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乐器音响仿真及虚拟技术概述

时间:2014-02-19 13:21来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文对于乐器声音仿真技术的研究,主要侧重于探讨基于物理模型声音合成技术的原理和发展,以及其在乐器声音仿真中的作用。虽然传统的声音的合成技术(如采样、调频)与乐器声音

前言


在本文的语境中,“仿真”意味着对现实事物的模拟,是基于对事物各个组成部分物理属性的仿制再造;虚拟,则意味着对现实事物的重构,是基于对事物内部逻辑关系的提取重组。二者的最终目的都是尽可能地将事物还原;不同之处在于,前者是一个基于对人类感知结果的模拟过程,后者是一个基于对事物逻辑关系的虚构过程。声音的仿真或虚拟,就是以现实音响为原型,再造或重构声音的过程。无论仿真还是虚拟,都与声音合成技术有着密切的关联。甚至可以说声音仿真技术的发展,也就是声音合成技术的发展。自电子合成器诞生伊始,到现在的计算机虚拟,使用各种技术模仿其他声学类乐器似乎就成为音乐家所热衷的事情。在短短的半个世纪时间内,声音合成技术不断发展日益精进,从二三十年代的模拟技术,到七八十年代的调频和采样回放,再到90年代的物理模型仿真,声音合成已经逐渐达到以假乱真的程度。但是纵观整个声音合成的历史,我们不难发现,声音的仿真合成技术与科技的发展是密切相关的。每一次声音合成技术的进步,都与当时最先进的科技发展有关。如电子管技术、无线电技术、数字存储技术等等都对当时的声音合成技术产生了影响。甚至可以说,声音仿真合成技术的发展史是电子音乐技术发展史中重要的一部分。在上个世纪初,电子管技术方兴未艾,人们发现对电子振荡器进行调制可改变其最终的发声。1928年,法国一位作曲家兼电气工程师默里斯?玛尔托诺夫大胆地把无线电技术与音乐创作联系起来,发明了名为“温德.玛尔托诺”的电子乐器,这可以说是电子合成器的前身。而公认的真正意义上的合成器是1955年由美国无线电广播公司制造的著名的RCA电子合成器(图前-1),其可以通过纸带输入的方式对声音的合成进行控制,并且具备多种调制和滤波手段。1959年又由哥伦比亚大学实验室的贝勒和奥尔逊改进为RCA Markll电子合成器,并把它赠送给哥伦比亚一普林斯顿电子音乐中心。
电+管技术的发展无疑对子合成器的发展产生了巨人的影响,里然当时的合成器体积巨大,并且对于音色的合成还很不成熟,但是它的出现代表了人类第一次可以对音乐进行可控的合成。合成器的发展从20世纪50年代起直到70年代,随着硬件技术的不断发展,合成方法也不断的更新。“在数字技术没有发展之前,声音的合成技术大体只有两类,一是真空电子管、离子管震荡器或晶体管震荡电路,二是使用机械、静电、光电方式驱动的振动系统。”直到70年代末期数字技术兴起,才改变这一状况。一方面,微型处理器的出现完全取代了以往的模拟震荡器,大大争增强了信号的稳定性,另一方面数字存储技术的出现让人们可以将大量数据存储在很体积很小的存储介质中,采样技术也就应运而生了。由于釆样技术对于乐器声音的模拟要比当时的其他技术更为逼真,这完全符合了人们对于真实乐器声音的审美追求,因此在其诞生之后就备受青睐。在釆样技术发展之初,数字存储技术还不成熟,当时想要对声音进行完整的釆样是要付出髙昂代价的。因此在当时技术条件下,只能对声音的某一部分进行采样后,再通过其他方法进行合成完整的声音。但是随着技术的进步,时至今日,数据存储的容量几乎是以几何增长的方式在增加。同时,高效的数据管理系统的出现,也是釆样技术得以发展的关键。如今的数据库系统,除了可以简洁高效的的表明内部数据之间的逻辑关系,同时对于音频文件的支持也愈加成熟,正因如此,当前的采样技术才能够对高保真的音频文件进行各种繁杂的处理与数据存储技术一同发展的还有数据处理技术。处理器的运算速度的不断提高,使得一些以往不可实现的声音合成技术得以发展,如基于物理模型的声音合成技术,其在音色合成的时候需要进行大量的数学运算,因此,这种技术理论虽然很早就被人们提出来,但是直到20世纪末才被人们所实践。从一个世纪前的巨型电子管乐器到现在的一个小小的芯片,声音仿真技术随着科技的发展取得了长足的进步,大到虚拟现实技术、小至语音合成技术,再到乐器仿真技术,人们不断的追求在虚拟环境下模拟真实的乐器声音。人们对于模拟真实世界的愿望是没有止境的,在声音仿真这个领域势必还有很长的路要走。


第二章乐器振动体虚拟仿真


从声学角度看,传统的乐器都可以分为四部分,即振动体、激励体、共鸣体和调控装置。其中振动体是一个乐器发声必不可少的一部分,也是乐器音响的初始原点,乐器的振动体的材质、大小、形状,对于乐器的发音都会起相当重要的作用。因此对于振动体的虚拟效果的好坏会直接决定最终发音的质量。但是由于现实乐器振动体的振动形式多种多样,因此,采用不同的方式对不同类型乐器的虚拟往往会产生更好的效果。目前比较成熟的方法是有限元法和数字波导技术。其中有限元法对于三维物体的振动模拟有着比较优良的效果,如板振动和棒振动等;而数字波导技术对于近似一维的弦振动、空气柱振动的仿真更为便捷;对二维振动,如膜振动的仿真,则可以采用数字波导网格(Digital Waveguide Network)技术来现实。由此,本文的实验方法即以此归类:对于板振动的研究主要采用有限元法来提取其音高及谐音成分;对于弦振动则采用数字波导方法来模拟。


2.1体鸣类乐器的虚拟仿真


2.1.1体鸣类乐器振动特性
在霍恩波斯特-萨克斯分类法中,体鸣类乐器是以一定形状的发声物质为声源体在自由状态下受激发而发声的乐器。主要包括打击乐器类中除鼓外的其他乐器;还包括传统分类法未能列入的一些乐器,如口簧、散扎(非洲)、八音盒、玻璃琴等。此外,还包括一些常用作乐器的生产和生活器具。对于体鸣类乐器的细分,往往按其振动体的形状分为板体类、棒体类。由于体鸣类乐器的形状往往是不规则不对称的,其振动模式也复杂多变,表现在音色上则是其谐音与基频间的非整数比例。正是由于这种复杂性,在对于其声音的仿真往往无法像模拟弦鸣和气鸣类乐器一样通过弦长和吹管长短来确定音高,也正因为这种特点,以往对于体鸣乐器的声音合成多使用真实采样技术或者噪音信号减法合成的方式。


第三章乐器共鸣体的虚拟仿真........... 30
3.1共鸣体共振效果的仿真........... 30
3.1.1共鸣体共振原理........... 30
3.1. 2受迫振动和共振的数学表达........... 31
3.1. 3乐器共鸣系统仿真技术研究现状........... 32
3.1. 4共鸣腔体共振效果模........... 33
3.1. 5实验结果验证 ...........37
3. 2共鸣箱体空气耦合模拟........... 40
3. 2.1空腔耦合作用研究方法简介........... 41
3. 2. 2空腔耦合作用模拟........... 42
3. 3小结........... 43
第四章虚拟合成技术的应用前景及发展趋势...........44
4.1虚拟合成技术的应用前景........... 44
4.1.1乐器设计........... 44
4.1. 2指导音乐装置设计........... 45
4.1.3解决音乐考古领域的音响复原问题........... 47
4.1.4虚拟乐器以及软音源的发展........... 48
4. 2结语........... 48


结论


乐器的声音仿真,是人们追求使用虚拟设备模拟现实世界的产物,自其20世纪初露端倪以来,随着硬件不断的推陈出新,逐步发展出适应各种不同硬件的声音仿真技术。从最早的电子电路震荡到当前的数字波导合成,仿真技术经历了调制合成、频谱合成、釆样合成、基于主观听觉属性合成和基于物理模型合成等几个阶段。而物理模型法则是当前研究的主要方向。当前的物理模型法基本可以分四类,分别为有限元法(Finite Element Method) >数字波导法(Digital Waveguides)、模态合成法(Modal Synthesis)以及对偏微分方程(PDE)求解。本文的研究方向在于论述乐器声音虚拟仿真中使用的物理模型方法,并进行了实操性实验。在具体的研究中,对乐器不同声学部件分别进行了实践:
1、通过有限元法对体鸣乐器中的石磬进行了仿真以及采用数字波导技术对弦的横振动进行了模拟,进而达到模拟乐器振动体的目的。
2、采用有限元法对乐器共鸣体的共振频率进行虚拟运算,实现对其共鸣系统板体共振模拟的目的。同时针对当前国外在稱合腔体的仿真过程中使用的方法进行了一定的介绍。需要声明的是,由于笔者知识结构的欠缺,在本文的论述中还存在许多不足。首先四种物理模型合成法中,笔者只对有限元法和数字波导法进行了实践,而对模态合成以及偏微分方程的求解并未做进一步的探讨。主要原因在于二者的实现过程需要良好的数学基础和算法基础,已超出了本人的能力范围,因此未能进行实践工作。其次,在乐器的仿真实验中,对于膜鸣类乐器的仿真并未涉猎,主要原因是当前对于膜鸣类乐器声音仿真主要使用数字波导网格技术和二维偏微分方程求解,同样超出本人研究能力,因此做进一步论述。


参考文献
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(责任编辑:gufeng)
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