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1、Vol.15No.7系统仿真学报July2003JOURNALOFSYSTEMSIMULATION•939•基于物理模型的乐器仿真技术吴永忠韩江洪程文娟郑淑丽(合肥工业大学计算机与信息学院合肥230009)摘要基于物理模型的乐器仿真技术是运用声学和力学理论通过偏微分方程来描述乐器的振动物理特性它不仅可以精确地描述乐器发声及发声过程而且还可以准确地再现演奏者的弹奏力度速度和情感表现方法与控制仿真参数完全与真实乐器一样而无人工合成的痕迹随着计算机计算能力的快速提高以及MPEG4的问世这种方法日趋活跃成为目前乐器仿真声音合成的研究热点本文阐述了物
2、理模型方法中常见的五种技术分析了它们的特性及其缺陷阐述了各自的基本思想及实现方法重点论述了两个著名模型的局限性并相应地提出了我们所推导出的一维和二维物理模型关键词乐器仿真物理模型局限性偏微分方程文章编号1004-731X(2003)07-0939-05中图分类号TP391.9J611.1文献标识码:BMusicalInstrumentSimulationBasedonPhysicalModelWUYong-zhong,HANJiang-hong,CHENGWen-juan,Zheng-Shu-li(DepartmentofComputera
3、ndInformationScience,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)Abstract:Musicalsimulationtechniquebasedonphysicalmodelisatheorythatisabletodescribethecharacteristicofobject’svibrationbypartialdifferentialequation.Itcannotonlysimulateaccuratelymusicalinstrument’ssoundsa
4、nditssoundingprocess,butalsoreflecttheplayer’scontrollingforcestrengthandspeedandemotion.Itsplayingmethodsandcontrollingparametersarethesameasthoseofrealmusicalinstrument,unlikeartificialsynthesissounds.Withimprovementofthecomputationalpowerofcomputer,andMPEG4techniquebein
5、gpublished,physicalmodelmethodsisbecomingoneofthemostimportantresearchdomainaboutmusicalinstrumentsimulationandsoundsynthesis.Atfirst,thispaperdepictsfivemethodsmostlyusedoverphysicalmodel,analyzestheircharacteristicsanddefects,andexplainsthefundamentalidealsandalgorithms.
6、Andthen,limitationsofthetwomostfamousphysicalmodelsarediscussedhere.So,weproposeanewone-dimensionalandtwo-dimensionalmodelaccordingtotheirrespectivelimitation.Keywords:musicalinstrumentsimulation;physicalmodel;limitation;PDE引言1风格和情感目前这种方法日趋活跃成为乐器仿真声[3-4,12]音合成的研究热点乐器仿真与声音合
7、成技术主要可分为四种即采样合1物理模型方法的分类成频谱模型抽象算法和物理模型基于物理模型的乐器[3511-1221]仿真技术是运用声学和力学理论通过偏微分方程(PDEpartial物理模型方法主要可分为五种方法即有differentialequation)来描述乐器的振动物理特性与其它三种限元方法(FiniteElementMethods)有限差分法(Finite方法不同的是它是对声音产生的物理机制的描述而不是DifferenceMethods)模态合成法(ModalSynthesis)数字波导对声音本身的描述而其它方法则是对音频本身的时频
8、特征法(DigitalWaveguideMethods)传递函数模型法(TFMTransfer[312]的描述从物理特性上来说管乐器(wind)弦乐器(string)Functi
