Generalised audio synthesis algorithm for simulating firearm and subsonic/supersonic projectiles

Abstract

Ses sinyallerinin yapay olarak üretiminde gerçek ses datalarını simüle edebilmek içinmatematiksel denklemler ve proses modelleri kullanılır. En çok kullanılan model isefiziksel modelleme sentezidir. Bir ses kaynağının başarılı şekilde simüle edilebilmesiiçin enstrüman yada kaynağın fiziksel özelliklerini karşılayan benzer yada tamamenfarklı denklemler gerektirir. Fakat çok kısa zaman dilimleri içerisinde, bir milisaniyedendaha kısa, yüksek miktarda enerji impulsları barındıran ses kaynaklarının fizikselolarak modellenmesi ve simüle edilmesi beklenilenden daha büyük bir zorluk teşkiletmiştir. Tezin ana amacı ise farklı kalibrede pek çok farklı ateşli silaha ait ateşleme,mermilerin geçişi ve bu mermilerini belli özellikteki yüzeylere çarpma seslerinin sentezedilmesi gibi farklı alanlarda kullanılabilecek özgün genelle¸stirilmiş temel sessentez algoritması geliştirmektir.Bu üç farklı konu üç farklı prosese bölünmüştür. Namlu patlama sentezi için tepebasınç değerleri ve pozitif süre zarfı sentezi için Hopkinson Ölçeklendirme Kanunuve Birleşik Devletler Donanma Çalışmaları ile desteklenen Freidlander denklemindenoluşan birleşik bir metodoloji, silah karakteristikleri için birbirinden çok farklı ikiateşli silahtan elde edilmiş gürültü interpolasyonu geliştirilmiştir.Farklı malzemelere mermi çarpma sesleri için modüler bir enerji dönüşüm metodu geliştirilmiştir. Senteze parametrik yaklaşımı mümkün kılmak için gerçek mermi çarpmases dalga formları enerji-zaman bileşenlerine ayrılmıştır.Çatlama sesi olarak da bilinen, süpersonik hızlarda seyrini sürdüren mermilerin geçerken yaratıkları sonik patlamalar N-profil dalga formları halinde sunulmuş ve maksimumbasınç ve zaman süreçleri tahminleri NASA'nın aerodinamik çalışmaları iledesteklenmiştir.Bu özgün yaklaşım ile namlu patlama ve çatlama sesleri için tepe basınç değerleri vepozitif zaman süreçleri daha isabetli ¸sekilde belirlenmiş ve farklı materyaller üzerineisabet eden mermi sesleri elde edilebilmiştir.

Artificial creation of audio signals involves mathematical equations and processingmodels in order to simulate real samples of audio data. Most frequently used modelfor audio synthesis is physical modeling synthesis. Successful simulation of the audiosource requires a slightly or completely different equation to match physical propertiesof instrument or source. However physically modeling and simulating soundsources that containing great energy impulses in very short time periods, less than amillisecond, has proven itself to be a challenge. The aim of this thesis is developmentof a novel generalized base audio synthesis algorithm which could have distinctimplementations to synthesise audio signals pertaining to gunshots from several differentcalibre and types of firearms, shock waves created by passing by of projectilesfired from these weapons, and impacts of these projectiles on certain material types(concrete, metal etc.).Study of these three distinct subject has been divided in three different processes. Formuzzle blast synthesis a combined methodology of Friedlander equation supportedby Hopkinson's Scaling Law and the United States Navy Studies of overpressures forestimating peak overpressure and positive phase duration, extracted noise interpolationof two vastly different firearms for weapon characteristics is devised.For bullet impact sound on different materials an energy conversion based modularapproach is utilised. Real waveforms of bullet impact sounds are divided into energytimecomponents to allow for parametric approach of synthesis.For sonic booms of passing by projectiles while they are still cruising at supersonicspeeds, also referred as cracking sound, are presented as N-profile waveforms supportedby maximum pressure and time duration estimates with aerodynamic studiesof NASA.With this novel approach peak overpressures and positive phase durations for muzzleblast and cracking sound have been estimated with greater accuracy and synthesis ofimpact sounds on different materials has been achieved.