Введение в синтез звука. Основные элементы и параметры.

Синтезаторы дают нам возможность создавать любой звук, который только можно вообразить, но иногда изобилие возможностей может быть пугающим. Благодаря своим обширным массивам элементов управления, синтезаторы могут больше походить на пульт управления космического корабля, чем на музыкальный инструмент. Возрождение модульных синтезаторов в чрезвычайно популярном формате Eurorack, только добавляет путаницы для непосвященных. Чтобы помочь вам cориентироваться, мы собрали этот базовый обзор функциональной структуры синтезатора.

Мы рассмотрим эти основы в контексте аналогового субтрактивного синтезатора. Субтрактивный синтез — это метод синтеза, основанный на вычитании элементов друг из друга. В синтезаторах определяющим элементом субтрактивного синтеза является наличие фильтров. Фильтр «вырезает» часть спектра из звука, формируя нужную тембральную окраску.

Классические модели, такие как Minimoog, Prophet 5 и Jupiter 8 - всё это субтрактивные синтезаторы.

Осциллятор — источник звука синтезатора.

Осциллятор (VCO — Voltage Controlled Oscillator) является источником звука. В субтрактивном синтезе мы можем сравнить его с необработанным мрамором, из которого мы будем ваять наш законченный тон. Схема синтезатора преобразует мощность постоянного тока в переменный сигнал, который колеблется в соответствии с определенным паттерном, определенное количество раз в секунду. Паттерн - это форма волны, количество циклов в секунду - это частота, которая описывается в Гц. Люди обычно могут слышать частоты между 20 Гц и 20 кГц, в то время как генераторы могут запросто выходить за пределы этого диапазона.

Исходные сигналы в аналоговых субтрактивных синтезаторах бывают, как правило, следующих типов – пилообразные, прямоугольные, треугольные и шумовые.

Первые три типа называются гармоническими – форма их волны повторяется через равные промежутки времени, называемые периодом колебаний. В аналоговых синтезаторах из-за их конструкции не бывает чистого синусоидального сигнала, хотя это как раз самый простой из сигналов, в нем присутствует всего лишь одна гармоника – основной тон.

Регулятор частоты. Тембры и гармоники.

Очень важно отметить, что частотный контроль на осцилляторе относится к основной частоте звука, которую мы связываем с высотой тона. То, что придает звукам их уникальный характер, описывают как тембр. Тембр создается гармониками, менее мощными частотами, расположенными над фундаментальным. Чистая синусоидальная волна, содержит только основную частоту, более сложные волны, такие как и пила и др., насыщены гармониками.

Мы не собираемся углубляться в гармоники в этой статье, но важно понимать разницу между частотным управлением на генераторе, который может изменить основную частоту сигнала (высоту тона), и регулировкой частоты среза на фильтре, который может отфильтровать гармоники и повлиять на тембр звука (но не на его высоту).

Фильтр и резонанс.

Чтобы начать формировать наш звук, мы будем выделять часть сигнала фильтром. Фильтр, пожалуй, является наиболее важным компонентом звука в субтрактивном синтезе. Крутизна среза фильтра, то, как он отзывается на разных частотах, различные способы, которыми он может резонировать или управлять сигналом, делает его особенным и уникальным.

Наиболее важными аспектами фильтра являются частота среза, резонанс и тип фильтра. Наиболее распространенным типом фильтра в субтрактивном синтезе является фильтр низких частот (low-pass), который отфильтровывает все частоты выше уровня среза и пропускает все что ниже установленного значения. Другие типы фильтров включают high-pass (срезает низкие частоты), band-pass (срезает высокие и низкие частоты, отравляя полосу частот) и notch (вырезает полосу частот). Частоту среза можно перемещать в любом месте частотного спектра, и таким образом, фильтр устраняет гармоники от сигнала и не влияет на высоту звука.

Резонанс — еще один важный аспект фильтров, который может дать им уникальный характер. Также называемый Q, он создает усиление в области частоты среза. Высокорезонансный фильтр низких частот будет заметно усиливать частоты непосредственно перед точкой среза, а затем, в зависимости от своей крутизны, вырезать всё что выше неё. Например, перемещение этого типа резонансного фильтра является ядром эффекта wah-wah.

Усилители и громкость.

Большинство звуков в природе имеют более, или менее плавный подъем и спад по громкости. Например, когда вы дергаете гитарную струну, её громкость затухает плавно. Чтобы реализовать такие же изменения громкости синтезатора, нам нужно пропустить его через усилитель, параметры которого мы сможем изменять при помощи управляющего сигнала.

Управляющее напряжение и модуляция.

В синтезаторе помимо контроля фильтров и усилителей с помощью ручки или педали, мы можем использовать управляющее напряжение, чтобы влиять на параметры. Усилители и фильтры в синтезаторах - это усилители управляемые напряжением (VCA — Voltage Controlled Amplifier) и управляемые напряжением фильтры (VCF — Voltage Controlled Filter). Управляющее напряжение не создает звуковой сигнал, но позволяет нам, по сути, поворачивать регуляторы и изменять значения на других частях прибора, что называется модуляцией.

Термин "Voltage Controlled" (управляемый напряжением) относится, разумеется, к аналоговым синтезаторам, однако принцип действия одинаков и для цифровых, просто в цифровых мы имеем дело не с напряжением в вольтах, а с двоичными сигналами. Поэтому аббривиатуры VCO, VCA, VCF мы будем использовать для всех типов синтезаторов, где это уместно.

Генераторы огибающей и ADSR.

Наш первый базовый модулятор - это генератор огибающей. Огибающая обычно определяется четырьмя частями: attack, decay, sustain, release. Некоторые огибающие опускают сустейн, добавляют параметр hold или используют просто attack и release, но шаблон ADSR является стандартным.

— Attack заключается в том, как долго сигнал будет достигать максимальной амплитуды пика, заданной уровнем выходного сигнала.

— Decay - это то, сколько времени потребуется сигналу перейти от амплитуды пика до уровня сустейна.

— Sustain устанавливает уровень, на котором будет оставаться сигнал до тех пор, пока нажата клавиша (или какой-либо сигнал удерживает огибающую) после decay.

— Release определяет время, которое будет тратить сигнал, чтобы вернуться к нулю после отпускания клавиши.

Благодаря этим четырем составляющим огибающей, нам под силу создавать огромную палитру звуков, от воздушных пэдов, до отрывистой перкуссии. Огибающие могут быть назначены на любой элемент архитектуры синтезатора, от частоты генератора до параметров эффектов, но наиболее распространенными задачами являются модулирование VCA (усилителя) и VCF(фильтра).

Низкочастотный генератор (LFO).

Вторым наиболее распространенным типом модулятора является низкочастотный генератор или LFO (Low Frequency Oscillator). Это осцилляторы, которые колеблются ниже 20 Гц - порога слышимости человеческого слуха. Хотя они не дают слышимых результатов, используя управляющее напряжение, они могут манипулировать другими параметрами с регулярными повторяющимися скоростями. Как и у их слышимых братьев, у них есть разные формы волн и частоты. Треугольные и синусоидальные LFO на низких частотах могут быть использованы для создания медленных и малозаметных изменений в тембре, тогда как LFO с прямой или квадратной волной на высоких частотах могут создавать резкие и выраженные эффекты. Подобно огибающим, LFO могут быть назначены на любой параметр в синтезаторе. Например, для создания вибрато можно модулировать частоту генератора (высоту тона) с помощью синусоидального LFO, или модулировать частоту среза фильтра в пэдах (pad) для придания им динамики.