Рубрики
Синтез

Как работает синтезатор

Как из электричества создать звук? Как это работает в синтезаторе? И Как создаётся богатое разнообразие звуков при помощи синтеза? Ниже немного общей информации о том как мы слушаем электричество и как синтез звука создаёт то, что мы никогда не смогли бы услышать без него.

Что общего у звука и электричества

Звук имеет волновую природу. Когда мы слышим звуки наши барабанные перепонки находятся под воздействием мельчайших перепадов давления. При этом мы слышим не все колебания. Возможности нашего слуха ограничены диапазоном частот примерно от 20 до 20 000 Гц.

Вибрацию воздуха, которую мы слышим, можно изобразить графически.

график звуковой волны
Изменение давления на барабанную перепонку с течением времени

Громкость звука определяется амплитудой — чем больше разница между пониженым и повышенным давлением, тем громче звук. А высота звука выражается в частоте изменения давления.

Высокий и тихий звук
низкий и громкий звук
Низкий и громкий звук

Переменный электрический ток тоже можно представить в виде волны. Только вместо давления у него меняется напряжение. Изобретатели, работавшие над методами записи звука, решили что это очень удобно — преобразовывать акустические колебания давления в электрические колебания напряжения.

В обратную сторону это тоже отлично работает — переменное напряжение на катушке в магнитном поле постоянных магнитов колеблет мембрану и создаёт вибрации воздуха. И мы слышим эти колебания. Это общий принцип действия хорошо известных нам динамических головок, установленных в наших акустических системах.

Создание звука из электричества

Но что если мы не будет записывать и воспроизводить записанный звук, а создадим его сами «с нуля». Ведь можно просто взять генератор переменного тока, подключить его к динамику и voila.

Да, звук мы услышим (при условии, что генерируется частота в пределах слышимого диапазона), но удовольствие от этого мы вряд ли получим. Это будет просто монотонный гул. Натуральные звуки отличаются гармонической сложностью и изменяемостью. А волна напрямую из генератора — это равномерный гул на протяжении вечности. Но это уже синтезированный звук.

Чтобы создавать более музыкальные звуки нам потребуется изменять амплитуду и её частоту. Сделать это можно огромным количеством способов, изменяя эти параметры с разной скоростью и периодичностью. И каждый из них будет приводить к разному слышимому результату.

Вернемся к нашему генератору. С помощью него мы может создавать разные формы волны. А это значит, что мы уже можем влиять без изменения частоты на скорость изменения амплитуды. Существует несколько базовых генерируемых типов волн:

Синусоидальная волна
Синусоидальная
Треугольная волна
Треугольная
Квадратная волна
Квадратная
Пилообразная волна
Пилообразная

И все они при одинаковой частоте звучат по разному. Потому что создают разное количество гармонических колебаний. Это можно увидеть если посмотреть на каждую из этих форм в спектро анализаторе, который показывает нам, грубо говоря, из каких составляющих состоит звук, и какие частоты звучат громче других:

Синусоидальная
Треугольная
Квадратная
Пилообразная

Чтобы создать еще более гармонически сложные тембры, прибегают к различным способам синтеза звука.

Самый распространенный и простой — субтрактивный синтез. Называется он так, потому что необходимого тембра пытаются добиться вычитанием частот из сложной волны, насыщенной большим количеством гармонических колебаний. Например из пилообразной или квадратной волны. Делают это с помощью фильтров, которые пропускают через себя только определенный диапазон частот.

Противоположный этому метод — аддитивный синтез, когда простые волны разной частоты с наименьшим количеством гармонических колебаний, чаще всего синусоиды, складывают, добиваясь необходимого тембра.

Погружаться в методы синтеза подробнее я сейчас не буду. Очень понятно и подробно они описаны здесь. Если вы действительно интересуетесь темой синтеза, рекомендую для изучения.

Преобразования звука

Ок, какой-то звук пошёл. Теперь давайте добавим динамики. Ведь в музыке только одна вещь важнее нот — паузы.

Из музыкальных инструментов звуки можно извлекать с разной динамикой. Например, нажимая клавишу пианино мы слишим звук, который резко начинается и плавно затухает. А если мы начнем вести смычком по скрипичной струне, то услышим звук с плавно нарастающей громкостью.

В звукоизвлечении есть четыре основных динамических фазы — атака, спад, поддержка и затухание (Attack, Decay, Sustain и Release на английском или сокращенно ADSR).

ADSR

Атака определяет как быстро нота зазвучит с максимальной громкостью, спад — как быстро громкость от максимальной перейдёт к уровню поддержки, а затухание указывает как быстро при прекращении нажатия на клавишу громкость должна упасть до нуля. Из этих четырёх параметров только поддержка указывает не на время, а на уровень на котором должна звучать нота при удержании клавиши.

У аккустических инструментов, благодаря сложному тембру, есть натуральная красота звука. Исполнитель может изменять динамические параметры извлекаемых нот и даже влиять на тембральный окрас звука. У каких-то инструментов больше, у каких-то меньше.

Чтобы добиться подобного эффекта в синтезируемом звуке, громкость звука изменяют не по принципу вкл/выкл (хотя и так никто не запрещает), а с помощью тех же ADSR параметров. В синтезаторах устройства, которые задают эту динамику называются генераторами огибающей.

Во время синтеза звука мы можем влиять не только на громкость, но и на все остальные параметры, в отличие от аккустических инструментов. С помощью той же огибающей можно изменить форму волны, её частоту, управлять параметрами фильтров или эффектов обработки звука. Всем чем угодно. Абсолютно. Любая прихоть. Поэтому синтез звука позволяет создавать такое аккустическое разнообразие, которое трудно представить в жизни.

При этом можно использовать несколько разных генераторов управляющего сигнала одновременно. И не обязательно это должны быть ADSR генераторы. Если вы хотите изменять какой-то параметр периодично с определённой частотой, то можно взять такой же генератор, с помощью которого мы создавали звук в самом начале, и его сигналом влиять на изменения этого параметра. В модульных синтезаторах такой сигнал обозначают как CV (control voltage).

Кому-то такая широкая возможность для экспериментов не нужна и они оставили её на усмотрение создателей синтезаторов, как я уже рассказывал в предыдущей статье. Мне кажется, что лишать себя такой возможности не стоит. Эта гибкость и возможность для неограниченной фантазии и есть основное преимущество модульных синтезаторов. Синтез звука он этим и хорош — бесконечной фантазией и отсутствием рамок. Останавливают нас только законы физики.