Статья «Синтез звука и работа с синтезаторами» от Тима Каустика уже познакомила читателя с некоторыми базовыми понятиями теории синтеза. Теперь можно переходить к более глубокому пониманию и осмыслению, как теоретических принципов, так и прикладных методов использования синтезаторов (эту статью можно было бы озаглавить «К начинающему маниакальному саунд-дизайнеру» :) ). Отмечу, что данный материал во многом является рассуждением о синтезе звука вообще и поэтому может быть применим практически к любому аппаратному или программному «устройству». В силу своих субъективных предпочтений, примеры звуков и их обработки буду приводить на устройствах из комплекта поставки Ableton Live 8 (но это не имеет принципиального значения, так как большинство элементов и обозначений одинаковы для всех синтезаторов - прим. ред).

Прежде, чем переходить к непосредственному рассмотрению вопроса, обратимся к теоретической базе. В своих рассуждениях я буду часто пользоваться некоторыми специфическими терминами, однако, постараюсь объяснить большинство из них (или привести какие-то конкретные примеры). Я сознаю, что музыка – объект творчества, однако, вместе с этим, синтез и синтезаторы имеют много общего с естественными науками.

Базовые понятия

Первый вопрос, который необходимо рассмотреть, касается описания характеристик синтезируемого звукового сигнала (звук в цифровых системах, фактически, представляет собой дискретный сигнал, квантованный по амплитуде, wiki). Сигнал, оцифрованный, с частотой 44100Гц и глубиной 16-бит имеет 44100 отсчетов (интервалов) в одной секунде. А глубина квантования говорит о том, как точно передается амплитуда сигнала. 16-бит означает, что амплитуда (громкость, см. далее) может иметь значение от 0 до 65535 (одно из 2^16 значений). Скажу, что, согласно теореме Найквиста, частота дискретизации равняется удвоенной полосе пропускания (это значит, что сигнал с частотой дискретизации 44100Гц может включать в себя диапазон частот 0-22050Гц).

Так, «Чем больше значения, тем лучше звук» (в теории – прим. ред). Однако, с увеличением значения этих параметров, возрастает потребность в  вычислительной мощности центрального процессора и аудио интерфейса. К тому же, возрастает потребность в более качественной системе контроля и студии звукозаписи с целью реального применения высокоточных сигналов.

Звуковой сигнал имеет несколько базовых характеристик:

Высота звука — характеристика звука как волны: частота колебаний воздуха. Это определение исходит из волновой теории звука, характеризующей звук, как упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. Частота звуковых колебаний измеряется в Герцах, Гц (англ., Hz, Hertz). Каждой ноте определенного звукоряда (строя) соответствует своя частота (wiki).

Частоту звука (гармонический состав сигнала), воспроизводимого тем или иным устройством можно оценить по спектру. Спектр сигнала получают путем разложения сложного по частотному составу сигнала на простые гармонические составляющие. Данный процесс, особенно в цифровых устройствах, производится с применением алгоритма БПФ, Быстрого Преобразования Фурье (англ., FFT, Fast Fourier Transform). Как правило, для звуковых сигналов спектр, за исключением отдельных случаев, ограничивается по горизонтали диапазоном слышимых частот.

На приведенном ниже рисунке показан спектр ноты Ля малой октавы. Поскольку в качестве формы волны (устройства Operator) был выбран чистый синус, на спектре присутствует лишь один четкий пик на частоте 220Гц, с относительной амплитудой -12дБ, по обе стороны от основной частоты наблюдается плавный спад амплитуды. Говоря о спектре, имею в виду динамический, жирную линию на графике. Более тонкая и менее интенсивная линия отражает усредненный спектр, которому внимание в контексте статьи не уделяется.

Рис.1 Спектр звукового сигнала (чистого синуса, англ., pure sine) частоты 220Гц (ноты Ля малой октавы, A2) в горизонтальном масштабе C-1 – C4; получен с помощью устройств Operator и Spectrum из Ableton Live 8; цвета изображения инвертированы для облегчения просмотра;

Полученный чистый синус частотой 220Гц (сразу отмечу, что этот и последующие звуковые фрагменты нормализованы до -3 дБ, поэтому при прослушивании звуковых материалов следует приглушить громкость динамиков):

Следует отметить, что человеческое ухо способно воспринимать сигналы в диапазоне 16Гц-22кГц. Однако существуют исследования показывающие, что человек также обладает особым «психоакустическим» способом восприятия колебаний воздуха. Это значит, что волны ультра- и инфразвукового диапазонов не регистрируются органами слуха, однако оказывают влияние на психоэмоциональное состояние человека, а в случае инфразвука, колебания воспринимаются другими органами чувств, как вибрация.

Длительность — одно из основных свойств музыкального звука, результат продолжительности колебания звучащего тела. Абсолютная длительность звука определяется мерами времени (секундами и т. п.). В музыке большое выразительное значение имеет относительная длительность звуков; сравнение её с длительностями других звуков является основанием сложных музыкально-логических связей, выражающихся, прежде всего, в ритме и метре (wiki).

Громкость звука — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы (wiki). Сегодня часто можно встретить описание громкости звука в единицах звукового давления — Децибелах, дБ (англ., dB, Decibel).

Децибел — Логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений. Характер отображения в органах чувств человека и животных изменений течения многих физических и биологических процессов пропорционален не амплитуде входного воздействия, а логарифму входного воздействия, поэтому и применяется логарфмическая единица. Уровень громкости звука — относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления, создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку). На рисунке изображено семейство кривых равной громкости, называемых также изофонами. Они представляют собой графики стандартизированных (ISO 226) зависимостей уровня звукового давления от частоты при заданном уровне громкости. С помощью этой диаграммы можно определить уровень громкости чистого тона какой-либо частоты, зная уровень создаваемого им звукового давления (wiki).

Рис.2 Семейство кривых равной громкости (изофон);

Для примера следует привести уровни звукового давления различных источников шума, дБ:

Cпокойное дыхание: 10; Шелест страниц 20; Шепот 30; Холодильник 40-43; Компьютер37-45; Кондиционер 40-45; Вытяжной вентилятор 50-55; Tелевизор, музыкальный центр на средней мощности 60; Электробритвы 60; Разговоры людей 66; Стиральные машины 68;

Радиоречь 70; Пылесосы 75; Детский плач 78; Игра на пианино 80; Электрополотеры 83; Радиомузыка 83; Перфоратор 90-95; Домашний кинотеатр на полную мощность 100-110;

Таким образом, на данном этапе следует резюмировать, что формируемые звуки могут обладать тремя базовыми характеристиками: высотой, длительностью и громкостью.

«Конечно, настоящая мощь синтеза заключается в возможности формирования абсолютно новых звуков и в развитии путей манипуляции их параметрами. В большинстве музыкальных композиций, даже в сегодняшний век дешевых и мощных цифровых синтезаторов, задействуется лишь малая толика от всего многообразия доступной звуковой палитры. Множество музыкантов просто переключают пресеты (от англ. Preset) до тех пор пока не найдут подходящий, а затем используют его без каких-либо изменений» (Dave Benson: Music, A Mathematical Offering, перевод автора).

Поскольку определение синтезатора уже было дано в статье «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.

Рис.3 Устройство 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.

Аддитивный синтез

Музыкальный тембр состоит из нескольких гармоник. Гармонический состав звука может меняться с течением времени. При аддитивном синтезе используется несколько генераторов, настроенных на частоту целочисленных множителей основной (фундаментальной, англ. Fundamental) частоты. При этом каждый генератор может иметь собственную амплитудную огибающую для создания звуков, приближенных к «натуральным» (динамически изменяющихся с течением времени). Стоит заметить, что в некоторых случаях к звуку могут добавляться негармоничные составляющие, опять же с целью внесения в звучание «натуральной» компоненты (wiki, перевод автора).

Постараемся рассмотреть пример аддитивного синтеза на базе синтезатора Operator из Ableton Live 8. Прежде всего, проведем краткий обзор его интерфейса.

Рис.4 Интерфейс программного синтезатора Operator, секция генератора A (OSC A);

На данный момент интерес представляют следующие параметры настройки Operator:

• Coarse (Coarse Frequency) – базовая (англ., fundamental) частота генерируемого звукового сигнала. Отмечу, что значение этого параметра представляет собой множитель, на который умножается частота подаваемой на вход синтезатора MIDI-ноты. Если сыграть на MIDI-клавиатуре ноту Ля малой октавы (A2), на вход синтезатора подается соответствующий MIDI-код, после этого код сопоставляется частоте и частота умножается на значение параметра Coarse. В положении Coarse=1 никаких изменений не вносится;
  
  
• Fine – при помощи этого парамтра производится подстройка тона генератора. Значение Fine может лежать в диапазоне 0-1000, при этом значение Coarse=1 в сочетании с Fine=1000 аналогично значению Coarse=2. Таким образом, чтобы сместить тон генератора на один полутон (semitone) вверх, необходимо установить значение Fine равным 1000/12=83.3 (на два полутона – 166.6 и т.д.);

Звуковой пример линейного возрастания параметра Fine от 0 до 1000, при Coarse=1 и базовой частоте 220Гц:

• Fixed – при активизации переключателя Fixed, генератор будет формировать тембр заданной частоты (вне зависимости от поданной на вход MIDI-ноты). Частота задается при помощи переключателя Coarse, который при включении Fixed меняет размерность (10-2000Гц);
  
  
• Level – относительный (относительно других генераторов) уровень генератора A в дБ;
  
  
• Переключатель A – включает/выключает генератор A;

Еще одним ключевым параметром является Phase, расположенный на Рис.4 в окне параметров справа от секции генераторов. Его значение, установленное в 0% в сочетании с активным переключателем R (retrig.) говорит о том, что при каждом нажатии клавиши, сигнал «запускается» с нулевым фазовым сдвигом;

Помимо активной секции генератора на Рис.4 видно и другие, неактивные секции, Pitch Env (огибающая генератора), Filter (секция фильтра) и LFO (секция низкочастотного генератора). Эти блоки можно обнаружить на схеме «классического» синтезатора (Рис.3), а их применение частично рассмотрено в предшествующей статье. Помимо секции генератора, фактически, при такой настройке Operator задействованы и другие функциональные блоки синтезатора: микшер и огибающая усилителя (Рис.4).

Огибающая усилителя настроена достаточно тривиальным образом, значение Attack=0.00ms говорит о том, что воспроизведение сигнала начинается сразу же с максимальной амплитуды (относительного уровня в 0дБ для генератора A, задаваемого параметром Peak; амплитуда возрастает от значения Initial в –inf dB, тишины, до значения Peak за 0 миллисекунд). Если клавишу на MIDI-инструменте оставить зажатой, то звук продолжит воспроизводиться с максимальной амплитудой, об этом свидетельствует значение параметра Sustain=0dB. Фаза Decay в данном случае не имеет никакого смысла, поскольку начальный и конечный уровни для этой фазы одинаковы (значения Peak и Sustain).

Итак, для того, чтобы продемонстрировать аддитивный синтез, «соберем» звуковой сигнал из различных составляющих. Отмечу, что Operator для этого должен работать в режиме, при котором генераторы не оказывают друг на друга никакого воздействия (не находятся в цепи FM/AM и т.д.).

В качестве базовой частоты, возьмем 220Гц, уже упоминавшуюся ноту Ля малой октавы A2 (с использованием генератора A с настройками по умолчанию, Coarse=1). Для того чтобы звуки находились в гармоническом отношении друг к другу, воспользуемся целочисленными множителями (значениями Coarse) базовой частоты.

Приведем в действие генератор B, установим значение Coarse=2, означающее, что частота генератора B будет в два раза больше частоты генератора A,  то есть они будут звучать с интервалом в октаву (значение Level для генератора B установим равным -6дБ);

Для внесения некоторого гармонического разнообразия в тембр, произведем расстройку генератора B, установив параметр Fine в значение 7; Теперь интервал между двумя генераторами составляет чуть больше октавы, на слух это ощущается как эффект биения.

Рис.5 Графическое отображение измененных параметров настройки Operator;

Сыграем ноту A2 на MIDI-клавиатуре и отследим изменения спектра.

Рис.6 Спектр получившегося сигнала (тембра); горизонтальный масштаб C1-C5; пики расположены на частотах 220Гц и 444Гц; амплитуды пиков -12дБ и -18дБ соответственно; по обе стороны от пиков наблюдается плавный спад амплитуды;

Полученный тембр звучит следующим образом:

Рис.7 Спектр сформированного сигнала (тембра); горизонтальный масштаб: логарифмический 0-1000Гц;

Итак, приступим к «осознанному» спектральному анализу. Левый пик, соответствующий более низкому тону располагается на частоте 220Гц – это базовая частота генератора A, самый низкий тон в сигнале воспринимается человеком как нота звучания. Правый пик располагается на частоте 444Гц, это обусловлено тем, что базовая частота генератора B увеличена вдвое, плюс к ней применяется небольшая подстройка, увеличивающая тон генератора B еще на 4Гц. Однако на графике, изображенном на Рис.6 видно лишь, что пики соответствуют нотам A2 и A3 соответственно (в масштабе полутонов величина смещения в 4Гц практически не заметна).

Такой тембр является очень простым, но наглядно демонстрирует принцип аддитивного синтеза. Следует отметить, что для получения подобного тембра с использованием другого устройства необходимо использовать два генератора с pure sine волной. Один из этих генераторов должен быть настроен на октаву выше другого, на 6дБ тише (если синтезатор предусматривает такую возможность) и, вдобавок, должна быть произведена незначительная расстройка «верхнего» генератора. Направление смещения тона верхнего генератора в данном случае большой разницы не имеет.

Если попробовать поиграть различные мелодические партии, включая и отключая второй генератор, можно более явно заметить гармоническое разнообразие между тембрами. Примером этого может являться следующий звуковой фрагмент (луп на 8 баров в тональности Cm (блюзовая пентатоника, MPC Swing 16 55%), первые 4 бара второй генератор отключен):

Еще одним примером служит этот музыкальный фрагмент, сделанный при помощи арпеджиатора, в нем второй генератор подключается и отключается с четным и нечетным баром соответственно:

 На практике под аддитивным синтезом понимается получение гораздо более сложных звуков, однако это не подразумевает использование десятка-другого генераторов. Отличные от синуса формы волны являются гораздо более насыщенными гармонически, поэтому их сложение приводит к более «интересным» результатам. При этом совсем необязательно смещать тон второго (и последующих) генераторов. Более сложные вариации с блоком генераторов Operator (в контексте аддитивного синтеза) будут подробно рассмотрены в статье, посвященной отдельно этому устройству. Далее перейдем к рассмотрению следующего типа синтеза.

Субтрактивный синтез

Субтрактивный синтез — метод вычитания гармонических составляющих из аудио сигнала посредством применения аудио фильтра. Например, посредством вычитания высокочастотных составляющих из пилообразной волны low-pass фильтром, можно получить более «натуральное» и мягкое звучание, чем звучание этой же волны отдельно (wiki, перевод автора). При таком типе синтеза к изменению доступны такие параметры как: форма волны (одного или нескольких генераторов), частота среза и резонанс (на уровне частоты среза) фильтра.

Думаю, что на этом этапе следует привести информацию об основных типах фильтров.

Фильтр, прежде всего, позволяет оперировать частотным составом воспроизводимого сигнала — его спектром. Некоторая информация о том, что собой представляет спектр, уже была представлена выше, надеюсь, что это подготовило Читателя к более близкому с ним знакомству.

Спектр (лат. spectrum от лат. specter — виде́ние, призрак) в физике — распределение значений физической величины (обычно энергии, частоты или массы). Графическое представление такого распределения называется спектральной диаграммой. Обычно под спектром подразумевается электромагнитный спектр — спектр частот (или, что то же самое, энергий квантов) электромагнитного излучения (wiki).

Рис.8 Спектр волны Sw16 устройства Operator; базовая частота 220Гц; гор. масштаб C-1 – C8;

Фактически, спектр отражает частоты и громкости (амплитуды) гармоник, присутствующих в сигнале.

Как уже было отмечено выше, в программных синтезаторах, зачастую, манипуляции со спектральными характеристиками производятся через БПФ в режиме реального времени. Быстрое преобразование Фурье — это быстрый алгоритм вычисления дискретного преобразования Фурье. В свою очередь, дискретное преобразование Фурье — преобразование для дискретной формы представления числовых массивов данных. И, наконец, само преобразование Фурье — это операция, сопоставляющая функции вещественной переменной другую функцию вещественной переменной. Эта новая функция описывает коэффициенты («амплитуды») при разложении исходной функции на элементарные составляющие — гармонические колебания с разными частотами (wiki).

Однако оставим рассуждения о природе преобразования и обратимся к «плодам» его использования. Поскольку в спектре отражены амплитуды различных гармоник, путем манипуляций со спектром эти амплитуды можно изменять, тем самым, вносить изменения в воспроизводимый сигнал (если в устройстве реализован механизм «обратной связи» между спектром сигнала и самим сигналом, фактически фильтрация может работать через z-преобразование, с сохранением исходных фаз).

Обратимся к Рис.8  и снова проведем спектральный анализ. Аббревиатура Sw16 расшифровывается как Sawtooth 16 (такая форма волны включена в огромное множество синтезаторов). Sawtooth – «пила», пилообразная форма волны (основные типы волн были также описаны в статье «Синтез звука и работа с синтезаторами»).

Число 16 говорит о том, сколько гармонических составляющих входит в тембр. Число составляющих, равное 16 – то же самое, что 15 обертонов (обертонами называются гармонические составляющие спектра сигнала без учета базовой частоты). Sw16 значит, что в формировании тембра участвует 16 гармоник, являющихся произведением базовой частоты на целочисленные множители.

При этом, забегая вперед, скажу, что «пила» заключает в своем тембре как «четные» так и «нечетные» гармоники. Амплитуды гармоник начинаются с -12 дБ и заканчиваются в районе -36 дБ. При этом не все гармоники четко соотносятся с нотами, т.е. могут являться диссонантными в случае одновременного звучания A2 с другой нотой. За счет того, что их уровень ниже уровня основной частоты, их «вклад» в общий тембр воспринимается как «гармоническое насыщение». А тон такого тембра распознается человеческим ухом по самому левому пику, на частоте 220Гц, как нота Ля малой октавы.

Кстати, если присмотреться к первым двум пикам в спектре, можно «узнать» сигнал, сформированный в разделе, посвященном аддитивному синтезу. То есть, пилообразный сигнал можно получить путем сложения нескольких синусов, имеющих частоты, равные произведению базовой частоты генератора на целочисленные множители.

Интересный эффект наблюдается сразу после 15-го обертона в тембре (многочисленные пики, которые с повышением частоты становятся более хаотичными). Это ни что иное, как цифровой шум – «неточность» в формировании тембра, характеризующая соотношение сигнал/шум для конкретного состояния синтезатора. Численно это соотношение можно выразить как разницу между минимальным значением амплитуды полезного сигнала (тембра) и максимальным значением амплитуд шума. Разница по модулю между -36дБ и -132дБ составляет 96дБ. Это число и характеризует соотношение сигнал/шум.

Еще одним любопытным применением спектроанализатора может являться, к примеру, выделение тонов, входящих в засемплированный аккорд, особенно, если специфические гармонические составляющие этого аккорда приглушены и не распознаются на слух, но при этом, вносят изменения в сигнал, делая его более насыщенным. Или, если некоторый сэмпл или звук сильно зашумлен, можно попытаться выделить в нем тональные составляющие, чтобы гораздо «ровнее» включить его в микс (с использованием транспонирования, в случае необходимости). В принципе, даже если сэмпл представляет собой шум, можно попытаться выделить в нем стационарные компоненты, опять же для более «плавного», консонансного звучания в миксе.

Рис.9 Спектр мажорного трезвучия от Ля малой октавы (A2, 220Гц); гор. масштаб C-1 – C4;

При использовании одного генератора с Coarse=1 и базовой частотой 220Гц получим трезвучие:

Рис.10 Выделение мажорного трезвучия от A2 (220Гц) в зашумленном сигнале; горизонтальный масштаб C1 - C6;

При добавлении к сигналу шума тембр изменился, тональные составляющие стали менее различимы (привожу два варианта, один без отсечения высоких частот, опасный 8), а другой с LP24 фильтром на 2кГц):

Рис.11 Спектр стационарного шумового сигнала с резонансной областью в окрестности Ля малой октавы (A2, 220Гц);

Звуковой фрагмент шума с ярко выраженной резонансной областью в районе 220Гц (получен с применением BP фильтрации белого шума):

Фильтры

Итак, блоки фильтров позволяют вносить изменения в гармонический состав тембра. Каким образом это происходит? Важным параметром любого фильтра является частота среза, однако значение этого параметра по-разному влияет на поведение различных типов фильтров. На данный момент постараемся рассмотреть несколько наиболее часто используемых типов фильтров (в т.ч. присутствующих в Operator).

• Low-Pass фильтр (например LP12, LP – тип фильтра, число — добротность фильтра в дБ/октаву, фактически, добротность отражает «крутизну» склона передаточной функции фильтра, качество подавления частотного диапазона, на слух LP24 воспринимается как более глубокое подавление частот по сравнению с LP12). LP - Фильтр нижних частот (ФНЧ) — электронный или любой другой фильтр, эффективно пропускающий частотный спектр сигнала ниже некоторой частоты (частоты среза), и уменьшающий (или подавляющий) частоты сигнала выше этой частоты. Степень подавления каждой частоты зависит от вида фильтра. К примеру, для звуковых волн твёрдый барьер играет роль фильтра нижних частот — например, в музыке, играющей в другой комнате, легко различимы басы, а высокие частоты отфильтровываются. Точно так же ухом воспринимается музыка, играющая в закрытой машине (wiki). Соответственно, в контексте синтезаторов, в воспроизводимом сигнале отсекаются все гармонические составляющие выше частоты среза, что позволяет сделать звук более мягким («глухим»).
  
  
• High-Pass фильтр (например, HP12), или Фильтр верхних частот (ФВЧ) — электронный или любой другой фильтр, пропускающий высокие частоты входного сигнала, при этом подавляя частоты сигнала меньше, чем частота среза. Степень подавления зависит от конкретного типа фильтра. Принцип действия такого фильтра аналогичен Low-Pass, с той лишь разницей, что пропускаются/подавляются различные диапазоны частот. При использовании HP фильтра в воспроизводимом сигнале отсекаются все частоты ниже частоты среза. Это часто бывает удобно для подавления низкочастотных составляющих некоторых тембров (wiki).
  
  
• Band-Pass фильтр (например, BP12), подавляет все частоты кроме некоторого диапазона «в окрестности» частоты среза. Фактически, такой фильтр можно представить как комбинацию LP и HP фильтров (такой фильтр имеет «холмообразную» форму передаточной функции).

Отдельно отмечу параметр Resonance фильтров, присутствующих в синтезаторах. Не углубляясь в теоретические основы, скажу, что на слух этот параметр воспринимается как более четкое присутствие частоты среза (и её окрестности) в сигнале. То есть, форма передаточной функции фильтра изменяется таким образом, что в «районе» частоты среза появляется дополнительный плавный пик, делая её более «отчетливой» для восприятия (амплитуда гармоник в этой части спектра возрастает, тем самым создавая ощущение большей «плотности» звука в «окрестности» частоты среза). В таком случае говорят, что спектральная плотность воспроизводимого звука возрастает в окрестности частоты среза фильтра.

Теперь применим теоретические знания на практике, постараемся изменить частотный состав тембра синтезатора при помощи различного рода фильтров. Первое, что следует сделать – это включить секцию фильтра того синтезатора, с которым будем работать. После включения фильтр сразу же становится активным и влияет на спектр сигнала (поскольку в фильтре всегда есть значения по умолчанию).

Рис.12 Секция фильтра устройства Operator;

На Рис.12 отражены различные параметры секции фильтра. Основные выводы на базе этого изображения следующие: фильтр включен, поскольку индикатор секции фильтра является активным, тип фильтра установлен как Low 12dB (т.е. LP12) – это можно заметить в выпадающем списке справа от индикатора включения фильтра. Частота среза (параметр Freq, от англ. Frequency – частота) установлена равной 100Гц, а параметр резонанса (Res, от англ. Resonance – резонанс) равен единице. Заметьте, что в окне параметров фильтра значение Envelope=0% говорит о том, что огибающая фильтра не используется (т.е. фильтр не модулируется огибающей).

Графически вариации параметров фильтра отображаются на X-Y дисплее в окне параметров Operator. В данном случае видно, что передаточная функция имеет плавный спад, начинающийся с частоты среза, это говорит о довольно мягком характере подавления частот в спектре.

В качестве «подопытного» выберем сигнал, сформированный на этапе описания принципов аддитивного синтеза.

Для начала посмотрим, какие изменения происходят в спектре сигнала, если отфильтровать его LP12 фильтром с частотой среза 100Гц и параметром резонанса равным 1 (для устройства Operator).

Рис.13 Спектр отфильтрованного сигнала LP12 фильтром; базовая частота – 220Гц (Ля малой октавы, A2); дополнительный пик на частоте 444Гц (см. аддитивный синтез); частота среза 100Гц, значение параметра резонанса – 1; гор. масштаб C0-C6;

Звуковой фрагмент, отражающий изменение разницы амплитуд гармоник 220Гц и 444Гц:

Что же следует отметить исходя из Рис.13?

Частотный состав тембра остался прежним, однако изменились амплитуды входящих в его состав гармоник. Так, амплитуда пика 220Гц изменилась с -12дБ до -24дБ. А амплитуда пика 440Гц изменилась с -18дБ до -42дБ. Поскольку частота среза фильтра близка к 110Гц (нота Ля большой октавы, A1), наблюдается интересное явление.

Если бы в спектр исходного тембра входил также пик на частоте 110Гц, с установленной внутри Operator относительной громкостью в 0дБ, то его амплитуда не изменилась бы (осталась бы на уровне -12дБ для этого конкретного графика). А вот дальше вся ситуация повторилась бы. Нота A2 находится на октаву выше, чем A1, поэтому амплитуда гармоники 220Гц уменьшилась на 12дБ. Нота A3 находится выше на две октавы, чем A1, поэтому амплитуда гармоники 440Гц уменьшилась на 2*12=24дБ.

Действительно, фильтр подавляет частоты выше частоты среза, при этом добротность составляет 12дБ на октаву. Следует сказать, что на графике, приведенном на Рис.13, присутствует некоторая неточность, поскольку он построен для частоты 100Гц, а не 110Гц.  Соответственно точное изменение амплитуд гармоник происходит на частотах 200Гц и 400Гц, на 12дБ и 24дБ.

С использованием разных типов LP фильтра меняется его передаточная функция. Фактически изменения заключаются в «плавности» среза высоких частот. Но здесь конечно лучше один раз услышать, чем сто раз увидеть, поэтому призываю Читателя включить любой синтезатор, снабженный фильтром, и как следует «покрутить крутилки».

Теперь постараемся отследить изменения спектрального состава тембра при использовании HP24 фильтра со следующими параметрами: частота среза настраиваемая, резонанс на уровне 1, отсутствие модуляции огибающей. Фильтр с добротностью 24дБ/октаву применим для того, чтобы результат фильтрации был более «прозрачным». Конечной целью данного «эксперимента» является достижение увеличение амплитуды гармоники 444Гц по сравнению с гармоникой 220Гц с использованием Hi-Pass фильтрации.

Рис.14 Спектр отфильтрованного сигнала HP24 фильтром; базовая частота – 220Гц (Ля малой октавы, A2); дополнительный пик на частоте 444Гц; частота среза 726Гц; значение параметра резонанса – 1; гор. масштаб C1-C6;

Рис.15 Секция фильтра устройства Operator с параметрами, реализующими спектр на Рис.14

Звуковой фрагмент, отражающий увеличение уровня пика 444Гц (выше уровня гармоники 220Гц):

Для того чтобы достичь желаемого эффекта в этот раз я ничего не прикидывал, а просто изменял параметр Freq с помощью энкодера MIDI-контроллера. Начинать можно с любого направления (0->18.5кГц, 18.5кГц->0) и пользоваться динамическим спектром. Когда правый пик в спектре тембра достиг относительного уровня в -36дБ я остановился. При этом частота среза находилась в окрестности 726Гц. Амплитуда второго пика при такой частоте среза составила -55дБ (разница составила 19дБ). Таким образом, мы добились желаемого результата - изменили соотношение амплитуд гармоник в спектре тембра путем фильтрации.

Как видно из Рис.15 , передаточная функция фильтра с добротностью 24дБ/октаву имеет более резкий спад на частоте среза. Также (на Рис.14) заметны первые амплитудные выбросы шумов, расположенные на плавном спаде пика 444Гц. Для проведения аналогичных вычислений (как для LP12) фильтра, необходимо производить расчеты «справа», начиная с более высокой частоты, поскольку передаточная функция HP фильтра выглядит практически зеркальной по сравнению с LP.

Band-Pass (BP) фильтрация сочетает в себе одновременное применение LP и HP фильтров. Таким образом, при BP фильтрации фильтр не подавляет частоты только в определенной полосе (пропускает частоты в этой полосе). Полосовая фильтрация часто применяется как эффект в различных музыкальных направлениях.

Данный музыкальный фрагмент сформирован из уже встречавшегося в этой статье лупа на 8 баров, отличием является лишь то, что к сигналу применяется BP фильтрация, при этом BP фильтр отдельно модулируется LFO.

Вместо заключения

Мне еще, безусловно, есть, что рассказать и я буду стараться делать это на протяжении последующих статей. Мне были бы очень интересны замечания и комментарии к моему тексту. Это касается как общей стилистики, так и смыслового содержания. В последующих статьях я планирую рассмотреть другие типы синтеза и параметры синтезаторов.

Благодарю за внимание!

Lekktro Flight Project