توليف النمذجة الفيزيائية

يشير توليف النمذجة الفيزيائية إلى أساليب توليف الصوت التي يتم فيها حساب شكل الموجة الصوتية المراد توليدها باستخدام نموذج رياضي ، وهو عبارة عن مجموعة من المعادلات والخوارزميات لمحاكاة مصدر فيزيائي للصوت ، وعادة ما يكون آلة موسيقية .

تحاول عملية النمذجة محاكاة قوانين الفيزياء التي تحكم إنتاج الصوت، وعادة ما يكون لها عدة معلمات، بعضها ثوابت تصف المواد والأبعاد الفيزيائية للآلة، بينما البعض الآخر عبارة عن وظائف تعتمد على الوقت تصف تفاعل العازف مع الآلة، مثل نقر الوتر أو تغطية ثقوب الصوت.

على سبيل المثال، لنمذجة صوت الطبل ، يلزم نموذج رياضي يوضح كيفية حقن الطاقة في غشاء ثنائي الأبعاد عند ضرب غشاء الطبل. وبدمج هذا النموذج، يُحاكي نموذج أكبر خصائص الغشاء (كثافة الكتلة، والصلابة، وما إلى ذلك)، وتفاعله مع رنين الجسم الأسطواني للطبل، والظروف عند حدوده (نهاية صلبة لجسم الطبل)، واصفًا حركته بمرور الوقت وبالتالي توليده للصوت.

يمكن إيجاد مراحل مماثلة يمكن نمذجتها في آلات موسيقية مثل الكمان ، على الرغم من أن إثارة الطاقة في هذه الحالة يتم توفيرها من خلال سلوك الانزلاق والالتصاق للقوس مقابل الوتر، وعرض القوس، وسلوك الرنين والتخميد للأوتار، ونقل اهتزازات الوتر عبر الجسر، وأخيرًا، رنين لوحة الصوت استجابةً لتلك الاهتزازات.

بالإضافة إلى ذلك، طُبِّق المفهوم نفسه لمحاكاة الصوت والكلام . ^{[ 1 ]} في هذه الحالة، يتضمن المُركِّب نماذج رياضية لتذبذب الأحبال الصوتية وتدفق الهواء الحنجري المصاحب له، وانتشار الموجات الصوتية الناتج على طول القناة الصوتية . علاوة على ذلك، قد يحتوي أيضًا على نموذج نطقي للتحكم في شكل القناة الصوتية من حيث وضع الشفتين واللسان والأعضاء الأخرى.

على الرغم من أن النمذجة الفيزيائية لم تكن مفهومًا جديدًا في علم الصوتيات والتوليف، حيث تم تنفيذها باستخدام تقريبات الفروق المحدودة لمعادلة الموجة بواسطة هيلر ورويز في عام 1971 ، إلا أنه لم يصبح من الممكن تنفيذ التطبيقات التجارية إلا بعد تطوير خوارزمية كاربلوس-سترونج ، والتحسين والتعميم اللاحق للخوارزمية إلى توليف الموجات الرقمية الفعال للغاية بواسطة جوليوس أو. سميث الثالث وآخرين، وزيادة قوة معالجة الإشارات الرقمية في أواخر الثمانينيات ^{[ 2 ]} .

تعاقدت شركة ياماها مع جامعة ستانفورد في عام 1989 ^{[ 3 ]} لتطوير توليف الموجات الرقمية بشكل مشترك؛ وفي وقت لاحق، فإن معظم براءات الاختراع المتعلقة بهذه التقنية مملوكة لجامعة ستانفورد أو شركة ياماها.

كان أول جهاز توليف نمذجة فيزيائية متاح تجاريًا مصنوع باستخدام توليف الموجات هو Yamaha VL1 في عام 1994. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

على الرغم من أن كفاءة توليف الموجات الرقمية جعلت النمذجة الفيزيائية ممكنة على أجهزة معالجة الإشارات الرقمية الشائعة والمعالجات الأصلية، إلا أن المحاكاة المقنعة للأجهزة الفيزيائية غالباً ما تتطلب إدخال عناصر غير خطية، ووصلات تشتت، وما إلى ذلك. في هذه الحالات، غالباً ما يتم دمج الموجات الرقمية مع طريقة FDTD ، ^{[ 6 ]} أو طريقة العناصر المحدودة أو طريقة مرشح الموجات الرقمية، مما يزيد من متطلبات الحساب للنموذج. ^{[ 7 ]}

• تركيب سلسلة كاربلوس القوية
• توليف الموجات الرقمية
• شبكات التفاعل الجماعي
• تخليق الفورمانت
• تركيب المفصل

• هيلر، ل.؛ رويز، ب. (1971). "توليف الأصوات الموسيقية عن طريق حل معادلة الموجة للأجسام المهتزة". مجلة جمعية هندسة الصوت .

• كاربلوس، ك.؛ سترونج، أ. (1983). "التوليف الرقمي لأصوات الآلات الوترية والطبول". مجلة الموسيقى الحاسوبية . 7 (2). مجلة الموسيقى الحاسوبية، المجلد 7، العدد 2: 43-55 . doi : 10.2307/3680062 . JSTOR 3680062 . 

• جوليوس أو. سميث الثالث (ديسمبر 2010). معالجة الإشارات الصوتية الفيزيائية .

• كادوز، سي.؛ لوتشياني، أ.؛ فلورنس، جيه إل (1993). "كوردس-أنيما  : نظام نمذجة ومحاكاة لتوليف الصوت والصورة: الشكلية العامة". مجلة الموسيقى الحاسوبية . 17/1 (1). مجلة الموسيقى الحاسوبية، مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا، 1993، المجلد 17، العدد 1.

• "الجيل القادم، الجزء الأول". مجلة فيوتشر ميوزيك . العدد  32. دار نشر فيوتشر. يونيو 1995. صفحة  80. الرقم الدولي الموحد للدوريات 0967-0378 . رقم OCLC 1032779031 .  

• مقدمة أساسية في توليف الموجات الرقمية لجوليوس أو سميث الثالث
• تقترب جودة الصوت المُصنّع من جودة صوت الآلات الموسيقية الحقيقية - بيان صحفي صادر عن جامعة ستانفورد عام 1994. مؤرشف بتاريخ 5 مارس 2013 على موقع Wayback Machine.