тираспольский: другие произведения.

Первоочередную роль всегда играет уровень самого микрофона, и никакие обработки тут существенно не помогут! Но все же даже при не очень крутом микрофоне, он должен хотя бы соответствовать своему предназначению - т.к. есть микрофоны для записи самых различных вещей, и отдельно для каждого вида вокала. И есть "high purpose" (тот же Shure proloque, что у меня на работе) для всего подряд подойдёт.
*Shure proloque = $100 (у Shure - один из самых дешевых)

     Подключаешь микрофон к микрофонному предусилителю (в его роли я обычно использую пульт (к примеру, у меня - Beringer eurorack MX802)).

     (в случае с пультом) Настраиваешь предварительный 3х полосный эквалайзер (на том же пульте) по слуху так, чтобы голос, который ты слышишь после прохода через микрофон был максимально похож на звучащий в живую голос.
* Ещё раз повторю - в роли микрофонного предусилителя - обычный микшерный пульт вполне подойдёт!
* На студиях сразу ставят после предусилителя - микрофонный предкомпрессор, но в данном случае это не существенно.

     Далее - пишешь весь вокал, затем, к примеру, я делаю приблизительно такие вещи:

     1. Noise reduction (шум техники, экрана, комнаты, компьютера - аккуратно гасишь, постарайся без ущерба голосу! если корёжит голос - лучше вообще не делать!)
/ Sonic Foundry NR, или Steinberg DeNoiser, в крайнем случае, Ray Gun.

    2. Послеэквалайзинг - дополнительный более точный эквалайзинг голоса, чтобы ещё более был близок к живому (когда используешь классный микрофон - этого вообще не надо делать :)
/ любой графический или параметрический эквалайзер.

    3. Мультиполосный компрессор (чтобы избавиться от, как правило, возникающих "Loud plosives" (т.е. это когда в микрофон "ПЭ-кают"))
/ Sonic Foundry Multi-band Dynamics.

    4. De-eSser чтобы избавится от "свистящих по верхам" букв "С" и "Ш/Щ" (тоже разновидность мультиполосного компрессинга)
/ Waves DeEsser.

    5. Еnhance/Spectralise - это уже приукрашения, чтобы голос звучал прозрачно и красиво :) (Enhance добавляет в "High часть" голоса специальный дисторшн, появляется прозрачность, а Spectralise делают, чтобы добавить обертонов и гармоник в бедный на эти вещи вокал)
/DSP FX Aural Activator (Enhancer), Sonic Foundry Smooth-Enhance
/Steinberg Spectraliser

    6. КОМПРЕССИНГ! это очень тонкая штука, как правило, всем дается не сразу ... Лучше всего используй плагин Waves RCL (эмулятор лампового компрессора) для начала тебе может помочь презет "Vocal". Тут главное чувствовать меру и как не перекомпрессить, так и не недокомпрессить :)
/Waves RCL

    7. Ну и обычный для вокала Reverberation или Multi-tap Delay/Echo ... Когда как - "по месту" :)

    P.S. Как правило, идеальных вокалистов не бывает, поэтому, чаще всего приходится ровнять голосовые партии с помощью "тонировщиков". Это делается, когда нет возможности перепеть начисто, для того чтобы подровнять откровенно фальшивые ноты, "вогнать" их в тональность, добавить вибрато и т.п.
* С этим главное не переборщить. Лучше оставить самую малость незаметных неточностей, чем неестественно выровнять весь голос. (сам попадался :)
/Antares Auto-Tune или Voice Tweaker

Музыкальный звук несет информацию о своей высоте (то есть о том, какая нота звучит) и тембре или типе музыкального инструмента, с помощью которого производится звукоизвлечение (генерация звука). Кроме того, в структуру музыкального звука исполнитель закладывает свою "импрессию", варьируя силу и резкость начала (атаки) и окончания (затухания), громкость, применяя амплитудное и частотное вибрато. Осциллограмма (график во временной области) типичного сигнала музыкального инструмента показана на рис. 1.

Рис.1. Осциллограмма музыкального звука.

Обычно звук начинается с так называемой атаки, быстрого нарастания амплитуды сигнала. Длительность атаки для разных музыкальных инструментов варьируется от единиц до нескольких десятков или даже сотен миллисекунд. После атаки начинается поддержка, в течение которой уровень сигнала примерно постоянен или плавно меняется в случае применения амплитудного вибрато. По-видимому, во время поддержки формируется ощущение высоты звука. Далее идет участок относительно быстрого затухания, уменьшения величины сигнала. Атака, поддержка и затухание образуют так называемую амплитудную огибающую. Спектр сигнала, то есть представление сигнала в частотной области, показан на рис. 2.

Рис.2. Спектр музыкального звука.

Характерный спектр музыкального сигнала состоит из последовательности (по оси частот) узких "колоколов". Причем частоты, соответствующие максимумам (вершинам) "колоколов", примерно кратны основному тону или "фундаментальной" частоте музыкального звукового сигнала, под которой понимается частота, соответствующая человеческому ощущению высоты звука. Почему я употребил термин узкие "колокола", а не пики, полоски, вертикальные линии и т. п.? Потому, что спектры звуков реальных, "живых", а не синтезированных музыкальных инструментов выглядят именно так. А вот для сигналов, сгенерированных по примитивным алгоритмам "электронными" музыкальными синтезаторами, как раз характерен спектр, состоящий из очень узких вертикальных линий (почти дельта-функций). Логично сделать вывод, что чрезмерная узость спектральных линий сигнала таких синтезаторов, возможно, и есть основная причина, приводящая к механистичности, роботоподобности, тусклости и мертвости их звука. Интересно, что, если каким либо образом "размыть" пикоподобные линейчатые спектральные компоненты примитивного сигнала (например, последовательности прямоугольников, меандра), звук станет заметно ярче, живее, теплее. Это можно сделать, например, с помощью программы WaveLab или CoolEdit, добавив амплитудное и частотное вибрато, наложив эффекты "pitch-shift" (небольшое, 0,25-1 Гц смещение частоты основного тона и суммирование с исходным сигналом) и хоруса (небольшое периодическое смещение частоты основного тона за счет периодического плавного изменения задержки сигнала).

Теперь о замечании "примерно кратны основному тону". Раньше считалось, что спектр музыкального сигнала состоит из очень узких вертикальных линий, расположенных на частотах F, 2*F, 3*F, ..., где F - первая частотная составляющая спектра, являющаяся также первой гармоникой и фундаментальной частотой (основным тоном) музыкального сигнала. Точные измерения с применением современных методов спектрального анализа сверхвысокого разрешения по методу Прони (это намного точнее БПФ; см. ниже) убедительно доказывают небольшую "негармоничность" гармоник (координат вершин узких "колоколов" на оси частот) в спектре звука реальных музыкальных инструментов. На самом деле в спектрах реальных сигналов часто отсутствуют несколько первых гармоник, а частоты оставшихся связаны приближенным соотношением примерно такого вида: (3+error1)*F, (4+error2)*F, (5+error3)*F, (6+error4)*F, ..., где F - фундаментальная частота музыкального сигнала, а error1, error2, error3, ... - небольшие случайные величины. Несмотря на то, что фундаментальная частота виртуальна, реально не присутствует в сигнале, это не препятствует возникновению четкого ощущения ее наличия. Такой эффект характерен для звука пианино в субконтроктаве. Да и смоделировать его очень просто. Например, в программе SAW или EDS Tools сгенерируйте сигнал из суммы синусоид с частотами 200 Гц, 250 Гц, 300 Гц, 350 Гц, 400 Гц, 450 Гц и прослушайте его. Еще больше усложняет структуру музыкального сигнала зависимость спектра от амплитудной огибающей. Обычно на стадии атаки количество высокочастотных составляющих максимально и постепенно уменьшается на стадиях поддержки и затухания. Особенно это свойственно звуку пианино и гитары.

Анализ музыкальных звуков

В контексте данной статьи целью анализа музыкальных звуков является изучение их структуры, определение существенных для восприятия человеческим слухом характеристик и использование полученных знаний для синтеза правдоподобно звучащих виртуальных цифровых музыкальных инструментов.

Традиционно для анализа сигналов в частотной области применяется быстрое преобразование Фурье (БПФ). БПФ позволяет представить любой дискретизированный сигнал, состоящий из N отсчетов в виде суммы N гармонических колебаний вида:

Y_k(t)=A_k*sin(2П*F_k*t+Ф_k),

где k - номер гармоники, целое число от 0 до N-1; A_k - амплитуда k-й гармоники (расположенные на графике в виде вертикальных линий, как на рис. 2, в порядке возрастания k, они и образуют амплитудный спектр сигнала); F_k - частота k-й гармоники; Ф_k - фаза k-й гармоники; t - время, равное в моменты дискретизации (взятия отсчетов) сигнала

t=i*T_d,

где i - номер дискретного отсчета сигнала от 0 до N-1; T_d - период дискретизации сигнала (интервал времени, через который берутся отсчеты сигнала). T_d = 1/F_d, где F_d - частота дискретизации (например, 44,1 кГц). F_k - частота k-й гармоники, вычисляемая по формуле

F_k=k*F_d/N.

Здесь сразу следует обратить внимание на коренное свойство БПФ: все частоты гармонических колебаний, в виде суммы которых представляется сигнал, связаны целочисленным соотношением или являются гармониками первого колебания БПФ с частотой

F₁=F_d/N.

Другими словами, F_k = k*F₁. Такое же соотношение существует между гармониками (в смысле координат вершин "колоколов" по оси частот, см. выше) в спектре музыкального сигнала. Обычно это сходство вызывает огромное удивление и недоумение почти у всех. Получается, что даже спектр белого шума, вычисленный с помощью БПФ, состоит из суммы "гармонических" гармоник. Но тут уж ничего не поделаешь. Просто надо отдавать себе отчет, что БПФ - это всего лишь один из многих инструментов анализа сигналов, математически устроенный определенным образом и обладающий некоторыми неприятными и парадоксальными свойствами. То, что любой сигнал можно представить (используя БПФ) суммой "гармонических" гармоник с постоянными во времени амплитудами, вовсе не означает, что физически сигнал на самом деле был сгенерирован в виде такой суммы! Например, реальный сигнал может быть физически сгенерирован как сумма нескольких быстро затухающих или возрастающих синусоидальных колебаний с произвольными некратными частотами. Однако его оцифрованный с некоторой частотой дискретизации отрезок произвольной длительности математически с помощью БПФ всегда можно представить в виде суммы "чистых" гармоник с постоянной амплитудой, что значительно усложнит нам понимание истинной природы анализируемого сигнала и его синтез. Например, БПФ короткого отрезка быстро затухающей одиночной синусоиды даст широкий спектр, состоящий из десятков гармонических сигналов. Естественно, такой сигнал гораздо сложнее генерировать с вычислительной точки зрения, чем одиночную синусоиду с быстро уменьшающейся амплитудой. Следовательно, БПФ малопригодно для анализа гармонической структуры музыкального сигнала (с целью использования результатов анализа для синтеза) на стадии атаки и, в некоторых случаях, на стадии затухания.

На стадии поддержки БПФ позволяет провести довольно детальные исследования. Однако точность анализа с помощью простейшей формы БПФ, доступной в программах CoolEdit и WaveLab, ограничена величиной, равной 1/T Гц, где T - длина в секундах подвергавшегося БПФ участка сигнала. Положим, мы исследуем сигнал, состоящий из 4410 отсчетов при частоте дискретизации 44,1 кГц. Длина его по времени составит 0,1 секунды, и, следовательно, точность измерения частот гармоник с использованием БПФ не превысит 10 Гц, а это весьма заметная для музыканта ошибка. Надо заметить, что нота длинной 0,1 секунды - не такая уж большая редкость в реальных музыкальных произведения. Но получается, что с помощью простейших форм БПФ измерить с приемлемой точностью (0,1-0,5 Гц) частоту основного тона музыкального звука в этом случае практически невозможно. Поэтому автор статьи часто использует свою собственную программу анализа спектра сигналов, использующую метод сверхвысокого разрешения Прони. В этом методе сигнал представляется в виде суммы затухающих или нарастающих синусоид, частоты которых вычисляются с высочайшей точностью в процессе анализа сигнала по формулам Прони и могут не образовывать гармонический ряд. Данный метод гораздо больше, чем БПФ, соответствует физической природе музыкальных сигналов и позволяет проводить анализ структуры звуков на стадии атаки и затухания.

Почему же так важен анализ спектров музыкальных сигналов? Дело в том, что сигналы, имеющие сходные амплитудные спектры (БПФ или Прони), имеют сходное звучание, хотя форма сигналов во временной области при этом может существенно различаться. Простейший пример - два отрезка белого шума. Звучат они одинаково (шипение), а вот их временные отсчеты (или осциллограммы) могут не совпадать ни в одной точке! Зато их усредненные БПФ-спектры будут одинаковыми. Некоторые методы синтеза (в частности, частотной модуляции) музыкальных звуков интенсивно используют это свойство человеческого слуха.

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.

Табличные синтезаторы

Самые распространенные и популярные современные синтезаторы музыкальных звуков используют различные модификации метода волнового табличного синтеза. Идея этого метода проста. Запишем в оперативную (ОЗУ) или постоянную (ПЗУ) память синтезатора оцифрованный звук какого-нибудь музыкального инструмента. В нужный момент времени будем просто считывать из памяти и выводить оцифрованный сигнал на цифро-аналоговый преобразователь. На первый взгляд - все просто. Но что делать с высотой или 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.

Допустим, исходный сигнал дискретизирован с частотой 44,1 кГц. Теперь, 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, если воспроизводить сигнал на измененной соответствующим образом частоте дискретизации, можно получить звук любой высоты. Однако у такого метода есть недостатки. Во-первых, сделать высокостабильный плавно перестраиваемый генератор частоты дискретизации во много раз труднее, чем стандартный стабилизированный кварцем генератор. Кроме того, число таких устройств должно быть равно числу одновременно воспроизводимых нот разных музыкальных инструментов.

Есть и другой неприятный момент. Одновременно со смещением величины тактовой частоты и высоты звука будет изменяться длительность атаки и скорость затухания сигнала. Так, если мы удвоим 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. Тембр воспроизводимого сигнала заденут и более серьезные изменения (смещение формант).

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, что нам и требовалось.

Рис.3. Интерполяция сигнала в табличном синтезаторе AWE64 Gold.

На рис. 3 показано, как происходит выборка отсчетов оцифрованного на частоте 44,1 кГц сигнала с немного большей виртуальной частотой. Период выборки в этом случае будет немного меньше, чем период дискретизации исходного сигнала, поэтому в таблице не окажется всех отсчетов сигнала, точно соответствующих требуемым временам выборки. В этом случае в табличных синтезаторах, например, в AWE64 Gold, величины нужных дискретов вычисляются с помощью нелинейной интерполяции. (На упаковочной коробке AWE64 Gold соответствующая надпись и рисунки поясняют применение нелинейной интерполяции в табличном синтезаторе этой звуковой карты. Написано даже, что Creative Labs запатентовала такой метод. Но это же полный абсурд! Как можно запатентовать общеизвестные вещи?! Тогда и умножение, сложение, вычитание и деление надо патентовать!)

Важным конструктивным параметром цифрового синтезатора является объем необходимой памяти, отводимой под таблицы с оцифрованными звуками музыкальных инструментов. Для гипотетического устройства, имеющего диапазоном 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 1-секундных отрезков сигнала реального музыкального инструмента понадобится около 7 Мбайт. Однако табличные синтезаторы обычных звуковых карт даже с меньшими объемами памяти (но не всегда с лучшим качеством) 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 в таблице. 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. Надо заметить, что если зацикленный отрезок сигнала слишком короток, то при синтезе длинной ноты наблюдается эффект "умирания" звука, быстро, до окончания звучания ноты, превращающегося в раздражающее жужжание с явно выраженным "компьютерным" привкусом. Обычно эффект начинает проявляться после 7-15 повторных воспроизведений отрезка сигнала.

Не совсем ясно, как поступать с оцифровкой стадии атаки звука реального музыкального инструмента, играющей очень важную роль в формировании ощущения тембра инструмента и его узнавания. Очевидно, стадия атаки не может быть в коротком зацикленном отрезке сигнала. В противном случае при генерации длительной ноты вы услышите многократные повторные всплески громкости сигнала. Это будет звучать довольно странно и неестественно. Видимо, далеко не все фирмы производители электромузыкальных цифровых синтезаторов справились с этой проблемой. Во всяком случае, у многих, даже недешевых устройств, стадия атаки некоторых имитируемых ими инструментов звучит, мягко выражаясь, не вполне естественно. Особенно это заметно при попытках имитации звука инструментов с атакой, контролируемой музыкантами с целью придания звуку большей выразительности.

В наиболее совершенных синтезаторах для изменения (увеличения) длительности звучания короткого отрезка оцифрованного сигнала в таблице и смещения частоты его основного тона применяются патентованные алгоритмы наподобие имеющихся в программе WaveLab эффектов pitch-shifter и time-stretch. Pitch-shifter позволяет сдвигать частоту основного тона "зашитого" в таблицу оцифрованного образцового звука реального музыкального инструмента без изменения его длительности и других временных параметров. Таким образом, теоретически можно хранить в таблице сигнал полностью, с атакой, поддержкой и затуханием, а при воспроизведении, сохраняя естественные натурально звучащие динамические параметры (атака, поддержка, затухание) и используя "секретные" алгоритмы pitch-shifter, генерировать звук любой ноты. Time-stretch позволяет увеличивать длительность звучания стадии поддержки до необходимой величины без изменения частоты основного тона, что в сочетании с pitch-shifter позволяет создавать экономичные в смысле требуемого объема памяти цифровые музыкальные синтезаторы.

Синтезаторы на основе частотной модуляции

Синтезаторы на основе частотной модуляции (ЧМ) используются в основном в дешевых звуковых картах и в экзотических синтезаторах необычных "космических" звуков. Основаны они на психоакустическом феномене схожего звучание сигналов с похожими амплитудными спектрами. Для генерации сигналов со сложными спектрами близкими по форме к некоторым спектрам натуральных музыкальных инструментов используется функция вида:

A(t)*sin(2П*F(t)*t),

где t - время; А(t) - амплитудная огибающая, состоящая из атаки, поддержки, затухания; F(t) =F₀ +Z(t), где F₀ - частота основного тона генерируемого сигнала, Z(t) - функция частотной модуляции. Фирмам производителям ЧМ-синтезаторов удалось подобрать достаточно простые функции Z(t) для генерации сигналов, звучащих похоже (но не очень) на некоторые натуральные музыкальные инструменты. Но из-за низкого качества имитации этот тип синтезаторов можно считать устаревшими.

Гармонические синтезаторы

Гармонические синтезаторы способны генерировать очень качественный "живой" звук, но требуют огромных вычислительных мощностей и поэтому недоступны для широкой публики. Выходной сигнал в таких синтезаторах вычисляется как сумма нескольких десятков (иногда до сотни) синусоидальных колебаний с изменяющимися во времени амплитудами, частотами и фазами по формуле

S(k=0..N-1)(A_k(t)*sin(2П*F_k(t)*t+Ф_k(t))),

где k - номер гармоники, N - число гармоник, А_k - амплитуда k-ой гармоники, F_k - частота k-й гармоники, Ф_k - фаза k-й гармоники. При таком синтезе учитывается "негармоничность" гармоник частоты основного тона, дрожание фаз гармоник, изменение соотношения высокочастотных и низкочастотных компонентов в зависимости от стадии атаки, поддержки и затухания, а также другие "тонкие" эффекты, свойственные звуку реальных музыкальных инструментов. Синтезаторы этого типа применяются в дорогих проектах и научных исследованиях, проводимых некоторыми университетами США.

Синтезаторы на основе моделирования физических процессов

Синтезаторы на основе моделирования физических процессов генерируют звуковой сигнал, используя математическую модель физического устройства реальных музыкальных инструментов. При этом не требуется глубокого изучения свойств человеческого слуха и тщательного анализа временной динамики и частотной структуры музыкальных звуков. Для создания весьма правдоподобно звучащих виртуальных музыкальных инструментов достаточно воспользоваться сведениями о физической природе процессов звукоизвлечения и знаниями в области физики и математики. Например, автор статьи запрограммировал математическую модель колеблющейся струны из книги Г. Стренга "Линейная алгебра и ее применения". Модель генерирует сигнал в реальном времени на Pentium II 400 МГц. При этом на слух весьма точно имитируется динамика звука струнных инструментов (атаки и затухания). Звук живой, "переливчатый", без типичной компьютерной "монотонности". При анализе спектра синтезированного звука наблюдается характерная "негармоничность" и размытость гармоник, то есть все как, например, у реальной электрогитары. Синтезаторы на моделировании моделирования физических процессов дают качественный звук, но пока очень дороги.

Цифровые имитаторы аналоговых синтезаторов

Рис.4. Интерфейс пользователя программы Rebirth.

Аналоговые синтезаторы были весьма популярны 15-20 лет назад. Принцип их действия заключался в следующем. Сначала генерировался так называемый сигнал возбуждения. Это могли быть гармонические, прямоугольные, треугольные или шумовые колебания (или их произвольная смесь) с фундаментальной частотой периодических компонентов, контролируемой с клавиатуры и с добавлением эффекта частотного и амплитудного вибрато. Далее сигнал возбуждения пропускался через систему различных фильтров с частотами и добротностями резонансов, управляемыми динамически с помощью ручек на лицевой панели как на рис. 4. Затем на сигнал накладывалась амплитудная огибающая и различные эффекты типа аналогового хоруса, эквалайзера и аналоговой зацикленной задержки. Конечно, их звук был далек от совершенства. Правдоподобная имитация звука реальных музыкальных инструментов с помощью аналоговых синтезаторов практически недостижима. Однако в то время было создано немало "классических" рок-произведений, и звучание тех лет "запало в душу" как самим рок-музыкантам, так и их поклонникам. Возможно, это одна из причин сохраняющегося интереса к аналогово-синтезаторному звуку. Другая причина - популярность жужжательно-стучательных звуков в современных музыкальных направлениях (техно и пр.). Для создания произведений в этом стиле практически идеально подходят программные цифровые имитаторы аналоговых синтезаторов, создание которых стало возможным с появлением мощных процессоров Pentium. Сегодня нет нужды использовать аналоговые устройства. Почти все аналоговые узлы синтезаторов с успехом реализуются в виде работающей в реальном времени программы для персонального компьютера. Программные имитаторы аналоговых синтезаторов позволяют в почти автоматическом режиме создавать музыку в стиле техно с фантастической производительностью - один компакт-диск в день! Например, программа ReBirth (рис. 4) весьма удачно и правдоподобно генерирует характерные техножужжания, завывания, стучания и прочие звуки; объединяя их и накладывая на ритмическую основу, она создает практически законченную технокомпозицию буквально за несколько минут.

Рис.5. Интерфейс программы Smorphi.

Для экспериментов и создания новых необычных звуков неплохо подходит программа Smorphi (рис. 5). Принцип действия этой программы основан на наблюдаемых в реальной жизни фактах и на "идеологических" достижениях лучших аналоговых синтезаторов. Изучая осциллограммы реальных музыкальных инструментов (особенно струнных), легко заметить, что форма колебаний их сигнала на стадии атаки сильно отличается от формы колебаний на стадии затухания. Происходит как бы плавное перетекание от одной формы к другой. Это и моделируется в программе Smorphi. Вы видите на рис. 5, как я задал начальную и конечную формы колебаний и какой сигнал при этом был сгенерирован. Кроме того, Smorphi позволяет накладывать амплитудную огибающую, динамическую фильтрацию, многополосный эквалайзер, хорус, флэнжер и другие стандартные эффекты, применяемые при создании электронной музыки.