Physics-based parametric synthesis of inharmonic piano tones

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorVälimäki, Vesa; Prof.
dc.contributor.authorRauhala, Jukka
dc.contributor.departmentDepartment of Electrical and Communications Engineeringen
dc.contributor.departmentSähkö- ja tietoliikennetekniikan osastofi
dc.contributor.labLaboratory of Acoustics and Audio Signal Processingen
dc.contributor.labAkustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratoriofi
dc.contributor.supervisorVälimäki, Vesa; Prof.
dc.date.accessioned2012-02-24T08:55:34Z
dc.date.available2012-02-24T08:55:34Z
dc.date.issued2007-12-14
dc.description.abstractThis dissertation studies methods for developing a parametric piano synthesis model using the physics-based approach. The goal is to develop a model that can be controlled with physically meaningful parameters. Moreover, the model is required to be computationally efficient for real-time implementation. The basis of this work is to use the digital waveguide technique for implementing a piano string model. The excitation signal, simulation of dispersion, the beating effect, and simulation of sympathetic resonances are considered. Novel and improved simulation methods are developed for each of these aspects by applying signal processing techniques and knowledge of the human auditory system. The new simulation methods include a novel excitation model with parametric control and the first closed-form design method for dispersion filter design. In addition, two new beating effect simulation methods suitable for parametric real-time synthesis are created. One of the developed methods can be also used for modifying the partial envelopes in recorded tones. Furthermore, an efficient and improved method for simulation of sympathetic resonances has been suggested. Additionally, a novel analysis method for estimating inharmonicity coefficient values from recorded tones, which is needed for high-quality synthesis, is developed giving good results. Finally, a real-time piano synthesis model without any sampled sounds is implemented using the developed simulation methods in collaboration with the Sibelius Academy. The model can be controlled in real-time using physical parameters, such as the fundamental frequency and the inharmonicity coefficient value. The implementation suggests that the goals set for this thesis work are met. The results can be applied to physics-based piano synthesis. The methods can be used to implement a synthesis model for restricted environments, and they can be used to produce test tones for evaluating properties of the human auditory system and testing signal analysis algorithms.en
dc.description.abstractTämä väitöskirja käsittelee menetelmiä, joiden avulla voidaan luoda parametrinen pianosynteesimalli käyttäen fysikaaliseen mallinnukseen pohjautuvaa lähestymistapaa. Työn tavoitteena on tuottaa malli, jota voidaan ohjata fysikaalisesti tärkeillä muuttujilla. Lisäksi mallin on oltava tarpeeksi kevyt laskennallisesti, jotta se voidaan toteuttaa reaaliajassa. Työn lähtökohtana on aaltojohtotekniikalla toteutettu pianon kielimalli. Pianomallin eri piirteistä tarkastellaan erityisesti herätettä, dispersiota, huojuntaa sekä sympaattista värähtelyä, joiden simulointiin kehitetään uusia ja paranneltuja menetelmiä hyödyntämällä sekä signaalinkäsittelytekniikoita että tietoa ihmisen kuulojärjestelmän piirteistä. Herätteen tuottamiseen on kehitetty uusi menetelmä, jossa herätesignaalia voidaan kontrolloida parametreillä. Dispersioilmiötä simuloivan suotimen suunnitteluun on luotu uusi menetelmä, jolla suodin voidaan ensimmäistä kertaa suunnitella suljetun muodon kaavalla. Huojunnan simulointiin on vastaavasti kehitetty kaksi menetelmää, joita voidaan molempia käyttää reaaliaikaisissa ja parametrisissä malleissa. Toista menetelmää voidaan käyttää myös äänitettyjen äänten harmonisten vaimenemiskäyrien muokkaamiseen. Sympaattisten värähtelyiden simulointiin on puolestaan keksitty uusi, tehokas menetelmä. Lisäksi työssä on kehitetty uusi analyysimenetelmä dispersiosta aiheutuvan epäharmonisuuden mittaamiseen äänitetyistä signaaleista. Tulokset osoittavat että analyysimenetelmä tuottaa hyviä tuloksia. Lopuksi työssä on toteutettu yhteistyössä Sibelius-Akatemian kanssa reaaliaikainen pianosynteesiohjelma, jossa ei käytetä äänitettyjä ääniä. Synteesimallia voidaan ohjata reaaliajassa fysikaalisilla parametreillä, kuten perustaajuudella ja epäharmonisuuden määrällä. Toteutuksella, jossa käytetään tässä työssä kehitettyjä menetelmiä, osoitetaan että työlle asetetut tavoitteet ovat täyttyneet. Työn tuloksia voidaan hyödyntää fysikaaliseen mallinnukseen pohjautuvassa pianosynteesissä. Lisäksi synteesimallista on mahdollista kehittää kevyempi versio ympäristöihin, joissa käytettävissä oleva muistin määrä sekä prosessoriteho ovat rajalliset. Työssä esiteltyjä menetelmiä voidaan käyttää myös tuottamaan testiääniä ihmisen kuulojärjestelmän piirteiden analysointiin ja signaalianalyysimenetelmien testaamiseen.fi
dc.description.versionrevieweden
dc.format.extent80, [57]
dc.format.mimetypeapplication/pdf
dc.identifier.isbn978-951-22-9066-6
dc.identifier.issn1456-6303
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2974
dc.identifier.urnurn:nbn:fi:tkk-011023
dc.language.isoenen
dc.opnSarti, Augusto; Prof.
dc.publisherHelsinki University of Technologyen
dc.publisherTeknillinen korkeakoulufi
dc.relation.haspartJ. Rauhala and V. Välimäki, Tunable dispersion filter design for piano synthesis, IEEE Signal Processing Letters, vol. 13, no. 5, pp. 253-256, 2006. [article1.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Rauhala and V. Välimäki, Dispersion modeling in waveguide piano synthesis using tunable allpass filters, in Proceedings of the 9th International Conference on Digital Audio Effects, Montreal, Canada, 2006, pp. 71-76. [article2.pdf] © 2006 by authors.
dc.relation.haspartJ. Rauhala and V. Välimäki, Parametric excitation model for waveguide piano synthesis, in Proceedings of the 2006 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Toulouse, France, 2006, pp. 157-160. [article3.pdf] © 2006 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Rauhala, H.-M. Lehtonen, and V. Välimäki, Toward next-generation digital keyboard instruments, IEEE Signal Processing Magazine, vol. 24, no. 2, pp. 12-20, 2007. [article4.pdf] © 2007 IEEE. By permission.
dc.relation.haspartJ. Rauhala, H.-M. Lehtonen, and V. Välimäki, Fast automatic inharmonicity estimation algorithm, Journal of the Acoustical Society of America, vol. 121, no. 5, pp. EL184-EL189, 2007. [article5.pdf] © 2007 Acoustical Society of America. By permission.
dc.relation.haspartJ. Rauhala, The beating equalizer and its application to the synthesis and modification of piano tones, in Proceedings of the 10th International Conference on Digital Audio Effects, Bordeaux, France, 2007, pp. 181-187. [article6.pdf] © 2007 by author.
dc.relation.haspartJ. Rauhala, M. Laurson, V. Välimäki, H.-M. Lehtonen, and V. Norilo, Physics-based piano synthesizer, Helsinki University of Technology, Laboratory of Acoustics and Audio Signal Processing, Report 84, 2007. Computer Music Journal, submitted for publication on June 29th, 2007.
dc.relation.ispartofseriesReport / Helsinki University of Technology, Laboratory of Acoustics and Audio Signal Processingen
dc.relation.ispartofseriesRaportti / Teknillinen korkeakoulu, akustiikan ja äänenkäsittelytekniikan laboratoriofi
dc.relation.ispartofseries85en
dc.subject.keywordacoustic signal processingen
dc.subject.keyworddigital signal processingen
dc.subject.keywordmusicen
dc.subject.keywordakustinen signaalinkäsittelyfi
dc.subject.keywordsignaalinkäsittelyfi
dc.subject.keywordmusiikkifi
dc.subject.otherElectrical engineeringen
dc.titlePhysics-based parametric synthesis of inharmonic piano tonesen
dc.titleFysikaaliseen mallinnukseen pohjautuva epäharmonisten pianon äänten parametrinen synteesifi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
local.aalto.digiauthask
local.aalto.digifolderAalto_67206
Files
Original bundle
Now showing 1 - 7 of 7
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789512290666.pdf
Size:
958.48 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article1.pdf
Size:
146.97 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article2.pdf
Size:
450.71 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article3.pdf
Size:
179.13 KB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article4.pdf
Size:
1.76 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article5.pdf
Size:
1.03 MB
Format:
Adobe Portable Document Format
No Thumbnail Available
Name:
article6.pdf
Size:
484.27 KB
Format:
Adobe Portable Document Format