Síntesis de modelado físico

La síntesis de modelado físico se refiere a los 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 .

El modelado intenta replicar las leyes de la física que gobiernan la producción de sonido y normalmente tendrá varios parámetros, algunos de los cuales son constantes que describen los materiales físicos y las dimensiones del instrumento, mientras que otras son funciones dependientes del tiempo que describen la interacción del intérprete con el instrumento, como tocar una cuerda o cubrir los agujeros tonales.

Por ejemplo, para modelar el sonido de un tambor , habría un modelo matemático de cómo el golpe sobre el parche 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 en el cuerpo del tambor), describiendo su movimiento a lo largo del tiempo y, por lo tanto, su generación de sonido.

Etapas similares a modelar se pueden encontrar en instrumentos como el violín , aunque la excitación energética en este caso es proporcionada por el comportamiento deslizante del arco contra la cuerda, el ancho del arco, el comportamiento de resonancia y amortiguación de las cuerdas, la transferencia de vibraciones de las cuerdas a través del puente y, finalmente, la resonancia de la tabla armónica en respuesta a esas vibraciones.

Además, el mismo concepto se ha aplicado para simular sonidos de voz y habla . ^[1] 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, habiéndose implementado utilizando aproximaciones de diferencias finitas de la ecuación de onda por Hiller y Ruiz en 1971 ^{[ cita requerida ]} , no fue hasta el desarrollo del algoritmo Karplus-Strong , el posterior refinamiento y generalización del algoritmo en la extremadamente eficiente síntesis de guía de onda digital por Julius O. Smith III y otros, ^{[ cita requerida ]} y el aumento de la potencia del DSP a fines de la década de 1980 ^[2] que las implementaciones comerciales se volvieron factibles.

En 1989, Yamaha firmó un contrato con la Universidad de Stanford ^[3] para desarrollar conjuntamente la síntesis de guía de ondas digital; posteriormente, la mayoría de las patentes relacionadas con la tecnología son propiedad de Stanford o Yamaha.

El primer sintetizador de modelado físico disponible comercialmente y fabricado con síntesis de guía de ondas fue el Yamaha VL1 en 1994. ^{[4] [5]}

Si bien la eficiencia de la síntesis de guías de onda digitales hizo que el modelado físico fuera factible 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 onda digitales a menudo se combinan con FDTD , ^[6] métodos de filtro digital de elementos finitos o de onda, lo que aumenta las demandas computacionales del modelo. ^[7]

Ejemplos de síntesis de modelado físico:

• Síntesis de cuerdas Karplus-Strong
• Síntesis de guía de ondas digitales
• Redes de interacción masiva
• Síntesis de formantes
• Síntesis articulatoria

• Hiller, L.; Ruiz, P. (1971). "Sintetización de sonidos musicales mediante la resolución de la ecuación de onda para objetos vibrantes". Revista de la Sociedad de Ingeniería de Audio .

• Karplus, K.; Strong, A. (1983). "Síntesis digital de timbres de cuerdas pulsadas y de batería". Computer Music Journal . 7 (2). Computer Music Journal, vol. 7, núm. 2: 43–55. doi :10.2307/3680062. JSTOR  3680062.

• Julius O. Smith III (diciembre de 2010). Procesamiento físico de señales de audio.

• Cadoz, C.; Luciani A; Florens JL (1993). "CORDIS-ANIMA: un sistema de modelado y simulación para la síntesis de sonido e imagen: el formalismo general". Computer Music Journal . 17/1 (1). Computer Music Journal, MIT Press 1993, vol. 17, n.º 1.

• "La próxima generación, parte 1". Future Music . No. 32. Future Publishing. Junio ​​1995. p. 80. ISSN  0967-0378. OCLC  1032779031.

• Introducción básica a la síntesis de guías de ondas digitales de Julius O. Smith III
• La síntesis musical se acerca a la calidad del sonido de los instrumentos reales — comunicado de prensa de la Universidad de Stanford de 1994