１遅延手段３４（DELAY1b）と復路第２遅延手段３２（DELAY2b）との縦続接続を有している。往路と復路とは、終端フィルタ（TMF）３０と終端における反射損失を表す減衰器３１との縦続接続により接続されている。減衰器３１には、終端ゲイン（TMGAIN）が設定されている。また、終端フィルタ（TMF）３０はローパスフィルタ単独またはローパスフィルタとハイパスフィルタとが組み合わされて用いられ、終端フィルタ（TMF）３０は共鳴管の形状をシミュレートしている。線形部（管体モデル部）３においてはDELAY1aとDELAY2aとの間にトーンホールが設けられており、DELAY1aとDELAY2aとの間と、DELAY1bとDELAY2bとの間とを接続する減衰器２９が設けられている。そして、減衰器２９の出力はDELAY2bの出力と加算器３３により加算されて、DELAY1bに供給されている。減衰器２９は、このトーンホールによる反射損失を表し、トーンホールゲイン（THGAIN）が設定されている。
【００１８】
励振部２からの励振信号は、線形部（管体モデル部）３におけるDELAY1aに供給されており、DELAY1aにはDELAY2a、TMF３０，減衰器３１，DELAY2b、加算器３３，DELAY1bが縦続接続されて第１ループ（ＬＯＯＰ１）を構成している。また、DELAY1aには、減衰器２９，加算器３３，DELAY1bが縦続されて第２ループ（ＬＯＯＰ２）が構成されている。ＬＯＯＰ１およびＬＯＯＰ２は、共鳴管の長さおよび同共鳴音の端部からトーンホールまでの長さに対応してマウスピースからの入射波が反射波としてマウスピースに戻ってくる状態をシミュレートしている。従って、このＬＯＯＰ１とＬＯＯＰ２との遅延時間に基づいて、発生される楽音のピッチが決定されることから、演奏操作子１４からのピッチ情報に応じてDELAY1a，DELAY2a，DELAY1b，DELAY2bの遅延時間が設定されている。なお、DELAY1aとDELAY1b、DELAY2aとDELAY2bとの遅延時間は原則としてほぼ等しく設定される。そして、ループ上の波形信号を、楽音として取り出すことができる。この場合、空気中の楽音の放射特性をシミュレートするバンドパスフィルタを介して取り出すようにしてもよい。
【００１９】
次に、図２に示す物理モデル音源において正常に発音される場合を検討する。物理モデル音源を遅延帰還回路型音源としてとらえると、そのループゲインが１以上となれば、ループ内に振動を発生することができると共に、発生した振動は持続するはずである。そこで、本発明においては物理モデル音源におけるループゲインが１以上となる領域を正常に発音される発音領域とする。この場合の入力パラメータは、演奏操作子１４から入力される息圧信号（BRETH）とアンブシャー信号（AMBS）であり、ループゲインは演奏操作子１４から入力されるピッチ情報ｆｐにおけるループゲインとされる。
ここで、図２に示す物理モデル音源におけるループゲインを求めてみる。このループゲインの算出に先立ち、音色を決定すると共に所定の音高（ピッチ）を定めて、これにより設定されたパラメータを遅延手段やフィルタに設定しておく。さらに、非線形変換部１（REEDNL）２３および非線形変換部２（GRAHAMNL）２４における非線形の振幅変換特性を割り出しておくと共に、そのゲインをダイナミックゲイン（非線形特性の接線の傾き）として算出するものとする。
【００２０】
次に、線形部（管体モデル部）３における等価遅延量DELAYとループゲインLOOPGAINを求める。この場合、終端フィルタ（TMF）３０のゲインを１と見なし、終端ゲイン（TMGAIN）とトーンホールゲイン（THGAIN）との比をＧ：１とする。すると、等価遅延量DELAYは、
DELAY=DELAY1a+(DELAY2a+DELAY2b+DELAYtmf)*[TMGAIN/(TMGAIN+THGAIN)]+DELAY1b                                          （１）
と表される。ただし、（１）式においてDELAYtmfは終端フィルタ（TMF）３０の遅延量であり、＊は乗算記号である。この等価遅延量DELAYは、クラリネットやサックスの場合では基音の半周期（１／２波長）に相当するようになる。
【００２１】
ここで、DELAY1aの段数値を、その遅延量をサンプリング周期Ｔｓで除算して求める。
DELAY1aの段数値＝DELAY1a／Ｔｓ＝DD1a
この段数値を、ｚ変換すると
ｚ(-DD1a)＝ZD1a
と表される。同様にしてDELAY2a，DELAY1b，DELAY2bの段数値を求めてｚ変換すると、それぞれZD2a，ZD1b，ZD2bと表すことができる。そこで、線形部（管体モデル部）３におけるループ伝達関数TFLOOPを求めると、線形部（管体モデル部）３の入力端はCONNECT1とされ、その出力端はCONNECT2とされていることから、
TFLOOP=CONNECT2／CONNECT1=[ZD1a*THGAIN+ZD1a*(ZD2a+ZDtmf+ZD2b)TMGAIN]*ZD1b                                              （２）
と求められる。ただし、ZDtmfはｚ変換した終端フィルタ（TMF）３０の遅延量である。ここで求められたループ伝達関数TFLOOPは、線形部（管体モデル部）３におけるループゲインLOOPGAINとなり、ｊを虚数単位として、
ｚ＝ｅj2πfTs
とおくと、発音ピッチｆｐでのループゲインLOOPGAINfpは、
LOOPGAINfp＝｜TFLOOP｜f=fp
と表される。
【００２２】
次に、図２に示す物理モデル音源全体のトータルゲインTOTALGAINを求めるが、線形部（管体モデル部）３におけるゲインはループゲインTFLOOPfpとされていることから、図２の構成は図３に示す構成として示すことができる。図３においては、線形部（管体モデル部）３におけるゲインはループゲインTFLOOPfp４０として示されている。
図３に示すように物理モデル音源においては、入力がドライブ信号（DRIVE）であり出力がLOOPOUTであるから、トータルゲインTOTALGAINは、
0003747886.tif 000002
と表される。ただし、（３）式において、GAINRDF(AMBS,fp)は、演奏操作子１４から入力されるアンブシャー信号（AMBS）とピッチ情報fpに対するリードダイナミクスフィルタ２２のゲインである。また、GAINRNL(GAINRDF*DRIVE,AMBS)は、アンブシャー信号（AMBS）により切り換えられたテーブルにおけるドライブ信号とリードダイナミクスフィルタ２２のゲインとの乗算値に対する非線形変換部１（REEDNL）２３のゲインである。さらに、GAINGNL(DRIVE)は、ドライブ信号に対する非線形変換部２（GRAHAMNL）２４のゲインである。
【００２３】
そして、（３）式においてドライブ信号（DRIVE）とアンブシャー信号（AMBS）の取り得る値を代入し、例えば横軸をドライブ信号（DRIVE）とし、縦軸をアンブシャー信号（AMBS）とする座標上において、トータルゲインTOTALGAINが１以上（TOTALGAIN≧１）の領域を表示装置１６に表示する。この一例を図４に示す。図４においてハッチングされた領域がTOTALGAIN≧１の領域であり、トータルゲインTOTALGAINが１以上とされていることから遅延帰還回路の発振条件が満たされている。すなわち、TOTALGAIN≧１の領域においては図２に示す構成の物理モデル音源から楽音となる振動を発生することができることから、TOTALGAIN≧１の領域を正常な発音を行うことのできる発音領域とすることができる。また、図４に示すように演奏操作子１４から現在入力されている息圧信号（BRETH）およびアンブシャー信号（AMBS）に対してのトータルゲインTOTALGAINが現行動作値ＣＲとして発音領域を含む表示領域上に表示されている。そこで、演奏者は図４に示すような表示装置１６の表示を観察しながら現行動作値ＣＲが発音領域内に位置するように演奏操作子１４を操作することにより、正常な発音を行うことができるようになる。
【００２４】
このような、TOTALGAIN≧１の発音領域を算出して表示装置１６に表示する処理、および、現行動作値ＣＲを表示装置１６に表示する処理はいずれもＣＰＵ１０が実行する処理とされている。
以上の説明において、本発明の楽音合成装置は管楽器の物理モデル音源を備えるものとして説明したが、これに限らず、打楽器や打弦楽器、撥弦楽器、擦弦楽器の物理モデル音源の発音領域の見積もりに適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されているので、物理モデル音源手段における線形部と励振部により形成されるループのループゲインを算出することにより、物理モデル音源手段の発音領域を見積もることができるようになる。この場合、発音領域をループゲインが１以上の領域とすればよい。そして、見積もられた発音領域を含む領域において、物理モデル音源手段における演奏操作子による現行動作値を表示できるようにしている。これにより、この現行動作値が発音領域内となるように演奏操作子を操作することにより、難しいといわれている物理モデル音源の演奏を容易に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態における楽音合成装置のハードウェア構成を示すブロック図である。
【図２】  本発明の実施の形態における楽音合成装置にかかる物理モデル音源の構成を示すブロック図である。
【図３】  本発明の実施の形態における楽音合成装置にかかる物理モデル音源のトータルゲインを算出する際の等価構成を示す図である。
【図４】  本発明の実施の形態における楽音合成装置にかかる表示装置に表示される発音領域を示す図である。
【図５】  従来の管楽器アルゴリズムの物理モデル音源の構成例を示す図である。
【図６】  管楽器の息圧とアンブシャーの関係を示す図である。
【符号の説明】
１  楽音合成装置、２  励振部、３  線形部、１０  ＣＰＵ、１１  メモリシステム、１２  ＤＳＰ、１３  ＤＡＣ、１４  演奏操作子、１５  一般操作子、１６  表示装置、１７  バス、２１  減算器、２２  リードダイナミクスフィルタ、２３  非線形変換部１、２４  非線形変換部２、２５  乗算器、２６  減衰器、２７  往路第１遅延手段、２８  往路第２遅延手段、２９  減衰器、３１  減衰器、３２  復路第２遅延手段、３３  加算器、３４  復路第１遅延手段、２０３  減算器、２０４  ローパスフィルタ、２０５  加算器、２０６  第１非線形テーブル、２０７  第２非線形テーブル、２０９  減衰器、２１０  加算器、２１１  加算器、２１２  バンドパスフィルタ、２１３  フィルタ、２１４  減衰器、２１５  ディレイ回路、２１６  乗算器、Ａ  発音領域、Ｂ  持続領域、Ｃ不整音領域、ＣＲ  現行動作値
【図１】
0003747886.tif 000003
【図２】
0003747886.tif 000004
【図３】
0003747886.tif 000005
【図４】
0003747886.tif 000006
【図５】
0003747886.tif 000007
【図６】
0003747886.tif 000008