Когда вы полны творческого вдохновения и осознаете, что нуждаетесь в первоклассном звучании акустической гитары, к чему потянется ваша рука? Вы автоматически воспользуетесь сэмплером или ромплером?

Проблема с сэмплами в том, что они по своей природе статичны. Можно придать им форму с помощью фильтров и других субтрактивных инструментов, но если речь идет о реалистичном исполнении, то этого мало. Убедительного акустического звучания пока что с их помощью добиться не получится.

Дело в том, что сэмплированный звук всегда проигрывается полностью от начала до конца, всегда одинаково. Конечно, можно для придания различных нюансов применить субтрактивные функции, такие как изменение velocity, или даже можно поменять стартовые и конечные точки лупа. Но все же, вы будете иметь дело с одной и той же записью статичного звука.

Много усилий было приложено к изменению этой ситуации. Существуют сэмлеры, содержащие несколько гигабайт сэмплов записанных с различными значениями velocity, c разным расположением микрофонов и т.д. с целью придать некое сходство с настоящими инструментами. В то же время многие из электронных музыкантов не довольны тем, что их винчестеры набиваются огромными количествами сэмплов. Они требуют реалистичности и непредсказуемости. Физическое моделирование предоставляет все это и многое другое.

Модель поведения

Вам наверно доводилось встречать термин физическое моделирование в описаниях синтезаторов и эффектов. Эта технология существует уже многие годы и применялась ко всему — от создания аналоговых синтезаторов до точной симуляции гитарных усилителей и эффектов. Тем не мене необходимо понимать разницу между физическим моделированием и обычным моделированием. В обоих случаях утверждается, что определенный инструмент или его поведение воссоздается в цифровой форме. Многие производители используют термин моделирование ко всему, что пытается эмулировать другое устройство.

Физическое моделирование использует полную математическую модель, в которой сигналы рассчитываются в реальном времени.

Инструменты физического моделирования требуют другого взгляда на звук. Если вы знакомы только с аналоговыми синтезаторами, вам придется немного подучиться. Так как физическое моделирование базируется на реальных акустических и электроакустических структурах. Сами алгоритмы физического моделирования очень просты в использовании. Некоторые гибридные инструменты, такие как Tassman от компании Applied Acoustic Systems, позволяет смешивать и согласовывать моделирующие технологии с инструментарием присущим субтрактивным синтезаторам, таким как фильтры и генераторы огибающих.

Современное физическое моделирование берет свои корни у знаменитого алгоритма Karplus-Strong. Многие старожилы наверно помнят, как набирали код на «древних» персональных компьютерах, который позволял неуклюжим старым сэмплерам создавать простой звук струны. Для создания звука струны использовались только числа, никакой записи. Все было бы очень хорошо, если бы не ужасная непрактичность. Ирония в том, что алгоритм использовался для субтрактивного синтеза, с использованием сигнала генератора шума пропущенного через линию задержки и затем через фильтр. Отфильтрованный сигнал посылался на выход.

Алгоритм был доработан и улучшен почти исключительно усилиями Джулиуса О Смита (Julius O Smith) и в конечном счете приведен к тому что теперь известно как цифровой волноводный синтез (Digital Waveguide Synthesis), который используется не только для симулирования звука струны и перкуссии, но также и для таких резонаторов как трубы (полые цилиндры) и барабанные мембраны.

Возбудители

Вам все еще что-то непонятно? Не беспокойтесь. Все что действительно нужно знать это то, что строительные блоками для  физического моделирования являются возбудители (exciter) и резонаторы (resonator). В разных синтезаторах эти элементы могут называться по-другому, но они обязательно присутствуют.

В естественном мире, звуки создаются вибрирующими звуковыми волнами. Эти вибрации могут происходить от струны, воздуха движущегося через полую трубу, или кожи барабана. Это – резонаторы. То, что приводит их в колебание — это возбудители. Возбудителем может быть медиатор или рука, палочка или молоточек, ударяющий по поверхности. Воздух, продуваемый через трубочку, тоже является возбудителем.

Синтезаторы физического моделирования позволяют управлять возбудителями и резонаторами, используемыми для генерации звука. Некоторые инструменты разработаны для специфических целей и не выходят за рамки сферы предназначения. Гитарный синтезатор, например, может включать параметры для настройки жесткости струны, силе удара  по струне, а также противодействие струны. Инструмент, разработанный для симуляции перкуссии, с другой стороны, может иметь регуляторы типа и тяжести палочек, а также напряженность и материал барабанной головки.

Только практика позволяет добиться результата

Несмотря на то, что все вышесказанное звучит очень впечатляюще, физическое моделирование никогда не пользовалось той популярностью, которую могло бы иметь. То, что делает его привлекательным в глазах одних, делает его ограниченным в применении для других. Одним из сильных аргументов в защиту физического моделирования является то, что смоделированный инструмент никак не привязан к статическому сигналу. Смоделированный инструмент отвечает и реагирует на игру исполнителя также как инструмент, изготовленный из дерева или металла. Но чтобы добиться такого результата необходимо вовлечение и практика, что собственно и делает его менее популярным.

Все же, если вы когда-нибудь захотите создать убедительный реальный звук или создать новый, несуществующий «акустический» инструмент, физическое моделирование поможет вам осуществить эту мечту.

Источник: Computer Music Special 26

Продолжение: Физическое моделирование на практике

Перейти к  содержанию: Синтез звука. Основы.