JP2727841B2

JP2727841B2 - 楽音合成装置

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Publication number: JP2727841B2
Application number: JP4007975A
Authority: JP
Inventors: 英之増田
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1992-01-20
Filing date: 1992-01-20
Publication date: 1998-03-18
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: US5408042A; JPH0643889A

Description

【発明の詳細な説明】【産業上の利用分野】

【０００１】この発明は、管楽器をシミュレートする装
置に係り、特に、雑音を伴った管楽器音を忠実に再現す
ることができる楽音合成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自然楽器の発音メカニズムをシミ
ュレートしたモデルを動作させ、これにより自然楽器の
楽音を合成する装置が各種開発されている。この種の技
術は、例えば、特開昭６３−４０１９９号公報または特
公昭５８−５８６７９号公報に開示されている。

【０００３】図１５は、管楽器の発音メカニズムをシミ
ュレートする楽音合成装置の主要部の構成を示したもの
である。この図において、１１は非線形回路（非線形関
数をテーブル形状で記憶したＲＯＭまたはＲＡＭ等から
なる）、１２は加算器、１３は減算器、１４および１５
は乗算器である。これら構成要素１１〜１５は、クラリ
ネット等の管楽器のマウスピースおよびリードからなる
部分の動作をシミュレートするものであり、これらは励
振回路１０を構成している。

【０００４】２０は管楽器の管部、すなわち、共鳴管の
伝送特性をシミュレートした双方向伝送回路である。こ
の双方向伝送回路２０は、共鳴管における空気圧力波の
伝播遅延をシミュレートした遅延回路Ｄ,Ｄ,…、これら
の遅延回路間に介挿されたジャンクションＪＵ,ＪＵ,
…、共鳴管の終端部において空気圧力波が反射する際の
エネルギー損失等をシミュレートしたローパスフィルタ
ＬＰＦ、および双方向伝送回路２０内を伝播するデータ
の直流成分を阻止するハイパスフィルタＨＰＦからな
る。

【０００５】このジャンクションＪＵ,ＪＵ,…は、共鳴
管において管の径が変化している箇所で発生する空気圧
力波の散乱をシミュレートするものであり、図１５には
乗算器Ｍ₁〜Ｍ₄および加算器Ａ₁,Ａ₂からなる４乗算格
子を用いた場合が示されている。ここで、各乗算器Ｍ₁
〜Ｍ₂に付された“1＋ｋ",“−ｋ",“1−ｋ",“ｋ"等は
乗算係数であり、回路のモデルとするの共鳴管に近い伝
送特性が得られるように数値kが決められる。

【０００６】このような構成において、加算器１２およ
び減算器１３には、吹奏圧に相当するデータＰが入力さ
れる。そして、加算器１２の出力データは、双方向伝送
回路２０の内部を、遅延回路Ｄ→ジャンクションＪＵ→
遅延回路Ｄ→ … というように伝播し、ローパスフィル
タＬＰＦに到達する。そして、ローパスフィルタＬＰＦ
およびハイパスフィルタＨＰＦを介した後、遅延回路Ｄ
→ジャンクションＪＵ→ …というように、上述とは逆向
に伝播し、双方向伝送回路２０から出力されて減算器１
３に入力される。

【０００７】そして、減算器１３によって、双方向伝送
回路２０の出力データ(このデータは共鳴管の終端部側
からマウスピースとリードとの間隙に戻される空気圧力
波の圧力に相当する)からデータＰが減算される。この
減算によって、リードとマウスピースの間隙部の空気圧
に相当するデータＰ₁が得られる。そして、このデータ
Ｐ₁が非線形回路１１に供給されることにより、この非
線形回路１１からリードとマウスピースとの間隙の断面
積、すなわち、空気流に対するアドミッタンスに相当す
るデータＹが出力される。なお、非線形回路１１には、
リードとマウスピースとの間隙内の空気圧力(入力)と間
隙の断面積(出力)との関係を示す非線形関数Ａが記憶さ
れている。

【０００８】このようなデータＹとデータＰ₁とは、乗
算器１４によって乗算され、この結果、リードとマウス
ピースとの間隙を通過する空気の体積流速に相当するデ
ータＦＬが得られる。このデータＦＬには、乗算器１５
によって乗算係数Ｇが乗じられる。ここで、乗算係数Ｇ
は管楽器のマウスピース取り付け部付近の管径に応じて
決められる定数であり、空気流の通りにくさ、すなわ
ち、空気流に対するインピーダンスに相当するものであ
る。従って、乗算器１５からは、マウスピースとリード
との間隙を通過する空気流の体積流速と管部の空気流に
対するインピーダンスの積、すなわち、間隙を通過する
空気流による管内の圧力変化分に相当するデータＰ₂が
得られる。そして、このデータＰ₂とデータＰとが加算
器１２によって加算され、双方向伝送回路２０に入力さ
れる。

【０００９】このようにして励振回路１０と双方向伝送
回路２０とで構成される閉ループにおいて、データの循
環、すなわち、共振動作が行われ、双方向伝送路２０の
ローパスフィルタＬＰＦの接続点のデータが取り出さ
れ、こうしたデータに基づいて楽音が発生される。

【００１０】ところで、実際の管楽器においては、サブ
トーンと呼ばれる奏法がある。このサブトーンとは、リ
ードとマウスピースとの間隙に息を吹き込む際に生じる
雑音成分を誇張させた奏法である。従来、こうした雑音
の合成は、吹奏圧に相当するデータＰに雑音に相当する
データを重畳することにより行われていた。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た雑音成分は、実際には息を吹き込むことによって、マ
ウスピースとリードとの間隙部分に乱流が生じ、この乱
流に起因して管内の空気圧力波が乱され、これが雑音と
なって発生されるものである。従って、上述した従来の
雑音再現方法、すなわち、単に雑音に相当するデータを
重畳しただけでは実際の雑音発生メカニズムに即してお
らず、この方法によって発生される雑音は自然さに欠け
てしまうという欠点があった。また、クラリネット等の
自然楽器においては、発音開始した楽音が発音の定常状
態に成長するまではノイズ成分が比較的多く、楽音が定
常的になるに連れてノイズが減少する挙動を示すが、従
来のものでは、こうした振る舞いを実現することができ
ないという問題があった。この発明は上述した事情に鑑
みてなされたもので、実際の雑音発生メカニズムに即し
た楽音合成装置を提供するものであり、これにより、管
楽器演奏時の雑音効果を忠実に再現することを目的とし
ている。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、演奏情報に
対応した励振信号を発生する励振手段と、少なくとも所
定時間自己の入力信号を遅延すると共に、上記励振信号
を繰り返し循環させるループ回路とから構成され、前記
励振信号を該ループ回路に入力し、該ループ回路を循環
する循環信号を抽出して楽音信号として出力する楽音合
成装置において、一様なスペクトル分布を有する雑音信
号を発生する雑音形成手段と、前記雑音信号のスペクト
ル分布および振幅を前記励振信号に応じて制御する雑音
制御手段と、前記ループ回路内の所定の位置に介挿され
る手段であって、前記雑音制御手段による制御を受けた
雑音信号を前記循環信号に重畳する雑音重畳手段とを具
備することを特徴としている。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、雑音形成手段が一様なスペ
クトル分布を有する雑音信号を発生し、雑音制御手段が
この雑音信号のスペクトル分布および振幅を励振信号に
応じて制御することで管内乱流を近似した雑音信号を励
振信号に応じて発生し、雑音重畳手段がループ回路の循
環信号に当該管内乱流を近似した雑音信号を重畳させ
る。これにより、実際の雑音発生メカニズムに即した楽
音合成がなされる。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照し、この発明の実施例につ
いて説明する。Ａ．第１実施例図１はこの発明の第１実施例である楽音合成装置の全体
構成を示すブロック図である。この図において、１はク
ラリネット等の管楽器を模した操作子であり、吹奏者の
操作に応じた音高情報、音量情報等の各種信号を発生す
る。ここで、図２および図３を参照し、この操作子１の
構成について説明する。

【００１５】まず、図２（イ）は、この操作子１の一例
を示す外観図である。図において、１ａは音高情報を発
生するキースイッチである。１ｂはマウスピースであ
り、この内部には同図（ロ）に示すようにカンチレバー
１ｃおよび圧力センサ１ｄが設けられている。カンチレ
バー１ｃは、吹奏者がマウスピース１ｂをくわえた時に
リードへ与える圧力（この圧力はアンブシュールと呼ば
れる）を検出して出力する。一方、圧力センサ１ｄは、
吹奏者によってマウスピース１ｂ内へ吹き込まれた息圧
を検出して出力する。

【００１６】上記構成による操作子１は、図３に示すよ
うに、マイクロコンピュータ１ｅを内蔵する。マイクロ
コンピュータ１ｅは、上記キースイッチ１ａ，カンチレ
バー１ｃおよび圧力センサ１ｄのそれぞれから供給され
た信号をディジタルデータに変換した後、スケーリング
などの処理を施して各種データを発生し、操作子１の出
力として図１のマイクロコンピュータ５に与えられる。
これらデータの内、キーオンＫｏｎ／キーオフＫｏｆｆ
データは、圧力センサ１ｄの出力信号が所定値以上であ
るか否かの判断によって生成される。

【００１７】セント値データＣは、音高を表すデータで
あり、キースイッチ１ａの操作に応じたキーコードに基
づいて生成される。息圧データＰは、圧力センサ１ｄの
出力信号に応じて生成されるものであって、カンチレバ
ー１ｃから得られるアンブシュールデータＥによって吹
奏感を出すように修飾される。

【００１８】次に、再び、図１を参照して実施例の構成
について説明する。図において、６はノイズ発生器であ
り、前述したサブトーンや、息漏れ音を再現するための
雑音データＮを発生する。この雑音データＮは、後述す
るマウスピースとリードとの間隙における乱流現象をシ
ミュレートするために用いられる。なお、このノイズ発
生器６の構成については後述する。７はマウスピース部
であり、管楽器のマウスピースおよびリードからなる部
分の動作をシミュレートするものである。８は管楽器の
管体の伝送特性をシミュレートする管体部である。そし
て、これら構成要素６〜８は、楽音合成回路９を構成し
ている。

【００１９】次に、この楽音合成回路９の構成について
図４を参照して説明する。なお、この図において、図１
と対応する部分には同一の符号を付してある。この楽音
合成回路９は、マウスピース部７と、ジャンクション２
２と、管体形成回路２０とから構成される管体部に大き
く別れる。まず、マウスピース部７は、減算器１３、加
算器１６，３３、乗算器３１，３２，３４、非線形回路
１１ａ，１１ｂおよびフィルタ３０ａ，３０ｂとからな
り、管楽器のマウスピースおよびリードとその振動をシ
ミュレートする回路である。ジャンクション２２は、加
算器２２ａおよび２２ｂからなる。管体形成回路２０
は、管楽器における共鳴管をシミュレートする回路であ
り、その詳細については後述する。

【００２０】まず、このジャンクション２２では、乗算
器３４および管体形成回路２０の出力データが加算器２
２ａによって加算されて管体形成回路２０に入力され、
管体形成回路２０および加算器２２ａの出力データが加
算器２２ｂによって加算され、さらに、この加算器２２
ｂの出力データがフィルタ３０ｂを介して減算器１３に
入力される。このようにすることで、共鳴管のマウスピ
ース側の端部における空気圧力波の散乱がシミュレート
される。ここで、フィルタ３０ｂが介挿されているの
は、マウスピース部の周波数特性の実現と、励振回路１
０と管体形成回路２０との間を循環する信号が特定の周
波数で著しく大きくならないようにする為である。

【００２１】減算器１３には、吹奏圧に相当する息圧デ
ータＰが入力されると共に、フィルタ３０ｂを介した帰
還データ(このデータは共鳴管の途中や終端部で反射さ
れてマウスピース側に戻ってくる空気圧力波に相当す
る)が入力される。そして、マウスピースとリードの間
隙における空気圧に相当するデータが減算器１３から出
力され、フィルタ３０ａに入力される。このフィルタ３
０ａは、リードの動きをシミュレートするものであり、
入力された信号を帯域制限して出力する。これは、リー
ドへの圧力を変化させた場合、リード自身の慣性等があ
るため、リードの変位に遅れが生じると共に、この圧力
変化の周波数が高いとリードは反応しなくなることを示
している。

【００２２】こうした圧力変化に応じたリードの追随性
をシミュレートするように、このフィルタ３０ａでは帯
域制限が行われる訳である。加えて、このフィルタ３０
ａにあっては、前述したアンブシュールデータＥに応じ
てリードに初期変位を与えるように構成されている。

【００２３】フィルタ３０ａの出力データＰ₁には、加
算器１６によって、アンブシュールデータＥがオフセッ
トとして加算され、実際にリードに加えられる圧力に相
当するデータＰ₂が求められる。そして、このデータＰ₂
は、非線形回路１１ａに入力され、該非線形回路１１ａ
に記憶されている非線形関数Ａ（図７参照）により、マ
ウスピースとリードとの間隙距離に相当するデータＬに
テーブル変換される。続いて、このデータＬとリード幅
に相当する定数ｂとが、乗算器３１によって乗算され
る。この乗算によりマウスピースとリードとの間隙の面
積に相当するデータＳが求められる。

【００２４】ところで、マウスピースとリードとの間隙
部分における空気流の流速は、空気圧に応じて変化する
が、ある速度に達すると飽和してしまう。図５は、こう
した空気流の流速の飽和特性の一例を示したものであ
る。この飽和特性は、非線形関数Ｂとして非線形回路１
１ｂに記憶されている。そして、この非線形回路１１ｂ
には、減算器１３の出力、すなわち、前述したマウスピ
ースとリードの間隙における空気圧に相当するデータが
入力されることによって、テーブル変換がなされ、飽和
状態における空気流速を表すデータが出力される。この
データは、乗算器３２において上述したデータＳと乗算
され、この結果、間隙部における体積流速を表すデータ
ｆが求められる。

【００２５】次に、実際の管楽器におけるノイズ生成メ
カニズムをでき得る限り正確に解析した結果に基づいて
構成されるノイズ発生器５０について説明する。なお、
この実施例では、ノイズ生成をシミュレートする際の理
論的背景と、この理論に基づくノイズ発生器５０の構成
とについて説明を進める。

【００２６】理論的背景一般に、乱流を含む粘性流体の運動は、粘性流体の流速
Ｕ、代表長さＬ、流体の運動粘性率νとした場合、レイ
ノルズ数Ｒ（無次元量）は、Ｒ＝ＵＬ／νで表すことが
できる。ここで、流速Ｕ、体積流速ｆおよびこの流体の
通る断面の断面積Ｓとすると、Ｕ＝ｆ／Ｓの関係から
（１）式で表現できる。Ｒ＝（ｆ／Ｓ）・Ｌ／ν …（１）ここで、レイノルズ数Ｒとは、流体における流れの状態
を表す値であって、一般にこの値が２０００（無次元
量）以下では層流となり、これ以上では乱流となること
が知られている。コルモゴロフ則によれば、このレイノ
ルズ数Ｒが大きくなればなる程、乱流のスペクトル成分
は低周波領域まで伸び、その直流分のエネルギーはレイ
ノルズ数Ｒにほぼ比例するとしている。そこで、スペク
トル分布が一様なホワイトノイズ信号ＷＮをレイノルズ
数Ｒに応じてフィルタリングを行えば、所望のスペクト
ル分布を持つ乱流を近似することができる。

【００２７】ここで、図８（イ）および（ロ）に示すよ
うな構造を有するシングルリード楽器（例えば、クラリ
ネット等）において、マウスピースとリードとの間の開
口距離ξ、リードの幅ｂとした場合、この開口面積Ｓは
ｂξとなる。また、リード幅ｂは固定値であるから、開
口距離ξを代表的長さＬとして扱うことができる。従っ
て、上記（１）式は、（２）式のように表すことができ
る。すなわち、Ｒ＝｛ｆ／（ｂＬ）｝・Ｌ／ν＝ｆ／（ｂν） …（２）

【００２８】ところで、乱流の場合、エネルギー消散率
εを代表的パラメータとして用いると、レイノルズ数Ｒ
は（３）式で表現される。Ｒ＝ε^1/3Ｌ^4/3／ν …（３）さて、コルモゴロフ則によれば、レイノルズ数Ｒが極め
て大きい乱流状態にある流体の波数ｋに対するエネルギ
ースペクトルＥ（ｋ）を次のように定義している。Ｅ（ｋ）／（ε・ν⁵)^1/4＝Ａ・（ηｋ）^-3/5・Ｆ（ηｋ）＝Ｆ’（ηｋ） …（４）但し、この（４）式において、εはエネルギー消散率、
νは流体の運動粘性率、ηはコルモゴロフ長さ（η≡
（ν³／ε）^1/4）、Ａは無次元定数、Ｆ（ηｋ）および
Ｆ’（ηｋ）は積ηｋに関する無次元関数である。

【００２９】上記（４）式で表される関数は、横軸に積
ηｋを、縦軸にエネルギースペクトルＥ（ｋ）を各々と
り、（ε・ν⁵）^1/4で正規化した場合、つまり、Ｅ
（ｋ）／（ε・ν⁵)^1/4をとってプロットすると、その
形は一定の曲線Ｆ’（ηｋ）となる。しかしながら、こ
の曲線Ｆ’（ηｋ）は、レイノルズ数Ｒが極めて大きい
場合を示すものであり、レイノルズ数Ｒが比較的小さい
時には、図９に示す飽和特性を示すことが知られてい
る。

【００３０】この図に示す飽和特性において、各レイノ
ルズ数Ｒ１〜Ｒ４の飽和レベルに着目すると、縦軸に示
される各飽和レベルＥｓａｔ／（ε・ν⁵）^1/4は、それ
ぞれのレイノルズ数Ｒ１〜Ｒ４にほぼ等しくなってい
る。つまり、Ｅｓａｔ／（ε・ν⁵）^1/4≒Ｒの関係から
このエネルギー飽和レベルＥｓａｔは、次の（５）式で
表すことができる。Ｅｓａｔ＝Ｒ・（ε・ν⁵)^1/4 ＝｛ｆ／（ｂν）｝・｛（ｆ／ｂ）³Ｌ^-4・ν⁵｝^1/4 ＝ν^1/4ｂ^-7/4・｜ｆ｜^7/4／Ｌ …（５）

【００３１】こうして表現されるエネルギーの飽和レベ
ルに対し、振幅の飽和レベルをＡｓａｔとすると、この
振幅の飽和レベルＡｓａｔは、エネルギーＥの平方根に
比例することが知られている。そこで、上記（５）式に
おいて、パラメータνおよびｂは定数であるから、振幅
の飽和レベルＡｓａｔは（６）式で表現されることにな
る。Ａｓａｔ＝Ａｐ・｜ｆ｜^7/8／Ｌ^1/2 …（６）（Ａｐは
比例定数）

【００３２】一方、図９に示すように、この飽和特性
は、ｋ^-3/5の曲線に沿って変換していることが解る。な
お、この図においては、両対数軸であるため、直線近似
となり、この傾きは約−５ｄＢ／ｏｃｔ、すなわち、周
波数が倍になる毎にエネルギーが５ｄＢ減衰するように
なっている。このことは、減衰特性が１次の系（−６ｄ
Ｂ／ｏｃｔ）に極めて良く近似できることを表してい
る。

【００３３】また、図９に示す特性において、レイノル
ズ数Ｒを変化させた時のカットオフ値ηｋc₁、つまり、
通過域のエネルギーレベルを基準とした時に、該エネル
ギーレベルが半分に減衰するηｋの値を読取ると、
（７）式の関係で表現できる。すなわち、ηｋc₁≒（２
Ｒ）・ｅｘｐ（−１／√２） …（７）

【００３４】さらに、図９に示す特性のスペクトルは、
本来、空間周波数に関するものであるが、近似的には周
波数に関するスペクトルと見做して良い。このため、ｋ
c₁に対するカットオフ周波数をｆc₁、音速をｃとする
と、これらは（８）式の関係となる。ｋc₁＝２πｆc₁/ｃ …（８）ここで、上記（７）式に前述した（２）式、（３）式お
よび（８）式を用いて展開することで、カットオフ周波
数ｆc1を表す次の（９）式が得られる。ｆc₁＝（ｃ／π）・（νｂ）^-h・（ｆ^h／Ｌ） …
（９）但し、ここで、ｈ＝（３／４）−（１／√２）
なる値である。

【００３５】また、図９に示す特性を観察すると、積η
ｋが所定値を越えると、特性を近似する直線が−１２ｄ
Ｂ／ｏｃｔで減衰する傾きになる。このように、飽和特
性は−５ｄＢ／ｏｃｔで減衰する領域と、−１２ｄＢ／
ｏｃｔで減衰する領域とに分けることができる。すなわ
ち、図９に示す特性は、図１０（イ）に示す伝達関数を
持つ１次のローパスフィルタＡと、同図（ロ）に示す伝
達関数を持つ１次のローパスフィルタＢとの積で近似で
きる。そして、これらフィルタＡ，Ｂの積は、同図
（ハ）に示すように、上述した飽和特性を近似する関数
となる。

【００３６】ところで、上記ローパスフィルタＢのカッ
トオフ周波数ｆc₂は、次のようにして求めることができ
る。まず、図９において二つの傾きの直線を引き、これ
より交点をもとめこの横軸の値をＸtransとし、波数ｋc
₂に対応する周波数をｆc₂とすると、下記（１０）式で
表せる。 ηｋc₂＝（ν³／ε）^1/4・２πｆc₂／ｃ＝Ｘtrans …（１０）そして、この（１０）式を展開することで、次の（１
１）式によりローパスフィルタＢのカットオフ周波数ｆ
c₂を表すことができる。ｆc₂＝（ｃ／（πＸtrans））・（νｂ）^-3/4（ｆ^3/4／Ｌ） …（１１）

【００３７】ノイズ発生器５０の構成次に、上述したローパスフィルタＡ、Ｂの各特性を用い
て、マウスピースとリードとの間隙における乱流現象を
シミュレートするノイズ発生器５０について図１１を参
照し、説明する。図において、５１はホワイトノイズ発
生器であり、ホワイトノイズ信号ＷＮを発生する。５２
は演算器であり、入力信号の絶対値に対して７／８乗を
施し、これを出力する。この演算器５２には、マウスピ
ースとリードとの間隙における体積流速を表すデータｆ
が供給される。

【００３８】５３は入力信号を（−１／２）乗して出力
する演算器であり、この演算器５３にはマウスピースと
リードとの間隔に相当するデータＬが供給される。５４
は上記演算器５２，５３の各出力を乗算する乗算器であ
る。５５は入力信号に係数Ａｐを乗ずる係数乗算器であ
る。この係数乗算器５５の出力は、前述した（６）式で
表される振幅の飽和レベルＡｓａｔに相当する。５６は
乗算器であり、上述したホワイトノイズ信号ＷＮと、こ
の振幅の飽和レベルＡｓａｔとを乗算して出力する。す
なわち、この乗算器５６は、飽和レベルＡｓａｔに応じ
たホワイトノイズ信号を形成することになる。

【００３９】次に、５７はデータｆを３／４乗して出力
する演算器、５８はデータＬの逆数（１／Ｌ）を発生す
る演算器、５９はこれら演算器５７，５８の出力を乗算
する乗算器である。６０はこの乗算器５９の出力に係数
Ｃ₂を乗ずる係数乗算器である。これら構成要素５７〜
６０は、上述した（１１）式に対応し、カットオフ周波
数ｆc₂に相当するデータを形成する。なお、上記係数Ｃ
₂は、当該（１１）式におけるｃ／（πＸtrans）に相当
する値である。６１はローパスフィルタである。このロ
ーパスフィルタ６１は、係数乗算器６０から供給される
信号に応じてカットオフ周波数をｆc₂とする減衰特性
（図１０（ロ）参照）を形成し、乗算器５６を介して出
力される信号にフィルタリングを施す。

【００４０】６３はデータｆをｈ乗して出力する演算
器、６４は演算器５８，６３の出力を乗算する乗算器で
ある。６５は乗算器６４の出力に係数Ｃ₁を乗ずる係数
乗算器である。これら構成要素６３〜６５は、上述した
（９）式に対応し、カットオフ周波数ｆc₁に相当するデ
ータを形成する。なお、上記係数Ｃ₁は、当該（９）式
におけるｃ／πに相当する値である。６６はローパスフ
ィルタである。このローパスフィルタ６６は、係数乗算
器６５から供給される信号に応じてカットオフ周波数を
ｆc₁とする減衰特性（図１０（イ）参照）を形成し、前
段のローパスフィルタ６１を介したホワイトノイズ信号
ＷＮにフィルタリングを施す。

【００４１】上記構成によれば、スペクトル分布が一様
なホワイトノイズ信号ＷＮに、レイノルズ数Ｒに対応し
たフィルタリングが施されるので、所望のスペクトル分
布を持つ管内乱流を近似することができる。また、この
場合、一次のローパスフィルタをシリーズに接続して乱
流をシミュレートするので、極めて容易な構成になり、
しかも、こうしたことは理論的考察に基づくものである
ため、乱流のシミュレートがより正確になされる。

【００４２】ところで、実際の管楽器では、特にアタッ
ク部分でエッジトーンなどのさらに複雑なノイズの発生
機構が知られているが、こうした挙動をシミュレートす
るノイズ発生回路７０が、このノイズ発生器５０に設け
られている。以下では、まず、上述した楽音発生時のノ
イズ挙動を示した後、ノイズ発生回路７０の構成につい
て順次説明を加える。

【００４３】図１２（イ）および（ロ）は、それぞれサ
ックスを吹奏した時のアタック部分、すなわち、楽音発
生開始時におけるデータＰの変化と、これに対応して生
成される楽音波形とを示す図である。なお、このデータ
Ｐとは、管楽器を吹奏する際の息圧を表すデータであ
る。この図に示すように、アタック部分におけるノイズ
のエンベロープ波形は、データＰ（息圧）を微分した波
形に比例的な量になっていることが推測される。

【００４４】次に、再び、図１１を参照し、上述したノ
イズ発生回路７０について説明する。図において、７０
ａは入力信号を微分して出力する微分回路である。この
微分回路７０ａには、吹奏時の息圧を表すデータＰが供
給される。７０ｂは減算器であり、データＰから微分回
路７０ａの出力を減算して出力する。７０ｃは入力信号
に係数αを乗算する係数乗算器、７０ｄは、前述したホ
ワイトノイズ信号ＷＮを発生するホワイトノイズ発生器
である。７０ｅは、このホワイトノイズ信号ＷＮと係数
乗算器７０ｃの出力とを乗算する乗算器である。

【００４５】７０ｇ，７０ｆはそれぞれ乗算係数β₁、
β₂を有する係数乗算器である。係数乗算器７０ｇは、
上述したローパスフィルタ６６の出力に係数β₁を乗じ
て出力し、一方、係数乗算器７０ｆは乗算器７０ｅの出
力に係数β₂を乗じて出力する。７０ｈは加算器であ
り、これら係数乗算器７０ｇ，７０ｆの出力を加算し、
これを雑音データＮとして出力する。これら構成要素７
０ａ〜７０ｈは、発振が成長するに連れて、ノイズ量が
次第に減るという挙動をシミュレートすることになる。
なお、上述した各乗算係数α、β₁およびβ₂は、こうし
た動作を最適にするように、各々設定される。

【００４６】なお、このような挙動をより簡便にシュミ
レートする方法としては、図１３に示すように、息圧の
立上がりから次第に減衰するエンベロープ信号ＥＮＶ
と、前述したデータＮとを乗算器７１で乗算し、この乗
算結果とデータｆとを加算器７２で加算すれば良い。

【００４７】次に、雑音データＮは、加算器３３（図４
参照）によってデータｆと加算され、この結果、乱流に
相当するデータがオフセットとして付与されたデータＦ
ＬＮが出力される。そして、このデータＦＬＮには、乗
算器３４によって定数Ｚが乗じられる。この定数Ｚは、
管楽器のリード取り付け部付近の管径に応じて決められ
る値であり、空気流の通りにくさ、すなわち、空気流に
対するインピーダンスに相当するものである。こうした
乗算により、管内における空気圧に相当するデータが得
られ、このデータがジャンクション２２の加算器２２a
を介して管体形成回路２０に入力される。そして、管体
形成回路２０の出力データがジャンクション２２へ出力
され、フィルタ３０ｂを介して減算器１３に入力され、
再び前述と同様の信号処理が行われる。

【００４８】ここで、図６を参照して管体形成回路２０
の構成について説明する。この図において、２０ａ，
…,２０ａはシフトレジスタで構成される遅延回路であ
り、共鳴管における空気圧力波の伝播遅延をシミュレー
トする。２０ｂ,…,２０ｂは、これら遅延回路２０ａの
間に介挿されたジャンクションである。２０ｃはインバ
ータであり、この共鳴管の終端部における空気圧力波の
反射をシミュレートする。２０ｄはローパスフィルタ
（ＬＰＦ）、２０ｅはハイパスフィルタ（ＨＰＦ）であ
る。

【００４９】このような構成によれば、最終段の遅延回
路２０ａから出力される信号は、ＬＰＦ２０ｄを通って
管端で反射するものと、ＨＰＦ２０ｅを通って楽音出力
として出力されるものとに分れる。ここで、ＨＰＦ２０
ｅを介挿しているのは、管楽器における音響放射インピ
ーダンス特性が高域通過特性であるからである。なお、
図示されている遅延量ｄ₁〜ｄ_n、ジャンクション係数ｋ
₁〜ｋ_n-1およびフィルタ係数ＦＣＬ，ＦＣＨは、前述し
たキーコード、アンブシュールデータＥ、息圧データＰ
をもとに演算を行った結果与えられるものであり、この
演算はＣＰＵ２により実行される。

【００５０】このように構成された楽音合成回路９で
は、マウスピースとリードとの間隙を通過する空気流の
体積流速に相当したデータｆとマウスピースとリードの
間隙の面積に相当したデータＳに応じた乱流の雑音デー
タＮがオフセットとして付与されるので、実際の管楽器
における雑音発生メカニズムに即した信号処理が行われ
る。こうした信号処理を経て出力される楽音信号は、図
１に示すサウンドシステム４０に供給され、このサウン
ドシステム４０がスピーカＳＰから楽音として発音する
ための処理を行う。これにより、実際の管楽器吹奏にお
いて、息を強く吹き込んでマウスピースとリードとの間
隙部分の空気流速度が飽和した時に雑音が大きくなるサ
ブトーンや、息漏れ音などの雑音効果を忠実に再現でき
るようになる。

【００５１】Ｂ．第２実施例次に、この発明による第２実施例について図面を参照
し、説明する。まず、上述した第１実施例では、実際の
管楽器におけるノイズ生成メカニズムをノイズ発生器５
０にシミュレートするものであり、このノイズ発生器５
０は、出来る限り正確に解析した結果に基づいて構成さ
れている。

【００５２】ところで、前述したノイズ発生器５０にお
けるローパスフィルタのカットオフ周波数ｆc₁を調べて
見ると、データｆはリードとマウスピースとの間隔の開
口距離で、空気流速ｖ［ｃｍ／ｓｅｃ］とスリット面積
Ｓ＝ｂＬ［ｃｍ₂］との積、ｖｂＬで表される。このた
め、前述した（９）式で表現されるカットオフ周波数ｆ
c₁は、次の式で表すことができる。すなわち、ｆc₁＝（ｃ／π）・（νｂ）^-h・（ｆ^h／Ｌ）＝（ｃ／π）・（νｂ）^-h・（（ｖｂＬ）^h／Ｌ）＝（ｃ／π）・ν^-h・（ｖ^h／Ｌ^1-h） …（１２）となる。

【００５３】ここで、上記ｃ，ν，ｂ，ｈにクラリネッ
トのリードやマウスピースに関する定数であって、ｃは
３４０００［ｃｍ／ｓｅｃ］（空気中を伝播する音
速）、νは０．１５［ｃｍ₂／ｓｅｃ］（空気の運動粘
性率）、ｈ＝（３／４）−（１／√２）≒０．０４２９
である。そして、これら定数を上記（１２）式に代入す
ると、ｆc₁≒１．１７４×１０⁴(ｖ^0.0429／Ｌ^0.9571）
となる。ここで、Ｌはリードとマウスピースとの間隔
（スリット）の開口距離であり、０＜Ｌ≦０．０７１
［ｃｍ］の範囲をとる。そして、Ｌ＝０．０７１の時に
ｆc₁が最小となり、その最小値ｆc_1L≒１．４７６×１
０⁵×ｖ^0.0429となる。

【００５４】ここで、木管楽器にて採り得るｖ［ｃｍ／
ｓｅｃ］の範囲が、０＜ｖ＜３０００であることを考慮
すると、ｆc₁は波形の１周期のほとんどの間、かなり大
きな値（可聴周波数以上の値）となる。したがって、ｆ
c₁＜ｆc₂より、ノイズ発生器５０のカットオフ周波数ｆ
c₁、ｆc₂を与える２つのローパスフィルタ６１，６６を
無視する実現法も考えられ、前述したノイズ発生器５０
の簡素化が可能になる。

【００５５】ノイズ発生器５０の簡素化を考える場合、
ノイズ振幅の飽和レベルＡｓａｔは、前述した（６）
式、すなわち、Ａｓａｔ＝Ａｐ・｜ｆ｜^7/8／Ｌ^1/2（Ａ
ｐは比例定数）で与えられていたが、｜ｆ｜^7/8≒ｆと
考えると、次式（１３）で表すことができる。Ａｓａｔ＝Ａｐ・ｆ／Ｌ^1/2 …（１３）

【００５６】さらに、息圧データＰを微分した波形に比
例した量のノイズを注入するノイズ注入回路７０をノイ
ズ発生回路５０から取り除くと、求める乱流に相当する
データが付与された体積流速データＦＬＮは、次式（１
４）のように表される。すなわち、ＦＬＮ＝ＷＮ・Ａｐ・ｆ・Ｌ^1/2＋ｆ＝ｆ・（１＋ＷＮ・Ａｐ・Ｌ^1/2） …（１４）となる。

【００５７】したがって、第１実施例において示したノ
イズ発生器５０は、図１４に示すように簡素化される。
すなわち、図示の通り、データＬに応じて生成される信
号をデータｆに乗算するだけの構成により、簡単に体積
流速データＦＬＮを発生することが可能になる。なお、
この図１４において、図１１に示す各部と共通する部分
には、同一の番号を付け、その説明を省略している。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、雑音形成手段が一様なスペクトル分布を有する雑音
信号を発生し、雑音制御手段がこの雑音信号のスペクト
ル分布および振幅を励振信号に応じて制御することで管
内乱流を近似した雑音信号を励振信号に応じて発生し、
雑音重畳手段がループ回路の循環信号に当該管内乱流を
近似した雑音信号を重畳させるので、実際の雑音発生メ
カニズムに即した楽音合成がなされ、演奏時に発生され
る雑音が忠実に再現されるという効果が得られる。ま
た、特に、実際の管楽器のように、発振された楽音が成
長するまではノイズが比較的多く、楽音が成長するに連
れてノイズが減少するという振る舞いを実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による第１実施例の全体構成を示す
ブロック図。

【図２】同実施例における操作子１の一例を示す外観
図。

【図３】同実施例における情報変換回路の構成を示す
ブロック図。

【図４】同実施例における楽音合成回路９の構成を示
すブロック図。

【図５】同実施例における非線形回路１１ｂに記憶さ
れた非線形関数Ｂを説明するための図。

【図６】同実施例における管体形成回路２０の構成を
示すブロック図。

【図７】同実施例における非線形関数Ａを説明するた
めの図。

【図８】管楽器におけるマウスピースとリードとの構
造を示す図。

【図９】レイノルズ数Ｒの飽和特性例を示す図。

【図１０】同実施例の理論的背景を説明するための
図。

【図１１】同実施例の構成を示すブロック図。

【図１２】同実施例におけるノイズ発生回路５０の動
作を示す図。

【図１３】同実施例における雑音データＮにエンベロ
ープ信号ＥＮＶを重畳する一態様例を示すブロック図。

【図１４】第２実施例の構成を示すブロック図。

【図１５】従来例を説明するためのブロック図

【符号の説明】

５…マイクロコンピュータ、６…ノイズ発生器、７…マ
ウスピース部、８…管体部、４０…ローパスフィルタ、
４１…フィルタ定数発生回路。５０…ノイズ発生器、７
０…ノイズ制限回路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】演奏情報に対応した励振信号を発生する
励振手段と、少なくとも所定時間自己の入力信号を遅延
すると共に、上記励振信号を繰り返し循環させるループ
回路とから構成され、前記励振信号を該ループ回路に入
力し、該ループ回路を循環する循環信号を抽出して楽音
信号として出力する楽音合成装置において、一様なスペクトル分布を有する雑音信号を発生する雑音
形成手段と、前記雑音信号のスペクトル分布および振幅を前記励振信
号に応じて制御する雑音制御手段と、前記ループ回路内の所定の位置に介挿される手段であっ
て、前記雑音制御手段による制御を受けた雑音信号を前
記循環信号に重畳する雑音重畳手段とを具備することを
特徴とする楽音合成装置。