Síntesis de guía de ondas digitales

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

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

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

donde es la onda que va hacia la derecha y es la onda que va hacia la izquierda. Se puede ver a partir de esta representación que el muestreo de la función en un punto y tiempo dados simplemente implica sumar dos copias retrasadas de sus ondas viajeras. Estas ondas viajeras se reflejarán en límites tales como los puntos de suspensión de cuerdas vibrantes o los extremos abiertos o cerrados de tubos. Por lo tanto, las ondas viajan a lo largo de bucles cerrados. ${\displaystyle y^{+}}$ ${\displaystyle y^{-}}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle n}$

Por lo tanto, los modelos de guía de ondas digitales comprenden líneas de retardo digitales para representar la geometría de la guía de ondas que se cierran por 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 incurridas en todo el medio generalmente se consolidan para que se puedan calcular una vez al final de una línea de retardo, en lugar de muchas veces a lo largo de todo el proceso.

Las guías de ondas, como los tubos acústicos, son tridimensionales, pero como sus longitudes suelen ser mucho mayores que su área de sección transversal, es razonable y computacionalmente eficiente modelarlas como guías de ondas unidimensionales. Las membranas, como las que se usan en los tambores , se pueden modelar utilizando mallas de guías de ondas bidimensionales, y la reverberación en espacios tridimensionales se puede modelar utilizando mallas tridimensionales. Las barras de vibráfono , las campanas , los cuencos cantores y otros sólidos sonoros (también llamados idiófonos ) se pueden modelar mediante un método relacionado llamado guías de ondas en bandas , en el que se utilizan múltiples elementos de guías de ondas digitales de banda limitada para modelar el comportamiento fuertemente dispersivo de las ondas en sólidos.

El término "síntesis de guía de ondas digital" fue acuñado por Julius O. Smith III , quien ayudó a desarrollarlo y finalmente presentó la patente. Representa una extensión del algoritmo Karplus-Strong . La Universidad de Stanford poseía los derechos de patente para la síntesis de guía de ondas digital y firmó un acuerdo en 1989 para desarrollar la tecnología con Yamaha ; sin embargo, muchas de las primeras patentes ya han expirado.

Una extensión de la síntesis DWG de cuerdas realizada por Smith es la síntesis conmutada, en la que la excitación de la guía de ondas digital contiene tanto la excitación de la cuerda como la respuesta del cuerpo del instrumento. Esto es posible porque la guía de ondas digital es lineal y hace innecesario modelar las resonancias del cuerpo del instrumento después de sintetizar la salida de la cuerda, lo que reduce en gran medida la cantidad de cálculos necesarios para una resíntesis convincente.

Los estudiantes de Smith realizaron implementaciones de software de guía de ondas prototipo en Synthesis Toolkit (STK). ^{[1] [2]}

El primer uso musical de la síntesis de guía de ondas digital fue en la composición May All Your Children Be Acrobats (1981) de David A. Jaffe , seguida de su Silicon Valley Breakdown (1982).

Licenciatarios

• Yamaha
  • VL1 (1994): teclado caro (unos 10 000 USD)
  • VL1m, VL7 (1994): módulo de tono y teclado menos costoso, 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 enchufables para varios teclados Yamaha, módulos de tono y la tarjeta de sonido para PC de gama alta SWG-1000. El módulo de tono para montaje en rack MU100R incluía dos ranuras PLG, precargadas con un PLG-100VL y un PLG-100VH (armonizador vocal).
  • Chips de sonido YMF-724, 744, 754 y 764 para placas base y tarjetas de sonido 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 fabrica, presumiblemente debido a un conflicto con los estándares de tarjetas de sonido AC-97 y AC-99 (que especifican " tablas de ondas " ( tablas de muestra ) 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 se puede integrar). La parte MIDI de estos chips de sonido, cuando el VL estaba habilitado, era funcionalmente equivalente a un módulo de tono MU50 Level 1 XG (menos ciertos efectos digitales) con mayor polifonía (hasta 64 notas simultáneas, en comparación con las 32 del Level 1 XG) más un VL70m (el VL agrega una nota adicional de polifonía, o, más bien, una nota solista VL respaldada por las hasta 64 notas de polifonía de la parte de tabla de ondas XG). El 724 solo admitía salida estéreo, mientras que los otros admitían varias configuraciones de cuatro o más altavoces. La propia tarjeta de Yamaha que usaba estas era la WaveForce-128, pero varios licenciatarios fabricaron tarjetas de sonido YMF-724 muy económicas que se vendían al por menor por tan solo $12 en el pico de la popularidad de la tecnología. La parte de sintetizador MIDI (tanto XG como VL) de los chips YMF era en realidad sólo una ayuda 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). Como tal, el sintetizador MIDI, especialmente con VL en uso activo, consumía considerablemente más potencia de CPU que la que utilizaría un sintetizador de hardware verdadero, pero no tanto 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 diferencia en el medio más económico de obtener la tecnología de guía de ondas digital Sondius-XG CL. La serie DS-XG también incluía el YMF-740, pero carecía del módulo de síntesis de guía de ondas Sondius-XG VL, aunque por lo demás era idéntico al YMF-744..VxD.WDM
  • S-YXG100plus-VL Sintetizador de software para PC con cualquier tarjeta de sonido (de nuevo, la parte VL sólo funcionaba en Windows 95, 98, 98SE y ME: emulaba un controlador de dispositivo MIDI .VxD). También era equivalente a un MU50 (menos ciertos efectos digitales) más un VL70m. La versión sin VL, S-YXG50, funcionaba en cualquier sistema operativo Windows, pero no tenía modelado físico y era sólo el emulador de tabla de ondas MU50 XG. Básicamente, se trataba de 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 la de los chips YMF. También se podía utilizar 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 lo suficientemente potentes.
  • S-YXG100plus-PolyVL SoftSynth para PCs potentes de la época (por ejemplo, Pentium III de 333+MHz ), capaz de reproducir hasta ocho notas VL a la vez (todas las demás implementaciones VL de Yamaha, excepto el VL1 y el VL1m originales, estaban limitadas a una, y el VL1/1m podía reproducir dos), además de hasta 64 notas de tabla de ondas XG de la parte del software que emulaba el MU50. Nunca se vendió en los EE. UU., pero se vendió en Japón. Es de suponer que se podría hacer un sistema mucho más potente con las CPU de doble núcleo multi-GHz de la actualidad, pero la tecnología parece haber sido abandonada. Hipotéticamente, también se podría utilizar con un sistema de chipset YMF para combinar sus capacidades en CPU lo suficientemente potentes.
• Corgi
  • Profecía (1995)
  • Z1 , MOSS-TRI (1997)
  • ExB-MOSS (2001)
  • PCI OASYS (1999)
  • OASYS (2005) con algunos módulos, por ejemplo el modelo físico de cuerdas pulsadas STR-1 ^[3]
  • Kronos (2011) lo mismo 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 . ^[4]

Referencias

1. "Artículos, software, muestras de sonido y enlaces sobre síntesis de guías de ondas digitales". Página de inicio de Julius Orion Smith III . Consultado el 17 de julio de 2019 .
2. "Referencia de la clase PluckTwo". The Synthesis ToolKit en C++ (STK) . Consultado el 17 de julio de 2019 .
3. "Dentro de un sintetizador de lujo: creación del Korg OASYS con Linux". O'Reilly Media . 2005-11-09. Archivado desde el original el 2011-08-15 . Consultado el 2019-07-17 .
4. "Cakewalk Dimension Pro". Sonido sobre sonido . Consultado el 17 de julio de 2019 .

Lectura adicional

• Daniel Levitin (7 de mayo de 1994). "Yamaha VL-1 revoluciona la tecnología de los sintetizadores". Billboard : 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 : 56.
• Julius O. Smith (2008). "Arquitecturas de guías de ondas digitales para instrumentos musicales virtuales". En David Havelock; Sonoko Kuwano; Michael Vorländer (eds.). Manual de procesamiento de señales en acústica. Springer. págs. 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 de los modelos. La tecnología que utiliza su PC para generar sonido suele basarse 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.

Enlaces externos

• Introducción básica a la síntesis de guías de ondas digitales, de Julius O. Smith III
• Página de inicio de Síntesis de guías de ondas
• Instrumentos musicales acústicos virtuales: revisión y actualización
• Modelado de sonidos de cuerdas e instrumentos de viento - Revista Sound on Sound , septiembre de 1998
• Jordan Rudess tocando en una grabación de Youtube de Korg Oasys. Nótese el uso del joystick para controlar el efecto de vibrato del modelo físico de cuerdas pulsadas.
• Yamaha VL1 con controlador de respiración vs. sintetizador tradicional para instrumentos de viento