Для начала, давайте уточним, что же это такое за слово - синтез, и, что
оно означает в музыке. По сути, синтез, это соединение или объединение
различных модулей/блоков(осцилляторов, огибающих, фильтров, лфо,
модуляций и т.д.) разных типов в единое целое(синтезатор).
Для чего изобретался звуковой синтез? Конечно, в первую очередь его
создавали для возможности воспроизведения уже существующих естественных
звуков(например: пение птиц, шум моря и ветра, различные скрежеты
дверей или звуки шагов, ну и т.д.) и для имитации различных
акустических инструментов( например: пианино, орган, скрипка и т.д.), а
также для создания совершенно новых, ни на что не похожих звуков. На
сегодняшний день мы имеем довольное большое число различных
видов(методик) синтеза, которые реализованы в различных синтезаторах. И
конечно, в наши дни есть синтезаторы, которые используют сразу
несколько видов синтеза, что конечно же даёт огромные возможности для
создавания самых разных и необычных звуков. Мы же поговорим пока только
о видах синтеза.
Виды синтеза:
Аддитивный синтез (additive synthesis) - основанный на преобразованиях Фурье*
Субтрактивный синтез (substractive synthesis) – основанный на преобразованиях Фурье*
Таблично-волновой синтез (wavetable synthesis) - основанный на преобразованиях Фурье*
Аддитивный синтез(Additive synthesis)
Самый первый вид синтеза был именно аддитивный, т.е. суммирующий (от слова Additive – суммирующий). Этот
вид синтеза основан на методе сложения волн нескольких генераторов и базируется на Теореме Фурье*.
Есть несколько разновидностей аддитивного синтеза. Одна из них называется Гармонической (гармонический синтез тембра). Это когда в
качестве исходных колебаний используют синусоидальные волны с кратными
частотами и возможностью регулирования амплитуд отдельных составляющих.
Другая разновидность аддитивного синтеза – Регистровая. Различие в том,
что в данном методе, в качестве исходных колебаний используют более
сложные виды волн, такие как пилообразные или прямоугольные.
Первые применения аддитивного синтеза были обнаружены в Церковных
органах(третье столетие до н.э.), в которых использовалась настройка
труб как звуковых генераторов, гибко подсоединенных к одной или
нескольким клавиатурам. Передовой идеей звукового синтеза был
Telharmonium(1987), в котором использовались диномашины (?) как волновые
генераторы. Ну и конечно всем известный орган Хаммонда(1934), в нём
использовалась чуть другая электромеханическая схема, которая в
последствии стала классической.
Субтрактивный синтез (Subtractive synthesis)
Субтрактивный метод, т.е. вычитательный (от слова subtract –
вычесть) это вид синтеза совершенно противоположный аддитивному и
его основа заключается в следующем. Берется сложный сигнал с изначально
богатым спектром(множеством частотных составляющих) и подвергается
фильтрации, в результате чего происходит выделение или ослабление
отдельных частотных составляющих и получается фактически новый тембр. В
качестве исходного сигнала обычно применяется прямоугольная
волна (square), пилообразная (saw – прямая или обратная) и
треугольная (triangle), а также различные виды шумов. в качестве
фильтров используются полосопропускающие фильтры и фильтры нижних
частот.
Конечно, основной составляющей данного синтеза являются управляемые
фильтры. резонансный (полосовой) - с изменяемым положением и шириной
полосы пропускания (band) и фильтр нижних частот (ФНЧ) с изменяемой
частотой среза (cutoff). Для каждого фильтра также регулируется
добротность (Q) - крутизна подъема или спада на резонансной частоте.
Плюс данного синтеза заключается в его довольно простой реализации, а
минус конечно в том, что для синтеза звуков со сложными спектрами нужно
большое количество управляемых фильтров.
Типичные представители данного синтеза:
Так сказать пионеры субтрактивного синтеза – Moog и MiniMoog (60-ые
годы), в которых использовалось аналоговое управление напряжением.
Всем известный EMS VCS-3(1969), который применялся при записи Dark side of the moon.
Один из первых японских синтезаторов Yamaha Cs-80 (1976)
А так же монофонический басовый синтезатор Roland SH-101 (1980)
Таблично-волновой синтез (Wavetable synthesis)
Таблично-волновой(Т-В) синтез основывается на использовании уже готовых
волн записанных в память синтезатора, называемой волновой таблицей. Т.е.
в отличии от аддитивного синтеза, где применяются синусоидальные генераторы, в Т-В синтезе применяются уже готовые волны произвольной
формы.
По сути, Таблично-волновой синтез является разновидностью Сэмплинга (о
нём, чуть позже) и работает следующим образом. Внутри синтезатора
находится память (ROM – read memory only), т.е. волновая таблица, куда
записаны(оцифрованы) различные волны и/или звуки, разбитые на несколько фрагментов (атака, начальное затухание, фаза и конечное затухание), что кстати позволяет снизить обьем требуемой памяти. Все эти фразы записаны
в различных частотах и при различных условиях, т.е. с разной атакой,
мягкостью или резкостью удара по клавише, в результате чего мы получаем
большой комплект фрагментов одного звука(инструмента). Для
воспроизведения коротких звуков, такие фрагменты волн как правило
записывают целиком, однако если нам надо воспроизвести длинный по
протяжённости звук, то атака и затухание фраз используется без
изменений, а средняя(нужная) часть просто циклируется(loop).
Особым достоинством таблично-волнового синтеза конечно же является
возможность предельно реалистично имитировать звучание классических
инструментов и простота получения звука. Другим же достоинством этого
синтеза является возможность получения огромного количества различных
необычных тембров, за счёт использования множества различных волн,
количество которых лишь зависит от обьёма памяти синтезатора. Кстати,
есть такие, которые дают возможность загружать в себя свои собственные
волны/звуки, что ещё больше расширяет спектр возможностей.
Синтез Бизье
Синтез Бизье – это изменение точки управления кривой Бизье. Кривая
Бизье формирует единственную форму волны, а синтез происходит за счёт
того, что контрольные точки перемещаются за счёт модуляции и
соответственно форма волны изменяется. Это совершенно новая методика разработанная в Англии в университете UWE(University of the West of
England, Bristol)
Синтез волновых огибающих (Waveshaping)
Синтез волновых огибающих это методика искажения исходной формы волны используя функцию преобразования.
Синтезатор Casio CZ-101(1985) использовал изменение волновых огибающих, названым синтезов фазовых искажений (Phase Distortion).
Гранулярный синтез (Granular synthsesis)
Гранулярный синтез является последовательной генерацией звуковых
гранул. Каждая гранула, это ультра-короткая частица звука длиной в
10-100 миллисекунд. Звук получается в результате быстрого
взаимодействия частоты повторения и частотных составляющих гранул,
который далее может быть отфильтрован и сформирован огибающей методами
вычитающего синтеза. Гранулами часто управляет Клеточный Автомат,
который производит псевдослучайные последовательности. Гранулярный
синтез очень сложен в управлении, однако даёт совершенно неожиданные
результаты.
Одним из первых реализаций гранулярного синтеза была в программе Ross
Bencina AudioMulch, в виде эффекта, а уж потом появилась в виде
синтезатора в Ризоне.
Из наиболее известных нам программных инструментов применяющих
гранулярный синтез является наверно Аbsynth, а из эффектов Glitch. В
аппаратной решении гранулярный синтез можно встретить в рабочей станции
Kyma, а так же в приборах обработки звука Eventide.
Физическое моделирование (Physical modeling)
Физическое моделирование – это очень сложный вид синтеза, т.к. для
имитации даже самых простых инструментов требуются огромные
вычислительные методы, где за основу берется моделирование физических
процессов инструмента. Т.е. например при имитации скрипки будут
моделироваться характеристики инструмента определяющие его реальное
звучание, такие как: порода дерева, состав лака, геометрические
размеры, материал струн, смычка и т.д.
Впервые результат физического моделирования нам показал фирма Yamaha, в ряде синтезаторов VL-1 и VL-7.
Математическое моделирование (Mathematical function modeling)
Одним из разновидностей физического моделирования является
математическое моделирование, даже точнее сказать его «внутренностью».
Этот вид синтеза вкладывает математические функции, объединяя их в
функциональные блоки, а уже из них создаёт
математические алгоритмические модели. Другими словами, создаёт волну
при помощи простых (синус, косинус, парабола) или сложных (составных)
математических формул. В отдельности данный вид синтеза не очень распространен и по большей части может быть применен для имитации
аналогового синтеза с нуля, в случае если конечно хотите контролировать
каждый элемент.
Формантный синтез (Formant synthesis)
Формантный синтез так же является частью физического моделирования. За
его основу берется принцип формирования человеческой речи, где помимо
основного тона и обертонов принято выделять формантную составляющую.
Таким образом формируются речевые звуки используя как физическое
моделирование, так и аддитивный метод формирования звуков.
Синтез частотной модуляции(FM-synthesis)
FM-синтез представляет собой следующий механизм. Звучание реализуется
за счёт последовательной и/или параллельной генерации синусоидальных
сигналов, т.е. синтез звука происходит из-за использования нескольких
генераторов звуковых частот при их взаимной модуляции. Каждый из таких
генераторов в совокупности с управляющей схемой, которая формирует
амплитудную огибающую и другие параметры сигнала генератора, называют –
оператором. Тембр звука создает схема соединения операторов и их
параметры(частота, амплитуда и закон их изменения во времени), а
максимальное число синтезируемых тембров определяется их
количеством (операторов). Различные способы соединения операторов, когда
сигналы с выхода одних управляют работой других, называют алгоритмами
синтеза. Алгоритмы синтеза могут быть совершенно разными и включать в
себя один и более операторов подключённых совершенно с совершенно
разными сочетаниями и вариантами обратной связи.
Данный вид синтеза очень активно использовала фирма Yamaha ( например в
синтезаторах DX), а так же данный FM-синтез использовался в звуковых
картах в виде GM-устройств.
Спектральный синтез (Spectral synthesis)
Я надеюсь все видели когда-нибудь спектрограмму и знают, что это
такое. На спектрограмме звук нам показан в её графическом представлении,
где цвет нам указывает на силу колебаний, а высота и ширина,
соответственно на частотную высоту и ось времени. Так вот спектральный
синтез даёт возможность генерировать звук с имеющегося
изображения(спектрограммы). Данный вид синтеза так же позволяет нам
самим рисовать свои частотные полосы, что делает это вид синтеза
уникальным в своём роде и раскрывает огромные возможности в звуковом
дизайне.
Z-Plane synthesis
Z-plane синтез является уникальной разработкой фирмы E-Mu. Впервые был
представлен в звуковом модуле E-mu Systems Morpheus. Работа этого
синтеза заключается в следующем: берутся две волновые формы разных
инструментов и одна промежуточная для плавного перетекания от первой к
второй. Этот метод предусматривает очень сложные алгоритмы фильтрации,
но при этом позволяет получить очень интересные новые звуки.
Синтез переменной архитектуры (V.A.R.T. synthesis)
Синтез переменной архитектуры это совершенно уникальный способ, разработанный компанией Kurzweil и он используется только в рабочих
станциях и сэмплерах этой фирмы(начиная с Kurzweil K2000).
Суть этого синтеза в комбинировании большого количества мощных и
разнообразных вычеслений, на базе дсп процессоров. Т.е. по большому
счёту, за счёт дсп он эмулирует всяческие разновидности синтезов с
возможностью конечно их смешивания, а так же имеет функции
сэмплирования. Этот синтез использует открытую архитектуру.
Cинтез передового интегрирования (Advanced Integrated synthesis)
Данный метод был впервые представлен в модели Korg M-1. Он использует
сэмплированную атаку и другие волновые формы, которые впоследствии
обрабатываются методами вычитающего синтеза, при этом для получения
качественно новых звуков дополнительно могут использоваться сложные
эффект процессоры.
Линейно-арифметический синтез (Linear/Arithmetic (L/A) synthesis)
За основу концепции L/A synthesis было взято смешивание небольшого
фрагмента сэмпла "живого" инструмента (обычно атаки) с синтезированной
волновой формой. Этот метод позволяет дать натуральную звуковую
окраску, близкую к реальному звучанию, при этом получается выигрыш в
меньшей загрузке аппаратных вычислительных мощностей. Атака инструмента
- это один из самых сложных элементов при реализации натуральных звуков
в синтезированном виде. Этот метод был введен фирмой Roland в конце
80-х, начиная с модели D-50.
Ресинтезированный PCM (Resynthesized(RS)-PCM)
Этот вид синтеза основан на анализе сэмплированного звука и его
последующего воссоздания аддитивным методом синтеза. Синтез был
разработан фирмой Roland.
Сэмплинг (Sample playback)
Сэмплинг работает по принципу воспроизведения готового(записаного)
звука, т.е. по сути дела, для воспроизведения использует
сэмплированые(записаные) звуковые фрагменты. Для получения звуков
разной высоты воспроизведение ускоряется или замедляется; при
неизменной скорости выборки применяется расчет промежуточных значений
отсчетов (интерполяция). Звуковые фрагменты хранятся в памяти(ROM или
RAM) синтезатора и воспроизводятся оттуда.
Данный метод активно используется в сэмплерах и программно-аппаратных синтезаторах, и в звуковых картах.
С помощью сэмплинга теперь у нас есть возможность создавать сложные
многослойные звуки(инструменты), состоящие из нескольких сэмплов.
Direct Draw
В ряде синтезаторов используются осцилляторы, генерирующие звуковые
волны со стандартными формами (синусоида, прямоугольная, пилообразная и
т.п.). В варианте Direct Draw пользователь может самостоятельно
рисовать любые формы. Данный метод еще не сильно изучен, хотя уже имеет
место в ряде программного обеспечения и дорогих синтезаторах. По сути,
нестандартную периодическую форму можно нарисовать в любом звуковом
редакторе, и после использовать ее в качестве звукового фрагмента…
* Теорема Фурье гласит, что любое периодическое колебание можно
представить в виде суммы синусоидальных колебаний различной частоты и
амплитуды.
