Синтез музыкальных звуков

Обобщенно технология создания музыкальных звуков в современных электромузыкальных цифровых синтезаторах выглядит так: с помощью цифрового устройства, использующего волновой табличный. Частотно-модуляционный, физического моделирования, аддитивного гармонического синтеза и другие методы, генерируется так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука. Он должен иметь спектральные характеристики, максимально похожие на характеристики имитируемого музыкального инструмента, на стадии поддержки. Затем сигнал возбуждения подается на фильтры, имитирующие амплитудно-частотные характеристики излучающих звук поверхностей (корпус, дека и т. д.) реальных музыкальных инструментов, и управляемые сигналом амплитудной огибающей фильтры, создающие эффект большего количества высоких частот во время стадии атаки и последующего их уменьшения. Одновременно формируется амплитудная огибающая сигнала с помощью умножения временных отсчетов сигнала на временные отсчеты образцовой для данного типа реального музыкального инструмента амплитудной огибающей. Могут быть добавлены частотное и амплитудное вибрато.

Далее обычно сигнал обрабатывается электронными звуковыми эффектами реверберации и хоруса. Иногда используются дополнительные эффекты: флэнжер, pitch-shifter, speaker simulator, гармонайзер, подавитель шумов, эквалайзер и другие. Если синтезируется нескольких одновременно звучащих нот разных музыкальных инструментов, то большинство описанных операций в мощных цифровых устройствах выполняется для каждой ноты каждого инструмента отдельно. Результирующий сигнал получается суммированием в цифровом виде всех составляющих звуков и только после этого преобразуется из цифрового представления в аналоговое с помощью высококачественного ЦАП. Естественно, в конкретных реализациях цифровых синтезаторов музыкальных звуков некоторые этапы могут быть упрощенны или вовсе отсутствовать, что, конечно, не улучшает качество их звука. Обычно синтезаторы получают в среде музыкантов упрощенное название по типу примененного в них генератора возбуждающей функции. Например, если применяется волновой табличный генератор, то и все устройство целиком может быть названо «wavetable synthesizer» — синтезатор с вэйвтейблом, или табличный синтезатор.

В наше время самым распространенным и популярным является метод табличного синтеза и его модификации, который зачастую используют современные синтезаторы музыкальных звуков. Идея этого метода проста. В оперативную (ОЗУ) или постоянную (ПЗУ) память синтезатора записывается оцифрованный звук какого-нибудь музыкального инструмента. В нужный момент этот оцифрованный сигнал просто считывается и выводится на цифро-аналоговый преобразователь. Главным вопросом в таком деле остается, что делать с высотой и тональностью полученного звука? Ведь воспроизведется именно та нота, которая была сыграна в момент оцифровки звука музыкального инструмента, а синтезатор должен воспроизводить любую ноту с тембром образцового музыкального инструмента, оцифрованный звук которого хранится в памяти.

Предположим, что исходный сигнал дискретизирован с частотой 44,1 кГц. Если мы будем воспроизводить его на удвоенной частоте дискретизации 88,2 кГц, то есть вдвое быстрее, высота звука возрастет на октаву. Если же воспроизводить сигнал на пониженной частоте дискретизации, то высота звука соответственно уменьшится. Таким образом, при воспроизведении сигнала на измененной соответствующим образом частоте дискретизации, получаем звук любой высоты. Однако и у такого метода существуют свои недостатки. Во-первых, сделать высокостабильный плавно перестраиваемый генератор частоты дискретизации очень трудно. Кроме того, число таких устройств должно быть равно числу одновременно воспроизводимых нот разных музыкальных инструментов.

Однако существует и другой неприятный момент. Одновременно со смещением величины тактовой частоты и высоты звука будет изменяться длительность атаки и скорость затухания сигнала. Так, если удвоить тактовую частоту, то наряду с удвоением высоты звука в два раза уменьшится общее время звучания сигнала (так как он будет проигрываться в два раза быстрее). Отсюда вдвое сократится длительность атаки, и вдвое возрастет скорость затухания звука. Это вызовет искажение общего впечатления о звуке.

В реальном музыкальном инструменте при изменении высоты звука форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) излучающих звук поверхностей, местоположение на оси частот, величина ее максимумов и провалов механических и акустических резонансов обычно не изменяются. А вот при изменении скорости воспроизведения оцифрованного сигнала вместе с частотой основного тона изменится и форма АЧХ (растянется или сожмется, максимумы и минимумы сместятся по оси частот). Конечно, это сильно исказит звук. Кроме того, в некоторых музыкальных инструментах (пианино, гитара и т. д.) звуки разной частоты формируются с помощью различающихся механически элементов конструкции (струны с оплеткой и без; несколько струн, настроенные в унисон). В этом случае звук, полученный с помощью удвоения скорости воспроизведения оцифрованного сигнала, может изначально не соответствовать реальному на октаву более высокому звуку. Поэтому в табличных синтезаторах применяется несколько другой способ изменения высоты звука. Оцифровывается несколько разных по высоте сигналов реального музыкального инструмента, перекрывающих весь его частотный диапазон. Шаг по частоте должен быть достаточно мал, чтобы изменения тембра, связанные с конструктивными особенностями инструмента, при смещении частоты основного тона с помощью варьирования частоты дискретизации не были заметны на слух.

Эксперименты показывают, что некоторые эксперты замечают изменения тембра при шаге в один тон. Однако в недорогих устройствах считается достаточной оцифровка через пол-октавы. При генерации звука определенной высоты табличный синтезатор определяет, в каком частотном диапазоне находится звук, и использует соответствующие отсчеты из своей таблицы, корректируя их частоту основного тона точно до требуемой высоты, виртуально подстраивая частоту дискретизации (ЧД). Под виртуальностью подразумевается следующее. ЧД выходного сигнала жестко стабилизирована кварцевым генератором (например, 44,1 кГц). Звук музыкального инструмента также дискретизирован на частоте 44,1 кГц. Для изменения высоты сигнала надо выбирать отсчеты сигнала из таблицы с частотой, немного отличной от 44,1 кГц, а подавать на ЦАП с частотой, точно равной 44,1 кГц. Это полностью аналогично (виртуальному) изменению частоты дискретизации данных в таблице и естественно будет восприниматься слухом как изменение высоты основного тона сигнала.