10) Основы синтеза звука

В основе различного звучания музыкальных инструментов лежит индивидуальная тембровая окраска. Порой, чтобы подчеркнуть особенность звучания музыкального инструмента, употребляют термин «голос». Голоса музыкальных инструментов настолько индивидуальны, что мы с легкостью можем различить их в звучании симфонического оркестра. Созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал состоит из нескольких характерных фрагментов — фаз. Так, например, при нажатии на клавишу рояля амплитуда звука сначала быстро возрастает до максимума, а затем немного спадает. Начальная фаза образования звука называется атакой (attack). Длительность атаки для различных музыкальных инструментов варьируется от единиц до нескольких десятков или даже сотен миллисекунд. После атаки начинается поддержка (sustain), в течение которой уровень сигнала примерно постоянен или плавно изменяется (в случае применения амплитудного вибрато). Ощущение высоты звука формируется как раз во время поддержки. Далее идет участок относительно быстрого затухания (release), величины сигнала. Огибающая колебаний во время атаки, поддержки и затухания называется амплитудной огибающей. Для создания электронного аналога реального звука, т.е. для синтеза звука, необходимо воссоздать огибающие гармоник, из которых состоит реальный звук. Обобщенно технология создания звука в электромузыкальных цифровых синтезаторах выглядит примерно следующим образом. С помощью цифрового устройства, использующего один из методов синтеза, генерируется так назы­ваемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука. Он должен иметь спектральные характеристики, максимально похожие на характеристики звука имитируемого музыкального инструмента на стадии поддержки. Затем сигнал возбуждения подается на фильтры, имитирующие амплитудно-частотные характеристики излучающих звук поверхностей (корпус, дека и т. д.) реальных музыкальных инструментов, и фильтры, управляемые сигналом амплитудной оги­бающей, которые создают эффект наличия большого количества высокочастотных составляющих на стадии атаки и последующего их уменьшения на стадии затухания. Одновременно формируется огибающая сигнала с помощью умножения временных отсчетов сигнала на временные отсчеты образцовой для данного типа музыкального инструмента амплитудной огибающей. Дополнительно могут быть добавлены частотное и амплитудное вибрато. Далее сигнал может подвергнуться электронной обработке с целью создания эффектов реверберации, хоруса, флэнжера и др. Если синтезируется несколько одновременно звучащих различных музыкальных инструментов то большинство описанных операций выполняется для каждой ноты каждого инструмента отдельно. Результирующий сигнал получается путем суммирования в цифровом виде всех составляющих звуков и только после этого преобразуется из цифрового в аналоговый с помощью высококачественного ЦАП. Естественно, в конкретных реализациях цифровых синтезаторов музыкальных звуков некоторые этапы могут быть упрощены или вовсе отсутствовать, что, конечно, ухудшает качество звука. Обычно синтезаторы получают упрощенное название по типу примененного в них генератора сигнала возбуждения. Например, если применяется волновой табличный генератор, то и все устройство целиком может быть названо «wavetable synthesizer» - WT-синтезатор. Рассмотрим некоторые методы синтеза звука, применяемые в синтезаторах электронных музыкальных инструментов и в синтезаторах звуковых карт: Субтрактивный синтез звука. Субтрактивные инструменты являются основой, на которой построена индустрия программных и аппаратных синтезаторов. Что же мы имеем в виду, когда говорим «субтрактивный синтез»? Субтрактивный означает вычитательный. Для создания звука берется сложная необработанная звуковая волна, богатая гармониками, после чего осуществляется фильтрация, с помощью которой из этой волны удаляются «лишние» и усиливаются нужные частоты, получая в результате только желаемый тембр. Основной частью этого процесса являются разные фильтры. Популярность синтезаторов зависит от качества их фильтров. Таблично-волновой синтез. В течении многих лет существовала неразбериха относительно того, что считать таблично-волновым синтезатором. В то время как большое количество синтезаторов (и сэмплеров) используют сэмплы хранящиеся во внутренней памяти, некоторые эксперты предъявляют особые требования к инструменту, описываемому как таблично-волновой синтезатор. FM-синтез звука. Возможно, этот вид синтеза остался недооцененным. Но если вы освоите частотную модуляцию (Frequency Modulation — FM) со всеми ее операторами и алгоритмами, то больше вам будет нечего бояться. Также как и в случае с FM радио, эта технология основывается на использовании несущей волны (модулируемый сигнал) и модулирующей волны. Все что нужно, это чтобы эти сигналы были простыми синусоидами. В 1975 году истек патент на использование этой технологии, но еще спустя многие годы этот рынок оставался подконтрольным Yamaha, и только Yamaha. Аддитивный синтез. Как уже говорилось, на протяжении длительного времени индустрию электронной музыки возглавлял субтрактивный синтез. Эти синтезаторы были одними из первых добившихся коммерческого успеха, мало того, они и по сей день остаются одними из самых успешных. По своей природе субтрактивный синтез ограничен. Хотя с его помощью можно достичь очень много. Аддитивные синтезаторы работают по обратному принципу. Вместо того чтобы отрезать все лишнее от сложного сигнала, сложные звуки создаются путем нагромождения простых сигналов, изменяя при этом их высоту и амплитуду. Модульный синтез. Этот вид синтеза долгое время был доступен только профессиональным студиям, университетам и очень богатым музыкантам. В наши эти инструменты были воссозданы в программных продуктах, и стали еще мощнее, чем были. Модульный синтез беспрепятственно и интерактивно отображает сигнальный путь и маршрутизацию модуляции, что не всегда легко воспринимается. Это идеальный инструмент для образовательных целей. Многим музыкантам может просто не понадобится такое мощное орудие синтеза. Модульный синтез имеет много составляющих, и никто никогда не скажет, что это быстрый процесс. Выбор модульного синтезатора для быстрого создания баса или статического пэда вряд ли можно назвать мудрым решением. Но для тех, кто желает выйти за пределы ограничений традиционных синтезаторов, модульные модели могут предложить бесконечную палитру цветов и оттенков.