乐器音响仿真及虚拟技术概述

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1、乐器音响仿真及虚拟技术概述前言　　乐器音响仿真及虚拟技术概述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

2、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

3、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RCAMarkll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

4、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

5、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

6、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

7、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