Синтез физического моделирования
физического моделирования относится к методам синтеза звука , в которых форма математической Синтез генерируемого звука вычисляется с использованием модели , набора уравнений и алгоритмов для моделирования физического источника звука, обычно музыкального инструмента .
Общая методология
[ редактировать ]Моделирование пытается воспроизвести законы физики, которые управляют производством звука, и обычно имеет несколько параметров, некоторые из которых являются константами, описывающими физические материалы и размеры инструмента, а другие являются зависящими от времени функциями, описывающими взаимодействие игрока с инструментом. например, перещипывание струны или закрытие тональных отверстий.
Например, для моделирования звука барабана потребуется математическая модель того, как удар по пластику впрыскивает энергию в двумерную мембрану. Учитывая это, более крупная модель будет моделировать свойства мембраны (плотность массы, жесткость и т. д.), ее связь с резонансом цилиндрического тела барабана и условия на ее границах (жесткое соединение с корпусом барабана). ), описывающее его движение во времени и, следовательно, генерацию звука.
Подобные этапы, подлежащие моделированию, можно обнаружить в таких инструментах, как скрипка , хотя возбуждение энергии в этом случае обеспечивается за счет скольжения смычка по струне, ширины смычка, резонанса и демпфирующего поведения смычка. струны, передача колебаний струн через подставку и, наконец, резонанс деки в ответ на эти вибрации.
Кроме того, та же концепция была применена для имитации голоса и речи . звуков [1] В этом случае синтезатор включает математические модели колебаний голосовых связок и связанного с ними потока воздуха в гортани и последующего распространения акустических волн по речевому тракту . Кроме того, он также может содержать артикуляционную модель для управления формой голосового тракта с точки зрения положения губ, языка и других органов.
Хотя физическое моделирование не было новой концепцией в акустике и синтезе, оно было реализовано с использованием конечно-разностных аппроксимаций волнового уравнения Хиллером и Руисом в 1971 году. [ нужна ссылка ] так продолжалось до разработки алгоритма Карплюса-Стронга , последующего усовершенствования и обобщения алгоритма в чрезвычайно эффективный синтез цифровых волноводов Джулиусом О. Смитом III и другими, [ нужна ссылка ] и увеличение мощности DSP в конце 1980-х годов. [2] коммерческое внедрение стало возможным.
Yamaha заключила контракт со Стэнфордским университетом в 1989 году. [3] совместная разработка цифрового волноводного синтеза; впоследствии большинство патентов, связанных с этой технологией, принадлежат Стэнфорду или Yamaha.
Первым коммерчески доступным синтезатором физического моделирования, созданным с использованием волноводного синтеза, был Yamaha VL1 в 1994 году. [4] [5]
Хотя эффективность синтеза цифровых 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 ФДТД , [6] методы конечных элементов или волновых цифровых фильтров, увеличивающие вычислительные требования к модели. [7]
Технологии, связанные с физическим моделированием
[ редактировать ]Примеры синтеза физического моделирования:
- Синтез струн Karplus-Strong
- Синтез цифровых волноводов
- Сети массового взаимодействия
- Формантный синтез
- Артикуляционный синтез
Ссылки
[ редактировать ]- Хиллер, Л.; Руис, П. (1971). «Синтез музыкальных звуков путем решения волнового уравнения вибрирующих объектов». Журнал Общества аудиоинженеров .
- Карплюс, К.; Стронг, А. (1983). «Цифровой синтез тембров щипковых струнных и барабанов». Компьютерный музыкальный журнал . 7 (2). Компьютерный музыкальный журнал, Том. 7, № 2: 43–55. дои : 10.2307/3680062 . JSTOR 3680062 .
- Юлиус О. Смит III (декабрь 2010 г.). Физическая обработка аудиосигнала .
- Кадос, К.; Лучани А; Флоренс Дж.Л. (1993). «CORDIS-ANIMA: система моделирования и моделирования синтеза звука и изображения: общий формализм». Компьютерный музыкальный журнал . 17/1 (1). Компьютерный музыкальный журнал, MIT Press, 1993, Vol. 17, № 1.
Сноски
[ редактировать ]- ^ Энглерт, Марина; Мадацио, Главсия; Гилоу, 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 . ПМИД 28089485 .
- ^ Вичинанца, Д. (2007). «Проект ASTRA в сети» . Архивировано из оригинала 4 ноября 2013 г. Проверено 23 октября 2013 г.
- ^ Джонстон, Б: Волна будущего . http://www.harmony-central.com/Computer/synth-history.html Архивировано 18 апреля 2012 г. в Wayback Machine , 1993 г.
- ^ Вуд, С.Г.: Методы объективных испытаний волноводного аудиосинтеза . Магистерская диссертация - Университет Бригама Янга, http://contentdm.lib.byu.edu/cdm4/item_viewer.php?CISOROOT=/ETD&CISOPTR=976&CISOBOX=1&REC=19 . Архивировано 11 июня 2011 г. в Wayback Machine , 2007 г.
- ^ «Ямаха ВЛ1» . Звук на звуке . Июль 1994 г. Архивировано из оригинала 8 июня 2015 г.
- ^ Проект NESS http://www.ness.music.ed.ac.uk
- ^ К. Уэбб и С. Бильбао, «О пределах синтеза физического моделирования в реальном времени с модульной средой» http://www.physicalaudio.co.uk
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- «Следующее поколение, часть 1». Музыка будущего . № 32. Будущее издательства. Июнь 1995 г. с. 80. ISSN 0967-0378 . OCLC 1032779031 .