понеділок, жовтня 06, 2008

Синтез звука. Частина намбер ван.

Отже не будемо тягнути кішку за яйця, тим більше, що їх в неї нема. А перейдемо до розгляду методів синтезування звуків.

Насправді із музикою зробили все, що тільки може уявити збочена фантазія постмодерніста, і навіть більше. Її, бідолашну, розтинали і склеювали, перевертали догори дригом і вивертали тельбухами назовні, навіть відмовлялися від музики, називаючи це музикою...
Всі ці БДСМ-утіхи зі звуковими коливаннями можна розділити по категоріях представлення самого звука.

Тобто:

1. Представлення звука як спектра (сумма найпростіших частот - гармонік).
Виходячи з теореми Фур'є, будь яке складне коливання можна розкласти на суму більш простих. Теорія гарна. І загалом вона працює. Та тільки якесь більш-менш пристойне звучання дають не 10 і не 20 гармонік - рахунок йде на сотні. А враховуючи те, що "живий" тембр на протязі своєї появи, тривання, та затухання (огинаюча амплітуди) змінює свої характеристики, в тому числі й кількість гармонік - то зрозуміло, що цей тип синтезу вимагає великих "залізних" потужностей, а також програмних, та розумових - для грамотного програмування. В історії музики були різні адитивні синтезатори (від add - додавати, додавання гармонік). "Найпростішим" є церковний орган, де кожна труба видавала різний синусоїдальний тон, бо мала різну довжину. Комбінуючи клавіші та педалі, органіст створював складний тембр. Потім з'явився електричний струм і виник Hammond. А ще в Росії існує такий монстр, як АНС - великий і неповторний в свїй будові. Едуард Артем'єв переважно на АНСі створював музику для фільмів Тарковського.
АНС
Ця машина є фотоакустичним адитивним синтезатором: на закопченій плівці можна малювати будь-яку кількість гармонік, залишаючи білі смужки. Світло, проходячи через ці прозорі місця генерує відповідні тони. Той самий принцип мали кінематографічні аппарати, коли на плівці поряд із кінокадрами світловий промінь різної інтенсивності фіксував звук. Зараз, в еру комп'ютерізаціїї є широкі можливості по моделюванню існуючих "залізних" синтезаторів лише програмними засобами, а також по створенню зовсім нових. Адитивні синтезатори також є програмні. Наприклад Morphin. Я його слухав і залишився досить вдоволеним. Звук мені сподобався. Мабуть існують іще більше різних синтезаторів, але ці приходять на пам'ять першими.

Є принципово зворотній підхід, заснований на теорії Фур'є та спектральному розгляді звука - субтрактивний синтез. Якщо в вищезгаданих синтезаторах ми додавали гармоніки, то зараз ми будемо жорстоко їх віднімати (субтракція - віднімання). Принцип полягає в тому, що першочергово синтезується електричний сигнал із широким спектром (ви знали, що чим коротше, різкіше звук - тим він більш насичений гармоніками? всіляки удари, тріски, шуми - це безліч різних невпорядкованих гармонік, втиснуті в короткий проміжок часу). Тому генератори в субтрактивних синтезаторах видають пилкоподібні, трикутні, або квадратні коливання. Хоча синусоїди вони теж уміють генерувати. Далі ці насичені гврмоніками звуки пропускаються через фільтри (low-pass фільтр був здається винаходом саме Роберта Муга), з одночасним підсиленнім (резонансом) на якійсь частоті. Вводимо залежність спрацьовування фільтру від моменту виникнення звуку (натискання на клавішу), варіюємо затримки і інтенсивність фільтрів - і ось маємо "жирнючий аналоговий саунд". Крутити ручки можна довго, отримуючи дійсно пробивні баси, або ріжучі соло. Але це - на любителів.
MOOG
Із "залізних" (а саме такими були перші субтрактивні синтезатори) - це звісно Moog і його аналоги (здається зараз Korg випускає модульну систему, подібну до будови перших Мугів - Korg MS-20). Софтових, програмних субтрактивних синтезаторів - безліч. Мабуть, життя не вистачить всі їх переслухати, та, мабуть і не варто, бо принцип скрізь однаковий. Конструктори намагаються повторити неповторний саунд аналогових синтів, вводячи випадкові величини коливання "струму" чи частоти, але чи вдається? Крім Мугів існували безліч радянских синтезаторів. І "Полівокси" разом із "Moog-ами" зараз користуються шаленою популярністю. І ціною. Я слухав програмний емулятор "Полівокса" - дійсно щось таке в ньому є. Треба також згадати Subtractor із набору Reason'а - мабуть досит непоганий синт, але однозначної оцінки дати не зможу.

2. Представлення звука як хвилі.
Якщо включите в своєму Вінампі відображення музики не у вигляді підстрибуючих стовпчиків (ото і є спектр), а у вигляді шаленої ламаної стрічки, що безперервно дригається - то і буде хвиля. Саме таку хвилю показують всі більш-менш пристойні звукові редактори. Насправді це просто графік (як в математиці) залежності інтенсивності звука від часу. І ось, споглядаючи цей графік, руки так і тягнуться щось в ньому домалювати, або одрізати. Так з'являється екзотичний метод синтезу Direct Draw - так, пряме малювання хвилі. Беремо віртуальний олівчик і - вперед. Якщо намалюєте звук, який можна слухати без затикання вух - позвіть мене. Хоча є програмки (і пристрої) які малюють не скільки саму хвилю, скільки залежності висоти тону від часу. Цим вперше зайнявся Яніс Ксенакіс - він винайшов саме такий пристрій для малювання звуків. Також є віртуальна програмка, побудована на флеші, HighC, яка дозволяє робити теж саме. В мене погано вийшло, мабуть тому що я не Ксенакіс.

Не знаю чи можна віднести складання, перемноження та модуляцію хвиль саме до категоріі "звук як хвиля", бо взагалі-то ця ідея пришла з теорії і практики радіозв'язку, але я ризикну. Метод називається FM-синтез, тобто Frequency Modulation, коли одна хвиля модулює (змінює, керує) частоту іншої хвилі. Коли радіодіджей в понеділок зранку вивалює увесь свій позитивчег в ефір модної хвилі, його балаканина накладується (модулює) на більш високочастотний сигнал несучої хвилі (на скільки там мегагерц ви наолаштовуєте зранку в понеділок приймач?) і передається в атмосферу бідолашної Земної кулі. Далі радіоприймач дешифрує, відкидає високочастотну складову і залишає бадьорий голос, стимулюючий заробити ще більше бабла. А ось якби ми мали змогу почути як виглядає сигнал, що летить в атмосфері, то ми б почули багато цікавого. І ось John Chowning в 1966 році вирішив пристосувати цю технологію до коливань звукового діапазону. До речі, до цього дядька ми ще повернемося згодом, бо потім він став директором Центру комп'ютерных дослідів музики і акустики (CCRMA) Стенфордського університету. А цей CCRMA згодом створив нові захоплюючі методи роботи зі звуком, наприклад програмку MAX/MSP, в яку закохуєшся зразу і незворотно. Але поки що мова про ФМ-синтез. Легше за всього цьому методу піддаються звуки всіляких дзвонів, якщо говорити про реальні звуки. А взагалі ним можна насинтезувати досить агресивні, нестерпні вібрації. Та це тільки на перший погляд.
Yamaha DX 7
В історії були досить успішні залізні синтезатори, побудовані на ФМ-синтезі, як ось (Yamaha DX 7), яка здається була взірцем деякий час. Сам особисто не знаю, але люди кажуть. Я деякий час копирсався в ФМ-генераторі відомої програми Sound Forge, і, хоча отримував досить неприємні для оточуючих результати, але відчував що потенціал в цьому методі величезний. І не помилився. Коли руки дійшли закачати софтовий аналог синтезатора FM-8, від фірми Native Instrument (до неї теж ми будемо повертатися, бо чим далі тим більше вона мені подобається) - то я був приголомшений її саундом. Звісно, можна змінювати всі парметри генерації, але це одна з небагатьох програм, де цього робити не хочется, принаймні спочатку. Тембри вражають.
FM-8

Далі буде...