Устройство синтезатора
Синтез звука позволяет музыкантам, саунд-дизайнерам реализовывать свои идеи. Музыкальный инструмент, в котором присутствует синтез звука называется синтезатором.
Синтез звука — это процесс генерации звука, представленного в виде дискретного сигнала [1].
Синтезатор может включать в себя самые разные элементы, от эффектов задержки до компрессоров, но основными для понимания синтеза звука являются три элемента:
- Осциллятор;
- Attack, Decay, Sustain, Release (ADSR) огибающая;
- Частотный фильтр.
Также стоит ввести понятие тембра, так как оно будет часто использоваться.
Тембр — это уникальная комбинация основной частоты, гармоник и обертонов, которая придает каждому голосу, музыкальному инструменту и звуковому эффекту свою уникальную окраску и характер [2].
Осциллятор — это устройство, которое непрерывно генерирует периодические колебания определённой формы.
Существует бесконечное множество различных форм волны, но выделяют четыре основные:
- Синусоидальная;
- Квадратная;
- Пилообразная;
- Треугольная.
Синусоидальная волна (или синусоида) звучит гладко и чисто. Звуки, похожие на синусоиду, включают свист, воздух, проходящий через отверстие пустой бутылки, и звон камертона [3]. В окружающем нас мире отдельная синусоида встречается редко. На рисунке 1 изображена форма синусоидальной волны.
Рис. 1. Форма синусоидальной волны
Все периодические колебания, согласно преобразованию Фурье, могут быть представлены в виде суммы синусоидальных колебаний, имеющих определённую частоту, амплитуду и фазу. Данное утверждение можно записать как [2]
Синусоида имеет только одну гармонику [4]. На рисунке 2 представлен спектр синусоидальной волны.
Рис. 2. Спектр синусоидальной волны
Пилообразная волна имеет жужжащий звук. На её основе обычно построены тембры струнных смычковых инструментов. Это объяснятся тем, что трение между смычком и струной тянет струну в одном направлении (наклон пилы), пока она не отскочит назад (обратный ход пилы) и повторяется, придавая скрипке слегка жужжащий звук. На рисунке 3 изображена форма пилообразной волны.
Рис. 3. Форма пилообразной волны
Пилообразную волна — это серия синусоид с разными частотами и уровнями громкости. Первая синусоида самая громкая, и её частота называется основной частотой. Далее громкость синусоид уменьшается. Их частоты кратны основной частоте, такие частоты называются гармониками.
Амплитуда гармоники в пилообразной волне равна обратной величине ее номера гармоники.
Как видно на рисунке 4, пилообразная волна с основной частотой 100 Гц и амплитудой 1 будет имеет гармонику на частоте 200 Гц (100*2) с амплитудой 0,5 (1/2), другую гармонику на частоте 300 Гц (100*3) с амплитудой 0,5 (1/2) и так далее [3].
Рис. 4. Спектр пилообразной волны
Звучание квадратной волны не такое жужжащее, как пилообразная волна, но и не такое чистое, как синусоидальная. Также такой тембр подходит для создания басовых звуков и имитации духовых инструментов. На рисунке 5 изображена форма квадратной волны.
Рис. 5. Форма квадратной волны
Квадратная волна, как и пилообразная волна может быть сгенерирована путем добавления серии синусоидальных волн с уменьшающимся объемом, но квадратная волна содержит только гармоники с нечетными номерами.
Амплитуда гармоники в прямоугольной волне равна обратной величине ее номера гармоники.
Прямоугольная волна с основной частотой 100 Гц будет имеет гармонику на частоте 300 Гц (100*3) с амплитудой 0,33 (1/3) [3].
Спектр квадратной волны изображён на рисунке 6.
Рис. 6. Спектр квадратной волны
Треугольная волна звучит как что-то среднее между синусоидой и прямоугольной волной. Звук похожий на треугольную волну — это флейта с придыханием. Форма треугольной волны изображена на рисунке 7.
Рис. 7. Форма треугольной волны
Треугольные волны подобны квадратным, они содержат только нечетные гармоники основной частоты, но отличаются от прямоугольных волн тем, что громкость каждой добавленной гармоники падает быстрее.
Амплитуда гармоники в треугольной волне равна обратному квадрату номера ее гармоники. Как видно на рисунке 8, треугольная волна с основной частотой 100 Гц и амплитудой 1 будет иметь гармонику на частоте 300 Гц (100*3) с амплитудой 0,1111 (1/3^2) [3].
Рис. 8. Спектр треугольной волны
В большинстве синтезаторов именно осцилляторы создают первоначальный звук, который потом изменяется в зависимости от параметров, заданных пользователем.
ADSR-огибающая — это функция, которая описывает изменения какого-либо параметра во времени. Как правило используется для описания изменения громкости и фильтра частот.
На огибающей выделяют четыре основных стадии:
- Attack — подъём;
- Decay — спад;
- Sustain — задержка;
- Release — затухание.
По первым буквам стадий огибающую обозначают как ADSR.
ADSR-огибающая изображена на рисунке 9.
Рис. 9. ADSR-огибающая громкости
ADSR можно представить как конечный автомат с состояниями огибающей, а также состояниями простоя, соответствующими другому состоянию. Во время каждого из четырёх активных состояний коэффициент обновляется с разрешением 1 мс. Это позволяет плавно менять амплитуду сигнала. Логика состояния управляется сигналом (NoteOn), который устанавливается всякий раз, когда нажимается нота. Графическое представление ADSR логики изображено на диаграмме переходов состояний на рисунке 10.
Рис. 10. Диаграмма переходов ADSR
Все настройки синтезатора важны. Если будет подобран интересный тембр звука, но он будет без характерных для контекста усиления и затухания, то композиция будет звучать беспорядочно. И между тем, даже самый простой накрученный тембр может звучать хорошо в контексте, если правильно настроить ADSR.
1. Деревских В. В. Синтез и обработка звука на PC. — СПб.: БХВ‑Петербург, 2002. — 490 с.
2. Moorer J. A. Signal Processing Aspects of Computer Music: A Survey. — Proceedings of the IEEE, 1977, Vol. 65. — No. 8. — P.1108–1137.
3. Sievers B. A Young Person's Guide to the Principles of Music Synthesis. URL: http://beausievers.com/synth/synthbasics/ (дата обращения: 13.06.22).
