Синтез — процесс (как правило — целенаправленный) соединения или объединения ранее разрозненных вещей или понятий в нечто качественно новое, целое или представляющее набор. Термин происходит от греч. σύνθεσις — совмещение, помещение вместе (σύν — с, вместе и θεσις — положение, помещение).

Синтезатор — электронный музыкальный инструмент, создающий (синтезирующий) звук при помощи одного или нескольких генераторов звуковых волн.

Требуемое звучание достигается за счёт изменения свойств электрического сигнала (в аналоговых синтезаторах) или же путём настройки параметров центрального процессора (в цифровых синтезаторах).

Синтезатор, выполненный в виде корпуса с клавиатурой, называется клавишным синтезатором. Синтезатор в виде корпуса без клавиатуры называется синтезаторным модулем и управляется от MIDI-клавиатуры. В случае если клавишный синтезатор оборудован встроенным секвенсором, он называется рабочей станцией. Синтезатор в виде компьютерной программы, использующей универсальную звуковую плату для озвучивания и стандартные средства ввода-вывода (компьютерные клавиатуру, мышь, монитор), называется программным синтезатором.

Гласит Wikipedia

Введение

Наш прошлый материал был посвящен истории синтезаторов. Там было рассказано о том, как зарождались первые предки современных инструментов, как двигался прогресс в течении более чем века и к чему все это в конечном итоге привело.

Сегодня синтезатор уже давно не роскошь, а благодаря постоянному совершенствованию технологий и их программные аналоги уже достигли вполне приемлемого качества звучания, и, казалось бы – нам стал доступен богатейший инструментарий, о котором еще даже пять лет назад многие из нас могли только мечтать.

Но имеется одна небольшая проблема: обложившись кучей новомодных VST-плагинов, очень многие из нас не знают, что в действительности делает та или иная ручка синтезатора, и имеют лишь смутное представление о том, как он, синтезатор, вообще работает. Очень многие из этих людей в конечном итоге все-таки находят нужный звук и подкручивают его под свои нужды, но происходит данный процесс больше методом тыка и проб.

А корень данной проблемы лежит в отсутствии нужной информации в достаточном для того объеме и форме. Когда я в свое время озадачился данным вопросом, мне пришлось очень долго и кропотливо собирать нужную информацию урывками из самых различных мест. И до последнего момента ситуация оставалась прежней.

В ходе нынешнего материала я постараюсь пролить немного света на все основные моменты, связанные с синтезаторами и синтезом звука. Сегодня мы расскажем о том, что же такое синтезатор, как они появились, какие разновидности синтезаторов и виды синтеза бывают, а также о том, как синтезируется звук, в теории и на практике.

Все нижеописанное применимо как к железным синтам, так и к их программным аналогам (VST, AU), так как последние в точности имитируют реальные устройства и работают по тем же алгоритмам.

Дабы вести изложение более понятно мы используем в качестве примера программный синтезатор Rob Papen Predator, существующий как в VST-, так и в AU-вариации. Этот синтезатор имеет все необходимые возможности, элементы и достаточно простой интерфейс. А разбирая теорию синтеза и подкрепляя ее практикой, мы сможем лучше понять и наглядно представить, как же все это работает.

Но для начала мы разберем некоторые общие принципы.

Аддитивный и субрактивный синтез

Для начала разберем два самых распространенных типа синтеза звука, применяемые в подавляющем большинстве современных синтезаторов – это аддитивный (additive) и субтрактивный (subtractive) методы синтезы. Эти два вида синтеза являются классическими, так как именно они применяются во всех аналоговых синтезаторах (так как другие, более новые виды синтеза, которые мы рассмотрим чуть ниже, являются исключительно цифровыми).

Аддитивный метод синтеза был самым первым и является основным и самым распространенным одновременно. Он применяется практически во всех существующих синтезаторах, имеющих несколько генераторов волны (оссоциляторов).

Получивший свое название от английского add – складывать, данный метод основывается на сложении волн нескольких генераторов. В основу метода легла теорема Фурье, суть которой заключается в том, что любое периодическое колебание можно представить в виде суммы синусоидальных колебаний различной частоты и амплитуды.

Субтрактивный метод синтеза получил свое название от английского subtract – вычитать. Суть метода заключается в получении нового тембра путём вычитания составляющих в спектре первоначального колебания. Сначала формируются основные колебания как можно более развитого и богатого тембра (такими колебаниями можно назвать пилообразные, прямоугольные и треугольные волны против простой и гладкой синусоиды), далее колебание проходит через частотный фильтр, при помощи которого мы можем выделить нужные именно нам частотные составляющие.

Оба этих метода, и аддитивный и субтрактивный, как правильно, применяются вместе и дополняют друг друга в рамках одного прибора в подавляющем большинстве современных синтезаторов и VST-инструментов.

Это классика синтеза, и о том, как все это работает на практике мы и поговорим перед тем, как рассматривать другие методы синтеза.

Устройство классического синтезатора

Перед тем как разбирать по отдельности модули синтезатора и предназначение каждого из них, давайте пройдемся по схеме синтезатора и посмотрим, из каких блоков он состоит, откуда берет начало сигнал и через что он проходит. Итак, взглянем на блок-схему синтезатора в типичном его виде:

На первый взгляд схема может испугать, но если немного разобраться с тем, что же конкретно делает каждый из этих блоков, картина становится намного более прозрачной.

Итак, что же происходит после нажатия на клавишу? Первоначальная волна заданной формы, длины и тональности формируется в генераторах (оссоциляторах). Далее сигналы с генераторов микшируются в соответствии с заданными для каждого оссоцилятора настройках громкости и попадают на первичную обработку, состоящую из частотного фильтра и генератора LFO, который отвечает за автоматическое периодическое изменение каких-либо параметров по заданному алгоритму.

После этого звук попадает в усилитель, в котором при помощи кривой огибающей ему придается конечная форма (будет он протяжным и жирным, либо коротким и точечным, будет он входить резко или плавно). И, в самом конце уже сформированный звук попадает на обработку эффектами, если они в синтезаторе присутствуют.

Это была очень общая картина, которая дает нам возможность лишь в общих чертах представить схему формирования звука. Но для понимания того, как настраиваются те или иные блоки и как они вообще работают, предлагаю пройтись по каждому из них (кроме, пожалуй, процессора эффектов) более подробно.

Генераторы (оссоциляторы)

Любой синтезатор имеет несколько основных генераторов волны – оссоциляторов. В рассматриваемом нами инструменте (напомню, что в качестве примера мы рассматриваем VST-инструмент Rob Papen Predator) их три. Оссоцилятор создает базовую волну нужной формы и тембра. Основными формами простой волны являются:

	Синусоида (Sine). Дает мягкий и гладкий звук.
	Пилообразная (Saw). Дает жесткий и едкий звук пилящий звук, хорошо знакомый нам по такому стилю как Electro-House.
	Прямоугольная (Square). По звучанию эта форма волны схожа с пилообразной, но выдает еще более злой и едкий звук.
	Треугольная (Triangle). Также имеет нечто общее с пилообразной волной, но имеет более приглушенное и мягкое звучание. Нечто среднее между синусом и пилой.
	Белый шум (White Noise) – не является простой волной в классическом ее понимании, но повсеместно и часто используется. Звучит как ровное шипение и не играется по нотам. Очень часто применяется в чистом виде в таких популярных ныне стилях как Minimal Techno и Tech-House. Также при помощи белого шума мы можем синтезировать такие спецэффекты как, например шум ветра.

Каждый оссоцилятор имеет такие основные параметры как высоту (обычно представлена в виде двух регуляторов: Semi – тон, Fine – полутон) и громкость, с которой выдаваемый звук пойдет на микшер синтезатора. При этом высота звука задается относительно поступившей ноты и по умолчанию выставлена на нулевое значение.

Смешивая различные виды волн с разных оссоциляторов можно существенно обогатить новыми гармониками первоначально простой звук, а разбрасывая оссоциляторы по тональности можно легко добиться эффекта звучания аккорда.

Давайте создадим каждую из приведенных форм в нашем синтезаторе Rob Papen Predator и послушаем, как же они звучат на практике.

Для начала загрузим пустой пресет, для этого нужно кликнуть по полю Preset и выбрать Default Preset. Перед нами предстанет пустой пресет с одним активным оссоцилятором, в котором выбрана синусоидальная волна:

Также на инструменте по умолчанию активирован низкополсный фильтр, который надо отключить. Для этого в поле выбора типа фильтра необходимо вместо LP24 поставить Bypass.

Теперь мы можем послушать, как звучит в чистом виде каждый из типов волны.

Кликнув по полю выбора волны (там, где сейчас написано Sine) вы можете выбрать из длинного списка нужную нам форму, все они находятся в списке Waves 1-32 вверху. Выберите по очереди разные типы волн (Saw, Square, Triangle, W. Noise) и послушайте как они звучат в чистом виде.

Также вы можете активировать два других оссоцилятора и попробовать смешать разные типы волн.

Очень важно представлять себе как они звучат, причем, слушая результат на разной высоте, ведь одна и та же волна может звучать и как бас и как высоко-пищщательный лид, а в случае если немного подкрутить фильтр и повесить пару эффектов в обработку – то и как глубокий мягкий пэд.

Фильтр

Далее полученные сигналы отправляются на частотный фильтр, при помощи которого из их суммы извлекается нужный спектр. Фильтры в свою очередь бывает трех основных типов:

1.      Фильтр низкой полосы (Lowpass). Срезает частоты, расположенные выше установленной частоты.

2.      Фильтр высокой полосы (Highpass). Срезает частоты, расположенные ниже установленной частоты.

3.      Полосовой фильтр (Bandpass). Оставляет только заданный частотный диапазон.

4.      Режекторный фильтр (Notch). Вырезает частоты в заданном частотном диапазоне

По умолчанию в нашем синтезаторе выбран низкополсный фильтр с шириной среза 24дб/окт. При рассмотрении оссоциляторов мы его отключили, но теперь можем вернуть обратно: для этого выберите в поле типа фильтра LP24.

Основными параметрами фильтра являются частота среза – Cutoff и его резонанс (Resonance). Cutoff определяет частоту, относительно которой будет производиться срез, а параметр Resonance создаст небольшой подъем уровня полосы непосредственно перед частотой среза.

В случае с низкополсным фильтром будет вырезан весь спектр частот, лежащих выше частоты среза. По умолчанию частота Cutoff стоит на максимальном своем значении в 20,5 КГц и фильтр урезает лишь самые верхние частоты, а резонанс фильтра стоит в нулевом положении, что означает отсутствие подъема перед срезом.

Обязательно поэкспериментируйте с различными видами фильтров и их значениями, послушайте, как изменяется звучание.

Огибающая (Envelope) усилителя и фильтра

После прохождения через фильтр, сигнал отправляется прямиком на усилитель (Amplifier), где и приобретает свою конечную форму. Здесь присутствуют ручки настройки огибающей (Envelope) – Attack, Decay, Sustain, Release, при помощи которых мы можем сделать наш звук более коротким и точечным, либо напротив более длинным и тягучим, добавив, либо, прибрав ему громкость на определенных его участках.

Давайте разберемся чуть подробнее, как это работает.

Итак, на огибающей выделяют четыре основных участка:

1. Атака (Attack, A) — период начального нарастания громкости сигнала. Время, нужное для того, чтобы громкость ноты достигла своего максимального уровня.
   
   
2. Спад (Decay, D) — период ослабления сигнала после начального нарастания. ремя, в течение которого происходит переход от максимального уровня к уровню.
   
   
3. Плато (Sustain, S) — период постоянной силы сигнала. описывает уровень звука, играемый во время удержания клавиши (после того как первые две составляющие уже отыграли).
   
   
4. Затухание (Release, R) — период окончательного затухания сигнала, определяет время нужное для окончательного спада уровня ноты до нуля, после того как клавиша отпущена.

По первым буквам английских названий участков огибающей её для краткости обозначают как ADSR. Это обозначение можно встретить на многих инструментах.

Давайте немного разберемся, как применить эти регуляторы на практике.

Атака отвечает за начальный участок звучания, при нулевом положении звук начнет играть сразу же с необходимой громкостью, повышение же атаки позволит сделать его вход более мягким и плавным. Повышение времени атаки позволит убрать, например горбик, всегда присутствующий в начале звучания синусоидального сигнала:

Добавим 10 миллисекунд к атаке и горбик исчез:

Параметры Decay и Sustain отвечают за «тягучесть» звука – при больших значениях этих параметров звук будет звучать ровно и не затухая на всей длине ноты. Уберем Sustain и наш звук, первоначально протяжный и звучавший целый такт стал точечным:

Теперь его можно использовать, скажем, в перкуссионной роли.

Release позволяет создать хвост уже после завершения звучания, дабы звук не обрывался резко, однако при больших значениях Release мы можем создать искусственный длинный хвост. Давайте послушаем как это звучит.

С полностью убранным релизом:

С продленным релизом:

Если вы обратили внимание, фильтр также имеет настройки огибающей, при помощи которых мы можем определить, на каких участках фильтр будет срабатывать глубже, а на каких меньше. Участки здесь все те же самые.

Модуляция

Перед тем как вести дальнейшее рассмотрение модулей современных синтезаторов и для лучшего понимания принципов их работы мы немного отойдем в сторону и разберем такое явление как модуляция. Что же скрывается за этим термином и какое он имеет отношение к синтезу?

Итак, под термином «модуляция» (от лат. modulatio - мерность, размерность) музыканты понимают смену тональности композиции, а в физике, да и в частности электронике, это процесс изменения одного или нескольких параметров колебания под действием информационного низкочастотного сообщения. А проще говоря, это процесс изменения параметров одного сигнала под действием другой волны, имеющей более низкую частоту и задающей форму изменения.

Начнем с очень простого примера – амплитудной модуляции. В этом случае амплитуда управляемого сигнала будет изменена по форме управляющей волны.

В случае со звуком, как мы хорошо понимаем, это приведет к изменению громкости по заданной кривой. На этом принципе основываются очень многие эффекты, такие как, например тремоло. Аналогичным же образом работает side-chain компрессия, где уровень компрессии сигнала определяется громкостью (амплитудой) управляющего источника.

Второй распространенный случай это частотная модуляция. В этом случае воздействие оказывается не на амплитуду сигнала, а его частоту.

На нижеприведенной иллюстрации верхняя волна является модулирующим сигнал, вторая - результат амплитудной модуляции, третья - частотной модуляции соотвественно:

Мы можем наглядно видеть, какие изменение терпит модулируемый сигнал и в тот и в другом случае.

Частотная модуляция также применяется для реализации массы эффектов, таких как, например фейзер и вибрато. Этот же принцип лег в основу одного из популярных ныне видов синтеза – FM-синтеза (FM от Frequency Modulation – частотная модуляция). Этот вид синтеза звука мы рассмотрим подробнее чуть ниже, а пока, рассмотрим один очень интересный блок синтезаторов и явление синтеза – LFO.

LFO

Мы уже разобрали основные элементы синтезатора, то как генерерируется и через что проходит звук. Однако есть один очень важный элемент, который присутствовал в приведенной выше блок-схеме и не был нами рассмотрен. А именно – блок модуляции параметров синтезатора при помощи генератора низких частот (от англ. Low Frequency Ossocilator – LFO).

В простейшем случае в любом синтезаторе присутствуют специальные генераторы волн низкой частоты, по которой будет происходить периодическое изменение какого-либо параметра, например громкости или частоты среза фильтра. Это позволяет придать вашему звуку пульсирующий эффект и изменяться по определенным параметрам с заданной периодичностью.

Мы задаем форму волны по которой будет происходить изменение (скажем синусоиду – и звук будет мягко плавать), частоту, с которой это изменение будет происходить (в VST-инструментах мы также можем синхронизировать генератор с темпом проекта), параметр, который будет подвергаться изменению (например Filter Cutoff), и, наконец, глубину изменения этого параметра.

Давайте получим при помощи модуляции пульсирующий бас. Для этого возьмем пилообразную волну на оссоциляторе и подрежем ее низкополосным фильтром до 200 Гц. Подадим на инструмент длинную низкую ноту, скажем в два такта длинной. Должен будет получиться звук, похожий на этот:

Теперь добавим одну LFO, при помощи которой мы будем периодически изменять частоту среза фильтра, и изменяться она будет синхронно с темпом проекта, в одну четверть (1/4). Для этого в соответствующем блоке синтезатора нам надо выбрать в поле LFO1 Destination параметр Filter -> Flit Freq, рядом с полем Speed нажать кнопочку Sync, а самим регулятором Speed выбрать непосредственно скорость изменения – 1/4.

Далее останется лишь задать глубину изменения при помощи ручки Amount первой LFO. Изменение может происходить как в сторону повышения параметра (поворот ручки вправо), так и напротив, в сторону уменьшения (поворот ручки влево). Сдвинем ее вправо.

Послушайте, как изменился наш бас:

Мы можем наблюдать тот самый пульсирующий эффект, столько распространенный в Drum&Bass и Breaks-музыке.

Точно таким же образом можно добавлять дополнительные LFO для изменения других параметров, будь то резонанс или же просто громкость и тем самым создавать намного более энергичные и динамичные звуки.

Это были минимальные основы того, что нужно знать о работе классических синтезаторов и синтезе звука. Располагая ими, вы сможете с пустого листа создать любой нужный вам звук. Дело будет ограничиваться лишь вашей фантазией.

А мы, уже располагая нужными азами, поговорим немного и о других методах синтеза и типах синтезаторов, встречающихся в наше время.

Арпеджиатор (Arpeggiator)

Многие современные синтезаторы также имеют блок арпеджиатора (arpeggiator). При помощи этого блока синтезатор может играть сколь угодно длинные арпеджио при одной единственной зажатой клавише MIDI-клавиатуры на входе.

Но для начала давайте разберемся, что же такое арпеджио и апреджиатор.

Итак, арпеджио (от итал. arpa — арфа) — в классическом понимании это исполнение аккордов на фортепиано и струнных инструментах в стиле игры на арфе, то есть путём перебора, где звуки аккорда следуют один за другим, а не звучат в аккроде вместе.

Арпеджиатор – модуль синтезатора, предназначенный для быстрого создания ритмических паттернов по заданному алгоритму. То есть при одной зажатой клавише на выходе синтезатора будет играть последовательность нот. Играть она будет на протяжении всего времени удержания клавиши, а сама последовательность, которая будет воспроизводиться, определяется настройками синтезатора.

Давайте разберемся, как работают арпеджиаторы на практике. Для этого вернемся к нашему инструменту – Predator. Для начала нужно установить соответствующий режим воспроизведения. По умолчанию выбран полифонический режим - Poly. Нам надо заменить его на режим арпержиатора (Arp):

Настройки арпеджиатора здесь расположены в той же секции, что и LFO, и раскрываются нажатием на соответствующую кнопочку.

Арпеджиатор в Predator реализован в виде 16-шагового секвенсора, где мы можем определить параметры звучания для каждого из шагов. Шагов в принципе может быть и меньше, но не более 16-и. В настройках арпеджиатора мы можем определить такие основные и единые практически для всех арпеджиаторов параметры как: количество шагов (Steps), режим работы арпеджиатора (Mode) – будет он работать вверх, вниз, вниз-вверх или еще каким либо образом, диапазон в котором он будет действовать (Octaves) – от одной до четырех октав, и наконец, скорость относительно текущего BPM проекта – от 1/4 до 4 крат.

Далее мы можем установить для каждого из шагов такие основные параметры как Tune (изменение высоты) и Velocity – изменение силы «нажатия клавиши» или попросту говоря громкости.

Вот такую вот секвенцию я получил, используя четыре шага арпеджиатора и постепенное открытие фильтра всего на одном оссоциляторе:

А вот еще один вариант, здесь был загружен паттерн из стандартного набора инструмента:

Другие виды синтеза и инструментов

Рассмотрев основные моменты, связанные с классическим, аддитивным видом синтеза и его применения, давайте рассмотрим вкратце и другие разновидности.

FM – синтез

FM-синтез основан на принципах частотной модуляции, которые мы описывали чуть выше, оттуда же и получил свое название – FM (Frequency Modulation – частотная модуляция).

Частоты генерируемых волн модулируются между собой с помощью различных алгоритмов, причем генераторы могут быть одновременно модулирующими и модулируемыми.

При FM-синтезе инструмент делится на логические блоки, состоящие из генератора (оссоцилятора), и закона по которому он управляется. Такие блоки называются операторами. В результате взаимодействия двух операторов один из них воспроизводит звук (его называют носителем), а второй модулировать волну (его называют модулятором).

Таким образом, при FM-синтезе складываются сложные логические цепочки, и чем больше используется операторов тем богаче тембр можно получить.

Метод физического моделирования

Этот метод синтеза имитирует реальные физические процессы, происходящие в музыкальном инструменте или аналоговых устройствах. Такая технология повсеместно используется как в синтезаторах, так и во многих ревербераторах, где на основе данных замера параметров помещения имитируется звучание источника так, как если бы он находился именно в этом помещении.

Это очень сложные алгоритмы, требующие массы обсчетов, но именно они дают максимально реалистичный эффект при имитации живых инструментов, таких как например струнные или клавишные.

Этот метод синтеза используется в очень многих инструментах, как аппаратных, (например, Clavia Nord Lead или Roland JD-8000), так и в широкой массе программных.

Гранулярный синтез

Еще один весьма интересный и своеобразный вид синтеза, при котором тоже можно достичь весьма богатого звучания. Суть гранулярного синтеза заключается на использовании специальных очень коротких семплов (их называют гранулами) вместо привычных генераторов. Чтобы лучше себе это представлять, скажем, что каждая гранула является очень короткой частицей звука, и ее длина, как правило, составляет от 10 до 100 миллисекунд.

Гранулы собираются в целостно звучащую последовательность, образовывая совершенно новый звук, который далее может быть обработан фильтрами и огибающими, то есть, гранулярный синтез может быть успешно совмещен с аддитивно-субратикным.

Это очень перспективное направление, благодаря которому можно получить очень богатые и яркие звуки. В качестве наиболее яркого примера гранулярного синтеза можно привести популярный VST-инструмент Absyth от Native Instruments.

Ромплеры

Еще один очень распространенный в наше время вид инструментов – это ромплеры. Такие инструменты не имеют оссоциляторов и работает на основе заложенных в них семплов. К этой категории можно отнести такие известные VST-инструменты как, например, Nexus, и все инструменты от компании Spectasonics – Atmosphere, Trilogy, и.т.д. В отличие от обычных семплеров, куда загружается единичный семпл и далее транспонируется до нужной высоты, в ромплеры закладывают целые наборы семплов – для каждой ноты и различной силы нажатия клавиши.

Такие инструменты позволяют довольно чисто и качественно имитировать реальные инструменты – рояли, фортепиано, органы, и.т.д.

У таких инструментов есть как достоинства, так и недостатки. Достоинством, безусловно, является, правдивая передача звучания имитируемого инструмента, но есть и существенный недостаток, заключающийся в ограниченных возможностях по изменению звука – мы имеем в своем распоряжении, максимум, управление огибающей и фильтром.

Пара слов в заключение

Итак, мы рассмотрели основы классического синтеза, технологии, связанные с синтезом звука и прошлись вкратце по его разновидностям. Конечно же, это лишь малая доля того, что входит в обширное понятие синтеза и его особенностей. Рассмотренные нами вида синтеза активно совмещаются и образуют самые разнообразные гибриды, практически каждый современный синтезатор может похвастаться какими-то своими, присущими только ему особенностями. Но в любом случае, в фундаменте лежат именно те методы и технологии, которые мы постарались разобрать сегодня.

И при хорошем его понимании, этого фундамента должно хватить для того, чтобы начать синтезировать свои звуки и эффективно изменять уже готовые пресеты инструментов, зная, как поменяет звук та или иная ручка.

А мы еще обязательно не раз вернемся к теме синтеза и этих замечательных устройств, благодаря которым стало возможно самое явление электронной музыки, - синтезаторов...