В синтезаторах в качестве исходных сигналов используются колебания различной формы: синусоидальные (гармонические), квадратные, пилообразные, треугольные и импульсные. Использование именно таких колебаний обусловлено возможностями осцилляторов — первые ламповые осцилляторы могли генерировать только синусоидальные колебания, позже появилась возможность получать и другие (особенно с появлением транзисторов в 60-е гг.):
Синусоидальные (гармонические) колебания
Синусоидальное колебание иногда называют «простым», потому что из таких колебаний, как из элементов, складываются все более сложные виды колебаний (cогласно физиологической теории слуха Гельмгольца и математической теореме Фурье, любое звуковое колебание является результатом сложения синусоидальных колебаний). Форма волны описывается, например, функцией y = sin(x). Такие колебания также называют гармоническими:
Пример гармонических колебаний
Соответственно, его спектральный состав максимально простой — одна частота (по определению: «Спектр – совокупность синусоидальных составляющих, образующих негармонический сигнал»).
Пример звучания синусоидальной звуковой волны:
Квадратные (Square) колебания
Звучание «квадратной» волны обычно описывается как «пустое», такие тембры используются для имитации басовых звуков и акустических духовых инструментов.
Спектр такой волны содержит только нечетные гармоники. Причем, амплитуда каждой гармоники обратно пропорциональна её частоте (относительно основного тона). Например, основной тон 100 Hz будет иметь гармонику с частотой 300 Hz (100*3) и амплитудой, равной 1/3 амплитуды основного тона:
Формирование квадратной волны добавлением нечетных гармоник
соотношение графиков y=sin x (основной тон) и y=sin 3x (первая нечетная гармоника)
(без учета разницы амплитуд)
Пример звучания квадратной звуковой волны:
Пилообразные (Sawtooth) колебания
На основе таких волн обычно построены тембры струнных смычковых акустических инструментов. Характерный для них тип движения струны называют «stick-slip motion»:
При этом мы помним, что струна колеблется довольно сложным образом, создавая многочисленные гармоники:
И в результате колебание приобретает пилообразный характер:
В отличие, например, от квадратной, пилообразная волна содержит полный спектр гармоник. Амплитуда каждой гармоники также обратно пропорциональна её частоте (относительно основного тона). Например, для основного тона 100 Hz первая гармоника будет иметь частоту 200 Hz (100*2) и амплитуду, равную 1/2 амплитуды основного тона, следующая гармоника на частоте 300 Hz (100*3) - 1/3 амплитуды основного тона и т.д.
Формирование пилообразной волны увеличением количества гармоник
соотношение графиков y=sin x (основной тон) и y=sin 2x (первая гармоника)
(без учета разницы амплитуд)
Пример звучания пилообразной звуковой волны:
Используются также обратные пилообразные колебания:
Треугольные (Triangle) колебания
Как и квадратная, треугольная волна содержит только нечетные гармоники, однако крутизна спада амплитуды гармоник здесь больше. Например, основной тон 100 Hz будет иметь первую гармонику с частотой 300 Hz (100*3) и амплитудой, равной 0.1111 (1/3^2) амплитуды основного тона.
Формирование треугольной волны добавлением нечетных гармоник
Пример звучания треугольной звуковой волны:
Импульсные (Pulse) колебания
Импульсная волна отличается от квадратной неравенством положительного и отрицательного полупериодов:
Колебание такого типа характеризуется скважностью (S), т.е. отношением периода колебания (T) к положительному полупериоду (t). Если полупериоды равны (квадратная волна), скважность равна двум (S = T/t = 2). Скважность может модулироваться низкочастотным сигналом (LFO), в этом случае получается сигнал с переменной скважностью:
