EP1175668B1 - Device for calculating and generating signals, especially for digital sound synthesis - Google Patents
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- EP1175668B1 EP1175668B1 EP00925212A EP00925212A EP1175668B1 EP 1175668 B1 EP1175668 B1 EP 1175668B1 EP 00925212 A EP00925212 A EP 00925212A EP 00925212 A EP00925212 A EP 00925212A EP 1175668 B1 EP1175668 B1 EP 1175668B1
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Classifications
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- G10H2250/511—Physical modelling or real-time simulation of the acoustomechanical behaviour of acoustic musical instruments using, e.g. waveguides or looped delay lines
- G10H2250/535—Waveguide or transmission line-based models
Definitions
- the invention relates to a device and a method for signal calculation and generation, in particular for digital sound synthesis, by computer-aided simulation of oscillation processes in acoustic musical instruments or other vibrating structures. Such a simulation is called physical modeling or virtual acoustics.
- FM synthesis frequency modulation
- modulator controlling the other (carrier).
- complex spectra can be generated, which can also have nonlinearities in the time domain. Quite complex sounds can be produced with several systems of this type connected in parallel, but the authentic reproduction of acoustic musical instruments is not possible.
- the vibrations of real musical instruments are stored as a sequence of samples and played back on demand.
- Three different methods are used to save storage space. On the one hand, it is assumed that the oscillation shape changes only slightly after the transient process. As a result, a few samples can be read out in a loop. The minor changes are realized in subsequent filters.
- the second method is pitch shifting (transposing). In order not to have to record and store all pitches of the real musical instrument, the recorded tone can be transposed.
- the third method for efficient memory utilization is data reduction (loss of sound quality) and data compression (no loss of sound quality). The advantage of sampling lies in the exact replica of a played sound. This means that the variability of a real instrument cannot be realized.
- a sound synthesis method in the frequency domain is an additive synthesis in which sine waves of different frequencies and amplitudes are added in variable mutual phase positions.
- the difficulty with this sound synthesis lies in the determination of the above. Parameter. These can only be obtained approximately by suitable analysis (short-term Fourier transformation) of the real instrument sound. Noise-like sounds can only be generated with considerable effort with this method.
- the formant synthesis assumes that the sound of an acoustic musical instrument has certain frequency ranges, which are emphasized regardless of the pitch currently being played.
- short waveforms are used, which are additively superimposed and faded into one another. All of these short waveforms emphasize the formant frequencies.
- the partial differential equation is converted into a difference equation with a fixed location and time step size.
- This can be solved in the computer.
- the disadvantage of this method is the high numerical effort with a sufficiently small local step size.
- This method can also be used to solve multi-dimensional model equations, but the numerical effort increases enormously.
- Modal synthesis assumes that any complex vibrating structure can be broken down into substructures that can be characterized by their modes (natural vibrations) and damping constants.
- a coupling also non-linear
- the modes can only be determined experimentally.
- Waveguides are the most widely used method for the physical modeling of musical instruments. This is due to the simple implementation on the one hand and the low computing power required on the other.
- the waveguide method is based on forward and returning waves on an oscillatory structure, which can be represented by delay lines. The losses and dispersion during the oscillation are concentrated in transfer functions. With this method, vibrations of multidimensional structures can also be realized, but this requires a network of delay lines that communicate with each other by means of multidimensional connections (scattering junctions).
- the invention has for its object to provide a signal generating device that allows a relatively simple means to simulate or simulate the oscillations of an oscillatory structure signal generation.
- the signal generation device and the signal generation method according to the invention allow, among other things, digital sound synthesis and are based on an exact model of the physical vibration generation, in particular sound generation.
- the structure of a system that can be implemented with digital components is then derived from this.
- the resulting parallel arrangement of digital recursive systems is more than an interconnection of digital oscillators.
- the digital recursive systems have degrees 1, 2 or multiples thereof.
- Each individual digital recursive system thus not only forms the frequency, but also the course of the time envelope of a natural vibration of a fictitious or real sound body in accordance with the underlying physical Model exactly after.
- the output signal of the parallel arrangement thus corresponds to the overtone spectrum of the physical model in the entire listening area.
- the finite difference method discretizes a partial differential equation of the model and then solves it. This has the disadvantage that the discretization can result in instabilities which are not present in a continuous model and thus in the method presented here. Furthermore, with the finite difference method, all deflections of the location points within the scanning grid must be calculated at all times. This requires a very high computing power, even with simple structures. With the method presented here, however, individual and arbitrary location points can be picked out and their movement can be simulated. This severely limits the computing power required.
- the overall vibration of a system can be synthesized from its partial vibrations.
- the vibrational forms of very complex models can be solved directly without having to resort to an experimental analysis. In principle, this makes any shapes and boundary conditions of the vibrating structures possible.
- the functional transformation method presented here also allows physically exact and separate treatment of excitations, initial conditions and boundary conditions. This is of great importance for understanding the synthetic process and thus for the user. It is also advantageous that digital structures are specified to generate the vibrations.
- the method presented here has the advantage that the oscillation (e.g. of a string) is e.g. by using the Sturm-Liouville transformation exactly (depending on the exactness of the vibration differential equation).
- the vibration can only be calculated approximately.
- the listening position or pitch as well as any other physical constant of the musical instrument can be changed in a simple manner in the method presented here.
- the transfer functions have to be recalculated.
- the method and the device are also characterized by high speed.
- acoustic musical instruments can be reproduced much more nuanced and true to the original than with other forms of synthesis such as sampling.
- the invention can thus be used advantageously, for example, in electronic musical instruments such as keyboards, synthesizers, expanders and computer sound cards with algorithms for physical modeling.
- the algorithms can also be designed according to the invention, which perform the sound calculation directly on the CPU a PC or on special sound cards with digital signal processors (DSPs).
- DSPs digital signal processors
- the method presented here thus simulates vibration processes with the aid of a representation using multidimensional models, recursive systems being used for the implementation. It differs from the algorithms already implemented in electronic or digital musical instruments, among others. in the exactness of the result and in the direct input of various vibration excitations. While the z.Z. The usual algorithms for physical modeling, because of their internal structures, the audible vibrations of strings or air columns can only be approximated, the method presented here can reproduce these vibrations exactly. Despite this accuracy, the real-time capability of the presented method is given.
- the coefficient c contains physical parameters of the string material.
- the type of assumptions made determines the number and order of the partial derivatives and the coefficients of the differential equation.
- An excitation term not specified here describes the excitation of the vibration, e.g. through a painted bow.
- the initial conditions describe the condition of the string at the start of the vibration, e.g. by striking or plucking the string.
- the boundary conditions indicate how the string attachment affects its vibration behavior.
- Another equivalent model in the form of a multidimensional transfer function is obtained from the description of vibrations by partial differential equations.
- the mathematical tool for this are suitable functional transformations for the time and location coordinates. They not only convert the partial differential equation into an algebraic equation, but also allow an exact consideration of the initial and boundary conditions. This process is called the functional transformation method. The handling of this mathematical method is outlined in the next section.
- the initial boundary value problem (1) creates a boundary value problem for the Laplace transform Y (x, s) of the solution y (x, t).
- c 2 s 2 Y ( x, s ) ⁇ 4 ⁇ x 4 Y ( x, s ) + Arousal + initial values and boundary conditions
- the second derivative of y (x, t) in (1) becomes a multiplication with the second power of the complex frequency variable s .
- the initial conditions from (1) appear as an additive term in (3), which contains the given initial values.
- the local frequency variable ⁇ ⁇ takes discrete values and corresponds to the natural frequencies of the system.
- the exact definition of the local transformation T depends on the form of the partial differential equation. In the simple case of (1) it is
- x 0 and x 1 are the coordinates of the start and end point of the string.
- the transformation core K ( ⁇ ⁇ , x) also depends on the partial differential equation (1) and describes the shape of the natural vibrations. In the present case they are sinusoidal, in the case of more complex vibration problems they can take other forms.
- N ⁇ is a standardization factor. If the transformation core K ( ⁇ ⁇ , x) is a sinoder is a cos function, the back transformation T -1 corresponds to a development of Y (x, s) into a Fourier series with the coefficients Y ⁇ ( ⁇ ⁇ , s ). The forward transformation T then corresponds to the formula for calculating the Fourier coefficients.
- the counter can also be a polynomial in s and ⁇ ⁇ .
- the conversion of the mathematical model according to FIG. 2 into a digital system is described below.
- the purpose of this digital system is to generate sounds based on a physical model.
- the time course of the vibration amplitude (deflection, sound pressure) should be reproduced at one or more desired location points.
- the discrete times are integer multiples of the sampling interval T, which is to be chosen according to the sampling theorem.
- the discrete location points can be chosen according to number and location.
- the starting point for the construction of the digital system is the representation by transfer functions according to FIG. 2.
- Each transfer function according to (10) can be used for a fixed value of ⁇ as a description of a location-independent continuous system of the second order.
- FIG. 3 shows a digital system for emulating the system from FIG. 2, digital subsystems D E , D A , D R (systems 5 to 7) instead of the continuous systems 1 to 3 with the transfer functions S E , S A , S R are provided.
- the output signals of the systems 5 to 7 are also combined here as in FIG. 2 via an adder 8 to form an output signal y (x n , kT).
- the structure of the individual subsystems 5 to 7 shown in FIG. 3 ( D E , D A , D R ) is the same in each case and is shown in FIG. 4 for one of the subsystems.
- At the inputs of input 1 to input m are each components of excitation, initial values and boundary values for the eigenfrequencies of ⁇ . Couplings between the individual recursive systems 9, 11 and 12 also occur in the case of nonlinear models.
- FIG. 4 shows the structure of one of the digital systems D E , D A , D R (one of the systems 5 to 7) from FIG. 3 for excitation, initial or boundary values.
- the structure is basically the same for all systems 5 to 7.
- the output signals of the multipliers 10, 12, 14 ... are added via an adder 15, which generates the output signal y l (x n , kT).
- the systems R 1 to R m arise from the transfer functions (10) by means of the transformations mentioned (pulse, step invariant, bilinear). They are described by difference equations that have the same order as that Have transfer function (10) in the temporal frequency range or a multiple thereof.
- An advantageous implementation of these systems 10, 12 and 14 is shown in FIG. 5, which illustrates the structure of one of these digital systems. All systems are preferably constructed identically as shown in FIG. 5.
- Each system is designed as a recursive digital filter (IIR filter with infinite impulse response), the input signal of which is present at input 20, evaluated via several, here three branches 21, 22 and 23 with different weighting factors b 0 , b 1 , b 2 and at adder 24 , 27, 30 is created.
- the output signal y ⁇ (k) emitted by the adder 30 forms the output signal of the entire system 9, 11 or 13 and is fed back via branches 25, 28 to the adders 24 and 27 under evaluation with weakening weighting factors -c 0 , -c 1 .
- the output signal of the adder 24 is applied via a time delay element 26 to a third input of the adder 27, the output signal of which in turn is fed via a time delay element 29 to a second input of the output-side adder 30.
- the weighting factors b o , b 1 , b 2 are calculated from the physical quantities of the vibration model. The same applies to the weighting factors -c o and -c 1 .
- the time constants T of the time delay elements 26 and 29 are determined from the sampling frequency.
- These signals describe the time course of the individual natural vibrations. This results from the inverse transformation T -1 according to equation (7), the time profile of the entire output signal.
- the summation point 15 in FIG. 4 corresponds to the sum in (7).
- K ⁇ (x n ) 1 N ⁇ K ( ⁇ ⁇ . x n )
- the basic structure of the overall system for digital sound synthesis is shown in FIG. 6.
- the physical model 33 and its parameters 34 are taken from an acoustic model and only serve to define the design parameters of the overall system, but as such do not constitute part of the overall system it doesn't matter whether this acoustic model can be realized with technical means and reasonable effort or not. It is only important that it represents an oscillatory system that is described by known physical laws.
- the mathematical description of the acoustic model is available as a physical model with its parameters for sound synthesis.
- the system shown in Fig. 6 below the dashed dividing line consists of the components: a parallel arrangement 38 of digital recursive systems; an arithmetic unit 35; a coefficient memory 36; an excitation device 37; and a control unit (control device) 39.
- the parallel arrangement 38 of digital recursive systems consists of the digital systems 5, 6, 7 (systems D E , D A , D R ) from FIG. 3 with the structure shown in FIGS. 4 and 5.
- the individual recursive systems consist of adders, multipliers and Storage elements (time delay elements), as shown in FIG. 5 using an example.
- the number of storage elements is equal to the number of time derivatives in the underlying partial differential equation or a multiple thereof.
- Every natural oscillation (harmonic) of the physical system is realized by a digital recursive system. Their parallel arrangement then reproduces the overtone spectrum. Couplings of these parallel systems occur in non-linear models.
- the number of recursive systems connected in parallel can preferably be limited to the number of overtones within the listening area without impairing the auditory impression.
- the coupled parallel arrangement 38 of digital recursive systems is fundamentally suitable for emulating all oscillation processes which are described by the corresponding partial differential equation (also non-linear).
- the synthesis of a certain sound requires the determination of the coefficients of the individual digital systems. They are calculated in the arithmetic unit 35 from the parameters of the physical model. These parameters are the physical constants that characterize the vibration process.
- the calculation rules result from the simulation of the transfer function through a digital implementation.
- the derivation of the coefficients of the recursive systems from a transfer function ensures that the natural frequencies and the temporal decay behavior of the physical system and the digital implementation correspond exactly.
- the coefficient memory 36 receives one or more sets of coefficients from the arithmetic logic unit 35 and loads them into the parallel arrangement 38 of digital recursive systems upon request by the control device 39.
- excitation by one or more input signals is required. These input signals are also simulated according to the physical model and stored in the excitation device.
- the excitation is derived from the partial differential equation of the oscillatory system and takes into account the initial values (e.g. struck or plucked string), the boundary values (e.g. rope vibrations) and the excitation function (e.g. resonances).
- control device 39 takes over the sequence control of the arithmetic unit 35, coefficient memory 36, parallel arrangement 38 and excitation device 37. These possibilities can be used not only to simulate the vibrations of real musical instruments or other sound bodies, but also to synthesize sounds, their natural generation is not possible for technical reasons.
- the output signal output at the output 40 of the parallel arrangement 38 represents the desired signal to be generated and can be used or processed in a suitable manner.
- a D / A converter can be connected to output 40 and its analog output signal, if necessary. after amplification by an amplifier to be placed on a speaker
- a parallel or cascade arrangement of several systems according to FIG. 6 is also possible, the output signal of a system serving as an excitation for the downstream system.
- the output signal of a system serving as an excitation for the downstream system.
- combinations thereof are also possible.
- these location points can also be chosen such that the entire sound field emanating from the vibrating body can be approximated exactly or approximately based on the synthesis results at the points x n .
- a corresponding differential equation for two or three location coordinates can also be used as a physical model, so that several location dimensions can be simulated.
- the location functions K ⁇ (x n ) in FIG. 4 are then also dependent on two or three location dimensions.
- the arrangement described above for sound synthesis based on a physical model can also be used for the synthesis of general vibrations, i.e. serve to simulate other physical oscillation processes, if these can be described by partial differential equations. It then represents a digital realization for the simulation of general vibrating bodies, fluids and energy fields.
- the arrangement described above can also serve for the simultaneous synthesis of potential and flux size. This is not a scalar differential equation, but to start from a vector differential equation for potential and flux size.
- the method presented here can be e.g. Implement in the programming language JAVA for implementation for a vibrating instrument string, which can also take into account the rotational inertia and shear of the string. This has been successfully accomplished by the inventors. In this program, all physical parameters of the real string can be entered, which makes it easy to simulate their vibration behavior.
- the non-linearities that occur when a string is excited can also be taken into account and real-time capability can be achieved.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Signalberechnung und -erzeugung, insbesondere zur digitalen Klangsynthese, durch rechnergestützte Nachbildung von Schwingungsvorgängen bei akustischen Musikinstrumenten oder anderen schwingenden Gebilden. Eine solche Nachbildung wird als physikalische Modellierung bzw. als virtuelle Akustik bezeichnet.The invention relates to a device and a method for signal calculation and generation, in particular for digital sound synthesis, by computer-aided simulation of oscillation processes in acoustic musical instruments or other vibrating structures. Such a simulation is called physical modeling or virtual acoustics.
Zur Einordnung der physikalischen Modellierung in die digitale Klangsynthese werden zunächst allgemein verwendete Verfahren, insbesondere klassische direkte Syntheseverfahren, erörtert.To classify physical modeling in digital sound synthesis, generally used methods, in particular classic direct synthesis methods, are first discussed.
Eines der ersten weit verbreiteten Verfahren zur digitalen Klangsynthese arbeitet mit Frequenzmodulation (FM-Synthese) und wurde 1973 von Chowning entwikkelt. Bei der FM-Synthese werden mindestens zwei Oszillatoren eingesetzt, wobei der eine (Modulator) den anderen (Träger) steuert. Mit diesem Algorithmus können komplexe Spektren erzeugt werden, die auch Nichtlinearitäten im Zeitbereich aufweisen können. Mit mehreren parallel geschalteten Systemen dieser Art können zwar recht komplexe Klänge erzeugt werden, jedoch ist die authentische Nachbildung von akustischen Musikinstrumenten damit nicht möglich.One of the first widely used methods for digital sound synthesis uses frequency modulation (FM synthesis) and was developed by Chowning in 1973. FM synthesis uses at least two oscillators, with one (modulator) controlling the other (carrier). With this algorithm, complex spectra can be generated, which can also have nonlinearities in the time domain. Quite complex sounds can be produced with several systems of this type connected in parallel, but the authentic reproduction of acoustic musical instruments is not possible.
Beim Sampling werden die Schwingungen von real gespielten Musikinstrumenten als Folgen von Abtastwerten gespeichert und auf Abruf abgespielt. Um Speicherplatz zu sparen, werden drei verschiedene Methoden angewendet. Zum einen wird davon ausgegangen, daß sich nach dem Einschwingvorgang an der Schwingungsform nur wenig ändert. Dadurch können wenige Abtastwerte in einer Schleife ausgelesen werden. Die geringfügigen Veränderungen werden in anschließenden Filtern realisiert. Die zweite Methode besteht in der Tonhöhenverschiebung (Transponierung). Um nicht alle Tonhöhen des realen Musikinstrumentes aufnehmen und abspeichern zu müssen, kann der aufgenommene Ton transponiert werden. Zur effizienten Speicherausnutzung kann als dritte Methode die Datenreduktion (Verluste bei der Klangqualität) und die Datenkompression (keine Verluste bei der Klangqualität) herangezogen werden. Der Vorteil beim Sampling liegt in der exakten Nachbildung eines gespielten Klanges. Dadurch kann aber die Variabilität eines echten Instrumentes nicht realisiert werden.In the case of sampling, the vibrations of real musical instruments are stored as a sequence of samples and played back on demand. Three different methods are used to save storage space. On the one hand, it is assumed that the oscillation shape changes only slightly after the transient process. As a result, a few samples can be read out in a loop. The minor changes are realized in subsequent filters. The second method is pitch shifting (transposing). In order not to have to record and store all pitches of the real musical instrument, the recorded tone can be transposed. The third method for efficient memory utilization is data reduction (loss of sound quality) and data compression (no loss of sound quality). The advantage of sampling lies in the exact replica of a played sound. This means that the variability of a real instrument cannot be realized.
Bei der Klangsynthese mit Wavetables werden kurze Samples von Musikinstrumenten ineinander übergeblendet, wodurch komplexere und variablere Klänge als beim einfachen Sampling erreicht werden können.When synthesizing sounds with wavetables, short samples of musical instruments are faded into one another, making it possible to achieve more complex and variable sounds than with simple sampling.
Ein Klangsyntheseverfahren im Frequenzbereich stellt eine additive Synthese dar, bei der Sinusschwingungen verschiedener Frequenz und Amplitude in variablen gegenseitigen Phasenlagen aufaddiert werden. Die Schwierigkeit bei dieser Klangsynthese besteht in der Bestimmung der o.g. Parameter. Diese können nur näherungsweise durch geeignete Analyse (Kurzzeit-Fourier-Transformation) des realen Instrumententons erhalten werden. Rauschartige Klänge können bei diesem Verfahren nur mit erheblichem Aufwand erzeugt werden.A sound synthesis method in the frequency domain is an additive synthesis in which sine waves of different frequencies and amplitudes are added in variable mutual phase positions. The difficulty with this sound synthesis lies in the determination of the above. Parameter. These can only be obtained approximately by suitable analysis (short-term Fourier transformation) of the real instrument sound. Noise-like sounds can only be generated with considerable effort with this method.
Im Gegensatz zur additiven Synthese werden bei der subtraktiven Synthese Frequenzen einer rauschartigen Quelle durch anschließende Filterung unterdrückt. Dies hat den Vorteil, daß rauschartige Klänge leicht generiert werden können. Monofrequente Töne können aber nur mit hohem Filteraufwand erreicht werden.In contrast to additive synthesis, frequencies of a noise-like source are suppressed by subsequent filtering in subtractive synthesis. This has the advantage that noise-like sounds can be easily generated. Monofrequency tones can only be achieved with a high filter effort.
Die Formant-Synthese geht davon aus, daß der Klang eines akustischen Musikinstruments bestimmte Frequenzbereiche besitzt, die unabhängig von der gerade gespielten Tonhöhe betont werden. Bei den hierauf basierenden Verfahren werden kurze Wellenformen verwendet, die additiv überlagert und ineinander übergeblendet werden. Alle diese kurzen Wellenformen betonen dabei die Formantfrequenzen.The formant synthesis assumes that the sound of an acoustic musical instrument has certain frequency ranges, which are emphasized regardless of the pitch currently being played. In the methods based on this, short waveforms are used, which are additively superimposed and faded into one another. All of these short waveforms emphasize the formant frequencies.
Die Gemeinsamkeit aller dieser Syntheseverfahren besteht darin, daß sie vom Klang eines simulierten Instrumentes ausgehen. Bei der physikalischen Modellierung wird demgegenüber nicht mehr vom Klang eines Musikinstrumentes ausgegangen, sondern von dessen konstruktivem Aufbau und von den daraus resultierenden Eigenschaften. Ausgangspunkt sind dabei partielle Differentialgleichungen, deren Lösung die Wellenform und damit den Klang des Instrumentes bestimmt. Der Vorteil der physikalischen Modellierung liegt in der musikalischen Ausdruckskraft, die mit diesem Ansatz erreicht werden kann. Dies kann mit den folgenden Verfahren realisiert werden.The commonality of all these synthetic methods is that they start from the sound of a simulated instrument. In contrast, physical modeling no longer starts from the sound of a musical instrument, but from its constructive structure and the resulting properties. The starting point is partial differential equations, the solution of which determines the waveform and thus the sound of the instrument. The advantage of physical modeling is musical Expressiveness that can be achieved with this approach. This can be done using the following procedures.
Bei der numerischen Lösung wird die partielle Differentialgleichung in eine Differenzengleichung mit fester Orts- und Zeitschrittweite umgewandelt. Diese kann im Rechner gelöst werden. Der Nachteil dieser Methode besteht in dem hohen numerischen Aufwand bei ausreichend kleiner Ortsschrittweite. Mit dieser Methode können auch mehrdimensionale Modellgleichungen gelöst werden, wobei der numerische Aufwand aber enorm ansteigt.In the numerical solution, the partial differential equation is converted into a difference equation with a fixed location and time step size. This can be solved in the computer. The disadvantage of this method is the high numerical effort with a sufficiently small local step size. This method can also be used to solve multi-dimensional model equations, but the numerical effort increases enormously.
Die Modale Synthese geht davon aus, daß jede komplexe vibrierende Struktur in Unterstrukturen zerlegt werden kann, die durch ihre Moden (Eigenschwingungen) und Dämpfungskonstanten charakterisiert werden können. Eine Kopplung (auch nichtlinear) besteht dabei nur zwischen gleichen Moden, ein Energieaustausch zwischen verschiedenen Moden ist nicht möglich. Bei komplexen Strukturen ist eine Bestimmung der Moden nur experimentell möglich.Modal synthesis assumes that any complex vibrating structure can be broken down into substructures that can be characterized by their modes (natural vibrations) and damping constants. A coupling (also non-linear) only exists between the same modes, an energy exchange between different modes is not possible. With complex structures, the modes can only be determined experimentally.
Beim Masse-Feder-Modell von Cadoz u.a. (1983) wird das zu untersuchende schwingende Objekt in einzelne Massepunkte zerlegt, die mit idealen Federn und Dämpfern miteinander verbunden sind. Durch Diskretisierung der physikalisch begründeten Differentialgleichungen erhält man Differenzengleichungen, die im Rechner implementiert werden können. Der Nachteil dieser Methode liegt in der enormen Rechenkapazität auch schon bei einfachen Strukturen.In the mass-spring model by Cadoz and others (1983) the vibrating object to be examined is broken down into individual mass points, which are connected with ideal springs and dampers. By discretizing the physically based differential equations, one obtains differential equations that can be implemented in the computer. The disadvantage of this method is the enormous computing capacity even with simple structures.
Wellenleiter stellen die am weitesten verbreitete Methode zur physikalischen Modellierung von Musikinstrumenten dar. Dies liegt zum einen an der einfachen Realisierung und zum anderen an der geringen benötigten Rechenleistung. Die Wellenleiter-Methode geht von vor- und rücklaufenden Wellen auf einem schwingungsfähigen Gebilde aus, die durch Verzögerungsleitungen dargestellt werden können. Die Verluste sowie Dispersion während der Schwingung werden konzentriert in Übertragungsfunktionen realisiert. Mit dieser Methode können auch Schwingungen mehrdimensionaler Strukturen realisiert werden, dies erfordert aber ein Netz aus Verzögerungsleitungen, die mittels mehrdimensionaler Verbindungen (Scattering Junctions) miteinander kommunizieren.Waveguides are the most widely used method for the physical modeling of musical instruments. This is due to the simple implementation on the one hand and the low computing power required on the other. The waveguide method is based on forward and returning waves on an oscillatory structure, which can be represented by delay lines. The losses and dispersion during the oscillation are concentrated in transfer functions. With this method, vibrations of multidimensional structures can also be realized, but this requires a network of delay lines that communicate with each other by means of multidimensional connections (scattering junctions).
Die Nachteile dieser Synthesemethode bestehen in der aufwendigen Filterrealisierung, insbesondere bei geringen Tonhöhenveränderungen, da die Verzögerungsleitung nur um ganze Zahlenwerte verändert werden kann. Die kontinuierlichen Tonhöhenveränderungen müssen in den Übertragungsfunktionen im Rückkopplungszweig realisiert werden. Dadurch sind die verwendeten Übertragungsfunktionen nicht mehr allein physikalisch motiviert, sondern müssen meist experimentell bestimmt werden. Eine derartige Synthesemethode ist beispielsweise aus der US-A-5 256 830 bekannt.The disadvantages of this synthesis method are the complex filter implementation, especially with small pitch changes, since the delay line can only be changed by whole numerical values. The continuous pitch changes must be implemented in the transfer functions in the feedback branch. As a result, the transfer functions used are no longer physically motivated, but usually have to be determined experimentally. Such a synthesis method is known for example from US-A-5 256 830.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalerzeugungsvorrichtung zu schaffen, die eine die Schwingungen eines schwingungsfähigen Gebildes nachbildende oder simulierende Signalgenerierung mit verhältnismäßig einfachen Mittel verlaubt.The invention has for its object to provide a signal generating device that allows a relatively simple means to simulate or simulate the oscillations of an oscillatory structure signal generation.
Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features mentioned in claim 1.
Weiterhin wird mit der Erfindung ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 8 geschaffen.Furthermore, the invention creates a method according to claim 8.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the subclaims.
Die erfindungsgemäße Signalerzeugungsvorrichtung und das erfindungsgemäße Signalerzeugungsverfahren erlauben u.a. eine digitale Klangsynthese und beruhen auf einem exakten Modell der physikalischen Schwingungserzeugung, insbesondere Klangerzeugung. Hieraus wird dann die Struktur eines Systems abgeleitet, das mit digitalen Bauelementen realisiert werden kann. Die entstehende Parallelanordnung digitaler rekursiver Systeme ist mehr als eine Zusammenschaltung digitaler Oszillatoren. Je nach der beschreibenden partiellen Differentialgleichung haben die digitalen rekursiven Systeme den Grad 1, 2 oder Vielfache davon. Jedes einzelne digitale rekursive System bildet damit nicht nur die Frequenz, sondern auch den Verlauf der zeitlichen Einhüllenden jeweils einer Eigenschwingung eines fiktiven oder realen Klangkörpers gemäß dem zugrundeliegenden physikalischen Modell exakt nach. Das Ausgangssignal der Parallelanordnung entspricht damit im gesamten Hörbereich dem Obertonspektrum des physikalischen Modells.The signal generation device according to the invention and the signal generation method according to the invention allow, among other things, digital sound synthesis and are based on an exact model of the physical vibration generation, in particular sound generation. The structure of a system that can be implemented with digital components is then derived from this. The resulting parallel arrangement of digital recursive systems is more than an interconnection of digital oscillators. Depending on the descriptive partial differential equation, the digital recursive systems have degrees 1, 2 or multiples thereof. Each individual digital recursive system thus not only forms the frequency, but also the course of the time envelope of a natural vibration of a fictitious or real sound body in accordance with the underlying physical Model exactly after. The output signal of the parallel arrangement thus corresponds to the overtone spectrum of the physical model in the entire listening area.
Vorteilhaft ist auch die Modellierung und digitale Realisierung der Anregung aus den Anfangs- und Randwerten, sowie der Erregungsfunktion der partiellen Differentialgleichung eines schwingungsfähigen Systems.It is also advantageous to model and digitally implement the excitation from the initial and boundary values, as well as the excitation function of the partial differential equation of an oscillatory system.
Wie bereits vorstehend erwähnt, unterscheiden sich die Verfahren mit physikalischer Modellierung von den übrigen Verfahren durch eine mögliche nuancierte Spielweise der simulierten Instrumente. Diese musikalische Phrasierbarkeit und die einfache Variabilität des Instrumentes und der daraus folgende Klang ist ein großer Vorteil der physikalischen Modellierung. Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren mit einigen anderen Methoden zur Verdeutlichung der erfindungsgemäß erzielbaren Vorteile verglichen.As already mentioned above, the methods with physical modeling differ from the other methods by a possible nuanced way of playing the simulated instruments. This musical phrasing and the simple variability of the instrument and the resulting sound is a great advantage of physical modeling. The method according to the invention is compared below with some other methods to illustrate the advantages achievable according to the invention.
Die Finite-Differenzen-Methode diskretisiert eine partielle Differentialgleichung des Modells und löst sie dann. Dies hat den Nachteil, daß durch die Diskretisierung Instabilitäten entstehen können, die bei einem kontinuierlichen Modell und damit bei der hier vorgestellten Methode nicht vorhanden sind. Desweiteren müssen bei der Finiten-Differenzen-Methode alle Auslenkungen der Ortspunkte innerhalb des Abtastrasters zu jedem Zeitpunkt berechnet werden. Dies erfordert eine sehr hohe Rechenleistung, auch schon bei einfachen Strukturen. Bei der hier vorgestellten Methode können dagegen einzelne und beliebige Ortspunkte herausgegriffen und deren Bewegung simuliert werden. Dadurch wird die benötigte Rechenleistung stark begrenzt.The finite difference method discretizes a partial differential equation of the model and then solves it. This has the disadvantage that the discretization can result in instabilities which are not present in a continuous model and thus in the method presented here. Furthermore, with the finite difference method, all deflections of the location points within the scanning grid must be calculated at all times. This requires a very high computing power, even with simple structures. With the method presented here, however, individual and arbitrary location points can be picked out and their movement can be simulated. This severely limits the computing power required.
Bei der erfindungsgemäßen Technik kann die Gesamtschwingung eines Systems aus dessen Teilschwingungen synthetisiert werden. Im Gegensatz zur Modalen Synthese lassen sich hierbei aber auch die Schwingungsformen sehr komplexer Modelle direkt lösen, ohne daß auf eine experimentelle Analyse zurückgegriffen werden müßte. Dadurch sind im Prinzip beliebige Formen und Randbedingungen der schwingungsfähigen Gebilde möglich.In the technique according to the invention, the overall vibration of a system can be synthesized from its partial vibrations. In contrast to modal synthesis, the vibrational forms of very complex models can be solved directly without having to resort to an experimental analysis. In principle, this makes any shapes and boundary conditions of the vibrating structures possible.
Die hier vorgestellte Funktionaltransformationsmethode erlaubt außerdem eine physikalisch exakte und voneinander getrennte Behandlung von Erregungen, Anfangsbedingungen und Randbedingungen. Dies ist für das Verständnis des Syntheseverfahrens und damit für den Anwender von großer Bedeutung. Vorteilhaft ist dabei ferner, daß zur Erzeugung der Schwingungen digitale Strukturen angegeben werden.The functional transformation method presented here also allows physically exact and separate treatment of excitations, initial conditions and boundary conditions. This is of great importance for understanding the synthetic process and thus for the user. It is also advantageous that digital structures are specified to generate the vibrations.
Gegenüber der Wellenleiter-Methode hat das hier vorgestellte Verfahren den Vorteil, daß die Schwingung (z.B. einer Saite) zu jedem Zeitpunkt z.B. durch Verwendung der Sturm-Liouville-Transformation exakt (abhängig von der Exaktheit der Schwingungsdifferentialgleichung) berechnet wird. Mit der Wellenleiter-Methode kann dagegen die Schwingung nur näherungsweise berechnet werden. Zusätzlich kann bei der hier vorgestellten Methode in einfacher Weise die Abhörposition oder auch die Tonhöhe sowie jede andere physikalische Konstante des Musikinstrumentes geändert werden. Bei der Wellenleiter-Methode müssen dagegen die Übertragungsfunktionen neu berechnet werden.Compared to the waveguide method, the method presented here has the advantage that the oscillation (e.g. of a string) is e.g. by using the Sturm-Liouville transformation exactly (depending on the exactness of the vibration differential equation). With the waveguide method, however, the vibration can only be calculated approximately. In addition, the listening position or pitch as well as any other physical constant of the musical instrument can be changed in a simple manner in the method presented here. With the waveguide method, however, the transfer functions have to be recalculated.
Außerdem müssen in dem hier vorgestellten Verfahren lediglich die physikalischen Eigenschaften (Elastizitätsmodul, Maße, Dichte usw.) z.B. der Saite und deren Randbedingungen (Befestigungsarten an beiden Enden) angegeben werden. Dies verspricht eine direkte und leicht verständliche Klangbeeinflussung im Gegensatz zum Stand der Technik.In addition, in the method presented here, only the physical properties (modulus of elasticity, dimensions, density, etc.) e.g. the string and its boundary conditions (types of attachment at both ends). This promises a direct and easily understandable sound influence in contrast to the prior art.
Durch den Einsatz des diskreten rekursiven Systems zur Berechnung der Schwingung ist Echtzeitfähigkeit gegeben. Das Verfahren und die Vorrichtung zeichnen sich hierbei auch durch hohe Geschwindigkeit aus.By using the discrete recursive system to calculate the vibration, real-time capability is given. The method and the device are also characterized by high speed.
Mit der physikalischen Modellierung lassen sich akustische Musikinstrumente wesentlich nuancierter und originalgetreuer nachbilden als durch andere Syntheseformen wie z.B. durch Sampling. Die Erfindung ist damit z.B. bei elektronischen Musikinstrumenten wie Keyboards, Synthesizern, Expandern und Computer-Soundkarten mit Algorithmen zur physikalischen Modellierung vorteilhaft einsetzbar. Auch können in sogenannten Software-Synthesizern die Algorithmen erfindungsgemäß ausgelegt werden, welche die Klangberechnung direkt auf der CPU eines PCs bzw. auf speziellen Soundkarten mit Digitalen Signalprozessoren (DSPs) durchführen.With physical modeling, acoustic musical instruments can be reproduced much more nuanced and true to the original than with other forms of synthesis such as sampling. The invention can thus be used advantageously, for example, in electronic musical instruments such as keyboards, synthesizers, expanders and computer sound cards with algorithms for physical modeling. In so-called software synthesizers, the algorithms can also be designed according to the invention, which perform the sound calculation directly on the CPU a PC or on special sound cards with digital signal processors (DSPs).
Das hier vorgestellte Verfahren simuliert somit Schwingungsvorgänge mit Hilfe einer Darstellung durch mehrdimensionale Modelle, wobei zur Realisierung rekursive Systeme eingesetzt werden. Es unterscheidet sich von den in elektronischen bzw. digitalen Musikinstrumenten bereits implementierten Algorithmen u.a. in der Exaktheit des Ergebnisses und in der direkten Eingabe von verschiedenartigen Schwingungsanregungen. Während bei den z.Z. üblichen Algorithmen zur physikalischen Modellierung aufgrund deren inneren Strukturen die hörbaren Schwingungen von Saiten oder Luftsäulen nur angenähert werden können, vermag das hier vorgestellte Verfahren diese Schwingungen exakt zu reproduzieren. Trotz dieser Exaktheit ist die Echtzeitfähigkeit des vorgestellten Verfahrens gegeben.The method presented here thus simulates vibration processes with the aid of a representation using multidimensional models, recursive systems being used for the implementation. It differs from the algorithms already implemented in electronic or digital musical instruments, among others. in the exactness of the result and in the direct input of various vibration excitations. While the z.Z. The usual algorithms for physical modeling, because of their internal structures, the audible vibrations of strings or air columns can only be approximated, the method presented here can reproduce these vibrations exactly. Despite this accuracy, the real-time capability of the presented method is given.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
- Fig. 1 zeigt ein schematisches, vereinfachtes Modell einer schwingenden Saite,
- Fig. 2 zeigt eine Ein-Ausgangs-Beschreibung durch Übertragungsfunktionen,
- Fig. 3 zeigt ein digitales System zur Nachbildung des Systems gemäß Fig. 2,
- Fig. 4 zeigt die Struktur eines der für Erregung, Anfangs- oder Randwerte vorgesehenen digitalen Systeme gemäß Fig. 3,
- Fig. 5 zeigt die Struktur eines in Fig. 4 gezeigten digitalen Systems, und
- Fig. 6 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Gesamtsystems eines Ausführungsbeispiels zur digitalen Klangsynthese.
- 1 shows a schematic, simplified model of a vibrating string,
- 2 shows an input-output description by transfer functions,
- 3 shows a digital system for emulating the system according to FIG. 2,
- FIG. 4 shows the structure of one of the digital systems according to FIG. 3 provided for excitation, initial or boundary values,
- Fig. 5 shows the structure of a digital system shown in Fig. 4, and
- 6 shows the basic structure of the overall system of an exemplary embodiment for digital sound synthesis.
Ausgangspunkt der nachfolgenden Erläuterung ist ein physikalisches Modell in Gestalt einer partiellen Differentialgleichung. Es entsteht aus der Beschreibung des Verhaltens von Saiten, Luftsäulen oder anderen schwingungsfähigen Gebilden durch die Grundgleichungen der Akustik oder der Elastizitätstheorie. Je nach dem Detaillierungsgrad dieser physikalischen Modelle erhält man unterschiedliche partielle Differentialgleichungen, z.B. für Luftschwingungen; Longitudinalwellen einer Saite; oderTransversalwellen einer Saite mit oder ohne Berücksichtigung von Rotation und Scherung.The starting point for the explanation below is a physical model in the form of a partial differential equation. It arises from the description of the behavior of strings, air columns or other vibratory structures through the basic equations of acoustics or the elasticity theory. Depending on the level of detail of these physical models, different partial differential equations are obtained, e.g. for air vibrations; Longitudinal waves of a string; or transverse waves of a string with or without consideration of rotation and shear.
Fig. 1 zeigt ein vereinfachtes Modell einer schwingenden Saite. Mögliche Vereinfachungen sind z.B. die Vernachlässigung der Dicke gegenüber der Länge der Saite, die Annahme einer vollkommen starren Auflage an den Enden, die Vernachlässigung von Rotation und Scherung, etc. Unter diesen Bedingungen werden Transversalschwingungen dieser Saite durch folgende Differentialgleichungen beschrieben:
Der Koeffizient c enthält physikalische Kenngrößen des Saitenmaterials. Die Art der gemachten Annahmen bestimmt Anzahl und Ordnung der partiellen Ableitungen und die Koeffizienten der Differentialgleichung. Ein hier nicht näher angegebener Erregungsterm beschreibt die Anregung der Schwingung, z.B. durch einen gestrichenen Bogen. Die Anfangsbedingungen beschreiben den Zustand der Saite bei Beginn der Schwingung, z.B. durch Anschlagen oder Zupfen der Saite. Die Randbedingungen geben an, wie die Befestigung der Saite am Rand ihr Schwingungsverhalten beeinflusst.The coefficient c contains physical parameters of the string material. The type of assumptions made determines the number and order of the partial derivatives and the coefficients of the differential equation. An excitation term not specified here describes the excitation of the vibration, e.g. through a painted bow. The initial conditions describe the condition of the string at the start of the vibration, e.g. by striking or plucking the string. The boundary conditions indicate how the string attachment affects its vibration behavior.
Für die Umsetzung von partiellen Differentialgleichungen in zeit- und ortsdiskrete Simulationsmodelle, die mit einem Digitalrechner oder mit Bauelementen der Digitaltechnik realisiert werden können, gibt es verschiedene Verfahren. Dazu zählen Finite-Differenzen- und Finite-Elemente-Methoden der numerischen Mathematik, die jedoch die numerische Lösung großer Gleichungssysteme erfordern und daher keine einfache technische Realisierung zulassen.There are various methods for converting partial differential equations into time- and location-discrete simulation models that can be implemented with a digital computer or with digital technology components. These include finite difference and finite element methods in numerical mathematics, which, however, require the numerical solution of large systems of equations and therefore do not allow simple technical implementation.
Bei einer bevorzugten Methode wird aus der Beschreibung von Schwingungen durch partielle Differentialgleichungen ein anderes gleichwertiges Modell in Gestalt einer mehrdimensionalen Übertragungsfunktion gewonnen. Das mathematische Werkzeug dazu sind geeignete Funktionaltransformationen für die Zeit- und die Ortskoordinate. Sie wandeln nicht nur die partielle Differentialgleichung in eine algebraische Gleichung um, sondern erlauben auch eine exakte Berücksichtigung der Anfangs- und Randbedingungen. Dieses Verfahren wird Funktionaltransformationsmethode genannt. Die Handhabung dieser mathematischen Methode wird im nächsten Abschnitt skizziert.In a preferred method, another equivalent model in the form of a multidimensional transfer function is obtained from the description of vibrations by partial differential equations. The mathematical tool for this are suitable functional transformations for the time and location coordinates. They not only convert the partial differential equation into an algebraic equation, but also allow an exact consideration of the initial and boundary conditions. This process is called the functional transformation method. The handling of this mathematical method is outlined in the next section.
Die Darstellung des Verhaltens von elektronischen Netzwerken - beschrieben durch gewöhnliche Differentialgleichungen - durch Übertragungsfunktionen ist seit langem Stand der Technik. Durch Anwendung der Laplace-Transformation auf eine gewöhnliche Differentialgleichung und die zugehörigen Anfangsbedingungen entsteht eine algebraische Gleichung, die die Anfangswerte als additive Terme enthält. Durch Auflösen der algebraischen Gleichung nach der Laplace-Transformierten des Ausgangssignals entsteht ein Ein-Ausgangsmodell in Gestalt einer Übertragungsfunktion. Dieses Vorgehen wird hier auf die vorliegende partielle Differentialgleichung übertragen. Zunächst wird auf die Transformation für die Zeitvariable eingegangen.The representation of the behavior of electronic networks - described by ordinary differential equations - by transfer functions has long been state of the art. Applying the Laplace transform to an ordinary differential equation and the associated initial conditions creates an algebraic equation that contains the initial values as additive terms. Solving the algebraic equation after the Laplace transform of the output signal creates an input-output model in the form of a transfer function. This procedure is applied here to the partial differential equation. First, the transformation for the time variable is discussed.
Durch die Anwendung der Laplace-Transformation:
Aus der zweiten Ableitung von y(x,t) in (1) wird hier eine Multiplikation mit der zweiten Potenz der komplexen Frequenzvariable s. Außerdem treten die Anfangsbedingungen aus (1) als additiver Term in (3) auf, der die gegebenen Anfangswerte enthält.The second derivative of y (x, t) in (1) becomes a multiplication with the second power of the complex frequency variable s . In addition, the initial conditions from (1) appear as an additive term in (3), which contains the given initial values.
Es wird nun eine geeignete Transformation für die Ortsvariable durchgeführt, die die Randbedingungen in der gleichen Weise in einen additiven Term umwandelt, wie die Laplace-Transformation dies mit den Anfangsbedingungen getan hat. Eine solche Transformation ist die Sturm-Liouville-Transformation:
Die örtliche Frequenzvariable βµ nimmt diskrete Werte an und entspricht den Eigenfrequenzen des Systems. Die genaue Definition der örtlichen Transformation T hängt von der Form der partiellen Differentialgleichung ab. In dem einfachen Fall von (1) lautet sie
Hier sind x 0 und x 1 die Koordinaten von Anfangs- und Endpunkt der Saite. Der Transformationskern K(β µ,x) hängt ebenfalls von der partiellen Differentialgleichung (1) ab und beschreibt die Form der Eigenschwingungen. Im hier vorliegenden Fall sind sie sinusförmig, bei komplizierteren Schwingungsproblemen können sie andere Formen annehmen.Here x 0 and x 1 are the coordinates of the start and end point of the string. The transformation core K (β µ , x) also depends on the partial differential equation (1) and describes the shape of the natural vibrations. In the present case they are sinusoidal, in the case of more complex vibration problems they can take other forms.
Die Eigenfrequenzen nehmen nur diskrete Werte an; im einfachsten Fall sind sie Vielfache der Grundschwingung. Die Rücktransformation besteht daher aus einer Summe über die vorkommenden Eigenschwingungen:
Durch inverse Laplace-Transformation erhält man aus (6) die Lösung der Gleichung (1):
Diese Form der Lösung ist aber für die praktische Berechnung noch nicht optimal, da die Zeitverläufe der spektralen Komponenten
Bei richtiger Wahl der Eigenfrequenzen βµ und der Eigenfunktionen K(β µ,x) führt die Anwendung der Transformation T auf das Randwertproblem (3) zu einer algebraischen Gleichung:
Sie kann nach der Transformierten
Abhängig von der Art der Erregung, den Anfangs- oder Randbedingungen kann auch der Zähler ein Polynom in s und βµ sein.Depending on the type of excitation, the initial or boundary conditions, the counter can also be a polynomial in s and β µ .
Fig. 2 zeigt diese Ein-Ausgangs-Beschreibung in Form eines Blockdiagramms. Die Systeme 1 bis 3 (System 1 (S E ) für die Erregung, System 2 (SA) für die Anfangswerte, und System 3 (S R ) für die Randwerte) werden jeweils durch Übertragungsfunktionen nach (10) beschrieben. Ihre Ausgangssignale werden über einen Addierer 4 zur Bildung des Ausgangssignals y(x, t) zusammengefaßt.2 shows this input-output description in the form of a block diagram. Systems 1 to 3 (system 1 ( S E ) for excitation, system 2 (S A ) for the initial values, and system 3 ( S R ) for the boundary values) are each described by transfer functions according to (10). Their output signals are combined via an adder 4 to form the output signal y (x, t).
Die hier dargestellte mathematische Beschreibung eines schwingungsfähigen Systems durch Eigenfrequenzen und Eigenschwingungen (bzw. Eigenwerte und Eigenfunktionen) ist die Grundlage für die Konstruktion eines hier offenbarten digitalen Systems zur Schwingungssynthese, insbesondere Klangsynthese. Die Konstruktionsprinzipien werden im nächsten Abschnitt erläutert.The mathematical description of a system capable of oscillation represented by natural frequencies and natural oscillations (or eigenvalues and eigenfunctions) is the basis for the construction of a digital system for oscillation synthesis, in particular sound synthesis, which is disclosed here. The design principles are explained in the next section.
Nachstehend wird die Überführung des mathematischen Modells gemäß Fig. 2 in ein digitales System beschrieben. Der Zweck dieses digitalen Systems ist die Generierung von Klängen nach einem physikalischen Vorbild. Dabei sollen die Zeitverläufe der Schwingungsamplitude (Auslenkung, Schalldruck) an einem oder mehreren gewünschten Ortspunkten reproduziert werden. Das bedeutet, daß das Ausgangssignal des digitalen Systems der Ausgangsgröße y(x,t) aus Fig. 2 an den diskreten Zeitpunkten t=kT und den diskreten Ortspunkten x=x n möglichst exakt entspricht. Die diskreten Zeitpunkte sind ganzzahlige Vielfache des Abtastintervalls T, das entsprechend dem Abtasttheorem zu wählen ist. Die diskreten Ortspunkte können nach Zahl und Lage beliebig gewählt werden.The conversion of the mathematical model according to FIG. 2 into a digital system is described below. The purpose of this digital system is to generate sounds based on a physical model. The time course of the vibration amplitude (deflection, sound pressure) should be reproduced at one or more desired location points. This means that the output signal of the digital system corresponds as exactly as possible to the output variable y (x, t) from FIG. 2 at the discrete times t = kT and the discrete location points x = x n . The discrete times are integer multiples of the sampling interval T, which is to be chosen according to the sampling theorem. The discrete location points can be chosen according to number and location.
Ausgangspunkt für die Konstruktion des digitalen Systems ist die Darstellung durch Übertragungsfunktionen nach Fig. 2. Jede Übertragungsfunktion nach (10) läßt sich für einen festen Wert von µ als Beschreibung eines ortsunabhängigen kontinuierlichen Systems zweiter Ordnung auffassen. Für die Überführung kontinuierlicher Systeme in diskrete Systeme existieren bekannte Transformationen, wie die impuls- oder sprunginvariante Transformation oder die bilineare Transformation. Wenn solche Transformationen auf jede der Übertragungsfunktionen nach (10) und für jeden Wert von µ angewandt werden, entsteht aus dem zeitund ortskontinuierlichen System nach Fig. 2 ein zeitdiskretes System, dessen Reaktion den Ausgang von Fig. 2 für die Zeitpunkte t=kT nachbildet. Wird zusätzlich die Rücktransformation nach (6) an diskreten Ortspunkten x=x n ausgewertet, so entsteht ein zeit- und ortsdiskretes System nach Fig. 3 mit dem gleichen prinzipiellen Aufbau wie in Fig. 2.The starting point for the construction of the digital system is the representation by transfer functions according to FIG. 2. Each transfer function according to (10) can be used for a fixed value of µ as a description of a location-independent continuous system of the second order. Known transformations exist for the conversion of continuous systems into discrete systems, such as the pulse or step invariant transformation or the bilinear transformation. If such transformations are applied to each of the transfer functions according to (10) and for every value of µ, the time and location continuous system according to FIG. 2 results in a discrete-time system, the reaction of which simulates the output of FIG. 2 for the times t = kT . If the back-transformation according to (6) is additionally evaluated at discrete location points x = x n , a time- and location-discrete system according to FIG. 3 is created with the same basic structure as in FIG. 2.
Fig. 3 zeigt ein digitales System zur Nachbildung des Systems aus Fig. 2, wobei nun digitale Teilsysteme D E , D A , D R (Systeme 5 bis 7) anstelle der kontinuierlichen Systeme 1 bis 3 mit den Übertragungsfunktionen S E , S A , S R vorgesehen sind. Die Ausgangssignale der Systeme 5 bis 7 werden auch hier wie bei Fig. 2 über einen Addierer 8 zu einem Ausgangssignal y(xn, kT) zusammengefaßt. Die Struktur der in Fig. 3 gezeigten einzelnen Teilsysteme 5 bis 7 (D E , D A , D R ) ist jeweils gleich und in Fig. 4 für eines der Teilsysteme dargestellt. An den Eingängen Eingang 1 bis Eingang m liegen jeweils die Komponenten von Erregung, Anfangswerten bzw. Randwerten für die Eigenfrequenzen µ an. Bei nichtlinearen Modellen treten außerdem Kopplungen zwischen den einzelnen rekursiven Systemen 9, 11 und 12 auf.3 shows a digital system for emulating the system from FIG. 2, digital subsystems D E , D A , D R (systems 5 to 7) instead of the continuous systems 1 to 3 with the transfer functions S E , S A , S R are provided. The output signals of the systems 5 to 7 are also combined here as in FIG. 2 via an adder 8 to form an output signal y (x n , kT). The structure of the individual subsystems 5 to 7 shown in FIG. 3 ( D E , D A , D R ) is the same in each case and is shown in FIG. 4 for one of the subsystems. At the inputs of input 1 to input m are each components of excitation, initial values and boundary values for the eigenfrequencies of μ. Couplings between the individual recursive systems 9, 11 and 12 also occur in the case of nonlinear models.
Fig. 4 zeigt die Struktur eines der digitalen Systeme D E , D A , D R (eines der Systeme 5 bis 7) aus Fig. 3 für Erregung, Anfangs- oder Randwerte. Der Aufbau ist für alle Systeme 5 bis 7 grundsätzlich gleich. Mit jedem Eingang 1 bis m ist jeweils eine Reihenschaltung aus einem System 9, 11 bzw. 13 (System R1, R2, bzw. Rm) und einem Verstärker oder Multiplikator 10, 12 bzw. 14 verbunden, der das Ausgangssignal des zugehörigen Systems 9, 11 bzw. 13 mit einem Faktor Kµ(x n ) (mit µ = 1 bis m) multipliziert. Die Ausgangssignale der Multiplikatoren 10, 12, 14 ... werden über einen Addierer 15 addiert, der das Ausgangssignal yl(xn, kT) erzeugt. Die Systeme R 1 bis R m entstehen aus den Übertragungsfunktionen (10) durch die genannten Transformationen (impuls-, sprunginvariant, bilinear). Sie werden durch Differenzengleichungen beschrieben, die die gleiche Ordnung wie die Übertragungsfunktion (10) im zeitlichen Frequenzbereich oder ein Vielfaches davon besitzen. Eine vorteilhafte Realisierung dieser Systeme 10, 12 bzw. 14 ist in Fig. 5 gezeigt, die die Struktur eines dieser digitalen Systeme veranschaulicht. Alle Systeme sind vorzugsweise identisch so, wie in Fig. 5 gezeigt, aufgebaut.FIG. 4 shows the structure of one of the digital systems D E , D A , D R (one of the systems 5 to 7) from FIG. 3 for excitation, initial or boundary values. The structure is basically the same for all systems 5 to 7. With each input 1 to m, a series connection of a system 9, 11 or 13 (system R 1 , R 2 or R m ) and an amplifier or multiplier 10, 12 or 14 is connected, which the output signal of the associated Systems 9, 11 and 13 multiplied by a factor K µ (x n ) (with µ = 1 to m). The output signals of the multipliers 10, 12, 14 ... are added via an adder 15, which generates the output signal y l (x n , kT). The systems R 1 to R m arise from the transfer functions (10) by means of the transformations mentioned (pulse, step invariant, bilinear). They are described by difference equations that have the same order as that Have transfer function (10) in the temporal frequency range or a multiple thereof. An advantageous implementation of these systems 10, 12 and 14 is shown in FIG. 5, which illustrates the structure of one of these digital systems. All systems are preferably constructed identically as shown in FIG. 5.
Jedes System ist hierbei als rekursives Digitalfilter (IIR-Filter mit unendlicher Impulsantwort) ausgebildet, dessen am Eingang 20 anliegendes Eingangssignal über mehrere, hier drei Zweige 21, 22 und 23 mit unterschiedlichen Gewichtungsfaktoren b0, b1, b2 bewertet und an Addierer 24, 27, 30 angelegt wird. Das vom Addierer 30 abgegebene Ausgangssignal yµ(k) bildet das Ausgangssignal des gesamten Systems 9, 11 oder 13 und wird über Zweige 25, 28 auf die Addierer 24 und 27 unter Bewertung mit abschwächenden Gewichtungsfaktoren -c0, -c1 rückgekoppelt. Das Ausgangssignal des Addierers 24 wird über ein Zeitverzögerungsglied 26 an einen dritten Eingang des Addierers 27 angelegt, dessen Ausgangssignal seinerseits über ein Zeitverzögerungsglied 29 zu einem zweiten Eingang des ausgangsseitigen Addierers 30 gespeist wird. Die Gewichtungsfaktoren bo, b1, b2 berechnen sich aus den physikalischen Größen des Schwingungsmodells. Gleiches gilt auch für die Gewichtungsfaktoren -co und -c1. Die Zeitkonstanten T der Zeitverzögerungsglieder 26 und 29 werden aus der Abtastfrequenz bestimmt.Each system is designed as a recursive digital filter (IIR filter with infinite impulse response), the input signal of which is present at input 20, evaluated via several, here three branches 21, 22 and 23 with different weighting factors b 0 , b 1 , b 2 and at adder 24 , 27, 30 is created. The output signal y μ (k) emitted by the adder 30 forms the output signal of the entire system 9, 11 or 13 and is fed back via branches 25, 28 to the adders 24 and 27 under evaluation with weakening weighting factors -c 0 , -c 1 . The output signal of the adder 24 is applied via a time delay element 26 to a third input of the adder 27, the output signal of which in turn is fed via a time delay element 29 to a second input of the output-side adder 30. The weighting factors b o , b 1 , b 2 are calculated from the physical quantities of the vibration model. The same applies to the weighting factors -c o and -c 1 . The time constants T of the time delay elements 26 and 29 are determined from the sampling frequency.
Die Ausgangssignale y µ (k), (mit µ=1,...,m) der Addierer 30 der einzelnen Systeme 9, 11, 13 entsprechen im Rahmen der diskreten Approximation den Komponenten
Der Summationspunkt 15 in Fig. 4 entspricht der Summe in (7).The summation point 15 in FIG. 4 corresponds to the sum in (7).
Die Faktoren K µ (x n ) der Multiplizierer 10, 12, 14 (Fig. 4) sind aus den Eigenfunktionen K(β µ ,x n ) an diskreten Ortspunkten x n und den Normierungsfaktoren N µ in (7) gebildet:
Da für die Klangsynthese nur das Schwingungsverhalten innerhalb des Hörbereichs von Interesse ist, muß die Summation nur diejenigen Eigenfrequenzen erfassen, die im Hörbereich, d.h. z.B. zwischen 16 Hz und 16 kHz liegen (hier mit µ=1,...,m bezeichnet). Das Ausgangssignal y l (x n ,kT) stellt damit eine diskrete Approximation des hörbaren Schwingungsverhaltens dar. Dabei steht I=E,A,R jeweils für das Resultat aufgrund der Erregung, der Anfangs- und der Randwerte. Alle drei Systeme 5, 6, 7, die jeweils die Struktur gemäß Fig. 4 aufweisen, bilden zusammen das Ausgangssignal des digitalen Systems nach Fig. 3.Since only the vibration behavior within the listening area is of interest for sound synthesis, the summation only has to record those natural frequencies that are in the listening area, ie, for example, between 16 Hz and 16 kHz (here labeled µ = 1, ..., m ). The output signal y l (x n , kT) thus represents a discrete approximation of the audible vibration behavior. I = E, A, R stands for the result based on the excitation, the initial and the boundary values. All three systems 5, 6, 7, which each have the structure according to FIG. 4, together form the output signal of the digital system according to FIG. 3.
Den prinzipiellen Aufbau des Gesamtsystems zur digitalen Klangsynthese zeigt Fig. 6. Das physikalische Modell 33 und seine Parameter 34 sind einem akustischen Vorbild entnommen und dienen lediglich dazu, die Auslegungsparameter des Gesamtsystems zu definieren, stellen als solche aber keinen Bestandteil des Gesamtsystems dar. Dabei spielt es keine Rolle, ob dieses akustische Vorbild mit technischen Mitteln und vertretbarem Aufwand realisiert werden kann oder nicht. Wichtig ist nur, daß es ein schwingungsfähiges System darstellt, das durch bekannte physikalische Gesetze beschrieben wird. Die mathematische Beschreibung des akustischen Vorbilds steht als physikalisches Modell mit seinen Parametern für die Klangsynthese zur Verfügung.The basic structure of the overall system for digital sound synthesis is shown in FIG. 6. The physical model 33 and its parameters 34 are taken from an acoustic model and only serve to define the design parameters of the overall system, but as such do not constitute part of the overall system it doesn't matter whether this acoustic model can be realized with technical means and reasonable effort or not. It is only important that it represents an oscillatory system that is described by known physical laws. The mathematical description of the acoustic model is available as a physical model with its parameters for sound synthesis.
Das in Fig. 6 unterhalb der gestrichelten Trennlinie gezeigte System besteht aus den Komponenten: eine Parallelanordnung 38 digitaler rekursiver Systeme; ein Rechenwerk 35;ein Koeffizientenspeicher 36; eine Anregungseinrichtung 37; und ein Steuerwerk (Steuereinrichtung) 39.The system shown in Fig. 6 below the dashed dividing line consists of the components: a parallel arrangement 38 of digital recursive systems; an arithmetic unit 35; a coefficient memory 36; an excitation device 37; and a control unit (control device) 39.
Die Parallelanordnung 38 digitaler rekursiver Systeme besteht aus den digitalen Systemen 5, 6, 7 (Systeme D E , D A , D R ) aus Fig. 3 mit der in den Fig. 4 und 5 gezeigten Struktur.The parallel arrangement 38 of digital recursive systems consists of the digital systems 5, 6, 7 (systems D E , D A , D R ) from FIG. 3 with the structure shown in FIGS. 4 and 5.
Die einzelnen rekursiven Systeme bestehen aus Addierern, Multiplizierern und Speicherelementen (Zeitverzögerungsgliedern), wie dies in Fig. 5 anhand eines Beispiels gezeigt ist. Die Anzahl der Speicherelemente ist gleich der Anzahl der zeitlichen Ableitungen in der zugrundeliegenden partiellen Differentialgleichung oder ein Vielfaches davon.The individual recursive systems consist of adders, multipliers and Storage elements (time delay elements), as shown in FIG. 5 using an example. The number of storage elements is equal to the number of time derivatives in the underlying partial differential equation or a multiple thereof.
Dabei wird jede Eigenschwingung (Harmonische) des physikalischen Systems durch ein digitales rekursives System realisiert. Deren parallele Anordnung bildet dann das Obertonspektrum nach. Kopplungen dieser parallelen Systeme treten bei nichtlinearen Modellen auf. Die Anzahl der parallelgeschalteten rekursiven Systeme kann dabei vorzugsweise auf die Anzahl der Obertöne innerhalb des Hörbereichs begrenzt werden, ohne daß eine Beeinträchtigung des Höreindrucks entsteht.Every natural oscillation (harmonic) of the physical system is realized by a digital recursive system. Their parallel arrangement then reproduces the overtone spectrum. Couplings of these parallel systems occur in non-linear models. The number of recursive systems connected in parallel can preferably be limited to the number of overtones within the listening area without impairing the auditory impression.
Die gekoppelte Parallelanordnung 38 digitaler rekursiver Systeme ist grundsätzlich zur Nachbildung aller Schwingungsvorgänge geeignet, die durch die entsprechende partielle Differentialgleichung (auch nichtlinear) beschrieben werden. Die Synthese eines bestimmten Klangs erfordert die Festlegung der Koeffizienten der einzelnen digitalen Systeme. Sie werden im Rechenwerk 35 aus den Parametern des physikalischen Modells berechnet. Diese Parameter sind die physikalischen Konstanten, die den Schwingungsvorgang charakterisieren. Die Berechnungsvorschriften ergeben sich aus der Nachbildung der Übertragungsfunktion durch eine digitale Realisierung. Die Herleitung der Koeffizienten der rekursiven Systeme aus einer Übertragungsfunktion stellt dabei sicher, daß die Eigenfrequenzen und das zeitliche Abklingverhalten des physikalischen Systems und der digitalen Realisierung exakt übereinstimmen.The coupled parallel arrangement 38 of digital recursive systems is fundamentally suitable for emulating all oscillation processes which are described by the corresponding partial differential equation (also non-linear). The synthesis of a certain sound requires the determination of the coefficients of the individual digital systems. They are calculated in the arithmetic unit 35 from the parameters of the physical model. These parameters are the physical constants that characterize the vibration process. The calculation rules result from the simulation of the transfer function through a digital implementation. The derivation of the coefficients of the recursive systems from a transfer function ensures that the natural frequencies and the temporal decay behavior of the physical system and the digital implementation correspond exactly.
Der Koeffizientenspeicher 36 nimmt einen oder mehrere Koeffizientensätze aus dem Rechenwerk 35 entgegen und lädt sie auf Anforderung durch die Steuereinrichtung 39 in die Parallelanordnung 38 digitaler rekursiver Systeme.The coefficient memory 36 receives one or more sets of coefficients from the arithmetic logic unit 35 and loads them into the parallel arrangement 38 of digital recursive systems upon request by the control device 39.
Um die Parallelanordnung 38 digitaler rekursiver Systeme zur Synthese eines Ausgangssignals zu veranlassen, ist die Anregung durch ein oder mehrere Eingangssignale erforderlich. Auch diese Eingangssignale werden dem physikalischen Modell entsprechend nachgebildet und in der Anregungseinrichtung gespeichert. Die Anregung wird aus der partiellen Differentialgleichung des schwingungsfähigen Systems abgeleitet und berücksichtigt die Anfangswerte (z.B. angeschlagene oder gezupfte Saite), die Randwerte (z.B. Seilschwingungen) und die Erregungsfunktion (z.B. Resonanzen).In order to cause the parallel arrangement 38 of digital recursive systems to synthesize an output signal, excitation by one or more input signals is required. These input signals are also simulated according to the physical model and stored in the excitation device. The excitation is derived from the partial differential equation of the oscillatory system and takes into account the initial values (e.g. struck or plucked string), the boundary values (e.g. rope vibrations) and the excitation function (e.g. resonances).
Die Steuereinrichtung 39 (Steuerwerk) übernimmt die Ablaufsteuerung von Rechenwerk 35, Koeffizientenspeicher 36, Parallelanordnung 38 und Anregungseinrichtung 37. Diese Möglichkeiten können nicht nur genutzt werden, um die Schwingungen realer Musikinstrumente oder anderer Klangkörper nachzubilden, sondern auch um Klänge zu synthetisieren, deren natürliche Erzeugung aus technischen Gründen nicht möglich ist.The control device 39 (control unit) takes over the sequence control of the arithmetic unit 35, coefficient memory 36, parallel arrangement 38 and excitation device 37. These possibilities can be used not only to simulate the vibrations of real musical instruments or other sound bodies, but also to synthesize sounds, their natural generation is not possible for technical reasons.
Das am Ausgang 40 der Parallelanordnung 38 abgegebene Ausgangssignal stellt das zu erzeugende, gewünschte Signal dar und kann in geeigneter Weise weiter verwendet oder bearbeitet werden. Beispielsweise kann zur akustischen Hörbarmachung von erzeugten Klangsignalen ein D/A-Wandler an den Ausgang 40 angeschlossen werden und dessen analoges Ausgangssignal ggfls. nach Verstärkung durch einen Verstärker an einen Lautsprecher angelegt werden.The output signal output at the output 40 of the parallel arrangement 38 represents the desired signal to be generated and can be used or processed in a suitable manner. For example, in order to make generated sound signals audible, a D / A converter can be connected to output 40 and its analog output signal, if necessary. after amplification by an amplifier to be placed on a speaker
Nachfolgend werden einige Erweiterungen und Variationen des vorstehend grundlegend beschriebenen digitalen Systems zur Klangsynthese sowie deren Auswirkungen erläutert.In the following, some extensions and variations of the digital system for sound synthesis described fundamentally above and their effects are explained.
Anstelle der in Fig. 5 gezeigten Struktur der rekursiven Systeme kann auch verwendet werden:
- eine andere Struktur eines rekursiven Systems mit gleichem Ein-Ausgangsverhalten, z.B. Regelungsnormalform, Steuerungsnormalform, Zustandsraumstruktur, Leiter (Lattice)-Struktur, Wellendigitalfilter-Struktur;
- eine andere Struktur eines rekursiven Systems, die das Ein-Ausgangsverhalten des Systems aus Fig. 5 approximiert;
- ein nichtrekursives System, das das Ein-Ausgangsverhalten des Systems aus Fig. 5 approximiert.
- another structure of a recursive system with the same input-output behavior, for example control normal form, control normal form, state space structure, conductor (lattice) structure, wave digital filter structure;
- another recursive system structure approximating the input-output behavior of the system of FIG. 5;
- a non-recursive system that approximates the input-output behavior of the system of FIG. 5.
Die evtl. gekoppelte Parallelanordnung rekursiver Systeme gemäß Fig. 4 und Fig. 3 stellt eine spezielle Realisierung eines Systems mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO --- multiple input, multiple output) dar. Anstelle dieser Parallelanordnung kann auch verwendet werden:
- eine andere Struktur eines MIMO-Systems mit gleichem Ein-Ausgangsverhalten,
- eine andere Struktur eines MIMO-Systems, die das Ein-Ausgangsverhalten des Systems aus Fig. 3 und Fig. 4 approximiert.
- another structure of a MIMO system with the same input / output behavior,
- another structure of a MIMO system which approximates the input-output behavior of the system from FIGS. 3 and 4.
Es ist auch eine Parallel- oder Kaskadenanordnung mehrerer Systeme nach Fig. 6 möglich, wobei das Ausgangssignal eines Systems als Anregung für das nachgeschaltete System dient. Zusätzlich zu einer Parallel- oder Kaskadenschaltung mehrerer Systeme zur digitalen Klangsynthese nach Fig. 6 sind auch Kombinationen davon möglich.A parallel or cascade arrangement of several systems according to FIG. 6 is also possible, the output signal of a system serving as an excitation for the downstream system. In addition to a parallel or cascade connection of several systems for digital sound synthesis according to FIG. 6, combinations thereof are also possible.
Das System nach Fig. 3 kann das Schwingungsverhalten an ausgewählten Ortspunkten x n nachbilden. Diese Ortspunkte können zur Verbesserung der Schallfeldrekonstruktion auch so gewählt werden, dass das gesamte, vom schwingungsfähigen Körper ausgehende Schallfeld anhand der Syntheseergebnisse an den Punkten x n exakt oder näherungsweise approximiert werden kann.3 can emulate the vibration behavior at selected location points x n . To improve the sound field reconstruction, these location points can also be chosen such that the entire sound field emanating from the vibrating body can be approximated exactly or approximately based on the synthesis results at the points x n .
Anstelle der Differentialgleichung (1) für eine Ortskoordinate (x) kann auch eine entsprechende Differentialgleichung für zwei oder drei Ortskoordinaten als physikalisches Modell verwendet werden, so daß mehrere Ortsdimensionen nachbildbar sind. Die Ortsfunktionen Kµ(x n ) in Fig. 4 sind dann ebenfalls von zwei oder drei Ortsdimensionen abhängig.Instead of the differential equation (1) for a location coordinate (x), a corresponding differential equation for two or three location coordinates can also be used as a physical model, so that several location dimensions can be simulated. The location functions K µ (x n ) in FIG. 4 are then also dependent on two or three location dimensions.
Die vorstehend beschriebene Anordnung zur Klangsynthese anhand eines physikalischen Modells kann auch zur Synthese allgemeiner Schwingungen, d.h. zur Nachbildung von anderen physikalischen Schwingungsvorgängen dienen, wenn diese durch partielle Differentialgleichungen beschrieben werden können. Sie stellt dann eine digitale Realisierung zur Nachbildung von allgemeinen schwingungsfähigen Körpern, Fluiden und Energiefeldern dar.The arrangement described above for sound synthesis based on a physical model can also be used for the synthesis of general vibrations, i.e. serve to simulate other physical oscillation processes, if these can be described by partial differential equations. It then represents a digital realization for the simulation of general vibrating bodies, fluids and energy fields.
Die vorstehend beschriebene Anordnung kann auch zur gleichzeitigen Synthese von Potential- und Flußgröße dienen. Dazu ist dann nicht von einer skalaren Differentialgleichung, sondern von einer Vektordifferentialgleichung für Potential- und Flußgröße auszugehen.The arrangement described above can also serve for the simultaneous synthesis of potential and flux size. This is not a scalar differential equation, but to start from a vector differential equation for potential and flux size.
Das hier vorgestellte Verfahren läßt sich z.B. in der Programmiersprache JAVA zur Implementierung für eine schwingende Instrumentensaite realisieren, die auch die Rotationsträgheit und Scherung der Saite berücksichtigen kann. Dies wurde von den Erfindern erfolgreich durchgeführt. In diesem Programm können alle physikalischen Parameter der realen Saite eingegeben werden, was eine Simulation ihres Schwingungsverhaltens einfach ermöglicht.The method presented here can be e.g. Implement in the programming language JAVA for implementation for a vibrating instrument string, which can also take into account the rotational inertia and shear of the string. This has been successfully accomplished by the inventors. In this program, all physical parameters of the real string can be entered, which makes it easy to simulate their vibration behavior.
Je nach Programmstruktur lassen sich auch die Nichtlinearitäten, die bei der Anregung einer Saite auftreten, berücksichtigen, und Echtzeitfähigkeit erreichen.Depending on the program structure, the non-linearities that occur when a string is excited can also be taken into account and real-time capability can be achieved.
Claims (8)
- Apparatus for the calculation and the generation signals, particularly for digital sound synthesis with
a arithmetic unit (35) for the calculation of coefficients depending on a physical model (33) of a vibratory system, where the structure of the physical model (33) is available in form of partial differential equations, and in dependence of the parameters (34) of the physical model (33),
a coefficient memory (36) for the storage of the calculated coefficients,
an arrangement (38) of multiple parallel digital recursive systems (9,11,13) reproducing the eigenvibrations of the physical model, connected to the cofficient memory (36), whose output signals result with a weighted summation in the desired signal at the output (40) of the arrangement (38), whereby the recursive systems contain multiple adders (24, 27, 30) among which the time delay elements (26,29), whose delay time constant (T) can be obtained from the sampling frequency, and feedback loops (25, 28), connected to the adders (24,27,30),
an excitation unit (37) connected with the arrangement (38), applying excitation signals to the arrangement (38) and
a controller unit (39) for controlling the coefficient memory (36), the excitation unit (37) and the arrangement (38), such that the arrangement (38) is operated with the calculated and stored coefficients and the excitation signals. - Apparatus according to claim 1, characterized by the coupling of the digital recursive systems.
- Apparatus according to claim 1 or 2, characterized by the design of the parallel recursive systems for processing continuous excitation functions, initial values and boundary values of the underlying model in form of PDEs.
- Apparatus according to one of the previous claims, characterized such that the arithmetic unit (35) determines the coefficients from a transfer function model emulating the vibrational behaviour of a vibrational physical model.
- Apparatus according to one of the previous claims, characterized by applying physical parameters, representing the physical constants of a vibrational process of a physical model, as inputs to the arithmetic unit (35), and from which the arithmetic unit (35) is calculating the coefficients.
- Apparatus according to one of the previous claims, characterized by the coefficient memory (36) storing multiplier values for the digital arrangements (9,11,13) as coefficients.
- Apparatus according to one of the previous claims, characterized by the excitation unit (37) containing at least one signal source for the excitation of the arrangement (38).
- Method for the calculation and for the generation of signals, particularly for digital sound synthesis with the steps:Calculation of coefficients in a arithmetic unit (35) in dependency of a physical model (33) of a vibratory system, whereby the structure of the physical model (33) is given in form of PDEs and in dependency of parameters (34) of the physical model (33),storage of the calculated coefficients in a coefficient memory (36),emulation of eigenvibrations of the physical model in a arrangement (38) of multiple parallel recursive systems (9,11,13), whose output signals describe the temporal envelopes of the single eigenvibrations, connected to the coefficient memory (36), whereby the weighted output signals are summed up and the signal obtained after the weighted summation, forming the desired signal at the output (40) of the arrangement (38), whereby the recursive systems are arranged with multiple adders (24,27,30) between the time delay units (26,29), whose time delay constant (T) is obtained from the sampling frequency, and which are containing feedback loops (25,28), that are connected to the adders (24,27,30),application of excitation signals to the arrangement (38) using an excitation unit (37) connected to the arrangement (38), andcontrol of the coefficient memory (36), of the excitation unit (37) and the arrangement (38), such that the arrangement (38) is operated with the calculated and stored coefficients and with the excitation signals.
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