Аналоговые синтезаторы звука. Часть 1. Разностный синтез


PDF версия

В статье рассмотрен наиболее распространенный метод синтеза звука — разностный. Подробно описаны основные узлы синтезатора. Приведены примеры создания некоторых музыкальных эффектов, таких как добавление эхо, изменение тембра, тремоло и т.д. Во второй части будут рассмотрены другие способы синтеза.

Разностный синтез часто ошибочно рассматривается как единственный метод синтеза аналогового звука. Он применяется в большинстве коммерческих синтезаторов, поскольку при относительно простой реализации обеспечивает довольно широкий диапазон синтезируемых звуков. В основу разностного синтеза положена генерация многочастотного звукового сигнала, из которого выделяются требуемые гармоники путем фильтрации, как показано на рисунке 1.

 

Рис. 1. Механизм разностного синтеза звука

В качестве исходного сигнала может использоваться прямоугольный сигнал с переменной скважностью, пилообразный и треугольный сигналы, а также различные виды шумов (случайных непериодических колебаний). Модулятором служат управляемые фильтры или усилители с переменным коэффициентом усиления. Управление осуществляется клавишами, кнопками, ползунками, вращающимися регуляторами (ручки, колесики), ножными педалями и переключателями.

Источник звука

Источники звука бывают двух типов: периодическими и случайными. К периодическим, или колебательным, относятся все основные формы сигнала: пилообразный, прямоугольный, импульсный, синусоидальный, треугольный и др. Эти сигналы могут быть описаны аналитически и воспроизведены. К случайным источникам относятся шумы — сигналы, которые содержат постоянно меняющийся набор всех частот слышимого спектра.
Функциональным генератором синтезатора звука является резонатор или генератор, управляемый напряжением (ГУН), который вырабатывает выходное колебание требуемой формы. В простых синтезаторах он непрерывно генерирует сигнал одной из нескольких форм. Частота регулируется с помощью управляющего напряжения. Для изменения тембра и огибающей используется модулятор.
Многие ГУН имеют дополнительный вход для подключения звукового сигнала с другого ГУНа, с которым производится синхронизация. Такая система работает на одной частоте или на частотах, кратных входной. Звук получается характерно резким.
Как правило, ГУН позволяет осуществлять ступенчатую и плавную регулировку высоты тона, выбирать форму сигнала, ширину импульса, громкость звука (см. рис. 2). Некоторые генераторы могут вырабатывать одновременно выходные сигналы нескольких форм, а также сигналы, отстоящие от основного тона на одну или две октавы.

 

Рис. 2. Структура ГУН

Для разностного синтеза может использоваться любой сигнал кроме чистой синусоиды, поскольку она содержит только одну гармонику. Например, спектр прямоугольного сигнала состоит только из нечетных гармоник. При воспроизведении получается очень глухой звук, создающий ощущение искусственности. Пилообразный сигнал содержит четные и нечетные гармоники. Звучание его более яркое.
Изменение скважности (ШИМ) сигнала позволяет изменить гармонический состав. Чем уже импульс, тем больше гармоник в нем содержится. С помощью ШИМ можно изменять форму сигнала. На слух изменение ширины импульса напоминает такой звуковой эффект как биения. Причем, когда на входе достигается меандр, из звукового сигнала исчезает нота октавой выше.

Фильтры

В качестве обработчиков звука в аналоговых синтезаторах применяются два типа устройств: фильтры и усилители. Фильтры изменяют гармонический состав сигнала, или тембр звука. С помощью усилителя регулируется громкость. Управление производится генератором огибающей.
Фильтр представляет собой усилитель, коэффициент усиления которого зависит от частоты. Поскольку обычно максимальный коэффициент усиления равен единице, правильнее сказать, что коэффициент ослабления зависит от частоты. В управляемом фильтре один или несколько параметров регулируются.
Существует несколько классификаций фильтров. По полосе пропускаемых частот выделяют низкочастотные (ФНЧ), полосовые, высокочастотные (ФВЧ) и заграждающие.
Коэффициент ослабления ФНЧ увеличивается с ростом частоты. Частота, при которой сигнал ослабевает на 3 дБ, называется граничной. Начиная с нее, происходит заметное подавление сигнала. В этой точке мощность сигнала уменьшается вдвое. АЧХ до этой точки идет горизонтально, а затем возрастает.
Для самых простых RC-фильтров наклон равен 6 дБ на октаву, т.е. при удвоении частоты коэффициент ослабления увеличивается на 6 дБ. Каждая связка RC называется полюсом. Наклон тем круче, чем больше полюсов. Фильтр с двумя полюсами имеет ослабление 12 дБ на октаву, с четырьмя — 24 дБ на октаву. На слух фильтр с четырьмя полюсами обеспечивает искусственное звучание. Тембр звука можно изменять с помощью граничной частоты (см. рис. 3). При частоте 100 Гц звуковой сигнал будет похож на искаженный синусоидальный. При более высокой граничной частоте (300 Гц) звучание становится ярче. При граничной частоте 500 Гц в спектре присутствуют пять первых гармоник, звук глухой. В четвертом случае получаем пилообразный звук.

 

Рис. 3. Спектр пилообразного сигнала после фильтрации при различных значениях граничной частоты

Главным изменяемым параметром фильтра является граничная частота. Уменьшение граничной частоты делает звук более «темным», с акцентом на низких частотах. По мере увеличения граничной частоты обычно первой слышимой гармоникой является основной тон. При дальнейшем увеличении становятся слышны более высокие гармоники. Чем их больше, тем звук ярче.
В ФВЧ происходит подавление всех составляющих, имеющих частоту ниже граничной. При повышении граничной частоты первой удаляется основная гармоника, затем остальные. При это звук становится «тоньше» и ярче. Воспринимаемый тон сигнала может меняться, поскольку основная частота отсутствует. Иногда для удаления или изменения основной частоты или при имитации тембра инструментов, в которых основной тон не представляет собой самую большую частотную составляющую, последовательно с управляемым ФНЧ включается фильтр ВЧ.
Полосовой фильтр пропускает только установленный диапазон частот, подавляя все остальные. Его можно представить в виде комбинации ФНЧ и ФВЧ, соединенных последовательно. Если их граничные частоты управляются одним напряжением, они изменяются синхронно. В этом случае диапазон пропускаемых частот перемещается по спектру, а ширина полосы остается прежней. Для ее регулировки используется дополнительный управляющий сигнал на одном из фильтров. Если граничная частота ФНЧ ниже, чем у ФВЧ, то фильтр не пропускает ни одной частоты (см. рис. 4).

 

Рис. 4. Принцип создания полосового фильтра

Рис. 5. Анализ сигнала с помощью узкополосного фильтра

На рисунке 5 показано, как с помощью узкополосных фильтров можно исследовать форму сигнала и определять его частотный состав.
Напротив, заграждающий фильтр не пропускает только определенный диапазон частот. Такие фильтры используются для удаления или ослабления заданного диапазона частот или одной гармоники из звука. В заграждающих фильтрах с помощью управляющего напряжения регулируется граничная частота и полоса заграждения (см. рис. 6).

 

Рис. 6. Заграждающий фильтр


Резонанс

Резонансные кривые для ФНЧ и ФВЧ отличаются. При резонансе резко возрастает амплитуда колебаний. Для полосового фильтра резонансная частота Q определяется формулой:

Q = центральная частота/полоса пропускания.

Эта же формула часто применяется для ФНЧ и ФВЧ. Для них резонансная частота совпадает с граничной. На частотной характеристике заметен характерный выброс (см. рис. 7).

 

Рис. 7. Резонансная кривая

В большинстве управляемых напряжением фильтров для обеспечения резонанса используется внутренняя обратная связь (ОС). Резонансную частоту можно регулировать путем изменения глубины ОС с помощью усилителя, управляемого напряжением (УУН).
Как правило, в разностных синтезаторах используются только ФВЧ и ФНЧ. Полосовой фильтр образуется путем повышения Q.
Фильтры с постоянной резонансной частотой используются для создания ощущения основного тона, когда в сигнале его нет (т.е. источником сигнала является шум). В таких фильтрах может регулироваться полоса пропускания, чтобы сделать звук более музыкальным.
При увеличении резонансной частоты до того момента, когда коэффициент усиления фильтра с ОС на граничной частоте превысит единицу, начинается самогенерация, что фактически определяет метод построения резонатора. Таким образом, можно получить очень чистый синусоидальный сигнал.

Огибающая

Огибающая применяется для непериодического изменения определенного параметра звучания. Обычно график огибающей является ломаной линией, состоящей из участков атаки, спада, поддержки, затухания и т.д. Встречаются как простые, состоящие из двух участков, огибающие, так и сложные. Общее количество огибающих представляет собой важную характеристику синтезатора.
Огибающая характеризует изменение громкости звука во времени (см. рис. 8). В аналоговом синтезаторе громкость выходного сигнала регулируется с помощью УУН. При этом само управляющее напряжение есть огибающая сигнала.
Для получения огибающих любой формы используются специальные генераторы. Они классифицируются по количеству регулируемых параметров. Самый простой вариант тот, когда задаются только начало и конец генерации.
Огибающую можно разделить на части (см. рис. 9). Интервал, на котором громкость возрастает, называется временем атаки. Промежуток времени, на котором громкость снижается или достигает установившегося значения, называется временем спада. Для инструментов, которые воспроизводят непрерывное звучание, например органа, время спада — это время уменьшения громкости с максимального значения до установившегося. Участок, на котором громкость постоянная, называется поддержкой.

 

Рис. 8. Огибающая сигнала

Рис. 9. Участки огибающей (A — атака, D — спад, S — поддержка, R — затухание)

Для духовых инструментов все эти промежутки могут быть достаточно длинными. Для струнных характерна короткая атака и отсутствие фазы поддержки. Пианино и ударные имеют еще более короткую атаку и сложный профиль на стадии спада и поддержки.
Рассмотрим некоторые основные типы огибающих.
Атака–затухание (AR). В генераторах данного типа по нажатию кнопки или другого регулятора начинается атака. При отпускании кнопки начинается затухание (см. рис. 10). Если максимальный уровень был достигнут до отжатия кнопки, сигнал сохраняет этот уровень.
Атака–спад (AD). По нажатию кнопки начинается атака. Когда кнопка отпускается, начинается спад. Если амплитуда достигла максимального уровня до отжатия кнопки, спад начинается автоматически. Так имитируется звучание ударных инструментов (см. рис. 11). Генераторы данного типа часто используются для управления частотным входом на ГУН при имитации голоса или медных струн, когда огибающая (высота звука) быстро меняется в начале звучания ноты.

 

Рис. 10. Огибающая атака — затухание (AR)

Рис. 11. Огибающая атака–спад (AD)

Атака–спад–затухание (ADR). Это комбинация двух предыдущих случаев (см. рис. 12). Скорость спада и затухания можно регулировать.
Атака–удержание–спад–поддержка–затухание (AHDSR). Генераторы данного типа позволяют удержать огибающую на максимальной уровне (см. рис. 13).

 

Рис. 12. Огибающая атака–спад–затухание (ADR)

Рис. 13. Огибающая AHDSR

Более сложные формы огибающей (см. рис. 14) могут быть получены путем сочетания нескольких типов базовых форм.
Многие естественные звуки не имеют линейных участков на огибающей (см. рис. 15). Человек воспринимает линейно нарастающий звук как нелинейный. Для приближения синтезированного звука к естественному используются экспоненциальные кривые.

 

Рис. 14. Многоступенчатая огибающая

Рис. 15. Естественный звук

Синтезаторы позволяют создавать звуковые акценты и эффекты (эхо, тремоло, вибрации и т.д.). Например, для эффекта повторения используются триггеры, которые запускают формирование огибающей через заданные промежутки времени, пока кнопка нажата (см. рис. 16).

 

Рис. 16. Механизм повторения звука

 

Другие модуляторы

В выходном каскаде аналогового синтезатора для управления громкостью звукового сигнала и добавления эффектов используется усилитель с регулируемым усилением. На вход усилителя подается линейный (тремоло или амплитудная модуляция) или экспоненциальный сигнал (изменение громкости).
Низкочастотный управляющий сигнал обеспечивается с помощью ГУН или специального НЧ-генератора. В первом случае частота регулируется внешним сигналом. Для управляющего сигнала большее значение имеет форма, чем гармонический состав.
С помощью НЧ-генератора можно получить случайную или периодическую последовательность управляющих напряжений. Для этого по фронту импульса с генератора производится считывание уровня напряжения с другого источника, которое сохраняется на выходе до следующей выборки (см. рис. 17). Таким способом часто производится регулировка граничной частоты резонансного фильтра. Это позволяет разнообразить звучание на участке поддержки и воссоздать эффект перемещающегося звука.

 

Рис. 17. Получение сигнала с помощью НЧ-резонатора

Пример произвольного сигнала показан на рисунке 18. В нем могут присутствовать несколько уровней, линейные и криволинейные наклоны (экспоненциальный, квадратичный, синусоидальный и т.д.).
Повторитель огибающей (см. рис. 19) — еще один вид модуляторов. Он преобразует звуковой или управляющий сигнал в положительный, а затем пропускает его через ФНЧ с очень низкой граничной частотой порядка нескольких герц. Это позволяет сгладить резкие переходы.
Если схема выборки и сохранения уровня имеет выход для подключения внешнего тактового сигнала, то можно производить выборки через разные интервалы. В качестве внешнего может использоваться сигнал с клавиатуры или триггера.

Модуляция

С помощью модуляции можно изменить любой параметр сигнала. Например, посредством изменения частоты НЧ-резонатора или амплитудной модуляции можно получить такие эффекты как вибрато или тремоло.
С помощью модуляции выходного сигнала фильтра достигается циклическое изменение тембра при воспроизведении одной ноты. Тембр можно изменять также с помощью регулирования ширины импульса (ШИМ).
Взаимная модуляция, когда выходные сигналы двух ГУНов подключаются к управляющему входу второго ГУНа, позволяет создать сложные частотные дрожания.
Изменение позиции ползунка стерео позволяет перемещать звуковой сигнал из одного динамика в другой. С помощью ГУНа можно перемещать не весь спектр, а отдельные гармоники или воспроизводить часть нот в одном динамике, а часть — в другом.

Литература
1. М. Russ. Making Sounds with Analogue Electronics//www.eetimes.com.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *