3 Синтез звука как инструмент создания музыки

Не секрет, что сегодня многое в музыкальном мире базируется на широком использовании компьютерных технологий – на музыкальных программах, на компьютерной звукозаписи, на виртуальном моделировании аудио-потока (синтезе звука посредством компьютера). Ещё совсем недавно в профессиональных кругах скептически относились к студии, базирующейся на возможностях PC, и на то были свои причины, самые весомые из которых – невозможность качественно записать звук с помощью компьютера из-за наличия наводок и помех от прочих устройств соседствующих со звуковой картой, чем и были обусловлены искажения звука и невероятные посторонние шумы при записи (лишённые этих недостатков системы стоили очень и очень дорого, проще было обойтись проверенными методами не прибегая к компьютерной записи звука), а также несовершенством дешевых ЦАП/АЦП (цифрово-аналоговых и аналогово-цифровых преобразователей) самих звуковых карт, нехватки мощностей для серьёзного использования компьютера в качестве самостоятельного устройства полного цикла по записи, генерации звука, сведению композиций и мастерингу итоговых композиций – системы на базе PC до недавнего времени использовались лишь как поставщики частичных возможностей для решения прикладных звуковых задач. Например некоторое время назад, когда синтез звука посредством компьютера только зарождался, музыканты применяли его для управления своими внешними, “настоящими” синтезаторами посредством протокола MIDI.

MIDI интерфейс – это единый стандарт передачи управляющей информации между цифровыми музыкальными инструментами и другим студийным оборудованием.

Два MIDI устройства обмениваются между собой именно управляющей информацией, например, командами вызова нужного звука из памяти, командами его воспроизведения с нужной высотой и длительностью и т.д. То есть никакой физической передачи звуков по этому интерфейсу не происходит. В случае использования компьютера, как управляющего устройства – можно было “играть” абсолютно любым синтезатором с поддержкой MIDI через него, а именно посредством установленной на компьютере программы-секвенсора (управляющая программа-композитор).

В дальнейшем и по сей день, с развитием компьютерной техники, совершенствованием звуковых компонентов для компьютера, и, как следствие, смене взглядов музыкантов-профессионалов на работу с компьютером, звуковая студия на PC получила небывалое распространение, как самый мощный и удобный инструмент в руках звукорежиссёров, композиторов и экспериментаторов.

В этом разделе я затрону некоторые общие принципы генерации звука на реальных и виртуальных устройствах. Все инструменты написанной, для практической части работы – музыка для презентации, а также звуковое оформление - были синтезированы средствами виртуальных синтезаторов, принципы работы которых описаны ниже (операционной системы инструментов, точнее, той ее части, которая имеет отношение непосредственно к звукообразованию).

Современные синтезаторы (а также рабочие станции и звуковые модули) поступают к вам с сотнями уже готовых “пэтчей”, созданных профессиональными дизайнерами звуков. Однако, как бы они не были хороши, кроме нас их используют еще несколько тысяч человек во всем мире (несколько лет назад, когда наиболее распространенными MIDI инструментами в нашей стране были Korg M 1 и E-mu Proteus, некоторые их звуки можно было услышать в каждой второй песне и каждой первой рекламе). А уникальная музыка несомненно требует уникальных звуков. Можно купить несколько готовых библиотек звуков или даже нанять собственного дизайнера. Но если программировать звуки самостоятельно, это будет лучшей гарантией их исключительности и точного соответствия музыкальному материалу.

Несмотря на внешнюю сложность и разнообразие устройства, большинство синтезаторов имеют много общих черт, причем позаимствованных у инструментов раннего периода - аналоговых синтезаторов. Первые синтезаторные системы называются модульными, так как состоят из нескольких модулей или блоков, выполняющих три основные задачи: они или создают звук, или изменяют его или управляют работой других блоков. Эти блоки соединяются при помощи кабелей - вот почему в некоторых современных инструментах звуковая программа называется "patch" (англ. "соединение"). Для создания нового звука исполнителю приходилось производить все соединения и изменять параметры блоков; не было никакого способа сохранить предыдущие находки, кроме как записать соединения и параметры на бумаге и затем восстановить их вручную. Модульные системы стоили десятки тысяч долларов.

Через некоторое время производители синтезаторов обнаружили, что определённые модули и способы их соединения используются чаще других. Собрав все это вместе и добавив клавиатуру для управления, они создали действительно распространенные аналоговые синтезаторы, например, Minimoog. Кроме хорошего, плотного звука, эти инструменты имели и много недостатков, например, нестабильность строя. Поэтому постепенно аналоговые части заменялись на цифровые (более стабильные). Затем были добавлены микропроцессор, управляющий всеми параметрами, и память для сохранения и последующего автоматического восстановления параметров (а значит и звуков). С увеличением числа параметров стало ясно, что прежний способ управления (каждому параметру - свой регулятор на передней панели) становится невозможным, так как инструменты становились слишком громоздкими. Ручки и кнопки сильно сократили, но добавили дисплей. Вы выбираете на дисплее определенный параметр и крутите ручку для его изменения. Затем выбираете другой параметр и опять крутите ту же ручку (или двигаете тот же слайдер), но уже изменяя новый параметр. Дальнейшее развитие постепенно привело к тому, что синтезаторы стали превращаться в специализированные компьютеры, где звук производился и изменялся путем большого количества арифметических действий в микропроцессоре. А сегодня мы имеем так называемые “виртуальные синтезаторы” – программы для персонального компьютера, с возможностью подключения к любой программе-секвенсору. Тем не менее, основная терминология сохранилась, только теперь модули существуют не в виде реальных блоков, а как группа цифр в операционной системе компьютнра.

Генераторы. Итак, из каких модулей состоят синтезаторы? Прежде всего это звуковые генераторы или осцилляторы (oscillator) - блоки, непосредственно производящие исходные звуки. На аналоговых синтезаторах они имеют органы управления формой волны (синусоидальная, пилообразная и т. д.) и высотой тона (обычно грубо, октавами, и точно). Форма волны определяет тембр звука или его гармонический состав. Клавиатура синтезатора также управляет генераторами, так что, нажимая разные клавиши, мы получаем звуки разной высоты. Обычно монофонический аналоговый синтезатор имеет два подобных генератора, плюс, специализированный генератор шума. Иногда мы можем модулировать (управлять) один генератор другим, получая более сложные формы волны и, соответственно, разнообразные тембры. Кстати, именно на принципе модуляции одного генератора другим и устроены синтезаторы фирмы Yamaha серии DX. Yamaha называет этот принцип FM (frequency modulation - частотная модуляция).

На синтезаторах, устроенных по принципу воспроизведения семплов (sample playback), вместо нескольких простых форм волны генераторы могут вырабатывать большое число сложных форм. Эти формы обычно являются предварительно записанными образцами звучания реальных инструментов, хранящимися в постоянной памяти инструмента.

Фильтры. Блок фильтров предназначен для фильтрации или удаления части гармоник, созданных генератором. Чаще всего применяется пропускающий фильтр низкой частоты (low-pass filter), который пропускает низкие частоты и убирает высокие, начиная с определенной точки, называемой частота среза фильтра (filter cut-off frequency). Также бывают пропускающие фильтры высокой частоты (high-pass) и полосы частот (band-pass). Еще существуют заграждающие фильтры всех типов, действующие противоположным способом. Заграждающий фильтр полосы частот называется иногда "band-stop", "band-reject" или "notch". Фильтр не убирает гармоники после частоты среза полностью; скорее, он постепенно ослабляет их в соответствии с крутизной спада (slope или roll-off). Крутизна фильтра измеряется в децибелах на октаву. Чаще всего используются фильтры типа 12 дБ/окт (Moog) и 24 дБ/окт (Oberheim). Это значит, что громкость гармоник октавой выше, чем частота среза, уменьшается на 12 или 24 дБ.

Еще один важный параметр (если он есть) фильтра - резонанс. Он поднимает уровень частот вокруг точки среза, тем самым выделяя ее. На некоторых синтезаторах, увеличивая резонанс можно добиться эффекта самовозбуждения фильтра, превратив его в генератор.

Несколько слов об использовании фильтров. Так как они работают убирая гармоники (обертона), лучше всего использовать фильтры на гармонически богатых звуках. Так, например, звук синусоидальной формы волны практически не содержит гармоник, а пилообразный звук содержит их все.

Генераторы огибающей. Генератор огибающей определяет изменение звука с течением времени. Например звук барабана начинается с максимальной громкости и быстро затухает. А "раздувание" у духовых инструментов начинается с тихого звука, постепенно увеличивающегося по громкости. Генераторы огибающей бывают разные, но самый распространенный тип - ADSR (attack, decay, sustain, release - атака, спад, поддержка, затухание). Если параметры атаки, спада и затухания измеряются в единицах времени, то поддержка - это уровень. Параметр атаки определяет, как быстро после нажатия клавиши звук достигает максимальной громкости. Спад устанавливает, сколько времени после этого понадобится звуку, чтобы измениться до уровня, установленного параметром поддержки, на котором он и останется пока не будет отпущена клавиша. И, наконец, параметр затухания определяет, через сколько после отпускания клавиши звук достигнет нулевой громкости. Существуют и более сложные виды огибающих, с большим количеством стадий и с отдельными параметрами для скорости и уровня.

Генераторы огибающей могут контролировать не только блок усиления, но и фильтры (то есть тембральное изменение звука с течением времени) или сами звуковые генераторы (в таком случае изменяется высота тона, например, для создания эффекта сирены).

Генератор низкой частоты. Генераторы огибающей позволяют создавать постоянно изменяющиеся звуки, делая их более интересными. Для этого же предназначен и генератор низкой частоты (LFO - low frequency oscillator). Он похож на обычный генератор, только производит сигналы вне пределов слышимых частот, предназначенные для модуляции звуков. Чаще всего этот генератор используется для создания тремоло или вибрато, в зависимости от того, управляет ли он усилителем (громкостью) или генератором (высотой тона). Параметры генератора низкой частоты включают собственно частоту вырабатываемого сигнала (определяет скорость эффекта) и форму волны (определяет тип эффекта). Если выбрать случайную (random) форму волны, то можно получить интересный эффект, напоминающий монолог сумасшедшего робота.

Воспроизведение семплов. Уже упоминалось, что в синтезаторах, устроенных по принципу воспроизведения семплов (sample playback), используются цифровые записи реальных инструментов, находящиеся в постоянной памяти подобных устройств. Таким образом, их генераторы не вырабатывают форму волны, а просто воспроизводят готовые записи. Это позволяет намного более точно имитировать реальные инструменты. Дальнейшее изменение звуков в общем ничем не отличается от аналоговых синтезаторов: вы имеете фильтры, генераторы огибающих, генератор низкой частоты и все такое прочее.

На вопрос, чем же отличается подобный синтезатор от семплера, еще несколько лет назад ответили бы так: синтезатор не семплирует сам и не имеет оперативной памяти для загрузки готовых семплов или сохранения измененных внутренних. Семплер, в свою очередь, обычно ограничен в синтезаторных возможностях формирования звука. Так как его звуки находятся в оперативной памяти, они исчезают при выключении питания и их необходимо загружать вновь. Однако в последнее время происходит естественное сближение и даже слияние этих устройств, а также и виртуальных аналогов.

Широкое распространение принципа воспроизведения семплов показало, что и в этом случае существуют некоторые проблемы. Реальные инструменты способны производить звуки, сильно различающиеся по тембру, характеристикам огибающей и т. д. Если взять обычный рояль, то он производит разные звуки в зависимости от нажатой клавиши, силы ее нажатия и даже от того, какие еще клавиши нажаты в данный момент. Чтобы точно воспроизвести реальное поведение инструмента, необходимо сделать множество семплов, которые мгновенно заполнят имеющуюся оперативную память. И хотя часто проблемы с оперативной памятью уже не так актуальны, тем не менее, сама подготовка звука займет громадное время и все равно имитация не будет абсолютно точной. Последнее тем более верно, если говорить о реальных инструментах, способных изменять звук непосредственно во время его звучания. Практика показывает, что современные синтезаторы разных фирм, устроенные по принципу воспроизведения семплов, имеют довольно похожее и уже достаточно надоевшее звучание. Пришло время попробовать что-то новенькое.

Физическое моделирование. Синтезаторы, устроенные по принципу физического моделирования, появились в продаже не так давно, но уже произвели много шума. Основная идея их устройства такова: вместо воспроизведения предварительно записанных семплов операционная система синтезатора создает модель поведения реального инструмента. В зависимости от действий исполнителя (нажатие клавиши, поворот колеса модуляции и т. д.) процессор синтезатора вычисляет, какой звук издал бы имитируемый инструмент при данных обстоятельствах и воспроизводит его. Таким образом можно не только имитировать реальные инструменты, но и создавать новые, не существующие в природе.

Физическое моделирование позволяет решить многие проблемы современных синтезаторов. Подобные устройства не только лучше имитируют звуки реальных инструментов, но и их поведение, то есть изменение звука в зависимости от действий исполнителя. Необходимо заметить, что овладение синтезаторами такого рода требует не меньше времени, чем овладение акустическими инструментами. Кроме того, эти синтезаторы не требуют большого количества оперативной памяти.

Но решая одни проблемы, физическое моделирование одновременно создает другие. Для создания модели требуется огромная вычислительная мощность. Поэтому в подобные инструменты устанавливаются мощные (и, следовательно, дорогие) процессоры. Как и любая технология в начале своего коммерческого развития, физическое моделирование довольно дорого. Чтобы снизить цену производители выпускают инструменты с незначительной по нынешним меркам полифонией и мультитембральностью. С развитием технологии вообще и мощности процессоров в частности цены будут снижаться, а возможности увеличиваться. Знаменитейшим воплощением синтезаторов физического моделирования на компьютере (т.н. soft-synth) является среда Reactor для PC. Этот виртуальный комплекс позволяет создавать поистине немыслимые инструменты, звуки и Звук – от реальных инструментов – до нечто такого, что никто ещё не слышал. Нельзя сказать, что виртуальный инструмент физического моделирования Reactor является конкурентом для реальных аналогов, т.к. он попросту оставил их далеко позади – все преимущества известные при работе с компьютером можно отнести и к Реактору, в частности его можно просто обновлять, а не покупать новую версию. Недостаток правдв очень существенный – как и для реальных образцов синтезаторов, работающих по методу физического моделирования, ему необходима невероятная вычислительная мощность, в данном случае – всей системы компьютера – процессор, шина, память – всё должно быть быстрым и обшладать большими объёмами для полноценной работы этого инструмента.

Ресинтезис. Этот тип звукообразования пока не получил своего коммерческого воплощения, однако, несколько очень крупных синтезаторных фирм производят определенные разработки в этой области. Основная идея такова: практически любой звук является сочетанием синусоидальных волн разной высоты и громкости. Имея достаточное количество генераторов подобных волн вы можете произвести любой звук. Однако как выяснить, из каких именно волн состоит тот или иной звук и, более того, как они изменяются во времени? Для этого существует способ под названием "преобразование Фурье". С его помощью можно проанализировать звук и разложить его на отдельные составляющие. Затем можно воспроизвести эти составляющие при помощи многочисленных генераторов и, таким образом, восстановить (или ресинтезировать) звук.

В чем преимущество подобного метода? Во-первых, объем данных, необходимых для ресинтезирования звука, в 10 раз меньше, чем при семплировании. Значит нужно меньше оперативной памяти. Во-вторых, ресинтезирование позволяет гораздо более глубокие возможности редактирования звуков и их воспроизведения, например, морфинг. Причем, в случае ресинтезиса, это действительно постепенное превращение одного звука в другой.

Трудно сказать, почему пока не появилось инструментов, устроенных по принципу ресинтезирования звука. Хотя для качественного воспроизведения необходимо большое количество генераторов, вряд ли это составляет большую проблему при современной технологии. Для создания, например, 32-голосного синтезатора (ресинтезатора?) с 32-мя гармониками для каждого голоса необходимо 1024 генератора. А выпущенный 13 лет назад инструмент DX 7 фирмы Yamaha имел 96 генераторов. Видимо инструменты, создающие звуки путем их ресинтезирования, должны появиться в ближайшем будущем.