Síntesis de modelos físicos

La síntesis mediante 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 .

La modelización intenta replicar las leyes de la física que rigen la producción del 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 la interacción del intérprete con el instrumento, como pulsar una cuerda o tapar los orificios de tono.

Por ejemplo, para modelar el sonido de un tambor , se necesitaría un modelo matemático que describa cómo el impacto del parche inyecta energía en una membrana bidimensional. Incorporando este modelo, se podría crear un modelo más complejo que simule 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 cuerpo del tambor), describiendo su movimiento a lo largo del tiempo y, por lo tanto, la generación de sonido.

Se pueden encontrar etapas similares a modelar en instrumentos como el violín , aunque en este caso la excitación de energía la proporciona el comportamiento de deslizamiento-adherencia del arco contra la cuerda, el ancho del arco, la resonancia y el comportamiento de amortiguación de las cuerdas, la transferencia de vibraciones de las cuerdas a través del puente y, finalmente, la resonancia de la caja de resonancia 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, así como la consiguiente propagación de la onda acústica a lo largo del tracto vocal . Asimismo, puede contener un modelo articulatorio para controlar la forma del tracto vocal en función 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 diferencias finitas de la ecuación de onda en 1971 , no fue hasta el desarrollo del algoritmo de Karplus-Strong , el posterior refinamiento y generalización del algoritmo en la síntesis de guía de onda digital extremadamente eficiente por Julius O. Smith III y otros, y el aumento de la potencia DSP a finales de la década de 1980 ^{[ 2 ]} que las implementaciones comerciales se volvieron factibles.

Yamaha firmó un contrato con la Universidad de Stanford en 1989 ^{[ 3 ]} para desarrollar conjuntamente la síntesis de guías de onda digitales; posteriormente, la mayoría de las patentes relacionadas con la tecnología son propiedad de Stanford o Yamaha.

El primer sintetizador de modelado físico disponible comercialmente que utilizaba 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 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 onda digitales se combinan frecuentemente con FDTD , ^{[ 6 ]} métodos de elementos finitos o filtros digitales de onda, lo que aumenta las exigencias computacionales del modelo. ^{[ 7 ]}

• Karplus – Síntesis de cuerdas fuertes
• Síntesis digital de guías de onda
• Redes de interacción de masas
• Síntesis de formantes
• Síntesis articulatoria

• Hiller, L.; Ruiz, P. (1971). "Síntesis de sonidos musicales mediante la resolución de la ecuación de onda para objetos vibrantes". Journal of the Audio Engineering Society .

• Karplus, K.; Strong, A. (1983). "Síntesis digital de timbres de cuerdas pulsadas y tambores". Computer Music Journal . 7 (2). Computer Music Journal, Vol. 7, No. 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, No. 1.

• "La próxima generación, parte 1". Future Music . N.°  32. Future Publishing. Junio ​​de 1995. pág.  80. ISSN 0967-0378 . OCLC 1032779031 .  

• Introducción básica a la síntesis de guías de onda digitales, de Julius O. Smith III.
• La síntesis musical se aproxima a la calidad de sonido de los instrumentos reales — Comunicado de prensa de la Universidad de Stanford de 1994. Archivado el 5 de marzo de 2013 en Wayback Machine.