zvuková syntéza

zvuková syntéza je proces, kdy se různými postupy skládají, modulují a filtrují zvukové signály. Zvuková syntéza může být použita pro vytvoření hudebních i nehudebních zvuků i všemožných zvukových efektů.

Zařízení, které provádí syntézu se nazývá syntezétor - slangově synťák. Často používaná slova syntetizátor či syntetizér jsou nesprávná.

V současné době existuje celá řada způsobů zvukové syntézy. V tomto článku se budu podrobněji zabírat těmi nejpoužívanějšími: aditivní, subtraktivní, modulační a tvarová.

TENTO ČLÁNEK JE VE VÝVOJI, MŮŽE TEDY OBSAHOVAT NEÚPLNÉ ČI NEPŘESNÉ INFORMACE

OBSAH

Subtraktivní (rozdílová/filtrační) syntéza

Napětím řízený oscilátor - VCO (voltage-controlled oscilator)

Napětím řízený filtr - VCF (voltage-controlled filter)

Napětím řízený zesilovač - VCA (voltage-controlled amplifier)

Další možnosti modulace obálkou

Modulární systém

Semi-modulární syntezátor

Virtuální aditivní syntéza - VST

Aditivní (součtová) syntéza

Subtraktivní (rozdílová/filtrační) syntéza

Podstatou metody rozdílové syntézy je filtrace komplexního singálu (ne-sinusového tvaru), který je bohatý na harmonické složky - nejčastěji obdélníkového či pilového průběhu.

příklady synťáku užívající rozdílovou syntézu:

Moog Minimoog model D

Roland SH-7

ARP 2600

rozdílová syntéza má v zásadě tři kroky:

generování tónu

2. filtrace

3. amplitudová modulace obálkou

Ná následujícím obrázku vidíte blokové schéma primitivního syntezátoru. Základními jeho komponenty jsou frekvenčně ovládaný oscilátor, filtr a zesilovač a generátor obálky:

Napětím řízený oscilátor - VCO (voltage-controlled oscilator)

generuje signál bohatý na vyší harmonické kmity. Setkáme se signálem obdélníkového, pilovitého, trojúhelníkového či pulzního tvaru. Konkrétní tvar průběhu generovaného signálu se u každého modelu syntézátoru trochu liší. Na obrázku vidíme průběhy signálů syntezátoru KORG MS20 (analogový oscilátor).

Zcela běžně mají syntezátory dva i více oscilátorů. Také se můžeme setkat s oscilátorem bílého či růžového šumu.

Frekvence signálu, který oscilátor generuje, je ovládáná takzvaným control voltage (zkratka CV) - neboli řídícím napětím. CV je tedy analogový signál, jehož napětí nese informaci (v tomto případě) o výšce noty. Narozdíl od MIDI, což je technologie digitální, CV přenáší informaci pouze o jedné výšce tónu.

Termín control voltage je obecně jakýkoliv signál sloužící ke kontrole nějakého parametru - setkáme se s ním tedy i v ostatních komponentech syntezátoru.

Na obrázku vidíme ovládací panel syntezátoru Minimoog Model D, který disponuje třemi oscilátory

Potenciometr 1 slouží k nastavení ladění pro všechny tři oscilátory. Druhý a třetí oscilátor má navíc možnost nezávislého dolazení potenciometry 4. Otočnými přepínači 2 se nastaví oktáva (rejstřík) konkrétních oscilátorů. Číselná řada označující rejstříky je stejná jako u varhan - takže větší číslo znamená hlubší rejstřík. Přepínači 3 se mění tvar vlny. Hlasitostní poměr oscilátorů je nastaven potenciometry mixáku 5

Napětím řízený filtr - VCF (voltage-controlled filter)

Základní generovaný zvukový signál putuje do filtru, popřípadě do série filtrů, kde dochází ke kmitočtové filtraci signálu a tím dochází k zabarvení tónu. Základními typy jsou:

high-pass (low-cut) - horní propust - ze signálu jsou odečítány hluboké frekvence - propouští část spektra nad mezní frekvenci (cutoff frequency)
low-pass (high-cut) - dolní propust - ze signálu jsou odečítány vysoké frekvence - propouští část spektra pod mezní frekvenci

parametry filtru:

mezní frekvence (cutoff) je taková hodnota frekvence, při které klesne filtrovaný signál o 3dB; jednoduše řečeno to je frekvence, od které zvuk řežeme. Tuto hodnotu nastavíme otočným potenciometrem na ovládacím panelu syntezátoru. Zároveň lze hodnotu přelaďovat (modulovat) řídícím napětím z LFO, nebo generátoru obálky (o modulaci je více níže).
strmost (kvalita - Q) určuje rychlost poklesu - tedy jak účinně je signál filtrován. Uváděna je v jednotce dB/oct (decibel na oktávu). Například strmost 12db/oct znamená, že filtr sníží zisk o 12 dB na frekvenci o oktávu vyšší/nižší mezní frekvence. Strmost filtru je většinou fixní, či má uživatel syntezátoru na výběr z více hodnot
rezonance způsobí zesílení části spektra v okolí mezní frekvence, což je způsobeno zavedením zpětné vazby v obvodu filtru. Na syntezátorech je někdy označována peak, emphasis či zkratkou reso.

PŘIDAT OBRÁZEK

Napětím řízený zesilovač - VCA (voltage-controlled amplifier)

Je zesilovač, jehož zisk (gain) je ovlivňován řídícím napětím (CV). Hodnota řídícího napětí tedy moduluje časový průběh amplitudy vstupního signálu. Pokud je řídící napětí periodického charakteru (signál z LFO), dochází k efektu tremolo - cyklicky se mění hlasitost hraného tónu.

Běžně se VCA řídí signálem z generátoru obálky (envelope generator). Co to ale vlastně je ta obálka?

Obálka signálu

je křivka spojující extrémy - maximální aplitudu signálu. Obálka je tedy křivka zobrazující průběh "hlasitosti".

Pokud tvar obálky zjednodušíme, její průběh můžeme popsat těmito parametry:

čas náběhu (attack) - jak dlouho trvá signálu dosáhnout maximální úrovně (obvykle +5 voltů)
čas poklesu/doběhu (decay) - po dosažení maxima, jak dlouho trvá signálu klesnout na ustálenou úroveň (výdrž)
ústálená úroveň / výdrž (sustain) - úroveň na které signál setrvává po dobu držení klávesy (většinou se udává jako procento z maximální úrovně)
čas doznívání (release) - jak dlouho trvá signálu klesnout na nulu po uvolnění klávesy

Když se podíváme na průběh akustických nástrojů, zjistíme, že každý nástroj má rozdílnou obálku, která je pro něj charakteristická. Například klavír má rychlý náběh, rychlý pokles a dlouhé doznívání. Naopak housle mají delší náběh a minimální doznívání. Pokud chceme, aby takový průběh aplitudy měl i signál generovaný v našem syntezátoru - který má jinak amplitudu konstantní - vygenerujeme signál ve tvaru obálky a následně tento neperiodický signál použijeme k řízení zisku na VCA, čímž dojde k amplitudové modulaci.

Signál ve tvaru obálky se generuje v envelope generator (EG, generátor obálky) a je zpravidla odvozen od stisku klávesy. Čili, pokud není stisknuta žádná klávesa syntezátoru, tak ačkoliv oscilátory signál generují, tak na výstupu nemáme žádný signál, poněvadž signál obálky je nulový a tedy zisk zesilovače je nulový. Ovšem v okamžiku kdy stiskneme nějakou klávesu, generator obálky začne posílat do VCA příslušný řídicí signál (dle zadaných parametrů) a na výstupu máme zvuk.

Zvukové ukázky použití obálky k modulaci průběhu amplitudy:

Gate signál

A jak generátor obálky pozná, že je klávesa stisknuta? Syntezátor vedle řídícího napětí pracuje s tzv. gate signálem. Ten má jen dvě hodnoty: nulová hodnota značí, že klávesa stisknuta není a maximální hodnota (běžně +5, nebo +10 voltů) znamená, že klávesa stisknuta je. Gate signál, který je generován v klaviatuře, či v MIDI převodíku, je veden do generátoru obálky. Pokud EG snímá nulovou hodnotu gate signálu, nic nedělá. V moment kdy zaznamená maximální hodnotu začne generovat signál ve tvaru obálky. Po uplynutí času náběhu (attack) a času poklesu (decay) generovaný signál setrvává na ustálené hodnotě (sustain level). V moment kdy gate signál klesne na nulu - klávesa byla uvolněna - signál obálky začne klesat k 0 voltům (release time).

Vedle gate signálu se můžeme setkat s trigger signálem, který je pulzního charakteru. Nese informaci tedy pouze o stisknutí klávesy, ale ne o jejím uvolnění. Trigger signál se například používá u sekvencerů a bicích automatů, kdy spouští jednotlivé samply.

Behringer System 100

korg ms-10

moog minimoog model d

Modulace

Modulace je proces, kdy se nějaký parametr signálu mění pomocí jiného (modulačního) signálu. Modulační signál je buď charakteru neperiodického (typicky tvar obálky, jak je již víše popsáno), anebo periodického, jenž se generuje v LFO.

LFO

low frequency oscilator (někdy značen jako modulation generator) - je vlastně speciální typ VCO, který generuje signál v kmitočtech pod pásmem slyšitelnosti. Signál produkovaný v LFO lze použít k ovládání parametrů ostatních komponentů syntezátoru:

modulace frekvence generované ve VCO (FM) >> vibrato efekt

modulace zisku zesilovače (AM) >> tremolo efekt

modulace mezní frekvence fitru >> wahwah efekt

To jaký má modulační vlna z LFO tvar, má poměrně výrazný vliv na výsledný zvuk:

sinusový průběh

obdélníkový průběh

pilovitý průběh

Další možnosti modulace obálkou

Nejběžnějším užití signálu obálky je, jak je výše popsáno, modulace průběhu amplitudy signálu. Obálku můžeme ovšem použít ke kontrole vlastně jakéhokoliv parametru syntezátoru. Běžně se obálkou ovládá mezní frekvence filtru, či frekvence oscilátoru.

Často syntezátory umožňují použít signál obálky horizontálně převrácený, což otevírá další zvukové možnosti.

zvukové ukázky různého užití obálky k modulaci:

Modulace mezní frekvence filtru typu dolní propust (LP)

Modulace mezní frekvence filtru typu dolní propust (LP) otočenou obálkou

Modulace frekvence oscilátoru

Možnosti modulace jsou opravu velké. Obálkou můžeme například i zmodulovat signál z LFO a ten následně použít k modulaci např. frekvence filtru:

Modulární systém

Kolik komponentů je k syntéze použito a jakým způsobem jsou propojeny, to už záleží na konkrétním modelu syntezátoru, kde jsou signálové cesty většinou pevně propojeny. Zvukové možnosti jsou tedy částečně omezeny za cenu jednoduššího ovládání. Tento problém řeší tzv. modulární systém. Místo toho, aby byl signálový řetězec pevný, syntezátor se skládá z modulů - oddělených komponentů, jejichž propojení je na uživateli. Funguje to tak, že jednotlivé funkční bloky syntezátoru mají vstupy a výstupy vyvedeny na sdířky na čelním panelu a propojují se pomocí TS jack kabílků (popřípadě banánky). Některé starší systémy používaly k propojení modulů přepínací matice.

V sedmdesátých letech firmy jako Roland, Moog, Buchla či E-mu vyráběly kompletní modulární systémy, obvykle obdařeny i klaviaturou v obrovské dřevěné skříni. Dnes je mnoho firem, které vyrábějí i jednotlivé moduly a syťákoví nadšenci si část po části skládají svůj vlastní modulární systém.

Moog Modular system

E-mu modular

Buchla series 100

po domácku vyrobený modulární systém

mladý Hanz Zimmer a jeho synťáková zeď

Semi-modulární syntezátor

má sice jednotlivé moduly pevně propojené, zároveň jsou však některé výstupy a vstupy komponentů vyvedeny na zdířku v čelním panelu syntezátoru, což umožňuje změnu propojení či tvorbu propojení nových. Velká výhoda semi-modulárních synťáků jsou širší možnosti tvorby zvuku, ale zároveň zachovaná jednoduchost na ovládání, což veliké složité modulární systémy postrádají.

korg ms-20

behringer neutron

moog grandmother

Zvukové ukázky aditivní syntézy:

Zvuková kompozice vytvořená pomocí modulárního systému:

Virtuální aditivní syntéza - VST

V současné době již nemusíme vlastnit velké drahé stroje, poněvadž existuje celá řada velmi dobrých virtuálních syntezátorů, ke kterýmu nám stačí jen MIDI klávesnice a nějaký počítač s DAW.

ONE (fab filter) - cena 50 eur

Jednoduchý, čistě aditivní syntezátor se dvěma oscilátory, jedním filtrem, EG, VCA a možností modulace pomocí LFO

Surge XT - zdarma

Poměrně složitý, ovšem velmi univerzální syntezátor Surge využívá vedle subtraktivní syntézy i FM a wavetable. Disponuje až šesti oscilátory, čtyřmi filtry, čtyřmi EG a šesti modulátory. Díky velké možnosti modulace v podstatě jakéhokoliv parametru tento virtuální instrument nabízí vskutku široké zvukové možnosti - a je zdarma a opensource

Reaktor (Native Instruments) - cena 200 eur

Velmi univerzální instrument, který pomocí spojování bloků umožňuje postavit modulární syntezátor

Aditivní (součtová) syntéza

Součtová syntéza pracuje na principu tvorby komplexního signálu skládáním vícero čistých sinusových složek. Syntezétor je tedy tvořen velkou řadou sinusových oscilátorů a zesilovačů, jejichž dílčí signály jsou následně sečteny. Tím se dá dosáhnout poměrně velké škály zvuků, protože počet harmonických (i neharmonických) složek v signálu závisí jen na počtu oscilátorů syntezátoru, a ten může být u digitálních systémů takřka nekonečný.

Komerčně nejúspěšnějším nástrojem využívající sčítací syntézu jsou hammondovy varhany. Ty místo elektronických oscilátorů používají elektromagnetické generátory - tzv. tónová kola (není to tedy syntezátor, ale elektromechanický nástroj). Pomocí několika táhel na panelu varhan hráč kontroluje intenzitu jednotlivých rejstříků - tedy jednotlivých harmonických složek.

Synclavier II

Kawai K5

Hammondovy varhany

Skládáním frekvencí v harmonické řadě (tedy frekvence dílčích oscilátorů je n-násobek frekvence základní) získáme bohatý zvuk. Změnou intenzity dílčích složek signálu pak měníme jeho barvu.

V následujících zvukových ukázkách si všímejte, jak se odlišuje barva zvuku při různých poměrech harmonických složek signálu:

I přes své možnosti aditivní syntéza nenašla převelké uplatnění a to pro její estetické vlastnosti. Jejím typickým charakterem je totiž zvuková strohost či statičnost. Tento problém částečně řeší tzv. dynamická součtová syntéza, která umožňuje modulovat aplitudu obálkou jednotlivých složek zvlášť.

zvukové ukázky dynamické součtové syntézy:

ukázky:

Modulační syntéza

Modulace je nelineární proces, kterým se mění charakter nosného signálu modulačním signálem. Modulací nějakého parametru zvukového signálu pak dochází k tvorbě nových harmonických i subharmonických složek. Největšího využití se dočkala frekvenční modulace, dále pak známe fázovou, amplitudovou a kruhovou modulaci.

Frekvenční modulace

Principem frekvenční modulace (FM) je závislost okamžité frekvence nosné vlny na změnách amplitudy modulačního signálu

Yamaha DX7

Korg Volca FM

Elektron Digitone II

Srovnejte následující zvukové ukázky. Ve všech je stejný nosný signál 440 Hz, ale jiný modulační signál. Oba signály mají sinusový průběh.

Jak slyšíte a vidíte, FM dokáže vyrobit širokou paletu zvuků, které jsou bohaté na vyšší harmonické, ale i na subharmonické frekvence (poslechy b ,c, f). Pokud je frekvence modulační vlny celočíselným násobkem či podílem nosné vlny (poslechy b, e), je výsledný zvuk velmi konsonantní. Pokud se modulační frekvence jen velmi blíží násobku nosné frekvence (poslech d) dojte k rázovému efektu. Pokud je kmitočet modulačního signálu velmi malý (poslech a), nedochází k tvorbě harmonických, ale pouze k vibrato efektu.

Operátory

Stavebním kamenem FM syntezátorů jsou operátory. Ty se skládají z oscilátoru a zesilovače s generátorem obálky. Tyto operátory pak lze spojit tak, že výstup jednoho operátoru moduluje frekvenci druhého operátoru. Již zmodulovaný signál lze pak opět použít k modulaci dalšího operátoru. Jeden operátor tak muže fungovat jako modulátor i nosič zároveň. S počtem modulátorů v řádě drasticky roste komplexnost výsledného signálu.

Poslední v řadě je vždy nosič, jehož frekvence odpovídá stisknuté klávese syntezátoru. Další modulační operátory běžně generují signál s frekvencí, která odpovídá celočíselnému násobku základní výšky - tedy tóny harmonické (f×2, f×3 atp..). To má výsledek libozvučného tónu, který je bohatý na harmonické alikvóty. Naopak použitím modulátoru s neceločíselným násobkem nosné vlny získáme tón s neharmonickými alikvóty, což najde využití při tvorbě zvuků zvonků či různých efektů.

Barvu výsledného zvuku FM syntézy ovlivňují především dva parametry:

poměr frekvence modulátoru ku frekvenci nosiče
hloubka modulace - jak moc se moduluje frekvence nosné v závislosti na modulačním signálu - rozdíl mezi odchylkou a nezmodulovaným signálem; vyjadřuje se buď jako hodnota mezi 0 a1, nebo v procentech.

Srovnej následující tři zvukové ukázky, kde se tyto parametry liší (f je frekvence nosné operátoru 1):

operátor 2:

frekvence = f × 3
hloubka = 80%

operátor3

frekvence = f × 1 (stejná jako nosná)
hloubka = 70%

operátor 2:

frekvence = f × 0.5
hloubka = 70%

operátor3

frekvence = f × 8
hloubka = 60%

operátor 2:

frekvence = f × 13
hloubka = 60%

operátor3

frekvence = f × 4
hloubka = 100%

Zpětná vazba

Operátorům lze zavést zpětná vazba, což způsobí že operátor moduluje sám sebe.

Algoritmy

Kolik operátorů je k syntéze použito a jakým způsobem jsou propojené určuje konkrétní algoritmus. Operátory lze zapojit sériově za sebe - tak jak je víše popsáno - anebo paralelně. Paralelním zapojením se rozumí to, že algoritmus používá vícero sériově zapojených větví, které se na konci sečtou.

Syntezátory běžně nabízejí širokou banku různých algoritmů, mezi kterými lze přepínat. Níže na obrázku jsou schematicky zakreslené algoritmy, které využívá syntezátor Yamaha DX7:

Zvolený algoritmus má výrazný vliv na výsledný zvuk - pro představu níže jsou zvukové ukázky některých z víše zobrazených algoritmů (nastavení jednotlivých operátorů je všude stejné) :

ukázky FM syntézy:

zdroje:

KOTRUBENKO, Viktor. Tajemství syntezátorů. Praha: Supraphon, 1987.

GUŠTAR, Milan. Elektrofony: historie, principy, souvislosti. 2. Elektronické nástroje. 2008. ISBN 8023984470

KOPECKÝ, Pavel. Základy elektronického zvuku a jeho kreativní zpracování. 2. vydání. Praha: Nakladatelství Akademie múzických umění v Praze, 2017. ISBN 978-80-7331-431-6

URBAN, Ondřej. Instrumentář elektroakustického zvuku. V Praze: Akademie múzických umění, 2008

Page updated

Google Sites

Report abuse