JP5821230B2 - 楽音信号生成装置 - Google Patents
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Description
自然楽器のうち、例えばピアノにおいては、多数並んだ弦のうち、鍵盤で押鍵された鍵に対応する弦をハンマーで叩いて発音させ、離鍵と同時に弦にダンパを当てて振動を静止することにより発音を停止させる。また、ある弦を叩いて振動させると、その弦から音が発せられるだけでなく、付近の弦が共鳴したり、また、弦の振動が響板を伝わって他の弦に伝達され、他の弦を振動させたりすることにより、他の弦からも音が発せられることになる。そして、このような共鳴や振動の伝達も、ピアノの演奏音を形成する大きな要素となっている。さらに、全ての弦からダンパを離し、離鍵しても弦にダンパを当てないようにするサスティンペダルも知られている。
特許文献1には、各音高の弦と対応する共鳴音形成チャンネルを設けて、音源が生成した、押鍵された鍵に対応する音高の楽音信号をその各共鳴音形成チャンネルに入力して各音高の弦と対応する共鳴音を形成させることが記載されている。また、各鍵のオンオフ状態やサスティンペダルのオンオフ状態に基づき定まるダンパの状態に応じて、各共鳴音形成チャンネルに入力する楽音信号のレベルを定める係数を制御することにより、ダンパが離れている弦のみについて共鳴音を生成することも記載されている。
特許文献3には、アコースティックピアノの各鍵に対応した弦、ピアノフレーム及び棚板支柱の振動状態を示す信号を用意しておき、鍵の押鍵を検出した場合に、その押鍵内容(キー番号、ハンマー速度など)に応じてこれらの振動状態を示す信号を読み出して響板駆動ユニットに供給し、響板を駆動することにより、鍵へのタッチに応じてアコースティックピアノと同様な音色の発音をさせることが記載されている。
従って、特許文献1にあるように、ダンパの状態に応じて各共鳴音形成チャンネルに入力する楽音信号のレベルを制御する方式は、アコースティックピアノの物理的な構造を正しく反映したアルゴリズムとは言えない。
特許文献2及び3においても、このような点を改良した楽音信号生成のアルゴリズムについて、特に記載はない。
以下の説明では、説明を簡単にするため、1つの音色データに基づき1つのタイプのピアノ音色の楽音波形を生成する楽音信号生成装置について説明する。しかしながら、複数のタイプのピアノ音色の音色データを用意して、その中から選択された音色データに基づき、所望のピアノ音色の楽音波形を生成できるようにしてもよいのは無論である。
この図に示すように、楽音信号生成装置10は、CPU11,ROM12,RAM13,MIDI_I/F(インタフェース)14,パネルスイッチ15,パネル表示器16,弦信号生成部30,弦共鳴模擬部40,響板模擬部50を備え、これらがシステムバス20により接続されている。また、楽音信号生成装置10は、DAC(デジタル/アナログコンバータ)17,サウンドシステム18、波形メモリ19も備えている。
RAM13は、CPU11のワークメモリとして使用する記憶手段である。
MIDI_I/F14は、MIDIシーケンサ等の外部装置との間でMIDIデータの入出力を行うためのインタフェースである。
パネル表示器16は、液晶ディスプレイ(LCD)や発光ダイオード(LED)ランプ等によって構成され、楽音信号生成装置10の動作状態や設定内容あるいはユーザへのメッセージ、ユーザからの指示を受け付けるためのグラフィカル・ユーザ・インタフェース(GUI)等を表示するための表示手段である。
図2に示すように、弦信号生成部30は、64個の発音ch31を備える。これらの発音chは、ノートオンイベントの検出に応じて、そのノートオンイベントに係る音高(ノートナンバ)の発音に割り当てられ、弦信号生成部30は、弦信号生成部30は、該割り当てられた発音chにおいて、該音高の弦信号を生成する。なお、上述した発音指示(ノートオンイベント)には、パラメータとして、音高(ノートナンバ)と強度(ベロシティ)とが含まれている。
そして、各発音ch31は、波形読出部32,信号処理部33,エンベロープ処理部34及び、93系統の出力に対応する93個の乗算器35(35sd1〜35sd5及び35g1〜35g88)を有する。
図3において、101が、発音させる弦である。そして、それ以外の弦には、フェルト布102を絡ませ、振動しないようにする。また、筐体103及び響板104には、それぞれ十分な質量の制振ゲル105,106を接触させ、筐体103及び響板104も振動しないようにする。
波形データメモリ19には、ピアノが備える88本の弦全てについて以上のような波形データを記憶してもよく、その場合には、ピッチシフトの処理が不要になる。
ピアノの場合、ダンプされていない弦の80db(デシベル)から40dBまでの減衰時間(上記ディケイ速度に対応)は、数秒から数十秒であり、低域の減衰時間が長く、高域に行くに従って減衰時間が短くなる。また、ダンプされた弦の減衰時間(上記リリース速度に対応)は1秒以下であり、やはり低域の方が減衰に時間がかかる。
なお、本願では、減衰時間が数秒以上の弦を「ダンプされていない弦」、1秒以下の弦を「ダンプされた弦」と定義する(ここではピアノを例に挙げて説明しているが、これには限らない)。
また、弦信号生成部30は、弦出力ミキサOMsd1〜OMsd5及びOMg1〜OMg88を備え、64の発音ch31(実際には発音中の発音chのみ)が出力する弦信号の全てを、弦出力ミキサで出力先毎にミキシングして出力する。
弦信号生成部30は、以上の構成により、弦がハンマーで叩かれることにより発生する楽音の波形データを、弦共鳴模擬部40及び響板模擬部50に対して出力することができる。複数の押鍵に応じて複数の弦が同時に楽音を発生する場合には、それらを混合した波形データを出力することができる。
図4に示すように、弦共鳴模擬部40は、ピアノが備える88本の弦の各々と対応する88系統の共鳴部41(41−1〜41−88)及び、各共鳴部41の前段に配置された共鳴入力ミキサIMg1〜IMg88と、各共鳴部41の後段に配置された出力乗算器46(46−1〜46−88)とを備える。
そして、加算器42が、共鳴入力ミキサからの入力に、ディレイ45の出力を加算することにより、ループ部を構成している。ここで、ディレイ45における遅延量は、共鳴部41と対応する弦の音高に応じた時間であり、加算器42、乗算器43、フィルタ44での遅延も考慮して、ディレイ45の出力が、加算器42において、その音高における1周期後の入力波形に加算されるような値に設定する。従って、このループ部により、共鳴部41への入力波形のうち、共鳴部41と対応する弦の音高の周波数成分が強調されることになり、対応する音高の共鳴音を再現することができる。
なお、乗算器43への係数の設定は、ダンパのオンオフに応じた値を直接設定するのではなく、ノイズを防止するため、急激な値の変化を防ぐ構成を設けるとよい。
この例では、係数レジスタの値が3段階の値を取っているが、これは、ダンパのオン時の係数値(図7の最大ゲイン)とオフ時の係数値(同最小ゲイン)に加え、ハーフダンパの状態を示す係数値(該最大と最小の中間のゲイン)を採れるようにした例を示すものである。
フィルタ44は、各弦に対応する共鳴部41を循環する共鳴信号に対して、その弦の物理的な共鳴特性に応じた、音色の変化を付与するためのフィルタ処理を行うディジタルフィルタである。ピアノの弦の共鳴特性は、一般的に、その素材、形状、寸法、張力、保持の仕方等によって異なる。
以上の共鳴部41は、ディレイ45の出力を、対応する弦が共鳴により発生する楽音を示す波形データである共鳴信号として、出力乗算器46を通して出力する。なお、各ディレイ45の遅延量、各フィルタ44のフィルタ係数、各乗算器31の係数は、上記1の音色データ中の前記弦共鳴パラメータの一部として、ROM12に記憶されている。
また、共鳴部41と対応する弦自身に対しては、ディレイ45の出力は加算器42により共鳴部41の入力に加算されており、出力乗算器46及び共鳴入力ミキサを通してさらに共鳴部41に入力すると二重になるため、係数は0(−∞db:送出しない)に設定する。なお、加算器42を設けず、これに代えて、ディレイ45の出力を出力乗算器46及び共鳴入力ミキサを通して共鳴部41に入力する経路によりループを形成することも考えられる。この場合、係数は1(0dB:レベルを変更しない)に設定するとよい。
また、n番目の弦と対応する共鳴入力ミキサIMgnは、弦信号生成部30が共鳴部41−nに対して出力した弦信号(弦出力ミキサOMgnからn番目の弦と対応する共鳴部に入力する信号SSgn)と、88系統の共鳴部41から出力乗算器46を経て共鳴部41に対して出力された共鳴信号(n番目の弦と対応する共鳴部に入力する信号S1−n〜S88−n)とを合成して、対応する共鳴部41−nに入力する。
図8に示すように、響板模擬部50は、響板入力ミキサIMd1〜IMd5、FIR(有限インパルスレスポンス:Finite Inpulse Response)フィルタ部51a〜51c、および響板出力ミキサOMa〜OMcを有する。
FIRフィルタ部51a〜51cは、響板の加振に関与する代表的な5点(加振点)から、振動した響板からの放音に関与する代表的な3点(放音点)に振動が伝達される際の、各音信号の楽音特性の変化を再現するためのFIR型のフィルタである。
ピアノPは、2つの駒A,Bを備える。図8には示していないが、駒Aには低音域の弦が固定され、駒Bには図で左から右に向かって中音域から高音域の弦が固定される。そして、D1〜D5が、駒を介して弦からの信号を響板に伝達して響板を振動させる代表的な5つの加振点であり、a〜cが、響板の振動を空気中に音として放射する代表的な3つの放音点である。
響板出力ミキサOMa〜OMcは、響板上の放音点a〜cと対応して設けたものであり、放音点毎に、各加振点D1〜D5からその放音点に伝播してくる音信号のデータとして特性およびレベルが制御された乗算器52の出力信号をミキシングし、その結果を出力する。
また、ピアノの楽音に付加すべき響板の共鳴音は、響板模擬部50の出力信号DSa〜DScに既に含まれているので、電子ピアノの筐体は、スピーカボックスの役割を果たせばよく、フラットな周波数特性を持つことが好ましい。
これに先だって、CPU11は、上記1つの音色データ中の弦共鳴パラメータに基づいて、弦共鳴模擬部40に各種係数を、また、上記1つの音色データ中の響板パラメータに基づいて、響板模擬部50に各種係数をそれぞれセットし終えている。このとき、弦共鳴模擬部40における複数の各共鳴部41のうち、DKmax以下の各弦nに対応する共鳴部41−nには、それぞれ、乗算器43−nの係数C(n)として、上記1つの音色データの弦共鳴パラメータ中の、n番目の弦がダンプされているときの値Cclosed(n)に初期設定されているので、その何れの共鳴部41も共鳴しにくい状態にある。一方、DKmaxより上の弦nに対応する共鳴部41−nには、乗算器43−nの係数C(n)として、n番目の弦がダンプされていないときの値Copen(n)に初期設定されているので、その何れの共鳴部41も何れも共鳴しやすい状態にある。」
CPU11は、ノートオンイベントを検出すると、図10のフローチャートに示す処理を開始する。
そして、まずレジスタnn及びvelに、検出したノートオンイベントに付随するノートナンバ及びベロシティの値を設定する。ここで、ノートナンバは、88鍵のピアノの第1鍵が「1」、第88鍵が「88」となるように割り当てられたナンバを示す。これは、MIDIのノートナンバ(上記各鍵には「20」〜「108」が割り当てられる)から−20だけずれた数字となる。ベロシティについては、ノートオンイベントに含まれる値をそのまま使えばよい。また、nn番目の鍵のオンオフ状態を示すレジスタKS(nn)に、オンを示す1を設定する(S11)。
また、ある発音chでの発音が充分に減衰して無音状態になったとき、その発音chは開放され「未使用」の発音chとなる。
その後、ステップS12で割り当てた発音chに発音開始を指示する(S14)。
以上の処理により、押鍵(発音指示)に応じて、押鍵された弦の弦信号の生成を開始すると共に、押鍵によりダンパが外れた弦に対応する共鳴部41を、共鳴しやすい状態に変化させることができる。
CPU11は、ノートオフイベントを検出すると、図11のフローチャートに示す処理を開始する。
そしてまず、まずレジスタnnに、検出したノートオフイベントに付随するノートナンバの値を設定すると共に、nn番目の鍵のオンオフ状態を示すレジスタKS(nn)に、オフを示す0を設定する(S21)。
そして、ノートナンバnnに係る弦信号を発音中の発音ch31をサーチし(S25)、該当のchがあれば(S26)、そのchに対してリリース開始を指示して(S27)、処理を終了する。
また、以上の図10及び図11に示した処理は、複数の鍵が同時に押鍵又は離鍵された場合でも、問題なく実行可能である。
CPU11は、ダンパペダルのオン操作を示すイベントを検出すると、図12のフローチャートに示す処理を開始する。
そしてまず、ダンパペダルのオンオフ状態を示すレジスタDPSに、オンを示す1を設定すると共に、nnを1からDKmaxまで増加させながら(S31,S33,S34)、nnの各値についてステップS32の処理を順次実行する。すなわち、ダンパペダルのオン操作によりダンパが外れた各弦につき、共鳴部41の係数レジスタ48に与える係数の値C(nn)を、nn番目の弦についてダンプされていない時に用いる値Copen(nn)に設定する。以上の後、処理を終了する。
CPU11は、ダンパペダルのオフ操作を示すイベントを検出すると、図13のフローチャートに示す処理を開始する。
そしてまず、ダンパペダルのオンオフ状態を示すレジスタDPSに、オフを示す0を設定すると共に、nnを1からDKmaxまで増加させながら(S41,S47,S48)、nnの各値についてステップS42乃至S46の処理を順次実行する。
例えば、上述の実施形態では、ノートナンバがDKmaxより大きい弦についてはダンパを設けない例について説明したが、このような区別をなくし、全ての弦にダンパが設けられているとして楽音の生成を行うようにしてもよい。また、ダンパの設けられていない弦については、Copen(nn)とCclosed(nn)を同じ値とすると共に、リリースの減衰速度を押鍵状態の減衰速度と同じ値とすることにより、処理上はダンパのありなしを区別しなくても、実質的にダンパのない弦の発音を再現することができる。
また、CopenやCclosedの値を、全ての弦について異なる値とすることは必須ではなく、一部の弦で共通の値としてもよい。
また、上記1の音色データの各パラメータの値を、ユーザが編集(変更)できるようにしてもよい。
また、響板模擬部50における伝播特性のシミュレートを、駒上の5点と響板上の3点を取って行ったが、点の数はこれに限られない。
また、実施形態の説明において述べたものも含め、以上において述べた変形は、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて適用可能である。
従って、この発明を適用することにより、よりリアルな楽音の出力が可能な楽音信号生成装置を構成することができる。
Claims (3)
- 各音高の楽音の発音指示および消音指示を供給する発音指示部と、
ダンパペダルのオン指示およびオフ指示を供給するダンパ状態指示部と、
それぞれ、各音高の弦信号であって、該音高に対応する発音指示に応じて立ち上がった後に減衰し、ダンパペダルがオフ状態の場合に、該音高に対応する消音指示に応じて該減衰を加速する弦信号を、複数生成する弦信号生成部と、
各音高の共鳴信号が循環する、該各音高と対応する複数のループ部を備え、該複数のループ部がそれぞれ、該共鳴信号を対応する音高に応じた時間だけ遅延する遅延部と、該共鳴信号を減衰する減衰部とを含む弦共鳴模擬部と、
前記各ループ部についてそれぞれ、該ループ部に対し、前記複数のループ部のうち該ループ部自身以外のループ部を循環する共鳴信号と、前記弦信号生成部が生成した複数の弦信号とを合成した信号を供給する供給部と、
前記複数のループ部を循環する複数の共鳴信号と、前記弦信号生成部が生成した複数の弦信号とに基づき、楽音信号を形成して出力する出力部と、
前記楽音の発音指示及び消音指示、ならびに前記ダンパペダルのオン指示及びオフ指示に基づいて、前記複数のループ部の各々の減衰部に減衰係数を供給する制御部とを備えたことを特徴とする楽音信号生成装置。 - 請求項1に記載の楽音信号生成装置であって、
前記制御部は、
前記発音指示がなされた音高に対応する減衰部に、ダンプされていない弦の減衰時間に相当する第1の減衰係数を供給し、
前記ダンパペダルがオフ状態の場合、前記消音指示がなされた音高に対応する減衰部に、ダンプされた弦の減衰時間に相当する第2の減衰係数を供給し、
前記ダンパペダルがオン状態の場合、前記消音指示がなされた音高に対応する減衰部に、前記第1の減衰係数を供給することを特徴とする楽音信号生成装置。 - 請求項1に記載の楽音信号生成装置であって、
前記制御部は、
前記発音指示がなされた音高に対応する減衰部に、ダンプされていない弦の減衰時間に相当する第1の減衰係数を供給し、
前記消音指示がなされた音高が所定音高以下であり、かつ、前記ダンパペダルがオフ状態の場合、該消音指示がなされた音高に対応する減衰部に、ダンプされた弦の減衰時間に相当する第2の減衰係数を供給し、
前記消音指示がなされた音高が所定音高より高いか、または、前記ダンパペダルがオン状態の場合、該消音指示がなされた音高に対応する減衰部に、前記第1の減衰係数を供給することを特徴とする楽音信号生成装置。
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