Syntéza fyzikálního modelování - Physical modelling synthesis

Syntéza fyzikálního modelování odkazuje na zvuková syntéza metody, ve kterých křivka z zvuk , které mají být generovány, se počítá pomocí a matematický model, sada rovnice a algoritmy simulovat fyzický zdroj zvuku, obvykle a hudební nástroj.

Obecná metodika

Pokusy o modelování replikovat zákony fyziky, které řídí produkci zvuku, a obvykle budou mít několik parametrů, z nichž některé jsou konstanty, které popisují fyzikální materiály a rozměry nástroje, zatímco jiné jsou časově závislé funkce popisující interakci hráče s nástrojem, jako je trhání strun nebo zakrývání tónových děr.

Například pro modelování zvuku a buben by existoval matematický model toho, jak úder do hlavy bubnu vstřikuje energii do dvojrozměrné membrány. Začleněním tohoto by větší model simuloval vlastnosti membrány (hmotnostní hustota, tuhost atd.), Její spojení s rezonancí válcového tělesa bubnu a podmínky na jeho hranicích (tuhé zakončení těla bubnu) ), popisující jeho pohyb v čase a tedy jeho generování zvuku.

Podobné fáze, které je třeba modelovat, lze nalézt v nástrojích, jako je a housle, i když energetické vzrušení je v tomto případě zajištěno chováním smyku luku proti provázku, šířkou luku, rezonančním a tlumicím chováním strun, přenosem vibrací struny mostem a nakonec, rezonance rezonanční desky v reakci na tyto vibrace.

Stejný koncept byl navíc použit pro simulaci hlas a mluvený projev zvuky.[1] V tomto případě obsahuje syntetizátor matematické modely hlasivky oscilace a související laryngeální proudění vzduchu a následné šíření akustických vln podél hlasový trakt. Dále může také obsahovat artikulační model ovládat tvar hlasového traktu z hlediska polohy rtů, jazyka a dalších orgánů.

Ačkoli fyzikální modelování nebylo novým konceptem v akustika a syntéza, které byly implementovány pomocí aproximace konečných rozdílů vlnové rovnice Hillera a Ruize v roce 1971[Citace je zapotřebí ], to nebylo až do vývoje Karplus-silný algoritmus, následné upřesnění a zobecnění algoritmu do extrémně efektivní syntéza digitálního vlnovodu Julius O. Smith III a další,[Citace je zapotřebí ] a nárůst v DSP koncem 80. let[2] že komerční implementace se stala proveditelnou.

Yamaha smluvně s Stanfordská Univerzita v roce 1989[3] společně vyvinout syntézu digitálních vlnovodů; následně většinu patentů souvisejících s touto technologií vlastní Stanford nebo Yamaha.

Prvním komerčně dostupným syntetizátorem fyzického modelování vyrobeným pomocí syntézy vlnovodů byla Yamaha VL1 v roce 1994.[4][5]

Zatímco účinnost syntézy digitálních vlnovodů umožnila fyzikální modelování na běžném hardwaru DSP a nativních procesorech, přesvědčivá emulace fyzických nástrojů často vyžaduje zavedení nelineárních prvků, rozptylových spojů atd. V těchto případech jsou digitální vlnovody často kombinovány s FDTD,[6] metody konečných prvků nebo vlnových digitálních filtrů, což zvyšuje výpočetní náročnost modelu.[7]

Technologie spojené s fyzickým modelováním

Příklady syntézy fyzikálního modelování:

Hardwarové syntezátory

  • Korg OASYS a Korg Kronos - STR-1 trhaný řetězec
  • Korg OASYS PCI
  • Korgovo proroctví
  • Korg SOLO-TRI (rozšiřující deska pro Trinity se synthovým motorem Prophecy)
  • Korg Z1
  • Korg MOSS-TRI (rozšiřující deska pro Trinity se synth engine Z1) a EXB-MOSS (multi timbral rozšiřující deska pro Triton a pracovní stanici KARMA se synth engine Z1)
  • Yamaha VL1, VP1 a VL7
  • Yamaha VL70m, PLG-100VL a 150VL (VL70m ve formě zásuvné karty, kterou lze nainstalovat do některé z několika klávesnic Yamaha, tónových modulů a špičkové zvukové karty PC midi SW1000XG)
  • Yamaha EX5, EX5R
  • Technics WSA1 / WSA1R
  • Clavia Nord Modular G2
  • Alesis Fusion
  • Roland V-Piano
  • Pianoid
  • Physis Unico
  • Physis Piano (vyrobeno v Itálii s plně dotykovým ovládáním uživatelského rozhraní)
  • Hartmann Neuron a Neuron VS

I když nejde pouze o hardwarový syntezátor, zvukové karty Yamaha DS-XG obsahovaly hardwarově podporované softwarové VL fyzické modelování spolu s funkcemi Yamaha XG, vlnového zvuku a 3D herního zvuku čipové sady. Ale protože nebyly plně kompatibilní se standardy AC-97 a novějšími AC-98, tyto čipové sady nebyly vyrobeny téměř deset let.

WSA1 (a jeho protějšek montovaný do stojanu WSA1R) byl Technics první a zkoušel pouze špičkové syntezátory. To představovalo 64 hlasů polyfonie s kombinací přehrávání vzorku (pro počáteční přechodné jevy) a DSP akustického modelování. WSA1, který byl uveden na trh v roce 1995 s MSRP 5 000 USD (USD), nebyl komerčním úspěchem; bylo vyrobeno pouze asi 600 klávesnic a 300 modelů stojanů a většina byla prodána za velmi zlevněné ceny.

Rozličný Roland modely syntezátorů (V-Synth, V-Combo, XV-5080, Fantom atd.) používají techniky fyzického modelování COSM („Composite Object Sound Modeling“) k replikaci kytar, dechových nástrojů a dalších nástrojů. COSM byl nahrazen výrazem „SuperNatural“, rovněž založeným na technikách fyzikálního modelování. Poprvé byl představen v roce 2008 jako součást rozšiřujících desek ARX pro hardwarové syntetizátory Fantom a v Rolandově modelu se používá modelování „SuperNatural“. V-bubny (TD-30, TD-15, TD-11), V-Accordions (FR-7, FR-8) a různé syntetické modely (Jupiter 80, Integra 7, FA-08, JD-Xi atd.) Později byla rozšířena na ACB („Analogue Circuit Behavior“) s využitím podobných technik fyzikálního modelování jako dříve, které byly začleněny do nejnovější řady produktů Roland hardwarových syntetizátorů AIRA (TB-3, System-1, System-1m, System-8) , stejně jako jejich „butiková“ řada hardwarových modulů (JP08, JX03, JU06). Zatímco čip Roland ESC2 uvnitř zvukových modulů TD-30 a Integra-7 byl prodáván jako model „SuperNatural“, stejný čip ESC2 uvnitř nejnovějších produktů Roland „AIRA“ a Boutique Products (System-1, System-1m, System-8, SH-01A, D-05 atd.) Byl prodáván jako „ACB“ nebo DCB („Digital Circuit Behavior“, v případě D-05) modelovací technologie.

Softwarové syntetizátory

  • Strunové smyčky SWAM-S podle modelování zvuku (založené na syntéze digitálního vlnovodu a na technologii SWAM)
  • Pianoteq Autor: Modartt (Různá piana založená na syntéze fyzikálního modelování)
  • MODO od IK Multimedia (Elektrické basy založené na syntéze fyzikálního modelování)
  • Arché od Expressive E (smyčcové nástroje založené na syntéze fyzikálního modelování)
  • Iron Axe od Xhun Audio (elektrická kytara založená na syntéze fyzického modelování)
  • Socha od společnosti Apple, zabudovaná do jejich programů Logic Pro X a Mainstage (základní modely ze dřeva, nylonu, oceli a skla, schopné ohromné ​​rozmanitosti zvuků)
  • Madrona Labs Kaivo (fyzikální modelování a granulární syntéza)

Reference

  • Hiller, L .; Ruiz, P. (1971). "Syntéza hudebních zvuků řešením vlnové rovnice pro vibrující objekty". Journal of the Audio Engineering Society.
  • Karplus, K .; Strong, A. (1983). "Digitální syntéza trhaných strun a bubnových zabarvení". Počítačový hudební deník. Computer Music Journal, sv. 7, č. 2. 7 (2): 43–55. doi:10.2307/3680062. JSTOR  3680062.
  • Cadoz, C .; Luciani A; Florens JL (1993). „CORDIS-ANIMA: Modelovací a simulační systém pro syntézu zvuku a obrazu: Obecný formalismus“. Počítačový hudební deník. Computer Music Journal, MIT Press 1993, roč. 17, č. 1. 17/1 (1).

Poznámky pod čarou

  1. ^ Englert, Marina; Madazio, Glaucya; Gielow, Ingrid; Lucero, Jorge; Behlau, Mara (2017). "Analýza percepčních chyb lidských a syntetizovaných hlasů". Journal of Voice. 31 (4): 516.e5–516.e18. doi:10.1016 / j.jvoice.2016.12.015. PMID  28089485.
  2. ^ Vicinanza, D: Astra Project. „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 04.11.2013. Citováno 2013-10-23.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz), 2007.
  3. ^ Johnstone, B: Vlna budoucnosti. http://www.harmony-central.com/Computer/synth-history.html Archivováno 2012-04-20 v WebCite, 1993.
  4. ^ Wood, S G: Objektivní zkušební metody pro syntézu zvuku vlnovodu. Diplomová práce - Univerzita Brighama Younga, http://contentdm.lib.byu.edu/cdm4/item_viewer.php?CISOROOT=/ETD&CISOPTR=976&CISOBOX=1&REC=19 Archivováno 11.06.2011 na Wayback Machine, 2007.
  5. ^ „Yamaha VL1“. Sound On Sound. Červenec 1994. Archivovány od originál dne 8. června 2015.
  6. ^ Projekt NESS http://www.ness.music.ed.ac.uk
  7. ^ C. Webb a S. Bilbao, „Na hranici syntézy fyzikálního modelování v reálném čase s modulárním prostředím“ http://www.physicalaudio.co.uk

Další čtení

  • "Nová generace, část 1". Budoucí hudba. Č. 32. Budoucí publikování. Červen 1995. str. 80. ISSN  0967-0378. OCLC  1032779031.

externí odkazy