Как устроен синтезатор

Дмитрий ПОПОВ
Музыкальное Оборудование
август 1995

Нет, мы не собираемся рассказывать вам из каких радиодеталей сделаны синтезаторы и откуда там проистекает ток. Мы поговорим об устройстве операционной системы инструментов, точнее, той ее части, которая имеет отношение непосредственно к звукообразованию. Эти знания необходимы тем, кто хочет создать собственные звуковые программы (пэтчи) или слегка подредактировать готовые для соответствия конкретному музыкальному произведению.

Современные синтезаторы (а также рабочие станции и звуковые модули) поступают к вам с сотнями уже готовых пэтчей, созданных профессиональными дизайнерами звуков. Однако, как бы они не были хороши, кроме вас их используют еще несколько тысяч человек во всем мире (несколько лет назад, когда наиболее распространенными MIDI инструментами в нашей стране были Korg M 1 и E-mu Proteus, некоторые их звуки можно было услышать в каждой второй песне и каждой первой рекламе). А ваша уникальная музыка несомненно требует ваших уникальных звуков. Можно, конечно, купить несколько готовых библиотек звуков или даже нанять собственного дизайнера, если это вам по карману. Но если вы будете программировать звуки самостоятельно, это будет лучшей гарантией их исключительности и точного соответствия музыкальному материалу.

Несмотря на внешнюю сложность и разнообразие устройства, большинство синтезаторов имеют много общих черт, причем позаимствованных у инструментов раннего периода — аналоговых синтезаторов. С них мы и начнем разбираться в тонкостях устройства этих инструментов.

Первые синтезаторные системы называются модульными, так как состоят из нескольких модулей или блоков, выполняющих три основные задачи: они или создают звук, или изменяют его или управляют работой других блоков. Эти блоки соединяются при помощи кабелей — вот почему в некоторых современных инструментах звуковая программа называется «patch» (англ. «соединение»). Для создания нового звука исполнителю приходилось производить все соединения и изменять параметры блоков; не было никакого способа сохранить предыдущие находки, кроме как записать соединения и параметры на бумаге и затем восстановить их вручную. Кстати, модульные системы стоили десятки тысяч долларов.

Через некоторое время производители синтезаторов обнаружили, что некоторые модули и способы их соединения используются чаще других. Собрав все это вместе и добавив клавиатуру для управления, они создали действительно распространенные аналоговые синтезаторы, например, Minimoog. Кроме хорошего, плотного звука, эти инструменты имели и много недостатков, например, нестабильность строя. Поэтому постепенно аналоговые части заменялись на цифровые (более стабильные). Затем были добавлены микропроцессор, управляющий всеми параметрами, и память для сохранения и последующего автоматического восстановления параметров (а значит и звуков). С увеличением числа параметров стало ясно, что прежний способ управления (каждому параметру — свой регулятор на передней панели) становится невозможным, так как инструменты становились слишком громоздкими. Ручки и кнопки сильно сократили, но добавили дисплей. Вы выбираете на дисплее определенный параметр и крутите ручку для его изменения. Затем выбираете другой параметр и опять крутите ту же ручку (или двигаете тот же слайдер), но уже изменяя новый параметр. Дальнейшее развитие постепенно привело к тому, что синтезаторы стали превращаться в специализированные компьютеры, где звук производился и изменялся путем большого количества арифметических действий в микропроцессоре. Тем не менее, основная терминология сохранилась, только теперь модули существуют не в виде реальных блоков, а как группа цифр в операционной системе инструмента.

Генераторы

Итак, из каких модулей состоят синтезаторы? Прежде всего это звуковые генераторы или осцилляторы (oscillator) — блоки, непосредственно производящие исходные звуки. На аналоговых синтезаторах они имеют органы управления формой волны (синусоидальная, пилообразная и т. д.) и высотой тона (обычно грубо, октавами, и точно). Форма волны определяет тембр звука или его гармонический состав. Клавиатура синтезатора также управляет генераторами, так что нажимая разные клавиши вы получаете звуки разной высоты. Обычно монофонический аналоговый синтезатор имеет два подобных генератора плюс специализированный генератор шума. Иногда вы можете модулировать (управлять) один генератор другим, получая более сложные формы волны и, соответственно, разнообразные тембры. Кстати, именно на принципе модуляции одного генератора другим и устроены синтезаторы фирмы Yamaha серии DX. Yamaha называет этот принцип FM (frequency modulation — частотная модуляция).

На синтезаторах, устроенных по принципу воспроизведения семплов (sample playback), вместо нескольких простых форм волны генераторы могут вырабатывать большое число сложных форм. Эти формы обычно являются предварительно записанными образцами звучания реальных инструментов, хранящимися в постоянной памяти инструмента.

Фильтры

Блок фильтров предназначен для фильтрации (удивительно!) или удаления части гармоник, созданных генератором. Чаще всего применяется пропускающий фильтр низкой частоты (low-pass filter), который пропускает низкие частоты и убирает высокие, начиная с определенной точки, называемой частота среза фильтра (filter cut-off frequency). Также бывают пропускающие фильтры высокой частоты (high-pass) и полосы частот (band-pass). Еще существуют заграждающие фильтры всех типов, действующие противоположным способом. Заграждающий фильтр полосы частот называется иногда «band-stop», «band-reject» или «notch». Фильтр не убирает гармоники после частоты среза полностью; скорее, он постепенно ослабляет их в соответствии с крутизной спада (slope или roll-off). Крутизна фильтра (в отличии от крутизны представителей человеческого рода) измеряется в децибелах на октаву. Чаще всего используются фильтры типа 12 дБ/окт (Moog) и 24 дБ/окт (Oberheim). Это значит, что громкость гармоник октавой выше, чем частота среза, уменьшается на 12 или 24 дБ.

Еще один важный параметр (если он есть) фильтра — резонанс. Он поднимает уровень частот вокруг точки среза, тем самым выделяя ее. На некоторых синтезаторах, увеличивая резонанс можно добиться эффекта самовозбуждения фильтра, превратив его в генератор.

Несколько слов об использовании фильтров. Так как они работают убирая гармоники (обертона), лучше всего использовать фильтры на гармонически богатых звуках. Так, например, звук синусоидальной формы волны практически не содержит гармоник, а пилообразный звук содержит их все. И еще. Если изменять частоту среза фильтра, особенно резонансного, непосредственно в момент звучания (вручную или при помощи модулятора), то получится плавающий эффект, приводящий в восторг всех исполнителей техно.

Генераторы огибающей

После блока фильтров следует блок усилителя, никакими особенными параметрами не отличающийся. Однако он обычно управляется генератором огибающей (envelope generator), требующим отдельного разговора.

Генератор огибающей определяет изменение звука с течением времени. Например звук барабана начинается с максимальной громкости и быстро затухает. А «раздувание» у духовых инструментов начинается с тихого звука, постепенно увеличивающегося по громкости. Генераторы огибающей бывают разные, но самый распространенный тип — ADSR (attack, decay, sustain, release — атака, спад, поддержка, затухание). Если параметры атаки, спада и затухания измеряются в единицах времени, то поддержка — это уровень. Параметр атаки определяет, как быстро после нажатия клавиши звук достигает максимальной громкости. Спад устанавливает, сколько времени после этого понадобится звуку, что измениться до уровня, установленного параметром поддержки, на котором он и останется пока не будет отпущена клавиша. И, наконец, параметр затухания определяет, через сколько после отпускания клавиши звук достигнет нулевой громкости. Существуют и более сложные виды огибающих, с большим количеством стадий и с отдельными параметрами для скорости и уровня.

Генераторы огибающей могут контролировать не только блок усиления, но и фильтры (то есть тембральное изменение звука с течением времени) или сами звуковые генераторы (в таком случае изменяется высота тона, например, для создания эффекта сирены).

Генератор низкой частоты

Генераторы огибающей позволяют создавать постоянно изменяющиеся звуки, делая их более интересными. Для этого же предназначен и генератор низкой частоты (LFO — low frequency oscillator). Он похож на обычный генератор, только производит сигналы вне пределов слышимых частот, предназначенные для модуляции звуков. Чаще всего этот генератор используется для создания тремоло или вибрато, в зависимости от того, управляет ли он усилителем (громкостью) или генератором (высотой тона). Параметры генератора низкой частоты включают собственно частоту вырабатываемого сигнала (определяет скорость эффекта) и форму волны (определяет тип эффекта). Если выбрать случайную (random) форму волны, то можно получить интересный эффект, напоминающий монолог сумасшедшего робота.

Соединения

Хотя классические аналоговые синтезаторы уменьшили варианты модуляционного управления разных блоков друг другом (по сравнению с модульными системами), многие современные цифровые инструменты предлагают достаточно развитые возможности в этом плане. Кроме того, они позволяют музыканту управлять самими источниками модуляции. Например, повернув колесо модуляции вы можете направить сигнал с генератора низкой частоты на усилитель, произведя тем самым тремоло, одновременно управляя частотой сигнала (и, соответственно, скоростью тремоло) при помощи послекасания.

Воспроизведение семплов

Мы уже упоминали, что в синтезаторах, устроенных по принципу воспроизведения семплов (sample playback), используются цифровые записи реальных инструментов, находящиеся в постоянной памяти подобных устройств. Таким образом, их генераторы не вырабатывают форму волны, а просто воспроизводят готовые записи. Это позволяет намного более точно имитировать реальные инструменты. Дальнейшее изменение звуков в общем ничем не отличается от аналоговых синтезаторов: вы имеете фильтры, генераторы огибающих, генератор низкой частоты и все такое прочее.

На вопрос, чем же отличается подобный синтезатор от семплера, еще пару лет назад мы бы ответили так: синтезатор не семплирует сам и не имеет оперативной памяти для загрузки готовых семплов или сохранения измененных внутренних. Семплер, в свою очередь, обычно ограничен в синтезаторных возможностях формирования звука. Так как его звуки находятся в оперативной памяти, они исчезают при выключении питания и их необходимо загружать вновь. Однако в последнее время происходит естественное сближение и даже слияние этих устройств. Синтезаторы приобретают оперативную память, в которую можно загружать новые семплы, а семплеры часто имеют развитые синтезаторные способы формирования звука, а иногда и специальную перезаписываемую постоянную память (flash ROM), в которую можно загружать данные, как и в оперативную, но эти данные сохраняются при выключении питания. Такой инструмент, как Kurzweil K 2000 S, является просто объединенным синтезатором-семплером со всеми возможностями обоих типов устройств.

Широкое распространение принципа воспроизведения семплов показало, что и в этом случае существуют некоторые проблемы. Реальные инструменты способны производить звуки, сильно различающиеся по тембру, характеристикам огибающей и т. д. Если вы возьмете обычный рояль, то он производит разные звуки в зависимости от нажатой клавиши, силы ее нажатия и даже от того, какие еще клавиши нажаты в данный момент. Чтобы точно воспроизвести реальное поведение инструмента, необходимо сделать множество семплов, которые заполнят имеющуюся оперативную память со скоростью звука (каламбур такой). И хотя в некоторые современные инструменты можно установить 64 и даже 128 Мбайт памяти, это не каждому по карману, подготовка звука займет громадное время и все равно имитация не будет абсолютно точной. Последнее тем более верно, если говорить о реальных инструментах, способных изменять звук непосредственно во время его звучания. Практика показывает, что современные синтезаторы разных фирм, устроенные по принципу воспроизведения семплов, имеют довольно похожее и уже достаточно надоевшее звучание. Пришло время попробовать что-то новенькое.

Физическое моделирование

Синтезаторы, устроенные по принципу физического моделирования, появились в продаже не так давно, но уже произвели много шума. Основная идея их устройства такова: вместо воспроизведения предварительно записанных семплов операционная система синтезатора создает модель поведения реального инструмента. В зависимости от действий исполнителя (нажатие клавиши, поворот колеса модуляции и т. д.) процессор синтезатора вычисляет, какой звук издал бы имитируемый инструмент при данных обстоятельствах и воспроизводит его. Таким образом можно не только имитировать реальные инструменты, но и создавать новые, не существующие в природе.

Физическое моделирование позволяет решить многие проблемы современных синтезаторов. Подобные устройства не только лучше имитируют звуки реальных инструментов, но и их поведение, то есть изменение звука в зависимости от действий исполнителя. Необходимо заметить, что овладение синтезаторами такого рода требует не меньше времени, чем овладение акустическими инструментами. Кроме того, эти синтезаторы не требуют большого количества оперативной памяти.

Но решая одни проблемы, физическое моделирование одновременно создает другие. Для создания модели требуется огромная вычислительная мощность. Поэтому в подобные инструменты устанавливаются мощные (и, следовательно, дорогие) процессоры. Как и любая технология в начале своего коммерческого развития, физическое моделирование довольно дорого. Чтобы снизить цену производители выпускают инструменты с незначительной по нынешним меркам полифонией и мультитембральностью. С развитием технологии вообще и мощности процессоров в частности цены будут снижаться, а возможности увеличиваться.

Заменит ли принцип физического моделирования принцип воспроизведения семплов? В синтезаторах скорее всего да. Однако собственно семплеры несомненно останутся, только будут в меньшей степени использоваться для имитации реальных инструментов.

Ресинтезис

Этот тип звукообразования пока не получил своего коммерческого воплощения, однако ходят слухи, что несколько очень крупных синтезаторных фирм производят определенные разработки в этой области. Основная идея такова: практически любой звук является сочетанием синусоидальных волн разной высоты и громкости. Имея достаточное количество генераторов подобных волн вы можете произвести любой звук.

Однако как выяснить, из каких именно волн состоит тот или иной звук и, более того, как они изменяются во времени? Для этого существует способ под названием «преобразование Фурье». С его помощью можно проанализировать звук и разложить его на отдельные составляющие. Затем можно воспроизвести эти составляющие при помощи многочисленных генераторов и, таким образом, восстановить (или ресинтезировать) звук.

В чем преимущество подобного метода? Во-первых, объем данных, необходимых для ресинтезирования звука, в 10 раз меньше, чем при семплировании. Значит нужно меньше оперативной памяти. Во-вторых, ресинтезирование позволяет гораздо более глубокие возможности редактирования звуков и их воспроизведения, например, морфинг. Причем в отличии от звукового модуля Morpheus фирмы E-mu, где происходят плавные изменения между двумя способами фильтрации, в случае ресинтезиса это действительно постепенное превращение одного звука в другой.

Трудно сказать, почему пока не появилось инструментов, устроенных по принципу ресинтезирования звука. Хотя для качественного воспроизведения необходимо большое количество генераторов, вряд ли это составляет большую проблему при современной технологии. Для создания, например, 32-голосного синтезатора (ресинтезатора?) с 32-мя гармониками для каждого голоса необходимо 1024 генератора. А выпущенный 13 лет назад инструмент DX 7 фирмы Yamaha имел 96 генераторов. Видимо инструменты, создающие звуки путем их ресинтезирования, должны появиться в ближайшем будущем.