1.    
  2.    
  3.     Як працює синтезатор

Як працює синтезатор

Ні, ми не збираємося розповідати вам з якихось радіодеталей зроблені синтезатори і звідки там виникає струм. Ми поговоримо про пристрій операційної системи інструментів, точніше, тієї її частини, яка має відношення безпосередньо до звукообразованию. Ці знання необхідні тим, хто хоче створити власні звукові програми (пэтчи) або трохи підредагувати готові для відповідності конкретного музичного твору. Сучасні синтезатори (а також робочі станції і звукові модулі) надходять до вас з сотнями вже готових петчей, створених професійними дизайнерами звуків. Однак, як би вони не були гарні, крім вас їх використовують ще кілька тисяч людей у всьому світі (кілька років тому, коли найбільш поширеними MIDI інструментами в нашій країні були Korg M 1 і E-mu Proteus, деякі звуки можна було почути в кожній другій пісні і кожної першої рекламі). А ваша унікальна музика безсумнівно потребує ваших унікальних звуків. Можна, звичайно, купити кілька готових бібліотек звуків або навіть найняти власного дизайнера, якщо це вам по кишені. Але якщо ви будете програмувати звуки самостійно, це буде найкращою гарантією їх винятковості і точного відповідності музичного матеріалу. Незважаючи на зовнішню складність і різноманітність пристрою, більшість синтезаторів мають багато спільних рис, причому запозичених із інструментів раннього періоду – аналогових синтезаторів. З них ми і почнемо розбиратися в тонкощах устрою цих інструментів. Перші синтезаторні системи називаються модульними, так як складаються з декількох модулів або блоків, що виконують три основні завдання: вони або створюють звук, або змінюють його або керують роботою інших блоків. Ці блоки з’єднуються за допомогою кабелів – ось чому у деяких сучасних інструментах звукова програма називається “patch” (англ. “з’єднання”). Для створення нового звуку виконавцю доводилося проводити всі з’єднання і змінювати параметри блоків; не було ніякого способу зберегти попередні знахідки, крім як записати з’єднання і установки на папері і потім відновити їх вручну. До речі, модульні системи коштували десятки тисяч доларів. Через деякий час виробники синтезаторів виявили, що деякі модулі та способи їх з’єднання використовуються частіше за інших. Зібравши все це разом і додавши клавіатуру для управління, вони створили дійсно поширені аналогові синтезатори, наприклад, Minimoog. Крім хорошого, щільного звуку, ці інструменти мали багато недоліків, наприклад, нестабільність ладу. Тому поступово аналогові частини замінювалися на цифрові (більш стабільні). Потім були додані мікропроцесор, що керує всіма параметрами, і пам’ять для збереження і подальшого автоматичного відновлення параметрів (а значить і звуків). Зі збільшенням числа параметрів стало ясно, що колишній спосіб управління (кожному параметру – свій регулятор на передній панелі) стає неможливим, так як інструменти ставали занадто громіздкими. Ручки і кнопки сильно скоротили, але додали дисплей. Ви вибираєте на дисплеї певний параметр і крутите ручку для його зміни. Потім вибираєте інший параметр і знову крутите ту ж ручку (або ведете той самий слайдер), але вже змінюючи новий параметр. Подальший розвиток поступово призвело до того, що синтезатори стали перетворюватися в спеціалізовані комп’ютери, де звук проводився і змінювався шляхом великої кількості арифметичних дій у мікропроцесорі. Тим не менш, основна термінологія збереглася, тільки тепер модулі існують не у вигляді реальних блоків, а як група цифр в операційній системі інструменту. Генератори Отже, з яких модулів складаються синтезатори? Насамперед це звукові генератори або осцилятори (oscillator) – блоки, які безпосередньо виробляють вихідні звуки. На аналогових синтезаторах вони мають органи управління формою хвилі (синусоїдальна, пилообразная і т. д.) та висотою тону (зазвичай грубо, октавами, і точно). Форма хвилі визначає тембр звуку або його гармонічний склад. Клавіатура синтезатора також управляє генераторами, так що натискаючи різні клавіші, ви отримуєте звуки різної висоти. Зазвичай монофонічний аналоговий синтезатор має два подібних генератора плюс спеціалізований генератор шуму. Іноді ви можете модулювати (керувати) один генератор іншим, отримуючи більш складні форми хвилі і, відповідно, різноманітні тембри. До речі, саме на принципі модуляції одного генератора іншим і влаштовані синтезатори фірми Yamaha серії DX. Yamaha називає цей принцип FM (frequency modulation – частотна модуляція). На синтезаторах, влаштованих за принципом відтворення семплів (sample playback), замість кількох простих форм хвилі генератори можуть виробляти велику кількість складних форм. Ці форми зазвичай є попередньо записаними зразками звучання реальних інструментів, що зберігаються в постійній пам’яті інструменту. Фільтри Блок фільтрів призначений для фільтрації (дивно!) або видалення частини гармонік, створених генератором. Найчастіше застосовується пропускає фільтр низької частоти (low-pass filter), який пропускає низькі частоти і прибирає високі, починаючи з певної точки, званої частота зрізу фільтра (filter cut-off frequency). Також бувають пропускають фільтри високої частоти (high-pass) і смуги частот (band-pass). Ще існують загороджувальні фільтри всіх типів, що діють протилежним способом. Фільтр, що загороджує смуги частот називається іноді “band-stop”, “band-reject” або “notch”. Фільтр не прибирає гармоніки після частоти зрізу повністю; скоріше, він поступово послаблює їх у відповідності з крутизною спаду (slope або roll-off). Крутизна фільтра (на відміну від крутизни представників людського роду) вимірюється в децибелах на октаву. Найчастіше використовуються фільтри типу 12 дБ/окт (Moog) і 24 дБ/окт (Oberheim). Це означає, що гучність гармонік октавою вище, ніж частота зрізу, зменшується на 12 або 24 дБ. Ще один важливий параметр (якщо він є) фільтра – резонанс. Він піднімає рівень частот навколо точки зрізу, тим самим виділяючи її. На деяких синтезаторах, збільшуючи резонанс можна добитися ефекту самозбудження фільтра, перетворивши його в генератор. Кілька слів про використання фільтрів. Так як вони працюють прибираючи гармоніки (обертони), краще всього використовувати фільтри на гармонічно багатих звуках. Так, наприклад, звук синусоїдальної форми хвилі практично не містить гармонік, а пилкоподібний звук містить їх всі. І ще. Якщо змінювати частоту зрізу фільтра, особливо резонансного, безпосередньо в момент звучання (вручну або за допомогою модулятора), то вийде плаваючий ефект, що приводить у захват усіх виконавців техно. Генератори огинаючої Після блоку фільтрів слід блок підсилювача, ніякими особливими параметрами не відрізняється. Проте він зазвичай управляється генератором огинаючої (envelope generator), що вимагає окремої розмови. Генератор огинаючої визначає зміна звуку з плином часу. Наприклад, звук барабана починається з максимальної гучності і швидко загасає. А “роздування” у духових інструментів починається з тихого звуку, поступово збільшується по гучності. Генератори огинаючої бувають різні, але найпоширеніший тип – ADSR (attack, decay, sustain, release – атака, спад, підтримка, згасання). Якщо параметри атаки, спаду і згасання вимірюються в одиницях часу, то підтримка – це рівень. Параметр атаки визначає, як швидко після натискання клавіші звук досягає максимальної гучності. Спад встановлює, скільки часу після цього знадобиться звуку, що змінитися до рівня, встановленого параметром підтримки, на якому він і залишиться поки не буде відпущена клавіша. І, нарешті, параметр загасання визначає, через скільки після відпускання клавіші звук досягне нульової гучності. Існують і більш складні види кривих, з великою кількістю стадій і з окремими параметрами для швидкості і рівня. Генератори огинаючої можуть контролювати не тільки блок підсилення, але і фільтри (тобто тембральне зміна звуку з плином часу) або самі звукові генератори (в такому випадку змінюється висота тону, наприклад, для створення ефекту сирени). Генератор низької частоти Генератори огинаючої дозволяють створювати постійно змінюються звуки, роблячи їх більш цікавими. Для цього ж і призначений генератор низької частоти (LFO – low frequency oscillator). Він схожий на звичайний генератор, тільки виробляє сигнали поза межами чутних частот, призначені для модуляції звуків. Найчастіше цей генератор використовується для створення тремоло або вібрато, в залежності від того, керує він підсилювачем (гучністю) або генератором (висотою тону). Параметри генератора низької частоти включають власне частоту сигналу виробляється (визначає швидкість ефекту) і форму хвилі (визначає тип ефекту). Якщо вибрати випадковий (random) форму хвилі, то можна отримати цікавий ефект, що нагадує монолог божевільного робота. З’єднання Хоча класичні аналогові синтезатори зменшили варіанти маніпуляційного управління різних блоків один з одним (у порівнянні з модульними системами), багато сучасні цифрові інструменти пропонують досить розвинені можливості в цьому плані. Крім того, вони дозволяють музиканту управляти самими джерелами модуляції. Наприклад, повернувши колесо модуляції ви можете направити сигнал з генератора низької частоти на підсилювач, зробивши тим самим тремоло, одночасно керуючи частотою сигналу (і, відповідно, швидкістю тремоло) за допомогою послекасанія. Відтворення семплів Ми вже згадували, що в синтезаторах, влаштованих за принципом відтворення семплів (sample playback), використовуються цифрові записи реальних інструментів, що знаходяться в постійній пам’яті подібних пристроїв. Таким чином, їх генератори виробляють форму хвилі, а просто відтворюють готові запису. Це дозволяє набагато більш точно імітувати реальні інструменти. Подальша зміна звуків у загальному нічим не відрізняється від аподаткових синтезаторів: ви маєте фільтри, генератори кривих, генератор низької частоти і все таке інше. На питання, чим же відрізняється подібний синтезатор від семплера, ще пару років тому ми б відповіли так: синтезатор не семплирует сам і не має оперативної пам’яті для завантаження готових семплів або збереження змінених внутрішніх. Семплер, у свою чергу, зазвичай обмежений у синтезаторних можливості формування звуку. Так як його звуки знаходяться в оперативній пам’яті, вони зникають при виключенні живлення і їх необхідно завантажувати знову. Проте останнім часом відбувається природне зближення і навіть злиття цих пристроїв. Синтезатори набувають оперативну пам’ять, в яку можна завантажувати нові семпли, а семплери часто мають розвинені синтезаторні способи формування звуку, а іноді і спеціальну перезаписувану постійну пам’ять (flash ROM), в яку можна завантажувати дані, як і в оперативну, але ці дані зберігаються при вимиканні живлення. Такий інструмент, як Kurzweil K 2000 S, є просто об’єднаним синтезатором-семплером з усіма можливостями обох типів пристроїв. Широке поширення принципу відтворення семплів показало, що і в цьому випадку існують деякі проблеми. Реальні інструменти здатні виробляти звуки, сильно розрізняються за тембром, характеристиками огинаючої і т. д. Якщо ви візьмете звичайний рояль, то він виробляє різні звуки в залежності від натиснутої клавіші, сили її натискання і навіть від того, які ще клавіші натискати в даний момент. Щоб точно відтворити реальну поведінку інструменту, необхідно зробити безліч семплів, які заповнять наявну оперативну пам’ять зі швидкістю звуку (такий каламбур). І хоча деякі сучасні інструменти можна встановити 64 і навіть 128 Мбайт пам’яті, це не кожному по кишені, підготовка звуку займе величезне час і все одно імітація не буде абсолютно точною. Останнє тим більш вірно, якщо говорити про реальні інструментах, здатних змінювати звук безпосередньо під час його звучання. Практика показує, що сучасні синтезатори різних фірм, влаштовані за принципом відтворення семплів, мають досить схоже і вже досить обридле звучання. Настав час спробувати щось новеньке. Фізичне моделювання Синтезатори, влаштовані за принципом фізичного моделювання, з’явилися в продажу не так давно, але вже виробили багато шуму. Основна ідея їх пристрою така: замість відтворення заздалегідь записаних семплів операційна система синтезатора створює модель поведінки реального інструменту. Залежно від дій виконавця (натискання клавіші, поворот колеса модуляції і т. д.) процесор синтезатора обчислює, який звук видав би имитируемый інструмент при даних обставинах і відтворює його. Таким чином можна не тільки імітувати реальні інструменти, але і створювати нові, не існуючі в природі. Фізичне моделювання дозволяє вирішити багато проблем сучасних синтезаторів. Подібні пристрої не тільки краще імітують звуки реальних інструментів, але і їх поведінка, тобто зміна звуку залежно від дій виконавця. Необхідно зауважити, що оволодіння синтезаторами такого роду вимагає не менше часу, ніж оволодіння акустичними інструментами. Крім того, ці синтезатори не вимагають великої кількості оперативної пам’яті. Але вирішуючи одні проблеми, фізичне моделювання одночасно створює інші. Для створення моделі потрібно величезна обчислювальна потужність. Тому подібні інструменти встановлюються потужні (і, отже, дорогі) процесори. Як і будь-яка технологія в початку свого комерційного розвитку, фізичне моделювання досить дорого. Щоб знизити ціну виробники випускають інструменти з незначною за нинішніми мірками поліфонією і мультитембральностью. З розвитком технології взагалі та потужності процесорів зокрема, ціни будуть знижуватися, а можливості збільшуватися. Чи замінить принцип фізичного моделювання принцип відтворення семплів? У синтезаторах швидше за все так. Однак власне семплери безсумнівно залишаться, тільки в меншій мірі використовуватися для імітації реальних інструментів. Ресинтезис Цей тип звукоутворення поки не отримав свого комерційного втілення, проте ходять чутки, що кілька дуже великих синтезаторних фірм виробляють певні розробки в цій області. Основна ідея така: практично будь-який звук є поєднанням синусоїдальних хвиль різної висоти і гучності. Маючи достатню кількість генераторів подібних хвиль ви можете зробити будь-який звук. Однак як з’ясувати, з яких саме хвиль складається той чи інший звук і, більш того, як вони змінюються в часі? Для цього існує спосіб під назвою “перетворення Фур’є”. З його допомогою можна проаналізувати звук і розкласти його на окремі складові. Потім можна відтворити ці складові за допомогою численних генераторів і, таким чином, відновити (або ресинтезировать) звук. У чому перевага такого методу? По-перше, обсяг даних, необхідних для ресинтезирования звуку в 10 разів менша, ніж при семплировании. Значить потрібно менше оперативної пам’яті. По-друге, ресинтезирование дозволяє набагато більш глибокі можливості редагування звуків і їх відтворення, наприклад, морфінг. Причому на відміну від звукового модуля Morpheus фірми E-mu, де відбуваються плавні зміни між двома способами фільтрації, в разі ресинтезиса це дійсно поступове перетворення одного звуку до іншого. Важко сказати, чому поки не з’явилося інструментів, влаштованих за принципом ресинтезирования звуку. Хоча для якісного відтворення необхідно велика кількість генераторів, навряд чи це становить велику проблему при сучасній технології. Для створення, наприклад, 32-голосного синтезатора (ресинтезатора?) з 32-ма гармоніками для кожного голосу необхідно 1024 генератора. А випущений 13 років тому інструмент DX 7 фірми Yamaha мав 96 генераторів. Мабуть інструменти, що створюють звуки шляхом їх ресинтезирования, повинні з’явитися в найближчому майбутньому.

04.12.2016

Написати коментар