Синтез цифровых волноводов

Синтез цифрового волновода — это синтез звука с использованием цифрового волновода . Цифровые волноводы представляют собой эффективные вычислительные модели физической среды, через которую распространяются акустические волны. По этой причине цифровые волноводы составляют основную часть большинства современных синтезаторов физического моделирования .

Цифровой волновод без потерь реализует дискретную форму решения Даламбера одномерного волнового уравнения как суперпозицию правой и левой волн:

${\displaystyle y(m,n)=y^{+}(m-n)+y^{-}(m+n)}$

где – правая волна, а – левая волна. Из этого представления видно, что выборка функции в данную точку и время просто включает в себя суммирование двух задержанных копий ее бегущих волн. Эти бегущие волны будут отражаться от границ, таких как точки подвеса вибрирующих струн или открытые или закрытые концы трубок. Следовательно, волны распространяются по замкнутым контурам. ${\displaystyle y^{+}}$ ${\displaystyle y^{-}}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle n}$

Поэтому модели цифровых волноводов содержат цифровые линии задержки для представления геометрии волновода, которые закрыты рекурсией, цифровые фильтры для представления частотно-зависимых потерь и умеренной дисперсии в среде, а также часто нелинейные элементы. Убытки, понесенные на протяжении всей среды, обычно консолидируются, чтобы их можно было рассчитать один раз при завершении линии задержки, а не много раз на протяжении всей линии.

Волноводы, такие как акустические трубы, являются трехмерными, но поскольку их длина часто намного превышает площадь поперечного сечения, разумно и эффективно с точки зрения вычислений моделировать их как одномерные волноводы. Мембраны, используемые в барабанах , могут быть смоделированы с использованием двумерных волноводных сеток, а реверберация в трехмерных пространствах может быть смоделирована с использованием трехмерных сеток. Вибрафонные стержни, колокольчики , поющие чаши и другие звучащие твердые тела (также называемые идиофонами ) можно моделировать с помощью родственного метода, называемого полосовыми волноводами , где несколько элементов цифровых волноводов с ограниченной полосой используются для моделирования сильно дисперсионного поведения волн в твердых телах.

Термин «синтез цифровых волноводов» был придуман Джулиусом О. Смитом III, который помог его разработать и в конечном итоге подал патент. Он представляет собой расширение алгоритма Карплюса–Стронга . Стэнфордский университет владел патентными правами на синтез цифровых волноводов и в 1989 году подписал соглашение о разработке этой технологии с Yamaha , однако срок действия многих ранних патентов уже истек.

Расширением синтеза струн в формате DWG, созданным Смитом, является коммутируемый синтез, при котором возбуждение цифрового волновода содержит как возбуждение струны, так и реакцию корпуса инструмента. Это возможно, поскольку цифровой волновод является линейным и исключает необходимость моделирования резонансов корпуса инструмента после синтеза выходного сигнала струны, что значительно сокращает количество вычислений, необходимых для убедительного повторного синтеза.

Прототип программного обеспечения для волноводов был реализован студентами Смита с помощью Synthesis Toolkit (STK). ^{[1] [2]}

Первое музыкальное использование синтеза цифровых волноводов было в композиции «May All Your Children Be Acrobats» (1981) Дэвида А. Джаффе , за которой последовал его «Развал Кремниевой долины» (1982).

Лицензиаты

• Ямаха
  • VL1 (1994 г.) — дорогая клавиатура (около 10 000 долларов США)
  • ВЛ1м, ВЛ7 (1994 г.) — тональный модуль и менее дорогая клавиатура соответственно.
  • ВП1 (прототип) (1994 г.)
  • ВЛ70м (1996 г.) — менее дорогой тональный модуль.
  • EX5 (1999) — клавиатура рабочей станции с модулем VL.
  • PLG-100VL, PLG-150VL (1999 г.) — сменные карты для различных клавиатур Yamaha, тональных модулей и высококачественной звуковой карты для ПК SWG-1000. Стойковый тональный модуль MU100R включал в себя два слота PLG, предварительно заполненные PLG-100VL и PLG-100VH (вокальный гармонайзер).
  • Звуковые чипы YMF-724, 744, 754 и 764 для недорогих звуковых карт и материнских плат DS-XG для ПК (часть VL работала только в Windows 95, 98, 98SE и ME, и то только при использовании драйверов . VxD , а не . ВДМ ). Больше не производится, предположительно из-за конфликта со стандартами звуковых карт AC-97 и AC-99 (которые определяют « волновые таблицы » ( таблицы образцов ), основанные на конкурирующей с XG звуковой системе Roland GS , которую Sondius-XG [средство интеграции инструменты и команды VL в XG-совместимый MIDI-поток вместе с волновыми инструментами и командами XG] не могут быть интегрированы). MIDI - часть таких звуковых чипов, когда был включен VL, была функционально эквивалентна тоновому модулю MU50 Level 1 XG (за исключением некоторых цифровых эффектов) с большей полифонией (до 64 одновременных нот по сравнению с 32 для Level 1 XG) плюс VL70m (VL добавляет дополнительную ноту полифонии или, скорее, сольную ноту VL, подкрепленную полифоническими нотами до 64 из части волновой таблицы XG). Модель 724 поддерживала только стереовыход, тогда как остальные поддерживали различные конфигурации из четырех и более динамиков. Собственная карта Yamaha, использующая их, была WaveForce-128, но ряд лицензиатов производили очень недорогие звуковые карты YMF-724, которые на пике популярности технологии продавались всего за 12 долларов. Часть MIDI-синтезатора (как XG, так и VL) чипов YMF на самом деле была просто аппаратной поддержкой преимущественно программного синтезатора, который находился в драйвере устройства (например, образцы волновой таблицы XG находились в системной оперативной памяти вместе с драйвером [и могли быть легко заменить или добавить], а не в ПЗУ звуковой карты). Таким образом, MIDI-синтезатор, особенно при активном использовании VL, потреблял значительно больше мощности процессора, чем настоящий аппаратный синтезатор, но не так много, как чистый программный синтезатор. К концу своего рыночного периода новые карты YMF-724 можно было приобрести всего за 12 долларов США, что делает их, безусловно, наименее дорогим средством приобретения технологии цифровых волноводов Sondius-XG CL. Серия DS-XG также включала YMF-740, но в ней отсутствовал модуль синтеза волноводов Sondius-XG VL, но в остальном она была идентична YMF-744.
  • Программный синтезатор S-YXG100plus-VL для ПК с любой звуковой картой (опять же, часть VL работала только в Windows 95, 98, 98SE и ME: она эмулировала драйвер MIDI-устройства .VxD). Аналогично эквивалентно MU50 (за вычетом некоторых цифровых эффектов) плюс VL70m. Версия без VL, S-YXG50, работала в любой ОС Windows, но не имела физического моделирования и представляла собой всего лишь эмулятор волновой таблицы MU50 XG. По сути, это была синтезаторная часть чипов YMF, полностью реализованная программно без аппаратной поддержки, обеспечиваемой чипами YMF. Требовался несколько более мощный процессор, чем у чипов YMF. Также может использоваться в сочетании со звуковой картой или материнской платой, оснащенной YMF, для обеспечения до 128 нот волновой полифонии XG и до двух инструментов VL одновременно на достаточно мощных процессорах.
  • S-YXG100plus-PolyVL SoftSynth для мощных на тот момент ПК (например, Pentium III с частотой 333 МГц и выше), способный воспроизводить до восьми нот VL одновременно (все другие реализации Yamaha VL, за исключением исходных VL1 и VL1m, были ограничены одной, а VL1/ 1m мог сделать два), в дополнение к 64 нотам волновой таблицы XG из эмулирующей MU50 части программного синтезатора. Никогда не продавался в США, но продавался в Японии. Предположительно, гораздо более мощную систему можно было бы создать с помощью современных двухъядерных процессоров с тактовой частотой несколько ГГц, но от этой технологии, похоже, отказались. Гипотетически их также можно использовать с системой набора микросхем YMF, чтобы объединить их возможности на достаточно мощных процессорах.
• Корг
  • Пророчество (1995)
  • Z1 , МОСС-ТРИ (1997)
  • ЭКСБ-МОСС (2001)
  • ОАСИС PCI (1999)
  • OASYS (2005) с некоторыми модулями, например, физической моделью щипковых струн STR-1 ^[3]
  • Кронос (2011) то же, что и OASYS
• Техника
  • WSA1 (1995) ПКМ + резонатор
• Провидческие системы
  • Creative WaveSynth (1996) для Creative Labs Sound Blaster AWE64 .
  • Reality (1997) — один из первых профессиональных программных синтезаторов команды Дэйва Смита .
• Легкая прогулка
  • Dimension Pro (2005 г.) — программный синтезатор для OS X и Windows XP . ^[4]

Рекомендации

1. «Документы, программное обеспечение, образцы звука и ссылки по синтезу цифровых волноводов» . Домашняя страница Юлиуса Ориона Смита III . Проверено 17 июля 2019 г.
2. "Справочник классов PluckTwo" . Набор инструментов Synthesis ToolKit на C++ (STK) . Проверено 17 июля 2019 г.
3. «Внутри роскошного синтезатора: создание Korg OASYS на базе Linux» . О'Рейли Медиа . 09.11.2005. Архивировано из оригинала 15 августа 2011 г. Проверено 17 июля 2019 г.
4. "Cakewalk Dimension Pro" . Звук на звуке . Проверено 17 июля 2019 г.

дальнейшее чтение

• Даниил Левитин (7 мая 1994 г.). «Yamaha VL-1 совершает революцию в технологии синтезаторов». Рекламный щит : 102–103.
• Ямаха ВЛ1. Виртуальный акустический синтезатор, Sound on Sound , июль 1994 г.
• Пол Верна (2 августа 1997 г.). «Yamaha и Стэнфорд объединяют усилия. Программа лицензирования предлагает новые технологии». Рекламный щит : 56.
• Юлиус О. Смит (2008). «Архитектура цифровых волноводов для виртуальных музыкальных инструментов». У Дэвида Хэвлока; Соноко Кувано; Майкл Форлендер (ред.). Справочник по обработке сигналов в акустике. Спрингер. стр. 399–417. ISBN 978-0-387-77698-9.
• Мартин Расс (2008). Звуковой синтез и сэмплирование. Фокальная пресса. стр. 288–289. ISBN 978-0-240-52105-3.
• Брайан Хейвуд (22 ноября 2005 г.) Модель поведения. Технология, которую ваш компьютер использует для создания звука, обычно основана на воспроизведении аудиосэмпла. Брайан Хейвуд смотрит на альтернативы., PC Pro
• Стефан Бильбао (2009). Численный синтез звука: конечно-разностные схемы и моделирование в музыкальной акустике. Джон Уайли и сыновья. стр. 11–14. ISBN 978-0-470-51046-9.
• Лутц Траутманн; Рудольф Рабенштейн (2003). Цифровой синтез звука путем физического моделирования с использованием метода функционального преобразования. Спрингер. стр. 77–86. ISBN 978-0-306-47875-8.

Внешние ссылки

• Джулиус О. Смит III, «Базовое введение в синтез цифровых волноводов».
• Домашняя страница волноводного синтеза
• Виртуальные акустические музыкальные инструменты: обзор и обновление
• Моделирование звуков струнных и духовых инструментов - журнал Sound on Sound , сентябрь 1998 г.
• Джордан Рудесс играет на записи Korg Oasys на Youtube. Обратите внимание на использование джойстика для управления эффектом вибрато физической модели щипковых струн.
• Yamaha VL1 с контроллером дыхания против традиционного синтезатора для духовых инструментов