ТЕМА 6. Основные виды электронного синтеза звука

В процессе развития электроники совершенствовались методы и устройства генерации и обработки звуковых колебаний в электронных музыкальных инструментах. Большое внимание уделялось вопросам темброобразования как для более точной имитации звучания традиционных инструментов, так и в целях получения новых, необычных тембров. Рассмотрим основные методы синтеза.

Аддитивный (additive — сложение) метод, применявшийся еще в органе Хаммонда. Результирующий тембр формируется путем сложения нескольких исходных колебаний. При использовании в качестве исходных колебаний синусоидальных сигналов с кратными (отличающимися в целое число раз) частотами и регулируемыми амплитудами отдельных составляющих можно получить большое количество самых разнообразных тембров. Такая разновидность аддитивного метода называется гармоническим синтезом тембра.

Регистровый синтез (разновидность аддитивного). В этом случае в качестве исходных используют колебания более сложной формы, например, пилообразные или прямоугольные. И в том, и в другом случаях для точного воспроизведения звучания заданного музыкального инструмента требуется очень большое (теоретически бесконечно большое) число исходных колебаний. Чем меньше исходных колебаний, тем сильнее отличается синтезированный звук от звучания имитируемого инструмента. На практике оказывается, что даже при полутора-двух десятках исходных колебаний звучание синтезатора лишь в основном напоминает то, что хотелось получить. Это одна из особенностей психоакустического восприятия звука. Если будут опознаны хоть какие-нибудь характерные признаки знакомого музыкального инструмента, то в сознании произойдет подмена фактического звучания на воображаемое.

Субтрактивный метод (subtractive — вычитание). Сущность этого метода заключается в том, что новый тембр создается путем изменения соотношений между отдельными составляющими в спектре первоначального колебания. Реализуется этот метод в два этапа. Сначала формируются колебания, основные частоты которых соответствуют частотам нот. Главное требование к первоначальному колебанию сводится к тому, что оно должно иметь как можно более богато развитый тембр (иметь большое количество спектральных составляющих). На втором этапе с помощью частотных фильтров из первоначального колебания выделяют частотные составляющие, характерные для имитируемого музыкального инструмента. Этот метод также удобно реализовать на базе быстродействующих цифровых интегральных микросхем. Таким образом, при синтезе звуков в электронных музыкальных инструментах аддитивный и субтрактивный методы мирно уживаются и дополняют друг друга.

Развитие технологии аналоговых интегральных микросхем позволило со временем реализовать отработанные методы синтеза, доступных как в отношении управляемости, так и в отношении стоимости. Приоритет в этой области принадлежит Р. Мугу, выпустившему в 1964 году первый такой синтезатор. Его основой стал генератор, управляемый напряжением, который способен формировать сигналы прямоугольной, пилообразной и синусоидальной формы. Различные варианты соединения таких генераторов и сложения их выходных сигналов позволили получить обширную палитру новых электронных звуков.

FM-аддитивный метод основан на частотной модуляции: изменении частоты сигнала в соответствии с законом изменения некоторого управляющего напряжения. Со временем было накоплено большое количество таких алгоритмов управления частотами генераторов Муга, которые представляли ценность в музыкальном отношении, и поэтому закладывались в блоки управления новых синтезаторов. В результате развития цифровой техники произошел естественный переход от аналоговых к цифровым формирователям колебаний, способным генерировать сигналы произвольной формы. Сами формирователи могут быть реализованы как аппаратно, так и программно, а форма генерируемого сигнала в виде цифрового алгоритма управления формирователями хранится в запоминающем устройстве. Возможность использования большого числа формирователей (порядка нескольких десятков), которые имеют независимое управление частотой колебаний и огибающей амплитуды (размаха колебаний) сигналов, для синтеза каждого голоса музыкального инструмента позволила говорить о переходе на качественно новый по сравнению с аналоговыми синтезаторами уровень. FM-синтез звука производится на основе использования нескольких генераторов звуковых частот при их взаимной модуляции. Совокупность генератора и схемы, управляющей этим генератором, принято называть оператором. Схема соединения операторов и параметры каждого оператора (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр звучания. Количество операторов определяет максимальное число синтезируемых тембров. В операторе следует выделять два структурных элемента: частотный модулятор и генератор огибающей. Частотный модулятор определяет высоту тона, а генератор огибающей определяет относительно медленное изменение амплитуды колебания во времени и, тем самым, тембр звука. Звуковые колебания, формируемые различными музыкальными инструментами, имеют различные огибающие. Однако любую огибающую можно условно расчленить на несколько характерных фаз, которые принято называть: attack (атака), decay (спад), sustain (поддержка), release (освобождение) (рис. 5.1).

Рис. 6.1. Четыре фазы огибающей сигнала

Например, при нажатии на клавишу фортепиано сначала амплитуда колебаний быстро возрастает до максимального значения, затем несколько спадает, потом в течение некоторого времени остается практически постоянной и, наконец, колебания медленно затухают.

В более совершенных синтезаторах элементарный процесс извлечения звука состоит не из четырех, а из шести фаз (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Шесть фаз огибающей сигнала

Это позволяет получить большее сходство синтезируемого звучания и его естественного образца. Неоспоримое достоинство FM-синтеза состоит в том, что на его основе можно получить несчетное количество электронных тембров. Немаловажно также то обстоятельство, что не требуется заранее записывать и хранить в памяти синтезируемые звуки. Достаточно хранить алгоритм их синтеза.

Сэмплеры (sampling — отбор образцов). Суть этого способа состоит в том, что для синтеза звука используются сгенерированные не в реальном времени, а заранее фрагменты, хранящиеся в памяти инструмента. Эти фрагменты могут быть получены путем записи в цифровой форме натуральных звуков. Синтезаторы, в которых воплощен такой принцип, называются сэмплерами, а образцы звучания — сэмплами. Процесс записи сэмплов принято называть оцифровкой или сэмплированием. В целях экономии необходимой памяти сэмплы могут храниться в виде нескольких фрагментов: фрагмента начала звука, фрагмента стационарной фазы и фрагмента завершения звука. Фазы начала и завершения звука при исполнении воспроизводятся без изменений, а стационарная фаза зацикливается на время нажатия клавиши. Сэмплы, записанные с помощью микрофонов, расположенных, например, вблизи рояля, до того, как оказаться в памяти синтезатора, подвергаются обработке. Запись очищают от посторонних звуков, подчеркивают стереоэффект и производят частотную коррекцию. Для одного и того же инструмента могут быть записаны сэмплы, относящиеся к различным приемам игры и соответствующие различной динамике звукоизвлечения, например: игра на рояле с использованием педали — и без нее, сильный удар по клавише — и мягкое касание. При воспроизведении различные динамические оттенки исполнения получают комбинированием этих сэмплов в различной пропорции. У рассматриваемого метода есть еще и другое название — волновой синтез. Закодированные наборы образцов хранимых звуков называют волновыми таблицами (Wave Table). Одна из основных проблем волнового синтеза состоит в том, что для хранения голосов инструментов требуется запоминающее устройство очень большого объема. Значительного сокращения необходимой памяти достигают за счет того, что запоминается звучание немногих нот. Формирование звучания остальных нот происходит путем изменения скорости воспроизведения сэмпла в той степени, каково отношение частоты извлекаемой ноты к частоте ноты, хранящейся в памяти. Допустим, исходный сэмпл оцифрован на частоте 44,1 кГц. Теперь, если мы будем воспроизводить его на удвоенной частоте дискретизации 88,2 кГц, т. е. вдвое быстрее, высота звука возрастет на октаву. Если же воспроизводить сигнал на пониженной частоте дискретизации, то высота звука соответственно уменьшится. Таким образом, если воспроизводить сэмпл на измененной соответствующим образом частоте дискретизации, в принципе можно получить звук любой высоты. Такой подход содержит неприятный момент. Смещение величины тактовой частоты и высоты звука будет изменять длительность атаки и скорость затухания сигнала. Изменится и сместится так же АЧХ звука, что приведет к его недостоверности. В WT-синтезаторах применяется другой способ изменения высоты звука. Оцифровывается несколько разных по высоте сигналов (сэмплов) реального музыкального инструмента, перекрывающих весь его частотный диапазон. Шаг по частоте должен быть достаточно мал, чтобы изменения тембра, связанные с конструктивными особенностями инструмента, при смещении частоты основного тона с помощью варьирования частоты дискретизации не были заметны на слух. В недорогих устройствах считается достаточной оцифровка через половину октавы. При генерации звука определенной высоты WT-синтезатор определяет, в каком частотном диапазоне находится звук, и использует соответствующие сэмплы из своей таблицы, корректируя их частоту основного тона точно до требуемой высоты, виртуально подстраивая частоту дискретизации.

Безусловным достоинством синтеза на основе таблицы волн является предельная реалистичность звучания классических инструментов и простота получения звука. Основой WT-синтеза является цифровой звук. В этом и заключается самое главное отличие WT- от FM-синтезаторов, у которых основой звука являются генераторы аналоговых колебаний строго определенных форм. Если при частотно-модуляционном синтезе (FM-синтезе) новые звучания получают за счет разнообразной обработки простейших стандартных колебаний, то основой волнового синтеза являются заранее записанные звуки традиционных музыкальных инструментов или звуки, сопровождающие различные процессы в природе и технике. С сэмплами можно делать все, что угодно. Можно оставить их такими, как есть, и сэмплер будет звучать голосами, почти неотличимыми от голосов инструментов-первоисточников. Можно подвергнуть сэмплы модуляции, фильтрации, воздействию эффектов и получить самые фантастические звуки. Сэмпл — это не что иное, как сохраненная в памяти синтезатора последовательность цифровых отсчетов, получившихся в результате аналого-цифрового преобразования звука музыкального инструмента. Технология, которая позволяет привязывать сэмплы к отдельным клавишам или к группам клавиш MIDI-клавиатуры, называется мультисэмплингом (Multi-Sampling) (рис. 6.3)

Рис. 6.3. Примеры использования технологий мультисэмплинга и многослойности

У реальных инструментов тембр зависит от высоты звука. Спектральная характеристика звука изменяет свою форму в зависимости от частоты. Например, у фортепиано тембр звука каждой из клавиш будет хоть немного, но все-таки отличаться даже от своих ближайших клавиш-соседей, не говоря уже о клавишах, расположенных предельно далеко друг от друга — в начале и в конце клавиатуры. Ранее существовала проблема экономии памяти, но теперь можно записать звучание музыкального инструмента для каждой ноты, а полученные сэмплы привязать к каждой из клавиш MIDI-клавиатуры. В этом случае для размещения звукового банка потребуется значительный объем памяти. Такой подход может быть реализован в большинстве современных программных сэмплеров.

Лупы и грувы. Классический барабанный луп — это фрагмент барабанной партии, записанный в определенном темпе, длина которого кратна целому числу тактов. Если воспроизводить такой фрагмент в цикле (отсюда и название лупа (loop — петля), то создастся ощущение непрерывной игры. Лупы могут быть и не барабанными. Это может быть любой фрагмент музыки, зацикливание которого приведет к ощущению непрерывной игры. В настоящее время на дисках и в Internet можно найти множество коллекций лупов. Композиция будет звучать очень монотонно, если на всем ее протяжении будет звучать всего один луп. Поэтому лупы обычно поставляются наборами, в пределах которых все лупы записаны в одном темпе на одних инструментах, но соответствуют разным частям композиции. Например, вступлению, переходам и т. п. Совсем не обязательно лупы могут быть только барабанными. На практике приходится работать и с грувами — мелодическими лупами. Если барабанный луп достаточно подогнать по темпу, то грув нужно подгонять еще и по тону. Изменение тональности грува достигается путем изменения скорости воспроизведения его отдельных частей.