Fysisk ljudmodellering är en uppsättning ljudsyntesmetoder där vågformen för det genererade ljudet beräknas med hjälp av en matematisk modell , bestående av en uppsättning ekvationer och algoritmer för att simulera en fysisk ljudkälla, vanligtvis ett musikinstrument . En sådan modell består av (eventuellt förenklade) fysiklagar som styr hur ljud produceras, och innehåller vanligtvis flera parametrar, varav några beskriver de fysikaliska egenskaperna hos material och dimensioner hos instrumentet, andra som förändras över tiden och beskriver samspelet mellan utföraren med instrumentet (framförandeteknik).
Till exempel, för att modellera ljudet av en trumma behöver du en formel som beskriver överföringen av energi från en trumpinne till ett tvådimensionellt membran. Vidare reglerar membranets egenskaper (massfördelning, styvhet etc.), ljudresonans i trummans cylindriska kropp, gränsförhållanden (membranets elastiska inverkan på trummans kropp) membranets rörelse i tid och bestämma ljudvågens slutliga form.
Det kommer att finnas liknande modelleringssteg för instrument som fiol , även om den initiala exciteringen av systemet i det här fallet kommer att styras av typen av stråkens glidning på strängen, stråkens bredd, resonansen och dämpningen av strängen. strängarna, överföringen av strängvibrationer genom bron, och slutligen resonansen hos fiolkroppen.
Även om fysisk modellering inte var en ny riktning inom akustik och syntes, och den finita skillnadsmetoden användes för att lösa vågekvationen av Hiller och Ruiz 1971, användes denna metod inte i stor utsträckning förrän Karplus-Strong-algoritmen uppfanns . Algoritmen förbättrades sedan och generaliserades av Julius O. Smith till en beräkningseffektiv digital vågledarmetod , vilket ledde till den kraftfulla utvecklingen av digital signalbehandling i slutet av 1980-talet [1] och till billigare kommersiella implementeringar.
Yamaha skrev på ett kontrakt med Stanford University 1989 [2] för att gemensamt utveckla den digitala vågledarmetoden, och sedan dess har de flesta patenten inom detta område innehafts av dem.
Den första kommersiellt tillgängliga fysiska ljudmodelleringssynten var Yamaha VL1, som släpptes 1994. [3]
Medan effektiviteten av digital vågledarsyntes har gjort fysisk simulering tillgänglig för konventionell signalbehandlingshårdvara, kräver realistisk simulering av fysiska instrument ofta användning av icke-linjära element. I dessa fall kombineras digitala vågledare ofta med tidsdomänens finita skillnadsmetoden , [4] finita elementmetoden eller digitala vågfilter, vilket ökar modellens beräkningskomplexitet. [5]
Exempel på sunda fysiska modelleringsmetoder:
Även om de inte är enbart hårdvarusynth, är DS-XG-ljudkorten baserade på Yamaha YMF-7#4-familjen av ljudkretsuppsättningar (inklusive 724, 744, 754 och 764), inklusive Yamaha WaveForce 192 (SW192XG) såväl som många från andra tillverkare och till och med vissa PC-moderkort med en sådan ljudkretsuppsättning, inkluderade hårdvaruassisterad mjukvara VL fysisk modellering (som en VL70m eller PLG-VL, och kompatibla med samma) tillsammans med Yamaha XG, vågljud och 3D-spelljud. chipset. Tyvärr är det bara VxD-drivrutiner (Virtual Device Drivers) för versioner av Windows före NT-kärnan (3.x, 9# och ME) som stöder den fysiska modelleringsfunktionen. Varken WDM-drivrutinerna (Windows Device Model) för Windows 98, 98SE eller ME, eller någon drivrutin för någon NT-kärnversion av Windows (NT, 2000, XP, Vista, Windows 2003 Server, Windows 7, Windows 2008 Server, eller troligtvis några framtida operativsystem) stöder detta, och det kan de inte heller på grund av OS-begränsningar. Dessa operativsystem stöder dock de andra funktionerna på kortet.
I sin bästa tid var DS-XG-ljudkorten lätt det mest prisvärda sättet att få äkta VL-teknik för alla som redan hade en Windows 3.x, 9# eller ME PC. Sådana kort kan vara helt nya för så lite som $12 USD (YMF-724-versioner). Men eftersom de inte var helt kompatibla med AC-97 och senare AC-98-standarder, försvann dessa styrkretsar från marknaden och har inte tillverkats av Yamaha på nästan ett decennium.
Technics WSA1 och dess rackmonterade motsvarighet WSA1R var Technics första och enda försök med avancerade syntar. Den innehöll 64 röster av polyfoni med en kombination av provuppspelning (för initiala transienter) och akustisk DSP-modellering. Technics WSA1 lanserades 1995, men det musikaliska samhället hade inte tillräckligt med förtroende för Technics för att köpa en hårdvarusynth för 5000 dollar. Endast cirka 600 tangentbord och 300 rackmodeller tillverkades någonsin, och de flesta såldes till mycket rabatterade priser.
Olika Roland synthmodeller (V-Synth, V-Combo, XV-5080, Fantom, etc.), använder en teknik som kallas COSM ("Composite Object Sound Modeling") som använder fysiska modelleringstekniker för att mer exakt replikera gitarrer, mässing och annat instrument. COSM har ersatts av "SuperNatural", som också bygger på fysiska modelleringstekniker. Introducerades först 2008 som en del av ARX-expansionskorten för Fantom hårdvarusynthesizers, "SuperNatural"-modellering används i Rolands V-Drums (TD-30, TD-15, TD-11), V-Accordions (FR-7, FR -8) och olika synthmodeller (Jupiter 80, Integra 7, FA-08, JD-Xi, etc.)
| Ljudsyntesmetoder | |
|---|---|
| Samplad syntes |
|
| Fysisk ljudmodellering |
|