Физическое моделирование (генерация звука)

Физическое моделирование ( английский Физическое моделирование ), также называемый синтез - ПМ , является способ , в музыке для генерации или модифицирующего звука , который отображает физические свойства музыкального инструмента или акустического устройства в математической модели . Соответствующие физические свойства можно свободно изменять и комбинировать в качестве параметров модели.

Определение терминов

Синтеза ПМ является частным случаем математического моделирования физических процессов , особенно для проблем акустики с особым рассмотрением музыкальных граничных условий и в основном включают в себя колебательные уравнения второго порядка.

Этот термин не имеет ничего общего с общим понятием модели в физике .

Принцип работы

Физическое моделирование используется для создания звука, имитирующего акустические инструменты, такие как флейта, скрипка, ситар , гитара, арфа или фортепиано. Первым цифровым пианино с этой технологией было Roland V-Piano . С другой стороны, его можно использовать для моделирования электроакустических устройств, таких как гитарные блоки искажения или усилители .

При моделировании инструмента его структура и функции анализируются и соответственно разбиваются на модули. Это влияет как на механику, так и на ее поведение при вибрации, включая любую электронику, которая может присутствовать. Чем больше аспектов и влияющих параметров моделируется, тем более реалистичным является поведение виртуального инструмента.

Изменяя параметры сверх реальных пределов, можно также создавать новые звуки.

Примеры

Вибрирующая струна

Вибрирующую струну часто упрощенно описывают синусоидой. Однако тот факт, что, строго говоря, он выполняет двумерное движение, и, в зависимости от инструмента, подвеска влияет на натяжение струны, и поэтому основная волна не совсем синусоидальная. Кроме того, натянутая, натянутая или натянутая струна начинает вибрировать при различных начальных условиях. Во время фазы стабилизации возникает очень сложное гармоническое поведение, которое отличает эти случаи друг от друга. В частности, щипание медиатором или ногтем создает треугольную форму струны, которая быстро исчезает после отпускания и создает обертоны, не соответствующие основному тону струны. С другой стороны, при ударе по струне, как на фортепиано, первоначальное удлинение больше, но более «круглое» и локально ограниченное, что создает совершенно другие гармоники. Когда струна скрипки натянута, появляются дополнительные тоны, вызванные постоянным заеданием и проскальзыванием струны при движении смычка. Колебания корпуса инструмента и наложенных на него пальцев также обладают звукообразующим и демпфирующим действием.

Эти эффекты можно принять во внимание, анализируя и моделируя их отдельно друг от друга, чтобы наложить их эмпирически позже, или моделируя струну и звуковое тело, разделяя их на небольшие части, описывая их основными физическими формулами и взаимодействуя с ними. учитываются их соседние участки, в результате чего автоматически возникает вибрация.

саксофон

В упрощенных терминах , A саксофон состоит из мундштука , резонансная трубки и воронки. В мундштуке звуковые волны генерируются при ударе о кусок дерева; длина колеблющегося столба воздуха в трубе определяет шаг и может быть изменена с помощью заслонок ; Воронка, из которой исходит большая часть звука, влияет на характеристики излучения и частотную характеристику . Все три элемента влияют на сигнал по-разному и в зависимости от других элементов. Элементы также влияют друг на друга. B. Структурные звуковые волны, вызывающие резонансы инструмента и обертоны. Если это поведение переносится в систему математических формул, создается основа для виртуально созданного саксофона.

Виртуальный аналоговый синтезатор

Так называемые виртуальные аналоговые синтезаторы берут на себя большую часть синтеза звука в электронной музыке с использованием физического моделирования . В них структура классического аналогового синтезатора моделируется путем моделирования электротехнического поведения компонентов с использованием формул для токов и напряжений, при этом также принимаются во внимание слабые стороны компонентов .

Электронное оборудование

Электронные эффекты также играют роль в акустической музыке, когда задействованы микрофоны , усилители и искажения . С помощью PM акустическое поведение некоторых типов микрофонов можно моделировать и применять к потокам математических данных. Часто поведение магнитофонов с магнитной записью или ламповых усилителей моделируется и смешивается со звуком. К таким функциям относятся а. интегрированы в процессоры цифровых сигналов, а также доступны в виде готовых устройств, которые можно использовать как независимые музыкальные инструменты, например Б. можно рассматривать как гитарный дисторшн.

Преимущества виртуальной модели

Преимущество процесса заключается в получении более живого звука , соответствующего характеристикам соответствующего инструмента . Таким образом, внешние воздействия, такие как игра музыканта, могут быть введены очень легко и напрямую, без каких-либо знаний об эффектах, поскольку модель учитывает их. Ход звука и переход между различными техниками игры непрерывны. Примером этого является обдув инструмента, в котором виртуальная модель ведет себя полностью в соответствии с оригиналом. Это сложно или невозможно с семплированием или другими формами синтеза и требует знания того, как более громкая игра влияет на звук. Итак, з. Например, более агрессивное звучание сильной ударной ноты на рояле может быть достигнуто обычными методами за счет добавления дополнительного, насыщенного гармониками тона, который может звучать одинаково, но чрезвычайно ограничивает возможности.

Основным преимуществом является то, что тональный сигнал модели всегда непрерывен и нет конца тона, в то время как сэмплы непрерывный тон должен генерироваться путем формирования петли, что приводит к скачкам фазы в гармониках - кроме того, гармоники всегда одинаковы. к основному неоднократно повторяется. Это создает артефакты и неестественные паттерны, по которым можно легко распознать музыку на основе сэмплов.

Еще одно преимущество - возможность комбинировать элементы из разных инструментов, даже если такое сочетание с реальными инструментами было бы невозможно. Различать нужно только резонаторы и патогены. В примере модели саксофона мундштук является возбудителем, на котором также возникают переходные процессы , а труба и колокол являются резонаторами. Например, теперь у вас есть возможность подключения мундштук саксофона к резонансной камере на скрипке . Это создает новый виртуальный инструмент со своими звуковыми характеристиками. Однако можно изменить только отдельные параметры инструмента, такие как свойства материала, размер или скорость.

Важным преимуществом является то, что параметры модели может изменять музыкант в режиме реального времени . Таким образом, можно интуитивно влиять на свойства симулируемого инструмента во время выступления. Итак, з. B. непрерывно влиять на затухание виртуального молотка пианино или даже настроение или интонации в тройном и адаптировать его к исполнению.

Недостатки виртуальной модели

По сравнению с другими методами физическое моделирование требует наивысшей вычислительной мощности компьютера или синтезатора . В зависимости от типа и объема модели дифференциальные уравнения иногда приходится решать и рассчитывать с высокими тактовыми частотами . К з. Например, чтобы смоделировать вибрацию гитарной струны в реальном времени, а также принять во внимание резонансы, возникающие с корпусом, и взаимодействие с другими струнами, необходимо найти несколько сложных уравнений и их решений для каждого вычисляемого сэмпла , которые рассчитываются с достаточно высокой передискретизацией. должны использоваться для противодействия накоплению ошибок. Даже с общими уравнениями, где нет обратной связи в путях вычисления, часто необходимы тысячи шагов вычисления для вычисления выборки звука. При этом вы быстро достигнете пределов возможностей процессоров и даже раньше пределов экономической эффективности. Поэтому модели все еще очень упрощены, чтобы можно было вычислить достаточно большое количество голосов с помощью современных платформ DSP или даже компьютеров. Сделанные упрощения удаляют звук от физического идеала.

Платформы

В дополнение к некоторым реализациям в программном обеспечении C, которое может использоваться как плагин для соответствующих музыкальных программ или интегрироваться в классические программы сэмплера, платформы DSP и платформы FPGA в основном используются в синтезе PM . DSP более экономичны и проще в использовании; Благодаря своей реальной параллельной обработке FPGA предлагают высочайшие вычислительные мощности и полосу пропускания для высоких частот дискретизации. Более поздним подходом является использование графических карт, которые имеют преимущества, особенно с расчетными моделями на основе FEM .

Синтез PM используется сегодня в основном в профессиональных синтезаторах и некоторых звуковых картах на основе DSP. Первой доступной картой с простой формой PM была Creative Soundblaster AWE 64 в 1996 году .

Благодаря развитию технологий, сейчас существуют также проекты DIY с одноплатными компьютерами и микроконтроллерами, такими как AVR и STM32, в качестве модулей для ваших собственных структур.  

литература

  • Уве Г. Хёниг: Мастерская синтезатора. Генерация звука для музыкантов. От аналогового к цифровому к программному синтезатору PPV, Presse-Project-Verlag, Bergkirchen 2002, ISBN 3-932275-27-6 .
  • Томас Гёрне: Звуковая инженерия. Fachbuchverlag Leipzig, автор Carl Hanser Verlag, Мюнхен а. а. 2006 г., ISBN 3-446-40198-9 .

веб ссылки

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Анри Хагенов: Цифровой синтез сложных сигналов для моделирования собственных акустических, электрических и оптических состояний (PDF; 5,5 МБ). Дипломная работа в Берлинском техническом университете, 2001 г.
  2. ↑ Саджад Сиддик: Арифметическая копия ситара (PDF; 10,2 МБ). Дипломная работа в Венском университете, 2010 г.
  3. ^ Gilette Guitars, Джо Вулф: акустика гитары. UNSW Australia, 2006, доступ 2020 (австралийский английский).
  4. ↑ Джо Вулф: Акустика арфы. Университет Нового Южного Уэльса, 2006 г., доступ 2020 (австралийский английский).
  5. ↑ Тест: Roland V-Piano, Stage и Grand E-Piano. В: AMAZONA.de. 17 февраля 2010, доступ к августу 2020 .
  6. ↑ Крис Нова: Creative Labs Awe64 Gold (ноябрь 1996 г.). старая школа галка, 25 августа 2017, доступ к 19 июля 2020 года .
  7. ↑ Creative Labs AWE64. В: веб-архив. Звук на звук, 6 июня 2015 года, доступ к 19 июля 2020 .
  8. ↑ TW: Zynthian: Полный синтезатор с открытым исходным кодом на Raspberry-Pi. Клавиатура Мира, 11 июня 2018, доступ к августу 2020 .
  9. ↑ SAM: 17-канальный синтезатор Avr в Asm - Mikrocontroller.net. В: UCNET. Андреас Шварц, 21 сентября 2011, доступ к августу 2020 .
  10. ↑ Plonk - Физическое моделирование ударного синтезатора. Intellijel, 2020, по состоянию на август 2020 г. (американский английский).