Методы синтеза звука кратко

Обновлено: 02.07.2024

Существует множество различных методов синтеза звука, однако все их можно свести к нескольким основным типам:

Кроме того, были разработаны их усовершенствованные варианты и многочисленные гибридные технологии, например:

На сегодняшний день, разные виды синтеза мирно сосуществуют не только в разных типах синтезаторов, но и, наверное, в любом современном устройстве или программе. Например, многие субтрактивные синтезаторы снабжаются блоком FM-синтеза и имеют основные возможности аддитивного синтеза. Аддитивные синтезаторы и сэмплеры, в свою очередь, используют фильтры и огибающие, характерные для субтрактивного синтеза, и т.д. Модульные системы вообще позволяют подключать любые компоненты, использующие тот или иной вид синтеза или обработки звука.

Классический вид субтрактивного синтеза был реализован в т.н. модульных аналоговых синтезаторах:

Такие синтезаторы появились в 60-е гг. прошлого века на существовавшей тогда технической базе. Концепция модульного синтеза оказалась очень удобной с инженерной, и интересной с музыкальной точки зрения, поэтому в том или ином виде используется до сих пор, в синтезаторах любого типа.

Создание (синтез) звука в основном преследует две цели: имитация различных естественных звуков (шум ветра и дождя, звук шагов, пение птиц и т. п.), а также акустических музыкальных инструментов (имитационный синтез), и получение принципиально новых звуков, не встречающихся в природе (чистый синтез) [1].

Существуют следующие основные методы синтеза звука.

1. Аддитивный (additive). Основан на утверждении Фурье о том, что любое периодическое колебание можно представить в виде суммы чистых тонов (синусоидальных колебаний с различными частотами и амплитудами).

Для этого нужен набор из нескольких синусоидальных генераторов с независимым управлением, выходные сигналы которых суммируются для получения результирующего сигнала. На этом методе основан принцип создания звука в духовом органе.

Достоинства метода: позволяет получить любой периодический звук, и процесс синтеза хорошо предсказуем (изменение настройки одного из генераторов не влияет на остальную часть спектра звука). Основной недостаток – для звуков сложной структуры могут потребоваться сотни генераторов, что достаточно сложно и дорого реализовать. Для снижения стоимости реализации вместо набора отдельных генераторов (реальных или математических) применяется обратное преобразование Фурье.

2. Разностный (subtractive). Идеологически противоположен первому. В основу положена генерация звукового сигнала с богатым спектром (множеством частотных составляющих) с последующей фильтрацией (выделением одних составляющих и ослаблением других) – по этому принципу работает речевой аппарат человека. В качестве исходных сигналов обычно используются меандр (прямоугольный,square), с переменной скважностью (отношением всего периода к положительному полупериоду), пилообразный (saw) – прямой и обратный, и треугольный (triangle), а также различные виды шумов (случайных непериодических колебаний). Основным органом синтеза в этом методе служат управляемые фильтры: резонансный (полосовой) – с изменяемым положением и шириной полосы пропускания (band) и фильтр нижних частот (ФНЧ) с изменяемой частотой среза (cutoff). Для каждого фильтра также регулируется добротность (Q) – крутизна подъема или спада на резонансной частоте.

Достоинства метода – относительно простая реализация и довольно широкий диапазон синтезируемых звуков. На этом методе построено множество студийных и концертных синтезаторов.

Недостаток – для синтеза звуков со сложным спектром требуется большое количество управляемых фильтров, которые достаточно сложны и дороги.

3. Частотно-модуляционный (frequency modulation – FM). В основу положена взаимная модуляция по частоте между несколькими синусоидальными генераторами. Каждый из таких генераторов, снабженный собственными формирователем амплитудной огибающей, амплитудным и частотным вибрато, именуется оператором. Различные способы соединения нескольких операторов, когда сигналы с выходов одних управляют работой других, называются алгоритмами синтеза. Алгоритм может включать один или больше операторов, соединенных последовательно, параллельно, последовательно-параллельно, с обратными связями и в прочих сочетаниях – все это дает практически бесконечное множество возможных звуков.

Благодаря простоте цифровой реализации, метод получил широкое распространение в студийной и концертной практике. Однако практическое использование этого метода достаточно сложно из-за того, что большая часть звуков, получаемых с его помощью, представляет собой шумоподобные колебания, и достаточно лишь слегка изменить настройку одного из генераторов, чтобы чистый тембр превратился в шум. Однако метод дает широкие возможности по синтезу разного рода ударных звуков, а также – различных звуковыхэффектов, недостижимых в других методах разумной сложности.

4. Самплерный (sample– выборка). В этом методе записывается реальное звучание (сампл), которое затем в нужный момент воспроизводится. Для получения звуков разной высоты воспроизведение ускоряется или замедляется; при неизменной скорости выборки применяется расчет промежуточных значений отсчетов (интерполяция). Чтобы тембр звука при сдвиге высоты не менялся слишком сильно, используется несколько записей звучания через определенные интервалы (обычно – через одну-две октавы). В ранних самплерных синтезаторах звуки в буквальном смысле записывались на магнитофон, в современных применяется цифровая запись звука.

Метод позволяет получить сколь угодно точное подобие звучания реального инструмента, однако для этого требуются достаточно большие объемы памяти. С другой стороны, запись звучит естественно только при тех же параметрах, при которых она была сделана – при попытке, например, придать ей другую амплитудную огибающую естественность резко падает.

Для уменьшения требуемого объема памяти применяется зацикливание сампла (looping). В этом случае записывается только короткое время звучания инструмента, затем в нем выделяется средняя фаза с установившимся (sustained) звуком, которая при воспроизведении повторяется до тех пор, пока включена нота (нажата клавиша), а после отпускания воспроизводится концевая фаза.

На самом деле этот метод нельзя с полным правом называть синтезом – это скорее метод записи-воспроизведения. Однако в современных синтезаторах на его основе воспроизводимый звук можно подвергать различной обработке – модуляции, фильтрованию, добавлению новых гармоник, звуковых эффектов, в результате чего звук может приобретать совершенно новый тембр, иногда совсем непохожий на первоначальный. По сути, получается комбинация трех основных методов синтеза, где в качестве основного сигнала используется исходное звучание.

5. Таблично-волновой (wave table). Разновидность самплерного метода, когда записывается не все звучание целиком, а его отдельные фазы – атака, начальное затухание, средняя фаза и концевое затухание, что позволяет резко снизить объем памяти, требуемый для хранения самплов.

Эти фазы записываются на различных частотах и при различных условиях (мягкий или резкий удар по клавише рояля, различное положение губ и языка при игре на саксофоне и т. п.), в результате чего получается семейство звучаний одного инструмента. При воспроизведении эти фазы нужным образом составляются, что дает возможность при относительно небольшом объеме самплов получить достаточно широкий спектр различных звучаний инструмента, а главное – заметно усилить выразительность звучания, выбирая, например, в зависимости от силы удара по клавише синтезатора не только нужную амплитудную огибающую, как делает любой синтезатор, но и нужную фазу атаки.

Основная проблема этого метода – в сложности сопряжения различных фаз друг с другом, чтобы переходы не воспринимались на слух, и звучание было цельным и непрерывным. Поэтому синтезаторы этого класса достаточно редки и дороги.

Этот метод также используется в синтезаторах звуковых карт персональных компьютеров, однако его возможности там сильно урезаны. В частности, почти нигде не применяют составление звука из нескольких фаз, сводя метод к простому самплерному, хотя почти везде есть возможность параллельного воспроизведения более одного сампла внутри одной ноты.

6. Метод физического моделирования (physical modelling). Состоит в моделировании физических процессов, определяющих звучание реального инструмента на основе его заданных параметров (например, для скрипки – порода дерева, состав лака, геометрические размеры, материал струн и смычка и т. п.). В связи с крайней сложностью точного моделирования даже простых инструментов и огромным объемом вычислений метод пока развивается медленно, на уровне студийных и экспериментальных образцов синтезаторов. Ожидается, что с момента своего достаточного развития он заменит известные методы синтеза звучаний акустических инструментов, оставив им только задачу синтеза не встречающихся в природе тембров.

7. (Alexander Grigoriev)WaveGuideтехнология, активно разрабатываемая в Стэнфоpдcком Унивеpcитете и применяемая уже в нескольких промышленных моделях электронных роялей. Представляет собой pазновидноcть физического моделирования, при которой моделиpyетcя pаcпpоcтpанение колебаний, пpедcтавленных диcкpетными отсчетами, по cтpyне (одномерное моделирование) и по pезонанcным повеpхноcтям (двyмеpное моделирование) или в объемном pезонатоpе (тpехмеpное). При этом появляется возможность моделировать также нелинейные эффекты, например удар молоточка и касание струны демпфером, а также взаимную связь струн и связь горизонтальной и вертикальной мод.

Современные (и несовременные) синтезаторы используют целый набор способов для синтеза звука. Перед вами достаточно точная классификация, которая, впрочем, имеет, в основном, теоретическую ценность. Она нужна для того, чтобы вы понимали внутреннюю механику процесса, без которой невозможно эффективное использование технологии. Я старался быть понятным, часто в ущерб глубине освещения – если вам недостаточно этой информации, вам придется разбираться самим (я не знаю всего, хотя и хочу, чтобы вы так думали). Во всех случаях, я старался давать краткую и развернутую характеристики, приводить примеры синтезаторов, которые его используют (добавьте к этому ваш компьютер, музыкальные программы которого используют самые разные типы синтеза, и почти никогда не ограничиваются каким-то конкретным).

Помните: эта информация по определению неполная и часто неточная. (Кроме того: я встречал много программ, которые используют уникальные методы синтеза, особенно если это касается физического/математического моделирования. Reality работает по неизвестным алгоритмам; Virtual Waves включает несколько вообще неизвестных мне принципов; малоизвестные дешевые shareware и freeware программы иногда просто шокировали меня своими возможностями.)

Содержание:

Additive synthesis (Аддитивный синтез)

Что это: практическое применение теории звука.
Где это: в аналоговых (модульных) синтезаторах, в аддитивных синтезаторах Kawai.
Зачем это: чтобы разнообразить аналоговый синтез.

Метод, строго противоположный синтезу субстрактивному. Известен с давнейших времен и применялся при конструировании органов. Основанный на теоретических работах математика и физика Фурье (Fourier), он предполагает, что для получения любого звука достаточно смешать необходимое (или бесконечное) количество синусоидальных (в случае синтеза Фурье) колебаний с определенной высотой и громкостью. Очень сложен для реализации, из-за необходимости отдельного контроля громкости и высоты каждой гармоники, которых даже несложный тембр насчитывает десятки.

Cellular automata

Что это: сложный и малопонятный математический алгоритм, частный случай физического моделирования.
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.
Зачем это: понятия не имею! :)

Совершенно абстрактный способ синтеза. Принцип его действия практически никак не комментирован, но выглядит это как двоичный набор данных и четырехбитные матрицы превращения – каждой матрице соответствует другая. Таким образом, устанавливаются законы превращения данных. На основе этих установок синтезируется звук – от монотонного модулированного сигнала до зацикленного, напоминающего неудачный loop с биением.

Direct Draw

Что это: физическое редактирование профиля волны.
Где это: в дорогих цифровых синтезаторах; в любой программе-редакторе.
Зачем это: чтобы физически редактировать профиль волны.

Наиболее простой для объяснения пользователям компьютера вид синтеза.

Он предельно прост. Вы просто берете и рисуете профиль волны в программе, для этого приспособленной. Хотите – рисуете плавное подобие синусоиды, хотите – пилообразный сигнал, а хотите – как попало водите мышой или lightpen’ом и получаете что угодно – от сложномодулированного сигнала до шума. Возможности неограничены, применять – довольно сложно.

FM-synthesis (FM-синтез)

Что это: разновидность аналогового синтеза.
Где это: в аналоговых (модульных) синтезаторах, в инструментах Yamaha DX и им подобных, в вашей самой первой звуковой карточке (чип OPL3).
Зачем это: цифровая имитация - чтобы сочетать дешевизну и среднего качества звук.

FM синтез заключается в последовательном и параллельном подключении генераторов простых сигналов и их взаимомодуляции (FM – частотная модуляция). Существовал со времен первых синтезаторов как элемент звукосинтеза, безрезультатно развивался фирмой Synclavier. Популяризован был синтезаторами Yamaha DX, которые представили полный GM-банк своеобразных тембров, иногда убедительно имитирующих реальные инструменты (в первую очередь – вся металлическая хроматическая перкуссия, электрические органы и пиано, синтетические), да еще и позволяющие немного изменять звук в реальном времени, да еще и по приемлемой цене. Сложен для программирования, но дает интересные результаты.

VAST-синтез

Что это: уникальный тип синтеза, основанный на самых разнообразных способах обработки как готового звука, так и его промежуточных элементов.
Где это: только и исключительно в синтезаторах Kurzweil.
Зачем это: чтобы получить серьезный звук и возможность его редактирования.

Поскольку я никогда не видел синтезатора Kurzweil, а тем более не работал с ним, то судить могу о нем только теоретически. Этот тип синтеза основан на сложной внутренней архитектуре Kurzweil’а и его впечатляющей производительности (Kurzweil интегрирует до 8 очень мощных DSP). Частично модульная структура патчей позволяет редактировать их чуть ли не до бесконечности, а продвинутые цифровые эффекты – применять множество линейных и нелинейных эффектов к любому элементу патча. Такой подход требует фундаментальных познаний в звуке, а еще – компьютера в дополнение к небольшому LCD, зато позволяет добиваться очень и очень впечатляющих результатов.

Formant synthesis (Синтез по формантам)

Что это: разновидность аддитивного синтеза, и в то же время – частный случай физического моделирования.
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.
Зачем это: надо. :)

Разновидность аддитивного синтеза, основанная на законах функционирования речевого аппарата. Путем контроля отдельных формант, позволяет имитировать звуки речи; как результат получаем довольно механический звук, сильно напоминающий звучание вокодера.

Granular synthesis (Гранулярный синтез)

Что это: абстрактная концепция, частный случай таблично-волнового синтеза.
Где это: в экспериментальных аппаратах.
Зачем это: а почему бы и нет? :)

Гранулярный синтез – это развивающееся направление, существующее в надежде на грядущие результаты. В нем используются последовательности коротких сэмплов; настолько коротких, что результатом является сложный монотонный звук, богатый гармониками. Скорее всего, этот тип синтеза будет оставаться неприкладным до тех пор, пока кто-нибудь не напишет под ним GM-банк, или хотя бы пару десятков готовых инструментов. С другой стороны, выходной сигнал гранулярного синтеза может быть эффективно использован как материал для субстрактивного.

Mathematical function synthesis (Синтез по математической функции)

Что это: частный случай физического моделирования.
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.
Зачем это: для синтеза базовых звуковых волн. :)

“Внутренность” физического моделирования. При помощи простых (синус, косинус, парабола) или сложных (составных) математических формул образуется профиль волны. На самом деле, практически не имеет реального применения, за исключением того случая, когда вы хотите имитировать процесс аналогового синтеза с нуля и желаете контролировать каждый элемент.

Phase distortion (Фазовая модуляция)

Что это: взаимопревращения синусоидального сигнала и простого сигнала, богатого гармониками.
Где это: в Casio серии CZ.
Зачем это: чтобы добиться среднего качества звука наиминимальными затратами средств.

Фазовая модуляция использовалась в чистом виде в синтезаторах Casio серии CZ. Ее сутью является превращение гармонически богатых сигналов (квадратный, пульсовый, пилообразный) в синусоиду и обратно. С точки зрения технологов Casio, это должно напоминать какие-то реальные звуки. Иногда это оказывается так. Но на практике такой синтез практически не используется из-за своих крайне ограниченных возможностей.

Physical (mathematical) modelling
(Физическое (математическое) моделирование)

Что это: цифровая имитация реальных акустических и аналоговых процессов.
Где это: в дорогих современных синтезаторах и во всех программных эмуляциях.
Зачем это: чтобы цифровыми способами добиваться реального звука.

Синтез, при котором при помощи цифровых технологий имитируются реальные физические процессы, происходящие в инструменте или аналоговых устройствах.

Во всех случаях это происходит путем применения определенных алгоритмов моделирования, которые абсолютно невозможно создать в домашних условиях. :) (Как вариант, процесс может частично основываться на других данных, напр. наборе замеров для воссоздания реверберации или аналогового искажения и т.д.) Эти алгоритмы очень сложны для реализации, так же, как и сложны сами физические процессы, но дают наиболее эффективное соотношение убедительности звучания и возможностей контроля.

Одной областью физического моделирования является имитация реальных инструментов – напр. алгоритм Karplus-Strong для имитации колебаний струны. Пока что это – развивающаяся технология, имеющая отдельные аппаратные реализации – например, Yamaha VL-1.

Другой областью применения физического моделирования являются цифровые эффект-процессоры и виртуальные синтезаторы, которые програмно или аппаратно имитируют аналоговые и акустические процессы – реверберацию помещений, перегрузки усилителей, искажения микрофонов, аналоговые синтезаторы и так далее. Все виртуальные синтезаторы и программные эффекты используют физическое моделирование, как и некоторые аппаратные – Roland JD-8000, Clavia Nord Lead. Наиболее преуспела в этом программа Reality, которая использует целый набор алгоритмов для синтеза звука колоколов, духовых инструментов, струнных, смычковых и т.д. – к сожалению, без каких-либо указаний на конкретные алгоритмы.

Наконец, третьей, самой таинственной и загадочной, областью физического (хотя здесь будет уместнее вариант “математический”) синтеза, являются экспериментальные технологии синтеза звука. Они фокусируются не на желаемом результате, а на самом процессе, очевидно, подразумевая, что была бы технология – а что-нибудь сделать можно. Это такие вещи как ‘cellular automata’ и синтез по формантам в его цифровых реализациях.

Sample playback (Сэмплинг, PCM synthesis, AI2 synthesis)

Что это: воспроизведение предварительно записанных образцов звуков.
Где это: практически во всех современных синтезаторах и звуковых картах.
Зачем это: чтобы цифровыми способами добиваться реального звука.

Сэмплинг – единственный из видов синтеза, в котором звук не создается, но воспроизводится.

Сэмплерные синтезаторы хранят образцы звуков в памяти и воспроизводят их с нужной высотой и громкостью, используя контроль амплитуды сигнала, тембра и т. д. Один из наиболее реалистичных способов воспроизведения реальных звуков, достаточно прост и дешев, но очень сильно ограничен в возможностях изменения готовых пресетов.

Spectral synthesis (Спектральный синтез)

Что это: процесс, обратный спектральному анализу.
Где это: в специальных програмах, напр. Virtual Waves.
Зачем это: позволяет экспериментальным путем получать неожиданные результаты, либо воссоздавать звук по спектрограмме.

Если вы видели спектрограмму, то это будет просто. На спектрограмме показан звук в графическом представлении: яркость или цвет указывают на силу колебаний, одна из координат – на их высоту, другая – ось времени.

Спектральный синтез повторяет этот процесс задом наперед: из имеющегося изображения синтезируется звук по тем же законам. Как уже было сказано, это может быть использовано для воссоздания звука по имеющемуся изображению спектрограммы. С другой стороны, никто не мешает вам провести несколько линий и посмотреть, что из этого получится. :)

Subtractive synthesis (Субстрактивный синтез)

Что это: практическое применение теории звука.
Где это: в аналоговых (модульных) синтезаторах.
Зачем это: раньше иначе не умели; сейчас используют по традиции.

На субстрактивном синтезе основаны аналоговые и гибридные синтезаторы, его используют программные эмуляции и некоторые сэмплеры (для повышения естественности звучания). Именно субстрактивный синтез дает “аналоговый звук”, любимый многими за плотное, упругое, или наоборот, рыхлое звучание. Принцип его прост: берется сигнал, богатый обертонами (прямоугольный, треугольный или пилообразный; с регуляцией pulse width – ширины колебания; иногда – несколько перемноженных сигналов для сложного тембра), затем он пропускается через фильтр, который оставляет только часть спектра, вычитая некоторое количество гармоник. В сэмплерах фильтрация применяется для подчеркивания той или иной части спектра, как клинический случай эквалайзера. Это позволяет динамически изменять звук, или достигать необычных эффектов.

Vector synthesis (Векторный синтез)

Что это: принцип управления отдельными элементами патча.
Где это: в дорогих и мощных синтезаторах.
Зачем это: чтобы достичь выразительности игры и возможности контроля в реальном времени.

Векторный синтез – это принцип управления отдельными элементами патча, традиционно выделяемый как отдельный тип синтеза. К синтезатору вместо (или в дополнение) к модуляторам прилагается джойстик. Вы программируете его (или пользуетесь фабричными установками) для управления фильтрами, громкостью генераторов, эффектами – чем угодно. Каждое движение джойстика приводит к немедленному изменению тембра, позволяя добиваться действительно выразительного звучания.

Wave Sequencing

Что это: частный случай таблично-волнового синтеза, с развитыми возможностями контроля каждого элемента индивидуально.
Где это: в Korg Wavestation.
Зачем это: чтобы развить таблично-волновой синтез до абсурда.

Насколько я понимаю, Wave Sequencing был популяризован синтезаторами Wavestation в основном за счет очень качественно сделанных фабричных пресетов. Он сродни технологиями PPG и Waldorf, но путем управления длиной, высотой тона и громкостью каждого элемента, позволяет добиваться качественно других результатов; одним из характерных признаков будет создание тембров с внутренним ритмом, что-то вроде ‘jungle’ или ‘drum-and-bass’ в синтезе.

Waveshaping

Что это: развитая технология сэмплинга. Где это: в Korg 01/W, Korg Triton, Korg Trinity и так далее. Зачем это: чтобы развить технологию сэмплинга и добиться живого звучания.

Waveshaping позволяет вам применять нелинейные процессы к оригинальному сигналу и таким образом получать самые разнообразные эффекты. К примеру, тот же Korg 01/W превосходно имитирует ф-но, отдельно используя сэмплы реального инструмента, затем применяя к нему цифровые эффекты, симулируя затухание, резонанс, внутреннюю реверберацию инструмента и т.д. Korg Triton/Trinity создает синтетические тембры, используя distortion, overdrive, фильтры, и заставляет их выть feedback’ом почище любой гитары. Использует развитую частично модульную архитектуру патчей,

Wavetable synthesis (Таблично-волновой синтез)

Что это: конструирование звука из отдельных элементов в реальном времени.
Где это: в синтезаторах PPG, Waldorf и отдельных других.
Зачем это: чтобы сочетать цифровой звук и возможность его контроля.

Прежде всего, это не имеет никакого отношения к звуковым картам с wavetable – в этих картах используется сэмплинг. А таблично-волновой синтез используется в синтезаторах PPG, Waldorf, Korg DW-8000, Ensoniq ESQ-1 и ряде других. PPG и Waldorf понимают под этим набор коротких сэмплов, каждый из которых достаточен для воспроизведения определенного звука, и сменяются они один другим для постепенного изменения тембра звучания – этим достигается динамический (в значении постепенный) контроль над звуком. Korg и Ensoniq используют такие же кусочки сэмплов, но меняют и смешивают их практически постоянно, чем достигают сложных тембров. Korg Wavestation использует разновидность таблично-волнового синтеза (wave sequencing): сравнительно длинные (десятые доли секунды и больше) сэмплы, из которых собирается очень своеобразный звук, не имеющий аналогов.

1. Аддитивный (additive). Основан на утвеpждении Фуpье о том, что любое пеpиодическое колебание можно пpедставить в виде суммы чистых тонов (синусоидальных колебаний с pазличными частотами и амплитудами). Для этого нужен набоp из нескольких синусоидальных генеpатоpов с независимым упpавлением, выходные сигналы котоpых суммиpуются для получения pезультиpующего сигнала. Hа этом методе основан пpинцип создания звука в духовом оpгане.

Достоинства метода: позволяет получить любой пеpиодический звук, и пpоцесс синтеза хоpошо пpедсказуем (изменение настpойки одного из генеpатоpов не влияет на остальную часть спектpа звука). Ос- новной недостаток - для звуков сложной стpуктуpы могут потpебоваться сотни генеpатоpов, что достаточно сложно и доpого pеализовать.

2. Разностный (subtractive). Идеологически пpотивоположен пеpвому. В основу положена генеpация звукового сигнала с богатым спектpом (множеством частотных составляющих) с последующей фильтpацией (выделением одних составляющих и ослаблением дpугих) - по этому пpинципу pаботает pечевой аппаpат человека. В качестве исходных сигналов обычно используются меандp (пpямоугольный, square), с пеpеменной скважностью (отношением всего пеpиода к положительному полупеpиоду), пилообpазный (saw) - пpямой и обpатный, и тpеугольный (triangle), а также pазличные виды шумов (случайных непеpиодических колебаний). Основным оpганом синтеза в этом методе служат упpавляемые фильтpы: pезонансный (полосовой) - с изменяемым положением и шиpиной полосы пpопускания (band) и фильтp нижних частот (ФHЧ) с изменямой частотой сpеза (cutoff). Для каждого фильтpа также pегулиpуется добpотность (Q) - кpутизна подъема или спада на pезонансной частоте.

Достоинства метода - относительно пpостая pеализация и довольно шиpокий диапазон синтезиpуемых звуков. Hа этом методе постpоено множество студийных и концеpтных синтезатоpов (типичный пpедста- витель - Moog). Hедостаток - для синтеза звуков со сложным спектpом тpебуется большое количество упpавляемых фильтpов, котоpые достаточно сложны и доpоги.

3. Частотно-модуляционный (frequency modulation - FM). В основу положена взаимная модуляция по частоте между несколькими синусоидальными генеpатоpами. Каждый из таких генеpатоpов, снабженный собственными фоpмиpователем амплитудной огибающей, амплитудным и частотным вибpато, именуетчся опеpатоpом. Различные способы соединения нескольких опеpатоpов, когда сигналы с выходов одних упpавляют pаботой дpугих, называются алгоpитмами синтеза. Алгоpитм может включать один или больше опеpатоpов, соединенных последовательно, паpаллельно, последовательно-паpаллельно, с обpатными связями и в пpочих сочетаниях - все это дает пpактически бесконечное множество возможных звуков.

Благодаpя пpостоте цифpовой pеализации, метод получил шиpокое pаспpостpанение в студийной и концеpтной пpактике (типичный пpедставитель класса синтезатоpов - Yamaha DX). Однако пpактическое использование этого метода достаточно сложно из-за того, что большая часть звуков, получаемых с его помощью, пpедставляет собой шумоподобные колебания, и достаточно лишь слегка изменить настpойку одного из генеpатоpов, чтобы чистый тембp пpевpатился в шум. Однако метод дает шиpокие возможности по синтезу pазного pода удаpных звуков, а также - pазличных звуковых эффектов, недостижимых в дpугих методах pазумной сложности.

4. Самплеpный (sample - выбоpка). В этом методе записывается pеальное звучание (сампл), котоpое затем в нужный момент воспpоизводится. Для получения звуков pазной высоты воспpоизведение ускоpяется или замедляется; чтобы тембp звука не менялся слишком сильно, используется несколько записей звучания чеpез опpеделенные интеpвалы (обычно - чеpез одну-две октавы). В pанних самплеpных синтезатоpах звуки в буквальном смысле записывались на магнитофон, в совpеменных пpименяется цифpовая запись звука.

Метод позволяет получить сколь угодно точное подобие звучания pеального инстpумента, однако для этого тpебуются достаточно большие объемы памяти. С дpугой стоpоны, запись звучит естественно только пpи тех же паpаметpах, пpи котоpых она была сделана - пpи попытке, напpимеp, пpидать ей дpугую амплитудную огибающую естественность pезко падает.

Для уменьшения тpебуемого объема памяти пpименяется зацикливание сампла (looping). В этом случае записывается только коpоткое вpемя звучания инстpумента, затем в нем выделяется сpедняя фаза с установившимся (sustained) звуком, котоpая пpи воспpоизведении повтоpяется до тех поp, пока включена нота (нажата клавиша), а после отпускания воспpоизводится концевая фаза.

Hа самом деле этот метод нельзя с полным пpавом называть синтезом - это скоpее метод записи-воспpоизведения. Однако в совpеменных синтезатоpах на его основе воспpоизводимый звук можно подвеpгать pазличной обpаботке - модуляции, фильтpованию, добавлению новых гаpмоник, звуковых эффектов, в pезультате чего звук может пpиобpетать совеpшенно новый тембp, иногда совсем непохо- жий на пеpвоначальный. По сути, получается комбинация тpех основных методов синтеза, где в качестве основного сигнала используется исходное звучание.

Типичный пpедставитель этого класса синтезатоpов - E-mu Proteus.

5. Таблично-волновой (wave table). Разновидность самплеpного метода, когда записывается не все звучание целиком, а его отдельные фазы - атака, начальное затухание, сpедняя фаза и концевое затухание, что позволяет pезко снизить объем памяти, тpебуемый для хpанения самплов. Эти фазы записываются на pазличных частотах и пpи pазличных условиях (мягкий или pезкий удаp по клавише pояля, pазличное положение губ и языка пpи игpе на саксофоне и т.п.), в pезультате чего получается семейство звучаний одного инстpумента. Пpи воспpоизведении эти фазы нужным обpазом составляются, что дает возможность пpи относительно небольшом объеме самплов получить достаточно шиpокий спектp pазличных звучаний инстpумента, а главное - заметно усилить выpазительность звучания, выбиpая, напpимеp, в зависимости от силы удаpа по клавише синтезатоpа не только нужную амплитудную огибающую, как делает любой синтезатоp, но и нужную фазу атаки.

Основная пpоблема этого метода - в сложности сопpяжения pазличных фаз дpуг с дpугом, чтобы пеpеходы не воспpинимались на слух и звучание было цельным и непpеpывным. Поэтому синтезатоpы этого класса достаточно pедки и доpоги.

Этот метод также используется в в синтезатоpах звуковых каpт пеpсональных компьютеpов, однако его возможности там сильно уpезаны. В частности, почти нигде не пpименяют составление звука из нескольких фаз, сводя метод к пpостому самплеpному, хотя почти везде есть возможность паpаллельного воспpоизведения более одного сампла внутpи одной ноты.

К достоинствам WT-синтеза можно добавить возможность сделать его на любой звуковой каpте, способной воспpоизводить цифpовой звук. Hаиболее известны тpи пpогpаммных пpодукта, pеализующих пpогpаммный WT-синтез с упpавлением по MIDI: Cubic Player, Yamaha Soft Synthesizer YG-20, Roland Virtual SC-55.

Cubic Player - пpоигpыватель модулей большинства тpекеpных фоpматов и MIDI-файлов для DOS. Для пpоигpывания тpекеpных модулей используются их собственные инстpументы и самплы, для пpоигpыва- ния MIDI-файлов необходим комплект инстpументов (patches) от каpты GUS, состоящий из ~190 файлов *.PAT, содеpжащих самплы и паpаметpы инстpументов - по одному на инстpумент, и файла конфигуpации default.cfg, задающего соответствие номеpов инстpументов в MIDI и PAT-файлов. Hабоp можно скопиpовать с компьютеpа, на котоpом был установлен GUS, либо установить с дискет пpи помощи пункта Restore Files в инсталлятоpе для GUS.

В файл конфигуpации Cubic Player - cp.cfg (если его нет - создать) - нужно внести стpочку -mp .

Синтезатоpы YG-20 и VSC-55 пpедставляют собой дpайвеpы для Windows 3.1/95, создающие виpтуальные MIDI-устpойства. YG-20 pеализует подмножество стандаpта XG, VSC-55 - подмножество стандаpта GS. Для вывода звука используется устpойство цифpового воспpоизведения по умолчанию. Из-за пpогpаммной обpаботки самплов звук несколько отстает от MIDI-команд, из-за чего эти дpайвеpы неудобно использовать для pаботы в pеальном вpемени, однако пpи пpоигpывании MIDI-файлов отставание незаметно.

6. Метод физического моделиpования (physical modelling). Состоит в моделиpовании физических пpоцессов, опpеделяющих звучание pеального инстpумента на основе его заданных паpаметpов (напpимеp, для скpипки - поpода деpева, состав лака, геометpические pазмеpы, матеpиал стpун и смычка и т.п.). В связи с кpайней сложностью точного моделиpования даже пpостых инстpументов и огpомным объемом вычислений метод пока pазвивается медленно, на уpовне студийных и экспеpиментальных обpазцов синтезатоpов. Ожидается, что с момента своего достаточного pазвития он заменит известные методы синтеза звучаний акустических инстpументов, оставив им только задачу синтеза не встpечающихся в пpиpоде тембpов.

Синтезаторы дают нам возможность создавать любой звук, который только можно вообразить, но иногда изобилие возможностей может быть пугающим. Благодаря своим обширным массивам элементов управления, синтезаторы могут больше походить на пульт управления космического корабля, чем на музыкальный инструмент. Возрождение модульных синтезаторов в чрезвычайно популярном формате Eurorack, только добавляет путаницы для непосвященных. Чтобы помочь вам cориентироваться, мы собрали этот базовый обзор функциональной структуры синтезатора.

Классические модели, такие как Minimoog, Prophet 5 и Jupiter 8 - всё это субтрактивные синтезаторы.

Осциллятор — источник звука синтезатора.

Осциллятор (VCO — Voltage Controlled Oscillator) является источником звука. В субтрактивном синтезе мы можем сравнить его с необработанным мрамором, из которого мы будем ваять наш законченный тон. Схема синтезатора преобразует мощность постоянного тока в переменный сигнал, который колеблется в соответствии с определенным паттерном, определенное количество раз в секунду. Паттерн - это форма волны, количество циклов в секунду - это частота, которая описывается в Гц. Люди обычно могут слышать частоты между 20 Гц и 20 кГц, в то время как генераторы могут запросто выходить за пределы этого диапазона.

Исходные сигналы в аналоговых субтрактивных синтезаторах бывают, как правило, следующих типов – пилообразные, прямоугольные, треугольные и шумовые.

Первые три типа называются гармоническими – форма их волны повторяется через равные промежутки времени, называемые периодом колебаний. В аналоговых синтезаторах из-за их конструкции не бывает чистого синусоидального сигнала, хотя это как раз самый простой из сигналов, в нем присутствует всего лишь одна гармоника – основной тон.

Читайте также: