Методы синтеза звуков. Синтезаторы и сэмплеры.
Для гипотетического устройства, имеющего диапазон частот генерируемого звука в пять октав, при оцифровке через интервал в один тон по высоте с частотой дискретизации 48 кГц и разрядностью данных 24 бита понадобится около 7 Мбайт 1-секундных отрезков сигнала реального музыкального инструмента. Однако WT-синтезаторы некоторых звуковых карт имеют меньший объем памяти, хотя могут имитировать более ста инструментов. Достигается это несколькими методами. Звук оцифровывается с большим шагом по частоте основного тона и подвергается различным видам компрессии. В таблице хранятся отрезки сигнала значительно меньшей по времени длины, чем одна секунда. При этом для синтеза длительных нот применяется зацикливание (многократное повторное воспроизведение отрезка сигнала). Отрезок как бы превращается в кольцо. Естественно, для гладкого, без щелчков на стыке кольца требуется специальная обработка отрезка сигнала. Он должен содержать целое число периодов основного тона, а отсчеты около стыка должны быть обработаны специальной сглаживающей программой.
Патчи для инструментов с малой длительностью звучания (ударных) обычно записываются полностью, а для остальных может записываться лишь начало, конец звука и небольшая "средняя" часть, которая затем проигрывается в цикле в течение нужного времени.
В процессе воспроизведения звука специальный процессор выполняет операции над патчами, изменяя их амплитуду, частоту и таким образом формируя звук требуемой громкости, полностью соответствующий необходимому тембру.
Безусловным достоинством синтеза на основе таблицы волн является предельная реалистичность звучания классических инструментов и простота получения звука.
Основой "голоса" WT-синтезатора является цифровой звук. В этом и заключается самое главное отличие WT – от FM-синтезаторов, у которых "голосовыми связками" являются генераторы аналоговых колебаний строго определенных форм. В принципе, используя FM-синтез, можно получить очень большое количество тембров. Однако на основе одной и той же волновой формы при использовании WT-синтезатора можно получить еще большее количество тембров (а ведь количество сэмплов ограничивается только объемом памяти). Все дело в том, что WT-синтезатор – это не просто "маленький цифровой магнитофончик", который может в цикле и с разной скоростью (а значит и в различной тональности) воспроизводить свою фонограмму – сэмпл. Кроме этого он может проделывать самые разные операции над генерируемым звуком: пропускать его через резонансный фильтр, модулировать его как по амплитуде, так и по частоте, накладывать различные эффекты…
Для того чтобы в дальнейшем понимать смысл действий по редактированию музыки, необходимо познакомиться с архитектурой звукового элемента типичного синтезатора. Звуковой элемент – это некоторый аппаратным путем реализованный блок полифонического синтезатора, который воспроизводит звучание только одного голоса. Слово "полифонический" означает, что у синтезатора таких блоков много и каждый из них в определенный момент времени занимается генерацией только одного звука. Когда вы берете аккорд на MIDI-клавиатуре, не подозревая того, вы запускаете в работу столько звуковых элементов, сколько нот в аккорде, а в некоторых случаях и больше. Вариант структурной схемы типичного звукового элемента показан на рис. 1.13.
Рис. 1.13. Структурная схема типичного звукового элемента
Сразу отметим, что все преобразования над сэмплом происходят в цифровом виде. Какие же именно преобразования претерпевает сэмпл, прежде чем попасть на выход синтезатора?
Сердце звукового элемента – осциллятор (oscillator) – тот самый воображаемый цифровой магнитофончик, о котором мы говорили совсем недавно.
Это устройство воспроизводит сэмпл с заданной скоростью. Скорость воспроизведения зависит от номера нажатой MIDI-клавиши. Кроме того, этот "магнитофончик" может воспроизводить звук в цикле: "докрутил" звук до отметки конца цикла и быстро перескочил к метке начала цикла (и так – по кругу). А можно сделать так, чтобы, как только вы отпускаете MIDI-клавишу, "магнитофончик" выходил из цикла и начинал воспроизводить все фазы сэмпла подряд, пока сэмпл не закончится.
С осциллятора цифровая информация о звуке попадает на резонансный НЧ-фильтр (Resonant Low Pass Filter), с помощью которого можно изменять спектр сэмпла, получая при этом очень интересные эффекты, например, эффект, называемый "Wah-wah" ("Вау-вау"). Частотная характеристика фильтра определяется двумя параметрами: частотой среза (Filter Cutoff) и коэффициентом усиления фильтра на частоте среза (Resonance). Последний из параметров часто обозначается как Filter Q.
После фильтра звук попадает на усилитель (Amplifier), где ему придается заданная в пространстве "громкость-время" форма – амплитудная огибающая.