Цифровой синтез волновода

Цифровой синтез волновода это синтез аудио - с использованием цифрового волновода . Цифровые волноводы являются эффективными вычислительными моделями для физических носителей, с помощью которых распространяются акустические волны. По этой причине цифровые волноводы составляют основную часть большинства современных синтезаторов физического моделирования .

Цифровой волновой сигнал без потерь реализует дискретную форму решения Д'Алемберта одномерного уравнения волны в качестве суперпозиции правой волны и левой волны,

$y(m,n)=y^{+}(m-n)+y^{-}(m+n)$

где $y^{+}$ правая волна и $y^{-}$ это левая волна. Из этого представления можно увидеть, что выборка функции $y$ в данный момент $m$ и время $n$ Просто включает в себя суммирование двух отложенных копий его путешествующих волн. Эти путешествующие волны будут отражаться на границах, таких как точки подвески вибрирующих струн или открытые или закрытые концы труб. Следовательно, волны движутся вдоль закрытых петель.

Таким образом, цифровые волново-морские модели составляют цифровые линии задержки , чтобы представлять геометрию волновода, которые закрываются рекурсией, цифровыми фильтрами , представляющими частотно-зависимые потери и легкую дисперсию в среде и часто нелинейные элементы. Потери, понесенные по всей среде, как правило, консолидируются, чтобы их можно было рассчитать один раз при прекращении линии задержки, а не много раз во всем.

Волновые квижения, такие как акустические трубки, являются трехмерными, но поскольку их длины часто намного больше, чем площадь поперечного сечения, это разумно и эффективно вычислительно моделировать их как одномерные волноводы. Мембраны, используемые в барабанах , могут быть смоделированы с использованием двухмерных волново-морских сетей, и реверберация в трехмерных пространствах может быть смоделирована с использованием трехмерных сетей. Вибрафоновые стержни, колокольчики , пения чаши и другие звучащие твердые тела (также называемые идиофоны ) могут быть смоделированы с помощью связанного метода, называемого полосовыми волноводами , где несколько цифровых волноводов с ограниченными полосами используются для моделирования сильно диспергирующего поведения волн в твердых веществах.

Термин «синтез цифрового волновода» был придуман Юлиусом О. Смитом III , который помог его разработать и в конечном итоге подал патент. Он представляет собой расширение алгоритма Карплса -стресса . Стэнфордский университет владел патентными правами на синтез цифрового волновода и в 1989 году подписал соглашение о разработке технологии с Yamaha , однако многие из ранних патентов в настоящее время истек.

Расширение на синтез DWG струн, сделанных Смитом, является синтез , при котором возбуждение цифрового волновода содержит как струнный возбуждение, так и реакцию тела инструмента. Это возможно, потому что цифровой волновод является линейным и делает ненужным моделировать резонансы тела прибора после синтеза вывода строки, что значительно уменьшило количество вычислений, необходимых для убедительного ресинтеза.

Прототип Waveguide Software реализации были выполнены студентами Смита в Toolkit Synthesis Toolkit (STK).

Первое музыкальное использование цифрового синтеза волновода было в композиции, возможно, все ваши дети будут акробатами (1981) Дэвидом А. Джаффе , после чего его разбивка Силиконовой долины (1982).

Лицензиаты

• Ямаха
  • VL1 (1994) - Дорогая клавиатура (около 10 000 долларов США)
  • VL1M, VL7 (1994) - тональный модуль и менее дорогой клавиатуры соответственно
  • VP1 (Прототип) (1994)
  • VL70M (1996) - Менее дорогой тональный модуль
  • Ex5 (1999) - клавиатура рабочей станции, которая включала модуль VL
  • PLG-100VL, PLG-155VL (1999)-плагинные карты для различных клавиатур Yamaha, модулей тона и высококлассной звуковой карты SWG-1000. Модуль тонального монтажа MU100R включал два слота PLG, предварительно заполненный PLG-100VL и PLG-100VH (вокальный гармонизатор).
  • YMF-724, 744, 754 и 764 звуковые чипы для недорогих звуковых карт и материнских плат DS-XG (часть VL работала только на Windows 95, 98, 98SE и ME, а только при использовании .VxD водители, нет .WDM) Предположительно не производится, предположительно, из-за конфликта с стандартами звуковых карт AC-97 и AC-99 (в которых указываются « Wavetables » ( образцы таблицы ) на основе звуковой системы Roland SG - Competing GS , которая Sondius-XG [средства интеграции Инструменты и команды VL в XG-совместимый MIDI-поток вместе с волновыми инструментами и командами XG не могут интегрироваться). MIDI -часть таких звуковых чипов, когда VL был включен, была функционально эквивалентна модулю тонального уровня MU50 1 (минус определенные цифровые эффекты) с большей полифонией (до 64 одновременных нот, по сравнению с 32 для уровня 1 XG) плюс VL70M (VL добавляет дополнительную ноту полифонии, или, скорее, соло-примеча волновая часть). 724 только поддерживал стерео, в то время как другие поддерживали различные четырех и более настройки динамиков. Собственная карта Yamaha с использованием них была The Waveforce-128, но ряд лицензиатов сделали очень недорогие звуковые карты YMF-724, которые в розничной продаже всего за 12 долларов на пике популярности технологии. Меди -синтезаторная часть (как XG, так и VL) чипов YMF на самом деле была просто аппаратной помощи, в основном программного синтезатора, которое проживало в драйвере устройства (например, волнообразные образцы XG находились в системной оперативной памяти с драйвером [и могут быть заменен или добавлен на легко], а не в ПЗУ на звуковой карте). Таким образом, синтезатор MIDI, особенно при активном использовании VL, принимал гораздо больше мощности процессора, чем использовался действительно аппаратный синтезатор, но не так много, как чистый программный синтезатор. К концу их рыночного периода можно было бы получить карты YMF-724 всего за 12 долларов США, что делает их на сегодняшний день наименее дорогим средством получения технологии Digital Waveguide Sondius-XG CL. Серия DS-XG также включала в себя YMF-740, но в нем отсутствовал модуль синтеза синтеза VL Sondius-XG VL, но в остальном был идентичен YMF-744.
  • Spectesizer S-YXG100PLUS-VL для ПК с любой звуковой картой (опять же, часть VL работала только на Windows 95, 98, 98SE и ME: она эмулировала драйвер устройства .VXD). Аналогично эквивалентно MU50 (за исключением определенных цифровых эффектов) плюс VL70M. Версия без VL, S-YXG50, будет работать на любой ОС Windows, но не имела физического моделирования и была просто волновой эмулятором MU50 XG. Это была в основном синтезаторная часть чипов YMF, полностью реализованной в программном обеспечении без аппаратной помощи, предоставляемой чипами YMF. Требовал несколько более мощного процессора, чем фишки YMF. Также можно использовать в сочетании с звуковой картой или материнской платой, оснащенной YMF, чтобы обеспечить до 128 нот XG-волны полифонии и до двух инструментов VL одновременно на достаточно мощных процессорах.
  • S-YXG100PLUS-Polyvl Softsynth для тогдашнего мощного ПК (например, 333+MHZ Pentium III ), способные одновременно до восьми заметок VL (все другие реализации Yamaha VL, за исключением первоначального VL1 и VL1, были ограничены одним, и VL1/ VL1/ VL1/ VL1/ VL1/ VL1/ VL1/ 1 м мог сделать два), в дополнение к 64 ноткам xg волновой Мягкий синтезатор. Никогда не продавался в США, но был продан в Японии. Предположительно, гораздо более мощная система может быть выполнена с сегодняшними двухъядерными процессорами с несколькими GHZ, но технология, по-видимому, была заброшена. Гипотетически также можно использовать с системой чипсета YMF для объединения их возможностей на достаточно мощных процессорах.
• Корг
  • Пророчество (1995)
  • Z1 , Moss-Tr (1997)
  • Exb-Moss (2001)
  • Oasys PCI (1999)
  • Oasys (2005) с некоторыми модулями, например, с помощью STR-1-Strings Physical Model
  • Kronos (2011) так же, как Oasys
• Техника
  • WSA1 (1995) PCM + резонатор
• Системы провидцев
  • Creative Wavesynth (1996) для Creative Labs Sound Blaster Awe64 .
  • Реальность (1997) - один из самых ранних профессиональных синтезатора программных продуктов от Dave Smite Team
• Торт
  • Dimension Pro (2005) - Программный синтезатор для OS X и Windows XP .

Дальнейшее чтение

• Даниэль Левитин (7 мая 1994 г.). «Yamaha VL-1 революционизирует технологию синтезатора» . Billboard : 102–103.
• Yamaha Vl1. Виртуальный акустический синтезатор , Sound on Sound , июль 1994 г.
• Пол Верна (2 августа 1997 г.). «Ямаха, Стэнфорд, объединяет усилия. Программа лицензирования предлагает новые технологии» . Billboard : 56.
• Юлий О. Смит (2008). «Цифровая волновода -архитектура для виртуальных музыкальных инструментов». В Дэвиде Хавелоком; Соноко Кувано; Майкл Ворландер (ред.). Справочник по обработке сигналов в акустике . Спрингер. С. 399–417. ISBN  978-0-387-77698-9 .
• Мартин Русс (2008). Звуковой синтез и выборка . Фокальная пресса. С. 288–289. ISBN  978-0-240-52105-3 .
• Брайан Хейвуд (22 ноября 2005 г.) Модельное поведение. Технология, которую ваш ПК использует для изготовления звука, обычно основана на воспроизведении звуковой выборки. Брайан Хейвуд смотрит на альтернативы. , PC Pro
• Стефан Бильбао (2009). Численное синтез звука: схемы конечных различий и моделирование в музыкальной акустике . Джон Уайли и сыновья. С. 11–14. ISBN  978-0-470-51046-9 .
• Лутц Траутманн; Рудольф Рабенштейн (2003). Цифровой синтез звука с помощью физического моделирования с использованием метода функционального преобразования . Спрингер. С. 77–86. ISBN  978-0-306-47875-8 .

Внешние ссылки

• Юлиус О. Смит III «Основное введение в цифровой синтез волновода»
• Домашняя страница синтеза волн
• Виртуальные акустические музыкальные инструменты: обзор и обновление
• Моделирование звуков строк и инструментов ветра - Sound On Sound Magazine, сентябрь 1998 г.
• Джордан Рудесс Korg Oasys играет на записи на YouTube . Обратите внимание на использование джойстика, чтобы контролировать эффект вибрато на физическую модель сорванных струн.
• Yamaha VL1 с контроллером дыхания против традиционного синтезатора для ветровых инструментов