Простейший синтезатор, который можно себе представить, будет состоять из осциллятора, например, пилообразного сигнала, который будет подавать сигнал на аудио-выход, подключенный к акустической системе. Высота генерируемого сигнала будет управляться клавиатурой.
Пример звучания такого синтезатора:
Отдельные компоненты синтезатора, выполняющие простые законченные функции, такие как осцилляторы или фильтры, называются модулями. Модульный синтезатор представляет собой соединение в единую цепь множества таких модулей. На рисунках линии, соединяющие модули, это виртуальные кабели, передающие между ними сигнал так же, как настоящие кабели в настоящем «железном» синтезаторе.
Управление громкостью
Одна из проблем нашего простейшего синтезатора это отсутствие управления громкостью осциллятора, т.е. наш инструмент будет непрерывно производить звук! Чтобы исправить этот недостаток, добавим модуль, который называется Voltage Controlled Amplifier (управляемый напряжением усилитель) или VCA. Функция усилителя состоит в том, чтобы увеличивать или уменьшать громкость (иными словами, амплитуду или уровень) сигнала. Можно сказать, что VCA это регулятор громкости. Осцилляторы и другие генерирующие звук модули (например, генераторы шума) непрерывно создают звук, а VCA держит его уровень на нуле, пока вы не нажимаете клавиши.
В аналоговых синтезаторах VCA действительно управляются электрическим током. В виртуальных синтезаторах нет никаких электрических проводов, однако модуль, управляющий амплитудой сигнала, по традиции называется VCA. Во многих синтезаторах большинство VCA работают «под капотом», так что не нужно думать о том, где они находятся и как управляются, однако важно знать, как они устроены.
Добавим VCA в наш синтезатор, т.е. подключим новый модуль и еще пару проводов.
Пример звучания синтезатора с модулем VCA (обратите внимание, появилась возможность делать паузы регулировать громкость):
Кабель gate передает с клавиатуры на VCA сигнал, который означает note on (клавиша нажата), отсутствие же сигнала означает note off (клавиша отпущена). Когда сигнал gate отсутствует, мы ничего не слышим, а когда он есть, VCA передает сигнал осциллятора на аудио-выход.
Кабель velocity передает сигнал, управляющий уровнем громкости усилителя, который зависит от того, как быстро мы нажали клавишу. В случае сильного или быстрого нажатия звук на выходе будет громче, чем в случае слабого или медленного.
Фильтры
Пример использования низкочастотного фильтра:
Пример использования высокочастотного фильтра:
Фильтры это инструменты для обработки сигнала. Любое устройство, как-либо модифицирующее сигнал, технически представляет собой фильтр. Однако, когда говорят о фильтрах, обычно имеются в виду фильтры, изменяющие спектральный состав сигнала, изменяющие частотные характеристики звука. В этом смысле термин «фильтр» будет использоваться и здесь.
Фильтры позволяют усилить или, наоборот, подавить в звуке определенный частотный диапазон. Ослабление высоких или усиление низких частот делает звук более «темным» или приглушенным, а усиление высоких или ослабление низких частот - наоборот, более «ярким».
Такого рода фильтрация постоянно встречается и в реальной жизни. Если вы будете говорить, держа перед лицом, например, большую книгу, она отфильтрует некоторую часть высоких частот вашего голоса, так что он станет более «темным» и приглушенным.
Низкочастотный и высокочастотный фильтры
Низкочастотный фильтр пропускает низкие частоты и подавляет высокие, делая тембр звука более приглушенным. Диапазон частот, который блокируется фильтром, называется stop band. Диапазон частот, который фильтр пропускает - pass band (полоса пропускания). Эти диапазоны разделены постепенным переходом, который называется transition band. Ширина этого перехода зависит от силы (rate), с которой фильтр подавляет сигнал, она называется slope (наклон) и измеряется в децибелах на октаву. Частота, на которой фильтр подавляет сигнал до значения в 0,7 от его уровня, называется частотой среза (cutoff frequency).
Высокочастотный фильтр работает противоположным образом: пропускает высокие частоты и подавляет низкие.
Техническое замечание: точное значение уровня подавления, который определяет частоту среза фильтра - 0,707 от максимального уровня сигнала. Мощность сигнала пропорциональна квадрату амплитуды сигнала, и на 0,707 максимального уровня мощность падает вдвое. Поэтому частоту среза также называют «точкой половины мощности», а поскольку это падение мощности приводит к уменьшению громкости приблизительно на 3 децибела, частоту среза можно также назвать «точкой 3dB».
Полосовые фильтры: пропускающий (band pass) и режекторный (band reject)
Пример использования полосового пропускающего фильтра:
Пример использования полосового режекторного фильтра:
Полосовой пропускающий фильтр напоминает комбинацию низкочастотного и высокочастотного фильтров, и пропускает только определенную частотную полосу, подавляя всё остальное. Полосовой режекторный фильтр, наоборот, подавляет определенную полосу частот, пропуская всё остальное.
Свойства фильтров
Рассмотренные фильтры имеют ряд характеристик, которыми можно управлять. В низкочастотном и высокочастотном фильтре мы можем регулировать частоту среза, изменяя тем самым частотный диапазон сигнала. Пропускание синтезаторного лида (одноголосной мелодической линии) через фильтр нижних частот и медленное перемещение частоты среза вверх-вниз - популярный прием, часто используемый в электронной музыке.
В полосовых фильтрах, вместо частоты среза, можно изменять центральную частоту и ширину полосы.
В некоторых фильтрах можно регулировать крутизну (slope).
Многие фильтры позволяют устанавливать значение резонанса или Q. Резонанс возникает, когда частотные компоненты, находящиеся вблизи частоты среза подаются обратно на вход фильтра, создавая обратную связь. Количество циклов обратной связи влияет на относительную громкость этих частотных компонентов и, соответственно, на тембр звука. Например, эффект вау-вау - это резонансный фильтр нижних частот с педалью, управляющей частотой среза.
Пример звучания низкочастотного фильтра с резонансом:
Добавим модуль низкочастотного фильтра в наш воображаемый синтезатор, и поместим его между осциллятором и VCA. Этот фильтр поможет внести разнообразные изменения в звук нашего синтезатора, от мягкого уменьшения резкости тембра до, наоборот, создания брутальных спецэффектов.
Пример звучания синтезатора с низкочастотным фильтром:
Управляющие сигналы
Чтобы получить максимальную отдачу от нашего синтезатора, нам необходима возможность управления каждым из его модулей. Хотя у многих синтезаторов есть множество ручек и кнопок, у большинства людей только две руки, кроме того, довольно трудно точно настраивать более одной или двух ручек одновременно. К счастью, почти каждый модуль в синтезаторе может управляться другим модулем. И кстати, наш воображаемый синтезатор уже делает это: частота генератора и уровень громкости VCA контролируются клавиатурой.
Генераторы огибающей
Один из способов управления сигналами, проходящими внутри синтезатора - использование модуля envelope generator (генератор огибающей). Когда генератор огибающей получает gate-сигнал «note on», он в свою очередь генерирует сигнал, управляющий другим модулем. В отличие от осциллятора, который повторяет свой сигнал снова и снова, генератор огибающей передает свой сигнал один раз. Как и сигнал осциллятора, огибающая может быть представлена в виде графика:
Генератор огибающей отправляет управляющий сигнал, который может быть использован для управления другим модулем. Огибающую можно представить, как автоматическую последовательность команд, управляющих регуляторами громкости. Например, изображенная выше огибающая начинается с отправки сигнала, который постепенно движется вверх от нуля до единицы, что соответствует повороту ручки из крайнего левого положения в крайнее правое. Затем, сигнал движется вниз до значения 0,7, т.е. ручка поворачивается немного влево, и т.д.
Огибающие вроде той, что изображена выше, называются ADSR-огибающими, поскольку состоят из четырех стадий: Attack, Decay, Sustain и Release. При подключении модуля ADSR-огибающей мы назначаем параметры каждой из 4 стадий огибающей, которая запускается при получении gate-сигнала «on». Например, огибающая на картинке выше начинается со стадии атаки (Attack) продолжительностью 250 миллисекунд, в течение которой уровень сигнала возрастает от 0 до 1. Затем наступает стадия «спада» (Decay) продолжительностью 200 миллисекунд, когда уровень уменьшается до значения 0,7. В течение всей стадии «поддержки» (Sustain) уровень остается на этом значении, пока генератор огибающей получает gate-сигнал «on». Стадия Sustain не имеет заранее определенной продолжительности, для нее задается уровень сигнала относительно максимального (в данном случае он равен 0,7). Когда gate-сигнал меняет значение на «off», наступает стадия снятия (Release), она продолжается 200 миллисекунд, в течение которых уровень сигнала падает до нуля.
ADSR-огибающая обычно используется для модуляции громкости сигнала, однако, она может быть использована для управления почти любым модулем. Например, эта же огибающая может управлять низкочастотным резонантным фильтром, создавая эффектный «sweep» при взятии каждой ноты.
Добавим генератор огибающей в наш синтезатор и подключим его ко входу модулирующего сигнала усилителя (VCA):
Пример звучания синтезатора с генератором огибающей:
Низкочастотные осцилляторы (LFO)
Еще один тип модулей, часто используемых для управления другими модулями - низкочастотный осциллятор или LFO. Это обычный осциллятор, который может генерировать сигналы различной формы волны и амплитуды, но очень низкой частоты (меньше 20 Гц). Эти сигналы обычно используются для управления другими модулями синтезатора. Например, LFO может смещать общий уровень громкости усилителя (VCA) вверх-вниз, создавая эффект тремоло. Можно рассматривать его как маленького робота, который крутит ручки регулятора громкости с заданной частотой и амплитудой.
Добавим модуль LFO в наш синтезатор и подключим его к осциллятору, чтобы слегка колебать его частоту вверх-вниз, как это делает левой рукой скрипач, создавая эффект вибрато. Кроме того, используем генератор огибающей для модуляции частоты нашего фильтра, таким образом мы получим «sweep»-эффект на каждой ноте, особенно при высоком значении резонанса. Использование управляющего сигнала для изменения частоты другого сигнала называется «частотной модуляцией» или FM (frequency modulation):
Пример звучания синтезатора с модулем LFO: