JPS5827518B2 - 楽音発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、楽音発生装置に係り、特に、時間ｔを独立
変数とする関数Ｆ（ｔ）の固定時間間隔Ｔごとの標本値
Ｆ （ｎＴ） から楽音信号を得るようにしたディジ
タル式の楽音発生装置に関する。

従来に一般に楽音発生装置における楽音発生方式を大別
すれば、次の様なものがある。

第１の方式は、所望の楽音波形Ｆ（ｔ）をフーリエ級数
で表現するもので、まず各高調波成分ごとにその高調波
と等しい周波数の正弦波の予定時間間隔ごとの標本値を
計算し、この値にその高調波成分の振中値に苅応する係
数を乗算した後加算合成する方式で一般に高調波合成方
式と呼ばれている（例えば唱開昭４８−９０２１７号公
報）。

しかるにこの方式では、各高調波成分の強度分布を時間
的に変化させたい場合、膨大な係数メモリを用意するか
、または複雑な係数変化機構を必要とし、その構成がき
わめて複雑かつ大型化するのを避は得ない。

第２の方式は、発音すべき楽音波形を予めメモリに記憶
しておき、この記憶波形を所望の読み出し速度で読み出
す方式のもので、いわゆる波形読出方式である（例えば
米国特許第３５１５７９２号公報）。

しかるにこの方式の楽音発生装置によって音色の異なる
楽音を得ようとすれば、その数だけの波形メモリを予め
用意する必要があり、そのためメモリの数が膨大となる
を避は得ない。

第３の方式は、いわゆるフォルマント方式で、これは更
に固定フォルマント方式と、可動フォルマント方式に分
類し得る。

固定フォルマント方式は普通の電子オルガンにおいて採
用されている方式で、矩形波、鋸歯状波等の高調波を多
く含む波形の発振器の出力を所定の周波数特性を有する
フィルタに与えることにより、その出力端に楽音信号を
得る。

また可動フォルマント方式はミュージックシンセサイザ
において採用されている方式で電圧制御型の発振器、フ
ィルタ及び増幅器を用いて音高、音色、音量を可変し得
る様になされている。

しかるにこの方式は、実際上実現できる音色に限度があ
る（電圧制御型の発振器、フィルタ、増幅器の特性には
限度があるため）こと、本質的にアナログ的に信号の処
理を行うので、ＬＳＩ化による構成の簡略化に適さない
こと等の問題がある。

以上の従来の方式のうち、第１及び第２の楽音発生方式
はディジタル的に楽音を発生する装置を得る際に適用し
得、従ってＬＳＩ化による構成の簡略化を図り得ると考
えることができ、特に第１の楽音発生方式、すなわち高
調波合成方式は、所望とする種々の波形を合成できる点
において一応有利であると考え得る。

しかるにこの高調波合成方式を利用してディジタル楽音
発生装置を構成した場合、次の様な問題がある。

（１）楽音信号Ｆ （ｔ）をフーリエ級数に展開して時
間間隔Ｔごとに標本値Ｆ（ｋＴ）をとれは、として表わ
し得る。

ここでω。は基本角周波数、Ｃｎは第ｎ法高調波成分の
調波係数である。

ここで係数Ｃｎは一定であるから、結局楽音信号として
は、基本周波数に列して完全に整数倍の周波数関係を有
する高調波成分、すなわち倍音成分からなる基本周期の
波形を持ち、この基本周期の波形を連続的に繰り返すこ
とになる。

ところが一般に自然楽器の楽音は、その音高、音量及び
音色共に時間的に複雑な変動をするから、かかる効果を
得ようとすれば、別途基本周期の波形に則してその低音
成分の調和係数Ｃｎを時間的に時々刻々変更制御するた
めの手段（一般に大規模となるを避は得ない）を特設し
なげればならない。

（２）特にピアノ若しくはギター、又は打楽器の様に、
衝撃性楽音を得ようとしても、これらの楽音は、打楽器
の場合基本周波数に対して整数倍の周波数関係にない周
波数の成分すなわち調和関係にない部分音をも含んでお
り、またピアノ等の場合は整数倍から僅かにずれた周波
数関係にある成分、すなわち非調和部分音から構成され
ているため、原理的にフーリエ級数には展開し得す、結
局原理的には実現できないことになる。

従ってかかる方式によって衝撃性楽音を発生させる場合
は、実際上自然楽器に対する近似度が劣ることとなるを
避は得ない。

（３）また、自然楽器の演奏において＋−３例えば鍵盤
操作に強弱をつげるいわゆるタッチレスポンスないしア
フターコントロールが演奏に表現力をつげる意味におい
て重要な要素となっているが、かかる方式においてこの
効果を実現するためには、複雑な処理手段を別途特設付
加する必要がある。

特にピアノの様に、音の強弱が打鍵の瞬間に決まり、以
後自然減衰する様な楽音を発生させるためには、更に複
雑な処理手段を付加しなげればならない。

この発明は上記欠点を除去せんがために成されたもので
あり、自然楽器の楽音に近い合成音を比較的簡単な構成
で得ることのできる楽音発生装置を提供することを目的
とする。

すなわち、この発明の第１の目的は、音高、音量及び音
色の一定な定常楽音のみならず、時間的に音高、音量、
音色の変動する非定常的な楽音を容易に得ることである
。

この発明の第２の目的は、衝撃性楽音、例えば、打楽器
のように調和成分に分けられない楽音や、ピアノ、ギタ
ーのような非調和部分音構成の楽音を容易に得ることで
ある。

この発明の第３の目的は、演奏の仕方に応じて楽音の音
量及び音色の変化を伴ういわゆるタッチレスポンス及び
アフタコントロールを容易に得ることである。

尚、以上の説明からも明らかであるが、この明細書にお
いて、「部分音」とは、「倍音」、「非調和音」、及び
「非整数倍音」をいう。

ここで、楽音が基音成分とその整数倍の周波数成分に分
けられるとき、これらの成分を「倍音」といい、整数倍
かられずかにずれるとき「非調和部分音」という。

また、楽音成分が整数倍関係に全くないとき、これを「
非整数倍音」という。

以上に列記したこの発明の目的は、複数の過去の標本値
にそれぞれ独立に設定できる重みづげをして各々加え合
わせる演算装置と、演算装置の出力である現在の標本値
を順次前記過去の標本値とすべく回帰する回帰装置とを
具え、時間ｔを独立変数とする関数Ｆ（ｔ）を固定時間
間隔Ｔごとの一連の標本値Ｆ（ｎＴ）（ｎ＝１．２、・
・・・・・・・・ｍ）としして楽音信号とすることで達
成される。

すなわち、この発明は、時間ｔを独立変数とする関数Ｆ
（ｔ）の固定時間間隔Ｔごとの標本値Ｆ（ｎＴ）（ｎ＝
０．１、・・・・・・・・・、ｍ）を順次算出し楽音波
形を得るために、回帰式 ％式％ 種々の楽音波形を得るものである。

ここで、この発明の基礎となる回帰式と楽音との関係に
ついて説明する。

時間ｔを独立変数とする関数Ｆ （ｔ）で表わされる楽
音波形を、ディジタル的に得るには関数Ｆ（ｔ）の固定
時間間隔Ｔごとの標本値Ｆ（ｎＴ）（ｎ＝０．１．２、
・・・・・・・・・）を順次得ればよいことは容易に分
かる。

また、任意の時刻ｔ＝ｎＴの標本値Ｆ（ｎＴ）を得るた
めに過去の標本値を利用すれば Ｆ（ｎＴ）−ΣｋａｋＦ （（ｎ −ｋ ） Ｔ ）
なる回帰式で任意の時刻の標本値を表わすことができ
る。

すなわち、ｋは過去いくつかの関数をとるかを決定し、
（ｎ−ｋ）Ｔは過去のどの関数をとるかを決定する。

従って、標本値Ｆ （ｎＴ）の初期値及び係数唄を予め
与えておき、適当な時間間隔Ｔで前記回帰式を演算すれ
ば所望の楽音信号を得ることができることとなる。

以下、添付図面に従ってこの発明の詳細な説明するが、
簡単のために単音である場合について説明する。

第１図はこの発明の実施例を示すものであり、パラメー
タメモリ１０、演算回路２０、シフトレジスタ３０、初
期値メ・モリ４０、Ｄ／Ａ変換器５０、及び音響装置６
０を示す。

パラメータメモリ１０は、過去の複数の標本値にそれぞ
れ独立に重みづげをするために、前記回帰式Ｆ（ｎＴ）
における係数項ａｋに苅応するパラメータａｌ、・・・
・・・・・・、ａｍを与える。

演算回路２０は、現在の標本値Ｆ（ｎＴ）から過去にさ
かのぼったｍ個の標本値Ｆ（（ｎ−ｉ）’ｒ）、・・・
・・・・・・、Ｆ（（ｎ−ｍ）Ｔ）によって前記回帰式
を演算するものであり、ｍ個の掛算器２１１．・・・・
・・・・・、２１ｍ、及び一個の加算器２２を具えてい
る。

掛算器２１１．・・・・・・・・・、２１ｍは、パラメ
ータメモリ１０の各出力ａ１．・・・・・・・・・、ａ
ｍ及びシフトレジスタ３０の出力とを掛合わせ回帰式の
各項を演算する。

加算器２２は、掛算器２１１．・・・・・・・・・、２
１ｍの出力を加え合わせて、時刻ｔ＝ｎＴにおける関数
標本値Ｆ（ｒｌＴ）−Σ ａｋＦ （（ｎ−ｋ ） Ｔ
）をに＝１ 演算する。

シフトレジスタ３０は、各時刻の標本値を出力すると共
に、回帰式の演算を行わせるために過去の標本値を演算
回路２０へ供給するものである。

このシフトレジスタ３０は、ｍ＋１個のレジスタＲ１，
・・・・・・・・・Ｒｍ、８ｍ＋１を具えている。

ここで、レジスタＲ０，・・・・・・・・・、Ｒｍの内
容は過去の標本値として演算装置２０へ送られ、その演
算結果はレジスタＲ□＋１に入力される。

一方、レジスタＲ１の内容は楽音信号の一部として出力
される。

また、シフトレジスタ３０は、演算の開始される前段階
で初期値メモリ４０からそれぞれのレジスタＲ１，・・
・・・・・・・、Ｒｍに初期値を設定するための接続手
段３１□、・・・・・・・・・、３１ｒＴ１を各レジス
タＲ１゜・・・・・・・・・、Ｒｍ、Ｒｍ＋１間に有す
る。

初期値メモリ４０は、以上の説明からも明らかであるが
、時刻ｔ＝ＯＴ、ＩＴ、・・・・・・・・・、（ｍ−１
）Ｔの標本値となる初期値Ｆ（ＯＴ）、Ｆ（ＩＴ）、・
・・・・・・・・、Ｆ（（ｍ−１）Ｔ）を記憶させたも
のである。

Ｄ／Ａ変換器５０は、ディジタル信号として与えられる
シフトレジスタ３０の出力をアナログ信号に変換するも
のである。

音響装置６０は、Ｄ／Ａ変換器５０の出力として得られ
るアナログ信号を楽音として提供するものである。

次に、以上の実施例の動作を説明する。

先ず、演算の開始前に、接続手段３１０．・・・・・・
・・・、３１ｍはそれぞれ（ｂ）側に接続され、各レジ
スタＲ１，・・・・・・・・・、Ｒｒｒｌは初期値メモ
リ４０から初期値Ｆ（ＯＴ）、Ｆ（ＩＴ）、・・・・・
・・・・、Ｆ（（ｍ−１）Ｔ）を読込む。

これらの初期値を読込んだ後、接続手段３１１．・・・
・・・・・・、３１ｍは（ａ）側に接続されて初期値メ
モリ４０から切離されて演算動作が開始される。

最初の時刻ｔ＝ＯＴ１・・・・・・・・・、（ｍ−１）
Ｔにおいては、初期値メモリ４０から読込まれた値Ｆ（
ＯＴ）、Ｆ’（ＩＴ）、・・・・・・・・・、Ｆ（（ｍ
−１）Ｔ）が各時刻における標本値としてレジスタＲ１
から１＠次出力される。

一方、これらの時刻ｔ ＝ ＯＴ、・・・・・・・・・
、（ｍ−１）Ｔの間に、クロック（図示せず）の一定周
期Ｔによってシフトされたレジスタの内容を基に前記演
算が行われ、現在の標本値Ｆ（ｍＴ）、Ｆ ｉ （ｍ＋
１ ） Ｔ ）、・・・・・・・・・、Ｆ（（２ｍ−１
）Ｔ）が順次レジスタＲｍ＋１に送られる。

従って、任意の時刻ｔ＝ｎ’ｒにおける各レジスタＲ１
，・・・・・・・・・、Ｒｍ、ＲＩＴ１＋１の内容は、
それぞれＦ（ｎＴ）、・・・・・・・・・、Ｆ （（ｎ
＋ｍ−１） Ｔ ）、Ｆ（（ｎ＋ｍ）Ｔ）である。

また、時刻ｔ ＝ ＯＴ１・・・・・・・・・、（ｍ−
１）Ｔにおける演算の結果得られる標本値Ｆ（ｍＴ）、
・・・・・・・・・、Ｆ（（２ｍ−１）Ｔ ）がレジス
タＲ１から出力されるのは時刻ｔ−ｍＴ、・・・・・・
・・・、（２ｍ−１）Ｔにおいてである。

これらの時刻ｔ＝ｍＴ、Ｈ・・・・・・・・（２ｍ−１
）Ｔにおいては、時刻ｔ＝２ｍＴ、 ・・・・・・・・
・、（３ｍ−１）ＴにおいてレジスタＲ１かも出力され
るべき標本値が順次レジスタも＋１ に送られる。

時刻ｔ ＝ ３ ｍＴ以後における動作についても同様
である。

以上から明らかなように、演算回路２０は、パラメータ
メモリ１０の出力ａｋ とシフトレジスタ３０の各レジ
スタ出力Ｆ（（ｎ−ｋ）Ｔ）からＦ（ｎＴ）−ΣａｋＦ
（（ｎ−ｋ）Ｔ ）を得んとするものである。

従って、この実施例における各構成要素は以上の説明に
限定されない。

たとえば、パラメータメモリ１０や、初期値メモリ４０
は、何らかの方法で所定値を与えればよいのであり、い
わゆるメモリ装置である必要はない。

また、演算回路２０の構成も入力信号の形によって当然
変更されるべきものであり、対数入力が与えられれば掛
算器は加算器としてよい。

また、必要とする出力はレジスタＲ１でなく他の任意の
レジスタから取出すこととしてもよい。

以上の説明において概略の構成は明らかであるが、次に
、上記実施例の具体的な動作をｍ＝４である場合につい
て説明する。

ただし、第１図におけるレジスタＲｍ＋□をＲΣと表示
する。

先ず演算を開始するに先立ち、初期値メモリ４０の記憶
値Ｆ（ＯＴ）、Ｆ（ＩＴ）、Ｆ（２Ｔ）、Ｆ（３Ｔ）を
それぞれレジスタＲ１，Ｒ２，Ｒ３゜Ｒ４に読込む。

この後、初期値メモリ４０は接続手段３１□、・・・・
・・・・・、３１４の転換によって切離される。

次に、クロックで与えられる時間間隔Ｔに従って演算が
開始されるが、最初の時刻ｔ＝Ｑ’Ｉ’における各レジ
スタＲ１，・・・・・・・・・、Ｒ４の内容は前の段階
と同じであり、それぞれＦ（ＯＴ）、Ｆ（ＩＴ）、Ｆ（
２Ｔ）、Ｆ（３Ｔ）である。

これらレジスタの内容は、時間間隔Ｔによって順次出力
される最初の標本値である。

また、レジスタ３０の各出力とパラメータメモリ１０の
各出力とを演算回路２０で演算を施す結果、レジスタＲ
Σの内容は、ａ４Ｆ（ＯＴ）＋ａ３Ｆ（ＩＴ）＋ａ２Ｆ
（２Ｔ）＋ａ１Ｆ（３Ｔ）Σ ａｋＦ（（４−ｋ ）
Ｔ ）である。

このレジに＝１ スタＲΣの内容は将来の時刻ｔ＝４Ｔにおける標本値と
なるべきものであり、 ΣａｋＦ （（４〜ｋ ） Ｔ ） −Ｆ （４Ｔ ）
である。

このとき、時刻ｔ＝ｏｒＫｉ応してレジスタ出力ハその
内容Ｆ”（ＯＴ）を出力し、クロックによる次の時刻ｔ
＝ＩＴで各レジスタｐ、、・・・・・・・・・。

Ｒ４，ＲΣの内容は左ヘシノトされる。

従って、時刻ｔ＝ＩＴにおける各レジスタＲ１゜・・・
・・・・・・、Ｒ４の内容はそれぞれＦ（ＩＴ）、Ｆ（
２Ｔ）、Ｆ（３Ｔ）、Ｆ（４Ｔ）である。

前記と同様の演算がＦ（ＩＴ）、Ｆ （２Ｔ ）、Ｆ（
３Ｔ）、Ｆ（４Ｔ）について行なわれる結果、レジスタ
ＲΣの内容はａ４Ｆ （Ｉ Ｔ ） ＋ａｓＦ （２Ｔ
） ＋ａ２Ｆ （３Ｔ ） ＋ ａｔＦ （４Ｔ ）
−Σ ａｋＦ（（５−ｋ ） Ｔ ）である。

このレジメに＝１ りＲΣの内容は将来の時刻ｔ＝５Ｔにおける標本値とな
るべきものであり Σ ａｋＦ （（５−ｋ ）Ｔ ）
ｋ＝１ ＝Ｆ（５Ｔ）である。

クロックの時間間隔Ｔに従って、以上の演算を順次繰返
えせば所望の楽音信号が得られるが、各時刻におけるレ
ジスタの内容及び出力を、最初のいくつかについて表示
すれば次の通りである。

第２図ａは、Ｆ（０）＝ ２．０、Ｆ（１）＝ ２．１
ｓ ６、Ｆ（２）＝ ２．２４１、Ｆ（３Ｊ＝ ２．
１６０ ａ１＝３．７０１、ａ２−−５，２６４、ａ
３＝ ３．４０５、ａ４ ＝０．８４６とした場合に得
られる標本値出力を示すものであり、特定の楽音波形を
形成している。

同図の波形は非周期的な減衰曲線であるのは明らかであ
り、これは同図す、ｃの２つの周期波形の合算波形であ
る。

すなわち、この発明によれば、非調和楽音の発生が可能
であることが分かる。

この発明により得られる時間的にその値の変化する関数
は数式にて表現すると、次の■〜■のいずれかである。

■ ■〜■の任意の合算値 ここで、Ａ、８１Ｃ，θは初期値からきまる値であり、
α、ω、ｘ、ｙ、ｊ（ｊは整数）は回帰式の係数ａによ
り決まる数値である。

第２図の例は上記の■に相当し、これは■の数式で表わ
される互いにωの異る２種のＦ（ｔ）の合算値である。

このことは、回帰式Ｆ（ｎＴ）−ΣａｋＦ（（ｎ−ｋ）
Ｔ）ｋ＝１ の解をＮ次代数方程式ρＮ−ΣａｋρＮ−に＝０をに＝
１ 解くことによって求めることで容易に証明される。

以上から明らかなように、この発明の実施例において、
連続する標本値から得られる楽音波形の立上りは、初期
値によって決定される。

従って、打鍵時の打鍵力に応じて初期値を設定させるよ
うにすれば容易にタッチレスポンスが得られることが分
かる。

また、演奏に応じてパラメータ値を変化させることとす
れば、楽音波形自体を変化させることができ、アフタ・
コントロールを得ることができる。

このことからして、この発明においては、演奏の仕方に
応じて音高、音量、音色の変化を伴った各種の楽音を発
生させるためのタッチレスポンス機能及びアフタ・コン
トロール機能を有する実施例を提供することができる。

第３図及び第４図はこの種の実施例を示すものであり、
第３図は初期値の変更を図りタッチレスポンスを得るも
の、第４図はパラメータ値の変更を図りアフタコントロ
ールを得るものである。

第３図は、初期値メモリ４０の各出力と第１図の実施例
で示したシフトレジスタ３０との間に、掛算器４１□、
・・・・・・・・・、４１ｍを設けて制御入力を与える
ものである。

この制御入力は、鍵盤のキーＫＹの操作と連動スルハン
マアクションＨＡのハンマＨＭの動作ヲセンサＳＳで感
知することで与えられる。

センサＳＳの信号はＡ／Ｄ変換器３００で変換した後者
掛算器４１、〜４１ｍに分配される。

従って、キー操作の強弱、すなわちハンマＨＭがセンサ
ＳＳを打つ強弱が初期値を設定して時々刻々発生する波
形の音高、音量、音色を決める。

第４図は、パラメータメモリ１０の各出力と第１図の実
施例で示した演算回路２０との間に加算器１０□、・・
・・・・・・・、１０ｍを設けて制御入力を与えるもの
である。

この制御入力は、キー操作乃至はハンマアクシヨンＨＡ
のハンマ動作に伴って与えられる。

すなわち、・・ンマＨＭの動作を感知するセンサＳＳ１
とキーＫＹの動作を感知するセンサＳＳ２との２つを設
け、これらの出力をＡ／Ｄ変換器４００で変換すること
で制御入力とする。

従って、キー操作によってハンマＨＭがセンサＳＳ１を
打った時与えられる信号で波形の立上りを形成し、その
後もキーＫＹの操作によってセンサＳＳ２から生じる伝
信で楽音の音高、音量、音色を変化させることができる
。

今までの全ての説明は単音楽器について直接適応される
ものであるが、この発明は複音楽器についても適用し得
るものである。

すなわち、パラメータ・メモリ及び初期値メモリを、同
時に発音させる複数音を発生させるに必要な数だけ備え
、演算回路を時分割で作動させればよい。

この発明によれば、以上のように時刻ｔ＝ｎＴにおける
関数値Ｆ（ｎＴ）をその時刻より過去の複数の標本値に
それぞれ独立に重みづげをして加え合わせる演算によっ
て、ディジタル的に楽音波形を得るようにしたことによ
り、自然楽器によって得られる楽音に近い楽音を簡単な
構成で得ることのできる楽音発生装置を提供することが
できる。

この発明によって得られる他の効果を列記すれば以下の
通りである。

（イ）合成操作等を用いることなく各種の楽音（調和音
、非調和音、衝撃性音等）を得ることができる、 （ロ）構成については、装置全体の主要部分がディジタ
ル回路であるため、ＬＳＩ化が可能であり、従来の楽器
で同じ効果を得ようとする場合に比べて、装置の規模は
極めて小さくなり、従って安価に実現することが可能で
ある、 （）→ タッチレスポンス、アフタコントロールのある
楽音を容易に得ることのできる楽音発生装置を提供でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の系統図、第２図はこの発明
の実施例によって得られる楽音波形図、第３図及び第４
図はこの発明の他の実施例の系統図である。 １０・・・・・・パラメータメモリ、２０・・・・・・
演算回路、３０・・・・・・シフトレジスタ、４０・・
・・・・初期値メモリ、５０・・・・・・Ｄ／Ａ変換器
、６０・・・・・・音響装置、３００．４００・・・・
・・Ａ／Ｄ変換器、ｓｓ、ｓｓｌ。 ＳＳ２・・・・・・センｆ、ＫＹ・・・・・・キー、Ｈ
Ａ・・・・・・ハンマアクション、ＨＭ・・・・・・ノ
１ンマ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 時間ｔを独立変数とする楽音信号Ｆ（ｔ）を固定時
   間間隔毎の一連の標本値Ｆ（ｎＴ）（ｎ＝０．１、・・
   ・・・・・・・）として発生するものにおいて、過去の
   複数の標本値をそれぞれ所定パラメータ係数によって重
   みづげした後加え合わせ新たな標本値として出力する演
   算装置と、 この演算装置の前記新たな標本値を一時記憶して順次前
   記過去の標本値として前記演算装置に回帰させる回帰装
   置と、 それぞれ独立に設定した前記複数のパラメータ係数を発
   生して前記演算装置に加えるパラメータ発生装置と、 複数の初期標本値を発生して前記回帰装置に入力する初
   期標本値発生装置と、 を具えた楽音発生装置。