О принципах синтеза
АрхивNota BeneПост Юрия Ильина в музыкальный блог Nota Bene при "Компьютерре-Онлайн"
"Аналоговые" синтезаторы, "цифровые" синтезаторы, - про это "вечное противостояние" краем уха, верно, слышали все, и даже не слишком осведомлённые в деталях любители "точно знают", что звук аналоговых синтезаторов "лучше, чем у цифровых". Чем лучше, правда, мало кто сможет объяснить, зато пасть на колени и восхвалять "аналоговую технику", которая - аллилуйя! - совсем не то, что "цифровая", и вообще... - это всегда пожалуйста.
Однако же, не мешало бы разобраться, что к чему.
Всё нижеизложенное можно рассматривать как краткий справочник по основополагающим принципам, которые на сегодняшний день, порознь или вместе, но используются практически в любых более-менее серьёзных "звукосинтезирующих агрегатах", включая софтверные эмуляторы. Собственно, в ближайших планах, - рассказ о модуле Thor в Reason 4, в котором как раз комбинируются сразу несколько способов синтеза звука (включая весьма экзотичный Phase Distortion), - так что неплохо сначала рассказать и про них.
Итак...
1. Субтрактивный синтез. Его как раз, в основном, с "аналоговыми" синтезаторами и ассоциируют, поскольку самые первые коммерческие разработки, официально носившие название "синтезатор", - творения покойного доктора Роберта Мога (Robert Moog), - базировались как раз на этом принципе.
Состоит он в следующем: колебательный контур (осциллятор, управляемый напряжением - Voltage Controlled Oscillator, VCO), на который подаётся определённое напряжение, генерирует волну определённой формы и частоты. Частота - а следовательно, и высота тона, - как раз от напряжения и зависит (поэтому Voltage Controlled). Как правило в субтрактивном синтезе используются синусоидная (sine), квадратная (square), пилообразная (sawtooth) и треугольная (triangle) волны, - каждая обладает своим характерным звуком, весьма, кстати, узнаваемым. Форма волны зависела от конструкции осциллятора.
Далее сгенерированная таким образом волна подавалась пропускалась через частотные резонансные фильтры, которые обрезали одни и выпячивали другие частоты, изменяя окраску звука (оттуда и subtractive - "вычитательный" синтез), через ADSR-огибающую*, которая регулирует динамику тембра, и, наконец, подаётся на усилители и на выход.
Ядром субтрактивного синтеза, соответственно, оказывается фильтр. Разработанные доктором Могом low-pass фильтры, давившие верхние частоты, так и до сих пор считаются классикой, в том или ином виде их реализуют на своих машинах все или почти уважающие себя производители синтезаторов.
Своим "жирным" звуком субтрактивные синтезаторы обязаны, в первую очередь, как раз несовершенству запчастей, - не очень стабильная работа VCO приводила к небольшому (как правило) расхождению в частотах формируемых ими волноформ, что делало звук, как ни парадоксально, гуще и интереснее. Ведь, по большому счёту, синтезаторы делались поначалу вовсе не для того, чтобы имитировать звук акустических инструментов, - интереснее было как раз их собственное уникальное звучание.
NB: примерами практического применения субтрактивного принципа могут служить большая часть синтезаторов 1960-1970-х годов и их нынешние реинкарнации, программные и аппаратные. Наиболее известные из них, - Moog Modular, Minimoog, ARP2600, Prophet, и т.д. Для большинства из них выпущены программные эмуляторы.
Нажмите на картинку, чтобы перейти на moogarchives.com
NB2: субтрактивный синтезатор не обязан быть аналоговым.
2. Аддитивный синтез. По большому счёту, примерами аддитивных синтезаторов можно считать агрегаты, которые вообще не назывались синтезаторами никем и никогда, - это Телармониум и орган Хаммонда. Акустический орган, кстати, формирует звук по тому же принципу.
Принцип аддитивного синтеза заключается в следующем: любой тембр состоит из множества присутствующих в различных количествах в каждый момент времени гармоник; наложением множества волноформ, по высоте соответствующих разным гармоникам, и со своей огибающей для каждой из волн, можно получать очень богатые тембры. Обычно для этого используются сразу несколько осцилляторов, каждый из которых настроен на свою частоту, кратную основной.
Примеры: аппаратные - Synclavier, Kawai K5000; программные - Camel Audio Cameleon9000, White Noise WNAdditive, ConcreteFX Adder.
3. FM-синтез (или операторный). Очень, скажем так, непростой метод синтеза звука, но крайне интересный. Принцип - в теории - прост: несколько волн простой формы модулируют друг друга по частоте и суммируются, выдавая на выход очень богатый и интересный звук. Наиболее известными в этом плане считаются синтезаторы Yamaha серии DX/TX (TX - это были рэковые версии оригинальных DX). За душу эти аппараты берут и поныне (и весьма активно ходят по рукам), даром, что наиболее известную модель - DX-7 - сняли с производства 20 лет назад.
Поначалу, правда, на FM-синтез смотрели косо: современникам казалось, что звук у него слишком "тонкий", худосочный (если сравнивать с аналоговыми/субтрактивными приборами) и металлический. Причина тут была очень проста: вместо осцилляторов, управляемых напряжением, в FM-синтезаторах Yamaha стояли т.н. Digitally Controlled Oscillators, т.е. "цифровые" осцилляторы, - и была на то не простая прихоть инженеров, но насущная необходимость. Для того, чтобы осцилляторы, а точнее, "операторы", как их называют в FM-синтезе, модулируя друг друга и суммируясь, могли давать гармонический тон, их частоты должны были быть строго кратны друг другу. Сколько-нибудь значительное "выпадение" одного оператора из общего строя немедленно приводило к тому, что синтезатор начинал выдавать негармонический шум. VCO в ту пору не могли похвастаться надлежащей стабильностью (больше того, в случае с субтрактивным синтезом, некоторая нестабильность считалась скорее добродетелью, нежели пороком), так что инженерам Yamaha пришлось использовать DCO.
Так или иначе, "худосочным" звук шестиоператорного Yamaha DX-7 назвать трудно, особенно, когда слышишь, как он по низам с большим удовольствием "прошибает" две гитары, бас и барабаны, - мол, ребята, я тут!
NB: рекомендуются к ознакомлению программные FM-синтезаторы Native Instruments FM7 и FM8. Замечено также, что комбинация из аппаратного DX-7 и программного FM7 даёт звук, разом отправляющий в "изменённое состояние", - ну или просто в экстаз, кому что.
NB2: FM-синтезатор очень тяжело программировать, но по Сети в виде system exclusive бродят сотни различных патчей для таких синтезаторов, которые можно загружать равно и в аппаратные варианты (DX/TX), и в софт (FM7/8).
Yamaha DX-7
4. Принцип фазовых искажений (phase distortion) - этот принцип своим появлением на свет и некоторой популяризацией обязан фирме Casio, которая ещё не переключилась на низкопрофильный рынок "самоиграек" и цифровых пианино нижнего ценового диапазона, и старалась угнаться за грандами.
По сути дела, это вариация на тему частотной модуляции, но только вместо частоты модулировалась (искажалась) фаза волн. Этот метод, кстати, позволял имитировать звук, пропущенный через частотные фильтры, притом, что на деле у синтезаторов Casio серии CZ фильтра на борту не было. Отсутствие фильтра позволило существенно сбить цену на данные аппараты, в результате у "гаражных" банд Casio CZ пользовались немалым успехом.
Тем не менее, принцип Phase Distortion менее распространён, чем другие; удивительно, но факт: (NB!) в Reason Thor этот способ синтеза тоже используется.
5, 6. Сэмплерный и волновой/табличный синтез (Wavetable). Эти методы родственны, но сэмплерный подход проще: в память синтезатора/сэмплера просто записываются некоторое количество сэмплов, - в зависимости от качества инструмента, - от одного на полторы октавы до нескольких на одну ноту, - и циклически воспроизводятся, иногда подвергаясь какой-то обработке. По большому счёту, это и не синтез вовсе, хотя практически все серьёзные производители сегодня снабжают свои синтезаторы банком качественных сэмплов.
Wavetable synthesis похитрее будет. Звук определённого инструмента при записи разбивается на множество сэмплов, которые распределяются по специальной таблице, служащей для поиска надлежащих сэмплов и их воспроизведения. В серьёзных WT-синтезаторах тон может формироваться сразу из нескольких таблиц, так что на выходе получается уникальный, переливистый звук.
NB: так называемые Wavetable на бытовых мультимедийных аудиокартах - на самом деле просто набор низкокачественных (как правило) сэмплов.
7. Гранулярный синтез (Granular synthesis) - близкий родственник "волнового" синтеза, где звук формируется из множества "гранул" звука, фрагментов, длиной в несколько миллисекунд. Массивное "облако" таких гранул, однако, может создавать преинтереснейший звук.
NB: в Reason, начиная с версии 2.5, фигурирует синтезатор Malstrom, комбинирующий волновой и гранулярный принципы.
8. Векторный синтез. Его трудно отнести к "самостоятельным" методам синтеза звука, поскольку основывается он на динамическом "перетекании" (cross-fading) нескольких аудиосигналов, - обычно четырёх. Помимо прочих элементов управления, у "векторных" синтезаторов имеется своего рода джойстик, изменение положения которого относительно вертикальной и горизонтальной осей позволяет ощутимо менять звучание; окончания этих осей соответствовали своему источнику звука - осцилляторам А, B, C и D. Положение джойстика соответствовало пропорциям, в которых смешивались сигналы от каждого из осцилляторов: если джойстик стоит строго по центру, звучали все четыре осциллятора в равных пропорциях, чем ближе джойстик находился к какому-то одному осциллятору, тем сильнее звучал он, и слабее все остальные.
VST-версия векторного синтезатора Korg Wavestation
NB: в упомянутом уже Cameleon имеется "векторный" функционал, причём "суммирующая точка" может постоянно двигаться по определённой произвольной траектории (траектории морфинга), подчас очень и очень сложной.
9. Физическое моделирование. Это, одновременно, и самый простой для объяснения, и самый, возможно, сложный для практической реализации метод, заключающийся в математическом представлении физических процессов, происходящих в корпусе музыкального инструмента, - акустического, естественно (никто не называет программные эмуляторы электронных синтезаторов "физическими моделями", хотя эмуляторы как раз воспроизводят работу схемотехники старых аппаратов с максимально возможной степенью достоверности). А тут и колебания струн, и колебание воздуха, и колебания корпуса инструмента, и ещё огромное количество факторов, влияющих на звучание "живого инструмента". Естественно, перевести их в алгоритмы полностью не выйдет ни за что, естественно, имеет место приближение (например, алгоритм Карплюса-Стронга для имитации колебания струны), но по идее - по идее - такой метод должен давать наиболее точную имитацию акустического инструмента.
Весь вопрос - в процессорных мощностях.
На этом остановимся, итак этот постинг расползся до непотребных размеров. Надеюсь, никто не обидится :)
*A - атака (attack), D - спад после атаки (decay), S - удержание звука (sustain), R - угасание (release).
