Síntesis de guías de ondas digitales

La síntesis de guía de ondas digital es la síntesis de audio utilizando 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,

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

¿Dónde está la onda que va hacia la derecha y es la onda que va hacia la izquierda? Se puede ver en esta representación que muestrear 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 como los puntos de suspensión de cuerdas vibrantes o los extremos abiertos o cerrados de los tubos. Por tanto, las ondas viajan a lo largo de circuitos cerrados. ${\displaystyle y^{+}}$ ${\displaystyle y^{-}}$ ${\displaystyle y}$ ${\displaystyle m}$ ${\displaystyle n}$

Por lo tanto, los modelos de guías de ondas digitales comprenden líneas de retardo digitales para representar la geometría de la guía de ondas que se cierran por recursividad, filtros digitales para representar las pérdidas dependientes de la frecuencia y una suave dispersión en el medio y, a menudo, elementos no lineales . Las pérdidas incurridas en todo el medio generalmente se consolidan de modo que puedan calcularse una vez al final de una línea de retraso, en lugar de muchas veces a lo largo de toda la línea.

Las guías de ondas, como los tubos acústicos, son tridimensionales, pero debido a que 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 se usan en los tambores , se pueden modelar usando mallas de guías de ondas bidimensionales, y la reverberación en espacios tridimensionales se puede modelar usando mallas tridimensionales. Las barras de vibráfono , campanas , cuencos tibetanos y otros sólidos sonoros (también llamados idiófonos ) se pueden modelar mediante un método relacionado llamado guías de ondas con 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 los sólidos.

El término "síntesis de guía de ondas digitales" fue acuñado por Julius O. Smith III, quien ayudó a desarrollarlo y finalmente presentó la patente. Representa una extensión del algoritmo de Karplus-Strong . La Universidad de Stanford poseía los derechos de patente para la síntesis de guías de ondas digitales 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 prototipos de software de guía de ondas en el Synthesis Toolkit (STK). ^{[1] [2]}

El primer uso musical de la síntesis de guías de ondas digitales 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 (alrededor de 10.000 dólares)
  • 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 alta gama SWG-1000. El módulo de tono de montaje en bastidor 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 tarjetas de sonido y placas base de PC DS-XG económicas (la parte VL solo funcionaba en Windows 95, 98, 98SE y ME, y solo cuando se usaban controladores .VxD , no . WDM ). Ya no se fabrica, presumiblemente debido a un conflicto con los estándares de tarjetas de sonido AC-97 y AC-99 (que especifican ' wavetables ' ( tablas de muestra ) basadas en el sistema de sonido GS competidor XG de Roland , que Sondius-XG [los medios para integrar Los instrumentos y comandos VL en una transmisión MIDI compatible con XG junto con los instrumentos y comandos XG de tabla de ondas] no pueden integrarse). La porción MIDI de dichos chips de sonido, cuando el VL estaba habilitado, era funcionalmente equivalente a un módulo de tono MU50 Nivel 1 XG (menos ciertos efectos digitales) con mayor polifonía (hasta 64 notas simultáneas, en comparación con 32 para el Nivel 1 XG) más un VL70m (el VL agrega una nota adicional de polifonía o, más bien, una nota solista de VL respaldada por hasta 64 notas de polifonía de la parte de la tabla de ondas XG). El 724 solo admitía salida estéreo, mientras que los demás admitían varias configuraciones de cuatro o más altavoces. La propia tarjeta de Yamaha que los usaba 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 pico de popularidad de la tecnología. La parte del sintetizador MIDI (tanto XG como VL) de los chips YMF era en realidad solo asistencia de hardware para un sintetizador principalmente de software que residía en el controlador del dispositivo (las muestras de la tabla de ondas XG, por ejemplo, estaban en la RAM del sistema con el controlador [y podían ser reemplazado o agregado 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 verdaderamente de hardware, pero no tanto como un sintetizador de software puro. Hacia el final de su período de mercado, las tarjetas YMF-724 se podían conseguir por tan solo $12 USD nuevas, lo que las convierte, con diferencia, en el medio menos costoso para 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, pero por lo demás era idéntico al YMF-744.
  • Sintetizador de software S-YXG100plus-VL para PC con cualquier tarjeta de sonido (nuevamente, la parte VL solo funcionó en Windows 95, 98, 98SE y ME: emuló un controlador de dispositivo MIDI .VxD). Igualmente equivalente a un MU50 (menos ciertos efectos digitales) más un VL70m. La versión que no es VL, S-YXG50, funcionaría en cualquier sistema operativo Windows, pero no tenía modelado físico y era solo el emulador de tabla de ondas MU50 XG. Esta fue básicamente 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 puede 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 suficientemente potentes.
  • S-YXG100plus-PolyVL SoftSynth para PC entonces potentes (por ejemplo, Pentium III de 333+MHz ), capaz de reproducir hasta ocho notas VL a la vez (todas las demás implementaciones de Yamaha VL, excepto el VL1 y el VL1m originales, estaban limitadas a una, y el VL1/ 1 m podría hacer dos), además de hasta 64 notas de tabla de ondas XG de la parte del sintetizador suave que emula MU50. Nunca se vendió en los EE. UU., pero se vendió en Japón. Es de suponer que se podría crear un sistema mucho más potente con las CPU de doble núcleo de varios GHz de hoy en día, pero la tecnología parece haber sido abandonada. Hipotéticamente también se podría utilizar con un sistema de chipset YMF para combinar sus capacidades en CPUs 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 ^[3]
  • Kronos (2011) igual que OASYS
• Técnica
  • WSA1 (1995) PCM + resonador
• Sistemas videntes
  • 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. "Documentos de síntesis, software, muestras de sonido y enlaces de guías de ondas digitales". Página de inicio de Julius Orion Smith III . Consultado el 17 de julio de 2019 .
2. "Referencia de clase PluckTwo". El kit de herramientas de síntesis en C++ (STK) . Consultado el 17 de julio de 2019 .
3. "Dentro de un sintetizador de lujo: creación de Korg OASYS con tecnología Linux". Medios O'Reilly . 2005-11-09. Archivado desde el original el 15 de agosto de 2011 . Consultado el 17 de julio de 2019 .
4. "Dimensión Cakewalk Pro". Sonido sobre sonido . Consultado el 17 de julio de 2019 .

Otras lecturas

• Daniel Levitin (7 de mayo de 1994). "Yamaha VL-1 revoluciona la tecnología de sintetizadores". Cartelera : 102–103.
• Yamaha VL1. Sintetizador acústico virtual, Sonido sobre sonido , julio de 1994
• Paul Verna (2 de agosto de 1997). "Yamaha y Stanford unen fuerzas. El programa de licencias ofrece nuevas tecnologías". Cartelera : 56.
• Julio 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. Saltador. págs. 399–417. ISBN 978-0-387-77698-9.
• Martín Russ (2008). Síntesis y muestreo de sonido. Prensa focalizada. págs. 288–289. ISBN 978-0-240-52105-3.
• Brian Heywood (22 de noviembre de 2005) Comportamiento modelo. La tecnología que utiliza su PC para producir sonido generalmente se basa en la reproducción de una muestra de audio. Brian Heywood busca alternativas., PC Pro
• Stefan Bilbao (2009). Síntesis numérica de sonido: esquemas de diferencias finitas y simulación en acústica musical. John Wiley e hijos. págs. 11-14. ISBN 978-0-470-51046-9.
• Lutz Trautmann; Rudolf Rabenstein (2003). Síntesis de sonido digital mediante modelado físico mediante el método de transformación funcional. Saltador. págs. 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 guía 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 reproduciéndose en la grabación de Youtube de Korg Oasys. Tenga en cuenta el uso del joystick para controlar el efecto de vibrato del modelo físico de cuerdas pulsadas.
• Yamaha VL1 con controlador de respiración versus sintetizador tradicional para instrumentos de viento