27.Синтез звука
Синтез звука - процесс генерации звука, представленного в виде дискретного сигнала. Для синтеза звука используются:
- метод таблиц волн, воспроизводящий заранее записанные в виде дискретных сигналов фрагменты звучания различных инструментов;
- метод частотной модуляции, осуществляющий синтез с помощью нескольких генераторов синусоидальных частот.
Аддитивный и гармонический синтез
Самый простой метод звукового синтеза заключается в следующем. Берем столько генераторов синусоидальных колебаний, сколько потребуется спектральных составляющих, настраиваем их на соответствующие частоты и просто складываем соответствующие сигналы. Этот метод хорош тем, что позволяет получить очень точный результат. Если ясно представлять себе требуемый спектр, то воспроизвести его не составит труда. Такой метод синтеза называется аддитивным (от англ, addition - сложение).
Сложность здесь заключается в том, что большинство богатых, красиво звучащих тембров могут состоять из очень большого количества спектральных компонент. Поскольку для каждой из них используется отдельный генератор, при создании тембра придется отдельно настраивать несколько десятков (а то и сотен) генераторов. Кроме того, в первые годы разработок в области звукового синтеза возникала еще одна проблема. Поскольку генераторы тогда не моделировались внутри компьютера, а представляли собой отдельные, довольно объемистые устройства, использование многих таких устройств потребовало бы наличия очень больших помещений.
Поэтому звуки, построенные при помощи аддитивного синтеза, обычно не отличаются богатством спектра: они состоят не более чем из десяти компонент и могут использоваться для имитации простых тембров типа флейты, некоторых органг ных регистров и т. п.
Если при аддитивном синтезе все спектральные составляющие звука складываются в гармонический звукоряд, такой метод называют гармоническим синтезом.
Попробуем прикинуть, сколько генераторов потребуется, чтобы получить хороший тембр «струнного типа» при помощи аддитивного синтеза. Волновая форма таких тембров близка к пилообразной, а значит, в спектре должны присутствовать все гармоники от 1-й и как минимум до 12-й. Кроме того, вокруг каждой гармоники необходимо построить небольшие области шумовых призвуков (рис. 2.29), иначе тембр будет звучать пусто. Для построения таких шумовых областей необходимо задействовать по крайней мере по 6 генераторов для каждой гармоники (меньшее их количество только «загрязнит» звук, не придав ему никакой «живости»). Таким образом, необходимо 12 генераторов для гармоник и еще 72 для шумовых областей - всего 84 генератора. В принципе, повозиться можно, но нелишне вспомнить, что с помощью частотно-модуляционного синтеза (о нем речь пойдет в разделе «Синтез методом частотной модуляции») подобный звук можно легко получить, используя всего три генератора. ,
Понятие сэмплирования
Первоначальная идея, лежащая в основе техники сэмплирования, была крайне проста: для получения хорошей имитации акустического инструмента нужно просто записать один из звуков этого инструмента, а потом, проигрывая запись с разной скоростью, получать звуки различной высоты. Казалось бы, в этом случае имитация будет очень хорошей: ведь нажимая на разные клавиши электронного инструмента, мы в действительности будем слышать записанный звук инструмента акустического.
Однако не все оказалось так просто. Во-первых, акустические инструменты при громком и тихом исполнении производят немного разные по спектральному составу звуки, а простое уменьшение громкости звука, сыгранного на forte (или, наоборот, усиление изначально тихого звука), сразу приводило к «неестественности» звучания. Для решения этой проблемы требовалось либо записывать несколько звуков различной громкости, либо выстраивать систему специальных корректирующих фильтров.
Во-вторых, один и тот же звук на акустическом инструменте в зависимости от характера музыки может быть взят различными приемами игры, а также туше, что придает общему характеру звучания ту самую «живость», которой иногда до сих пор не хватает компьютерному исполнению при имитации акустических инструментов.
И наконец, самое главное: при транспозиции записанного звука на другую высоту происходило искажение тембра за счет смещения формант. Форманты - это спектральные области, в которых независимо от высоты основного тона увеличивается амплитуда спектральных составляющих; они возникают за счет естественных резонаторов (например, вибрации деки и корпуса скрипки) и во многом определяют восприятие и «узнавание» нами того или иного тембра. А при простой транспозиции записанного звука вместе с основными составляющими транспонируются и формантные области, и тембр звука изменяется до неузнаваемости (если вы хоть раз включали двухкассетный магнитофон в режим ускоренной перезаписи, то хорошо понимаете, что имеется в виду).
У этой проблемы есть единственное решение: записывать не один звук акустического инструмента, а много, начиная от самого низкого и кончая самым высоким. Запись звуков почти всех акустических инструментов существенно изменяется в тембре уже при транспозиции на 1 -1,5 тона. Поэтому для получения хорошей имитации такого инструмента с помощью сэмплирования необходимо записать по 4-6 звуков на каждую октаву, а затем с помощью фильтров и других специальных средств «сгладить» переходы между ними.
«Синтез звука», далее хотелось бы детальнее рассмотреть различные типы синтеза и их связь с базовым элементом синтезатора – звуковым генератором (англ., Oscillator). Повторно приведу и блок-схему «классического» синтезатора.
Так как блоки «классического синтезатора» были частично рассмотрены в предшествующей статье, я позволю себе некоторую вольность в порядке обращения к ним.
Итак, обозначим генератор (OSC), как нечто, формирующее базовый тембр синтезатора. В зависимости от используемого типа синтеза, генератор может работать различным образом.
Обратимся к описанию различных типов синтеза.
Основные функции сэмплеров, звуковая петля
Само слово «сэмшшрование» (англ, sampling) происходит от слова «sample», что означает «образец». Электронный инструмент, имеющий функции сэмплирования, называется, соответственно, сэмплером (sampler или sampling synthesizer). Записанный в память сэмплера или компьютера «образец» звука называется сэмплом (wavesample). Часто сэмплеры бывают встроены в звуковые карты и/или интегрированы с «волнотабличным» синтезатором, как это, например, сделано на карте Tropez Plus от Turtle Beach. Так что в дальнейшем под словом «сэмплер» будем подразумевать не только отдельный модуль типа Ensoniq ASR10, но и встроенные сэмплерные модули звуковых карт.
Любой сэмплер может проигрывать записанный в память («засэмплированный») звук на различной высоте, а также с разной громкостью. Однако здесь возникает проблема с третьим параметром - продолжительностью. Ведь если записан звук длительностью, например, 3 секунды, то как выдержать его 4 секунды, если это потребуется в музыкальной пьесе?
Здесь на помощь приходит один из основных приемов в технике сэмплирования - создание звуковой петли. В простейшем случае звуковая петля предполагает, что засэмплированный звук проигрывается от начала до конца не один раз, а много, причем сразу после его окончания воспроизведение начинается сначала. Однако, как известно, самое начало звука (атака, attack) у большинства акустических инструментов и по громкости, и по тембру резко отличается от стабильного участка (sustain), на котором тембр и громкость звука остаются более или менее постоянными. Таким образом, каждый раз при возвращении к началу сэмпла мы будем слышать резкое изменение звучания, порой даже со щелчком, который возникает из-за резкого перепада уровня амплитуды (рис. 2.15).
Кроме того, в конце сэмпла зачастую происходит постепенное затухание (fade out). Тембр звука также обычно постепенно меняется: например, у многих акустических инструментов при затухании звука постепенно исчезают верхние спектральные составляющие. Все это делает применение простой звуковой петли (от начала до конца сэмпла) в большинстве случаев неприменимым.
Достоинства и недостатки техники сэмплирования
Техника сэмплирования, как показала практика, наилучшим образом подходит для имитации акустических инструментов. Основные приемы этой техники позволяют довольно точно имитировать акустические инструменты и создавать необычные звуки на основе засэмплированного участка звуковой волны. На технике сэмплирования основаны так называемые «волнотабличные» (wavetable, WT) синтезаторы, в которых вместо звуковых генераторов используются готовые сэмплы. По этому принципу были построены, например, знаменитые синтезаторы ProTeus компании E-mu. WT-синтезаторы обычно встраиваются в звуковые карты для компьютеров и часто расширяются до полнофункциональных сэмплеров. Недостатком техники сэмплирования является большая сложность поиска оптимальных параметров звуковой петли. Более того, некоторые специалисты утверждают, что легко могут определить на слух присутствие даже очень «хорошей» сэм-плерной петли. При ее наличии звук приобретает периодическое громкостное «качание», придающее звуку некоторую неестественность. Такое «качание» легко услышать при прослушивании отдельного звука, однако оно совершенно незаметно в реальной музыкальной фактуре.