科普篇：什么是物理建模？物理建模音源有什么优势？

67533270 · 发表于 2022-7-23

科普篇：什么是物理建模？物理建模音源有什么优势？

到底什么是物理建模呢？

在音乐中，物理建模是指一种基于乐器的发声机制而建模的声音合成技术。物理建模可以通过再现真实乐器的实际功能和发声方式来产生声音。

这种方式听起来很简单，但实际上与调频、加法、减法、采样等其他合成技术大有不同，因为这些合成方式只是试图重现乐器的输出信号，不在乎信号是如何产生的，所以这些方式都可以统称为“基于信号”的方式。而物理模型是从描述我们周围世界行为方式的物理学定律中得到的，在物理学中，物理模型是一堆能够重现实验中可测量物体的数学方程。

例如重现琴弦是如何离开其静止位置的？一旦松开，琴弦是如何震动的？琴弦的震动是如何传递给音板的？以及音板是如何投放出我们可以听到的声音的？

如何将这种技术具体化为一个软件呢？

物理模型是一组数学方程，能够算出一个输入信号经过一个特定系统（例如乐器）后如何输出。就拿吉他来说，给定手指在琴弦上的位置，琴杆硬度，拨片在琴弦上的位置，拨片在琴弦上施加的力及其运动的速度（输入信号），一个物理模型能够计算出吉他的声音（输出信号）。

现有各种技术来转换数学方程为算法，然后将其编程入计算机上进行计算。因此，声音合成程序其实就是实时求解构成物理模型的一组数学方程。程序聆听输入信号，通常是连接到电脑的控制器发出的MIDI信号，然后计算出声音样本，再发送给声卡。产生的声音取决于用户在软件图形界面上对物理参数的调整。

物理建模最近很流行，它是一种新的合成技术吗？

事实上并不是，牛顿、亥姆霍兹和瑞利等物理学家几个世纪以来一直试图理解和模拟乐器的运作原理，并搞清楚乐器如何产生这种令人难以置信的声音。

随着计算机的发展，科学家们开始寻找将这些模型转换为算法并对其进行编程以产生声音的方法。这个领域的研究在80年代变得非常活跃，但当时的情况与现在大有不同。在当时最强大的计算机上进行几个小时的数字运算，才能得到几秒钟的声音。这远远不是实时输出的! 甚至想收听产出的声音采样也难上加难，因为那时声卡还并不普及。

因此，物理建模的关键因素实际上是计算机算力的提高，它现在使我们能够实时运行足够复杂的模型，从而再现真实乐器的复杂性。

回顾一下音乐行业，雅马哈是第一家提供基于物理建模合成器的公司。在九十年代初，他们发布了VL1，在专用电子元件上实现了物理建模算法。AAS在2000年发布的Tassman是第一款完全基于物理建模的软件合成器。更重要的是，它是一个模块化合成器，其能力和质量是无与伦比的(注：现已更新产线为Multiphonics CV-1)。

物理建模是否有可能准确地再现原声乐器？

答案是肯定的，但也是否定的，这取决于乐器的情况。在某些情况下，我们拥有的物理模型足够精确，可以获得极其逼真的效果。例如，AAS的Lounge Lizard电钢琴非常接近真实的乐器，以至于大多数人都无法将其与真实的钢琴区分开来。另一方面，我们不得不承认，对于其他乐器，如小提琴，仍然需要继续努力。

但是，物理建模的真正优势不在于它能有多逼真，而在于它有多自然的表现力。正如前文，物理建模是根据输入信号产生声音的。它的输出不是决定性的，总是根据控制信号的性质和正在演奏的内容而变化。换句话说，它是动态的，这就是现实生活中乐器的表现方式。

例如，有规律的在钢琴上敲击一个音符，所弹出的音符总是相同的，但如果你仔细听，声音总是不同的。为什么呢？因为当你第一次敲击音符时，琴锤敲击的是一个静止的琴弦，使它进入振动状态。当锤子再次敲击琴弦时，琴弦已经在振动了，就会与锤子发生不同的相互作用。再敲一次的话，琴弦已经处于另一个振荡点，琴槌和琴弦并再次作用产生不同的声音。这就是使声音如此丰富和生动的原因，它们永远不会完全相同。物理建模就是在重现这样自然的东西，而采样等其他方式是做不到的。

另一个物理建模非常强大的部分是对瞬态的再现。瞬态是声音中信号变化非常快的部分，例如在attack起音阶段，与音符的sustained持续部分相比，波形非常稳定。从感觉上来说，瞬态是非常重要的，它们给了乐器的音色特征。有一个非常有趣的心理声学实验，就是把用不同乐器演奏的音符记录下来，去掉attack起音阶段，人们只听音符的sustained持续阶段。那么在这种条件下，就很难识别乐器类型了。

物理建模并不区分声音的瞬时阶段和持续阶段，模型只是根据演奏的内容不断做出反应。这也是为什么物理建模听起来如此自然和丰富的另一个原因。

总上所述，与其他任何合成方法相比，物理建模是唯一一种能够重现自然声音的丰富性、生动性和复杂性的方法，也是唯一能够重现与演奏真实原声乐器相关的互动感觉的方法。

如何比较采样和物理建模？

它们是两种非常不同而又互补的方法。采样包括对录音的回放，因此在音色的再现方面是非常真实的。然而，采样就像一张照片，它仅包括一个或一组乐器在特定环境下以特定方式演奏的录音。本质上是静态的，听起来总是一遍又一遍的相同。

然而，一个物理模型是非常动态和活泼的。它的声音总是不断变化的，取决于演奏的方式和调整的方式。许多与乐器的物理属性（如几何形状或材料）直接相关的参数是留给用户的。因此有可能以不符合真实乐器的方式调整这些参数。为什么不把大提琴的琴身变的和钢琴的音板一样大？为什么不在弹奏吉他时改变琴弦的材质？事实上，物理建模是一个非常有创造性的领域，声音的特点仍然是真实乐器的声学特性，物理建模却打开了通往未知声音领域的道路。

总结一下，我想表达的是，为了重现特定乐段等声音，采样肯定还是最好的方式。另一方面，作为一种鼓舞人心的创造性的声音设计工具，物理建模是无可匹敌的。对于那些想在合成器中找到演奏真实乐器的明确感觉的演奏者来说，这也是最有价值的技术。

为什么物理建模占用CPU会多一些呢？

在物理建模中，没有预先录制的样本，但是需要即时产生声音，这就需要一定的 CPU 算力。然而，如果经过良好的编程和优化，不需要过多CPU占用也能得到优美的乐器声音。另一方面，物理建模几乎不需要内存，安装程序或更改预设时无需加载几千兆字节的音色库。

物理建模是否只适用于原声乐器？

这项技术绝对不仅限于原声乐器。物理建模同样可以应用于电子乐器，如老式合成器。在这些情况下，计算机实时运算从而描述老式合成器中使用的电路、过滤器、电子管放大器和效果处理器功能和行为的物理模型。其好处与声学乐器相同。事实上，这些模型可以重现这些电子元件的复杂行为，从而产生与硬件设备一样生动和丰富的声音。AAS的Ultra Analog VA-1就是一个很好的例子。

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