Physical modeling (fysieke modellering) is een vorm van geluidssynthese waarbij je geen golfvorm of sample afspeelt, maar het gedrag van een geluidsbron narekent. Een algoritme simuleert hoe een snaar trilt, hoe lucht door een buis beweegt of hoe een plaat resoneert na een klap. Het resultaat reageert net als een echt object op hoe je het aanspreekt: harder aanslaan, op een andere plek raken of het materiaal veranderen levert een ander geluid op. In dit artikel lees je hoe dat werkt, welke technieken er zijn, welke tools je kunt gebruiken en wanneer physical modeling voor sound design de beste keuze is.
Hoe physical modeling werkt
Elk akoestisch geluid ontstaat uit twee delen: een excitatie (de energie die erin gaat) en een resonator (het object dat gaat trillen en de klank kleurt). Bij een gitaar is de excitatie het plukken en zijn de snaar en de klankkast de resonator. Bij een klarinet blaas je lucht langs een riet (excitatie) en bepaalt de luchtkolom in de buis (resonator) de toonhoogte en klankkleur.
Physical modeling bootst die keten na. Je kiest of ontwerpt:
- De excitator: een hamer, plectrum, strijkstok, mallet, luchtstroom of een korte ruisstoot.
- De resonator: een snaar, buis, membraan, plaat, staaf of een combinatie daarvan.
- De koppeling en omgeving: een klankkast, body of ruimte die het geluid verder vormt.
Omdat het model met fysieke eigenschappen werkt, heten de parameters ook zo: spanning, lengte, massa, stijfheid, demping, materiaal, positie van de aanslag. Dat maakt het intuïtief: wil je een doffer, korter geluid, dan verhoog je de demping. Wil je een metaliger klank, dan maak je het materiaal stijver of de resonator inharmonischer.
Waarom het expressief klinkt
Bij een sample hoor je steeds dezelfde opname, hooguit gekozen uit een paar velocity-lagen. Een fysiek model rekent elke noot opnieuw uit. Daardoor verandert niet alleen het volume als je harder speelt, maar ook de helderheid, de aanzet en de manier waarop de klank uitsterft. Ook interacties tussen noten (een snaar die nog trilt als je hem opnieuw aanslaat) kunnen natuurlijk klinken. Met een expressieve controller, zoals een MPE-keyboard of een blaascontroller, komt dat nog beter tot zijn recht.
De belangrijkste technieken
Physical modeling is een verzamelnaam. In de praktijk kom je vooral deze methodes tegen:
| Techniek | Hoe het werkt | Goed voor |
|---|---|---|
| Karplus-Strong | Een korte ruisstoot loopt door een vertraging met een filter in een feedbacklus. De vertragingstijd bepaalt de toonhoogte. | Geplukte snaren, harp, simpele percussie |
| Digitale waveguides | Golven die heen en weer lopen door een snaar of buis worden gesimuleerd met vertragingslijnen en filters. | Blaasinstrumenten, strijkers, snaren |
| Modale synthese | Een object wordt beschreven als een set resonanties (modi), elk met een eigen frequentie en uitsterftijd. | Bellen, klokken, metalen platen, glas, houten blokken |
| Massa-veermodellen | Het object wordt opgedeeld in kleine massa’s die met veren aan elkaar zitten. | Experimentele en vervormbare objecten, onderzoek |
Het Karplus-Strong-algoritme werd begin jaren tachtig beschreven door Kevin Karplus en Alex Strong. Julius O. Smith van het onderzoekscentrum CCRMA aan Stanford University werkte daarna de digitale waveguide-synthese uit, die de basis werd voor de eerste commerciële physical-modelingsynthesizers.
Zelf een geplukte snaar bouwen
Karplus-Strong is zo eenvoudig dat je het in vrijwel elke modulaire omgeving kunt nabouwen, bijvoorbeeld in Max, Pure Data, Reaktor of de Grid van Bitwig:
- Stuur een zeer korte burst witte ruis (een paar milliseconden) in een delay.
- Zet de feedback hoog, bijvoorbeeld 95 tot 99 procent.
- Stel de vertragingstijd in op 1 gedeeld door de gewenste frequentie. Voor 110 Hz (een lage A) is dat ongeveer 9,1 ms.
- Zet een laagdoorlaatfilter in de feedbacklus. Hoe lager de cutoff, hoe sneller de hoge tonen uitsterven en hoe doffer de snaar klinkt.
- Varieer de kleur van de ruisstoot: gefilterde ruis klinkt als een zachte vinger, heldere ruis als een plectrum.
Met een comb filter of resonator in je DAW kom je trouwens op hetzelfde principe uit: een korte impuls door een resonerende vertraging levert een gestemde, uitklinkende toon op.
Toepassingen in sound design
Voor sound designers is physical modeling vooral interessant omdat je er objecten mee kunt bespelen die je niet hoeft op te nemen.
- Impacts en materialen: met modale synthese maak je in een paar minuten varianten van metaal, hout of glas. Verander de stijfheid of demping en je hebt een hele familie aan klikken, tikken en klanken voor UI-geluiden of interactieve objecten.
- Onmogelijke instrumenten: een snaar van tien meter, een bel van rubber of een fluit met de lengte van een gebouw. Doordat de parameters fysiek zijn, blijft het geluid geloofwaardig, ook al bestaat het object niet.
- Games en interactieve media: omdat het geluid live berekend wordt, kan het reageren op de snelheid of het materiaal van een botsing in een game. Dat sluit aan bij procedureel geluid in games en dynamische en responsieve geluidssystemen.
- Texturen en drones: stuur ruis, field recordings of een drumloop door een resonator. Het bronmateriaal gaat dan ‘zingen’ op de toonhoogtes van de resonator.
Physical modeling in muziekproductie
In muziekproductie wordt physical modeling vooral gebruikt voor akoestische instrumenten die met samples lastig expressief te krijgen zijn, zoals piano, blazers en strijkers. Een fysiek model van een piano neemt weinig schijfruimte in, terwijl een gesamplede piano al snel vele gigabytes beslaat. Daarnaast is het populair voor mallets, plucks, bellen en percussie in elektronische muziek, omdat je die klanken met een paar knoppen kunt vervormen tot iets eigens.
Een nadeel is dat een model alleen zo goed klinkt als de manier waarop je het bespeelt. Een blaasinstrument dat je met een gewoon keyboard en vaste velocity aanstuurt, klinkt al snel statisch. Werk daarom met modulatiewiel, aftertouch, expressiepedaal of MPE om ademdruk en strijkdruk te sturen.
Vergelijking met andere synthesevormen
Bij subtractieve synthese begin je met een rijke golfvorm en filter je weg wat je niet wilt. Bij additieve synthese bouw je een klank op uit losse sinussen. In beide gevallen beschrijf je hoe het geluid klinkt. Bij physical modeling beschrijf je hoe het object in elkaar zit en volgt het geluid daaruit.
| Subtractief / wavetable | Sampling | Physical modeling | |
|---|---|---|---|
| Uitgangspunt | Golfvorm en filter | Opname | Fysiek model van een object |
| Realisme akoestische instrumenten | Beperkt | Hoog, maar statisch | Hoog en expressief, afhankelijk van het model |
| Parameters | Technisch (cutoff, resonance) | Weinig | Fysiek (materiaal, demping, spanning) |
| Geheugen en CPU | Weinig geheugen, matig CPU | Veel geheugen, weinig CPU | Weinig geheugen, vaak meer CPU |
| Leercurve | Laag tot gemiddeld | Laag | Gemiddeld; extreme instellingen kunnen instabiel of onnatuurlijk klinken |
In de praktijk combineer je vaak: een fysiek model voor de aanslag en resonantie, met een filter of effecten uit de subtractieve wereld eroverheen.
De technologie erachter
Een fysiek model is in essentie digitale signaalbewerking (DSP): vertragingslijnen, filters en feedbacklussen die per sample worden doorgerekend. Omdat de berekening afhangt van de vorige samples, moet dat in real time gebeuren met een lage latency. Dat verklaart waarom physical modeling lang voorbehouden was aan dure hardware. De Yamaha VL1 uit 1994 was een van de eerste commerciële synthesizers op basis van waveguide-modellen. Korg volgde met onder meer de Prophecy en de Z1. Tegenwoordig draaien zulke modellen zonder problemen op een laptop, al kunnen complexe modellen met veel stemmen nog steeds flink wat CPU vragen.
Let ook op stabiliteit: een feedbacklus met te veel versterking blijft oplopen. Goede instrumenten begrenzen dat, maar in zelfgebouwde patches zet je voor de zekerheid een limiter achteraan.
Software en hardware om mee te beginnen
- Ableton Live Suite: bevat Collision (mallets en bellen), Tension (snaren) en Electric (elektrische piano), ontwikkeld samen met Applied Acoustics Systems.
- Applied Acoustics Systems (AAS): onder meer Chromaphone (percussie en resonatoren) en Strum (gitaren). Beschikbaar voor Mac en Windows.
- Pianoteq van Modartt: een volledig gemodelleerde piano met ook andere toetsinstrumenten. Werkt op Mac, Windows en Linux.
- Audio Modeling SWAM: gemodelleerde blaas- en strijkinstrumenten, bedoeld voor expressief spel met controllers.
- Native Instruments Reaktor: een modulaire omgeving waarin je zelf modellen kunt bouwen of bestaande ensembles kunt gebruiken.
- Max en Pure Data: geschikt om zelf Karplus-Strong of modale modellen te bouwen. Pure Data is gratis.
- Hardware: naast historische synths als de Yamaha VL1 en Korg Prophecy bestaan er Eurorack-modules met modale en snaarmodellen.
Zoek je eerst gratis instrumenten om te experimenteren, kijk dan ook in het overzicht van gratis softwaresynths voor sound designers.
Tips voor betere resultaten
- Begin bij de excitator. De aanslag bepaalt veel van het karakter. Probeer verschillende mallets, plectrums of ruisvormen voordat je aan de resonator gaat draaien.
- Moduleer de aanslagpositie. Een snaar die dicht bij de brug wordt aangeslagen klinkt dunner en helderder dan in het midden. Kleine variaties per noot maken herhalingen levendiger.
- Gebruik velocity en expressie. Koppel velocity aan zowel volume als helderheid van de excitatie.
- Combineer met samples. Een korte gesamplede transient met een gemodelleerde resonantie eronder levert vaak een overtuigender resultaat dan elk van de twee los.
- Zoek bewust de grenzen op. Extreme waarden voor stijfheid of demping leveren vaak het interessantste materiaal voor sound design op.
Veelgestelde vragen
Wat is physical modeling synthese?
Physical modeling is een synthesemethode die het fysieke gedrag van een geluidsbron narekent, zoals een trillende snaar of een luchtkolom in een buis. Je stuurt het geluid met parameters als materiaal, spanning en demping in plaats van met golfvormen of samples.
Wat is het verschil tussen physical modeling en sampling?
Een sampler speelt opnames af, een fysiek model berekent het geluid bij elke noot opnieuw. Daardoor reageert een model natuurlijker op speelwijze en neemt het weinig schijfruimte in, terwijl samples vaak minder CPU vragen.
Welke software gebruikt physical modeling?
Bekende voorbeelden zijn Pianoteq, de instrumenten van Applied Acoustics Systems zoals Chromaphone, Audio Modeling SWAM en Collision en Tension in Ableton Live Suite. In Reaktor, Max en Pure Data kun je zelf modellen bouwen.
Is physical modeling geschikt voor beginners?
Ja, zolang je met kant-en-klare instrumenten begint. De parameters zijn juist intuïtief omdat ze verwijzen naar fysieke eigenschappen; zelf modellen bouwen vraagt wel meer kennis van DSP.
Vraagt physical modeling veel rekenkracht?
Dat hangt af van het model. Eenvoudige snaarmodellen zijn licht, maar complexe instrumenten met veel stemmen kunnen merkbaar meer CPU gebruiken dan een sampler.