ピア ノ奏法 にお け る基 本 的 タ ッチの 生理 学 的研 究 第1編 打 鍵 強 度 お よび 間 隔 の 測 定分 析 装 置 の 開 発 岡山大学医学部第一生理学教室(主 任:西 田 勇教授) 片 山 昭 (昭 和54年4月11日 Key 1.は じ words:ピ め 受 稿) ア ノ奏 法 の生 理 学 的 研 究 に (ピ ア ノ線 の振 動)を,マ イ クロ ホ ンで受 け る方 法 で あ る.マ イ ク ロ ホ ン ピ ッ クア ップ の 電 気 信 号 を増 音 楽 教 育 は 近 時 き わ め て盛 ん で あ る.音 楽 の 分 野 幅 した後,波 高 値 分 析 回 路 に よっ て,音 の 強 弱 を分 に お け る生 理 的 機 能 は,広 範 囲 で あ り高 度 であ るが, 類 す る こ とで あ る.こ の方 法 は,打 鍵 機構 に 変 化 を そ の 方 面 の 生 理 学 研 究 は ま だ 十分 とは い え ない.特 加 え な い とい う点 か ら,被 験 者(ピ ア ノ奏 者)に 異 に,音 楽 演 奏 上 の技 法 の 問 題 は,人 間 の もつ 情 緒 的 な っ た音 刺 激 を与 えず,ま 機 能 を い ろ い ろ な芸 術 表現 形 式 に よ って,時 間 的, テ ス トを行 な うこ とが で き る とい う長 所 を もっ て い 空 間 的 に 表 現 す る方 法 手 段 と して 使 わ れ て い るが, るが,各 鍵 盤 に 対 応 す る一 音 一 音 を分 類 して収 録 す これ ら に関 す る研 究 の大 部 分 は,過 去 の 優 秀 な奏 者 る こ とが 不 可 能 で あ る ため,所 期 実 験 に は適 さ な い. や 偉 大 な教 師 が 体 験 した 奏 法 を中 心 に,経 験 や 教 育 次 に,圧 電 素 子,あ 効 果 を技 法 理 論 と して体 系 化 した もの が 多 い。 従 っ 打 鍵 圧 力 あ る いは ピア ノ線 の 振 幅 を 測定 す る 方 法 が て,こ れ か ら の 技法 の進 歩 を考 え るに は,さ 考 え られ る.し か し,現 在 使 用 で きる素 子 で は,最 らに 科 っ た く通 常 の心 理 状 態 で, る い は ス トレ ン ゲ ー ジ を用 い て, 学 的,客 観 的 に究 明 す る必要 性 が 痛 感 され る.か か 弱 音 か ら最 強 音 ま で を忠 実 に 測定 す る こ とが 困 難 で る 見地 か ら,ピ ア ノ奏 法 に お け る基 本 的 タ ッチ の 生 あ り,か つ,こ の 方 法 に お い て も,同 様 に複 雑 な 波 理 学 的 研 究 の一 環 と して,音 刺 激 か ら起 こ る複 雑 な 高 値 分 析 回路 を必 要 とす る.以 上2つ 生 理 的 変 化 を究 明す る 手 が か り を演 奏 技 法 の 面 で 考 式 に お い て は,回 路 全 体 が 非 常 に複 雑 に な る ば か り の ア ナ ロ グ方 え てみ た 。演 奏 技法 の な か で,比 較 的 客 観 的 に 把 握 で な く,十 分 な 精 度 を期 待 す る こ と もで きな い.こ で き る と考 え られ る ピア ノの 基 本 的 奏 法 に 着 目 し, れ に 対 して,デ ピ ア ノ の練 習 時 に お け る指 の 機 能 を知 るた め に,打 音 圧 や 振 幅 の 代 りに ピア ノの ハ ンマ ー の速 度 を,フ 鍵 強度 お よ び打 鍵 間 隔 を中 心 と した 分 析 装 置 の 開 発 ォ ト トラ ン ジ ス タ を用 い てデ ィジ タ ル 的 に 測 定 す る ィ ジ タル 技術 を採 用 す る こ とに して, を計 画 した.同 時 に,筋 電 図 学 的研 究 を併 用 して 手 こ とが 考 え られ る.近 年,エ や 指 の 機 能 を解 析 し,ピ ア ノ演 奏 の 際 に 起 こ る い ろ お け るデ ィ ジ タル 計 測 の 進 歩 はめ ざ ま し く,計 数 回 い ろ な生 理 学 的要 因 を究 明 す る手 が か りを得 た い と 路,論 理 回 路 な ど は,容 易 に そ れ を 応 用す る こ とが 考 えて い る.ま た,研 究 の 進 展状 況 に よ って,さ で き る状 態 に あ る1).また,全 ら レ ク トロ ニ クス分 野 に トラ ン ジ ス タ化 す る こ に 広 範 囲 な問 題 と取 り組 ま な け れ ば な らな い こ とが とに よ って,分 析 装 置 の取 扱 い を簡 単 に し,応 用 面 予 想 され,分 析 装 置 の規 模 は,研 究 の 進 展段 階 に し を拡 大 し,所 期 の 目的 を十 分 満 足 させ る こ とが で き た が っ て,拡 大,拡 充 で き る よ う考 慮 した. る と考 え られ る.あ わ せ て,デ ィ ジ タル化 を行 な う 2.研 究 方 こ とに よ って,打 鍵 間 隔 の測 定 が きわ め て容 易 に な 法 打 鍵 強 度 と打 鍵 間 隔 を測 定 す る た め に は,い る.測 定 の 方 法 は,ハ ろい ンマ ー の動 作 時 に そ れ に 取 付 け られ た 小 片(金 属 片)に よ り,光 源(理 論 的 に は ろ な方 法 が 考 え られ る.打 鍵 強度 の 測定 方 法 と して 点 光 源)と まず 第 一 に 考 え られ る の は,通 常 の 打鍵 に よ る音 波 ハ ンマ ー の 速 度 に 対 応 した シ ャ ドウ パ ル ス をフ ォ ト 831 フ ォ ト トラ ン ジ ス タ との 間 を さえ ぎ り, 832 片 山 トラ ン ジ ス タの 出力 と して と りだ す2).運動 量 と速 度 の 関 係 式, 昭 で あ る.鍵 盤 数 は36鍵 予 想 し て,鍵 P=m・v 盤 が 自 由 に16鍵 差 込 み 式 とす る.打 か ら,ハ ンマ ー の質 量mを 一 定 とす る と,ハ ン マ ー の 運 動 量Pは 速 度vに 比例 す る.各 ピア ノ 線 の 固 有 で あ る が,い ろ い ろ な実 験 を まで 選 択 で き る よ うな 鍵 速 度 の 測 定 方 法 をFig. 2に 示 す. Fig. 2. Detection of hammer velocity. 振 動 数 が 異 な る こ とか ら,同 じ運 動 量 に 対 して も ピ ア ノ線 の 初 期 振 幅 は 異 な る.ま た,人 間 の知 覚 神 経 が 線 形 で な い こ とか ら考 え て,人 間 に感 じ られ る音 の 強 さ とハ ンマ ー の 速 度vを 一 義 的 に定 義 す る こ と は 困難 で あ る.し か し,速 度vと 音 の強 さ との 間 に 一 対 一 の対 応 関 係 が 存 在 す る こ とは 明 らか で あ るか ら,あ らか じめ 速 度vと 音 の 強 さの 関係 を実 験 的 に 求 め て お くこ とに よ り,速 度vの 測 定 か ら音 の 強 さ を決 定 す る こ とが で き る. 2)整 形回路 理 想 的 に は 点 光 源 に対 して,フ ォ ト トラ ン ジ ス タ の 感 応 面 積 も点 状 と見 なせ る こ とが 望 まれ るが,実 3.分 析装置の構成 際 に は と もに 有 限の 幅 を もっ て い る.従 っ て,シ ャ 分 析 装 置 は 次 の9つ の 主要 部 分 か らな りた っ て い る。 ドウパ ル ス の 波 形 は, Fig. 2に 示 す よ う に,立 ち上 り時 間,立 1.鍵 盤 装 置(フ ォ ト トラ ン ジ ス タ に よ る シ ャ ドウ パ ル ス 検 出 機構 を含 む) ち下 り時 間 と もに 無視 で き な い状 態 に あ る 。 ゲ ー ト回 路 の 動 作 を確 実 にす るた め,シ ュ ミッ ト トリガ 回 路 を用 い て 完 全 な矩 形 波 の パ ル ス に 再 生 2.整 形回路 す る.こ れ が 整 形 回 路 で あ る3). 3.ゲ ー ト回 路 3)ゲ 4.計 数 回路 5.選 別 回 路 お よび 度 数 表 示 部 路 で 完全 な矩 形 波 に され た シ ャ ドウ パ ル ス を,デ ィ 6.間 隔 測 定 の た め の 計数 回 路 7.選 別 回 路 お よび 表 示 部 ジ タル 量(数 値)に 変 換 す る 回路 で あ る.す な わ ち, 一 方 の 入 力 と して 既知 の 発 振 周 波 数 を もつ クロ ッ ク 8.制 御 信 号 発 生 回 路(主 発 振 回 路,ハ ン マー リタ ー ン シャ ドウオ フ 装 置) 9.電 源 回路 わす パ ル ス群 を と りだ す.こ configuration of measurement system. 1)鍵 パ ル ス を加 え て お き,シ ャ ドウパ ル ス の期 間 だ け ゲ ー トを開 き,そ の パ ル ス 幅 す なわ ち,打 鍵 速度 を表 分 析 装 置 の基 本 的構 成 をFig. 1に 示 す 。 Fig. 1. Basic ー ト回 路 上 記 の 打 鍵 速 度 検 出 部 に お い て 測定 され,整 形 回 の ゲー ト回 路 は,ダ イ オー ドあ る い は トラ ン ジス タ を用 い たFig. なAND回 3の よ う 路 で実 現 で き る3). Fig. 3. AND-Gate circuit. 盤装置 日本 楽 器 製 の平 型 ピア ノの 鍵盤 ア ク シ ョ ン機 構 (C∼H36鍵)を 使 用 す る.第 一 段 階 の 実 験 で は, 4)計 数 回路 ゲー ト回路 に よ っ て 変 換 され た シ ャ ドウパ ル ス に 無 音 の 装 置 と し,ハ ン マー が運 動 す る速 度 を検 出す 比 例 し たパ ル ス群 を計 数 す る回 路 で あ る.こ れ は2 る 方 法 と して,ハ ンマ ー に 金属 片 を と りつ け,光 源 安 定 マ ル チ バ イ プ レー タ(通 常 フ リップ フ ロ ッ プ と とフ ォ トトラ ン ジ ス タ との 間 を金 属 片 が さ え ぎ る よ よば れ る)を,カ うに す る.使 用 す る フ ォ ト トラ ジ ス タの数 は, 36個 か ら な る.汎 用 計 数 回 路 と して は, ス ケー ドに 接 続 し た2進 計 数 回路 2進 化10進 法(2 ピア ノ奏 法 に お け る 基 本 的 タ ッチ の 生 理 学 的 研 究 進 素 子4段 を用 い て10進1段 な わ れ るが,こ を構 成 す る 方 法)が 行 こ で は,後 段 に選 別 の た め の 論 理 回 路 が 続 くこ とを考 え て,純2進 計 数 方 式 を採 用 す る1). 立 ち 上 り ま で の 時 間 の を 必 要 とす る の で,正 確 に は2 チ ャ ン ネ ルの 計 数 回 路 を用 いて 各 打 鍵 ご とに 交 互 に 働 か せ る 必 要 が あ る が,実 フ リ ップ フ ロ ップ の 所 要 段 数 は,ク ロ ッ クパ ル ス の と 選 別 の た め に は, 周 波 数 とシ ャ ドウ パ ル ス の 幅 か ら決 定 され る.こ こ そ れ に 対 し て,ク で 使 用 す るフ リ ップ フ ロ ッ プ の 回 路 は, Fig. 4に 示 す ご と き もの で あ る. 833 際 問 題 と し て,リ 100μsecも ロ ッ ク パ ル ス は500Hz,打 り返 し は 高 々20Hzと 成 す る.間 鍵 の く 考 え ら れ る の で リセ ッ ト時 間 は 無 視 で き る も の と考 え て, Fig. 4. Flip flop circuit. セ ッ ト あ れ ば 十 分 で あ り, 1チ ャ ン ネル の み で構 隔 測 定 の た め の 計 数 回 路 をFig. Fig. 6. Counting circuit for 6に 示 す. interval detection 7)選 5)選 別 回路 お よび 表 示 部 これ は,打 鍵 パ ル ス か ら,次 の 打 鍵 パ ル ス ま で の 別 回路 お よ び度 数 表 示 部 計 数 回路 で計 数 さ れ た パ ル ス数 を音 の 強 弱 に 応 じ て 分 類 し,各 強度 の頻 度(度 数)を 累 計,表 示 す る 間 隔 を500Hzの クロ ックパ ルスで 数 えた結 果 を選 別 して 表 示 す る回 路 で あ る.構 造 は5)の 選 別 回路 と度 回 路 で ある.計 数 回 路 の パ ター ン(計 数 値)を 弁 別 数 表 示 部 の もの とほ とん ど共 通 で あ る.タ す る ため に は,ダ イ オ ー ドに よ るマ ト リッ クス 状 あ 隔 も音 の 強 弱 の 分 類 の ご と く,例 え ば, る いは ピ ラ ミ ッ ド状 の論 理 回 路 を組 む 必 要 が あ る. 100msec以 下 こ れに は前 もっ て実 験 的 に 音 の 強 度 と計 数 パ ル ス の 100 cosec∼200 cosec 数 との 関 係 を は っ き りさせ て お か ね ば な らな い.こ 200 cosec∼300 cosec こ でか りに,強 度 と計 数 値 の 間 に, ff40以 上, 300 msec∼400 msec ∼39, mf24∼31 , mp16∼32, p12∼15, f32 400 msec以 pp11以 下, の 関係 が 求 ま っ た とす る と,強 弱(ff, f, mf… …pp) の 分 類 は, Fig. 5の よ うな 論理 回 路 で 実 現 で き る. ッチ の 間 上 の ご と く決 め られ,各 間 隔 に おけ る頻 度(度 数)が 現 わ れ る. 選 別 後 の度 数 計 と して は, 4)に 述 べ た計 数 回路 に比 8)制 し て周 波 数 が 低 い の で,機 械 的度 数 計(電 磁 カ ウ ン 測 定 器 を 自動 的 に 動 作 させ る ため に 必要 な制 御 信 号 御信号発生回路 タ)を 利 用 す る こ とが で き,打 鍵 回 数 を求 め う る. と して は, ハ ンマ ー 速 度 分 類 の た め の論 理 回 路 の一 例 をFig. 5 ① リター ン シ ャ ドウ オ フ に対 す る制 御 信 号 に 示 す. ② シ ャ ドウ パ ル ス,デ Fig.5. An example of logical circuit for classification of hammer velocity. ィ ジ タル 化 の ため の クロ ッ クパ ル ス(300KHz) ③ 打 鍵 間 隔 測 定 の ため の ク ロ ッ クパ ル ス(500Hz) ④ 計 数 回 路 リセ ッ ト信 号(計 数 開 始 直 前 に計 数 内 容 を0状 態 に も ど して お く必 要 が あ る) ⑤ 選 別 回 路動 作 信 号(計 数 中 は選 別 回 路 の動 作 を 止 め,計 数 終 了 と同 時 に選 別 を行 な うた め の 制 (pp∼mfも 6)タ 同様な 手順で設計で きる) ッ チ間 隔 測 定 の ため の計 数 回 路 打 鍵 の 瞬 間 の パ ル ス の立 ち上 りか ら,次 の打 鍵 の 御 信 号) ⑥ 度 数 計 リセ ッ ト信 号 ⑦ 測 定 時 間(1・2・3・5分)発 生 回路 834 片 Fig. 7. Time 山 昭 chart for measurement. とか ら,シ ャ ドウ パ ル スの 幅 の最 大 値 は, 5/0.5×103= 0.01sec=10msecと sec=5msecと な り,最 小 値 は, 5/1×103=0.005 な る.ま た, ffの 時 の0.3msecを 十分 な 精 度 で 読 み だす に は, 10倍 の 周 波 数 が 必 要 な の で, 主 発 振 器 の 周 波 数 は300KHzと し, ppの 時300KHz を そ の ま ま使 用 す る と,電 子 カウ ン タ は経 費 的 に み て 高 くつ くの で,打 鍵 強 度(ff, f, mf, mp, p, pp)の 6段 階 に 応 じて,主 発 振 器 の 周 波 数 を き りか え る よ うに す る 。 2)ハ 9)電 源 回路 ン マ ー リター ン シ ャ ドウ オ フ 装 置 ハ ンマ ー の一 部 が 光 束 を横 切 る場 合,ハ 測 定 回 路 は,全 トラ ン ジ ス タ化 さ れ て い るた め 高 ンマ ー が 圧 電 源 は 必要 と しな い.し か し,計 数 回路 が 中心 を 上 の方 向 に 運動 す る時 の シ ャ ドウ パ ル ス と,ハ ンマ ー が 打 弦 して か ら も との 位 置 に か え る と きの シ ャ ド な して い る た め,高 い安 定 度 を もつ 電 源 を必 要 とす ウパ ル スが 考 え られ る.そ の 場 台,ハ る.そ の うえ 十 分 な デ カ ップ リン グ を行 な い,ス イ す る とき の シ ャ ドウパ ル ス を検 出 し,打 弦 後 のハ ン ッ チ ン グ ノイ ズ や,内 部 干 渉 な ど に よ り動 作 が不 確 マ ー に よ っ て起 こ るシ ャ ドウパ ル ス は,消 実 に な る の を防 ぐ必 要 が あ る. は な ら な い の で,ハ ン マ ー リター ン シ ャ ドウ オ フ装 4.そ 1)打 ンマーが打弦 さな くて 置 を設 け る必 要 が あ る. の 他 の 設 計 上 の 留意 点 5.お 鍵強度の測定 わ りに フ ォ ト トラ ン ジス タ を用 い て,ハ ンマ ー が光 束 を 打 鍵 強 度 をハ ンマ ー 速 度 か ら求 め る こ と を 目的 に 横 切 る時 間 を測 定 す る こ とに よ っ て,打 鍵 強度 を数 した 全 デ ィ ジ タル 形 の ハ ンマ ー 速 度 お よび 打 鍵 間 隔 値 的 に 測 定 す る方 法 に つ い て は,す で に2.研 究方 計 測 装 置 の 構 成 に つ い て述 べ た 。最 近 の エ レ ク トロ 法 に お い て 基 本 的 な 考 え方 を述 べ た.ま た,こ の 方 ニ クス の 進 歩 は 目覚 し く,こ の よ うな 計 測 処 理 装 置 法 で 得 られ る打 鍵 強 度 は,そ の強 さ に応 じて,そ れ を マ イ ク ロ コ ン ピ ュー タ に よ っ て実 現 で き る機 運 に ぞ れ,便 宜 上 音 楽 の 相 対 的 強 弱 表 示 法 で あ る. ff, あ るが,測 定 原理 お よび 機 能 につ い て は,こ f, mf, 階 に分 類 す る こ とにつ い 告 した 構 成 が 基 本 とな る.す な わ ち,打 鍵 強 度 をハ 析 装 置 の 構 成 の5)選 別 回路 お よ び度 数 ンマ ー速 度 とい う測 定 の 容 易 な変 数 を 介 して求 め る mp, p, ppの6段 て も, 3.分 表 示 部 の 中 で,そ の 方 法 を示 した.こ の 場 合,ハ ン 着 想 は,測 定 値 の安 定性,信 こで 報 頼 性 の 見 地 か ら妥 当 な マ ー の 速 度 に つ いて の 研 究 結 果 か ら次 の こ とが い え も の で あ る.今 後 は,本 測 定 分 析 装 置 のデ ー タを 自 る.す な わ ち,日 本 楽 器 ピア ノ技 術 部 の 実 験 資 料 に 動 的 に処 理 す る デー タ処 理 部 を付 加 す る必 要 が あ る. よ る と,ハ ンマ ー の 速 度 は, ffの 時, 10.05m/secで あ る こ とか ら,最 大値 と して15m/secと この測定 分析装 置の開 発研究 にあ たっ て,岡 山大 学医 し,フ ォ ト トラ ン ジス タの 前 を横 切 る シ ャ ドウの た め の 片 は, 学部 第一生理 学教室 西 田勇教授,安 田浩士 元助 教授,日 工 作 上 の精 度 とフ ォ ト トラ ン ジス タの 分 解 能(感 応 本楽 器KK長 面 積)か 口征士 助教授 の諸先 生方か ら専 門的分 野での 資料や助 言 ら考 え て, 5mmと す れ ば シ ャ ドウパ ル ス の 幅 の 最 小 値 は, 5/15×103≒0.0003sec=0.3msecと ppの 時 の ハ ンマ ー 速 度 は, 0.5∼1m/secで な る. 1. Richards, pp. R. K.: 64-170, 2. 前 田 敬 二:光 3. Strauss, L: Electronic Digital をいただ き,指 導 を仰い だ.こ こに感謝 の意 を表 したい と思 う。 あ るこ 参 考 Components 谷重雄 氏,大 阪大 学基礎工 学部制 御学 科井 文 and 献 Circuits. VAN NOSTRAND . NEW YORK. 1967. 電 変 換 デ バ イ ス.コ Wave Generation ロ ナ 社.東 and Shaping. 京 . pp. 39-47, Mc-Graw-Hill. 1975. New York . pp. 26-88, 1960. ピ ア ノ奏 法 に お け る基 本 的 タ ッチ の 生 理 学 的 研 究 Physiological research Part and analyzing into 1. Development the intensity fundamental of Department paper swing-stroke This deals of Physiology, in piano is easily The The opens signal electronic, counted by 5 present number This this values of the equipment precisely. by velocity a gate, pulse the design playing. detected notation. an with instruments strength can counter to which consisting is proportional to activate swing-stroke, it one of possible of to measuring and University for the time interval Medical School the time flows of interval pulse 4 decimal the inverse counters. velocity measure the by and a clock to the measurement be measured transistor, 6 magnetic which playing Prof. Isamu Nisida) of is converted for swing-stroke Okayama a photo-sensitive through counter makes The in piano KATAYAMA (Director: This equipment of the Sho touch 835 of the photo-transistors of 100KHz. of velocity, the Each of the for by units. strength velocity is suitable counting the digital The to a previously intensity of the tone of is compared counter belongs flip-flop. is transmitted number and magnetic hammer. electronic and This of the with indicates calssified and to pulses its the group. distribution
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