「音色は波形で決まる」といい出したは、ホイヘンスでしたっけヘルムホルツでしたっけ？
これってかなり迷信くさいって聞いたことがありますが、最近は素人でも簡単に
PCM録音したり、波形編集できたりするので、実験して確かめてみました。
「波形が音色を決める」というのは、結構広く信じられていますが、一方、これはかなり迷信である、という風にも聞いたことがあります。まず、音色は確かに周波数のスペクトル分布で決まるが、人間の耳は位相差までは検知できないので、同じ音色に聞こえる波形は、必ずしもユニークに定まらない、という議論があります。この辺、色の感覚の議論（弊私家頁ではこちら）に似たところがあります。耳が生データの波形情報（WAVEファイル相当）を間引いて（or抽象化して）脳に伝えているという圧縮技術は、生物では結構昔から使われてきているのかな？
さらには、周波数のスペクトル分布自体も音色に及ぼす影響は案外小さく、音色の識別は、かなりその音の過渡的な挙動（立ち上がり方、消え方など）に依存しているとも言われております。そこで、本研究では・・・（思わず、商売の口調になってしまう（笑））、代表的な楽器であるピアノとヴァイオリンについて（実は家にはこれしか楽器がない。しかもピアノはエレピ。ほんとは、クラも試したかった。→詳細後述）デジタル録音とデジタル編集を行い、波形、及び過渡特性が音色に及ぼす影響を調べた。
【実験方法】
用いた楽器は電気ピアノ（うち社宅ですから）と普通のヴァイオリン。電気ピアノはテクニクスSX-PC10（最廉価帯のものですが、結構気に入っています）。ヴァイオリンは無銘のSTRADIVARIUSモデル（家にある物の中では最も音が「軽い」楽器）。使用した弦はADGはナイロン弦（Thomastik社製DOMINANT）でE線は金メッキ鋼線（PIRASTRO社製Olibe Goldplate）。奏者は、残念ながら家の子供。譜面は、両方で同様の物とし、ヴァイオリンの開放弦の音を編集の対象とすることを前提として、イ長調のオクターブ駆け上がり「ドミソド」とし、最後のドは、ヴァイオリンのA線の解放に相当する音程で、また実際にヴァイオリンの場合は開放弦を用いた。これは、ビブラートの影響を除くためである。これらの音を一旦MDレコーダーに録音した後（ここで一回圧縮変換されているところがちょっと情けない）、LINE送り出しをサウンドカード、SoundBlaster AWE64 goldを装備したパソコンで受けてWaveファイルを作成した。デジタル録音は、サンプリング周波数は22kHz、量子化8bitモノラルで行った。デジタル波形編集にはサウンドカード付属の波形編集ソフトCreativeWaveStudio Ver.3.19を使用した。編集後の音はパソコンの出力をBose社製10cmフルレンジスピーカーを有するシステムで再生、評価した。
【結果及び考察】
これが、デジタル編集ソフトに取り込んだ電気ピアノのWAVEファイルの様子。
一方、ヴァイオリンの音を取り込んだ場合は、下図の様になる。
この２つの図では、振幅変化から音量の時間変化が読みとれ、それぞれピアノとヴァイオリンの発音の特徴がよく示されている。まず、基本的には打楽器であるピアノは音の立ち上がりは鋭いが、しかし一つの音は減衰する一方である。これに比べてヴァイオリンの場合は音の立ち上がりが、ピアノの場合に比べて明瞭に遅いが、持続音（かなり不安定であるが）を出すことができる。また少し詳しく見ると、ヴァイオリンの場合は、指で押さえる前３つの音に比べて最後の解放弦の音は、より安定していることが分かる。ヴァイオリンの音の出し方の練習のうち、重要な要素の一つは、立ち上がりのよい音を出すことである。残念ながらこのデータには奏者の今後修行すべき方向の一つが明瞭に示されている。
このデジタル録音されたもとデータを再生した結果、サンプリング周波数、量子化スケールともCDフォーマットの約半分であるにも関わらず、非常に明瞭にピアノとヴァイオリンの音色を区別できた。一方、過渡部分をさけて定常部分からのみ波形を切り出し、個別に再生した場合では、両方の楽器の再生音はかなり似通った物となったが、依然、多少の違いは認められた。しかしながら、それらの音は、それぞれの楽器の楽音の特徴をほとんど失っており、むしろFM音源の波形合成で作成した電子音（いわゆるピコピコ音）のような印象であった（ピアノ、ヴァイオリンとも）。このことから、「音色」と呼んでいる要素の中には、かなり過渡的な特性が影響を及ぼしていると言うことができる。
かつて民生機レベルでPCMが困難だった時代は、パソコンの音はFM音源が主流だったが、デジタル信号の処理能力が向上するに従って次第にPCM音源が用いられるようになってきた。この移行期にローランドではMT-32（あるいは後のCM-64；家の最初のMIDI音源）というLA音源が開発されたが、これは限りあるデジタル信号処理能力を音の立ち上がり特性の再生に用い、後にFM音源の定常部分を追加するという方式の物であった。これも音色の特徴把握に過渡特性が重要であることの反映である。
なお、音を再生できるパソコンでアクセスしておられる方は、実際に音を聞くことができます。
ピアノ |
ヴァイオリン |
|
全体音 |
RM形式(13KB)* | RM形式(15KB)* |
| 定常部切り出し | WAVE形式(5KB) | WAVE形式(5KB) |
【結論】
予想通り、定常部分を抜き出した電気ピアノの音とヴァイオリンの音はかなりその音色の特徴が失われた。これにより両方の楽器の音はかなり類似していたが、完全に同等ではなく、若干の音色差を感じ取ることができた。また、これらの定常音はかなり電子音（FM音源の波形合成で作った、いわゆるピコピコ音）的に聞こえた。このことからも、生楽器のリアルさ、音色の特徴の大きな部分は過渡部分に依存していることが分かった。
【今後の展望】
オーケストラの楽器はほとんどが 1/2λ楽器である。すなわち、管の中の空気、あるいは弦といった振動媒体に［腹節腹］あるいは［節腹節］の半波長の定在波をたてて音程のある楽音を発生させている。この中でクラリネットだけは稀な 1/4λ楽器であり、管の中に立つ定在波は［節腹］、1/4波長である。従ってクラリネットはその管の全長の４倍までの波長の音を出すことができ、ほぼ同等の大きさを有するオーボエよりもほぼ１オクターブ低い音まで出せるのである。さて、この 1/4λ楽器のクラリネットの倍音声分は、偶数次の物が欠けている。つまり、クラリネットはスペクトル分布の観点から、最も特徴的な楽器であるといえる。このクラの音に対して、上のようなことを是非やってみたいです。＞クラ吹ける人