Síntesis digital de guías de onda

La síntesis de guía de ondas digital consiste en la síntesis de audio mediante una guía de ondas digital . Las guías de ondas digitales son modelos computacionales eficientes para los medios físicos a través de los cuales se propagan las ondas acústicas. Por esta razón, las guías de ondas digitales constituyen una parte fundamental de la mayoría de los sintetizadores modernos basados ​​en modelado físico .

Una guía de ondas digital sin pérdidas realiza la forma discreta de la solución de d'Alembert de la ecuación de ondas unidimensional como la superposición de una onda que va hacia la derecha y una onda que va hacia la izquierda,

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

dónde${\displaystyle y^{+}}$es la ola que va hacia la derecha, y${\displaystyle y^{-}}$es la onda que va hacia la izquierda. Se puede ver en esta representación que el muestreo de la función${\displaystyle y}$en una posición determinada${\displaystyle m}$y tiempo${\displaystyle n}$Simplemente consiste en sumar dos copias retardadas de sus ondas viajeras. Estas ondas viajeras se reflejarán en límites como los puntos de suspensión de cuerdas vibrantes o los extremos abiertos o cerrados de tubos. Por lo tanto, las ondas se propagan a lo largo de bucles cerrados.

Por lo tanto, los modelos de guías de onda digitales comprenden líneas de retardo digitales para representar la geometría de la guía de onda, las cuales se cierran mediante recursión; filtros digitales para representar las pérdidas dependientes de la frecuencia y la dispersión leve en el medio; y, a menudo, elementos no lineales . Las pérdidas que se producen a lo largo del medio generalmente se consolidan para que puedan calcularse una sola vez al final de una línea de retardo, en lugar de calcularse varias veces a lo largo del mismo.

Las guías de onda, como los tubos acústicos, son tridimensionales, pero debido a que su longitud suele ser mucho mayor que su diámetro, es razonable y computacionalmente eficiente modelarlas como guías de onda unidimensionales. Las membranas, como las que se usan en los tambores , se pueden modelar usando mallas de guías de onda bidimensionales, y la reverberación en espacios tridimensionales se puede modelar usando mallas tridimensionales. Las barras de vibráfono , las campanas , los cuencos tibetanos y otros sólidos sonoros (también llamados idiófonos ) se pueden modelar mediante un método relacionado llamado guías de onda de banda , donde se usan múltiples elementos de guía de onda digitales de banda limitada para modelar el comportamiento fuertemente dispersivo de las ondas en los sólidos.

El término «síntesis de guía de ondas digital» fue acuñado por Julius O. Smith III , ^{[ 1 ]} quien contribuyó a su desarrollo y finalmente solicitó la patente. Se puede demostrar que un modelo de guía de ondas digital de una cuerda vibrante ideal con un único punto de amortiguación implementado como un promedio de dos puntos e inicializado con posiciones y velocidades iniciales aleatorias en cada muestra es equivalente al algoritmo de Karplus-Strong, desarrollado años antes. La Universidad de Stanford poseía los derechos de patente de la síntesis de guía de ondas digital y firmó un acuerdo en 1989 con Yamaha para desarrollar la tecnología. Todas las patentes iniciales han expirado y aparecen con frecuencia nuevos productos basados ​​en esta tecnología.

Una extensión de la síntesis de cuerdas DWG realizada por Smith es la síntesis conmutada , en la que la excitación a la guía de ondas digital contiene tanto la excitación de la cuerda como la respuesta del cuerpo del instrumento. Esto es posible bajo el supuesto de que la cuerda y el cuerpo son sistemas lineales invariantes en el tiempo, lo cual es aproximadamente cierto para los instrumentos típicos, permitiendo que el cuerpo excitado impulse la cuerda, en lugar de que la cuerda excitada impulse el cuerpo como es habitual. Por lo tanto, la cuerda es excitada por una "respuesta de cuerpo pulsado". Esto significa que no es necesario modelar explícitamente las resonancias del cuerpo del instrumento utilizando cientos de secciones de filtro digital, lo que reduce considerablemente el número de cálculos necesarios para una resíntesis convincente.

Las implementaciones de software de prototipos de guías de onda fueron realizadas por estudiantes de Smith en el Synthesis Toolkit (STK). ^{[ 2 ] [ 3 ]}

El primer uso musical del algoritmo Extended Karplus Strong (EKS) se dio en la composición "May All Your Children Be Acrobats" (1981) de David A. Jaffe , seguida de su obra "Silicon Valley Breakdown" (1982). Dado que años después se comprendió que el EKS era un caso especial de síntesis de guía de ondas digital, esta pieza puede considerarse también el primer uso de dicha síntesis.

Relacionado con esto fue "A Bicycle Built for Two" de Max Mathews , John Kelly y Carol Lochbaum en Bell Labs en 1961, que usó el filtro de escalera Kelly-Lochbaum para modelar el tracto vocal humano. ^{[ 4 ]} Para distinguir los filtros de escalera de los filtros de guía de onda digital, una guía de onda digital se define como una línea de retardo bidireccional de al menos dos muestras de longitud sobre la cual no ocurre dispersión.

• Yamaha
  • VL1 (1994) — teclado caro (unos 10.000 dólares estadounidenses)
  • VL1m, VL7 (1994): módulo de tono y teclado más económico, respectivamente.
  • VP1 (prototipo) (1994)
  • VL70m (1996) — módulo de tono menos costoso
  • EX5 (1999) — teclado de estación de trabajo que incluía un módulo VL
  • PLG-100VL, PLG-150VL (1999): tarjetas de expansión para diversos teclados Yamaha, módulos de sonido y la tarjeta de sonido de gama alta para PC SWG-1000. El módulo de sonido para montaje en rack MU100R incluía dos ranuras PLG, preinstaladas con un PLG-100VL y un PLG-100VH (armonizador vocal).
  • Chips de sonido YMF-724, 744, 754 y 764 para tarjetas de sonido y placas base DS-XG económicas para PC (la parte VL solo funcionaba en Windows 95, 98, 98SE y ME, y solo cuando se usaban controladores, no ). Ya no se fabrican, presumiblemente debido a un conflicto con los estándares de tarjetas de sonido AC-97 y AC-99 (que especifican ' tablas de ondas ' ( tablas de muestras ) basadas en el sistema de sonido GS de Roland , que compite con XG , con el que Sondius-XG [el medio para integrar instrumentos y comandos VL en un flujo MIDI compatible con XG junto con instrumentos y comandos XG de tabla de ondas] no puede integrarse). La sección MIDI de estos chips de sonido, cuando el VL estaba activado, era funcionalmente equivalente a un módulo de tono MU50 Level 1 XG (sin ciertos efectos digitales) con mayor polifonía (hasta 64 notas simultáneas, en comparación con las 32 del Level 1 XG) más un VL70m (el VL añade una nota adicional de polifonía, o mejor dicho, una nota solista VL respaldada por las hasta 64 notas de polifonía de la sección de tabla de ondas XG). El 724 solo admitía salida estéreo, mientras que los demás admitían diversas configuraciones de cuatro o más altavoces. La tarjeta propia de Yamaha que utilizaba estos chips era la WaveForce-128, pero varios licenciatarios fabricaron tarjetas de sonido YMF-724 muy económicas que se vendían por tan solo 12 dólares en el apogeo de la popularidad de la tecnología. La parte del sintetizador MIDI (tanto XG como VL) de los chips YMF era en realidad solo una asistencia de hardware para un sintetizador principalmente de software que residía en el controlador del dispositivo (las muestras de tabla de ondas XG, por ejemplo, estaban en la RAM del sistema con el controlador [y se podían reemplazar o agregar fácilmente], no en la ROM de la tarjeta de sonido). Por lo tanto, el sintetizador MIDI, especialmente con VL en uso activo, consumía mucha más potencia de CPU que un sintetizador de hardware puro, pero no tanta como un sintetizador de software puro. Hacia el final de su período de comercialización, las tarjetas YMF-724 se podían conseguir por tan solo 12 USD nuevas, lo que las convertía, con mucho, en la forma más económica de obtener la tecnología de guía de ondas digital Sondius-XG CL. La serie DS-XG también incluía la YMF-740, pero carecía del módulo de síntesis de guía de ondas Sondius-XG VL, aunque por lo demás era idéntica a la YMF-744..VxD.WDM
  • Sintetizador de software S-YXG100plus-VL para PC con cualquier tarjeta de sonido (nuevamente, la parte VL solo funcionaba en Windows 95, 98, 98SE y ME: emulaba un controlador de dispositivo MIDI .VxD). Igualmente equivalente a un MU50 (menos ciertos efectos digitales) más VL70m. La versión sin VL, S-YXG50, funcionaba en cualquier sistema operativo Windows, pero no tenía modelado físico y era solo el emulador de tabla de ondas XG del MU50. Básicamente, esta era la parte de sintetizador de los chips YMF implementada completamente en software sin la asistencia de hardware proporcionada por los chips YMF. Requería una CPU algo más potente que los chips YMF. También podía usarse junto con una tarjeta de sonido o placa base equipada con YMF para proporcionar hasta 128 notas de polifonía de tabla de ondas XG y hasta dos instrumentos VL simultáneamente en CPU suficientemente potentes.
  • El sintetizador virtual S-YXG100plus-PolyVL, diseñado para potentes ordenadores de la época (por ejemplo, Pentium III de 333 MHz o superior ), era capaz de reproducir hasta ocho notas VL simultáneamente (todas las demás implementaciones de Yamaha VL, excepto el VL1 y el VL1m originales, estaban limitadas a una, mientras que el VL1/1m podía reproducir dos), además de hasta 64 notas de tabla de ondas XG gracias a la emulación del MU50. Nunca se comercializó en EE. UU., pero sí en Japón. Es probable que se pudiera desarrollar un sistema mucho más potente con las CPU de doble núcleo multi-GHz actuales, pero la tecnología parece haber sido abandonada. Hipotéticamente, también podría utilizarse con un sistema de chipset YMF para combinar sus capacidades en CPU suficientemente potentes.
• Korg
  • Profecía (1995)
  • Z1 , MOSS-TRI (1997)
  • EXB-MOSS (2001)
  • OASYS PCI (1999)
  • OASYS (2005) con algunos módulos, por ejemplo el modelo físico de cuerdas pulsadas STR-1 ^{[ 5 ]}
  • Kronos (2011) es igual que OASYS.
• Técnica
  • WSA1 (1995) PCM + resonador
• Sistemas Seer
  • Creative WaveSynth (1996) para Creative Labs Sound Blaster AWE64 .
  • Reality (1997) - uno de los primeros productos de sintetizador de software profesional del equipo de Dave Smith.
• Cakewalk
  • Dimension Pro (2005) - sintetizador de software para OS X y Windows XP . ^{[ 6 ]}
• Mordartt
  • Pianoteq (desde 2005, en desarrollo) - Software de emulación de piano para Windows, macOS, Linux e iOS. ^{[ 7 ]}
• Sistemas acústicos aplicados
  • AAS String Studio (a partir de 2026) - Software de oscilador de cuerdas para Windows y macOS. ^{[ 8 ]}

• Daniel Levitin (7 de mayo de 1994). "Yamaha VL-1 revoluciona la tecnología de los sintetizadores" . Billboard . págs. 102-103 . 
• Yamaha VL1. Sintetizador acústico virtual , Sound on Sound , julio de 1994.
• Paul Verna (2 de agosto de 1997). "Yamaha y Stanford unen fuerzas. El programa de licencias ofrece nuevas tecnologías" . Billboard . pág.  56.
• Julius O. Smith (2008). «Arquitecturas de guías de onda digitales para instrumentos musicales virtuales» . En David Havelock; Sonoko Kuwano; Michael Vorländer (eds.). Manual de procesamiento de señales en acústica . Springer. pp. 399–417 . ISBN  978-0-387-77698-9.
• Martin Russ (2008). Síntesis y muestreo de sonido . Focal Press. págs. 288–289 . ISBN  978-0-240-52105-3.
• Brian Heywood (22 de noviembre de 2005) Comportamiento del modelo. La tecnología que usa tu PC para producir sonido generalmente se basa en la reproducción de una muestra de audio. Brian Heywood analiza alternativas. , PC Pro
• Stefan Bilbao (2009). Síntesis numérica del sonido: esquemas de diferencias finitas y simulación en acústica musical . John Wiley and Sons. pp. 11–14 . ISBN  978-0-470-51046-9.
• Lutz Trautmann; Rudolf Rabenstein (2003). Síntesis de sonido digital mediante modelado físico utilizando el método de transformación funcional . Springer. pp. 77–86 . ISBN  978-0-306-47875-8.

• "Introducción básica a la síntesis de guías de onda digitales" de Julius O. Smith III
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• Instrumentos musicales acústicos virtuales: Revisión y actualización
• Modelado de sonidos de cuerdas e instrumentos de viento - Revista Sound on Sound , septiembre de 1998
• Grabación de Jordan Rudess tocando en un Korg Oasys en YouTube . Nótese el uso del joystick para controlar el efecto de vibrato del modelo físico de las cuerdas pulsadas.
• Yamaha VL1 con controlador de respiración frente a un sintetizador tradicional para instrumentos de viento.