Человек, далекий от современной музыки обычно с благоговением смотрит на синтезаторы, которые частенько мелькают на экране телевизора в клипах и музыкальных передачах. Действительно, когда первый раз подходишь к такому инструменту, с непривычки глаза просто разбегаются от обилия разных регуляторов, кнопок, загадочных панелек и кучи информации на дисплеях, особенно если перед вами оказывается современная «рабочая станция». Руководства пользователя таких «монстров» по объему иногда превосходят толстенные классические произведения и заполнены огромным количеством сложнейшей технической информации. А дисплеи «рабочих станций» лишь немного уступают по размерам компьютерным мониторам.

Однако оказывается, что разработчики таких инструментов до предела набивают их различными функциями и возможностями по программированию большей частью для того, чтобы выжить в конкурентной борьбе. Большинство музыкантов не пользуется и десятой частью всех потенциальных возможностей – они нужны лишь саунд-дизайнерам, которые разрабатывают новые библиотеки звуков. Если не обращать внимание на все хитроумные мелочи, оказывается, что синтезаторы достаточно просты. А сейчас вообще наступил период ренессанса классических синтезаторов, которые получили новую цифровую «начинку», но все функции в них были приведены к простому и понятному виду. Конечно, количество регуляторов на верхней панели таких синтезаторов тоже поражает воображение людей несведущих, но «не так страшен черт, как его малюют» – научиться работать со всей этой кухней относительно просто.

Программные синтезаторы форматов DXi и VSTi, которые сегодня составили серьезную конкуренцию автономным инструментам, работают по тем же самым принципам, и обычно имеют интерфейсы, имитирующие верхние панели "реальных" устройств. Все отличие только в том, что вы вертите виртуальные регуляторы мышью, или назначаете на них регуляторы MIDI клавиатуры (если, на последней оные есть, разумеется). Больше они ничем от "реальных" синтезаторов не отличаются. Поэтому, если вы будете знать общие принципы работы синтезаторов, то легко разберетесь с любым подключаемым модулем...

Принципы работы синтезаторов

Наибольшее распространение сейчас получили инструменты, работающие по принципу воспроизведения семплов. В их памяти находятся заранее записанные образцы звучания, которые воспроизводятся при нажатии клавиш с разной высотой и динамикой. Эти синтезаторы замечательно имитируют звук разных реальных музыкальных инструментов – от барабанов и басов до скрипок и фортепиано. Среди компьютерных виртуальных синтезаторов по этому принципу работают, например подключаемые модули Edirol Hyper Canvas, Edirol Super Quartet или IK Sampletank. Однако по части получения различных синтетических тембров они уступают синтезаторам классического типа, которые в середине 90-х годов получили второе рождение благодаря цифровым технологиям. Подавляющее большинство компьютерных подключаемых модулей представляют как раз второй тип. Так как инструменты, работающие по принципу воспроизведения семплов – это дальнейшее развитие синтезаторов классического типа, мы начнем с принципов работы последних. А потом перейдем к более сложным инструментам.

Посмотрите на Рис. 1. На нем показана структурная схема классического синтезатора. Если вы вникните в принципы звукообразования и поймете, зачем требуется каждый элемент синтеза, то никакое количество регуляторов вас уже не смутит – все электронные инструменты построены по одной и той же схеме. Так что при освоении той или иной новинки вам нужно будет лишь найти на панели управления знакомые блоки и знакомые регуляторы – и можно начинать работать. А по мере привыкания к новому синтезатору вы разберетесь и с тем, что же его отличает от остальных разработок.

Рис. 1. Структурная схема синтезатора

В современных синтезаторах клавиатура и звуковой блок – две независимые части, связанные между собой через MIDI интерфейс. Клавиатура при нажатии клавиш производит сообщения о взятой ноте и ее динамике, которые распознаются любыми электронными инструментами А многие из них выполнены в виде звуковых модулей, которые могут работать с любой подключенной клавиатурой.

Итак, при нажатии клавиш через MIDI интерфейс в блок синтеза начинают поступать сообщения о нотах и их динамике. Здесь они попадают в звуковые генераторы (Oscillator) – устройства, производящие периодические электрические сигналы, которые впоследствии преобразуются в звук в акустических системах (Рис. 1). Высота тона (частота) сигналов определяется MIDI-сообщениями от клавиатуры. Обычно в синтезаторах бывает от одного до трех звуковых генераторов (на Рис. 1 их два). Плюс генератор шума - Noise Generator (случайного сигнала, который воспринимается нами как «шипение»). Шум используется при создании некоторых синтетических звуков. Все они начинают работать одновременно при поступлении MIDI-сообщения от клавиатуры.

Звуковые генераторы классических синтезаторов способны производить несколько разных форм волны, которые отличаются своим звучанием. Базовых форм четыре: синусоидальная (sin), треугольная (triangle), пилообразная (saw) и прямоугольная (pulse) (Рис. 2). Все синтетические звуки представляют собой различные комбинации этих форм. Некоторые звуковые генераторы могут производить дополнительные волны, но они всегда являются производными от базовых. Сигналы ото всех генераторов смешиваются в микшере (mixer) – таким образом, производится изменение тембра звука (Рис. 1). Например, первый генератор выдает мягкую и нежно звучащую синусоиду. С помощью микшера мы можем добавить к ней немного пилообразного сигнала от второго генератора – звучание станет чуть жестче.

Рис. 2. Формы волны звуковых генераторов

В современных синтезаторах классического типа есть еще один способ кардинального изменения тембра звука на уровне звуковых генераторов. Он называется частотная модуляция (FM – frequency modulation). Модуляция – это управление, а частотная модуляция, соответственно, – управление частотой. В создании FM принимают участие два звуковых генератора. Один из них производит главный сигнал, а второй – управляющий, который меняет тембр (на Рис. 1 управляющий сигнал производит первый звуковой генератор). Изменения тембра при частотной модуляции возможно только при использовании синусоидальных волн.

Посмотрите на Рис 3. На нем показан график зависимости частоты звука от времени, иллюстрирующий действие частотной модуляции. Предположим, мы взяли ноту «Ля» на клавиатуре и включили на синтезаторе второй звуковой генератор, который выдает синусоидальную волну с частотой 440 Гц. На рисунке эта частота названа «опорной» и показана горизонтальной прерывистой линией, то есть частота со временем не изменяется – она все время соответствует ноте «Ля».

Рис. 3. Принцип действия частотной модуляции

Теперь мы включаем первый управляющий генератор, и задаем частоту его синусоидальных колебаний в 1 Гц. Управляющий генератор начинает периодически менять частоту второго генератора относительно 440 Гц. Результатом будет звук, похожий на сирену скорой помощи – измененный сигнал показан на Рис. 3. в виде синусоиды с периодом в 1 секунду. Если мы увеличим частоту управляющего генератора до 10 Гц, то на выходе синтезатора появится характерный «бьющийся» звук. А если его частота будет увеличена, например, до 200 Гц, то звук приобретет новый тембр. Меняя управляющую частоту, мы можем получать разные оттенки звучания базовой синусоиды – именно это свойство частотной модуляции используется в синтезаторах.

Еще один метод изменения тембра звука в генераторах называется «модуляцией ширины импульса» (PWM). Его используют с прямоугольной формой волны (четвертая форма на Рис. 2). При этом виде модуляции периодически меняется ширина «прямоугольника – это тоже приводит к изменениям тембра. В некоторых синтезаторах присутствует так называемая «кольцевая модуляция». При ней один сигнал служит образцом для периодических изменений формы другого.

Снова посмотрите на Рис. 1. Суммарный сигнал от микшера попадает в фильтр (filter) – устройство, которое подобно эквалайзерам может воздействовать на разные частотные полосы. Но в отличие от эквалайзеров бытовых музыкальных центров, синтезаторные фильтры полностью вырезают те или иные частоты, а не уменьшают их уровень (такие фильтры называются «пропускающими»). Зато частоту среза можно выставить произвольно с помощью специального регулятора (обычно он называется Cutoff). Также в синтезаторных фильтрах есть параметр, который называется «резонанс» – это небольшой подъем уровня полосы непосредственно перед частотой среза (Рис. 4). Такой «пик» дает очень характерный окрас звука, и у любого синтезаторного фильтра есть специальный регулятор (Resonance), который позволяет менять уровень резонанса (высоту «пика»).

Рис. 4. Схема действия фильтра

В современных синтезаторах фильтры имеют несколько вариантов воздействия на звук – поэтому они называются «мультирежимными». Фильтр, который показан на Рис. 4 называется «пропускающим низких частот» (low pass), то есть он пропускает низкие частоты, а остальные вырезает. Другие варианты фильтров показаны на Рис. 5. Также у фильтров есть еще один параметр, который называется «крутизна среза» – он определяет крутизну «горки» обрезания частоты. Обычно в синтезаторах используются фильтры с крутизной 12 и 24 дБ/октава. Чем больше крутизна, тем более ярким является вмешательство в звук.

Рис. 5. Типы фильтров

Любой синтезаторный фильтр может модулироваться (управляться) двумя специальными устройствами – генератором низкой частоты (LFO) и генератором огибающей (Envelope) (Рис. 1). Первое из них представляет собой генератор, идентичный звуковому. Его единственное отличие – диапазон частот производимых электрических колебаний. LFO обычно работает в диапазоне от 0,01 до 1000 Гц. Если мы с помощью генератора низкой частоты начинаем, например, периодически менять частоту среза фильтра, то это приводит к характерным ритмичным изменениям тембра звука. Очень часто генератор низкой частоты синхронизируется с темпом композиции, тембральные изменения попадают в ритм – звучит все это дело очень эффектно. Также LFO используется для модуляции звуковых генераторов и получения эффекта «вибрато».

Генератор огибающей (Envelope) – это устройство, которое позволяет управлять тем или иным параметром в зависимости от времени. То есть, с его помощью мы можем сделать так, что первые пол секунды звучания ноты параметр имеет одно значение, следующие пол секунды – другое и т.д. Обычно генераторы огибающей имеют интерфейс в виде графика с четырьмя ступенями, которые называются атака (attack), затухание (decay), продолженное звучание (sustain) и отпускание (release) (Рис. 6). Изменения параметра производятся в точном соответствии с графиком. Последняя ступень огибающей (отпускание) действует уже после того, как отпущена клавиша на MIDI-клавиатуре. С помощью этого генератора мы можем нарисовать схему изменения параметра, которая будет работать для каждой взятой ноты. и вообще не притрагиваться к регуляторам синтезатора – все будет происходить автоматически. У фильтра обычно с помощью генератора огибающей модулируется частота среза (Cutoff).

Рис. 6. Принцип действия генератора огибающей

После фильтра обработанный сигнал попадает в усилитель (amplifier), который модулируется отдельным генератором огибающей (Рис 1.). В усилителе обычно устанавливается уровень сигнала, его положение в панораме (если синтезатор имеет стерео выход), а также задается схема изменения уровня в зависимости от времени с помощью огибающей. Мы можем сделать, например, так, что нота будет плавно затухать после того, как мы отпустили клавиши, или придумать любые другие варианты изменения уровня. И последний элемент в цепочке синтеза – блок эффектов, с помощью которого звуку придается дополнительный блеск.

В чем преимущество синтезатора классического типа? Такие синтезаторы позволяют с помощью регуляторов менять тембр звука прямо во время исполнения и записывать все изменения в секвенсор (MIDI-дорожки «виртуальной студии»). То есть можно не только записывать сложные перемещения фильтра, но и вообще сделать плавное перетекание одних звуков в другие. Причем после записи все перемещения регуляторов можно отредактировать – в общем, простор для творчества здесь практически не ограничен.

Синтезаторы, работающие по принципу воспроизведения семплов, имеют точно такую же структурную схему. Только звуковые генераторы у них воспроизводят заранее записанные образцы звучания. В таких синтезаторах отсутствуют возможности частотной и кольцевой модуляции, а также модуляции ширины импульса. Также у них, как правило, нет возможности столь гибкого управления звуком в реальном времени и создания звуков, плавно перетекающих из одного в другой. Но это и не нужно. Главная задача таких синтезаторов – максимально реалистично передать звучание акустических музыкальных инструментов. Для этого в них используется наложение слоев – прием, позволяющий передавать изменение тембра реального инструмента в зависимости от звукоизвлечения.

Если вы умеете играть на одном из акустических инструментов, то должны знать, что при акцентированной игре инструмент звучит не совсем так, как при мягком, нежном звукоизвлечении. Изменения динамики приводят к изменению тембра: например, у гитары при акценте появляется характерный «щелчок». Чтобы передать такие нюансы, в синтезаторах, работающих по принципу воспроизведения семплов, для каждой ноты используется не один образец звучания, а несколько. А нужный образец вызывается из памяти в зависимости от MIDI-сообщения динамики (в спецификации MIDI он называется velocity – скорость нажатия клавиши). Посмотрите на Рис. 7. На нем показана структурная схема такого синтезатора.

Рис. 7. Структурная схема синтезатора, работающего по принципу воспроизведения семплов

Фактически такой синтезатор представляет собой четыре упрощенных классических синтезатора, расположенных в одном корпусе – у каждого из них есть только один звуковой генератор, воспроизводящий семплы. (Слой 1 – Слой 4 на Рис. 7). Звуковые генераторы каждого из слоев воспроизводят образцы звучания одной ноты реального инструмента, но записанные с разным акцентированием. Четвертый слой воспроизводит самое мягкое звукоизвлечение, первый слой – самое динамичное. Каждый из слоев присваивается определенному диапазону значений динамики. То есть при легком нажатии на клавиши работает четвертый слой, при быстром и акцентированном – первый. Таким образом и достигается максимально реалистичная передача звучания акустических инструментов.

Есть еще один тип синтезаторов, который занимает промежуточное положение между классическими и работающими по принципу воспроизведения семплов. Это Wave Table синтезаторы фирмы Waldorf (фирма выпускает и программный синтезатор PPG Wave формата VSTi). У них тоже есть постоянная память. Однако, в этой памяти хранятся не семплы, с образцами звучания реальных инструментов, а оцифрованные волновые формы, имеющие длительность всего в один период, и полученные с помощью оцифровки работы одного или нескольких аналоговых генераторов. Но при нажатии клавиши синтезатор обращается не к ним, а к некоей промежуточной структуре под названием «волновая таблица», в которой хранятся ссылки на волновые формы.

В этой самой таблице и вся суть Wave Table синтеза. Таблица имеет 64 ячейки, к каждой из которых может обратиться синтезатор. Но в ячейке не обязательно должна содержаться ссылка на волновую форму. Если ее нет, то синтезатор генерирует отсутствующую волновую форму из двух других, на которые содержатся ссылки в соседних ячейках – получается некий переходной вариант. Если и в соседних ячейках ничего не содержится, то синтезатор ищет ближайшие ссылки и заполняет пустующие ячейки необходимым количеством переходных волновых форм. Но это еще не все. Синтезатор может последовательно обращаться к разным ячейкам таблицы под воздействием модуляции (например, от специального колеса модуляции на MIDI-клавиатуре). И вы в результате получаете плавное изменение тембра одной ноты в тех пределах, которые требуется. Ни один другой тип синтезаторов не способен к таким сложным тембральным переливам – в классических инструментах максимум можно получить плавное изменение тембра в пределах двух-трех волновых форм. А в Wave Table инструменте вы можете использовать до 64 волновых форм!

В некоторых современных синтезаторах (в том числе и программных, например Native Instruments Absynth) используется принцип физического моделирования – либо как единственный, либо совмещенный с другими. Этот метод предусматривает использование математических моделей звукообразования реальных музыкальных инструментов для генерации в цифровом виде соответствующих волновых форм, которые затем просто конвертируются в звук.

Пояснить такой способ синтеза нам поможет следующий пример. В акустике есть точные математические описания явлений, происходящих в саксофоне – в качестве источника колебаний воздуха выступает трость, затем звук усиливается и тембрально окрашивается в резонаторе, в качестве которого выступает изогнутая металлическая труба. Когда на клавиатуре синтезатора, работающего по принципу физического моделирования, нажимается какая-то клавиша, то он на основе известных математических моделей сначала рассчитывает сложные колебания воздуха, которые возникают под влиянием движений трости, и на основании этих расчетов создает цифровое подобие этих колебаний. Затем рассчитываются все изменения, происходящие со звуком в резонаторе и, согласно этим вычислениям, модифицируется произведенная ранее цифровая модель. Остается только преобразовать цифровую модель звука в электрические колебания, с чем успешно справляется цифро-аналоговый преобразователь. Преимуществом такого метода синтеза является возможность совмещения совершенно несовместимых в реальности источников колебаний и резонаторов. Например, можно взять саксофонную трость, а в качестве резонатора использовать корпус акустической гитары, да еще и произвольно задать размеры этого резонатора. Плюс к этому все параметры можно менять в реальном времени с помощью регуляторов. Затем все это дело обработать синтезаторными фильтрами, задать модуляцию с помощью огибающих и в довершении добавить каких-нибудь эффектов…

Информация получена с сайта переход