水滴音を調律し楽音でのリアルタイム演奏を実現した楽器

　Potarhythm 2はトロンボーンなどの音高変化の仕組みでもある気柱共鳴を利用して水滴音の音高調律を可能にした楽器，サウンドアート作品である．水滴を管状の共鳴器内に落とし水面で発生した水滴音を気柱共鳴させている．水面から共鳴器の管口間の距離で共鳴する周波数が変わるため，ArduinoとMIDIをでモータを制御しリアルタイムに共鳴器を昇降させ水滴音による楽音のリアルタイム演奏を実現した．

Concept

水の音を用いた必然性と偶然性を複合的に持つ音楽表現の確立

　水流や水面の波紋などの水の動きを収録した映像や音声は，ASMRと呼ばれるコンテンツの一種として鑑賞される． 一方で，日本庭園における水琴窟やししおどし，手水鉢といった水を利用した音装飾の事例から文化において音を伴う水の鑑賞は一般的な行為である． 音楽作品においては，様々なアーティストが水の音を使用した楽曲を発表している． 水の音が用いられる一方でその手法においてはサンプリング音源を多用しているため，水を音源として考える場合，その発音波形における再現性に関しては深く考察されてこなかった．
　サンプリングは音楽表現における可能性を拡げてきたとは思う． しかし，物質がリアルタイムに振動することで発音しているギター等の楽器は演奏者のタッチや音場，温度湿度など様々な要因で同じ音が聴けるのは一度だけである． その音の唯一性に価値があり，人が意図しない偶然的に生まれた音もまた音楽表現，演奏表現を拡げてきたと作者は考えている． 楽器は奏者の意図を持つ必然性と物質の偶然性を複合的に持つものなのである． 逆に考えると音の可能性という点においてはサンプリングは偶然性が排除された（録音の過程で偶然性はあるかもしれないが音楽を行う時には排除されている）手法なのである． また，実物体を持つ楽器は開発者の想定していない奏法，発音を演奏者が生み出す可能性を持つ． 例えば，本来なら弦をピックアップの近くで弾く想定のエレキギターでのピックスクラッチや正しい回転でレコードを正常に再生するターンテーブルで手動で無理やり回転を変えるスクラッチはある意味で誤用法なのである． しかしこれらが音楽表現を拡張しているのは間違いない．
　水の音において音楽的価値，表現方法として求められるのであればサンプリングという手法は可能性が限定されると作者は考え， 開発者として水の音を用いた必然性と偶然性を複合的に持つ音楽表現が可能な技術，楽器を開発し，自らを含む演奏者による新たな可能性を持つ楽器を生み出すことが音楽表現の発展につながると考え制作した．

New Mechanism

“共鳴器昇降機構”，“水面高度維持機構”，”バルブ水圧維持機構”の3機構が楽音演奏を実現した

　ポイントはトロンボーンの音高変化で用いられる”気柱共鳴”とPotarhythm 1の水滴発生機構の”水滴直径の再現性向上”である．なぜこのようなアプローチに至ったかを下記で解説する．

Previous Studies

Potarhythm 1での水滴直径及び衝突速度の制御では水滴音波形の再現性が低く，他の手法を検討する必要があった

　前作Potarhythm 1では水滴が落下し水面に衝突する際の気泡音(作者は水滴音と呼称する)における周波数が発生した気泡の大きさから導出されることから それに依存する水滴直径及び衝突速度を制御することで水滴音における音高と音量を大まかに制御し打楽器的にリアルタイム演奏を可能にした． しかし，ピアノなどのように旋律を演奏できるような楽音の演奏は不可能であった． そのため水面の動静及びバルブにかかる水圧による水滴音波形の再現性について調査し， 結果として水滴直径（バルブの解放時間）が大きくなるにつれ水滴音のピーク周波数は低く，音量は大きくなる傾向にはあるけれど， 発音波形の再現性は楽音を演奏する楽器としては低いことがわかった． パフォーマンス時に使っていたフラスコを試しに実験に使用したところ波形の再現性が安定傾向にあることがわかり， 共鳴が新たな手法になり得るのではないかと考えた．

Approach

水琴窟における水滴音が洞窟や甕の筐体内で特定の周波数で共鳴し音高を認識できることからヒントを得た

　水琴窟の再現性に関する研究から共鳴に関する文献を調査し， 気柱共鳴という現象に可能性があると考えた． 気柱共鳴の導入に際して， Potarhythm 1の水滴音発生における再現性の調査を行いその上で気柱共鳴での水滴音の音高制御の手法を考案した．

Experiment

水面から飛び出させた管状の共鳴器内に水滴を落とし水滴音を固有周波数に共鳴させた

　関連研究から気柱共鳴において管の直径aと管の長さLが共鳴の固有振動数に依存することがわかった． そこで管状の共鳴器の内径aを固定し管状の共鳴器の一部を水面に沈め， 水面から管状の共鳴器の管口間を擬似的にLとして調整することで水滴音における特定の周波数が共鳴する可能性があると仮説を立てた． 詳しくはここで説明しきれないが，”水面から管状の共鳴器の管口間L”以外の条件を固定するためにこの実験のためにPotarhythm_expを作成した． L = 70~170mmの範囲で10mm単位で10回ずつのサンプルを取りFFT解析にかけて水滴音のピーク周波数の周波数を計測した． このとき管の内径a = 25mmのとき(他条件割愛)，L = 70~170mmの範囲で約400Hzの差があること， 各Lでの水滴音波形の再現性(波形形状及びピーク周波数の比較による)が安定するという結果が得られた． この仮説は立証され，L = 60~250mmに拡張し，他の条件による変化も検証し1000滴以上のサンプルを計測した． その際のサンプルから作者的に好みであった水滴音をチョイスしアルバムとして公開した（↓SoundCloud参照）． 最終的に約329Hz(音名E4)〜1046Hz(C6)の範囲で水滴音のピーク周波数の制御，波形の再現性の向上を可能にした．

Implementation & Tuning

実験結果を元に水滴音の周波数を機構的にリアルタイムに変化，制御するハードウエアを構築し調律した

　Potarhythm 2での目的は水滴音を調律し楽音でのリアルタイム演奏を実現することであったため， 先の実験での条件を常に再現し，リアルタイムで任意の周波数が出る状態に変化する必要があった． 機構的に制御する必要があるパラメータは次の2つになる． ”水面から管状の共鳴器の管口間L”（音高制御）と”水滴発生機構のバルブにかかる水圧”（連続演奏による水量の減少）である．
　管状の共鳴器をリアルタイムに昇降することで”水面から管状の共鳴器の管口間L”を変化させることを考えた． そこで共鳴器をモータフェーダ（画像1）の可動部に取り付け，100mmの可動域を無段階的に昇降するよう電気制御し可能にした． 100mmの可動域では音域が実験より狭まるためこの機構を2機用意した．
　続いて，連続演奏による水量の減少による”水滴発生機構のバルブにかかる水圧”の変化を防ぐために， 演奏に用いる水滴を出すバルブの第1給水タンクの水位70mmの位置に電極を2つ配置し通電にの有無により 上の第2給水タンクから水位を保つよう給水される水圧維持機構を作成した．
　新たに開発した2機構を用いて実験時にはない共鳴器の動きによる微小な誤差を確認し， 水滴音をFFT解析にかけ最終調整し，ピアノの調律方法を参考にした聴覚的な調律を行った． これによりE4~C6の音階にモータフェーダの位置をArduinoでMIDIにより制御することを可能にした．

Performance

Future Work

音楽活動及び展示活動を通してPotarhythmを拡める

　これまでの研究で水滴直径の変化による音高の制御は水面の揺らぎにより正確と言えるほどの制御が見込めないと考えた． また，音量と強弱も音高と作用してしまうという問題も見つかった． そこで音が発生する器の口の表面積Sとその長さLと容積Vより共鳴し強く発音される周波数が求まるヘルムホルツ共鳴を利用して音高制御を行う実験を現在行なっている． 音の波形を通常時と共鳴時で比較し，共鳴時の方が安定傾向にあることがわかった．

Proceedings

• NIME2020, Non paper demo, "A MIDI Sound Module That Uses the Sound of a Collision Generated by the Drop of Water as a Sound Source : Potarhythm"
• ADADA+CUMULUS 2020 International Conference for Asia Digital Art and Design 2020, Work in Progress, " A MIDI Sound Module That Uses the Sound of a Collision Generated by the Drop of Water as a Sound Source : Potarhythm"
• EC2020, 情報処理学会エンタテインメントコンピューティング研究会, "水滴落打音を音源としたMIDIデバイス：Potarhythm"
• 第6回 ADADA Japan 学術大会, ADADA Japan, "P-5 水滴音を利用した自動演奏装置"

Credit

All by taisei kato

Special Thanks : Tetsuaki Baba