JP2591198B2

JP2591198B2 - 電子楽器

Info

Publication number: JP2591198B2
Application number: JP1322249A
Authority: JP
Inventors: かおる小林
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1989-12-12
Filing date: 1989-12-12
Publication date: 1997-03-19
Anticipated expiration: 2012-03-19
Also published as: JPH03181994A; US5512705A

Description

【発明の詳細な説明】「産業上の利用分野」この発明は、撥弦楽器、打弦楽器等の楽音合成に用い
て好適な電子楽器に関する。

「従来の技術」まず、第１の従来技術として、自然楽器の発音メカニ
ズムをシミュレートすることにより、自然楽器の楽音を
合成する電子楽器が知られている。例えば、弦楽器音等
の楽音合成を行う電子楽器としては、弦の残響損失をシ
ミュレートしたローパスフィルタと、弦における振動の
伝播遅延をシミュレートした遅延回路とを閉ループ接続
した構成のものが知られている。このような構成におい
て、閉ループ回路に例えばインパルス等の励起信号を導
入すると、この励起信号が閉ループ内を循環する。この
場合、励起信号は、弦の振動周期に等しい時間で閉ルー
プ内を一巡するとともに、ローパスフィルタを通過する
際に帯域が制限される。そして、この閉ループを循環す
る信号は弦楽器の楽音信号として取り出される。

このような電子楽器によれば、遅延回路の遅延時間お
よびローパスフィルタの特性を調整することにより、ギ
ター等の撥弦楽器音、ピアノ等の打弦楽器音など、自然
の弦楽器音にある程度近い楽音が合成できる。なお、こ
の種の技術は、例えば特開昭63-40199号公報あるいは特
公昭58-58679号公報に開示されている。

これに対して、第２の従来技術としては、異なる波形
特性を有する複数の楽音データを予め波形メモリに記憶
しておき、この複数の楽音データを音色変更制御パラメ
ータに応じて合成するとともに、各楽音データ間を補間
演算して複雑な音色の楽音を合成する電子楽器が知られ
ている。

「発明が解決しようとする課題」ところで、例えばピアノなどの自然楽器では、ハンマ
が弦を叩くことによって、弦を所定の振動数で振動させ
て楽音を発生させる。この場合、弦およびハンマは、複
数の鍵の各々に設けられている。したがって、このよう
な自然楽器では、各鍵毎にハンマによって打弦される位
置に違いがあり、この打弦位置の違いにより、発生する
音色が微妙に異なる。しかし、上述した第１の従来技術
として取り上げた電子楽器では、閉ループ回路の遅延回
路における遅延時間と各鍵に対するキーコードとの対応
関係は考えられていないため、自然楽器のように、キー
コード毎に音色が微妙に異なるという楽音を忠実に合成
することができないという問題を生じる。

また、第２の従来技術として取り上げた電子楽器で
は、複雑な音色制御が可能であるが、自然楽器における
音色の違いを生じるパラメータが全て混同されているた
め、打弦位置の違いによって生じる音色の違いだけを単
独に制御することができない。このため、このような電
子楽器では、自然楽器にあるような打弦位置によって音
色の違う楽音を忠実に合成することができないという問
題を生じる。

この発明は、上述した問題点を鑑みてなされたもの
で、自然楽器にあるような打弦位置の違いによる微妙な
音色の違いを忠実に再現することができる電子楽器を提
供することを目的としている。

「課題を解決するための手段」上述した問題を解決するために、この発明は、楽音の
音高を表わす音高情報を発生する音高情報発生手段と、
遅延時間可変の少なくとも２つの遅延手段をループ状に
接続してなる閉ループ手段と、前記音高情報発生手段に
よる音高情報の発生に応答して、励起信号を前記閉ルー
プ手段内の前記少なくとも２つの遅延手段の入力段に供
給する励起手段と、前記音高情報発生手段が発生した音
高情報に応じて、前記少なくとも２つの遅延手段の遅延
時間の和および遅延時間の比を制御する制御手段とを具
備することを特徴とする。

「作用」この発明によれば、音高情報発生手段が音高情報を発
生すると、これに応答した励起手段が、励起信号を閉ル
ープ手段内に設けられた少なくとも２つの遅延手段の入
力段へ供給するとともに、制御手段が、該音高情報に応
じて上述した遅延手段の遅延時間の和および遅延時間の
比の制御を行って、ピッチと打弦位置に応じた楽音を合
成する。

この結果、本願構成によれば、自然楽器における打弦
位置の違いによる音色の違いを忠実に再現できる。

「実施例」次に図面を参照してこの発明の実施例について説明す
る。

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図
である。この電子楽器では、ピアノ等の打弦楽器による
楽音が合成される。この図において、１は、閉ループ回
路であり、遅延回路３、加算器４、フィルタ５、位相反
転回路６、遅延回路７、加算器８、フィルタ９および位
相反転回路10から構成されている。この閉ループ回路１
は、ピアノの弦（１本）の振動をシミュレートするもの
である。

ここで、上記各構成要素の詳細について、第２図に示
すピアノの励起振動のメカニズムに対応させて説明す
る。まず、第２図において、Ｓはピアノの弦、HPは打弦
位置を示す。また、上記弦Ｓは、その両端を固定端T₁お
よびT₂によって固定されている。このようなピアノにお
いて、鍵盤が押鍵されると、その鍵に対応する弦Ｓがハ
ンマによって打弦される。打弦によって生じた振動波Wa
およびWbは、打弦位置HPから両端の固定端T₁およびT₂へ
伝播し、固定端T₁およびT₂において反射して反対側の固
定端へ伝播する。そして、再び固定端T₁およびT₂に達し
た振動波WaおよびWbは、各々、該固定端において反射し
て反対側の固定端へ伝播する。このように、打弦位置HP
において発生した振動波WaおよびWbは、両固定端T₁およ
びT₂間をその振動が減衰してなくなるまで往復する。実
際の打弦楽器においては、上述した弦Ｓおよびハンマ
は、鍵盤の各鍵（それぞれの音高またはピッチ）に対し
て設けられている。したがって、全ての弦に対して打弦
位置HPを揃えるのは難しく、この結果、図示の弦部Ａと
弦部Ｂの長さの比は、それぞれの弦によって異なる。長
さの比が異なるということは、各々の弦において、弦部
Ａおよび弦部Ｂの遅延時間が異なるということであり、
第１図に示す閉ループ回路１は、このような弦Ｓをシミ
ュレートする。すなわち、遅延回路３および７には、振
動波Waが固定端T₁で反射されて打弦位置まで戻ってくる
時間、あるいは振動波Wbが固定端T₂で反射されて打弦位
置まで戻ってくる時間が遅延時間としてキーコードKC
（ピッチ情報）に応じて設定される。また、反転回路６
および10は、各々、第２図における固定端T₁およびT₂に
対応しており、これらによって振動波WaおよびWbが各固
定端T₁，T₂で位相反転する現象がシミュレートされる。
このようにすることで、励起振動に対応する励起信号が
閉ループ回路１を一巡する時間と、弦Ｓの定在波の振動
周期とが等しくなる。また、フィルタ５および９は、弦
Ｓにおける振動の減衰の周波数特性をシミュレートする
ためのものである。すなわち、このフィルタ5,9を設け
ることにより、弦Ｓに発生する振動のうち高次の高周波
成分程、急速に減衰するという現象が忠実にシミュレー
トされる。次に、加算器４および８は、閉ループ回路１
を循環する励起信号に後述する反力信号Ｆを加算する。
また、閉ループ回路１を伝播する励起信号は、弦Ｓの長
さに対応した音高の楽音信号として、増幅器11によって
増幅されて取り出される。

また、第１図には、デジタル回路で実現される場合の
電子楽器の構成を例示しており、例えば遅延回路３およ
び７は、各々シフトレジスタによって構成され、これら
のシフトレジスタの各段は伝送するデジタル信号のビッ
ト数に対応したフリップフロップで構成されている。そ
して、各段のフリップフロップには所定周期毎にサンプ
ルクロックが供給される。また、遅延回路３および７に
付したn,mはレジスタの段数を示している。したがっ
て、上述した遅延回路３および７の遅延時間は、この例
の場合、上記フリップフロップの段数によって設定され
る。また、他の構成要素も遅延回路３および７と同様、
デジタル回路によって実現されている。

また、非線形関数発生手段12は、第２図に示す弦Ｓが
打弦された際に、ハンマを押し返そうとする反撥力をシ
ミュレートするものである。すなわち、この非線形関数
発生手段12は、弦Ｓの振動波WaおよびWbに相当するとこ
ろの励起信号とハンマの初速度に相当する初期値V₀とか
ら時々刻々と変化する上記反撥力を求め、反力信号Ｆ
（デジタルデータ）として加算器４および８へ出力す
る。ここで、この非線形関数発生手段12の一例を第３図
に示す。この図において、非線形関数発生手段12は、加
算器20、乗算器21、積分器22、減算器23、ROM24、乗算
器25、積分器26、積分器28、乗算器29および１サンプル
周期遅延回路30から構成されている。上記両励起信号
は、加算器20によって加算され、弦Ｓの振動速度に相当
する速度信号Vs₁として出力される。この速度信号Vs₁に
は、乗算器21において係数K2が乗算される。

次に、乗算器21の出力信号は、加算器22aおよび１サ
ンプル周期遅延回路22bから構成される積分器22に供給
される。この加算器22aには、ハンマに働く反撥力に相
当する反力信号Ｆが乗算器29、１サンプル周期遅延回路
30を介して供給される。上記乗算器21の出力信号と反力
信号Ｆとは、積分回路22によって積分される。この積分
結果は、ハンマによって打弦された弦Ｓの静止位置から
の変位に相当する弦変位信号ｘであり、この弦変位信号
ｘは、減算器23の一方の入力端に供給される。減算器23
の他方の入力端には、後述する積分器28が出力する弦Ｓ
の静止位置からのハンマの変位（移動量）に相当するハ
ンマ変位信号ｙが供給される。この減算器23は、ハンマ
の変位と弦の変位の差分値（相対変位Ｚ）に相当する差
分信号ｚ（ハンマ変位信号ｙ−弦変位信号ｘ）を算出し
てROM24へ出力する。ここで、弦Ｓにハンマが食い込ん
でいる場合には、差分信号ｚは正となり、弦Ｓとハンマ
との間には、相対変位Ｚ（食い込み量）に応じた反撥力
が働く（反力信号Ｆが所定の値をとる）。一方、弦Ｓに
ハンマが軽く触れているだけの場合、あるいは弦Ｓから
ハンマが離れている場合には、差分信号ｚは０または負
であり、したがって、反撥力（反力信号Ｆ）は０とな
る。

上述したROM24には、弦Ｓおよびハンマの相対変位
と、弦Ｓとハンマとの間に働く反撥力Ｆとの関係を示す
非線形関数Ａのテーブルが記憶されている。第４図はハ
ンマがフェルト等の柔らかい材料で作られている場合に
おける非線形関数Ａを例示したものである。同図に示す
ように、相対変位Ｚが０または負の場合、すなわち、ハ
ンマが弦Ｓを叩いていない状態では、上述したように反
撥力Ｆは０であり、ハンマが弦Ｓを叩いた場合には、相
対変位Ｚが大きくなるのに従い反撥力Ｆは緩やかに大き
くなる。なお、ハンマが硬い材質の場合は、相対変位Ｚ
の変化に対し反撥力Ｆが急峻に立ち上がるように非線形
関数Ａを設定する。

このようにして、ROM24は、任意の時点における相対
変位Ｚに応じた反撥力Ｆに相当する反力信号Ｆを乗算器
25および閉ループ回路１の加算器4,8へ出力する。

次に、乗算器25は、上記反力信号Ｆに乗算係数−1/M
を乗算する。ここで、Ｍはハンマの慣性質量に相当する
係数であり、乗算器25は、ハンマの加速度に相当する加
速度信号αを積分器26へ出力する。積分器26は、前述し
た積分器22と同様に加算器と１サンプル周期遅延回路か
ら構成されており、上記加速度信号αを積分し、ハンマ
の速度変化分に相当する信号βとして積分器28を構成す
る加算器28aへ出力する。この加算器28aには、初期値V₀
が供給されており、積分器28は、初期値V₀と上記信号β
とを加算した結果を積分し、ハンマの変位に相当する変
位信号ｙとして前述した減算器23へ出力する。

次に、第１図の説明に戻る。13は、遅延段数記憶手段
であり、図示しない操作子（鍵盤）が出力するキーコー
ドKCに対応する閉ループ回路１の遅延回路３および７に
よる遅延時間、すなわちレジスタ遅延係数Ｄ（遅延段数
ｎ＋遅延段数ｍ）が記憶されている。この遅延段数Ｄ
は、最終的に当該電子楽器によって発音される楽音が最
も自然楽器に近い音色になるよう書き換えが可能であ
る。この遅延段数記憶手段13は、キーコードKCに応じた
遅延段数Ｄを段数比記憶手段14へ出力する。段数比記憶
手段14には、キーコードKCに対する遅延段数ｎおよびｍ
の比（n:m）が記憶されており、該キーコードKCに応じ
て遅延段数比を求めた後、上記遅延段数Ｄを該遅延段数
比に基づいて分割して遅延段数n,mを求め、それぞれ遅
延回路３および７へ出力する。このように、この実施例
では、遅延回路３および７の遅延段数n,mをキーコードK
Cに応じて変化させることにより、打鍵された鍵の違い
による打弦位置HPの違いをシミュレートしている。この
遅延段数n,mは、遅延時間と同様に、最終的に当該電子
楽器によって発音される楽音が最も自然楽器に近い音色
になるよう書き換えが可能である。

次に、上述した構成における実施例の動作について説
明する。

まず、図示しない楽音発生制御回路がキーコードKCお
よび初期値V₀を出力する。キーコードKCは、遅延段数記
憶手段13および段数比記憶手段14に供給される。また、
初期値V₀は、非線形関数発生手段12に供給される。

まず、一方の遅延段数記憶手段13は、キーコードKCに
対するレジスタ遅延段数Ｄを段数比記憶手段14へ出力す
る。次に、段数比記憶手段14は、キーコードKCおよびレ
ジスタ遅延段数Ｄに従って、遅延段数n,mをそれぞれ遅
延回路３および７へ出力する。そして、遅延回路３およ
び７は、各々、遅延段数n,mを設定する。

他方の非線形関数発生手段12では、次の動作が行われ
る。まず、積分器28は初期値V₀を積分し、ハンマ変位信
号ｙを減算器23に供給する。この場合のハンマ変位信号
ｙは、時間経過と共に負から正に向って変化する。ま
た、この期間中、弦変位信号ｘは、まだ０であるため、
差分信号ｚは負の値となる。このため、反力信号Ｆは、
この期間中、第４図に示すように０となり、積分器26が
出力する信号βも０となる。したがって、積分器28で
は、初期値V₀のみが積分され、ハンマ変位信号ｙは、上
述したように負から正に向かって変化していく（第４図
の矢印F₁参照、ハンマが静止した弦Ｓに向かって移動す
ることに相当する）。

そして、差分信号ｚが０を越えて正の値になると（ハ
ンマが弦Ｓに衝突したことに相当する）、ROM24から差
分信号ｚに応じた大きさの反撥力に相当する反力信号Ｆ
が出力される。この反力信号Ｆは、乗算器25,29および
閉ループ回路１に供給される。

一方の乗算器25においては、この反力信号Ｆに係数−
1/Mが乗じられて、加速度信号α（負の値）が算出され
る。さらに、この加速度信号αは、積分器26によって積
分され、速度変化分に相当する信号βが求められる。次
に、積分器28では、初期値V₀から信号βの分だけ減じた
演算結果に対して積分が行われ、新たなハンマ変位信号
ｙが減算器23へ出力される。

また、閉ループ回路１では、加算器４および８におい
て、上記反力信号Ｆが当該ループの励起信号に加算さ
れ、新たな励起信号として一巡する。閉ループ回路１を
一巡し、遅延回路３および７から出力される各励起信号
は、非線形関数発生手段12へフィードバックされる。ま
た、この閉ループ回路１を循環する励起信号は、乗算器
11を介して楽音信号として出力される。

非線形関数発生手段12では、フィードバックされた各
励起信号が加算器20において加算され、速度信号Vs₁と
して乗算器21へ供給される。乗算器21では、係数K2が乗
算され、積分器22の加算器22aに供給される。加算器22a
には、乗算器29において、係数K1が乗算された反力信号
Ｆも供給されており、この反力信号Ｆと上記乗算器21の
出力信号とが加算され、かつ、積分される。次に、積分
器22は、新たな弦変位信号ｘを減算器23へ供給する。減
算器23は、前述した新たなハンマ変位信号ｙから新たな
弦変位信号ｘを減算し、差分信号ｚを算出する。そし
て、ROM24は、上記差分信号ｚに応じて新たな反力信号
Ｆを出力する。

以上の動作は、信号βが初期値V₀を越えるまで行われ
る。そして、この期間中の加速度信号αおよび信号β
は、差分信号ｚの増大に伴って負の方向に大きくなる。
したがって、ハンマ変位信号ｙの増大の度合いは、徐々
に鈍くなり現象していく。

そして、信号βの大きさが初期値V₀を越えると（ハン
マの速度の方向が弦Ｓから離れる方向に逆転することに
相当する）、ハンマ変位信号ｙは負の方向に変化する。
ハンマ変位信号ｙが負の方向に変化すると、差分信号ｚ
が徐々に小さくなり、その結果、反力信号Ｆも徐々に小
さくなる（第４図の矢印F₂参照）。したがって、閉ルー
プ回路１を循環する励起信号も次第に減衰されていく。
そして、差分信号ｚが０より小さくなると（ハンマが弦
Ｓから離れ、弦Ｓの弾性特性から解放された状態に相当
する）、上述した打弦動作を終了する。

さらに、上述したキーコードKCとは異なるキーコード
KCおよび初期値V₀が楽音発生制御手段から出力される
と、段数比記憶手段14は、新たに供給されたキーコード
KCに応じた遅延段数n,mをそれぞれ遅延回路３および７
に供給する。また、非線形関数発生手段12は、新たな初
期値V₀に応じた反力信号Ｆを閉ループ回路１に供給す
る。そして、閉ループ回路１および非線形関数発生手段
12では、上述した打弦動作と同様の動作が行われる。

以上のように、この実施例では、キーコードKC（ピッ
チまたは音高）に応じて、楽音の音色を微妙に変化させ
る。

また、第１図に示す電子楽器には、様々な変形が可能
である。なお、第１図に示すフィルタは以下の説明では
省略した。まず、第５図は、打弦してから固定端で反射
して返ってくるまでの初期段階を遅延回路15によって実
現している電子楽器である。この図において、反転回路
６および10が第２図に示す固定端T₁およびT₂に相当す
る。また、打弦位置HPは、遅延回路３および７の遅延段
数n,mによって決定される。

上述した構成によれば、まず、キーコードKCが遅延段
数記憶手段13および段数比記憶手段14に供給され、初期
値V₀が非線形関数発生手段12に供給される。次に、段数
比記憶手段14は、遅延段数n,mをそれぞれ遅延回路3,15
および７へ出力する。また、非線形関数発生手段12は、
初期値V₀に応じた反力信号Ｆを出力する。この反力信号
Ｆは、加算器４および反転回路10に供給される。反転回
路10に供給された信号は、遅延回路５へ供給される。ま
た、加算器４の出力信号は、遅延回路７に供給され、さ
らに、遅延回路７の出力信号は、遅延回路３および反転
回路６に供給される。そして、遅延回路３の出力信号は
加算器４および８に供給される。加算器８では、上記遅
延回路３の出力信号と反転回路６の出力信号とが加算さ
れ、非線形関数発生手段12へフィールドバックされる。
非線形関数発生手段12は、フィールドバックされた励起
信号に応じて新たな反力信号Ｆを加算器４へ出力する。
この加算器４では、上述した遅延回路3,15の出力信号お
よび反力信号Ｆが加算され、新たな励起信号として、再
び、閉ループ回路１に巡回する。

次に、第６図は、非線形関数発生手段12が出力する反
力信号Ｆを一旦反転回路17によって反転した後、これを
閉ループ回路１の加算器４および８に供給している。し
たがって、この例の場合、上記加算器４および８の出力
信号を非線形関数発生手段12へフィールドバックするこ
とにより、全体としてバランスをとっている。また、フ
ィールドバックされた励起信号は、加算器20において加
算され、遅延回路16に供給される。なお、この図におい
て、加算器20および遅延回路16は、非線形関数発生手段
12とは別の構成要素として示しているが該非線形関数発
生手段12の一部と考えてよい。この例では、遅延回路３
および７の遅延段数n,mにより打弦位置HPを決定する。
上述した構成による動作は、第１図に示す電子楽器の動
作説明から明らかであるので説明を省略する。

次に、第７図は、第５図に示す電子楽器を拡張したも
のであり、遅延回路18の遅延段数ｌによって、閉ループ
回路１を巡回する励起信号のピッチを決定するようにな
っている。また、打弦位置HPは、遅延回路３および７の
遅延段数n,mによって決定される。したがって、段数比
記憶手段14には、キーコートKCに対応した遅延段数n,m
およびｌの比が記憶されている。

次に、第８図は、第１図に示す電子楽器の反転回路６
および10の位置を変えたものである。この例の場合の打
弦位置HPは、遅延回路３および７の遅延段数n,mによっ
て決定される。

なお、上述した第１図および第５図〜第８図に示す実
施例では、差分信号ｚに対応する反力信号Ｆを出力する
ものとして、非線形関数Ａを記憶するROM24を用いた
が、差分信号ｚをもとに演算によって反力信号Ｆを求め
てもよい。

また、上述したこれらの実施例では、電子楽器をデジ
タル回路で実現する場合について説明したが、アナログ
回路によって実現することも勿論可能であり、デジタル
回路で実現した場合と同様の効果が得られる。

また、遅延段数比は、必ずしもキーコード（ピッチ情
報に応じて決定される必要はなく、他の操作子等により
指定するようにしてもよい。

また、上述した遅延回路を含む閉ループ回路１として
は、前述の特開昭63-40199号公報に開示されているウェ
ーブガイドを利用してもよい。

「発明の効果」以上、説明したように、この発明によれば、閉ループ
回路における遅延回路の遅延時間を音高情報に応じて異
ならせるようにしたため、自然楽音における打弦位置の
違いによる音色の違いを忠実に再現することができる利
点が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例の構成を示すブロック図、
第２図はピアノの弦への励起振動の導入メカニズムを説
明する図、第３図は非線形関数発生手段の一例の構成を
示すブロック図、第４図は同非線形関数発生手段が出力
する非線形関数Ａの説明図、第５図、第６図、第７図お
よび第８図は、各々、同実施例における変形例の構成を
示すブロック図である。１……閉ループ回路、12……非線形関数発生手段（励起
回路）、13……遅延段数記憶手段（遅延時間記憶手
段）、14……段数比記憶手段（遅延時間比記憶手段）。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】楽音の音高を表わす音高情報を発生する音
高情報発生手段と、遅延時間可変の少なくとも２つの遅延手段をループ状に
接続してなる閉ループ手段と、前記音高情報発生手段による音高情報の発生に応答し
て、励起信号を前記閉ループ手段内の前記少なくとも２
つの遅延手段の入力段に供給する励起手段と、前記音高情報発生手段が発生した音高情報に応じて、前
記少なくとも２つの遅延手段の遅延時間の和および遅延
時間の比を制御する制御手段とを具備することを特徴とする電子楽器。