Simulátor úderových nástrojov

(Struck Instrument Simulator)

© Ing. Radovan Konečný - radkon, 2013-2016

Preskočiť na Modely a ukážky.

Tento projekt je jedným z komponentov virtuálneho hudobného štúdia.

Program simulátora je zdarma na vyžiadanie.

O projekte

Cieľom projektu bolo vytvoriť jednoduchší a efektívnejší prehrávač modelov módovej dekompozície, než môj zložitejší a pomalší projekt Modelovanie zvuku - módová dekompozícia. Keďže veľa zvukov, ktoré som sa rozhodol modelovať, má charakter úderového hudobného nástroja a každá harmonická zložka je exponenciálne doznievajúcim harmonickým signálom (sínusovkou), rozhodol som sa vytvoriť samostatný projekt, ktorý by bol obmedzený práve len na takéto zvuky. Platí, že čím jednoduchší je prehrávač, tým je rýchlejší a použiteľnejší pri hraní v reálnom čase.

Simulátor úderových nástrojov pracuje na princípe módovej dekompozície, čiže pomyselnom rozdelení zvuku na jednotlivé harmonické zložky či módy (nemusia však byť celočíselným násobkom základnej frekvencie tónu) a ich samostatnom prehrávaní pomocou harmonických (sínusových) oscilátorov, pričom výsledný zvuk vznikne sčítaním signálov jednotlivých oscilátorov. Nejde tu priamo o simulovanie fyzikálnych vlastností hudobného nástroja (napr. struny), ale skôr o simulovanie zvuku, ktorý vzniká pri znení nástroja. Preto je možné kvalitné modely vytvoriť aj bez merania fyzikálnych a akustických vlastností nástroja a úplne stačia (samozrejme vhodné) nahrávky zvuku.

Simulácia (alebo modelovanie) hudobného nástroja je v prípade módovej dekompozície rozdelená do dvoch nezávislých, avšak nutných fáz:

• vytvorenie modelu, t.j. predpisu o správaní sa jednotlivých harmonických zložiek. Model sa môže vytvoriť buď frekvenčno-časovou analýzou existujúceho zvuku alebo matematickým algoritmom (vznikne tak umelý zvuk). Na konci tejto fázy je model len súborom informácií o harmonických zložkách (či módoch kmitania) a ich správaní sa v čase,
• prehrávanie modelu za pomoci sady harmonických (sínusových) oscilátorov. Oscilátory sú nastavené podľa informácií z modelu. Hranie jediného tónu bežne zabezpečujú stovky až tisícky oscilátorov.

Keďže má prehrávač modelov módovej dekompozície plnú kontrolu nad jednotlivými harmonickými zložkami, je možné aj počas hrania meniť niekoľko zaujímavých parametrov znejúceho zvuku a síce:

• zmeniť celkové ladenie tónu bez vplyvu na časové parametre zvuku (napr. na obálku),
• posunúť ladenie vyšších harmonických (tzv. inharmonicita),
• riadiť obálku jednotlivých harmonických (napr. nábeh alebo dĺžku doznievania),
• riadiť hlasitosť jednotlivých harmonických - teda meniť farbu zvuku aj bez použitia digitálneho filtra či ekvalizéra,
• jednoducho pridať vibráto či tremolo,
• meniť počiatočnú fázu harmonických zložiek,
• zabezpečiť realistickejšie ukončovanie tónu (napr. pri pustení klávesu),
• vypnúť tie harmonické zložky, ktoré by boli nad akustickým pásmom a spôsobovali by problémy so splnením vzorkovacej podmienky (t.j. frekvencia musí byť menšia ako polovica vzorkovacej frekvencie),
• vypnúť harmonické zložky pod akustickým pásmom (napr. pod 20 Hz).

V tomto projekte módovej dekompozície som sa obmedzil len na niekoľko základných parametrov harmonických zložiek a síce:

• frekvencia harmonickej zložky,
• amplitúda harmonickej zložky,
• umiestnenie harmonickej zložky v stereu (stred, ľavý kanál alebo pravý kanál, otočený stred),
• doba (lineárneho) nábehu harmonickej zložky (tzv. Attack-time),
• doba (exponenciálneho) doznievania harmonickej zložky (tzv. Decay),
• počiatočná fáza harmonickej zložky,
• zmena doznievania harmonickej zložky pri ukončení tónu (napr. pri pustení klávesu).

Už samotný prehrávač umožňuje riadiť niektoré parametre modelu - napr. ladenie, dĺžku doznievania a podobne. Je tiež možné vytvoriť model s viacerými vrstvami (t.j. pre konkrétny tón a silu úderu obsahuje viacero trochu odlišných nastavení oscilátorov) a pri hraní sa náhodne vyberie jedna vrstva. Pri opakovanom hraní jedného tónu tak neznie vždy to isté, čo napomáha lepšiemu vnemu z hrania či počúvania.

Okrem prehrávania harmonických zložiek (sínusoviek) je môj simulátor schopný prehrávať aj signály vzniknuté filtrovaním bieleho šumu. Každý oscilátor môže teda pracovať buď ako harmonický oscilátor alebo ako šumový generátor, pričom je šum filtrovaný digitálnym filtrom typu rezonátor a je možné mu určiť stredovú frekvenciu, kvalitu filtra a či je filter dvojnásobného rádu. Táto možnosť má slúžiť na jednoduchšie simulovanie ruchových zložiek zvuku - napríklad úder kladivka, rôzne buchnutia a podobne. Okrem toho - pri vysokej kvalite filtra - sa dá šumový generátor využiť aj ako generátor takmer harmonického signálu, ktorý však nie je čisto harmonický a pravidelný, ale vo frekvenčnej oblasti má postranné pásma (sínusovka ich totiž nemá). Tiež má náhodný charakter a dva rovnaké tóny nebudú znieť rovnako. Pozri ukážky modelu NoiseSaw, NoiseSquare alebo NoiseGlockenspiel. (Podobný princíp využíva aj môj projekt Modelovanie zvuku - NoiseSaw.)

Program spolupracuje s MIDI a NetSound. Taktiež podporuje ASIO zvukové zariadenia (menšie oneskorenie).

Náhľad na okno prehrávača modelov:

Druhou časťou projektu sú algoritmy na vytvorenie modelu - teda predpisu (vyššie uvedených) vlastností všetkých harmonických zložiek a to pre jednotlivé tóny a sily úderu. Niekoľko použiteľných umelých modelov som už vytvoril (pozri ukážky a modely nižšie). Na dlhodobom pláne je aj vytvorenie programového prostredia, v ktorom bude možné z existujúcich nahrávok zvukov vytvoriť model. Bude sa jednať o tzv. resyntézu hudobných nástrojov. Niečo z experimentov je tiež v nasledujúcej tabuľke ukážok.

Modely a ukážky

(Pozn.: niektoré zvukové ukážky nemusia fungovať v prehliadači Internet Explorer.)

Umelé zvuky	Zvukové ukážky	Súbor modelu
Wire3		Wire3.model (841 kB)
Glockenspiel (zvonkohra)		Glockenspiel.model (156 kB)
NoiseGlockenspiel	(Q=100) (Q=100, 500% decay) (Q=40, 1000% attack, 500% decay)	NoiseGlockenspiel.model (92 kB)
NoiseSaw.2	(Q=100) (Q=100, 300% decay) (Q=100, 300% decay) v hudbe v hudbe (Q=60) (Q=60, 300% decay) (Q=60, 300% decay, bez filtrov)	NoiseSaw.2.model (193 kB)
NoiseSquare.2	(Q=100) (Q=100, 300% decay) (Q=60) (Q=60, 300% decay)	NoiseSquare.2.model (104 kB)
SawStrike (úder na štýl pílovitého priebehu)		SawStrike.model (178 kB)
Harp (strunový harfový nástroj)	(50% decay, 500% release)	Harp.model (153 kB)
NoiseHarp (noise-verzia modelu Harp)		NoiseHarp.model (206 kB)
Tank drum		TankDrum.model (23 kB)
Sine (sínusový priebeh)		Sine.model (0.7 kB)
Triangle (trojuholníkový priebeh)		Triangle.model (95 kB)
Square (obdĺžnikový priebeh)		Square.model (82 kB)
Saw (pílovitý priebeh)		Saw.model (152 kB)
Resyntéza reálnych zvukov	Zvukové ukážky	Súbor modelu
Pokus - zvonkohra	(originál a resyntéza)
Zborový spev (súvisiaci projekt)	(resyntéza môjho hlasu)	RkChoir40.2.model (33 kB)

Pomocné programy: