Электронным синтезом звуков начали заниматься еще в 20-е
годы. Первым синтезатором был терменвокс, созданный в России
Львом Терменом. В этом инструменте использовались высокочастотные
генераторы; оператор управлял частотой одного из генераторов, меняя
положение своей руки относительно специального электрода. Выходная -
звуковая - частота выделялась как разность частот пары генераторов.
Любопытно, что полупроводниковые "версии" терменвокса иногда
используются и в наши дни. На 60-80-е годы приходится бурное развитие
аналоговых методов синтеза, в 90-е годы в основном развиваются цифровые
и гибридные (аналоговые с цифровым управлением). Введем несколько
определений, относящихся к возможностям синтезаторов.
Одноголосный, или монофонический (monophonic) синтезатор в
каждый момент времени способен воспроизводить только один звук (ноту).
При попытке исполнить несколько нот (взять аккорд) будет звучать лишь
одна из них. Многоголосный, или полифонический
(polyphonic) синтезатор способен одновременно исполнить несколько нот
(не более, чем число его голосов). Многотембровый (Multitimbral)
синтезатор может одновременно издавать звуки с различными тембрами
(имитировать несколько разных инструментов). Богатые возможности
синтеза предоставляли модульные синтезаторы, среди которых
наиболее известны Moog-синтезаторы (названы по фамилии создателя).
Модули этих синтезаторов представляли собой различные устройства,
управляемые напряжением: генераторы колебаний, фильтры, усилители, и
генераторы управляющих сигналов различных форм. Для генерации сигналов
произвольной формы использовали секвенсоры - наборы потенциометров и
коммутирующих ключей. Потенциометрами "набиралась" форма по точкам,
ключи обеспечивали "развертку" этого набора во времени (циклически или
однократно по команде). Клавиатура (и другие управляющие устройства)
вырабатывала напряжение с уровнем, определяемым нажатой клавишей. Модули
соединялись между собой шнурами (patch), и звук определялся определенной
комбинацией этих соединений. С тех пор слово patch применительно
к синтезаторам означает определенный (загружаемый в память) тип звука
(инструмента). Конечно, модульные синтезаторы были дорогими и
малопригодными для исполнения произведений в реальном времени. Позже
появились синтезаторы с фиксированными соединениями тех же узлов
(например, Mini-Moog), с которыми уже могли справиться и
музыканты-исполнители. Идеи модульных синтезаторов легли в основу
построения FM-синтезаторов, получивших широкое распространение и
в простых звуковых картах для PC. Синтез FM (Frequency Modulation -
частотная модуляция) построен на модуляции частоты одного звукового
генератора (несущей) сигналом от другого звукового генератора. Эта
модуляция позволяет существенно изменить спектральный состав несущей.
Пара управляемых генераторов, имеющих и средства формирования огибающей
их колебаний (фазы атаки, спада, удержания и затухания), называется
оператором. В формировании одного звука (голоса инструмента)
может быть задействовано несколько операторов (в зависимости от
сложности звука). Все компоненты синтезатора имеют цифровое управление
через набор регистров, доступный управляющей программе. В процессе
исполнения программа динамически распределяет имеющиеся ресурсы
(операторы). Количество операторов определяет полифонические и
многотембровые возможности синтезатора, при формировании сложных тембров
полифонические возможности сужаются. FM-синтезаторы звуковых карт хороши
для создания необычных ("компьютерных") звуков, но их возможности в
воспроизведении естественных звуков весьма скудны. Существуют и очень
сложные FM-синтезаторы с богатыми возможностями, но в картах для PC они
не применяются. Для имитации звуков естественных инструментов больше
подходит метод синтеза, основанный на воспроизведении (playback)
предварительно записанных образцов (samples) звуков. Этот метод
используется в WT-синтезаторах, которые применяются в
относительно дорогих моделях звуковых карт. Такие синтезаторы имеют
память, в которой хранятся волновые таблицы WT (Wave Table) -
оцифрованные образцы звуков. Для извлечения звука процессор синтезатора
извлекает из памяти подходящий образец и воспроизводит его с требуемыми
параметрами. Ограниченный размер памяти заставляет использовать
различные ухищрения, направленные на ее экономию. Во-первых, можно
хранить образцы не всех нот, доступных для синтезируемого инструмента, а
только некоторых из них, распределенных по его диапазону. Тогда
промежуточные ноты вычисляются по образцам ближайших к ним. Во-вторых,
можно хранить образец для звука с минимальной длительностью, при которой
фазы ADSR различимы. При воспроизведении в фазе удержания зацикливается
фрагмент, кратный периоду основного тона (указатели на его границы
хранятся вместе с образцом). Как всегда, чем выше требования к качеству
звука, тем больше требуется ресурсов - объема памяти выборок и мощности
внутреннего процессора синтезатора. Достоверность звуков будет высокой,
если один образец будет обслуживать лишь несколько смежных нот. Хорошо
бы хранить и несколько образцов для разной силы звука, поскольку у
многих инструментов она существенно влияет на характер сигнала. Для
придания звуку естественности вычисленные волны пропускают и через
управляемые фильтры. Оживляет звучание и введение случайных составляющих
в алгоритмы вычислений и обработки. Для хранения голосов основных
инструментов может использоваться постоянная память (ROM), оперативная
память позволяет загружать произвольный набор голосов, включая
оригинальные звуки, созданные пользователем. По старинке загружаемые
звуки, они же тембры или голоса, называются "патчами" (patches).
Волновой синтезатор для PC может быть выполнен не только в виде
самостоятельной карты, но и поставляться в качестве средства расширения
карты с FM-синтезатором. Методы синтеза звуков не исчерпываются
перечисленными. В настоящее время развивается новый подход к синтезу -
математическое моделирование физических процессов, происходящих в
реальных инструментах. Конечно, для решения этой задачи в реальном
времени требуются мощные вычислительные ресурсы, предоставляемые
современными процессорами. Описанные методы применимы как к синтезу
тональных звуков, так и шумовых (например, звуков ударных инструментов).
Конечно же, здесь есть масса нюансов, которые выходят за рамки данного
обсуждения.
Михаил Гук ( Mgook@stu.neva.ru) Опубликовано
в газете "КомпьютерИнфо" (СПб.) 29-38, 1998 г. Публикация в печатных
изданиях только с разрешения автора, ссылка
обязательна.
Книги | Статьи | Начало | Продолжение
Copyright (c) М. Гук, 1999. Дизайн (с) О. Гук, 1999.
|