Аналоговые синтезаторы и звукосинтезирующие комплексы
В этой теме я расскажу вам о зарождении аналоговых звукосинтезирующих комплексов, покажу несколько видеозаписей, а так же поведаю вам о своём хобби, которое связанно с конструированием узлов аналоговых машин.
Синтезатор (англ. Synthesizer) — электронный музыкальный инструмент, создающий (синтезирующий) звук при помощи одного или нескольких генераторов звуковых волн. Требуемое звучание достигается за счёт изменения свойств электрического сигнала [2].
Первые синтезаторы как класс появились на рубеже 60-х годов прошлого столетия. Они имели полностью аналоговый способ формирования звука и были выполнены на дискретных транзисторах. Представляли они из себя большие ящики с огромным количеством ручек и разъемов. Обычный человек или музыкант практически не сможет разобраться в работе такого комплекса без специальной подготовки. Вкратце я постараюсь разобрать всю структуру синтеза звука, начиная от тонального генератора и заканчивая блоком управляемых по напряжению усилителей.
Один из первых модулярных синетзаторов марки MOOG, 1963 г.
Начнём мы разбор полётов с типов синтеза звука. Их в основном 4 типа, но я расскажу об основных двух:
Адитивный синтез — это синтез, в котором используется принцип суперпозиции (наложения) нескольких волн простой (обычно синусоидальной) формы с различными частотами и амплитудами. По аналогии с электроорганами эти волны называются регистрами и обозначаются, как 16' (тон на октаву ниже взятого), 8' (исходный тон), 4' (тон на октаву выше взятого) и т. д. (цифра представляет собой длину трубы соответствующего регистра органа в футах) [1].
Субстрактивный синтез — это синтез, в котором исходная волна произвольной формы изменяет тембральную окраску при прохождении через разнообразные фильтры, генераторы огибающих, процессоры эффектов и т. д. Как подмножество данный тип синтеза широко применяется практически во всех современных моделях синтезаторов [1].
Первые аналоговые модулярные синтезаторы могли сочитать в себе одновременно эти два вида синтеза, ими можно было управлять в режиме реального времени, с помощью ручек и коммутации патч-кабелей.
Итак, мы немного разобрались с типами синтеза звука, теперь я вам расскажу непосредственно о базовых модулях управления аналогового синтезатора.
За 50 лет эти модули претерпели некоторые схемотехнические изменения, совершествовалась схемотехника, улучшалась стбильность и качество параметров, но основной принцип их применения ни чуть не изменился,
даже современный аналоговый модулярный синтезатор способен сконнектиться
с винтажным шкафом
из первой картинки.
VCO (англ. Voltage Controlled Oscillator) — базовый модуль в любом синтезаторе, а так же самый технологичный по параметрам, из за требований, которые к нему предъявляются.
Его задача не только уметь генерировать частоту в виде нескольких форм волн. Этот модуль должен выдавать стабильную частоту, не зависящую от таких критических параметров как изменение температуры окружающей среды.
Различают два вида VCO по способу управления, это линейные и экспоненциальные. Линейные по управлению генераторы имеют линейную зависимость частоты от поданного на управляющий вход напряжения.
Самым главным преимуществом этого типа генераторов является очень высокая стабильность частоты от изменения температуры окружающей среды. Самым главным недостатком данного генератора является его линейня зависимость,
дело в том что музыкальный равномерно темперированный строй имеет зависимость экспоненциальную, да, можно сформировать экспоненциальную зависимость на клавиатуре с помощью делителей напряжения, но тем не менее крайние значения на оси графика зависимости управляющего напряжения от частоты генератора будут иметь большие погрешности.
Именно поэтому линейные осцилляторы не получили такого широкого распространения как экспоненциальные. экспоненциальные VCO имеют схожую зависимость с равномерно темперированным строем.
В музыкальном строе приращение ноты на одну октаву дает увеличение частоты в 2 раза, в экспонециальных генераторах приращение напряжения на одно значение, приращает или понижает частоту в 2 раза.
До недавнего времени основным недостатком экспоненциальных осцилляторов являлась стабильность частоты от управляющего напряжения. Это связанно с технологией получения экспоненциальной зависимости напряжения от тока.
Подробно об этом можно почитать в моём разделе Реферат
. В этом разделе описаны причины температурного дейфа экспоненциального преобразователя генератора, а так же представлены на выбор методы по его устранению методом компенсации.
Если говорить о выдаваемых генератором формах волн, то как правило VCO генерирует импульсы 4 видов — это пилообразные, треугольные, прямоугольные и синусоидальные напряжения. У каждой формы импульсов своя специфическая спектральная характеристика, поэтому так много всяких форм и используется для этого. Например, прямоугольное напряжение может иметь возможность менять скважность импульсов (соотношение паузы к длительности импульса) в зависимости от управляющего напряжения, что позволяет изменять спектральный состав этих импульсов. Все эти импульсы, как правило, смешиваются в микшере и подаются на балансный модулятор или фильтр управляемый напряжением.
Модуль VCO
VCF (англ. Voltage Controlled Filter) — это фильтр, управляемый напряжением, служит для изменения спектрально-временных функций в зависимости от управляющего напряжения.
По способу управления так же может быть линейным и экспоненциальным, но для фильтра этот параметр не критичен. Делятся фильтры, как правило, на 3 класса:
LPF (англ. low pass filter) — низкочастотный фильтр (ФНЧ).Полоса пропускания этого фильтра по умолчанию находится в низкочастотной области спектра. При повышении управляющего напряжения частота среза этого фильтра движется в область высоких частот.
HPF (англ. high pass filter) — высокочастотный фильтр (ФВЧ). Полоса пропускания этого фильтра по умолчанию находится в высокочастотной области спектра. При повышении управляющего напряжения частота среза этого фильтра движется в область низких частот.
BPF (англ. band pass filter) — полосовой фильтр (образуется последовательным включением двух предыдущих фильтров) (полосовой фильтр).Полоса пропускания этого фильтра может находиться в произвольной области спектра и представляет собой полосу пропускания, ширина которой зависит от добротности фильтра. Добротность фильтра (Q) тоже может управляться управляющим напряжением.
Как правило в фильтрах студийных синтезаторов используются фильтры от 2 до 8 порядков. Один порядок равен 6 db/okt. Обычно используются фильтры 4 порядка, т.е. 24 децибела на октаву [1].
Модуль VCF
VCA (англ. Voltage Controlled amplifier) — управляемый напряжением усилитель. Используется для управления функцией амплитудно-временных характеристик. Как правило работает вместе с генератором огибающей или низкочастотными генераторами. Шумовые параметры такого усилителя очень важны. Компоненты, используемые для изготовления такого усилителя, должны быть очень высококлассные и иметь очень низкий коэффициент шума, тем не менее эти компоненты не дороги и широко распространены, поэтому построение высококачественного VCA, не сложная задача.
Модуль VCA
ADSR (англ. attack, decay, sustain, release) — это генератор огибающей функции:
A — (attack) — начальная фаза, подъем
D — (decay) — фаза перехода звука в установившееся состояние
S — (sustain) — фаза поддержки
R — (release) — послезвучие
Используется для управления блоками VCO, VCF, VCA, для придания огибающей звуку при нажатии на клавишу. Сущестуют блоки ADSR с большим количеством аппроксимирующих функцию элементов — от 4 до 8.
Иногда эти модули выполняют с изменяемым от напряжения уровнем элементов, т.е. время атаки может задаваться напряжением от некоевого внешнего генератора функций времени, например, LFO или секвенсора.
Так же интересно использовать для этой цели клавиатуру. В таком случае время атаки будет изменяться по всей длине звуко-высотного ряда клавиатуры. ADSR, как правило, запускается сигналом строб
(gate
) с клавиатуры или секвенсора.
Также его можно запускать прямоугольным импульсом с генератора низкой частоты. Выходную функцию ADSR иногда интересно инвертировать [1].
Принцип работы ADSR огибающей
Модуль ADSR огибающей
Для восприятия и для минимальной возможности игры на аналоговом синтезаторе этих модулей будет вполне достаточно. Это базовые модули, без которых синтезатор просто не сможет имитировать звучание струнных, басовых или медных музыкальных инструментов.