Синтез физического моделирования - Physical modelling synthesis

Синтез физического моделирования относится к синтез звука методы, в которых форма волны из звук для генерации вычисляется с использованием математическая модель, набор уравнения и алгоритмы имитировать физический источник звука, обычно музыкальный инструмент.

Общая методология

Моделирование пытается воспроизвести законы физики, которые управляют воспроизведением звука, и обычно имеет несколько параметров, некоторые из которых являются константами, описывающими физические материалы и размеры инструмента, а другие - зависящими от времени функциями, описывающими взаимодействие игрока с инструментом. например, дергать за веревку или закрывать тонкие отверстия.

Например, чтобы смоделировать звук барабан, была бы математическая модель того, как удар по барабанной пластине вводит энергию в двумерную мембрану. Включая это, более крупная модель будет имитировать свойства мембраны (массовая плотность, жесткость и т. Д.), Ее связь с резонансом цилиндрического корпуса барабана и условия на его границах (жесткое окончание корпуса барабана ), описывая его движение с течением времени и, таким образом, генерирование звука.

Подобные моделируемые стадии можно найти в таких инструментах, как скрипка, хотя возбуждение энергии в этом случае обеспечивается за счет скольжения смычка относительно струны, ширины смычка, резонанса и демпфирования струн, передачи колебаний струны через мостик и, наконец, резонанс деки в ответ на эти вибрации.

Кроме того, та же концепция была применена для моделирования голос и речь звуки.[1] В этом случае синтезатор включает математические модели голосовая связка колебания и связанный с ними поток воздуха в гортани, и последующее распространение акустической волны вдоль голосовой тракт. Кроме того, он может также содержать артикуляторная модель для управления формой речевого тракта с точки зрения положения губ, языка и других органов.

Хотя физическое моделирование не было новой концепцией в акустика и синтез, реализованный с использованием конечно-разностные аппроксимации волнового уравнения Хиллера и Руиса в 1971 г.[нужна цитата ], так было до разработки Алгоритм Карплюса-Стронга, последующее уточнение и обобщение алгоритма на исключительно эффективный цифровой волноводный синтез Юлиус О. Смит III и другие,[нужна цитата ] и увеличение DSP власть в конце 1980-х[2] что коммерческое внедрение стало возможным.

Ямаха заключил договор с Стэндфордский Университет в 1989 г.[3] совместно разработать цифровой волноводный синтез; впоследствии большинство патентов, связанных с этой технологией, принадлежит Стэнфорду или Yamaha.

Первым коммерчески доступным синтезатором физического моделирования, созданным с использованием волноводного синтеза, был Yamaha VL1 в 1994 году.[4][5]

В то время как эффективность цифрового синтеза волноводов сделала возможным физическое моделирование на обычном оборудовании DSP и собственных процессорах, убедительная эмуляция физических инструментов часто требует введения нелинейных элементов, рассеивающих переходов и т. Д. В этих случаях цифровые волноводы часто комбинируются с FDTD,[6] методы конечных элементов или волнового цифрового фильтра, увеличивающие вычислительные требования модели.[7]

Технологии, связанные с физическим моделированием

Примеры синтеза физического моделирования:

Аппаратные синтезаторы

  • Корг ОАСИС и Корг Кронос - струна STR-1 щипковая
  • Korg OASYS PCI
  • Корг Пророчество
  • Korg SOLO-TRI (плата расширения для Trinity с синтезаторным движком Prophecy)
  • Korg Z1
  • Korg MOSS-TRI (плата расширения для Trinity с синтезаторным движком Z1) и EXB-MOSS (мультитембральная плата расширения для Triton и рабочей станции KARMA с синтезаторным движком Z1)
  • Yamaha VL1, VP1 и VL7
  • Yamaha VL70m, PLG-100VL и 150VL (VL70m в виде сменной карты, которую можно установить в любую из нескольких клавиатур Yamaha, тональных модулей и звуковую карту midi для ПК высокого класса SW1000XG)
  • Yamaha EX5, EX5R
  • Техника WSA1 / WSA1R
  • Клавия Nord Modular G2
  • Алесис Фьюжн
  • Roland V-Piano
  • Пианоид
  • Physis Unico
  • Physis Piano (сделано в Италии, с полностью сенсорным пользовательским интерфейсом)
  • Hartmann Neuron и Neuron VS

Звуковые карты Yamaha DS-XG не являются чисто аппаратным синтезатором, но включают аппаратное программное обеспечение VL-физического моделирования, а также возможности чипсета Yamaha XG, волнового звука и игрового 3D-звука. Но поскольку они не были полностью совместимы со стандартами AC-97 и более поздними AC-98, эти наборы микросхем не производились почти десять лет.

WSA1 (и его монтируемый в стойку аналог WSA1R) был первым и единственным испытанием Technics на синтезаторах высокого класса. Он включал 64 голоса полифонии с комбинацией воспроизведения сэмплов (для начальных переходных процессов) и акустического моделирования DSP. Запущенный в 1995 году с рекомендованной розничной ценой в 5000 долларов, WSA1 не имел коммерческого успеха; было выпущено всего около 600 клавиатур и 300 моделей в стойке, и большинство из них было продано по очень сниженным ценам.

Различный Роланд Модели синтезаторов (V-Synth, V-Combo, XV-5080, Fantom и т. д.) используют методы физического моделирования COSM («Моделирование звука композитных объектов») для имитации гитар, медных духовых и других инструментов. COSM был заменен «Сверхъестественным», также основанным на методах физического моделирования. Впервые представленный в 2008 году как часть плат расширения ARX для аппаратных синтезаторов Fantom, моделирование "SuperNatural" используется в Roland. V-барабаны (TD-30, TD-15, TD-11), V-Accordions (FR-7, FR-8) и различные модели синтезаторов (Jupiter 80, Integra 7, FA-08, JD-Xi и т. Д.). был расширен до ACB («Analogue Circuit Behavior») с использованием тех же методов физического моделирования, что и раньше, которые были включены в последнюю линейку аппаратных синтезаторов AIRA компании Roland (TB-3, System-1, System-1m, System-8). , а также их линейку аппаратных модулей «Boutique» (JP08, JX03, JU06). В то время как чип Roland ESC2 в звуковых модулях TD-30 и Integra-7 продавался как "сверхъестественное" моделирование, тот же самый чип ESC2 в последних моделях Roland "AIRA" и Boutique Products (System-1, System-1m, System-8, SH-01A, D-05 и т. Д.) Продавалась как технология моделирования «ACB» или DCB («Поведение цифровой схемы» в случае D-05).

Программные синтезаторы

  • Смычковые струны SWAM-S с помощью аудиомоделирования (на основе синтеза цифровых волноводов и технологии SWAM)
  • Pianoteq от Modartt (Различные фортепиано на основе синтеза физического моделирования)
  • MODO by IK Multimedia (Электрические басы на основе синтеза физического моделирования)
  • Arché от Expressive E (смычковые струнные инструменты на основе синтеза физического моделирования)
  • Iron Axe от Xhun Audio (Электрогитара, основанная на синтезе физического моделирования)
  • Скульптура Apple, встроенная в их программы Logic Pro X и Mainstage (основные модели из дерева, нейлона, стали и стекла, способные воспроизводить огромное количество звуков)
  • Madrona Labs Kaivo (Физическое моделирование и гранулярный синтез)

использованная литература

  • Хиллер, Л .; Руис, П. (1971). «Синтез музыкальных звуков путем решения волнового уравнения для вибрирующих объектов». Журнал Общества звукорежиссеров.
  • Karplus, K .; Стронг, А. (1983). «Цифровой синтез тембров щипковых струн и барабанов». Компьютерный музыкальный журнал. Компьютерный музыкальный журнал, Vol. 7, №2. 7 (2): 43–55. Дои:10.2307/3680062. JSTOR  3680062.
  • Cadoz, C .; Лучани А; Флоренс JL (1993). «CORDIS-ANIMA: система моделирования и имитации для синтеза звука и изображения: общий формализм». Компьютерный музыкальный журнал. Журнал компьютерной музыки, MIT Press 1993, Vol. 17, №1. 17/1 (1).

Сноски

  1. ^ Энглерт, Марина; Мадацио, Глаусия; Гелов, Ингрид; Лусеро, Хорхе; Бехлау, Мара (2017). «Анализ ошибок восприятия человеческих и синтезированных голосов». Журнал голоса. 31 (4): 516.e5–516.e18. Дои:10.1016 / j.jvoice.2016.12.015. PMID  28089485.
  2. ^ Вичинанца, Д: Астра Проект. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2013-11-04. Получено 2013-10-23.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка на сайт), 2007.
  3. ^ Джонстон, B: Волна будущего. http://www.harmony-central.com/Computer/synth-history.html В архиве 2012-04-20 в WebCite, 1993.
  4. ^ Дерево, S G: Объективные методы тестирования волноводного аудиосинтеза. Магистерская диссертация - Университет Бригама Янга, http://contentdm.lib.byu.edu/cdm4/item_viewer.php?CISOROOT=/ETD&CISOPTR=976&CISOBOX=1&REC=19 В архиве 2011-06-11 на Wayback Machine, 2007.
  5. ^ "Ямаха ВЛ1". Звук на звуке. Июль 1994 г. Архивировано с оригинал 8 июня 2015 г.
  6. ^ Проект NESS http://www.ness.music.ed.ac.uk
  7. ^ К. Уэбб и С. Бильбао, "Об ограничениях синтеза физического моделирования в реальном времени с модульной средой" http://www.physicalaudio.co.uk

дальнейшее чтение

  • «Следующее поколение, часть 1». Музыка будущего. № 32. Будущее издательство. Июнь 1995. с. 80. ISSN  0967-0378. OCLC  1032779031.

внешние ссылки