JP5228218B2 - Keyboard instrument - Google Patents
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Description
本発明は、鍵盤楽器に関し、特に、アコースティックピアノの弦およびフレームで構成されている共振メカニズム部分のみを電子技術で置き換えることにより軽量小型化を可能にした鍵盤楽器に関する。 The present invention relates to a keyboard instrument, and more particularly, to a keyboard instrument that can be reduced in weight and size by replacing only a resonance mechanism portion composed of strings and a frame of an acoustic piano with electronic technology.
従来、アコースティックピアノに電子技術を導入する試みは、自動演奏ピアノや消音ピアノでなされている。これらの鍵盤楽器は、打弦機構などのメカ的に楽音を発生する手段に対し打鍵時間と打鍵強さのみを電気的に制御することにより、あるいは打鍵機構などのメカ的に楽音を発生する手段と電気的に楽音を発生する手段の双方を具備させることにより、実現される。 In the past, attempts to introduce electronic technology to acoustic pianos have been made with automatic performance pianos and mute pianos. These keyboard instruments are mechanically generating musical sounds such as a keying mechanism by electrically controlling only the keying time and keying strength with respect to the mechanically generating means such as a stringing mechanism. And means for electrically generating musical sounds.
電気ピアノや電子ピアノと称される鍵盤楽器があり、電気ピアノでは、弦や棒状体などが打撃されたときの振動を電気的にピックアップし、ピックアップされた電気信号をフィルタなどの電子回路により処理してスピーカから楽音として放音させる。電子ピアノでは、アコースティックピアノの音をサンプリングしてPCM録音しておき、PCM録音されたデータを元に鍵操作に応じたピアノ波形を再生して放音させるものが主流となっている。 There are keyboard instruments called electric pianos and electronic pianos. Electric pianos pick up vibrations when strings and rods are struck, and process the picked-up electrical signals with electronic circuits such as filters. Then, the sound is emitted from the speaker as a musical sound. Electronic pianos are mainly used for sampling acoustic piano sounds and recording them in PCM, and then playing back the piano waveform corresponding to the key operation based on the PCM recorded data.
特許文献1には、弦を持たない鍵盤楽器において、鍵タッチ感を十分に再現するために、被打撃部を緩衝材と弾性部材の多層構造とすることが記載されている。
特許文献2には、打弦時の鍵タッチ感をリアルに再現するために、被打弦部を緩衝材と弾性部材の多層構造とすることが記載されている。
メカ的な機構技術を駆使して完成されたアコースティックピアノでは、微妙な奏法の違いで音色を変えることができ、ピアノ演奏者は、演奏することによって放音されるピアノ音を聴き、所望とする音色に修正を加えながら演奏することができる。 With an acoustic piano completed using mechanical mechanism technology, the tone can be changed by subtle differences in performance, and the piano player listens to the piano sound emitted by the performance and makes it as desired. You can play while modifying the tone.
アコースティックピアノの歴史は、大音量化への改良の歴史といってもよく、高張力に耐えるピアノ線の開発とその高張力を支えるフレーム構造の開発の歴史であった。このため、ピアノの重量は増大し、ピアノ線の長さ(弦長)が長大化しているが、このようなメカ的な構造には限界がある。 The history of the acoustic piano can be said to be the history of improvement to increase the volume, and the history of the development of the piano wire that can withstand high tension and the development of the frame structure that supports the high tension. For this reason, the weight of the piano is increased and the length of the piano wire (string length) is lengthened, but there is a limit to such a mechanical structure.
一方、アコースティックピアノの音をPCM録音し、それからピアノ波形を再生して楽音を生成する電子ピアノでは、奏法の違いで微妙な音色制御を可能にすることが難しい。なぜならば、微妙な奏法の違いを表現するためには膨大な数の音色パターンが要求されるが、サンプリングによりPCM録音するデータには限界があり、このような要求に応えることが難しいからである。 On the other hand, in an electronic piano that generates a musical tone by PCM recording the sound of an acoustic piano and then playing the piano waveform, it is difficult to enable subtle timbre control due to differences in performance. This is because an enormous number of timbre patterns are required to express subtle differences in performance, but there is a limit to the data recorded by PCM through sampling, and it is difficult to meet such requirements. .
特許文献1,2では、打弦時の鍵タッチ感の再現についての問題を解決するものであり、これでは、アコースティックピアノの音響出力を擬似することが可能な音色制御を問題にしていない。
本発明の目的は、アコースティックピアノのメカ的限界を超えた軽量小型化が可能であり、さらにアコースティックピアノのような微妙な音色制御が可能な鍵盤楽器を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a keyboard instrument that can be reduced in weight and size that exceeds the mechanical limit of an acoustic piano and that can be controlled delicately like an acoustic piano.
上記の目的を達成するために、本発明は、複数の鍵と、ダンパペダルと、響板と、各鍵ごとに設けられたアクションハンマおよび擬似弦からなる打撃機構と、前記アクションハンマの前記擬似弦への打撃状態を、打撃の強弱および各周波数成分を含む打撃信号として抽出する打撃信号抽出手段と、前記鍵あるいは前記ダンパペダルの操作に応答してダンパ信号を生成するダンパ信号生成手段と、前記打撃信号および前記ダンパ信号を入力とし、操作された鍵に応じた音程の響板駆動信号を生成する響板駆動信号生成手段と、前記響板駆動信号に従って前記響板を駆動する響板駆動手段を備え、前記響板駆動信号生成手段は、前記打撃信号が入力される加算器、前記加算器の出力を遅延させる遅延手段、前記遅延手段の出力に位相特性および振幅特性を付与して前記加算器に与えるフィルタ手段を有し、前記フィルタ手段を前記ダンパ信号により制御し、前記位相特性によりアコースティックピアノでの基音に対する倍音の周波数ずれを与え、前記振幅特性により倍音ごとに異なる減衰特性を与える点に第1の特徴がある。 In order to achieve the above object, the present invention provides a striking mechanism comprising a plurality of keys, a damper pedal, a soundboard, an action hammer and a pseudo string provided for each key, and the pseudo string of the action hammer. A striking signal extracting means for extracting a striking state of the striking as a striking signal including a striking strength and each frequency component, a damper signal generating means for generating a damper signal in response to an operation of the key or the damper pedal, and the striking A soundboard drive signal generating means for receiving a signal and the damper signal and generating a soundboard drive signal having a pitch according to the operated key; and a soundboard drive means for driving the soundboard according to the soundboard drive signal wherein the sound board drive signal generating means includes an adder which said striking signal is input, delay means for delaying the output of said adder, the phase characteristics and vibration to the output of said delay means Filter means for giving a characteristic to the adder, controlling the filter means by the damper signal, giving a frequency shift of a harmonic overtone with respect to a fundamental tone in an acoustic piano by the phase characteristic, and for each overtone by the amplitude characteristic The first feature is that different attenuation characteristics are given to the.
また、本発明は、前記フィルタ手段が、前記遅延手段の出力が入力されるFIRフィルタと該FIRフィルタの出力に前記ダンパ信号を乗算して前記加算器に出力する乗算器を有する点に第2の特徴がある。 Further, the present invention, the filter means, second in that it has a multiplier for outputting the multiplied by a damper signal to the output of the FIR filter and said FIR filter the output of said delay means is input to said adder There are features.
また、本発明は、前記フィルタ手段が、前記遅延手段の出力が入力されるFIRフィルタと該FIRフィルタの出力をフィルタリングして前記加算器に出力するIIRローパスフィルタを有し、前記IIRローパスフィルタのカットオフ周波数が前記ダンパ信号により制御される点に第3の特徴がある。 In the present invention, the filter unit includes an FIR filter to which an output of the delay unit is input and an IIR low-pass filter that filters the output of the FIR filter and outputs the filtered output to the adder. A third feature is that the cutoff frequency is controlled by the damper signal.
また、本発明は、前記FIRフィルタが、予めテーブルに登録されたインパルス応答波形のデータを使用して前記遅延手段の出力を畳み込み処理する点に第4の特徴がある。 In addition, the present invention has a fourth feature in that the FIR filter convolves the output of the delay means using impulse response waveform data registered in advance in a table.
また、本発明は、前記FIRフィルタが、予めテーブルに登録されたインパルス応答波形のデータおよびその補間データを使用して前記遅延手段の出力を畳み込み処理する点に第5の特徴がある。 Further, the present invention has a fifth feature in that the FIR filter performs convolution processing on the output of the delay means using impulse response waveform data registered in a table in advance and its interpolation data.
また、本発明は、前記擬似弦が、前記鍵に応じてスティフネスあるいは固有振動数が異なる点に第6の特徴がある。 In addition, the present invention has a sixth feature in that the pseudo string differs in stiffness or natural frequency depending on the key.
また、本発明は、前記ダンパ信号生成手段が、前記鍵と前記ダンパペダルの操作に従って稼働するダンパの位置を検出するダンパ位置検出手段を有する点に第7の特徴がある。 In addition, the present invention has a seventh feature in that the damper signal generating means includes damper position detecting means for detecting a position of a damper that operates according to an operation of the key and the damper pedal.
また、本発明は、前記ダンパ信号生成手段が、前記鍵の押鍵深さを検出する押鍵検出手段および前記ダンパペダルの操作深さを検出するダンパペダル検出手段を有し、鍵の押鍵深さとダンパペダルの操作深さからダンパ信号を生成する点に第8の特徴がある。 In the present invention, the damper signal generating means includes key depression detecting means for detecting the key depression depth of the key and damper pedal detection means for detecting the operation depth of the damper pedal, An eighth feature is that a damper signal is generated from the operation depth of the damper pedal.
また、本発明は、さらに、ソステヌートペダルを備え、前記ダンパ信号生成手段は、前記鍵あるいは前記ダンパペダルあるいは前記ソステヌートペダルの操作に応答してダンパ信号を生成する点に第9の特徴がある。 Further, the present invention further includes a sostenuto pedal, the damper signal generating means, there is a ninth aspect of the point to generate a damper signal in response to the operation of the key or the damper pedal or the sostenuto pedal.
また、本発明は、各鍵ごとに複数の響板駆動信号生成手段を備え、該複数の響板駆動信号生成手段は、倍音の周波数ずれおよび倍音ごとに減衰特性が互いに異なる点に第10の特徴がある。 In addition, the present invention includes a plurality of soundboard drive signal generating means for each key, and the plurality of soundboard drive signal generating means has a tenth difference in that the frequency characteristics of overtones and the attenuation characteristics are different for each overtone. There are features.
また、本発明は、各鍵ごとの響板駆動信号生成手段で生成された響板駆動信号を重み付け加算して前記響板駆動手段に与える響板駆動信号割振り手段を備えた点に第11の特徴がある。 The eleventh aspect of the present invention is that a soundboard drive signal allocating means for weighting and adding the soundboard drive signals generated by the soundboard drive signal generating means for each key to the soundboard drive means is provided. There are features.
また、本発明は、前記アクションハンマが、針刺しにより、その硬さが調整される点に第12の特徴がある。 In addition, the present invention has a twelfth feature in that the hardness of the action hammer is adjusted by needle stick.
本発明では、アコースティックピアノの弦とフレームで構成される共振メカニズム部分のみを電子技術で置き換えているので、アコースティックピアノのメカ的限界を超えた軽量小型化が可能となる。 In the present invention, since only the resonance mechanism portion constituted by the strings and the frame of the acoustic piano is replaced by electronic technology, it is possible to reduce the weight and size beyond the mechanical limit of the acoustic piano.
また、響板駆動信号生成手段は、アコースティックピアノでの基本波に対する倍音の周波数ずれおよび倍音ごとに異なる減衰特性を擬似した響板駆動信号を生成するので、アコースティックピアノのような音色での微妙な演奏表現が可能となる。 In addition, the soundboard drive signal generation means generates a soundboard drive signal that simulates the frequency shift of the overtone with respect to the fundamental wave of an acoustic piano and a different attenuation characteristic for each overtone. Performance expression is possible.
また、予めテーブルに登録されたインパルス応答波形のデータからその補間データを計算して求めることにより、テーブルに登録するデータ量を少なくでき、それでも基本波に対する倍音の周波数ずれおよび倍音ごとに異なる減衰特性を高精度に擬似した響板駆動信号を生成することができる。 In addition, the amount of data to be registered in the table can be reduced by calculating and calculating the interpolation data from the impulse response waveform data registered in the table in advance. Can be generated with high precision.
また、擬似弦のスティフネスあるいは固有振動数を鍵に応じて異ならせることにより、音色と共に鍵タッチ感をアコースティックピアノに近づけることができる。 Also, by varying the stiffness or natural frequency of the pseudo string according to the key, it is possible to bring the key touch feeling together with the timbre closer to the acoustic piano.
さらに、アクションハンマの硬さを針刺しにより調整することにより、音色や音量を微妙に調整できる。 Furthermore, by adjusting the hardness of the action hammer with a needle stick, the tone and volume can be finely adjusted.
以下、図面を参照して本発明を説明する。図1は、本発明に係る鍵盤楽器の一実施形態の構成を示すブロック図である。この鍵盤楽器は、打撃信号抽出手段11、ダンパ信号発生手段12、響板駆動信号生成手段13および響板駆動手段14を備える。打撃信号抽出手段11および響板駆動信号生成手段13は、各鍵ごとに設けられ、ダンパ信号発生手段12は、各鍵あるいはダンパペダルなどに対して設けられる。 The present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a keyboard instrument according to the present invention. This keyboard instrument includes a batting signal extraction means 11, a damper signal generation means 12, a soundboard drive signal generation means 13 and a soundboard drive means 14. The striking signal extraction means 11 and the soundboard drive signal generation means 13 are provided for each key, and the damper signal generation means 12 is provided for each key or damper pedal.
この鍵盤楽器は、複数の鍵、ダンパペダル、響板、各鍵ごとに設けられたアクションハンマおよび擬似弦からなる打撃機構も備えるが、図示省略している。擬似弦は、ピアノの弦と同様なスティフネスや固有振動数を有する片持ち梁状あるいは両持ち梁状の棒状体あるいは板状体の弾性体でよい。 This keyboard instrument also includes a striking mechanism comprising a plurality of keys, a damper pedal, a sound board, an action hammer provided for each key, and a pseudo string, which are not shown. The pseudo string may be a cantilever-like or doubly-supported bar-like or plate-like elastic body having the same stiffness and natural frequency as a piano string.
演奏者の押鍵操作に従って所望のエネルギのハンマアクションが引き起こされると、擬似弦は、このエネルギで打撃される。打撃信号抽出手段11は、ハンマにより打撃された擬似弦の打撃信号SWを抽出する。打撃信号SWは、打撃の強弱のみでなく、各周波数成分(スペクトル)を含む。この打撃信号SWの抽出は、例えば、擬似弦に圧力センサあるいは歪センサを配置することにより可能である。 When the hammer action of the desired energy is triggered according to the player's key pressing operation, the pseudo string is struck with this energy. The striking signal extraction means 11 extracts the striking signal SW of the pseudo string struck by the hammer. The hit signal SW includes not only the strength of the hit but also each frequency component (spectrum). The extraction of the hit signal SW can be performed, for example, by arranging a pressure sensor or a strain sensor on the pseudo string.
図2は、強打時の打撃信号SWの具体例を示し、同図(a)は、打撃信号SWの波形、同図(b)は、打撃信号SWのスペクトルを示す。また、図3は、弱打時の打撃信号SWの具体例を示し、同図(a)は、打撃信号SWの波形、同図(b)は、打撃信号SWのスペクトルを示す。強打時と弱打時を比較すると、強打時の方がパワーが大きく、かつスペクトルの帯域が広い。なお、スペクトルは離散的なものである。また、疑似弦が打撃されない時にもノイズ成分が存在している。 FIG. 2 shows a specific example of the striking signal SW at the time of heavy hitting. FIG. 2 (a) shows the waveform of the striking signal SW, and FIG. 2 (b) shows the spectrum of the striking signal SW. 3 shows a specific example of the hit signal SW at the time of weak hit, FIG. 3A shows the waveform of the hit signal SW, and FIG. 3B shows the spectrum of the hit signal SW. Comparing hard hitting with weak hitting, the power is higher and the spectrum band is wider when hitting hard. The spectrum is discrete. Further, a noise component is also present when the pseudo string is not hit.
ダンパ信号発生手段12は、鍵とダンパペダルの操作などに応じて移動するダンパの位置を検出し、ダンパ信号(止音制御信号)DPを発生する。鍵の操作時には該鍵についての音響出力に対し、また、ダンパペダルやソステヌートペダルの操作時には全ての鍵についての音響出力に対してダンパ信号DPが発生する。 The damper signal generation means 12 detects the position of the damper that moves according to the operation of the key and the damper pedal, and generates a damper signal (sound control signal) DP. A damper signal DP is generated for the sound output for the key when the key is operated, and for the sound output for all keys when the damper pedal or the sostenuto pedal is operated.
ダンパ信号生成手段12は、鍵の押鍵深さやダンパペダルの操作深さを検出するものであってもよい。また、ソステヌートペダルを備える場合には、さらにソステヌートペダルの操作に応答してダンパ信号を生成する。 The damper signal generation means 12 may detect a key pressing depth or a damper pedal operation depth. When a sostenuto pedal is provided, a damper signal is further generated in response to the operation of the sostenuto pedal.
響板駆動信号生成手段13は、打撃信号抽出手段11により抽出された打撃信号SWおよびダンパ信号発生手段12により発生されたダンパ信号DPを入力とし、響板駆動信号KDSを生成する。響板駆動信号生成手段13の詳細は、後述する。 The soundboard drive signal generation means 13 receives the impact signal SW extracted by the impact signal extraction means 11 and the damper signal DP generated by the damper signal generation means 12, and generates the soundboard drive signal KDS. Details of the soundboard drive signal generation means 13 will be described later.
響板駆動手段14は、響板駆動信号生成手段13により生成された響板駆動信号KDSで響板を駆動する。響板は、アコースティックピアノに備えられているものと同様のものでよく、例えば駒を介して響板駆動信号KDSにより駆動され、音響出力を送出する。 The soundboard drive means 14 drives the soundboard with the soundboard drive signal KDS generated by the soundboard drive signal generation means 13. The soundboard may be the same as that provided in the acoustic piano. For example, the soundboard is driven by a soundboard drive signal KDS via a piece and sends out an acoustic output.
図4は、響板駆動信号生成手段13の第1実施形態を示すブロック図である。第1実施形態の響板駆動信号生成手段は、フォルマント補正処理部41、ディレイRAM42、フィルタ手段43および加算器44を備える。
FIG. 4 is a block diagram showing a first embodiment of the soundboard drive signal generating means 13. The soundboard drive signal generation unit of the first embodiment includes a formant
打撃信号抽出手段11により抽出された打撃信号SWは、フォルマント補正処理部41に入力される。フォルマント補正処理部41は、操作された鍵に対応するピアノ音のフォルマント特性に打撃信号SWのフォルマント特性を合わせるような周波数特性のディジタルフィルタ、例えばFIRフィルタあるいはIIRフィルタで構成される。この周波数特性により、打撃信号SWは対応するピアノ音のフォルマントに整形される。
The batting signal SW extracted by the batting signal extraction means 11 is input to the formant
フォルマント補正処理部41でフォルマント補正された打撃信号SWは、加算器44に与えられ、フィルタ手段43からフィードバックされる信号と加算される。加算器44の出力は、響板駆動信号KDSとして送出されるとともにディレイRAM42に入力される。
The batting signal SW subjected to formant correction by the formant
ディレイRAM42で遅延された信号DWは、フィルタ手段43に入力される。フィルタ手段43の出力は、加算器44に与えられる。また、フィルタ手段43はダンパ信号DPにより制御され、これによりダンパ機能が実現される。
The signal DW delayed by the
以上の構成において、加算器44、ディレイRAM42、フィルタ手段43は、閉ループを形成し、この閉ループによりフィードバックされる遅延時間に応じたピッチの響板駆動信号KDSが生成される。
In the above configuration, the
また、フィルタ手段43は、響板駆動信号KDSに位相特性および振幅特性を付与する。これにより、基音に対する倍音の周波数ずれおよび倍音ごとに異なる減衰特性が実現される。すなわち、フィルタ手段43には、打撃信号SWにピッチを与える以外に以下の2つの機能がある。 Further, the filter means 43 gives a phase characteristic and an amplitude characteristic to the soundboard drive signal KDS. Thereby, the frequency shift of the harmonic overtone with respect to the fundamental tone and a different attenuation characteristic for each overtone are realized. That is, the filter means 43 has the following two functions in addition to giving a pitch to the hit signal SW.
その第1は、鍵ごとに異なる弦の物性(芯線直径,巻弦直径,有効弦長など)によって決定されるB値による倍音の周波数ずれを実現するために、響板駆動信号KDSに位相特性を付与する機能である。つまり、基音の周波数をf0、n倍音の周波数をf0nとしたとき、アコースティックピアノではf0n=nf0(1+Bn2)1/2の関係に従ってn倍音の周波数にずれが生じている。第1の機能は、響板駆動信号KDSに位相特性を付与し、倍音における周波数のずれをアコースティックピアノのそれに擬似させる機能である。 The first is the phase characteristics of the soundboard drive signal KDS in order to realize the frequency shift of the overtone by the B value that is determined by the physical properties of the strings (core wire diameter, wound string diameter, effective string length, etc.) that are different for each key. It is a function to give. That is, when the frequency of the fundamental tone and the frequency of f 0, n harmonic and f 0n, deviation occurs in the frequency of the n harmonics according to the relationship f 0n = nf 0 (1 + Bn 2) 1/2 is an acoustic piano . The first function is a function of giving a phase characteristic to the soundboard drive signal KDS and simulating a frequency shift in overtones to that of an acoustic piano.
第2は、倍音ごとに異なる減衰特性を付与する機能である。つまり、アコースティックピアノでは、打鍵時に発生される楽音において、減衰特性は倍音ごとに異なる。第2の機能は、響板駆動信号KDSに振幅特性を付与し、倍音ごとに異なる減衰特性をアコースティックピアノのそれに擬似させる機能である。 The second function is to provide a different attenuation characteristic for each harmonic. In other words, in an acoustic piano, the decay characteristics of the musical sound generated when a key is played differ from harmonic to harmonic. The second function is a function that imparts an amplitude characteristic to the soundboard drive signal KDS and simulates an attenuation characteristic that differs for each harmonic over that of an acoustic piano.
図5は、図4のフィルタ手段43をFIRフィルタと乗算器で構成した場合の構成を示すブロック図である。なお、図5において、図4と同一あるいは同等部分には同じ符号を付してある。 FIG. 5 is a block diagram showing a configuration when the filter means 43 of FIG. 4 is configured with an FIR filter and a multiplier. In FIG. 5, the same or equivalent parts as in FIG.
ディレイRAM42で遅延された信号DWは、例えば畳み込み処理回路で構成されるFIRフィルタ43-1に入力される。FIRフィルタ43-1の出力CWは、乗算器43-2でダンパ信号発生手段12からのダンパ信号DPと乗算された後、加算器44に与えられる。乗算器43-2は、信号CWにダンパ信号DPを乗算することにより、離鍵時の高速減衰波形(止音制御波形)を生成する。
The signal DW delayed by the
図6は、図4のフィルタ手段43をFIRフィルタとIIRフィルタで構成した場合の構成を示すブロック図である。なお、図6において、図4と同一あるいは同等部分には同じ符号を付してある。 FIG. 6 is a block diagram showing a configuration when the filter means 43 of FIG. 4 is configured with an FIR filter and an IIR filter. In FIG. 6, the same or equivalent parts as in FIG.
ディレイRAM42で遅延された信号DWは、FIRフィルタ43-1に入力される。FIRフィルタ43-1の出力CWは、IIRフィルタ43-3に入力される。IIRフィルタ43-3は、ローパスフィルタであり、そのカットオフ周波数がダンパ信号DPにより制御される。IIRフィルタ43-3の出力が加算器44に与えられる。IIRフィルタとしては、例えば特開平5-35277号公報に記載されたデジタルフィルタ回路を利用できる。
The signal DW delayed by the
図7は、FIRフィルタ43-1として利用できる畳込み処理回路の構成を示すブロック図である。この構成の畳込み処理回路は、遅延素子71-1〜71-n、乗算器72-1〜72-nおよび加算器73-2〜73-nで構成され、n次FIRフィルタとして機能する。 FIG. 7 is a block diagram showing the configuration of a convolution processing circuit that can be used as the FIR filter 43-1. The convolution processing circuit having this configuration includes delay elements 71-1 to 71-n, multipliers 72-1 to 72-n and adders 73-2 to 73-n, and functions as an nth-order FIR filter.
遅延素子71-1〜71-nは、ディレイRAM42で遅延された響板駆動信号DWをシステムサンプリング周波数の1サンプリング周期(1クロック)分ずつ順次遅延する。乗算器72-1〜72-nは、遅延素子71-1〜71-nで遅延された響板駆動信号にそれぞれ、インパルス応答波形から得られる値ir(j)(j=1〜n)を乗算する。加算器73-2〜73-nは、乗算器72-1〜72-nの出力を加算する。加算器73-nから畳み込み処理後の信号CWが送出される。
The delay elements 71-1 to 71-n sequentially delay the soundboard drive signal DW delayed by the
図8は、畳込み処理で使用されるインパルス応答波形の具体例を示す波形図である。この波形に従い、横軸の整数値j(j=0〜50)に対して縦軸の値ir(j)が予めテーブルに登録されているものとする。インパルス応答波形のデータの小数部は0であり、n=50である。なお、響板駆動信号KDSに付与する位相特性および振幅特性は、鍵ごとに異なるので、鍵ごとにインパルス応答波形を用意する。畳み込み処理に際しては、テーブルからir(j)を読み出し、図7のir(j)として用いる。響板駆動信号KDSに付与される位相特性および振幅特性は、このインパルス応答波形のデータ(乗算器72-1〜72-nで乗算されるir(j)の値)によって決定される。 FIG. 8 is a waveform diagram showing a specific example of an impulse response waveform used in the convolution process. According to this waveform, it is assumed that the value ir (j) on the vertical axis is registered in advance in the table for the integer value j (j = 0 to 50) on the horizontal axis. The decimal part of the impulse response waveform data is 0, and n = 50. Since the phase characteristic and amplitude characteristic given to the soundboard drive signal KDS are different for each key, an impulse response waveform is prepared for each key. In the convolution process, ir (j) is read from the table and used as ir (j) in FIG. The phase characteristic and amplitude characteristic given to the soundboard drive signal KDS are determined by the data of this impulse response waveform (the value of ir (j) multiplied by the multipliers 72-1 to 72-n).
上記の小数部が0であるインパルス応答波形のデータを用いて実現される響板駆動信号KDSの周波数は、システムサンプリング周波数で離散化されたものとなる。したがって、このままでは微妙な周波数制御を行うことができない。 The frequency of the soundboard drive signal KDS realized using the impulse response waveform data whose decimal part is 0 is discretized at the system sampling frequency. Therefore, delicate frequency control cannot be performed as it is.
響板駆動信号KDSに要求される周波数をf0としたとき、fs/(n+1)<f0<fs/nの関係の周波数f0は、fs/f0の整数値を遅延長とし、その小数部に2πを掛けた群遅延特性を有するインパルス応答波形で畳み込み処理を施すことにより実現できる。群遅延特性は、所望の傾きを持ったリニアな位相特性を与えることにより実現できる。 When the frequency required for the soundboard drive signal KDS is f 0 , the frequency f 0 in the relationship of f s / (n + 1) <f 0 <f s / n is an integer value of f s / f 0 This can be realized by performing a convolution process with an impulse response waveform having a delay length and a group delay characteristic obtained by multiplying the fractional part by 2π. The group delay characteristic can be realized by giving a linear phase characteristic having a desired inclination.
このような関係の周波数f0は、例えばチューニングされたことによって必要になる場合がある。この周波数f0に対するインパルス応答波形のデータを小数部0のインパルス応答波形のデータから計算して得るものとすると、実時間での計算で得ることが困難となる。また、このような関係の周波数f0に対するインパルス応答波形のデータも予め用意しておくものとすると、チューニングでの周波数精度に応じた大量のデータを登録しておく必要があり、現実的でない。
The frequency f 0 having such a relationship may be necessary due to tuning, for example. If the impulse response waveform data for this frequency f 0 is obtained by calculation from the impulse response waveform data of the
以下に、インパルス応答波形をサンプリングして得られる少量のデータを予めテーブル(インパルス応答波形テーブル)TBLに登録しておき、これを元にして高精度の周波数を得るためのデータを得る手法について説明する。 The following explains how to register a small amount of data obtained by sampling the impulse response waveform in the table (impulse response waveform table) TBL in advance and obtain data for obtaining a high-accuracy frequency based on this data. To do.
ここで、図9のインパルス応答波形のデータがインパルス応答波形テーブルTBLに予め登録されているものとする。図9のインパルス応答波形のデータは、図8のインパルス応答波形のサンプリングポイント間(横軸の整数値間)を16分割した、より細かいポイント0,1,2,・・・,800に対する値を有する。
Here, it is assumed that the impulse response waveform data of FIG. 9 is registered in advance in the impulse response waveform table TBL. The impulse response waveform data in FIG. 9 is obtained by dividing the values for
ポイント間の16分割により周波数分解能div=16となる。ここで、例えば、畳み込み処理の次数n=50、インパルス応答長irl=50、システムサンプリング周波数fs=50kHz、要求される周波数をf0=440Hzとすると、fs/f0=113.6363となる。 The frequency resolution div = 16 due to 16 divisions between points. Here, for example, if the order n = 50 of the convolution processing, the impulse response length irl = 50, the system sampling frequency f s = 50 kHz, and the required frequency is f 0 = 440 Hz, then f s / f 0 = 113.6363.
畳み込み処理による遅延時間は、50/2=25となる。したがって、ディレイRAM42ではfs/f0の整数部「113」から「25」を減算して得られる値「88」の遅延量を与える。すなわち、響板駆動信号KDSは、ディレイRAM42により88サンプリング周期分だけ遅延された信号DWとなる。次に、信号DWは、畳込み処理で25サンプリング周期分だけ遅延され、トータルで113サンプリング周期分だけ遅延された信号CWとなる。
The delay time due to the convolution process is 50/2 = 25. Therefore, the
インパルス応答波形のデータは、以下の手順に従って計算することができる。ここでは、インパルス応答波形テーブルTBLに予め登録されている周波数分解能div=16のデータを利用し、そこに登録されていないデータを線形補間により得る。
int = INT(div*(fs/f0-INT(fs/f0))) (1)
frac = div*(fs/f0-INT(fs/f0))-int (2)
for j=1 to n
ir(j) = frac*TBL(div*j-int-1)+(1-frac)*TBL(div*j-int) (3)
next j
The impulse response waveform data can be calculated according to the following procedure. Here, data with a frequency resolution of div = 16 registered in advance in the impulse response waveform table TBL is used, and data not registered there is obtained by linear interpolation.
int = INT (div * (f s / f 0 -INT (f s / f 0))) (1)
frac = div * (f s / f 0 -INT (f s / f 0)) - int (2)
for j = 1 to n
ir (j) = frac * TBL (div * j-int-1) + (1-frac) * TBL (div * j-int) (3)
next j
ここで、INTは、整数部を求めることを表し、fracは、小数部を求めることを表す。また、TBL(・・)は、インパルス応答波形テーブルTBLから「・・」をアドレスとしてデータを得ることを表す。 Here, INT represents obtaining an integer part, and frac represents obtaining a decimal part. TBL (..) indicates that data is obtained from the impulse response waveform table TBL using ".." as an address.
上記(1),(2)では、周波数分解能div上での整数部、小数部を求めている。また、上記(3)では、該小数部に対する位相変化を与えるir(j)を、「div*j-int-1」ポイントと「div*j-int」ポイントのデータの線形補間で算出している。本例の場合、int=10、frac=0.1818となる。 In the above (1) and (2), the integer part and the decimal part on the frequency resolution div are obtained. In (3) above, ir (j) that gives the phase change for the fractional part is calculated by linear interpolation of the data of the `` div * j-int-1 '' point and the `` div * j-int '' point. Yes. In this example, int = 10 and frac = 0.1818.
上記の手法によれば、大量のデータを予め登録することなく、高精度の周波数を得るためのデータを実時間で得ることができる。上記の手法は、打鍵信号DWに対するピッチを時間経過に従って変化させるのにも有効である。 According to the above method, data for obtaining a highly accurate frequency can be obtained in real time without registering a large amount of data in advance. The above-described method is also effective for changing the pitch with respect to the keystroke signal DW with time.
図10は、響板駆動信号生成手段13の第2実施形態を示すブロック図である。なお、図10において、図4と同一あるいは同等部分には同じ符号を付してある。第2実施形態が第1実施形態と異なるのは、打撃信号SWに重み付け係数V1を乗算する乗算器101、閉ループを形成するフィルタ手段43の出力に重み付け係数V2を乗算する乗算器102および乗算器101,102の出力を加算する加算器103を設け、加算器103の出力を響板駆動信号KDSとした点である。
FIG. 10 is a block diagram showing a second embodiment of the soundboard drive signal generating means 13. In FIG. 10, the same or equivalent parts as in FIG. The second embodiment is different from the first embodiment in that a
この構成によれば、打撃信号SWと閉ループから得られる減衰信号とのバランスを重み付け係数V1,V2で調整することができる。 According to this configuration, the balance between the hit signal SW and the attenuation signal obtained from the closed loop can be adjusted by the weighting coefficients V1 and V2.
上記において、鍵盤楽器は、響板駆動手段14を1つだけ備えればよいが、複数の響板駆動手段を設け、響板駆動信号生成手段により生成された響板駆動信号を任意の響板駆動手段に割り振るようにすることもできる。また、各鍵ごとに響板駆動手段を設けることもできる。図11は、複数の響板駆動手段を設け、それらに響板駆動信号を割り振る響板駆動信号割振り回路を設けた実施形態を示すブロック図である。 In the above, the keyboard instrument only needs to have one soundboard drive means 14, but a plurality of soundboard drive means are provided, and the soundboard drive signal generated by the soundboard drive signal generation means is used as an arbitrary soundboard. It is also possible to allocate to the driving means. Further, a soundboard driving means can be provided for each key. FIG. 11 is a block diagram showing an embodiment in which a plurality of soundboard drive means are provided and a soundboard drive signal allocation circuit for assigning soundboard drive signals to them is provided.
各鍵ごとに、打撃信号抽出手段、ダンパ信号発生手段および響板駆動信号生成手段A0,A#0,B0,・・・,C7を設け、また、複数の響板駆動手段111,112,113,・・・,11nを設け、それらの間を駆動信号割振り回路110で接続する。
For each key, a striking signal extraction means, a damper signal generation means and a soundboard drive signal generation means A0, A # 0, B0,..., C7 are provided, and a plurality of soundboard drive means 111, 112, 113,. , 11n, and the drive
駆動信号割振り回路110は、各鍵ごとに生成された響板駆動信号を予め決められた手法に従って響板駆動手段111,112,113,・・・,11nに割り振る。この構成によれば、例えば、各鍵に対応した駆動位置で響板を駆動させることができ、演奏時の音像を忠実に再現できる。
The drive
以上、実施形態を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態は、ピアノの弦が1本であるとしてそれを擬似するものであるが、実際のピアノには2本弦や3本弦を持つ鍵もある。図12は、3本弦に対応する本発明の実施形態を示すブロック図である。 Although the embodiment has been described above, the present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the above-described embodiment, it is assumed that there is only one piano string, but the actual piano includes a key having two or three strings. FIG. 12 is a block diagram showing an embodiment of the present invention corresponding to three strings.
この実施形態の響板駆動信号生成手段13は、3つの響板駆動信号生成回路13-1,13-2,13-3を備える。これらの響板駆動信号生成回路13-1,13-2,13-3に共通にダンパ信号DPを入力する。打撃信号抽出手段11からの打撃信号SWをソフトペダルの操作に応じて異ならせ、打撃信号SW1,SW2,SW3として入力することによりソフトペダル効果を得ることができる。響板駆動信号生成回路13-1,13-2,13-3により生成された響板駆動信号KDS1,KDS2,KDS3を加算し、これにより得られた響板駆動信号KDSを響板駆動手段14に与えることにより3本弦対応した音響出力を得ることができる。 The soundboard drive signal generation means 13 of this embodiment includes three soundboard drive signal generation circuits 13-1, 13-2, 13-3. The damper signal DP is input to these soundboard drive signal generation circuits 13-1, 13-2, 13-3 in common. The soft pedal effect can be obtained by making the batting signal SW from the batting signal extracting means 11 different according to the operation of the soft pedal and inputting it as the batting signals SW1, SW2, SW3. The soundboard drive signals KDS1, KDS2, and KDS3 generated by the soundboard drive signal generation circuits 13-1, 13-2, and 13-3 are added, and the soundboard drive signal KDS thus obtained is added to the soundboard drive means 14. To provide an acoustic output corresponding to three strings.
なお、響板駆動信号KDS1,KDS2,KDS3のうちの1つを他の響板駆動信号から得ることもできる。ソフトペダルの操作量に応じて例えば響板駆動信号KDS3を響板駆動信号KDS1+KDS2にフィルタ処理を施して得ることができる。また、3本弦のそれぞれの弦に対応させて打撃信号抽出手段を設け、それぞれ独立に打撃信号を抽出することによってもソフトペダル効果を得ることができる。 Note that one of the soundboard drive signals KDS1, KDS2, and KDS3 can be obtained from another soundboard drive signal. Depending on the amount of operation of the soft pedal, for example, the soundboard drive signal KDS3 can be obtained by filtering the soundboard drive signal KDS1 + KDS2. The soft pedal effect can also be obtained by providing a striking signal extraction means corresponding to each of the three strings and extracting the striking signal independently.
また、ピアノの弦が1本であるとする場合であっても、振動モード(縦振動,横振動,回転振動モード)まで考慮することにより、ピアノの音響出力により精度よく擬似させることができる。 Even if the piano has only one string, it can be simulated more accurately by the acoustic output of the piano by considering the vibration mode (longitudinal vibration, lateral vibration, rotational vibration mode).
さらに、好みの音色へ調整したり音量を変えたりする整音効果を得るために、ハンマへの針刺しが有効である。一般的に、ハンマはフェルトにより構成されており、内硬外柔構造(内部が硬く、外側が柔らかい構造)であるが、これに針を刺すことにより、その硬さを調整してハンマアクションの衝撃度を変えることができ、これにより音色や音量を微妙に調整できる。 Further, in order to obtain a sound-adjusting effect that adjusts to a desired tone color or changes the sound volume, a needle stick into a hammer is effective. In general, a hammer is made of felt and has an inner-hard / soft-soft structure (a structure where the inside is hard and the outside is soft), but the hardness of the hammer action is adjusted by inserting a needle into the hammer. The degree of impact can be changed, so that the tone and volume can be finely adjusted.
11・・・打撃信号抽出手段、12・・・ダンパ信号発生手段、13,13-1,13-2,13-3・・・響板駆動信号生成手段、14,111〜11n・・・響板駆動手段、41・・・フォルマント補正処理部、42・・・ディレイRAM、43・・・フィルタ手段、43-1・・・FIRフィルタ、43-2,72-1〜72-n,101,102・・・乗算器、43-3・・・IIRフィルタ、44,73-2〜73-n,103・・・加算器、71-1〜71-n・・・遅延素子、110・・・響板駆動信号割振り回路
11 ... Impact signal extracting means, 12 ... Damper signal generating means, 13, 13-1, 13-2, 13-3 ... Soundboard drive signal generating means, 14, 111-11n ... Soundboard drive Means 41 ... Formant
Claims (12)
ダンパペダルと、
響板と、
各鍵ごとに設けられたアクションハンマおよび擬似弦からなる打撃機構と、
前記アクションハンマの前記擬似弦への打撃状態を、打撃の強弱および各周波数成分を含む打撃信号として抽出する打撃信号抽出手段と、
前記鍵あるいは前記ダンパペダルの操作に応答してダンパ信号を生成するダンパ信号生成手段と、
前記打撃信号および前記ダンパ信号を入力とし、操作された鍵に応じた音程の響板駆動信号を生成する響板駆動信号生成手段と、
前記響板駆動信号に従って前記響板を駆動する響板駆動手段を備え、
前記響板駆動信号生成手段は、前記打撃信号が入力される加算器、前記加算器の出力を遅延させる遅延手段、前記遅延手段の出力に位相特性および振幅特性を付与して前記加算器に与えるフィルタ手段を有し、
前記フィルタ手段を前記ダンパ信号により制御し、
前記位相特性によりアコースティックピアノでの基音に対する倍音の周波数ずれを与え、前記振幅特性により倍音ごとに異なる減衰特性を与えることを特徴とする鍵盤楽器。 Multiple keys,
A damper pedal,
Soundboard,
A striking mechanism consisting of action hammers and pseudo strings provided for each key,
A striking signal extracting means for extracting the striking state of the action hammer on the pseudo string as a striking signal including striking strength and each frequency component ;
Damper signal generating means for generating a damper signal in response to an operation of the key or the damper pedal;
Soundboard drive signal generating means for generating the soundboard drive signal having a pitch according to the operated key, with the impact signal and the damper signal as inputs.
Comprising soundboard drive means for driving the soundboard according to the soundboard drive signal;
The soundboard drive signal generating means includes an adder to which the striking signal is input, a delay means for delaying the output of the adder, and a phase characteristic and an amplitude characteristic to the output of the delay means to give to the adder Having a filter means;
The filter means is controlled by the damper signal;
A keyboard instrument characterized in that the phase characteristic gives a frequency shift of a harmonic over a fundamental tone of an acoustic piano, and the amplitude characteristic gives a different attenuation characteristic for each harmonic .
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