什么是物理建模？实现未来声音的 5 种技术

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" F) R, F* h/ a* Q  z+ Q物理建模是最迷人的声音合成方法之一。

它利用数学技术来模仿真实乐器的行为来创造声音。
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$ y3 W- n2 B2 {% l1 O( \. {但物理建模绝不仅仅是一种理论练习。它是一种强大的合成工具，能改变你对音乐音色的看法。
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# l6 h* Y) q; c5 P; e8 o在本文中，我将解释什么是物理建模、物理建模的工作原理，以及物理建模合成中最常见的五种技术。
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什么是物理建模？

3 a2 X0 O3 v2 m+ z. n物理建模是指模拟现实世界中发声物体行为的合成方法。
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声学乐器依靠弦、膜、气柱或其他物理结构来产生声音。
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物理建模是指模拟现实世界中发声物体行为的合成方法。
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2 [4 d' a1 U" I5 W物理建模使用巧妙的算法在数字领域中重现这些机制。其结果是虚拟乐器能以与传统乐器（如弦乐或木管乐器）相同的方式产生声音。

- I8 D4 \9 M, Q但与传统乐器不同的是，物理模型不受现实生活的限制。

7 ]; t" |9 Z( z  H3 O7 P' s如果大提琴有汽车那么大，会发出什么样的声音？或者，如果长笛内部的空气密度小得多，又会怎样？
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- b# A8 f& o$ k9 Q! K2 M这些都是您可以通过物理建模探索的有趣的声音问题。

物理建模是如何工作的？
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发声体可以分解成多个组成部分，每个组成部分都在将能量转化为声波的过程中发挥作用。

1 T' y- x" y' k! p" M1 Y( V3 K想想小提琴弓在琴弦上拖动的情形。琴弓在琴弦上滑动和粘连会产生摩擦力，为系统增加能量。

9 v" Y3 [6 v5 T2 U能量会引起琴弦振动，而小提琴的琴身则会放大这种共振。演奏者的手指在音符之间移动时会改变琴弦的长度，从而影响振动的基频。

在物理建模的世界里，刮擦的琴弓可以用爆音来表示，而琴体的大小和共振则可以用滤波器和其他技术来近似表示。

当今的声音设计师对声学物理有着深刻的理解，因此物理建模算法也越来越精确。

合成中使用的物理建模类型

! P7 P6 @( Z/ q5 l$ g' y0 a世界上有多少种声音产生现象，就有多少种物理建模方法。
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6 i8 x* U& N: ?; F8 l- }5 V: Y4 L合成器设计师们开发了不同的技术来模仿各种乐器，从打击乐器到大量空气，甚至弹簧网络。
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以下是当今乐器中常见的物理建模方法指南。
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1. KARPLUS-STRONG 琴弦合成法
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$ M2 a/ M. M+ qKarplus-Strong 琴弦合成法是最早被发现和开发的物理建模算法之一。
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, ^3 K# E, ?6 L8 S/ _+ Z0 U它使用一个令人惊讶的简单系统来模拟敲击或弹拨琴弦的行为。

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首先，一阵噪声被送入一个由延迟线和低通滤波器组成的反馈回路。这模拟了拨动琴弦时产生的复杂谐波内容。

延迟线代表琴弦的长度，延迟时间决定音符的音高。

+ @& }. w3 C: d低通滤波器每次通过环路时都会对高频进行轻微衰减，从而模拟真实振动琴弦因空气阻力和摩擦等因素而产生的能量损失。
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当声音反复循环通过延迟线和滤波器时，它就开始呈现出与弹拨弦乐器极为相似的特性。

! D( x* o/ r+ c  B  ^4 h+ K% X声音的衰减可以通过调整反馈电平和滤波器的特性来控制，从而可以模拟不同类型的琴弦材料和弹拨技巧。
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3 V1 F  U6 {% ]" M. J- ?" n& j, Ayoutobe 视频链接：https://youtu.be/GJbAEvXVZLs
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& m+ S  X5 ?0 a0 \+ L2. 数字波导合成

6 q) K" v2 T7 [0 @1 K在 Karplus 和 Strong 工作的基础上，Julius O. Smith III 于 80 年代开发了数字波导合成。
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  }, y: ^+ g% b- r它进一步模拟了声波在介质中的传播。
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通过模拟声波沿琴弦或在管内来回传播的方式，再加上额外的延迟线，这种方法可以重现吉他或长笛等乐器。

. n& \/ |7 t: @, \在数字波导系统中，延迟线会不断更新，以模拟声波在吉他螺母和琴桥或长笛两端等边界处的反射。

  K: ~1 m  z3 ~. o4 q5 H5 G  v这就需要滤波器和其他信号处理元件来模拟实际物理介质中发生的与频率相关的能量损失。

设计人员通过制作这些元件来反映材料的声学特性，如琴弦的密度和张力或管乐器内空气柱的特性。
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# b# b/ Y5 Z7 t1 b3. 质量弹簧互动网络

& [5 W* }8 n" p  r( _. s这种独特的方法将物理系统建模为由弹簧连接的质量网络。

/ ~6 o* a2 \) A9 `; h$ T* [$ Q每个质量块都是一个惯性点，有自己的物理特性，如重量和密度。连接的弹簧可以通过收缩或膨胀来回移动。
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当系统受到虚拟弓弦或弹拨的激励时，张力和压缩力会作用在网络上，推拉弹簧。这种作用会产生复杂的振动和声波。
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9 k9 p- L) l& h- D/ H物理运动规律决定了网络中各点的相互作用及其产生的声波效果。

9 w) F- T1 P) F6 Y* A& B9 u通过调整质量块、弹簧及其连接的参数，这种方法可以模拟各种声学特性和行为，包括非线性和混沌系统。
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% ?* r* k: G, X, m1 D5 S- W4 C" r如果这听起来很复杂，那么您可以通过实验基于这种技术的乐器来了解其工作原理。

我们的原子合成器利用质量弹簧相互作用方面的前沿研究，制作出一种易于使用但又与众不同的乐器。

它有六个简单的参数，可在质量弹簧网络振动时对其结构进行推拉和扭曲。
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/ `" A% R6 V' b; [8 o2 v; t其结果是一种令人毛骨悚然的有机纹理，可以随着你的演奏而演变和变化。
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请观看我们的教程视频，了解 Atoms 如何利用质量弹簧交互网络产生独特的声音。

8 a' U  ~4 y7 B8 \; f4 pyoutobe 视频链接：https://youtu.be/t9V_othnsPw

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* h" P. d% W% r  j4. 模态合成
' u" \' c: f% D8 }  n5 x9 W" `1 n模态合成是从声学物体的共振行为中汲取灵感的物理建模方法。
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% e9 Y3 w7 I# H它通常用于模拟打击乐器，如鼓、钟和槌类乐器。
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它的工作原理是，任何声音都可以分解成单独的振动模式。
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每种模式都代表了物体在特定频率下振动和共振的特定方式。

9 z/ ^- q6 u2 z# ?4 c+ s这些模式通常由一组滤波器来表示，这些滤波器根据每个模式的共振频率进行调谐，并由脉冲等输入源激发。
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这使它们能够模仿木棒或木槌在共振表面或薄膜上的敲击。

5. 共振峰合成

6 {& R+ G! K3 I9 E$ [1 x共振峰合成的重点是通过物理建模方法复制语音和歌唱的声乐特质。

它通常是通过一个带通滤波器网络来实现的，该网络与自然语音或歌唱的声母频率相对应。

/ W) @& e; c0 D* ]9 @5 ]4 {% `模仿声带作用的输入声音（如嗡嗡声或嘶嘶声）会作用于滤波器网络，从而产生独特的声乐音质。
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6 I: C# J$ s- N) T通过随着时间的推移改变声带滤波器的中心频率和带宽，这些系统可以模拟不同的元音、辅音和过渡音。
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7 F* q4 z1 t0 k) E1 k, `' u% I如何利用 Atoms 的物理建模技术创造独特的声音
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2 Y# i  q9 p1 u0 A( g: oAtoms 采用独特的物理建模方法，这让正在寻找新音效的用户兴奋不已。
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毕竟，传统的减法合成，甚至调频，一旦你用得多了，就会受到限制。但 Atoms 可能与你在合成领域尝试过的任何其他产品都不同。

) {/ n; C# ^# l( g! \* j1 Y# I以下是利用 Atoms 核心的独特物理模型进行实验的四个想法：
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1. 利用力和泛音来添加谐波，并对其进行有序控制

原子是一个由虚拟弓的作用激发的质量-弹簧互动网络。

力控制决定弓子对弹簧的压力，而泛音控制则决定弓子在弹簧上的位置。

就像真正的琴弓一样，增加对弹簧的压力会给信号增加喑哑的噪音音质。
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弓子越靠近边界，演奏时就越接近弦乐器的琴桥。这会增加更尖锐的高次谐波，比如弦乐演奏者在演奏 "sul ponticello "时出现的高次谐波。
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增加阶次控制会给弹簧带来高频阻尼。这实际上起到了低通滤波器的作用。当使用阶次控制进行大量阻尼时，来自弓子的嘈杂激励与更尖锐的泛音相结合，可以产生类似拨弦的有趣效果。

! r' q9 V, ]1 Y1 k" j2. 用攻击和释放控制起音和衰减

如果 Atoms 一开始让人感觉难以接受，那么在实验过程中，你可以借助一些熟悉的元素。
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例如，Atoms 的起音和释放控制与减法合成器的控制类似。
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不过，它们也与质量弹簧网络的作用有关，而不仅仅是减法 ADSR。
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2 h6 ]+ t: N/ R6 R8 o3 s- R攻击指的是弓与弹簧接触时的速度。就像传统的攻击控制一样，较低的数值会产生更突然的起音，而较高的数值则会产生逐渐膨胀的效果。
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释放控制着系统中质量的整体阻尼。

由于空气阻力和摩擦力等物理力作用在振动弹簧上，其能量会随着时间的推移而减少，从而导致声音衰减。
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$ s' J" k8 Y+ i' @7 d' |4 @调高释放控制可减少阻尼，从而延长衰减时间。
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3. 自动控制，声音不断变化
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3 @1 G4 n  ?1 h3 s: ~' Y2 gAtoms 富于表现力的有机声音的关键在于利用板载自动控制功能使其参数移动。
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只需从六个主要参数旁边的菜单中选择运动模式，并用外圈设置其范围即可。
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你可以设置以 Hz 为单位的自动运行速度，也可以与片段节奏同步，让所有参数都保持同步。

' c* G1 b$ z7 H# z; M尝试使用不同的运动模式，了解每个参数在前后移动时与其他参数的互动情况。

4. 有疑问时
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如果只是想听听 Atoms 能产生的不同音质，可以尝试点击左上角骰子图标代表的随机化按钮。

: s9 \- o* @7 p7 X+ f& \这会启动音乐校准随机化功能，按需产生新的可用声音。

但如果你不想随机化所有参数，可以通过锁定图标将参数锁定，从而将其排除在随机化之外。

& M! j$ c! e& p5 j! s' E9 u) x; Q最后，如果你只是想对当前使用的音色稍作改动，可以点击 "回收 "按钮，在当前设置的基础上产生新的变化。



+ w; m: n/ Z2 }) ~物理建模是乐器设计领域仅存的前沿技术之一。

6 ?+ B7 E6 p/ f# n% V4 h4 _虽然初看起来很复杂，但基于这项技术的插件和乐器并不可怕。
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如果你是一位对合成技术的未来充满好奇的创意制作人，不妨探索一下物理建模技术，看看它如何激发你的创作灵感。

& h& A- A9 V, j& O3 w免费试用 Atoms，开始使用物理建模和质量弹簧交互合成技术。