JP2751598B2 - 波形信号出力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

本発明は、往路と復路とからなる循環路中に入力信号
を循環せしめ、管楽器などの管体中における音波の伝播
状態をシミュレートした波形信号を出力する波形信号出
力装置に関する。

【従来技術】

従来、この種の装置は、例えば特開昭63−40199号公
報に示されるように、遅延手段を備えて信号の往路と復
路とを構成する複数の信号伝送手段の間に、各信号伝送
手段相互における往路と復路をそれぞれ接続するととも
に所定の反射係数に応じて往路中の信号の所定量を復路
に入力せしめるとともに復路中の信号の所定量を往路に
入力せしめる複数の接続手段を備えて波形信号の伝送路
を構成している。そして、所定の励振信号を非線形変換
するとともに、非線形変換後の励振信号を上記伝送路に
入力して当該伝送路中を循環せしめ、自然楽器における
発音過程を模倣して自然楽器に近い楽音を発生してい
る。

【発明が解決しようとする課題】

上記従来の波形信号出力装置にて発音される楽音の音
色は、非線形変換における変換特性や、反射係数、ある
いは伝送路終端に設けるフィルタの特性によって制御し
ていたが、倍音成分の発生を制御して望ましい非調和倍
音を発生させることが難しかった。 本発明は、上記問題に対処するためになされたもの
で、往路と復路とからなる循環路中に入力信号を循環さ
せて所定の周波数特性を有する波形信号を出力する波形
信号出力装置において、波形信号に含まれる周波数成分
をより容易に制御して望ましい周波数成分を有する楽音
を得るための波形信号出力装置を提供することを目的と
する。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するために、本発明の構成上の特徴
は、波形信号を伝送するための往路及び復路からなり同
往路及び復路の少なくとも一方に遅延手段を介装してな
る第１及び第２の信号伝送手段と、上記第１及び第２の
信号伝送手段の間に接続されて、上記第１の信号伝送手
段の往路から同第１の信号伝送手段の復路及び上記第２
の信号伝送手段の往路へそれぞれ信号を伝達するととも
に、上記第２の信号伝送手段の復路から同第２の信号伝
送手段の往路及び上記第１の信号伝送手段の復路へそれ
ぞれ信号を伝達する接続手段とからなり、入力信号をも
とに所定の周波数特性を有する波形信号を出力する波形
信号出力装置において、上記接続手段内に、上記第１の
信号伝送手段の往路から同第１の信号伝送手段の復路及
び上記第２の信号伝送手段の往路への各信号伝達の周波
数特性をそれぞれ異ならせるとともに、上記第２の信号
伝送手段の復路から同第２の信号伝送手段の往路及び上
記第１の信号伝送手段の復路への各信号伝達の周波数特
性をそれぞれ異ならせるフィルタを設けたことにある。

【発明の作用】

上記のように構成した本発明においては、遅延手段を
有する第１及び第２の信号伝送手段の間に接続手段を介
装し、両信号伝送手段における往路と復路とからなる循
環路中に励振信号を繰り返し循環させて管楽器などにお
ける管体をシミュレートするときに、接続手段は、フィ
ルタの作用により、第１の信号伝送手段の往路から同第
１の信号伝送手段の復路及び第２の信号伝送手段の往路
への各信号伝達の周波数特性をそれぞれ異ならせるとと
もに、第２の信号伝送手段の復路から同第２の信号伝送
手段の往路及び第１の信号伝送手段の復路への各信号伝
達の周波数特性をそれぞれ異ならせる。 これにより、第１の信号伝送手段の往路を伝搬してき
た信号は、同信号に含まれる周波数成分に応じて、第１
の信号伝送手段の復路に導かれたり、第２の信号伝送手
段の往路に導かれたりする。一方、第２の信号伝送手段
の復路を伝搬してきた信号は、同信号に含まれる周波数
成分に応じて、第２の信号伝送手段の往路に導かれた
り、第１の信号伝送手段の復路に導かれたりする。この
ことは、第１及び第２の信号伝送手段に励振信号を繰り
返し循環させた場合に、循環する信号の一部の周波数成
分が第１の信号伝送手段のみを含む循環ループを循環し
たり、他の一部の周波数成分が第１及び第２の信号伝送
手段の両方を含む循環ループを循環したりすることを意
味し、接続手段により接続された第１及び第２の信号伝
送手段からなる循環路は、周波数に応じて異なる循環路
を複数備えたことと同等になる。

【発明の効果】

上記作用説明のように、本発明における第１及び第２
の信号伝送手段からなる循環路は、周波数に応じて異な
る循環路を複数備えたことと同等であるので、同循環路
で形成される循環信号の周波数成分について予測が可能
となるとともに、周波数領域に応じて倍音成分の制御が
容易となり、本発明に係る波形信号出力装置からは周波
数特性の微妙に制御された波形信号を得ることができ、
同装置を用いれば微妙な音色設定を行うことができるよ
うになる。

【実施例】

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。第１
図に本発明に係る波形信号出力装置を備えた電子楽器の
全体概略構成を示している。 この電子楽器は、管型操作子100による各種操作に対
応した操作信号に基づいて、パラメータ形成回路200が
楽音信号形成のためのパラメータを形成し、同パラメー
タに基づいて信号形成回路400が楽音信号を形成する。 同電子楽器は、第２図に示す管型操作子100によって
演奏される。管型操作子100は、マウスピース部110と操
作部120と操作検出部130とを有し、マウスピース部110
には図示しないリードの押圧力を検知するカンチレバー
111とマウスピース部110内に吹き込まれる空気流の圧力
を検知する圧力センサ112とが備えられ、操作部120には
主キースイッチと補助キースイッチとからなるキースイ
ッチ121が備えられ、操作検出部130には上記カンチレバ
ー111と圧力センサ112とキースイッチ121の各検出結果
に基づいて各操作内容を表すキーオン信号KON、キーオ
フ信号KOF、プレス信号BR、ピッチベンド信号PB、キー
コード信号KCを出力するマイクロコンピュータ131が備
えられている（第３図参照）。 パラメータ形成回路200は、上記ブレス信号BRに基づ
いて口内圧力（吹奏圧）を表す口内圧力信号PRESと、上
記ピッチベンド信号PBに基づいて唇の構えや締めなどを
表すアンブシュール信号EMBSとを形成し、上記キーオン
信号KONとキーオフ信号KOFとに基づいて上記形成した口
内圧力信号PRESとアンブシュール信号EMBSの出力をオン
・オフせしめる。また、同パラメータ形成回路200は、
上記キーコード信号KCに基づいて信号形成回路400に対
する遅延段数信号n1,n2と反射係数信号K1,K2とを出力す
る。 信号形成回路400は、第１図に示すように、励振信号
を形成する励振信号形成部410と波形信号ループ部420と
管体シミュレート部430とを有しており、励振信号形成
部410にてリードの振動による音波の発生をシミュレー
トし、波形信号ループ部420にてリードの振動による入
射波と共鳴管からの反射波の合成としての圧力の発生を
シミュレートし、管体シミュレート部430にて共鳴管の
形状をシミュレートする。 励振信号形成部410は、口内圧力と共鳴管からの反射
波との圧力差（符号ビットの反転によって減算を行な
う。）を求める加算器411と、リードの圧力に対する特
性として高域成分をカットするローパスフィルタ412
と、同フィルタ412の出力する圧力に唇の構えなどによ
る押圧力を加える加算器413と、同加算器413の出力を非
線形変換してリードとマウスピースとの間の流路面積に
関する量を求める非線形変換回路414と、上記圧力差を
符号変換する乗算器415と、同符号変換後の圧力差と上
記流路面積とを乗算して流速を求める乗算器416と、同
流速に抵抗成分を乗算して音圧を求める乗算器417とを
有しており、波形信号ループ部420を介して同音圧を表
す励振信号を管体シミュレート部430へ入力する。 波形信号ループ部420は、復路となる信号ラインL2の
波形信号を往路となる信号ラインL1へ入力せしめる加算
器421と、往路となる信号ラインL1の波形信号を復路と
なる信号ラインL2へ入力せしめる加算器422とを有して
おり、加算器421の出力を当該波形信号出力装置の出力
としている。 管体シミュレート部430は、ジャンクションＪを介し
て一対の遅延回路SR1（1a,1b）,SR2（2a,2b）を二段に
接続した梯子状回路431を波形信号の往路と復路となる
信号ラインL1,L2に接続するとともに、同梯子状回路431
の終端にはパラメータ形成回路200の出力する制御信号C
OEFに従って共鳴管の形態をシミュレートするローパス
フィルタ432と同パラメータ形成回路200の出力する乗算
係数（−Ｇ）に従って復路へ入力する反射波を形成する
乗算器433を接続しており、複数の管体（以下、この管
体をセクションという。）からなる一つの管体（以下、
本管体を管体という。）をシミュレートする。 同梯子状回路431におけるシフトレジスタSR1（1a,1
b）,SR2（2a,2b）は、管体を構成する各セクション内で
の遅延状況をシミュレートするものであり、上記パラメ
ータ形成回路200で形成された遅延段数信号n1,n2に応じ
てセクション長に対応した遅延時間を与える。なお、n
1,n2は1:3としてある。また、このシフトレジスタSR1,S
R2間に接続されたジャンクションＪは、各セクション間
で生じる反射をシミュレートするものであり、各シフト
レジスタSR1,SR2間で往路と復路を接続するときにシフ
トレジスタSR1a側の往路より入力される信号の一部を同
シフトレジスタSR1b側の復路へ入力するとともに、シフ
トレジスタSR2b側の復路の信号の一部を同シフトレジス
タSR2b側の往路へ入力するように構成されている。な
お、第１図に示すようにシフトレジスタは信号の往路と
復路とのそれぞれに設置することもできるし、往路と復
路のいずれかにまとめて設置することもできる。そし
て、信号の往路と復路とのそれぞれに設置する場合は往
路と復路のいずれかにまとめた場合における遅延段数の
半分となる。 ジャンクションＪは具体的には第６図に示すように構
成されているが、基本的には第４図に示すように乗算係
数Ｋの変更可能な乗算器と加算器とから構成されるケリ
ー−ロッフバウム（Kelly−Lochbaum）型乗算格子であ
り、上記パラメータ形成回路200で形成される反射係数
Ｋにて各セクションの接続部における反射状況を再現す
る。なお、第４図に示すケリー−ロックバウム型乗算格
子は、各乗算器における乗算係数を調整して第５図に示
す格子と等価となる。 ジャンクションＪは、第６図に示す格子を基本的構成
として往路の入力端子Ａと復路の入力端子Ｄとから入力
され、乗算器431J5,413J6を介して加算器431J1にて加算
された循環信号をフィルタ431J2に入力せしめ、同フィ
ルタ431J2の出力を加算器431J3,431J4を介して往路の出
力端子Ｃと復路の出力端子Ｂとに出力している。 フィルタ431J2はローパスフィルタで構成され、同フ
ィルタが第７図に示すような理想的なローパスフィルタ
であるとすると、周波数がカットオフ周波数fc以下の循
環信号においては当該ジャンクションＪは第８図に示す
構成となり、周波数がカットオフ周波数fc以上の循環信
号においては当該ジャンクションＪは第９図に示すよう
な分断された構成となる。このとき往路から復路へ、及
び復路から往路へ入力される信号の極性より、かかる分
段状態は現実には管を塞いだ状態を表すことになる。 次に、上記のように構成した本実施例の動作を説明す
る。 演奏者が管型操作子100による演奏を開始すると、操
作検出部130におけるマイクロコンピュータ131がカンチ
レバー111と圧力センサ112とキースイッチ121の操作状
況に応じた各種操作信号を形成して出力する。 このうち、プレス信号BRとピッチベンド信号PBはパラ
メータ形成回路200における所定の変換テーブルによっ
て口内圧力信号PRESとアンブシュール信号EMBSに変換さ
れ、キーオン信号KONとキーオフ信号KOFに対応してキー
オンの間だけ信号形成回路400へ出力される。 従って、演奏が開始されると、口内圧力信号PRESとア
ンブシュール信号EMBSが信号形成回路400に入力され、
同回路内における励振信号形成部410にて入射波の圧力
を示す励振信号が形成されて波形信号ループ部420より
管体シミュレート部430へ入力される。 一方、パラメータ形成回路200にはキーコード信号KC
も入力され、同キーコード信号KCに対応した遅延段数信
号n1,n2を形成するとともに予め定められた反射係数信
号K1,K2を形成する。同遅延段数信号n1,n2と反射係数信
号K1,K2とが管体シミュレート部430におけるシフトレジ
スタSR1（1a,1b）,SR2（2a,2b）とジャンクションＪに
出力されると、シミュレートする管体の全長に対応した
遅延時間の循環路が形成されるとともに、セクションの
変化する状況がジャンクションＪによって再現される。
そして、励振信号形成部410より波形信号ループ部420を
介して管体シミュレート部430に入射波が入力される
と、同入射波は同管体シミュレート部430内の信号路L1,
L2からなる信号路を循環し始める。 ところで、管体シミュレート部430における循環路と
しては、シフトレジスタSR1aとジャンクションＪとシフ
トレジスタSR2aとローパスフィルタ432と乗算器433とシ
フトレジスタSR2bとジャンクションＪとシフトレジスタ
SR1bからなる第１の循環路LOOP1とともに、シフトレジ
スタSR1aとジャンクションＪとシフトレジスタSR1bとか
らなる第２の循環路LOOP2と、シフトレジスタSR2aとロ
ーパスフィルタ432と乗算器433とシフトレジスタSR2bと
ジャンクションＪとからなる第３の循環路LOOP3とが形
成され、反射係数の値のために基本的には第１の循環路
LOOP1における遅延時間によって音高が決定される。 ここで形成される循環路ごとに循環信号の周波数成分
を考えてみる。 第１の循環路LOOP1における総遅延時間が最も長い時
間となり、第10図に示すように同総遅延時間に対応した
最低周波数の信号と同周波数の倍音の関係になる周波数
成分の信号が形成される。しかし、ローパスフィルタ43
1J2のカットオフ周波数fc以上の周波数成分に対しては
ジャンクションＪは第９図に示すように分断された形に
なるため、第１の循環路LOOP1が存在しなくなる。この
ため、第10図に示すように破線で表される倍音の周波数
成分は表れない。 一方、シフトレジスタSR1による遅延時間は総遅延時
間の1/4に設定してあるため第２の循環路で形成される
循環信号のスペクトル線図は第11図に示すものとなる。
なお、第３の循環路LOOP3については、出力される楽音
とは関係がないので省略する。 波形信号ループ部420より出力される楽音波形信号は
第１の循環路LOOP1と第２の循環路LOOP2における循環信
号の合成したものとなるため、第10図と第11図を参照し
て第13図に示す周波数成分を有するものとなる。 すなわち、本実施例におけるようにジャンクションＪ
にフィルタを設けることによって、各循環路で形成され
る循環信号の周波数成分について予測が可能となり、音
色設定が容易となる。 例えば、音色の設定にあたり、シフトレジスタSR1に
おける遅延時間を総遅延時間の1/4よりわずかにずらし
たものとし、カットオフ周波数fc以上について非調和倍
音を生成させるというようなことも容易となる。 このようにして得られる循環信号は波形信号ループ部
420における加算器421の出力端より外部に出力され、図
示しないサウンドシステムより楽音として発音される。 なお、上記実施例では、ジャンクションに備えるフィ
ルタとしてローパスフィルタを使用しているが、他のフ
ィルタを使用する構成としてもよい。例えば、ハイパス
フィルタを使用すればカットオフ周波数fc以下では第２
の循環路で循環信号が形成され、かつカットオフ周波数
fc以上では第１及び第２の循環路で循環信号が形成され
るし、バンドパスフィルタを使用すれば、通過域では第
１の循環路と第２の循環路、その他の帯域では第２の循
環路で循環信号が形成されることになる。かかる場合、
現実のフィルタではカットオフ周波数近傍においてフィ
ルタのロールオフ特性に応じて通過阻止帯域の周波数成
分が残存することになる。 また、オールパスフィルタを使用してその位相（遅
延）特性を利用し、非調和倍音を得るようにしてもよ
い。 さらに、フィルタの特性を時間変化させることにより
楽音の形成中に音色が変化するようにすることも可能で
ある。 音高を制御するについてはシフトレジスタSR1の遅延
時間と総遅延時間との比が1:4の関係を保ちつつ、シフ
トレジスタの遅延時間を変化させるが、キースケーリン
グを施して音域に対する変化を与えてもよい。 上記実施例では操作子として管型のものを使用し、同
操作子より音高情報だけを出力しているが、操作スイッ
チに音色選択スイッチを備えて管形態を変更可能とする
構成とすることもできる。この場合、管形態に対応した
反射係数などを記憶させれば良い。 また、操作子は管型以外のもの、例えば鍵盤や自動演
奏装置などであっても良く、かかる場合は上記アンブシ
ュール信号EMBSと口内圧力信号PRESからなる楽音制御信
号として、演奏情報、音色情報、その他の情報に基づい
て形成される種々の信号が利用される。例えば、楽音の
発生開始指示時（キーオン時）から立ち上がるとともに
時間的に変化し、かつ楽音の発生終了指示時（キーオフ
時）から減衰して消滅するような波形信号、いわゆるエ
ンベロープ信号と呼ばれるものや、鍵盤による演奏のタ
ッチ信号を利用することもできる。また、トレモロ、ビ
ブラート等の変調に利用される低周波数の信号を楽音制
御信号として利用するようにしてもよい。さらに、時分
割処理を行ない、複音発音が可能なようにしても良い。
その他、パラメータを直接操作する操作子を備えたり、
同パラメータをキースケーリングしても良い。 上記実施例では、回路をディジタル回路によって構成
しているが、アナログ回路によって構成することもで
き、その場合には、フィルタとしてCR受動フィルタや、
能動フィルタを用いることができる。さらに、かかる場
合には、ROMとして構成したテーブルや非線形変換回路
としてトランジスタ、ダイオード等のアナログ回路素子
自体の特性を利用し、加算器、乗算器等の演算回路も演
算増幅器等を利用したアナログ演算回路で構成し、かつ
遅延手段などはBBD、LCR等の遅延回路を利用するとよ
い。 ピッチを変更するには、上記実施例のように管体の全
長を変更させる方法に限らず、３ポートジャンクション
を使用してトーンホールのシミュレートを行なう方法と
しても良い。また、ピッチの微妙な制御を行なうため、
ある特定段のシフトレジスタにおける遅延段数を調整可
能な構成とすることもでき、その場合に直線補間によっ
て調整しても良い。 上記実施例では管体のシミュレートを行なっている
が、新たな音を作成するものであっても良い。また、管
楽器に限らず、管状の音響効果装置として利用すること
もできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例にかかる電子楽器の概略構成
図、第２図は管型操作子の外形図、第３図は操作検出部
のブロック図、第４図及び第５図は基本的なジャンクシ
ョンのブロック図、第６図はジャンクションの具体的な
ブロック図、第７図はローパスフィルタの特性図、第８
図はカットオフ周波数以下の周波数成分に対するジャン
クションの実質構成図、第９図はカットオフ周波数以上
の周波数成分に対するジャンクションの実質構成図、第
10図は第１の循環路による循環信号の周波数成分を示す
スペクトル線図、第11図は第２の循環路による循環信号
の周波数成分を示すスペクトル線図、第12図はローパス
フィルタの特性図、第13図は本実施例で得られる循環信
号の周波数成分を示すスペクトル線図である。 符号の説明 430……管体シミュレート部、431……梯子状回路、SR1
（1a,1b）,SR2（2a,2b）……シフトレジスタ、Ｊ……ジ
ャンクション、431J2……フィルタ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】波形信号を伝送するための往路及び復路か
   らなり同往路及び復路の少なくとも一方に遅延手段を介
   装してなる第１及び第２の信号伝送手段と、 上記第１及び第２の信号伝送手段の間に接続されて、上
   記第１の信号伝送手段の往路から同第１の信号伝送手段
   の復路及び上記第２の信号伝送手段の往路へそれぞれ信
   号を伝達するとともに、上記第２の信号伝送手段の復路
   から同第２の信号伝送手段の往路及び上記第１の信号伝
   送手段の復路へそれぞれ信号を伝達する接続手段とから
   なり、 入力信号をもとに所定の周波数特性を有する波形信号を
   出力する波形信号出力装置において、 上記接続手段内に、上記第１の信号伝送手段の往路から
   同第１の信号伝送手段の復路及び上記第２の信号伝送手
   段の往路への各信号伝達の周波数特性をそれぞれ異なら
   せるとともに、上記第２の信号伝送手段の復路から同第
   ２の信号伝送手段の往路及び上記第１の信号伝送手段の
   復路への各信号伝達の周波数特性をそれぞれ異ならせる
   フィルタを設けたことを特徴とする波形信号出力装置。