SOUND

令和５年度研究助成 【サウンド技術振興部門】より動作・姿勢がクラリネット発音に与える影響分析を実現する奏者生体−楽器連成モデルの開発
愛媛大学大学院理工学研究科
准教授

松浦 一雄

(共同研究者、共同執筆者）
愛媛県立松山東高等学校３年生

永田 真悠クラリネットを上手に操り観客に優雅な演

クロモデルは、機構の詳細はモデル定数として奏を届けるためには、奏者は正しい姿勢で腹考慮し、機構の本質をなるべく簡潔な関係式で式呼吸して吹き、キーをスムーズに操作する表す立場のモデルであり、メソモデルは物理的ことが大切である。その発音機構を不変的なな忠実度合いを高めることで、そのモデルの適数式を用いてモデル化しシミュレーションに用性をより一般的に拡張する立場である。両者

より直観的かつ定量的に提示できれば、クラの立場を同時に推進することで、全体的な仕組リネットに対する理解や親しみが増すと同時みを良く説明できると期待される。本研究でもに、この楽器を永遠に後世に伝える上でも貢両モデルを構築する研究を実施している。

献すると考えられる。往々にして他者と共有が解析対象として姿勢変化をパラメータに含め難しい主観的な感覚や自分で直接見ることがたクラリネットおよび奏者の連成システムをイできない事象も法則に基づき説明することで、メージするのは自然であろうが、過去文献を調共有しやすい情報に繋がることも期待される。

べてみると数理・シミュレーション解析によっ

そこで我々は、姿勢変化も考慮した呼吸に基て解析した文献は、著者の知る限り極めて少なづく、クラリネット発音の数理モデリングとい。そのような中でも、文献1）や2）が我々のシミュレーションを、実際の演奏と照らし合目的意識に近い。文献1）は、空気柱（唇やリわせながら研究している（図１）。

ードより上流側にある呼吸系や声道）、リード

この問題に取り組むにあたり２つの方法論およびクラリネットの３要素からなる時間領域が考えられる。一つは、生体やクラリネットのシミュレーションモデルを開発した。奏者の空詳細形状や動きを直接的には扱わず、全体的気柱をアナログ回路のアナロジーでモデルし口な積分量を主体にしてそれら物理量相互間の腔内圧を求めている。文献2）は、金管楽器奏関係を議論するマクロモデルによるアプロー

者の姿勢が呼吸に与える影響を報告している。

チであり、他方は詳細形状や動きを直接的にスパイロメトリーにより肺機能を調べた。筋電扱うメソモデルによるアプローチである。マ

図と誘導プレチスモグラフィーを用いてさまざ

20SOUND

ま演奏中の筋活動と呼吸運動を報告している。て成功した 。共鳴体付きホールトーン
22）

23）

やリ

マクロモデルを構築する材料として、クラングトーン の予測など、形状的に複雑な空間

リネットや呼吸機構、声道それぞれでは、長における予測も容易になりつつある。多少の計きに亘り研究が報告されている。例え算コストは要求されるものの、圧縮性Navier-

ば、クラリネットは1960年代以降音響学者によStokes方程式に粗視化から必要とされる付加項って詳しく研究されてきた。中でも特にを必要としない直接計算はSchumacher方程式

Schumacherは、リード振動、空気流入およびで必要とされる音響インピーダンス、反射関数

マウスピース内圧力を関係づけた発音機構に関の必要性から解放されるなどメリットが大きする微積分方程式系を提案した

い。目的とするメソモデリングを実現するデジ3）−12）

3）−6）

。呼吸機構

５），６）

に関しては、肺胞部、胸膜腔、胸壁、横隔膜や気道の各圧力と体積を関係づける数理モデルが24）

タル技術環境は整って来ている。
数理モデリングとシミュレーションにより動。実験的な統計データでは作・姿勢がクラリネット発音に与える影響が解あるが、呼吸に対する姿勢の影響も報告があ明され、これら知見を通して演奏がより身近にる。Schumacher方程式と呼吸機構の方程なると同時に、クラリネットが作る広い音域に式系を連立することにより、Schumacher方程亘る優美で独特な音環境を聴衆が楽しめる機会式で外部入力変数となっている吹鳴圧力を他変が増えると期待される。統計的に、女性は胸式数の仮定次第で自動的に値が決まる内部変数に呼吸の機会が多く、男性に比べて肺活量がより変え得る。

少ないため、クラリネット演奏に不利と言われ提案されている

7）
−11）

13）−16）

一方、メソモデルの構築に関しては、CTやることもある。また、世界的にもプロの女性奏MRIの普及により、生体の詳細形状モデリン者が少ない。本研究は、女性にも優しい演奏法グが進展している。Image Registrationや楽器設計にも繋がる。SDGsにおける目標第により動的な肺変形が規定され、５番ジェンダー平等にもかなう取り組みでもあ17）−20）

Technique21）有限要素モデリングが行われている。また数値る。

流体力学予測では、渦運動に起因する空力自励音の直接シミュレーションによる周波数予測も最後に、本研究の遂行にあたり、東京藝術大成熟してきた。特に、著者は噴流速度約10m/s

学専門研究員の柳下柚子博士に木管楽器の演奏の低速域で、笛吹やかんの原理にもなっているについて様々情報提供頂いた。ここに記して謝ホールトーンの卓越周波数の予測に世界で初め意を表する。

21

SOUND（a）良い姿勢
図１（b）悪い姿勢

クラリネット演奏時の姿勢（提供：永田真悠）

引用文献

ment, Chapter 4, In Human Respiration:
Anatomy and Physiology, Mathemati-1）S.D. Sommerfeldt, W.J. Strong, Simulation

cal Modeling, Numerical Simulation andof a Player-Clarinet System, J. Acoust.

Applications, V. Kulish ed., pp.95 − 115

Soc. Am., 83（5）, pp.1908 − 1918（1988）.

（2006）.

2）K. Price, P. Schartz, A.H. Watson, The

8）A. Athanasiades, et al., Energy Analy-

Effect of Standing and Sitting Postures

sis of a Nonlinear Model of the Normal

on Breathing in Brass Players, Springer-

Human Lung, J. Biological Systems, 8（2）,Plus, 3（210）
, pp.1 − 17（2014）.

pp.115 − 139（2000）.

3）N.H. Fletcher, T.D. Rossing, The Physics

9）R.K. Lambert, et al., A Computationalof Musical Instruments, Second Edition,

Model for Expiratory Flow, J. Appl.

Springer（1998）.

Physiol. Respir. Environ. Exerc. Physiol.,

4）A.H. Benade, Fundamentals of MusicalAcoustics, Second, Revised Edition, Dover

52（1）,pp.44 − 56（1982）.
10）R.K. Lambert, A New Computational

Publication, Inc., New York（1990）.

Model for Expiratory Flow from Nonho-5）T. Schumacher, Self-Sustained Oscilla-mogeneous Human Lungs, Trans. ASME,

tions of the Clarinet: An Integral Equa-J. Biomech. Eng., 111（3）, pp.200 − 205tion Approach, Acustica, 40（5）, pp.298 −（1989）.

308（1978）.
6）T. Schumacher, Ab Initio Calculations ofthe Oscillations of a Clarinet, Acustica, 48（2）, pp.71 − 85（1981）.

11）R. Scott Harris, Pressure-Volume Curvesof the Respiratory System, Respiratory
Care, 50（1）,pp.78 − 98（2005）.
12）J.L. Flanagan, Speech Analysis Synthesis

7）D.N. Ghista, K.M. Loh, M. Damodaran,and Perception, Second Expanded Edi-Lung Ventilation Modeling and Assess-tion, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg,

22

SOUNDNew York, 1972.

19）M. Nakao, et al., Deformation Analysis13）G.M. Barnas, et al., Effect of Posture onof Surface and Bronchial Structures

Lung and Regional Chest Wall Mechan-in Intraoperative Pneumothorax using

ics, Anesthesiology, 78（2）, pp.251 − 259

Deformable Mesh Registration, Medi-（1993）.

cal Image Analysis, 73, 102181, pp.1 − 1114）R. Sonpeayung, et al., Which Body Position is the Best for Chest Wall Motion（2021）.
20）S. Neelakantan, et al., Computational

in Healthy Adults? A Meta-Analysis,

Lung Modelling in Respiratory Medicine,

Respiratory Care, 63（11）, pp.1439 − 1451

J. R. Soc. Interface 19: 20220062.

（2018）.
15）K. Yugesh, S.S.Kumar, Effect of Peak
Expiratory Flow Rate in Different Postures, Biomedicine, 33（3）, pp.182 − 186（2013）.

21）S. Nag, Image Registration Techniques:
A Survey, arXiv: 1712.07540, pp.1 − 10（2017）.
22）K. Matsuura, M. Nakano, A Throttling
Mechanism Sustaining a Hole Tone

16）S. Shah, P.H. Patil, Effect of Posture Cor-Feedback System at Very Low Machrection and Moderate Intensity Exercises

Numbers, J Fluid Mech, 710, pp.569 − 605

on Respiratory System in Teenagers, Int.

（2012）.

J. Life Science and Pharma Research, 10（4）, pp.L41 − 45（2020）.

23）K. Matsuura, M. Nakano, Experimental and Direct Computational Study17）V. Sauret, et al., Study of the Three-on Flow-Acoustic Resonance of a HoleDimensional Geometry of the Central

Tone System with a Tail Pipe, Proc. ofConducting Airways in Man using Com-ICFD2016, Sendai, Tohoku University,

puted Tomographic （CT） Images, J.

pp.1 − 2（2016）.

Anat., 200（2）, pp.123 − 134（2002）.

24）K. Matsuura, K. Mukai, M.A. Langthjem,18）A. Singh, et al., Modelling of Chest Wall

Computational and Experimental Study

Motion for Cardiorespiratory Activity foron the Mechanism of Ring Tone, Int.

Radar-Based NCVS Systems, Sensors

J. Comp. Meth. and Exp. Meas., 11（1）,2020, 20, 5094, pp.1 − 13（2020）.

pp.9 − 16（2023）.

23