Síntesis de modelado físico

Síntesis de modelado físico se refiere a métodos de síntesis de sonido en los que la forma de onda del sonido que se va a generar se calcula utilizando un modelo matemático, un conjunto de ecuaciones y algoritmos para simular una fuente física de sonido, generalmente un instrumento musical.

Metodología general

El modelado intenta replicar las leyes de la física que rigen la producción de sonido y, por lo general, tendrá varios parámetros, algunos de los cuales son constantes que describen los materiales físicos y las dimensiones del instrumento, mientras que otros son funciones dependientes del tiempo que describen al jugador.;s interacción con el instrumento, como tocar una cuerda o cubrir agujeros de tono.

Por ejemplo, para modelar el sonido de un tambor, habría un modelo matemático de cómo al golpear el parche se inyecta energía en una membrana bidimensional. Al incorporar esto, un modelo más grande simularía las propiedades de la membrana (densidad de masa, rigidez, etc.), su acoplamiento con la resonancia del cuerpo cilíndrico del tambor y las condiciones en sus límites (una terminación rígida del tambor). 39;s cuerpo), que describe su movimiento en el tiempo y por lo tanto su generación de sonido.

Se pueden encontrar etapas similares para modelar en instrumentos como un violín, aunque la excitación de energía en este caso es proporcionada por el comportamiento de deslizamiento del arco contra la cuerda, el ancho del arco, la resonancia y la amortiguación. el comportamiento de las cuerdas, la transferencia de las vibraciones de las cuerdas a través del puente y, finalmente, la resonancia de la caja de resonancia en respuesta a esas vibraciones.

Además, se ha aplicado el mismo concepto para simular la voz y los sonidos del habla. En este caso, el sintetizador incluye modelos matemáticos de la oscilación de las cuerdas vocales y el flujo de aire laríngeo asociado, y la consiguiente propagación de ondas acústicas a lo largo del tracto vocal. Además, también puede contener un modelo articulatorio para controlar la forma del tracto vocal en términos de la posición de los labios, la lengua y otros órganos.

Aunque el modelado físico no era un concepto nuevo en acústica y síntesis, ya que Hiller y Ruiz lo implementaron utilizando aproximaciones de diferencia finita de la ecuación de onda en 1971, no fue hasta el desarrollo del algoritmo Karplus-Strong, el refinamiento posterior y la generalización del algoritmo en la síntesis de guía de onda digital extremadamente eficiente por Julius O. Smith III y otros, y el aumento en el poder de DSP a fines de la década de 1980 que las implementaciones comerciales se volvieron factibles.

Yamaha firmó un contrato con la Universidad de Stanford en 1989 para desarrollar conjuntamente la síntesis de guía de onda digital; posteriormente, la mayoría de las patentes relacionadas con la tecnología son propiedad de Stanford o Yamaha.

El primer sintetizador de modelado físico disponible en el mercado fabricado con síntesis de guía de ondas fue el Yamaha VL1 en 1994.

Si bien la eficiencia de la síntesis de guía de ondas digital hizo factible el modelado físico en hardware DSP común y procesadores nativos, la emulación convincente de instrumentos físicos a menudo requiere la introducción de elementos no lineales, uniones de dispersión, etc. En estos casos, las guías de ondas digitales son a menudo se combina con FDTD, elementos finitos o métodos de filtro digital de ondas, lo que aumenta las demandas computacionales del modelo.

Tecnologías asociadas al modelado físico

Ejemplos de síntesis de modelos físicos:

• síntesis de cuerdas Karplus-Strong
• Síntesis de guía de onda digital
• Redes de interacción masiva
• Síntesis formativa
• Síntesis de las obras