Zaloguj
nerowania dźwięków metodą naturalną są różnorodne. Najprostszy przykład to użycie możliwości ludzkiego narządu mowy do wytwarzania dźwięków o złożonej strukturze melodycznej. Z kolei uderzając jednym przedmiotem o inny można emitować nie tylko proste dźwięki perkusyjne, ale też złożone i bogate tony, wykorzystując różnorodne materiały: od wydrążonej kłody z naciągniętą na otwór membraną ze skóry zwierzęcej, aż po złożone, geometrycznie kształty z metalu czy nawet metalowe rury i płyty. W użyciu nadal pozostają też rury o różnych długościach, w których słup powietrza jest wprawiany w drgania, a długość i średnica rury określają częstotliwość rezonansową. Inną, wszechstronnie stosowaną metodą jest wprawianie w drgania napiętego włókna naturalnego lub wykonanej z metalu bądź tworzywa struny, a drgania te są następnie wzmacniane za pomocą pudła rezonansowego. Choć we wszystkich opisanych przypadkach ograniczamy się zaledwie do kilku bazowych metod, to bogactwo brzmienia jest ogromne i zależy od fizycznych charakterystyk konstrukcji instrumentów oraz użytych materiałów. Gitara klasyczna, banjo i mandolina to zasadniczo ten sam typ chordofonu szarpanego, a jednak każdy z tych instrumentów brzmi zupełnie inaczej. Podobnie jest w przypadku syntezy dźwięku: mając do dyspozycji kilka podstawowych typów syntezy i „klocków” można wytworzyć najróżniejsze dźwięki. W ramach nowej serii artykułów przyjrzymy się budowie i zasadom działania syntezatorów dźwięku oraz ich elementów składowych. Pierwsza część cyklu została poświęcona omówieniu podstawowych zagadnień związanych z syntezą dźwięku.
Czym jest synteza dźwięku?
Synteza dźwięku jest procesem, w którym złożone brzmienie tworzone jest z prostszych sygnałów zmiennych, generowanych na drodze elektronicznej, a następnie poddanych procesowi obróbki, również za pomocą odpowiednich układów lub oprogramowania. Częstotliwość wytwarzanego dźwięku kontrolowana jest zazwyczaj za pomocą klawiatury sterującej lub sekwencera, czyli wcześniej zaprogramowanego automatu odtwarzającego sekwencję sygnałów sterujących syntezatorem (bądź syntezatorami). Sam syntezator może też być kontrolowany innym instrumentem muzycznym - przez próbkowanie jego brzmienia albo przez protokół MIDI. Pod względem konstrukcji syntezatory można podzielić na trzy kategorie:
- syntezatory monolityczne,
- syntezatory modularne,
- syntezatory wirtualne.
Syntezatory monolityczne zawierają określone elementy niezbędne do wytwarzania dźwięku, połączone ze sobą w jeden, określony przez konstruktora sposób. Użytkownik ma kontrolę nad częścią lub całością parametrów, ale nie może zmienić kombinacji i układu połączeń elementów syntezatora. Fotografia 1 prezentuje syntezator brzmień podobnych do sekcji skrzypcowej orkiestry - model Solina.
Syntezator modularny zawiera od kilku do kilkudziesięciu niezależnych od siebie elementów: oscylatorów, modulatorów, filtrów, generatorów obwiedni i wzmacniaczy sterowanych napięciem, które użytkownik łączy ze sobą w dowolny sposób za pomocą przewodów. Każdy moduł ma szereg regulatorów, które można kontrolować ręcznie lub za pomocą sygnałów z innych modułów. W ten sposób użytkownik ma pełnię kontroli nad tworzonym dźwiękiem, ale kosztem większej złożoności - nie tylko syntezatora, ale i samego procesu przygotowania nowego brzmienia. Na fotografii 2 pokazano syntezator Moog System 55, produkowany w latach 1973...1981, a także - w limitowanej liczbie egzemplarzy - w 2015 roku.
Syntezatory wirtualne istnieją w formie oprogramowania i korzystają z technik DSP do modelowania brzmienia fizycznego syntezatora. Oprogramowanie takie może działać na komputerze PC w formie niezależnego programu, wtyczki VSTi (ang. Virtual Studio Technology instrument) do programu DAW (ang. Digital Audio Workstation) lub na dedykowanym sprzęcie, jako firmware mikrokontrolera/procesora aplikacyjnego lub układu FPGA. Syntezator wirtualny może być zarówno odwzorowaniem istniejącego syntezatora klasycznego, jak i zupełnie nowatorskim projektem. Fotografia 3a pokazuje przykładowy syntezator Yamaha Reface CS, będący współczesnym, wirtualnym syntezatorem analogowym, inspirowanym konstrukcją monolitycznego modelu Yamaha CS-80 (fotografia 3b).
Wszystkie syntezatory można też podzielić pod względem metody generowania dźwięku na:
- addytywne,
- subtraktywne,
- FM,
- wavetable,
- granularne,
- oparte na zniekształcaniu fazy,
- pozostałe (niesklasyfikowane).
Synteza addytywna opiera się na założeniu Fouriera, w myśl którego każdy złożony przebieg okresowy można stworzyć sumując przebiegi sinusoidalne o różnych częstotliwościach, fazach i amplitudach. Kilka oscylatorów kontrolowanych napięciem wytwarza przebiegi o określonych relacjach częstotliwościowych i fazowych, a ich sygnały są sumowane, tworząc złożony sygnał, który poddawany jest następnie dalszej obróbce.
W syntezie subtraktywnej złożony sygnał audio z oscylatora lub bloku oscylatorów (addytywnego) jest przepuszczany przez różne filtry sterowane napięciem i wzmacniacz (także przestrajany napięciowo), kontrolowane za pomocą sygnałów o niskiej częstotliwości lub/i sygnałów z generatora obwiedni. Od złożonego sygnału odejmowane są elementy niepożądane, a wzmocnieniu ulegają te, na których zależy użytkownikowi. Elementy syntezy subtraktywnej spotyka się w innych typach syntezatorów, gdyż jest to prosta metoda na uzyskanie złożonego brzmienia.
W przypadku syntezy FM dwa (lub więcej) oscylatory pracują synchronicznie z różnymi częstotliwościami. Sygnał jednego oscylatora moduluje częstotliwość drugiego, który może z kolei sterować częstotliwością kolejnego. Ten ostatni może być także sumowany z przebiegiem wyjściowym innego bloku syntezy FM. W efekcie powstaje złożony i bogaty harmonicznie dźwięk, który - podobnie jak w innych rodzajach syntezatorów - można poddać dalszej obróbce. Zmieniając stosunek częstotliwości fali nośnej do sygnału modulującego da się uzyskać różne brzmienia, w tym gongi, dzwony rurowe czy inne dźwięki perkusyjne. Synteza FM była popularną metodą tworzenia dźwięków w komputerach i konsolach do gier w latach 80., a firma Yamaha wypuściła na rynek szereg dedykowanych układów scalonych (na przykład YM2151). Warto tutaj nadmienić, że opisana forma syntezy jest prosta do realizacji drogą cyfrową i z tego wynika jej popularność.
Synteza typu wavetable przypomina swoim działaniem układy DDS. W pamięci zapisana jest tablica dyskretnych wartości dla wybranych przebiegów. W trakcie syntezy kolejne wartości są odczytywane i wysyłane do przetwornika cyfrowo-analogowego. Częstotliwość taktowania tego procesu określa częstotliwość dźwięku wyjściowego. Dodatkowo wartości z tablicy można poddać innym procesom (np. modulacji FM) celem uzyskania jeszcze bardziej złożonego brzmienia. Syntezatory wektorowe używają dwóch (lub więcej) tablic z różnymi przebiegami, a ich wartości są ze sobą mieszane w stosunku wybranym przez użytkownika, najczęściej za pomocą joysticka.
Synteza granularna przypomina nieco metodę wavetable, z jedną różnicą: większa tablica, zawierająca próbkę dźwięku, jest dzielona na sekcje o długości (typowo) od 10 ms do 100 ms, które następnie są odtwarzane w innej kolejności, niż pierwotna, co pozwala na tworzenie nowych brzmień.
Synteza przez zniekształcanie fazy (phase distortion), opracowana przez firmę Casio, jest podobna do syntezy FM i wavetable - modulator zmienia chwilową fazę sygnału nośnego, najczęściej poprzez manipulację adresem tablicy z wartościami sygnału. Powstały przebieg wyjściowy przypomina kształtem sygnał syntezatora granularnego, jeśli użyć przebiegów prostych - takich jak sinus, przebieg trójkątny czy piłokształtny.
Anatomia syntezatora
Każdy syntezator zawiera trzy podstawowe elementy:
- oscylator,
- wzmacniacz,
- układu kontroli częstotliwości.
Na podstawie fotografii 1...3 Czytelnik mógłby dojść do wniosku, że jedyną metodą kontroli syntezatora jest zwykła klawiatura muzyczna, taka jak w fortepianie czy organach. Nie zawsze jednak jest to prawda. Prostym, by nie powiedzieć prymitywnym, syntezatorem jest Stylophone (fotografia 4), instrument oparty na prostym oscylatorze relaksacyjnym.
Rysik zamyka obwód oscylatora przez moduł składający się z zestawu rezystorów połączonych szeregowo, między którymi znajdują się odczepy w formie pól stykowych na płytce drukowanej, do których dotyka koniec rysika. Rysunek 1 pokazuje schemat takiego układu.
Wartości rezystorów są uszeregowane następująco:
- moduł 1: 21 kΩ, 2,05 kΩ, 2,18 kΩ, 2,32 kΩ, 2,45 kΩ, 2,59 kΩ, 2,75 kΩ, 2,91 kΩ, 3,08 kΩ, 3,27 kΩ;
- moduł 2: 3,46 kΩ, 3,66 kΩ, 3,88 kΩ, 4,11 kΩ, 4,35 kΩ, 4,59 kΩ, 4,84 kΩ, 5,15 kΩ, 5,49 kΩ, 5,85 kΩ.
Wariacje na temat tego instrumentu były realizowane z użyciem słynnego NE555 w roli oscylatora, a rysik wybierał rezystor ustalający częstotliwość drgań. Co ciekawe, jeden z wczesnych syntezatorów - Trautonium (fotografia 5) - również używał oscylatora relaksacyjnego i rezystora, stworzonego ze struny owiniętej drutem oporowym i metalowej płyty, stanowiącej środkowy kontakt potencjometru. Dociskając strunę muzyk ustalał częstotliwość oscylatora, a drugą ręką kontrolował głośność/ekspresję. Z kolei inny instrument, Theremin, używał dwóch anten, do których użytkownik zbliżał ręce. Mniejsza antena kontrolowała głośność, zaś większa, pionowa, tworzyła obwód rezonansowy z ciałem muzyka. Poprzez ruch ręki operator mógł modyfikować częstotliwość tego obwodu, a różnica między jego sygnałem wyjściowym, a przebiegiem z drugiego generatora, stanowiła sygnał wyjściowy całego instrumentu.
Późniejsze syntezatory, zwłaszcza te produkowane począwszy od lat 70., zawierały już powszechnie klawiatury sterujące. Zamiast pojedynczego oscylatora, oferującego przebieg jednego typu, występowały rozbudowane bloki oscylatorów, z możliwością wyboru kształtu fali i jej częstotliwości. Dodatkowo pojawiły się też oscylatory LFO, generujące niskie częstotliwości w zakresie od 0,5 Hz do 10...20 Hz, dodatkowo modulujące główne oscylatory. Zrezygnowano też z ręcznej regulacji głośności, na rzecz generatora obwiedni zwanego też generatorem ADSR. Obwód ten, wyzwalany sygnałem sterującym z klawiatury (lub innego źródła), wytwarza sygnał pokazany na rysunku 2. Pierwsza część, A czyli Attack, określa szybkość narastania napięcia, a zarazem głośności sygnału z syntezatora - od zera do maksymalnej wartości. Sekcja D (Decay), określa czas opadania sygnału do wartości pośredniej. Fragment S (Sustain) definiuje pośrednią amplitudę sygnału, natomiast odcinek R (Release) określa czas opadania sygnału do zera po zwolnieniu klawisza. Niekiedy sekcja S może mieć ustaloną wartość czasu trwania, niezależną od stanu klawisza. Zwykle generator obwiedni i wzmacniacz sterowany jego przebiegiem wyjściowym znajdują się na końcu ścieżki sygnałowej syntezatora. Wcześniej może znajdować się sekcja filtrów sterowanych napięciem, które dodatkowo mogą być modulowane oscylatorem LFO lub/i własnym generatorem obwiedni ADSR.
Rysunek 3 pokazuje schemat blokowy przykładowego syntezatora analogowego - sygnał CV to napięcie sterujące częstotliwością oscylatorów VCO, standardowo mieszczące się w zakresie 0...10 V (przeważnie przyjmuje się zależność 1 V/oktawę). Sygnał wyzwalający (Gate) kontroluje różne elementy syntezatora, w tym wypadku generatory obwiedni oznaczone literami EGx (Envelope Generator). Zaprezentowany na rysunku 3 podstawowy schemat blokowy prostego syntezatora nie wyczerpuje oczywiście wszystkich możliwości konstrukcyjnych. W praktyce syntezatory mogą mieć po kilka oscylatorów sterowanych wspólnym sygnałem CV, niezależnie filtry dla każdego z nich, a także mikser tych sygnałów, obwód modulacji czy dodatkowe filtry wyjściowe. Syntezatory modularne mogą zawierać wiele różnych typów oscylatorów, filtrów i wzmacniaczy sterowanych napięciem, a także innych modułów, a każdy z nich może mieć zarówno wejścia CV i Gate, jak i wyjścia tych sygnałów. Syntezatory monolityczne zwykle ograniczają się do dwóch lub trzech oscylatorów, jednego zestawu filtrów, jednego generatora LFO i jednego lub dwóch generatorów obwiedni. Często dodane są też efekty: pogłos (reverb) lub echo.
Zakończenie
W następnej części przyjrzymy się wczesnym syntezatorom z okresu międzywojennego oraz instrumentom „syntezatoropodobnym”. W kolejnych odcinkach omówimy dokładniej poszczególne bloki syntezatora i zapoznamy się z ich zasadami działania oraz projektowania. Uzbrojony w tę wiedzę Czytelnik będzie mógł pokusić się o samodzielne zaprojektowanie i zbudowanie pełnoprawnego syntezatora analogowego.
Paweł Kowalczyk, EP
