Синтез звука на основе физического моделирования

В отличие от синтеза звука на основе таблицы волн, где источником сигнала является оцифрованные образы звуков реальных музыкальных инструментов, хранящихся в памяти синтезатора, физическое моделирование предусматривает использование математических моделей звукообразования реальных музыкальных инструментов для генерации в цифровом виде соответствующих волновым форм, которые затем преобразуются в звуковой сигнал при помощи ЦАП.

Рассмотрим принцип синтеза звука путем физического моделирования на примере синтеза звука саксофона. Допустим, существует точное математическое описание явлений, происходящих в саксофоне. В качестве источника колебаний выступает трость. Звук усиливается и окрашивается в резонаторе, в качестве которого выступает изогнутая металлическая труба. Синтезатор рассчитывает изменения колебаний воздуха, которые возникают под влиянием движения трости саксофона. На основе полученных данных создается цифровой образ этих колебаний. Затем рассчитываются все изменения, происходящие со звуком в резонаторе и, в соответствии с результатами расчетов формируется цифровая модель звукового сигнала саксофона. Смоделированный цифровой звуковой сигнал преобразуется в электрические колебания с помощью ЦАП звуковой карты.

Фирма Yamaha (пионер в области физического моделирования) производит в настоящее время синтезаторы, имитирующие звучание духовых и струнных инструментов. С помощью этих синтезаторов можно экспериментировать в области формирования звука, комбинируя различные источники колебаний с различными резонаторами и обрабатывая получившийся звук все возможными фильтрами.

По принципу физического моделирования звука работают так называемые программные (виртуальные) синтезаторы. Необходимые расчеты звучания инструментов вместо аппаратного синтезатора звуковой карты выполняет CPU PC. Результат математического моделирования, т. е. поток цифровых данных – от виртуального синтезатора направляется в ЦАП звуковой карты.

Звуковые карты, использующие синтез звука на основе физического моделирования, пока не получили широкого распространения, поскольку для их работы требуется мощный PC.

Характеристики модуля синтезатора

Основными характеристиками модуля синтезатора звуковой системы являются:

• Метод синтеза звука;

• Объем памяти для хранения пат чей;

• Возможность аппаратной обработки сигнала для создания звуковых эффектов;

• Полифония - максимальное количество одновременно воспроизводимых элементарных звуков.

Примечание:

Полифония определяется числом генераторов синтезатора (реальных или виртуальных).

Метод синтеза

Метод синтеза, использующийся в звуковой системе PC, определяет не только качество звука, но и ее элементный состав. Заметим, что звуковая система PC может содержать несколько синтезаторов.

FM-синтезатор используется практически во всех недорогих звуковых картах. Качество звука при использовании FM - синтезатора получается достаточно приемлемым и в большинстве случаев способно удовлетворить запросы неискушенных пользователей. Для карт с FM-синтезаторами полифония обычно составляет 20 голосов. Звуковые эффекты не реализуются.

В случае WT-синтеза звук генерируется с высоким качеством. При этом звуковая подсистема должна содержать специальный WT-синтезатор.