Методи синтезу звуку
Спочатку невеликий ліричний відступ, висловлю свою особисту думку.
Якщо не знати, що відбувається в будь-якому процесі або пристрої, то як можна користуватися цим пристроєм / процесом?
Стосовно до синтезу звуку та музики це звучить приблизно так: як можна щось синтезувати, а то й знати, як власне відбувається синтез?
Можна крутити ручки наосліп, але тоді ви ніколи не будете домагатися того, чого дійсно хочете. Деякі скажуть: «А навіщо щось крутити, якщо в мережі валяється купа пресетів для сінті та взагалі все зроблено так, як треба ?!» Тоді ці люди просто ще не виросли з eJay.
Одноголосним або монофонічним синтезатором називається синтезатор, здатний відтворювати в кожен момент часу тільки одну ноту, тобто на такому синтезаторі ви не візьмете акорд. Вірніше, ви його візьмете, але звучати буде лише одна з нот акорду. Як правило, ноти будуть чергуватися, наприклад у вас є кілька акордів в різних тональностях, з яких складена мелодія або якийсь пад (pad).
Так ось, якщо ви подібну штуку спробуєте відтворити на монофонічному синтезаторі, то звучання нот буде чергуватися: то верхня нота в акорді зазвучить, то нижня і т.д. Ну це я так - для інформації.
Багатоголосий або поліфонічний синтезатор здатний грати кілька нот одночасно (не більше ніж кількість його голосів) в кожен момент часу. Пояснюю: якщо у вас, наприклад, є 8-ми голосуй синтезатор, то одночасно він зможе відтворювати не більше восьми нот одного тембру. Многотембральний синтезатор здатний грати відразу кілька нот з різними тембрами.
Адитивний метод синтезу
Найпершим методом синтезу був адитивний метод (від англійського add - складати). Цей метод заснований на складанні хвиль декількох генераторів. Метод базується на теоремі Фур'є, полягає вона в тому, що будь-яке періодичне коливання можна представити у вигляді суми синусоїдальних коливань різної частоти і амплітуди.
Цей метод застосовується у всіх нині існуючих синтезаторах, у яких більше одного генератора хвилі. Якщо в якості вихідних використовуються синусоїдальні коливання з кратними частотами (що відрізняються в ціле число раз) і при цьому амплітуди можуть бути різні, то такий вид синтезу називається гармонійним (цей термін відповідає гармонійної гамі, в якій частоти однойменних нот сусідніх октав розрізняються вдвічі).
Іншим різновидом адитивного синтезу є регістровий синтез. У цьому випадку в якості вихідних хвиль використовуються коливання більш складних форм, наприклад трикутні або прямі.
Субтрактівним метод синтезу
Якщо дослівно перекласти з англійської, то вийде "вичітательний метод" (від subtract - віднімати). Суть цього методу полягає в тому, що новий тембр може бути отримане шляхом зміни (віднімання) складових в спектрі первоначаль-ного коливання. Цей процес відбувається як би в два етапи. Спочатку формуються основні коливання, головна вимога до первісного коливання зводиться до того, щоб спочатку воно (коливання) мало якомога більше розвинений тембр, тобто безліч спектральних складових. Наприклад, тембр синусоїдальної хвилі простий і невиразний, а спектр, скажімо, пилкоподібної хвилі, вже більш яскравий (сподіваюся, зрозуміло, про що я говорю).
На другому етапі за допомогою частотних фільтрів з первоначаль-ного коливання виділяють частотні складові, відпо-ціалу імітованого інструменту. Основними інструментами синтезу при цьому методі служать керовані фільтри: резонансний (смуговий) - з ізмененяются становищем (основ-ної частотою спрацьовування) і шириною смуги пропускання (band) і фільтр нижніх частот (ФНЧ) - із змінною частотою зрізу (cutoff).
Перевага цього методу в досить простий реалізації і в широкому діапазоні синтезованих звуків. Головний недолік в тому, що при синтезі звуків зі складним спектром доводиться використовувати велику кількість фільтрів.
Як правило, і адитивний, і субтрактівним методи мирно уживаються і доповнюють один одного.
Є одним з останніх досягнень в області синтезу звуку. Для його реалізації потрібні значно потужніші мікропроцесори, ніж при субтрактивном або аддитивном методах. Вперше синтезатор такого типу був створений Р. Мугом в 1964 році. Його основою став генератор, керований напруги-ням, здатний формувати сигнали прямокутної, пилкоподібної і синусоїдальної форми. Різні варіанти з'єднання таких генераторів, а також подальше додавання їх вихідних сигналів дало можливість отримувати величезну кількість нових «електронних» звуків.
Такий метод синтезу отримав назву FM -аддітівний синтез. Метод заснований на частотної модуляції (Frequency Modulation). Наукове визначення звучить приблизно так: зміна частоти сигналу згідно із законом деякого керуючого напруги.
Зараз будемо розбиратися ...
При FM - синтезі звук з необхідним тембром проводиться на основі декількох генераторів звукових частот при їх взаємної модуляції. Сукупність генератора і схеми, що управляє цим генератором, прийнято називати оператором (operator). У зв'язці двох операторів той, який безпосередньо програвання водить звучання, називається носієм (carrier), а той, який модулює хвилю - модулятором (modulator).
Схема з'єднання двох і більше операторів називається алгоритмом (algorithm). Схема з'єднання операторів, і налаштування кожного оператора (частота, амплітуда і закон їх зміни в часі) визначають тембр звучання.
У ланцюжку послідовно з'єднаних операторів останній з них є носієм (джерелом звуку), а решта - модуляторами. Сигнал з виходу оператора може надходити на вхід його модуляції по частоті. У цьому випадку говорять, що оператор охоплений зворотним зв'язком (feedback).
Рівень зворотного зв'язку можна регулювати. Чим вище рівень зворотного зв'язку, тим більше складний спектр набуває синтезується сигнал.
Це лише базові відомості по FM-синтезу. Сам процес - дуже складний і його опис зайняло б кілька десятків сторінок тексту. Пояснити теоретично, яким саме чином відбувається синтез звуку даним методом, досить складно, тому буду пояснювати на прикладах. Всі сигнали сформовані в програмі Sonic Foundry Sound Forge 6.0 за допомогою вбудованого FM-синтезатора.
Синусоїдальна хвиля з частотою 440 Гц --- дивіться картинку 1
Сигнал трикутної форми з частотою 400 Гц --- дивіться картинку 2
Якщо використовувати алгоритм носій - синусоїда, модулятор - трикутна хвиля, то вийде наступне:
Приклад модуляції синусоїди трикутної хвилею --- дивіться картинку 3
Наочно видно, як сильно змінюється хвиля, якщо вико-ти всього два оператора!
Спробуємо використовувати два оператора з синусоїдальної хвилею і один - з трикутної хвилею. Алгоритм виберемо такий: синусоїди складені адитивним методом і сума ПРОМОД-ліровать трикутної хвилею (при складанні двох хвиль однакової форми з однаковою частотою і амплітудою, відбувається подвоєння амплітуди). Виходить наступне:
Модуляція двох складених синусоид трикутної хвилею --- дивіться картинку 4
Вражає ... Напевно, треба бути генієм, щоб уявити собі кінцевий звук при FM-синтезі ... Такою людиною, швидше за все, був Р.Муг, якщо вже придумав FM-синтез.
Головний мінус цього методу в тому, що якість одержуваного тембру безпосередньо залежить від швидкодії комп'ютера. Наприклад, концертний рояль відтворює близько 4500 помітних на слух тембрів, виходить, що при синтезі рояля, синтезатору доведеться прораховувати 4500 різних тембрів по дуже складному алгоритму. Природно, це спричинить за собою величезні витрати системних ресурсів, а якщо їх не буде вистачати, то деякі тембри просто не встигатимуть синтезуватися, причому залежність ця прямо пропорції-ональних!
Іншими словами, один і той же алгоритм синтезу може давати різні тембри на різних по швидкості комп'ютерах.
Метод фізичного моделювання
Цей метод синтезу на даний момент мало поширений (читай - взагалі не поширений), тому що вимагає величезних обсягів обчислень. В його основу покладено принцип моделі-вання всіх фізичних процесів, що відбуваються всередині реального музичного інструменту. Наприклад, це може бути скрипка або гітара. Враховується матеріал, з якого зроблений корпус, матеріал струни, враховуються всі заломлення, поглинання, спотворення, що відбуваються зі звуком, всілякі ефекти резонансу і т.д. Прикидаєте, який обсяг інформації треба перемелювати, причому робити це треба з мінімальною затримкою. Сьогоднішні комп'ютери просто не можуть обробляти подібні обсяги даних з потрібною ско-ростью. Тому час цього методу ще не настав. Для бажаючих поекспериментувати раджу встановити синте-затор фізичного моделювання TassMan.
P.S. Хоча, якщо мати комп'ютер Macintosh з двома процес-сорамі G5-1000 MHz і парою гігабайт оперативної пам'яті, то мабуть можна спробувати ...
Про Wavetable-синтезатори і всілякі методи мульти-семплінгу говорити не буду, тому що це вже не синтез, а фактично програвання записаних звуків. І взагалі - це тема окремої статті!