Методи синтезу звуку

Існують такі методи синтезу звуку:

1. Аддитивний (additive). Оснований на твердженні Фур’є про те, що довільне періодичне
коливання можна представити у вигляді суми чистих тонів (синусоїдальних коливань з
різними частотами та амплітудами). Для цього потрібний набір з декількох синусоїдальних
генераторів з незалежним керуванням, вихідні сигнали яких сумуються для отримання
результуючого сигналу. На цьому оснований принцип створення звуку в духовому органі.
Переваги методу: дозволяє отримати довільний періодичний звук, і процес синтезу добре
передбачуваний (зміна настройки одного з генераторів не впливає на решту спектру звуку).
Основний недолік - для звуків складної структури можуть бути потрібні сотні генераторів,
що досить складно і дорого реалізувати. Для зниження вартості реалізації замість набору
окремих генераторів (реальних або математичних) застосовується зворотнє перетворення
Фур’є.

2. Різніцевий (subtractive). Ідеологічно протилежний першому. В основу покладена генерація
звукового сигналу з багатим спектром (множиною частотних складових) з наступною
фільтрацією (виділенням одних складових і ослабленням інших) - за цим принципом
працює мовний апарат людини. В якості вихідних сигналів зазвичай, використовується
меандр: (прямокутний, square), із змінною скважністю (відношенням всього періоду до
додатнього напівперіоду); пилоподібний (saw) - прямий та зворотній, і трикутний (triangle),
а також різні види шумів (випадкових неперіодичних коливань). Основним органом

синтезу в цьому методі служать керовані фільтри: резонансний (смуговий) - із змінним положенням і шириною смуги пропускання (band) і фільтр нижніх частот (ФНЧ) із змінною частотою зріза (cutoff). Для кожного фільтра також регулюється добротність (Q) - крутизна підйому або спаду на резонансній частоті.

Переваги методу - відносно проста реалізація і досить широкий діапазон синтезованих звуків. На цьому методі побудовано багато студійних та концертних синтезаторів (типовий представник - Moog). Недолік - для синтезу звуків із складним спектром потрібна велика кількість керованих фільтрів, які досить складні та дорогі.

3. Частотно-модуляційний (frequency modulation, FM). В основу покладено взаємну

модуляцію по частоті між декількома синусоїдальними генераторами. Кожний з таких
генераторів оснащений власними формувачами амплітудної огинаючої, амплітудним і
частотним вібратором, що називається оператором. Різні способи з’єднання декількох
операторів, коли сигнали з виходів одних керують роботою інших, називаються
алгоритмами синтезу. Алгоритм може включати один або більше операторів, з’єднаних
послідовно, паралельно, послідовно-паралельно, із зворотніми зв’язками та в інших
сполученнях - все це дає практично нескінчену множину можливих звуків.

В звукових платах найчастіше застосовується двохоператорний (OPL2) та деколи чотирьохоператорний (OPL3) синтез. Більшість плат підтримує режим OPL3, але стандартне програмне забезпечення для сумісності забезпечує роботу в режимі OPL2. Схема з’єднання операторів (алгоритм) і параметри кожного оператора (частота, амплітуда і закон їх зміни в часі) визначають тембр звучання. Число операторів і схема керування ними задають максимальну кількість синтезованих тембрів.

Цей метод має свої переваги: немає необхідності завчасно записувати звуки інструментів і зберігати цю інформацію в ПЗП на платі; різноманітність отриманих звучань дуже велика, легко повторити тембр на різних платах із сумісними синтезаторами. Недоліки метода: важко забезпечити досить благозвучний тембр в усьому діапазоні звучань; імітація звучань реальних інструментів досить груба; складно організувати тонке керування операторами, в зв’язку з чим в звукових платах використовується дуже спрощена схема з невеликим діапазоном можливих звучань.

Завдяки простоті цифрової реалізації метод отримав широке розповсюдження в студійній
та концертній практиці (типовий представник класу синтезаторів - Yamaha DX). Однак
практичне використання цього метода досить складне в зв’язку з тим, що більша частина

звуків, отриманих з його допомогою, являє собою шумоподібні коливання, і достатньо
лише дещо змінити настройку одного з генераторів, щоби чистий тембр перетворився в
шум. Однак метод дає широкі можливості з синтезу різного роду ударних звуків, а також -

різних звукових ефектів, недосяжних в інших методах прийнятної складності.

4. Самплерний (sample – виборка, зоазок). В цьому методі записується реальне звучання (сампл), яке потім в потрібний момент відтворюється. Для отримання звуків різної висоти відтворення прискорюється або уповільнюється, при незмінній швидкості виборки застосовується розрахунок проміжних значень відліків (інтерполяція). Для того, щоби тембр звуку при зсуві висоти не мінявся надто сильно, використовується декілька записів звучання через визначені інтервали (як правило, через одну-дві октави). В ранніх самплерних синтезаторах звуки буквально записувались на магнітофон, а в сучасних застосовується цифровий запис звуку.

Метод дозволяє отримати скільки завгодно точну подібність звучання реального
інструмента, однак для цього потрібні досить великі об’єми пам’яті. З іншого боку, запис звучить природньо, тільки при тих же параметрах, при яких він був зроблений - при спробі, наприклад, придати йому іншу амплітудну огинаючу природність різко падає.

Для зменшення потрібного об’єму пам’яті застосовується зациклювання сампла (looping). В
цьому випадку записуються тільки короткий час звучання інструмента, потім в ньому
виділяється середня фаза з встановленим (sustained) звуком, яка при відтворенні повторюється до тих пір, поки включена нота (натиснена клавіша), а після відпускання відтворюється кінцева фаза.

Насправді цей метод неможна з повним правом називати синтезом - це скоріше метод запису-відтворення. Однак в сучасних синтезаторах на його основі відтворюваний звук можна піддавати різній обробці - модуляції, фільтруванню, додаванню нових гармонік, звукових ефектів, в результаті чого звук може набувати зовсім новий тембр, іноді зовсім не подібний на попередній. В результаті отримується комбінація трьох основних методів синтезу, де в якості основного сигналу використовується вихідне звучання.

Типовий представник цього класу синтезаторів - E-mu Proteus.

5. Таблично-хвильовий (wave table, WT). Різновид самплерного методу, коли записується не
все звучання повністю, а його окремі фази - атака, початкове затухання, середня фаза та
кінцеве затухання, що дозволяє різко знизити об’єм пам’яті, потрібний для збереження
самплів. Ці фази записуються на різних частотах і при різних умовах (м’ягкий або різкий
удар по клавішах роялю, різне положення губ та язика при грі на саксофоні та ін.), в
результаті чого отримують сімейство звучань одного інструмента. При відтворенні ці фази
потрібним чином складаються, що дає можливість при відносно невеликому об’ємі самплів
отримати достатньо широкий спектр різних звучань інструмента, а головне - помітно
підсилити виразність звучання, вибираючи, наприклад, в залежності від сили удару по
клавіші синтезатора не тільки потрібну амплітудну огинаючу, як робить будь-який
синтезатор, а і потрібну фазу атаки.

Основна проблема цього методу - в складності спряження різних фаз одна з іншою, щоби переходи не сприймались на слух і звучання було цільним та неперервним. Тому синтезатори цього класу досить рідкісні та дорогі.

Цей метод також використовується в синтезаторах звукових карт персональних комп’ютерів, однак його можливості там сильно урізані. Зокрема, майже ніде не застосовують складання звуку з декількох фаз, зводячи цей метод до простого самплерного, хоча майже всюди є можливість паралельного відтворення більше одного сампла всередині однієї ноти. Інструменти з малою тривалістю звучання звичайно записуються повністю, а для решти може записуватись початок/кінець звучання та невелика “середня” частина, яка потім програється в циклі на протязі певного часу. В складних синтезаторах використовується паралельне програвання декількох самплів на одну ноту і додаткова обробка звуку (модуляція, фільтрування, різні “оживляючі” ефекти та ін.). Більшість карт містить вбудований набір інструментів в ПЗП, деякі плати дозволяють додатково завантажувати власні інструменти в ОЗП плати. Деякі моделі PCI-карт дозволяють використовувати для завантаження інструментів загальне ОЗП комп’ютера (UMA, Unified Memory Architecture, уніфікована архітектура пам’яті).

6. Метод фізичного моделювання (physical modelling). Полягає в моделюванні фізичних
процесів, що визначають звучання реального інструмента на основі його заданих
параметрів. В зв’язку з крайньою складністю точного моделювання навіть простих
інструментів і величезним об’ємом обчислень метод поки що розвивається повільно, на
рівні студійних та експериментальних взірців синтезаторів. Очікується, що з момента свого
достатнього розвитку він замінить відомі методи синтеза звучань акустичних інструментів,
лишивши їм тільки задачу синтеза неприродніх тембрів.

WaveGuide-технологія, що активно розробляється в Стенфордському університеті і
застосовується вже в декількох промислових моделях електронних роялей, наприклад,
фірми Baldwin. Являє собою різновид фізичного моделювання, при якому моделюється
розповсюдження коливань, що представляються дискретними відліками, по струні (одномірне моделювання) та по резонансних поверхнях (двомірне моделювання), або в об’ємному резонаторі (трьохмірне). При цьому з’являється можливість моделювати також нелінійні ефекти.

З усіх вищеперерахованих методів синтезу звуку в звукових платах переважно використовуються тільки таблично-хвильовий WT та частотно-модуляційний FM методи.