JP2017067915A - 電子ピアノにおける疑似共鳴装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子ピアノにおいて、アコースティックピアノのダンパーペダルを踏み込んだ際に得られる豊かな響き（ラウド効果）をダンパーペダルの踏み込み量に応じて変化する疑似共鳴装置を提供する。【解決手段】鍵盤の操作によりピアノ音を発生させるピアノ音発生器４０と、ダンパーペダルの踏み込みでピアノ音の弦共鳴を模擬する残響装置５を備える。電子ピアノにその内部及び外部から伝達される音を収音するマイクロフォン１を設置し、マイクロフォン１で収音された音をピアノ音に加算して残響装置５へ入力し、残響装置５から出力された音に対してダンパーペダルの踏み込み量に応じた係数ａを乗算してダンパー開放時の残響音とし、残響音にピアノ音を加算して電子ピアノの最終出力としてメインスピーカから発音させる。【選択図】図２

Description

本発明は電子ピアノに係り、アコースティックピアノのダンパーペダルを踏み込んだ際に得られる豊かな響き（ラウド効果）を電子ピアノで再現する疑似共鳴装置に関する。

アコースティックピアノ（グランドピアノ）においては、図８に示すように、鍵盤の鍵１０１を押鍵すると、鍵１０１に連動して慣性運動するハンマー１０２が弦１０３を打つことで音を発生させる。また、ダンパーペダル（図示せず）の操作で接離可能なダンパー１０４が弦（鍵）毎に設けられ、ダンパー１０４が弦１０３に接触することで弦１０３の振動を停止させる構造となっている。鍵盤の鍵１０１を押鍵した時には、自動的にダンパー１０４が弦１０３から離れ、それにより持続的な音を鳴らすことができるようになっている。
そして、ダンパーペダルを踏み込むと、押鍵していない鍵に対応するダンパーも含めて、全てのダンパーが強制的に弦から離れる。その結果、開放された弦１０３は、ピアノに装着された響板を介して互いに共鳴し合うことにより、豊かな響き（ラウド効果）を奏でることができる。

また、アコースティックピアノの場合、演奏者がダンパーペダルを踏む際に、踏み込み量を調整してダンパーが弦に触れる力を制御することで、中間的な音響（ハーフダンパーと呼ばれる奏法）を演出することもできる。

一方、押鍵に対応する音のみ発音・持続する構造である電子ピアノにおいては、ダンパーが開放されたラウド効果について、音の持続と残響装置で模擬的に再現することが行われていた。
例えば、図７に示すように、鍵盤を操作することでピアノ音発生器４０に発生したピアノ音を持続させ、残響装置５によって弦共鳴を模擬していた。すなわち、ピアノ音発生器４０で発生したピアノ音に対して、ダンパーペダルを踏み込んだ時は乗算係数ａ＝１を、ダンパーペダルを離した時は乗算係数ａ＝０を残響装置５の出力に乗算し、ピアノ音発生器４０で発生したピアノ音に加算してピアノの音響出力としていた。乗算係数ａが０＜ａ＜１の時は、ダンパーペダルがハーフダンパーの状態である。
残響装置５では、ピアノ音として入力された波形に対して、遅延処理等を施すことで弦共鳴を模擬する残響信号を作成する。

上述の構造によれば、音響出力として発音された音が、ピアノに装着された響板を介して互いに共鳴し合うことになるが、音響出力と外界との繋がりは音響的に一方通行である（残響装置５が音響出力を取り込むようなことはない）ため十分な共鳴が得られず、アコースティックピアノのような豊かな響きが得られないという問題点があった。

また、特許文献１には、通常のピアノ演奏に加えて電子音源による演奏をも可能にした複合ピアノにおいて、ダンパーを開放してラウド効果を得る場合に、響板の近傍に設けられたスピーカより押鍵情報に応じた楽音を発生させ、響板あるいは他の弦等と共鳴した音を、響板の近傍に設けられたマイクロフォンより収音し、収音した楽音を押鍵情報に対応する楽音に混合して発音させることにより、単に押鍵された鍵に対応する楽音だけではなく、その楽音によって響板あるいは弦等と共鳴した音も発音させることで、音量・音色を豊かにする構成が記載されている。

特開平７−９２９６７号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成によれば、マイクロフォンで収音した楽音を押鍵情報に対応する楽音に混合して発音させるに際し、信号同士を単純に加算するだけなので、ダンパーペダルの踏み込み量に応じた音量・音色の繊細な制御ができないという問題点があった。

本発明は上記事情に鑑みて提案されたもので、電子ピアノにおいて、アコースティックピアノのダンパーペダルを踏み込んだ際に得られる豊かな響き（ラウド効果）をダンパーペダルの踏み込み量に応じて変化するように再現可能とした電子ピアノにおける疑似共鳴装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１の疑似共鳴装置は、
鍵盤（１７）の操作によりピアノ音を発生させるピアノ音発生器（４０）と、ダンパーペダル（１４ｂ）の踏み込みで前記ピアノ音の弦共鳴を模擬する残響装置（５）を備えた電子ピアノ（１００）において、
前記電子ピアノ（１００）にその内部及び外部から伝達される音を収音する収音装置（マイクロフォン１）を設置し、
前記収音装置（マイクロフォン１）で収音された音を前記ピアノ音に加算して前記残響装置（５）へ入力し、
前記残響装置（５）から出力された音に対して前記ダンパーペダル（１４ｂ）の踏み込み量に応じた係数を乗算してダンパー開放時の残響音とし、
該残響音に前記ピアノ音を加算して前記電子ピアノの最終出力としてメインスピーカ（２２）から発音させることを特徴としている。

請求項２は、請求項１の電子ピアノにおける疑似共鳴装置において、
前記残響音を発音する共鳴スピーカ（９）を備えたことを特徴としている。

請求項３は、請求項２の電子ピアノにおける疑似共鳴装置において、
前記メインスピーカ（２２）は、左右チャンネル毎に間隔を離してボード（６０）にそれぞれ設置し、
前記共鳴スピーカ（９）は、前記ボード（６０）の内側面において前記各メインスピーカ（２２）に挟まれた位置で、各メインスピーカ（２２）を臨む方向に拡音するようにそれぞれ設置し、
前記収音装置（マイクロフォン１）は、前記メインスピーカ（２２）と前記共鳴スピーカ（９）との間にそれぞれ設置することを特徴としている。

請求項４は、請求項３の電子ピアノにおける疑似共鳴装置において、
前記収音装置（マイクロフォン１）の収音部（１ａ）は、収音装置の上面に設置されたことを特徴としている。

本発明の疑似共鳴装置（請求項１）によれば、収音装置（マイクロフォン１）で外界からの音や振動を収音し、その信号が残響装置（５）を介して帰還されることで、電子ピアノにおいて、アコースティックピアノのダンパーペダル（１４ｂ）を踏み込んだ際に得られる豊かな響き（ラウド効果）をダンパーペダル（１４ｂ）の踏み込み量に応じて変化させ、ダンパーペダル（１４ｂ）での演奏効果を高めることができる。

請求項２の疑似共鳴装置によれば、共鳴スピーカ（９）を備えることで、複雑な共鳴感を再現することができる。

請求項３の疑似共鳴装置によれば、メインスピーカ（２２）、共鳴スピーカ（９）、収音装置（マイクロフォン１）の設置位置を工夫することで、効果的な共鳴を再現することができる。

請求項４の疑似共鳴装置によれば、収音装置（マイクロフォン１）の収音部（１ａ）を上面に設置することで、周囲の広い範囲から効率良く収音することができる。

本発明の疑似共鳴装置を備えた電子ピアノのハードウエア構成を示すブロック図である。 本発明の疑似共鳴装置の機能を説明するためのブロック図である。 疑似共鳴装置の残響装置の出力に対して乗算される係数ａ（ダンパーペダルの踏量に対する出力量）を示すグラフ図である。 本発明の疑似共鳴装置の他の例を示すブロック図である。 電子ピアノの外観説明図である。 電子ピアノにおける各スピーカの配置位置を説明するためのモデル図である。 従来の疑似共鳴装置の機能を説明するためのブロック図である。 グランドピアノにおけるアクション機構を説明するための機構図である。

以下、本発明の実施形態に係る疑似共鳴装置を備えた電子ピアノについて、図面を参照しながら説明する。
図１は、電子ピアノの主要なハードウエア構成を示すブロック図であり、システムバス３０に対して、ＣＰＵ１０、ＲＯＭ１１、ＲＡＭ１２、キースキャン回路１３、ピアノ音発生器（音源）４０、疑似共鳴装置（ディジタル信号処理回路）５０を接続する構成をコンピュータ上に構築している。
ＣＰＵ１０には、回転操作、スライド操作や踏み込み量など、それぞれ物理的な入力が行われる複数の操作子から構成される操作子群１４、音色選択や音設定（残響効果や音響効果の設定）を行う操作パネル１５、外部装置との間のＭＩＤＩデータ受け渡し制御を行うためのＭＩＤＩインタフェース回路１６が接続されている。

各操作子は、発音の音量を調節する音量スイッチ１４ａ、発音に対してラウド効果を付与するためのダンパーペダル１４ｂ等から構成されている。
音量スイッチ１４ａは、操作子となる回転式又はダイヤルスイッチにより、回転角や移動量である操作量（物理的な入力）をポテンションメーターによりアナログ／ディジタル変換して電圧値（ＡＤ値）とし、このＡＤ値の変化により音量制御が行われる。
ダンパーペダル１４ｂは、ペダルの踏み込み量（操作量）をポテンションメーターによりアナログ／ディジタル変換して電圧値（ＡＤ値）とし、このＡＤ値の変化により発音に対するラウド効果を変化させ残響効果制御が行われる。
鍵盤１７は、演奏者が楽音の音高を指示する複数の鍵と、この鍵に連動して開閉するキースイッチにより構成されている。鍵盤１７は、キースイッチの状態をスキャンしてキーデータとして出力するキースキャン回路１３に接続されている。

ＣＰＵ１０は、ＲＯＭ１１に格納されている制御プログラムに従って、電子ピアノの全体を制御するものである。制御プログラムには、音量制御プログラム等、各操作子を制御するプログラムが含まれることで、コンピュータ上に音量制御装置を構築している。
また、ＣＰＵ１０は、鍵盤１７の押鍵に対し発音チャネルを割り当てるアサイナ処理、ピアノ音発生器（音源）４０に対するアクセス処理等を行う。

ＲＯＭ１１は、ＣＰＵ１０により実行又は参照される各種プログラムや各種データ等を格納する。ＲＯＭ１１に記憶されているプログラムやデータは、システムバス３０を介してＣＰＵ１０により参照される。すなわち、ＣＰＵ１０は、システムバス３０を介してＲＯＭ１１から制御プログラム（命令）を読み出して解釈・実行すると共に、所定の固定データを読み出して演算処理に使用するよう構成されている。

ＲＡＭ１２は、ＣＰＵ１０がプログラムを実行する際に必要な各種データを一時的に記憶するワーキングメモリとして使用される。例えば、操作子群１４の各操作子の操作量（物理的な入力）をＡ／Ｄ変換して取得したＡＤ値、操作パネル１５による操作処理データ、鍵盤１７から取り込まれたキーデータ等がＲＡＭ１２に一時的に記憶される。ＲＡＭ１２に記憶されたデータは、システムバス３０を介してＣＰＵ１０により参照される。

キースキャン回路１３は、鍵盤１７のキースイッチの状態をスキャンし、鍵のオン／オフ状態を示すキーデータとして出力する。キーデータは、システムバス３０を介してＣＰＵ１０に送られ、ＲＡＭ１２に一時的に記憶される。

音源となるピアノ音発生器４０は、鍵盤１７の操作によりＣＰＵ１０から送られてきた楽音データ（音色番号に対応して作成される波形アドレス、キーナンバに対応して作成される周波数データ等）に従って駆動され、時分割でディジタル楽音信号を発生する。このピアノ音発生器４０で発生されたディジタル楽音信号は、ディジタル信号処理を行う疑似共鳴装置５０に出力される。

波形メモリ１８は、例えばＲＯＭで構成され、パルスコード変調（ＰＣＭ）された波形データが記憶されている。波形メモリ１８には、複数の音色を実現するため、各音色に対応した複数種類の波形データ（音色番号で特定される）が記憶されている。波形メモリ１８に記憶されている波形データは、ピアノ音発生器４０により読み出される。

疑似共鳴装置５０は、ピアノ音発生器４０から入力されるディジタル楽音信号と、ＣＰＵ１０から入力される係数との間で所定の演算を行って出力するものである。疑似共鳴装置５０における詳細な機能について、図２のブロック図を参照して説明する。
疑似共鳴装置５０は、電子ピアノの内部及び外部から伝達される音を収音装置としてのマイクロフォン１で収音し、収音された音をマイクアンプ２で増幅しＡ／Ｄ変換された信号に対してピアノ音発生器４０からのピアノ音を加算する第１加算器４と、加算された音からピアノ音の弦共鳴を模擬する残響装置５と、残響装置５の出力に係数ａを乗算する乗算器６と、乗算器６の出力をピアノ音に加算する第２加算器７を備えて構成されている。

マイクロフォン（収音装置）１は、電子ピアノの内部に設置されている。残響装置５は、ピアノ音発生器４０からピアノ音として入力された波形に対して、公知技術である遅延処理等を施すことで弦共鳴を模擬する残響信号を作成する。乗算器６は、残響信号に対してダンパーペダル１４ｂの踏み込み量に応じた係数ａを乗算してダンパー開放時の残響音として出力するようになっている。
係数ａは、例えば図３に示すように、ダンパーペダル１４ｂの踏み込み量ｓに応じて係数ａ（１以下）が増加するようにするとともに、立ち上がりが緩やかな曲線で構成されたマップを使用することで、乗算器６で使用する係数ａを可変とすることが可能となる。係数ａの立ち上がりを緩やかにしたのは、ダンパーペダル１４ｂの踏み込み初めにおける残響効果の微調節を可能にするためである。図３のマップは、ＲＯＭ１１に予め記憶されたものをＣＰＵ１０がシステムバス３０を介して読み出し、ダンパーペダル１４ｂの踏み込み量に応じて算出された係数ａが疑似共鳴装置５０の乗算器６へ出力される。また、複数のマップを記憶させ、希望する残響効果モードを選択できるようにしてもよい。

上述した構成によれば、外界の音に残響装置５により残響が加えられ、ダンパーペダル１４ｂの踏み具合に則した係数ａが乗算され、ダンパー開放時の残響音となる。そして、第２加算器７で残響音にピアノ音が加算され、電子ピアノの最終出力（楽音信号）となる。

疑似共鳴装置５０で生成されたディジタル楽音信号はＤ／Ａ変換器２０に供給される。
Ｄ／Ａ変換器２０は、供給されたディジタル楽音信号をアナログ楽音信号に変換するものである。Ｄ／Ａ変換器２０が出力するアナログ楽音信号は、増幅器２１に送出される。

増幅器２１は、入力されたアナログ楽音信号を所定の増幅率で増幅して出力する。増幅器２１で所定の増幅が行われたアナログ楽音信号は、メインスピーカ２２に供給される。

メインスピーカ２２は、電気信号としてのアナログ楽音信号を音響信号に変換するものである。すなわち、鍵盤１７の各鍵の押下に対応した楽音に、音量制御を行う操作子による物理的入力（回転量、移動量等）で調整する音量に対して、ダンパーペダル効果を付与するペダルの物理的入力（踏み込み量）に対応した音響効果が付加されて発音されることになる。

図４は、疑似共鳴装置５０の別の実施例を示すもので、図３と同一構成部分は同一符号を付している。
この例によると、残響装置５及び乗算器６の出力に対して、Ｄ／Ａ変換器２０及び増幅器８を介してダンパー解放時の残響音を発音する共鳴スピーカ９を設置する。その結果、電子ピアノの残響音を共鳴スピーカ９で発音し、その音も含めてマイクロフォン１で収音することで、図３に比較してより複雑な帰還を得ることで、豊かな響きを得ることができる。すなわち、このような帰還をかけることで、周波数特性−振幅特性のピークとディップが誇張され、アコースティックピアノの数多くの弦が共鳴する様を模擬することができる。

次に、図４に示した疑似共鳴装置５０を構成する各スピーカの電子ピアノにおける配置例について説明する。
図５は電子ピアノの外観図であり、例えば電子ピアノ１００の左右方向に設置された平板状のボード（棚板）６０に疑似共鳴装置５０の各スピーカが設置される。すなわち、図６に示すように、大音響で外界に音響放射するメインスピーカ２２を左右チャネル毎に間隔を空けて音拡散方向が下向きになるようにボード６０に設置する。左右の音の拡がり感を得るために、メインスピーカ２２はなるべく離れた位置に設置する。
電子ピアノ１００の内部においては、ボード６０の内側面（電子ピアノ内部側）における二つのメインスピーカ２２，２２間の中央位置に、音拡散方向が各メインスピーカ２２側に向かうように一対の共鳴用スピーカ９，９を配置する。そして、メインスピーカ２２，２２と共鳴用スピーカ９，９の中間付近に円筒のマイクロフォン１，１をそれぞれ設置する。マイクロフォン１の収音部１ａは上面（ボード６０の反対側）に設置され、上面方向から収音するようになっているが、指向性が良いので横方向からの音も収音できる。マイクロフォン１の収音部１ａを上面に設置することで、周囲の広い範囲から効率良く収音することができる。

この例では、電子ピアノ１００の左右方向に水平に設置されたボード（棚板）６０に各スピーカを設置するようにしたが、電子ピアノ１００の正面に鉛直方向に設置されたボードに対して正面方向側が音拡散方向になるようにメインスピーカを設置したり、電子ピアノ１００の左右方向に水平に設置されたボードに対して音拡音方向が上向きになるようにメインスピーカを設置してもよい。また、各スピーカが設置された複数のボードを組み合わせた構造であってもよい。

左右のマイクロフォン１，１で収音された信号は、それぞれマイクアンプ２，２によって増幅された後にＡ／Ｄ変換器３，３によってＰＣＭ信号に変換され、ディジタル信号処理回路を主な構成要素とする疑似共鳴装置５０に出力される。この信号は、疑似共鳴装置５０の内部において、図４で説明したように、ピアノ音と加算されて残響装置５に送られ、ダンパーペダル１４ｂの動きに則した係数ａが乗算されて残響信号となり、Ｄ／Ａ変換器２０でアナログ信号に変換後に増幅器８，８で増幅されて左右の共鳴スピーカ９，９に出力される。また、係数ａが乗算された残響信号とピアノ信号は加算され、増幅器２１，１で増幅されて左右のメインスピーカ２２，２２に出力される。

上述した疑似共鳴装置５０によれば、原理的にアコースティックピアノが持つ複雑な共鳴に似た現象を得るため、外界からの音や振動をマイクロフォン（収音装置）１の収音部１ａで収音し、その信号が残響装置５を介して帰還されることにより、単なるディジタル信号の処理のみでは得ることが困難な複雑な共鳴感を再現することができる。そして、ダンパーペダルに応じた残響音を調整することで、演奏表現を高めることができる。

１…マイクロフォン（収音装置）、 １ａ…収音部、 ２…マイクアンプ、 ３…Ａ／Ｄ変換器、 ４…第１加算器、 ５…残響装置、 ６…乗算器、 ７…第２加算器、 ８…増幅器、 ９…共鳴スピーカ、 １０…ＣＰＵ、 １１…ＲＯＭ、 １２…ＲＡＭ、 １４…操作子群、 １４ａ…音量スイッチ、 １４ｂ…ダンパーペダル、 １５…操作パネル、 １７…鍵盤、 ２０…Ｄ／Ａ変換器、 ２１…増幅器、 ２２…メインスピーカ、 ４０…ピアノ音発生器（音源）、 ５０…疑似共鳴装置、 ６０…ボード、 １００…電子ピアノ。

Claims (4)

1. 鍵盤の操作によりピアノ音を発生させるピアノ音発生器と、ダンパーペダルの踏み込みで前記ピアノ音の弦共鳴を模擬する残響装置を備えた電子ピアノにおいて、
   前記電子ピアノにその内部及び外部から伝達される音を収音する収音装置を設置し、
   前記収音装置で収音された音を前記ピアノ音に加算して前記残響装置へ入力し、
   前記残響装置から出力された音に対して前記ダンパーペダルの踏み込み量に応じた係数を乗算してダンパー開放時の残響音とし、
   該残響音に前記ピアノ音を加算し前記電子ピアノの最終出力としてメインスピーカから発音させる
   ことを特徴とする電子ピアノにおける疑似共鳴装置。
2. 前記残響音を発音する共鳴スピーカを備えた請求項１に記載の電子ピアノにおける疑似共鳴装置。
3. 前記メインスピーカは、左右チャンネル毎に間隔を離してボードにそれぞれ設置し、
   前記共鳴スピーカは、前記ボードの内側面において前記各メインスピーカに挟まれた位置で、各メインスピーカを臨む方向に拡音するようにそれぞれ設置し、
   前記収音装置は、前記メインスピーカと前記共鳴スピーカとの間にそれぞれ設置する
   請求項２に記載の電子ピアノにおける疑似共鳴装置。
4. 前記収音装置の収音部は、収音装置の上面に設置された請求項３に記載の電子ピアノにおける疑似共鳴装置。