3. История создания электронных музыкальных инструментов, их виды и устройство.
В 1906 году Таддеус Кэхилл – американский инженер, сконструировал электрический музыкальный инструмент, получивший название «Динамофон» или «Теллармониум».
В 1921 г. появился терменвокс - первый в истории электронный музыкальный инструмент. Звук на этом инструменте возникает не от касания, а только от движений рук исполнителя в пространстве перед специальными антеннами. Инструмент предназначен для исполнения любых музыкальных произведений в профессиональной и самодеятельной музыкальной практике, а также для создания различных звуковых эффектов. Создателем его был Термен Лев Сергеевич (1896-1993) – изобретатель, физик, музыкант. Он был создателем первого в мире электронного музыкального инструмента терменвокс (1919-20); одной из первых телевизионных систем дальновидения (1925-26); первой в мире ритм-машины ритмикон (1932) и др.
В 1920-х годах Морис Мартено (французский музыкант, радист) изобрел одноголосный электронный музыкальный инструмент, названный самим изобретателем «Волны Мартено».
Качественно новым шагом явились работы доктора технических наук Евгений Александрович Шолпо. Познакомившись с системой Шорина оптической записи звука в кино, Шолпо решил построить аппарат, на котором можно было бы рисовать звук. Это было гениальная идея, открывавшая путь к принципиально новому направлению в музыке. Таким образом важнейшей вехой в истории электронной музыки стал 1929 год, когда Е. А. Шолпо создал первый в мире электронный синтезатор звука, названный им "Вариафоном" а композитор Арсений Михаилович Авраамов (1886-1944) снял искусственную фонограмму. На этом инструменте графическое изображение переводилось в звук. В зависимости от формы рисунка менялся тембр, высота, динамика. Надо сказать, что процесс воспроизведения требовал затраты большого количества времени, но всe это возмещалось возможностью передачи своего замысла самим композитором, минуя исполнителей. Автор и исполнитель сливались в одно лицо, и музыка создавалась им в непосредственно звучащем виде в полном соответствии замыслу композитора.
В 1964 году, в Америке, создают синтезатор. Его изобретение связывают с именем Абрахама Муга.
Синтезатор — это электронный музыкальный инструмент, способный генерировать, комбинировать и обрабатывать широкий спектр звуков.
Первые синтезаторы были аналоговыми приборами, как, например, созданный в 1955 году знаменитым акустиком Г. Олсоном и инженером Г. Беларом в Принстоне (США) синтезатор RCA Music Synthesizer. Этот прибор состоял из семи больших стоек, заполненных генераторами, усилителями, модуляторами и др. Закодированные значения высоты тона, его интенсивности, формы огибающей и др. наносились в двоичном коде на перфорированную бумажную ленту и считывались специальным устройством (механическим сканером). Синтезатор мог воспроизводить четыре музыкальных тона различной частоты, длительности и тембра.
Одним из первых синтезаторов стал АНС, сконструированный в России инженером Евгением Мурзиным (он был назван в честь знаменитого русского композитора А. Н. Скрябина). Роль фотооптического генератора в нем выполнял стеклянный диск, покрытый фотоэмульсией, на котором были отпечатаны 144 звуковые дорожки «чистых тонов». Звук задавался с помощью рисунков на специальной маске, располагавшейся между диском и фотоэлементом. АНС содержал 720 генераторов синусоидальных тонов. Он был запатентован в 1958 году, и вскоре при музее А. Н. Скрябина в Москве была создана Студия электронной музыки, в которой с АНС’ом экспериментировали такие композиторы, как Эдуард Артемьев, София Губайдуллина, Эдисон Денисов, Альфред Шнитке и др. [5].
В 1960 году появилась модель синтезатора «Model -Т Ford», созданная Р. Мугом (R. Моод). В ней автор впервые применил модули контроля напряжения, которые являются неотъемлемыми устройствами всех последующих моделей этих инструментов. Примерно в это же время появилась модель синтезатора «Model-200» Д. Бухла (D. Buchla) в США; и, наконец, в Лондонской студии электронной музыки композитором П. Зиновьевым и инженером Д. Кор-кереллом в 70-е годы был создан портативный модульный синтезатор — Synthi AKS. Он имел две клавиатуры, секвенсор, два генератора шумов, два ревербератора, трехголосную память, восемь фильтров и восемь мелодических генераторов. Если первые синтезаторы были монофоническими, то в 1975-м был создан первый полифонический синтезатор на интегральных микросхемах PolyMoog.
Большое семейство появившихся позже портативных синтезаторов, например Minimoog, Sonic Six, Electrocomp 101 и др., обеспечило возможность широко использовать их в электронной музыке.
Принцип работы любого аналогового синтезатора состоял в использовании различных модулей, каждый из которых мог контролировать напряжение (а, следовательно, и выходные характеристики) другого. В основополагающей работе P. Myra (R. Моод) в 1965 году было описано три основных типа модулей с контролируемым напряжением: генератор (VCO), усилитель (VCA) и фильтр (VCF).
На рис. 1 показан пример такого соединения модулей (patch), где используется два генератора, из которых один (VCO-1) служит для создания сигналов различной формы (синусоидальной, пилообразной и т. д.) и частоты (высоты тона), второй (VCO-2) — для контроля напряжения в выходном усилителе (VCA), что позволяет получить на выходе амплитудно-модулируемый сигнал.
В качестве устройств, модулирующих напряжение основного генератора или усилителя, могли использоваться низкочастотные фильтры (VCF) с изменяющимся значением добротности и частоты среза, что позволяло получить, например, сигнал с амплитудной и частотной модуляцией одновременно (сигналы такого типа часто создаются в реальных музыкальных инструментах). Для этой же цели могли использоваться генераторы контроля огибающей
Рис. Схема соединения модулей (patch) с использованием двух генераторов (VCO) и усилителя с управляемым коэффициентом усиления (VCA).
Рис.2. Схема соединения модулей (patch) с использованием фильтров (VCF) и генераторов огибающей (ADSR, AR) (envelope generator), позволяющие изменять временную структуру сигнала.
Самые распространенные генераторы — типа ADSR (А — атака звука, D — спад, S — стационарная часть, R — спад) и AR. Схема контроля напряжения усилителя с помощью такого типа генераторов и фильтров показана на рис.
Для контроля частоты, напряжения или частот среза в большинстве синтезаторов применялся клавиатурный контроллер, как наиболее удобный для музыкантов (хотя использовались также джойстики и ленточные контроллеры). В аналоговых синтезаторах уже начали применяться секвенсоры, т. е. устройства, которые запоминали последовательность нажатия клавиш, а затем позволяли эту последовательность воспроизводить. Первоначально они использовались только для подачи повторяющихся последовательностей контрольного напряжения — например, применялась закольцованная магнитная лента, на которую можно было записать любую последовательность сигналов.
Достаточно часто в синтезаторах использовались генераторы белого шума, изменение амплитуды и частоты которых с помощью соответствующих контролирующих низкочастотных генераторов, позволяло получить AM- и ЧМ-модулированный сигнал с богатым спектром. Меняя индекс модуляции, можно было получать динамически изменяющийся спектр воспроизводимого сигнала. В синтезаторах использовались и другие виды модулей, например кольцевые (ring) модуляторы, ревербераторы и т. д. Кроме того, большинство синтезаторов имело микрофонный вход, что позволяло обрабатывать сигнал с выхода микрофона и комбинировать его с искусственно синтезированными звуками, — это давало необычные эффекты. В аналоговых синтезаторах использовались гибкие и перестраиваемые схемы соединений (patch), которые давали возможность получать интересные музыкальные созвучия, примером может служить популярная модель аналогового синтезатора Minimoog. Один из видов аналоговых синтезаторов группы Моод показан на рис. 3.
Рис. 3. Аналоговый синтезатор Moog
Следующим этапом развития синтезаторов стало появление гибридных систем, в которых применялась аналоговая схемотехника, но роль контроллеров напряжения выполнял компьютер или микропроцессор. В таких синтезаторах использовалась достаточно сложная схемотехника, позволяющая получать сигналы разнообразных волновых форм, смешивание которых в различных соотношениях позволяло создавать музыкальные тоны с достаточно разнообразным тембром. Такая техника получила название аддитивный синтез. В синтезаторах использовалась и обратная операция, основанная на извлечении звуков путем их фильтрации из изначально богатой гармонической формы, получившая название субтрактивный синтез.
В 1967 году Дж. Чоунингом (J. Chowning) был предложен чрезвычайно эффективный метод синтеза сигналов с помощью частотной модуляции — FM-синтез. Амплитуды этих боковых составляющих изменяются (пропорционально функции Бесселя) в зависимости от величины индекса модуляции. Варьируя индекс модуляции и используя различные формы сигналов в качестве модулирующих функций, можно получить сложный звуковой сигнал с динамически меняющимся спектром.
Наиболее известным инструментом (с компьютером в качестве контроллера), работающим по принципу FM-синтеза, был синтезатор DX-7 фирмы Yamaha, появившийся в 1983 году и широко использовавшийся в популярной музыке.
Следующим шагом в развитии синтезаторов было создание инструментов, работающих по принципу сохранения сэмплов (образцов) звучания различных музыкальных инструментов и голоса (sample playback). В их постоянной памяти записывалось большое количество образцов звучания различных музыкальных инструментов и синтезированных звуков, которые могли воспроизводиться с различной звуковысотностью, громкостью и длительностью под управлением клавиатуры. Такая техника синтеза требует больших объемов памяти, поскольку для реалистичного звучания необходимо записывать образцы звучания инструментов не только с различной высотой тона, но и на различных динамических уровнях.
Все это привело к широкому использованию Wave-Table(WT)-синтеза, когда звук создается с помощью наложения большого количества очень коротких отрезков сэмплов. Обычно записывается один период формы волны в специальные таблицы волновых форм EPROM. Для создания сложного звука выбирается из таблиц определенное количество волновых отрезков, которые циклически повторяются (looping) на определенной скорости в зависимости от заданной частоты; подвергаются цифровой фильтрации (на них накладывается определенная форма огибающей из отдельных таблиц (envelope table); кроме того, используются другие виды цифровой обработки: интерполяция, сдвиг высоты и т. д. В этом случае цифровые синтезаторы работают по принципу сложения различных форм сигналов (синусоидальных, прямоугольных, пилообразных и др.), как это происходило в аналоговых синтезаторах, использующих большое количество генераторов. Такой принцип работы позволяет обеспечить значительную экономию объемов памяти и создает достаточно широкие возможности формирования различных звучаний. Одним из первых примеров использования этой техники может служить модель синтезатора Roland МТ-100, в котором предусматривалась также возможность использования различных цифровых эффектов для обработки звуков (реверберация, эквализация и пр.).
Дальнейшее развитие этой идеи привело к технике гранулированного (granular) синтеза, в которой используются крошечные отрезки сэмплов (10-15 мкс) и стохастические вероятностные методы для предсказания их распределения в музыкальных отрезках. Для этого была создана специальная программа GranuLab, доступная для загрузки из Интернета. Эту технику широко использовал в своем творчестве греческий композитор Ксенакис.
Существует смешанная техника «линейно-арифметический синтез», когда атака звука берется из сэмплов, а стационарная часть создается с помощью цифровых синтезаторов.
В последнее время все большую популярность завоевывают синтезаторы, которые работают по принципу физического моделирования (РМ) звука. Физическое моделирование предусматривает использование математических моделей звукообразования реальных музыкальных инструментов для генерации в цифровом виде соответствующих волновых форм. Например, для духовых тростевых инструментов решается система нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих совместные колебания трости и столба воздуха в трубе, и рассчитывается форма выходного звукового сигнала (обычно цифровыми методами) при подаче на вход такой системы различных видов сигналов.
Полученный сигнал затем с помощью ЦАП на звуковой карте конвертируется в аналоговый звуковой сигнал и воспроизводится через акустическую систему. Такой способ синтеза создает модель поведения реального музыкального инструмента, позволяет получить гораздо более реалистическое звучание, открывает новые возможности для изменения тембра, для создания новых видов инструментов; кроме того, он дает возможность в реальном времени управлять параметрами синтеза.
Пионерами в области производства синтезаторов, работающих по принципу физического моделирования, были фирмы Когд и Yamaha — они первыми выпустили в середине 90-х годов такие устройства (например, Yamaha VL-1). Поскольку создание детальных физических моделей музыкальных инструментов (рояля, например) представляет значительные математические трудности, то часто под методом физического моделирования понимается функциональное физическое моделирование (Functional РМ). В нем используются макромодель инструмента, который рассматривается как источник, генерирующий широкополосный сигнал, и набор фильтров, описывающих поведение резонаторов с учетом их обратного влияния на источник (техника морфинга, вокодинга).
Значительным событием было появление синтезатора Kurzweil 250, использующего новые алгоритмы «искусственного интеллекта» — AI, которые продолжают сейчас активно развиваться (нейронные сети, генетические алгоритмы и др.). С их помощью удалось создать звуки, очень близкие по тембру к звукам реальных музыкальных инструментов (например, концертного рояля и др.). Интенсивно проводимые в настоящее время работы по распознаванию тембров музыкальных инструментов с помощью компьютеров несомненно приведут к созданию принципиально новых синтезаторов, использующих особенности формирования пространного звукового образа в слуховой системе.
Полный переход на цифровые технологии привел к появлению новых устройств, реализуемых аппаратно или программно, — цифровых сэмплеров и секвенсоров.
Сэмплеры (sampler) — это выполненные программно или аппаратно устройства, которые способны записывать в оперативную память образцы звуков (сэмплы) с любого внешнего источника, а затем воспроизводить эти звуки под управлением клавиатуры. У них установлена оперативная память большого объема, куда можно записать любые звуки, а потом воспроизвести их с разной высотой, громкостью и длительностью с помощью клавиатуры. С записанным материалом легко можно производить любые операции редактирования. Еще одно достоинство сэмплеров — это большие возможности по расширению. Для сэмплеров можно использовать большое количество библиотек звуков на компакт-дисках. В любом синтезаторе типа «sample playback» количество звуков ограничено объемом постоянной записи, куда они предварительно должны быть записаны. В последнее время происходит сближение сэмплеров и синтезаторов типа «sample playback»: первые приобретают специальную перезаписываемую постоянную память, в которую можно загружать данные как и в оперативную, а последние дополняются оперативной памятью. Примером такого объединения этих устройств может служить Kurzweil K2000S.
Секвенсор (sequencer) — программное или аппаратное устройство, способное записывать, редактировать, сохранять и воспроизводить музыкальные события. Эти устройства запоминают последовательность нажатия клавиш на синтезаторе и любые другие действия с органами управления, то есть они запоминают всю управляющую информацию. Преимущество записи управляющей информации в секвенсор перед записью звука того же синтезатора на цифровой магнитофон заключается в том, что в любой момент времени можно отредактировать выбранный музыкальный отрывок. Кроме того, управляющий код занимает несравнимо меньше места, чем оцифрованный звук, поэтому секвенсорам не требуется для работы больших объемов памяти. Секвенсоры могут выпускаться в отдельном корпусе для работы с любыми типами синтезаторов. Также имеется целый класс объединенных устройств, которые называются «рабочими станциями» и включают синтезатор типа «sample playback» или сэмплер и секвенсор, размещенные в одном корпусе.
Принципиально новым этапом в развитии электронных музыкальных инструментов явилось создание цифровых синтезаторов (сэмплеров и секвенсоров), использующих связь друг с другом и с компьютером по стандарту MIDI.
MIDI (Musical Instruments Digital Interface) — цифровой интерфейс музыкальных инструментов, который был разработан и стандартизован в 1983 году для обеспечения совместимости и стандартизации принципов управления синтезаторами (и другими электронными музыкальными инструментами) разных моделей. Основное преимущество такого интерфейса заключается в том, что по нему передается не информация о самом звуковом сигнале, а только управляющая информация о действиях, которые выполняются на данном устройстве, что позволяет значительно сократить объем информации и обеспечить управление комплексом устройств (синтезаторов, секвенсоров, компьютеров и др.) в реальном времени. Информация передается по 16 каналам и содержит три вида MIDI-сообщений: информацию об исполнении данной ноты (включает высоту тона, его длительность, силу нажатия клавиши); о смене значений контроллеров (с помощью которых можно управлять такими параметрами, как громкость, панорама, вибрато и др.); об исключительных системных сообщениях (SysEx), предназначенных для какого-либо конкретного устройства. Кроме того, с помощью этого интерфейса осуществляется временная синхронизация все работающих устройств (MIDI-Time). Протокол MIDI дает возможность управлять с одной клавиатуры несколькими синтезаторами одновременно, записывать партии в секвенсор по очереди, а затем воспроизводить их на разных инструментах, соединенных с секвенсором с помощью MIDI-кабелей.
Рис. Схема соединения синтезатора и секвенсора по MIDI-каналам
Стандарт MIDI позволил не только совмещать синтезаторы и секвенсоры разных производителей, но и стандартизовать принципы управления синтезаторами разных моделей. Практически все современные синтезаторы (секвенсоры, сэмплеры) оснащены MIDI-интерфейсом. Подробное описание принципов его работы можно найти в специальной литературе.
Таким образом, широкое распространение, начиная с 80-х годов, технологий цифрового синтеза привело в настоящее время к созданию нового поколения цифровых синтезаторов, выполняемых аппаратно или программно («виртуальных» синтезаторов), которые обеспечивают огромные возможности воспроизведения естественных и синтезированных звуков с мультитембральной полифонией, со средствами разнообразного контроля параметров звуковых сигналов в реальном времени, с огромным количеством алгоритмов для процессорной обработки звуков (реверберация, хорус, флэнжинг, морфинг, вокодинг и др.), с возможностью четкой реакции на индивидуальную манеру исполнителя и т. д.
В последние годы используются методы создания «виртуальных» аналоговых синтезаторов, для чего в компьютере создается математическая модель работы усилителей, генераторов, фильтров и т. д. и с ее помощью моделируется их звучание.
Рис. Компьютерная рабочая станция Fantom-X8 фирмы Roland
Современные музыкальные рабочие станции (workstation), объединяющие компьютер, цифровой синтезатор, секвенсор, сэмплер и другие устройства, с огромным банков звуков, многообразием алгоритмов и программ для их процессорной обработки, представляют собой новый класс музыкальных инструментов. Первым в этой серии был разработан Synclavier фирмы New Eng. Digital Согр (Англия). В качестве примера современных музыкальных рабочих станций можно указать модели К-2500 фирмы Kurzweil и Fantom-X8 фирмы Roland. Последняя относится к новому поколению рабочих станций типа «Giga-Workstation» с объемом волновой памяти, расширяемым до 1 Гб. В синтезаторе (совместимом с General MIDI-2) имеется 88-кпавишная клавиатура с прогрессивным молоточковым механизмом, с возможностью разделения (split) и наложения (layer) тембров, 128-голосная полифония, 256 пэтчей (совокупность сэмплов и управляющей информации), 32 ударных установки, 64 набора инструментов (performances); 78 типов эффектов: хорус (3 типа), реверберации (5 типов); трехполосный компрессор и др. В состав станции входит сэмплер с объемом оперативной памяти 544 МБ, 16-дорожечный секвенсор (400000 нот), имеется линейный вход с шестью входными эффектами, четыре линейных выхода (2 — стерео или 4 — моно) и т. д.
Появление такого типа музыкальных инструментов с огромными возможностями для исполнителей открывает принципиально новые перспективы для развития электронной музыки и других направлений мультимедиа-искусства.
Итог лекции. Итак, бурное развитие техники способствовало появлению электронных музыкальных инструментов и электронной музыки. Возможности электронной музыки безграничны.
Изобретение электромузыкальных инструментов, ставшее одним из результатов научно-технической революции, привлекло большое внимание музыкантов. Связанное с этими инструментами обогащение тембровой палитры, увеличение динамического размаха звучания, возможность свободного управления его пространственными характеристиками способствовало значительному расширению образной сферы музыкального искусства, послужило основой для формирования ряда его новых жанров — академических (электронная, конкретная, магнитофонная, живая электронная музыка и др.) и массовых (поп и рокмузыка).
Бурное развитие новых информационных технологий в последние десятилетия двадцатого века обусловило процесс компьютеризации электронного инструментария. Новые цифровые музыкальные инструменты — синтезаторы, семплеры, рабочие станции, мультимедийные компьютеры и др. — при улучшении качества звучания и возрастании функциональных возможностей по сравнению со своими предшественниками — аналоговыми электронными инструментами — отличаются простотой управления, компактностью и дешевизной. Вследствие этого новые инструменты не только прочно обосновались в профессиональной музыке, но получают всё большее распространение и в повседневном обиходе как инструменты любительского музицирования.