Синтезаторы
В процессе бурного развития электроники совершенствовались методы и устройства генерации и обработки звуковых колебаний в электронных органах и в подобных им электронных музыкальных инструментах. Все больше внимания уделялось вопросам темброобразования как для более точной имитации звучания традиционных инструментов, так и в целях получения новых, необычных тембров. Основным методом темброобразования оставался аддитивный (от английского "additive") метод, применявшийся еще в органе Хаммонда. Этот метод заключается в том, что результирующий тембр формируется путем сложения нескольких исходных колебаний.
При использовании в качестве исходных колебаний синусоидальных сигналов с кратными (отличающимися в целое число раз) частотами и регулируемыми амплитудами отдельных составляющих можно получить большое количество самых разнообразных тембров. Такая разновидность аддитивного метода называется гармоническим синтезом тембра.
Другой разновидностью аддитивного метода является регистровый синтез. В этом случае в качестве исходных используют колебания более сложной формы, например, пилообразные или прямоугольные.
И в том, и в другом случаях для точного воспроизведения звучания заданного музыкального инструмента требуется очень большое (теоретически бесконечно большое) число исходных колебаний. Чем меньше исходных колебаний, тем сильнее отличается синтезированный звук от звучания имитируемого инструмента. На практике оказывается, что даже при полутора-двух десятках исходных колебаний звучание синтезатора лишь в основном напоминает то, что хотелось получить. И здесь, как это часто случается, на помощь технике приходит сам человек. Наша психика устроена так, что если нами будут опознаны хоть какие-нибудь характерные признаки знакомого музыкального инструмента, то в сознании произойдет подмена фактического звучания на воображаемое и на проявляющиеся в дальнейшем огрехи имитации реагировать мы будем значительно слабее, чем они того заслуживают.
Но (даже с учетом этого нашего замечательного свойства) проблема формирования большого числа исходных сигналов остается актуальной. Ее решение значительно упростилось с появлением и развитием цифровых устройств, работающих с сигналами, имеющими прямоугольную форму. Реализация этих устройств в виде интегральных микросхем практически сняла ограничение на количество исходных сигналов. А потом наступило время, когда гармонический синтез, реализуемый довольно громоздкими и дорогостоящими устройствами, не выдержал конкуренции со стороны регистрового синтеза и был вытеснен последним.
Наряду с рассмотренным аддитивным методом, в синтезаторах широко применяется и субтрактивный метод (от английского "subtractive" — вычитание). Сущность этого метода заключается в том, что новый тембр создается путем изменения соотношений между отдельными составляющими в спектре первоначального колебания. Реализуется этот метод как бы в два этапа. Сначала формируются колебания, основные частоты которых соответствуют частотам нот. Главное требование к первоначальному колебанию сводится к тому, что оно должно иметь как можно более богато развитый тембр (иметь большое количество спектральных составляющих). На втором этапе с помощью частотных фильтров из первоначального колебания выделяют частотные составляющие, характерные для имитируемого музыкального инструмента. Этот метод также удобно реализовать на базе быстродействующих цифровых интегральных микросхем. В теории сигналов давно доказано (и экспериментально подтверждено), что спектр импульсной последовательности тем шире, чем короче каждый импульс. Поэтому первоначальными сигналами могут служить последовательности коротких прямоугольных импульсов.
Таким образом, при синтезе звуков в электронных музыкальных инструментах аддитивный и субтрактивный методы мирно уживаются и дополняют друг друга.
Развитие электронных музыкальных инструментов стимулировало создание электронных музыкальных синтезаторов. В синтезаторах, с одной стороны, нашли свое дальнейшее развитие ранее применявшиеся методы синтеза звука, с другой стороны, были внедрены и принципиально новые методы. Однако не это составляет основное отличие синтезаторов. Главное заключается в том, что за счет использования микропроцессоров для управления синтезом звуков в них имеется возможность быстрого и очень просто выполняемого перехода от одного имитируемого (или синтезируемого) инструмента к другому. И еще одно отличие: за счет применения запоминающих устройств большого объема имеется возможность хранения и постоянного дополнения гигантского количества алгоритмов синтеза звуков. Переход от одного синтезируемого инструмента к другому происходит за время, значительно меньшее, чем длительность самой короткой ноты. На практике это означает, что, в принципе, каждую очередную ноту синтезатор может сыграть другим тембром (инструментом). Кроме того, в состав синтезатора входят несколько идентичных блоков синтеза, поэтому и одновременно взятые ноты могут быть исполнены как бы различными музыкальными инструментами.
Не сразу синтезаторы стали такими совершенными. Первые электронные синтезаторы звуков скорее представляли собой специализированные, причем аналоговые, а не цифровые, вычислительные машины. Из-за сложности и недостаточной оперативности управления они были предназначены, в основном, не для исполнительских целей, а для экспериментов, проводимых в интересах совершенствования электронных музыкальных инструментов, создания звуковых эффектов для озвучивания кинофильмов и исследований в области электроакустики.
Развитие технологии аналоговых интегральных микросхем позволило со временем реализовать отработанные методы синтеза в сравнительно доступных как в отношении управляемости, так и в отношении стоимости исполнительских инструментах. Приоритет в этой области принадлежит Р. Мугу, выпустившему в 1964 году первый такой синтезатор. Его основой стал генератор, управляемый напряжением, который способен формировать сигналы прямоугольной, пилообразной и синусоидальной формы. Различные варианты соединения таких генераторов и сложения их выходных сигналов позволили получить обширную палитру новых "электронных" звуков. Такой метод синтеза получил название: "FM-аддитивный метод". Метод основан на частотной модуляции: изменении частоты сигнала в соответствии с законом изменения некоторого управляющего напряжения. Со временем было накоплено большое количество таких алгоритмов управления частотами генераторов Муга, которые представляли ценность в музыкальном отношении, и поэтому закладывались в блоки управления новых синтезаторов.
В результате развития цифровой техники произошел естественный переход от аналоговых к цифровым формирователям колебаний, способным генерировать сигналы произвольной формы. Сами формирователи могут быть реализованы как аппаратно, так и программно, а форма генерируемого сигнала в виде цифрового алгоритма управления формирователями хранится в запоминающем устройстве. Возможность использования большого числа формирователей (порядка нескольких десятков), которые имеют независимое управление частотой колебаний и огибающей амплитуды (размаха колебаний) сигналов, для синтеза каждого голоса музыкального инструмента позволила говорить о переходе на качественно новый по сравнению с аналоговыми синтезаторами уровень. Описанный принцип синтеза звуков с некоторыми модернизациями применяется и в синтезаторах звуковых карт. Кроме того, синтезаторы большей части звуковых карт устроены проще и, в связи с этим, обладают меньшими возможностями по сравнению с "начинкой" электронных музыкальных синтезаторов.
Итак, при FM-методе синтез звука с необходимым тембром производится на основе использования нескольких генераторов звуковых частот при их взаимной модуляции. Совокупность генератора и схемы, управляющей этим генератором, принято называть оператором. Схема соединения операторов и параметры каждого оператора (частота, амплитуда и закон их изменения во времени) определяют тембр звучания. Количество операторов определяет максимальное число синтезируемых тембров. В звуковых картах используется как двухоператорный, так и четырехоператорный синтез. Виртуальные синтезаторы позволяют реализовать значительно более сложные алгоритмы синтеза.
В операторе следует выделять два структурных элемента: частотный модулятор и генератор огибающей. Частотный модулятор определяет высоту тона, а генератор огибающей определяет относительно медленное изменение амплитуды колебания во времени и, тем самым, тембр звука. Звуковые колебания, формируемые различными музыкальными инструментами, имеют различные огибающие. Однако любую огибающую можно условно расчленить на несколько характерных фаз, которые принято называть: attack (атака), decay (спад), sustain (поддержка), release (освобождение). Пояснением сказанного служит рис. 1.11.
Например, при нажатии на клавишу фортепиано, действительно, сначала амплитуда колебаний быстро возрастает до максимального значения, затем несколько спадает, потом в течение некоторого времени остается практически постоянной и, наконец, колебания медленно затухают.
В более совершенных синтезаторах элементарный процесс извлечения звука состоит не из четырех, а из шести фаз (рис. 1.12). Это позволяет получить большее сходство синтезируемого звучания и его естественного образца.
Неоспоримое достоинство FM-синтеза состоит в том, что на его основе можно получить несчетное количество "электронных" тембров. Немаловажно также то обстоятельство, что не требуется заранее записывать и хранить в памяти синтезируемые звуки. Достаточно хранить алгоритм их синтеза.
Рис. 1.11. Четыре фазы огибающей сигнала
Рис. 1.12. Шесть фаз огибающей сигнала
Метод частотно-модуляционного синтеза развивается и широко используется. Накоплено большое количество алгоритмов синтеза оригинальных звучаний. В принципе, как мы уже и говорили, для этого метода нет невозможного.
Вопрос заключается только в том, ценой каких аппаратурных затрат достигается желаемый результат. Но, в соответствии с законами развития, сильная сторона метода со временем превратилась в свою противоположность. Сила метода состоит в том, что любой звук может быть получен модуляцией частоты генератора. Слабость метода заключается в том, что для синтеза любого звучания используется только генератор и только его частотная модуляция, причем процесс синтеза во времени совмещен с процессом исполнения музыки. Почти одно и то же заключено в этих двух фразах — да не совсем. Выходит, что возможности синтеза ограничиваются не только сложностью аппаратурной реализации, но и сложностью алгоритма управления синтезатором в реальном времени. Поясним эту мысль. Для точного воспроизведения звучания какого-то традиционного музыкального инструмента, во-первых, требуется значительное число модулируемых генераторов. Во-вторых, управлять их частотой следует по очень сложному алгоритму, ибо только таковой в состоянии учесть малейшие оттенки звучания, присущие именно данному инструменту. Например, концертный рояль воспроизводит около 4,5 тысяч различимых на слух тембров. Алгоритм должен успевать считываться, вычисляться и передаваться, словом, выполняться компьютером. А генераторы должны успевать его отрабатывать. Поэтому качество синтеза ограничивается также и быстродействием компьютера.
Технические возможности микропроцессорной системы управления не в такой степени сказывались бы на качестве звука, если бы его синтез производился не в реальном времени, а заранее, если бы результаты синтеза сохранялись и использовались при исполнении музыки. Правда, тогда пришлось бы отказаться и от привычного FM-синтезатора. Так оно, в общем, и произошло.
