Сначала небольшое лирическое отступление, выскажу свое личное мнение.

Если не знать, что происходит в каком-либо процессе или устройстве, то как можно пользоваться этим устройством/процессом?

Применительно к синтезу звука и музыке это звучит примерно так: как можно что-то синтезировать, если не знать, как собственно происходит синтез?

Можно крутить ручки вслепую, но тогда вы никогда не будете добиваться того, чего действительно хотите. Некоторые скажут: «А зачем что-то крутить, если в сети валяется куча пресетов для синтов и вообще всё сделано так, как надо?!» Тогда эти люди просто ещё не выросли из eJay.

Некоторые скажут: «У меня нет времени, чтобы крутить ручки!» Тогда не занимайтесь музыкой вообще, если у вас нет на это времени!!

Основные термины

Одноголосным или монофоническим синтезатором называется синтезатор, способный воспроизводить в каждый момент времени только одну ноту, то есть на таком синтезаторе вы не возьмёте аккорд. Вернее, вы его возьмёте, но звучать будет лишь одна из нот аккорда. Как правило, ноты будут чередоваться, например у вас есть несколько аккордов в разных тональностях, из которых составлена мелодия или какой-то пад (pad).

Так вот, если вы подобную штуку попытаетесь воспроизвести на монофоническом синтезаторе, то звучание нот будет чередоваться: то верхняя нота в аккорде зазвучит, то нижняя и т.д. Ну это я так - для информации...

Многоголосный или полифонический синтезатор способен играть несколько нот одновременно (не больше, чем количество его голосов) в каждый момент времени. Поясняю: если у вас, например, есть 8-ми голосый синтезатор, то одновременно он сможет воспроизводить не более восьми нот одного тембра. Многотембральный синтезатор способен играть сразу несколько нот с различными тембрами.

Аддитивный метод синтеза

Самым первым методом синтеза был аддитивный метод (от английского add – складывать). Этот метод основан на сложении волн нескольких генераторов. Метод базируется на теореме Фурье, заключается она в том, что любое периодическое колебание можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различной частоты и амплитуды.

Этот метод применяется во всех ныне существующих синтезаторах, у которых больше одного генератора волны. Если в качестве исходных используются синусоидальные колебания с кратными частотами (отличающиеся в целое число раз) и при этом амплитуды могут быть различны, то такой вид синтеза называется гармоническим (этот термин соответствует гармонической гамме, в которой частоты одноимённых нот соседних октав различаются вдвое).

Другой разновидностью аддитивного синтеза является регистровый синтез. В этом случае в качестве исходных волн используются колебания более сложных форм, например треугольные или прямые.

Субтрактивный метод синтеза

Если дословно перевести с английского, то получится "вычитательный метод" (от subtract - вычитать). Суть этого метода заключается в том, что новый тембр получается путём изменения (вычитания) составляющих в спектре первоначаль-ного колебания. Этот процесс происходит как бы в два этапа. Сначала формируются основные колебания, главное требование к первоначальному колебанию сводится к тому, чтобы изначально оно (колебание) имело как можно более развитый тембр, то есть множество спектральных составляющих. Например, тембр синусоидальной волны прост и невыразителен, а спектр, скажем, пилообразной волны, уже более яркий (надеюсь, понятно, о чём я говорю).

На втором этапе с помощью частотных фильтров из первоначаль-ного колебания выделяют частотные составляющие, соответ-ствующие имитируемому инструменту. Основными инструментами синтеза при этом методе служат управляемые фильтры: резонансный (полосовой) - с измененяемым положением (основ-ной частотой срабатывания) и шириной полосы пропускания (band) и фильтр нижних частот (ФНЧ) - с изменяемой частотой среза (cutoff).

Достоинство этого метода в достаточно простой реализации и в широком диапазоне синтезируемых звуков. Главный недостаток в том, что при синтезе звуков со сложным спектром приходится использовать большое количество фильтров.

Как правило, и аддитивный, и субтрактивный методы мирно уживаются и дополняют друг друга.

FM – синтез

Является одним из последних достижений в области синтеза звука. Для его реализации нужны значительно более мощные микропроцессоры, нежели при субтрактивном или аддитивном методах. Впервые синтезатор такого типа был создан Р. Мугом в 1964 году. Его основой стал генератор, управляемый напряже-нием, способный формировать сигналы прямоугольной, пилообразной и синусоидальной формы. Различные варианты соединения таких генераторов, а также последующее сложение их выходных сигналов дало возможность получать огромное количество новых «электронных» звуков.

Такой метод синтеза получил название FM –аддитивный синтез. Метод основан на частотной модуляции (Frequency Modulation). Научное определение звучит примерно так: изменение частоты сигнала по закону некоторого управляющего напряжения.

Сейчас будем разбираться…
При FM – синтезе звук с необходимым тембром производится на основе нескольких генераторов звуковых частот при их взаимной модуляции. Совокупность генератора и схемы, управляющей этим генератором, принято называть оператором (operator). В связке двух операторов тот, который непосредственно воспроиз-водит звучание, называется носителем (carrier), а тот, который модулирует волну – модулятором (modulator).

Схема соединения двух и более операторов называется алгоритмом (algorithm). Схема соединения операторов, и настройки каждого оператора (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр звучания.

В цепочке последовательно соединённых операторов последний из них является носителем (источником звука), а остальные – модуляторами. Сигнал с выхода оператора может поступать на вход его модуляции по частоте. В этом случае говорят, что оператор охвачен обратной связью (feedback).

Уровень обратной связи можно регулировать. Чем выше уровень обратной связи, тем более сложный спектр приобретает синтезируемый сигнал.

Это лишь базовые сведения по FM-синтезу. Сам процесс - очень сложный и его описание заняло бы несколько десятков страниц текста. Объяснить теоретически, каким именно образом происходит синтез звука данным методом, довольно сложно, поэтому буду объяснять на примерах. Все сигналы сформированы в программе Sonic Foundry Sound Forge 6.0 с помощью встроенного FM-синтезатора.

Синусоидальная волна с частотой 440 Гц --- смотрите картинку 1

Сигнал треугольной формы с частотой 400 Гц --- смотрите картинку 2

Если использовать алгоритм носитель – синусоида, модулятор – треугольная волна, то получится следующее:

Пример модуляции синусоиды треугольной волной --- смотрите картинку 3

Наглядно видно, как сильно изменяется волна, если использо-вать всего два оператора!

Попробуем использовать два оператора с синусоидальной волной и один - с треугольной волной. Алгоритм выберем такой: синусоиды сложены аддитивным методом и сумма промоду-лирована треугольной волной (при сложении двух волн одинаковой формы с одинаковой частотой и амплитудой, происходит удвоение амплитуды). Получается следующее:

Модуляция двух сложенных синусоид треугольной волной --- смотрите картинку 4

Впечатляет… Наверное, надо быть гением, чтобы представить себе конечный звук при FM-синтезе… Таким человеком, скорее всего, был Р.Муг, раз уж придумал FM-синтез.

Главный минус этого метода в том, что качество получаемого тембра напрямую зависит от быстродействия компьютера. Например, концертный рояль воспроизводит около 4500 различимых на слух тембров, выходит, что при синтезе рояля, синтезатору придётся просчитывать 4500 различных тембров по очень сложному алгоритму. Естественно, это повлечёт за собой огромные затраты системных ресурсов, а если их не будет хватать, то некоторые тембры попросту не будут успевать синтезироваться, причём зависимость эта прямо пропорци-ональна!

Иными словами, один и тот же алгоритм синтеза может давать различные тембры на различных по скорости компьютерах.

Метод физического моделирования

Этот метод синтеза на данный момент мало распространён (читай - вообще не распространён), потому что требует огромных объёмов вычислений. В его основу положен принцип модели-рования всех физических процессов, происходящих внутри реального музыкального инструмента. Например, это может быть скрипка или гитара. Учитывается материал, из которого сделан корпус, материал струны, учитываются все преломления, поглощения, искажения, происходящие со звуком, всевозможные эффекты резонанса и т.д. Прикидываете, какой объём информации надо перемалывать, причём делать это надо с минимальной задержкой. Сегодняшние компьютеры попросту не могут обрабатывать подобные объёмы данных с нужной ско-ростью. Поэтому время этого метода ещё не пришло. Для желающих поэкспериментировать советую установить синте-затор физического моделирования TassMan.

P.S. Хотя, если иметь компьютер Macintosh с двумя процес-сорами G5-1000 MHz и парой гигабайт оперативной памяти, то пожалуй можно попробовать…
Про Wavetable-синтезаторы и всевозможные методы мульти-сэмплинга говорить не буду, потому что это уже не синтез, а фактически проигрывание записанных звуков. И вообще - это тема отдельной статьи!

Успехов…

Автор: 48 Parrots - Presto