La síntesis de modelado físico se refiere a métodos de síntesis de sonido en los que la forma de onda del sonido 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 .
El modelado intenta replicar las leyes de la física que gobiernan la producción de 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 puntear una cuerda o tapar agujeros.
Por ejemplo, para modelar el sonido de un tambor , habría un modelo matemático de cómo al golpear el parche se inyecta energía en una membrana bidimensional. Incorporando esto, un modelo más grande simularía 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 tanto su generación de sonido.
Se pueden encontrar etapas similares a modelar en instrumentos como el violín , aunque la excitación de energía en este caso la proporciona el comportamiento de deslizamiento del arco contra la cuerda, el ancho del arco, la resonancia y el comportamiento de amortiguación del instrumento. cuerdas, la transferencia de vibraciones de las cuerdas a través del puente y, finalmente, la resonancia de la tapa armónica en respuesta a esas vibraciones.
Además, se ha aplicado el mismo concepto para simular la voz y los sonidos del habla . [1] En este caso, el sintetizador incluye modelos matemáticos de la oscilación de las cuerdas vocales y el flujo de aire laríngeo asociado, y la consiguiente propagación de ondas acústicas a lo largo del tracto vocal . Además, también puede contener un modelo articulatorio para controlar la forma del tracto vocal en términos 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 en diferencias finitas de la ecuación de onda en 1971 [ cita requerida ] , no fue hasta el desarrollo del algoritmo de Karplus-Strong , el posterior refinamiento y generalización del algoritmo en la síntesis de guías de ondas digitales extremadamente eficiente por Julius O. Smith III y otros, [ cita necesaria ] y el aumento de la potencia del DSP a finales de la década de 1980 [2] que hicieron factibles las implementaciones comerciales.
Yamaha firmó un contrato con la Universidad de Stanford en 1989 [3] para desarrollar conjuntamente la síntesis de guías de ondas 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 fabricado mediante síntesis de guía de ondas fue el Yamaha VL1 en 1994. [4] [5]
Si bien la eficiencia de la síntesis de guías de ondas 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 ondas digitales a menudo se combinan con FDTD , [6] métodos de filtro digital de elementos finitos u ondas, aumentando las demandas computacionales del modelo. [7]
Ejemplos de síntesis de modelado físico: