Виды синтезаторов и история их создания

Предлагаем вашему вниманию обзор, посвященный тому, какие бывают синтезаторы.

Рынок проаудио предлагает огромное количество синтезаторов, начиная с аппаратных клавиатурных инструментов и заканчивая виртуальными программными плагинов. Есть даже синтезаторы, занимающие промежуточное положение между программными и аппаратными. В данной статье мы поговорим о различных способах синтеза звука и других моментах, которые следует принимать во внимание при выборе синтезатора.

Первый аналоговый синтезатор для широкой продажи был создан в 1967 году Робертом Мугом, который применил управление напряжением к основным "строительным блокам" любого синтезатора, даже самого современного — генератору, фильтру и усилителю. Практически любой синтезатор сегодняшнего дня, аналоговый или цифровой, программный или аппаратный, всегда включает в себя эти три основных элемента.

Первые синтезаторы для широкого круга пользователей представляли собой монофонические (то есть одноголосные) модульные инструменты, состоящие из нескольких ящиков очень большого размера. Электронные блоки соединялись специальными патч-проводами, отвечавшими как за передачу звука, так и за управление. Так был устроен, например, синтезатор Moog Modular 3C, чье программное воплощение в виде плагина сегодня выпускает компания Arturia.

Другие компании, такие, как ARP, тоже начали выпускать аналогичные синтезаторы (включая знаменитые модели 2500 и 2600), пока в начале 70-х годов не появились более практичные и портативные синтезаторы, подобные MiniMoog и ARP Odessy. Эти инструменты унаследовали концепцию модульности у моделей предыдущего поколения, однако были намного компактнее (и дешевле!) своих предшественников. Обе упомянутые модели выпускались достаточно долго. Представителем следующего поколения синтезаторов стал знаменитый Sequential Circuits Prophet 5, впервые продемонстрированный на выставке NAMM Show 1978 года. Обладавший 5-нотной полифонией синтезатор был оборудован микропроцессором для управления всеми параметрами, включая настройку высоты строя инструмента. 

До появления в начале 80-х годов синтезатора Yamaha DX7, малобюджетных сэмплеров, подобных Ensoniq Mirage, и PCM-синтезаторам, таким как Roland D50, в течение многих лет музыканты могли пользоваться только субтрактивным, или вычитающим, типом синтеза. В наше время "традиционный" субтрактивный синтез встречается достаточно редко — в основном в таких полностью аналоговых моделях, как Moog Voyager и Moog Little Phatty, а также в синтезаторах с аналоговым моделированием, таких как Access Virus, Waldorf Q и Clavia Nord. При этом стоит отметить, что современные возможности вычитающего синтеза существенно превышают возможности, доступные ранним моделям синтезаторов. 

В самом простом случае используется последовательное подключение трех главных модулей: генератора, фильтра и усилителя. Генератор выдает базовую волновую форму, обычно синусоидальную, квадратную (импульсную) или пилообразную, фильтр отвечает за преобразование спектра волны, поступающей с генератора; усилитель отвечает за изменение громкости сигнала во времени, за так называемую "огибающую". На диаграмме путь прохождения звука обозначен горизонтальными стрелками, вертикальными стрелками показаны управляющие каналы. Огибающая, например, управляет усилителем — то есть она не формирует звук непосредственно.

Далее мы рассмотрим каждую секцию по очереди, начиная от генератора — именно в том порядке, как это происходит при прохождении сигналом звукового тракта. Для наших базовых блоков необходимо предусмотреть управление высотой звучания от клавиатуры. В аналоговых синтезаторах это делается с помощью электрического напряжения (отсюда распространенное обозначение генератора – VCO, Voltage Controlled Oscillator, "генератор, управляемый напряжением"); в большинстве случаев применяется так называемая система "1 вольт на 1 октаву". Клавиатура устроена так, что при нажатии на клавиши возникает электрическое напряжение соответствующего номинала, которое и позволяет настроить генератор на высоту взятой ноты.

"Сырой", необработанный генераторный звук обычно является звуковой волной некоей стандартной формы, что позволяет музыканту выбрать "базовый" тембр, на основе которого впоследствии будет получено нужное звучание. У каждой волновой формы есть специфический, присущий именно этой форме волны, частотный спектр, который позволяет легко определить форму волны на слух.

Пила (Saw)

Пилообразная волна, или просто "пила", содержит в равной пропорции как четные, так и нечетные гармоники, за счет чего характеризуется максимально "жирным" звуком. Высокие гармоники обладают большим запасом громкости, что обеспечивает звуку высокую яркость.

Импульс (Pulse)

Импульсная волна имеет прямоугольную форму, и обычно музыкант может управлять относительной длительностью для положительной и отрицательной фазы цикла, то есть "шириной" прямоугольника. Часто это делается с помощью генератора LFO (см. ниже). Если прямоугольники "узкие", получается очень "тонкое", гнусавое звучание. Если положительная и отрицательная фазы цикла равны, получается волна квадратной формы (см. ниже).

Квадрат (Square)

Это — разновидность волны импульсной формы. Данная волна в спектре не содержит четных гармоник вообще, в результате получается характерный "пустой" звук, чем-то напоминающий нижний регистр кларнета. С повышением частоты амплитуда гармоник падает.

Синус (Sine)

Синусоидальная волна несёт только одну "базовую" частоту, и вообще не содержит гармоник. Именно поэтому синус часто называют \"чистой волной\". Сделать что-то со звуком на основе синуса очень сложно!

Шум (Noise)

Шум, или, более точно, "белый шум" (White Noise), чаще всего встречающийся в синтезаторных генераторах, представляет собой сигнал, в котором содержатся все частоты. У такого сигнала нет гармоник, поскольку все частоты в спектре независимы друг от друга. У него также нет базовой частоты (основного тона). В "розовом" шуме (Pink Noise) содержание высоких частот меньшее, чем в белом; в "коричневом" (Brown Noise) — еще меньшее.

Синхронизация (Sync)

Большинство мультиосцилляторных синтезаторов оборудовано функцией "синхронизации", обычно на втором генераторе. Включение синхронизации заставляет модулируемый генератор (обычно первый) перезапускаться каждый раз при завершении цикла модулирующего генератора. В результате при изменении частоты модулируемого генератора происходит не изменение высоты, а изменение тембра, за счет чего формируется узнаваемое "металлическое" звучание.

Фильтр (Filter)

Фильтр традиционно считается наиболее важным узлом любого синтезатора вне зависимости от того, какой тип синтеза используется. Это связано с тем, что именно фильтр позволяет кардинальным образом изменить исходное звучание. Встречаются фильтры самых разных типов, в основном они классифицируются по форме кривой аттенюации. Если пропустить сквозь фильтр синусоидальную волну заданной частоты, уровень сигнала на выходе покажет форму кривой аттенюации (ослабления). Нанесенная на график, данная кривая называется \"частотной характеристикой\" фильтра. Наиболее распространенные типы фильтра — обрезной фильтр высоких частот (Low Pass — самый распространенный тип вообще), обрезной фильтр низких частот (High Pass), полосовой фильтр (Band Pass), который пропускает только частоты в выбранном диапазоне и, наконец, режекторный фильтр (Notch), который вырезает частоты в выбранном диапазоне.

Точка, в которой фильтр начинает воздействовать на звуковой сигнал, называется частотой среза (Cutoff). Обычно именно этот параметр фильтра считается главным при использовании фильтра в составе синтезатора. Важное значение для звука также имеет крутизна спада кривой фильтра — большинство аналоговых синтезаторов (или их "моделей") оборудуются фильтрами с крутизной 12 или 24 децибела на октаву. Это достигается за счет подключения каскада из более простых 6-децибельных фильтров. Каждый из таких фильтров часто называется "полюсом" — например, фильтр с крутизной 24 дБ/октава могут называть "четырехполюсным".

Последняя важная характеристика фильтра — это так называемый "резонанс", то есть усиление частот в очень узкой полосе вблизи частоты среза. За счет резонанса достигается характерное "подвывающее" звучание, которое очень хорошо характеризует вычитающий синтез. При очень высоких значениях параметров некоторые фильтры могут переходить в режим самовозбуждения, при котором в районе частоты среза формируется очень характерный синусоподобный призвук.

Огибающая (Envelope)

Огибающая отвечает за изменение громкости (уровня) сигнала во времени. Большинство синтезаторов оборудуются по меньшей мере одним генератором огибающей, причем наиболее распространено разделение огибающей на 4 основные фазы: атаку (Attack), спад (Decay), сустейн (Sustain) и затухание (Release). Атакой называется время, в течение которого сигнал с нулевого уровня достигает максимальной громкости. После этого огибающая проходит фазу спада, в течение которой уровень уменьшается до установленного на фазе сустейна. Уровень сустейна удерживается до момента снятия ноты. Время, за которое после отпускания клавиши громкость падает до нуля, называется временем затухания.. Важно помнить, что регуляторы атаки, спада и затухания управляют временем, в то время как регулятор сустейна управляет уровнем на соответствующем участке огибающей. В дальнейшем идея управления генератором с помощью огибающей была существенно развита, и сегодня огибающие часто используются для модуляции самых разных параметров синтезатора, например, частоты среза фильтра. Большинство субтрактивных синтезаторов оборудуется как минимум двумя генераторами огибающей.

Генератор LFO 

LFO — генератор низкой частоты. Данный узел синтезатора используется не для генерации звука (частота такого генератора находится ниже предела слышимости!), а, подобно генератору огибающей, в качестве управляющего сигнала. В большинстве случаев такой генератор модулирует высоту звукового генератора для создания эффекта вибрато. Однако он может модулировать и усиление, создавая тем самым эффект тремоло, или фильтр, часто синхронно с сообщениями MIDI Clock, для создания характерного "разворачивающегося" звука. Как и обычный генератор звуковой частоты, генератор LFO может работать с волнами разных форм. 

Первым FM-синтезатором, предназначенным для широкой продажи, стала модель Yamaha DX7, дебютировавшая в 1983 году. Этот синтезатор обладал 16-нотной полифонией, памятью на 32 тембра и слотом под картридж с памятью ОЗУ/ПЗУ. В те дни конкурирующие модели аналоговых синтезаторов из той же ценовой категории, такие как Juno 6, обладали полифонией максимум 6 голосов. Даже такие "монстры", как Sequential T1, могли выдавать не более 10 голосов одновременно. Синтезатор DX7 был дешевле, обладал 16-нотной полифонией, и был полностью цифровым. Это привело к тому, что его звучание было абсолютно непохожим ни на какое, существовавшее прежде.

В DX7 используется частотная модуляция (FM, аббревиатура Frequency Modulation), аналогичная модуляции, на которой основано радиовещание. Электрическая волна, называемая "носителем", модулируется другой волной, называемой "модулятором". Комбинированный сигнал в дальнейшем декодируется, чтобы "извлечь" исходную звуковую частоту. Разница заключается в том, что в синтезаторной технологии FM частоты волн находятся в звуковом диапазоне, поэтому декодирование не требуется. В отличие от аналоговых синтезаторов, в которых основа звучания определяется формой волны (пила, квадрат, синус и т. д.), в случае FM-синтеза, подобно аддитивному синтезу, при формировании звука намного большее внимание уделяется работе с гармониками звукового спектра.

Базовая структура задается с помощью идентичных компонент, называемых "операторами". Каждый оператор содержит программно реализованные генератор, усилитель и огибающую. В дальнейшем оператор может использоваться как источник звука (носитель) или как модулятор. Носитель определяет высоту ноты, а модулятор управляет формой волны, то есть тембром. При подаче низкочастотного сигнала с модулятора на носитель возникает эффект тремоло, в точности так же, как при модуляции амплитуды генератора в случае субтрактивного синтеза. Однако если частота модулятора начинает расти и переходит в звуковой диапазон, итоговый звук определяется тем, как соотносятся гармонически частоты носителя и модулятора. Добавление гармонически соотносящегося сигнала создает "хорошо звучащие" обертоны. Уровни обертонов зависят от уровня сигнала, поступающего на основной генератор. Этот параметр часто называют "модуляционным индексом". Если мы начнем увеличивать модуляционный индекс для синусоидальной волны, в результате мы получим широкий диапазон тембров — от обычного синуса (индекс 0) через все более и более сложные формы волны до чистого шума (при очень высоких значениях индекса). "Сваливание" звуковой волны в шум происходит внезапно, и этот эффект успешно применяется музыкантами в творческих целях.

Природа FM-синтеза требует введения определенной методики для организации операторов в некую структуру для удобства программирования различных тембров. Это достигается группировкой операторов в пресеты, называемые "алгоритмами". Синтезатор DX7 содержит 32 различных алгоритма, причем каждый алгоритм может содержать до 6 операторов.

Современный программный синтезатор FM8 компании Native позволяет использовать любое количество алгоритмов с помощью специальной матрицы. Операторы-носители могут направляться на самые разные выходы и связываться с любым из модуляторов. Найденные алгоритмы можно сохранять для дальнейшего использования. Подобно оригинальным генераторам огибающих синтезаторов серии DX, огибающие FM8 позволяют определять уровень для каждой стадии огибающей и указывать время перехода от одной стадии к другой. Кроме того, пользователь может указать, сколько стадий должен иметь генератор огибающей, и создавать собственные точки перехода — исключительно гибкое решение! 

PCM-синтезаторы, в отличие от FM, не привнесли в синтез ничего принципиально нового. Их конструкторы воспользовались возможностями технологий сэмплирования и заменили стандартные волновые формы субтрактивного синтеза сложным PCM-сэмплами, записанными с помощью реальных инструментов, таких как струнные, духовые, ударные и т. д. Ранние PCM-синтезаторы (синтезаторы типа Sample Playback) для удешевления использовали очень короткие сэмплы, содержащие только атаку звука — этого вполне хватало, для того чтобы "обмануть" человеческое ухо. Хотя изменить звук подобного синтезатора без смены самих сэмплов практически невозможно, многие основанные на этом принципе работы синтезаторы стали очень популярными среди музыкантов, поскольку позволяли с достаточно высокой степенью реалистичности имитировать звук акустических инструментов. Очень популярными были синтезаторы Roland D50 и Korg M1, с появлением которых продолжился закат аналогового субтрактивного синтеза, и началась эра музыкальных рабочих станций. Современные модели синтезаторов используют более длинные и высококачественные сэмплы, а также реализуют все средства субтрактивного синтеза для изменения характера звучания.

Первый цифровой синтезатор с "волновой таблицей" (Wavetable) был создан в Гамбурге немецкой компанией PPG. Самой первой моделью стал синтезатор Wave — гибридная конструкция с цифровыми генераторами, направляющими сигнал на аналоговые фильтры и усилители VCA (Voltage Controlled Amplifier). Наиболее интересной особенностью синтезатора Wave стала возможность переключения между 64 волновыми формами, составляющими так называемую "волновую таблицу", то есть группу волновых форм, которые можно было соединять между собой в произвольном порядке, а затем использовать полученную волну в качестве основы звука. В результате применения такой технологии получился инструмент с намного более широким и динамичным тембровым разнообразием в сравнении с привычными "пилой", "квадратом" и "синусом" аналоговых синтезаторов, для "оживления" которых обязательно требовался фильтр. В дальнейшем также предпринимались попытки создания аналогичных "гибридных" синтезаторов, например "векторный синтез" в инструменте Sequential Circuits Prophet VS (после покупки Sequential Circuits компанией Yamaha реализованный в синтезаторе Yamaha SY22), а также свой вариант "векторного синтеза" компании Korg, в котором вместо одного цикла волны генератора использовались полноценные сэмплы, и который успешно дожил до наших дней. В частности, векторный синтез в различных вариантах использует компания Waldorf, появившейся на "руинах" компании PPG.

С появлением по-настоящему быстродействующих компьютеров стало возможным использование моделирующего синтеза, позволяющего создавать модели физических процессов, протекающих внутри музыкального инструмента, таких как колебание струны, поток воздуха (физическое моделирование) или даже прохождение тока по аналоговой схеме (аналоговое моделирование). Одним из первых образцов синтеза этого типа стал инструмент Yamaha VL-1, который позволял моделировать звучание одноголосных инструментов, таких, как кларнет, с помощью параметров, управляющих виртуальными мундштуком и корпусом инструмента (напряжение губ на мундштуке и т. д.). Таким образом, пользователь задавал некие физические параметры устройства и его акустического окружения. Вместо простых генераторных волновых форм синтез математически описывал свойства объектов и процессов (например, напряжение губ и скорость воздушного потока для трубы) в реальном времени, что позволяло добиться намного большей реалистичности по сравнению с сэмплированием, а также создавать совершенно невероятные звуки, скажем, звук струны фортепиано, натянутой сквозь барабан, через который продувается воздух через мундштук от саксофона!

При аналоговом моделировании создается математическая модель внутренних электрических цепей реального синтезатора. Каждая из компонент (генераторы, фильтры и т. д.) на самом деле представляет собой программу, управляемую процессором. Таким образом, пользователь может легко усовершенствовать базовые компоненты синтезатора. Такие компании как Access и Nord сумели создать на основе моделирования старых типов синтеза совершенно новые инструменты, в которых старые и новые технологии работали совместно, например, субтрактивный синтез в них сочетался с FM и сэмплированными волновыми формами, плюс использовались уникальные цифровые фильтры, которые попросту невозможно создать в аналоговом формате.

"Виртуальные" инструменты, используемые внутри программных секвенсеров и сред для звукозаписи (DAW, "Digital Audio Workstation") на сегодняшний день стали стандартом для всех пользователей, сочиняющих музыку на компьютере. Существует огромное количество плагинов, имитирующих существующие аппаратные синтезаторы, например, плагины Pro 53 (Sequential Circuits Prophet V) и FM7 (Yamaha’s DX7) компании Native Instruments, или плагины CS80 (Yamaha CS-80) и ARP 2600 компании Arturia. Часто программные имитаторы обладают настолько хорошим качеством, что отличить виртуальную копию от "железного" оригинала практически невозможно! Другие плагины обладают оригинальным пользовательским интерфейсом и реализуют самые разные модели синтеза (из описанных нами выше). Часто программные секвенсеры поставляются в комплекте с превосходными программными синтезаторами, например, секвенсер Logic комплектуется плагинами ES2 и Sculpture. Существенное преимущество плагинов — полная интеграция в среду программы-хоста, поэтому все настройки, параметры, выбор патчей и т. д. сохраняются внутри вашего проекта.

Хотя аппаратные синтезаторы намного дороже программных (а также занимают больше места), обычно они существенно надежнее, а также, что важно, оборудованы реальными слайдерами и регуляторами для управления важнейшими параметрами, что повышает оперативность работы с ними. Именно поэтому по сей день существуют и хорошо продаются такие инструменты, как Access Virus и Moog Voyager. Однако какой бы синтезатор вы ни выбрали, программный или аппаратный, прежде всего нужно дать ответ на вопрос, какой тип синтеза вы хотите использовать. У каждого типа синтеза свой характерный звук и свой подход к программированию. Надеемся, что информация из данной статьи позволит вам в дальнейшем сделать правильный выбор!