Если бы классик жил в наши дни, он мог бы написать эти строки об аналоговых синтезаторах.

Тернистый путь сигнала

Современные цифровые синтезаторы позволяют с исключительной точностью воспроизводить звучание любого музыкального инструмента, составлять сложные аранжировки в любом музыкальном стиле. В обновляемых библиотеках звуков содержатся записанные в идеальных студийных условиях образцы звучания лучших в мире роялей, барабанов, скрипок, флейт, даже целых оркестров и хоров. Но откуда в записях музыкантов берутся звуки, которых в природе нет и быть не может: космические ветры Pink Floyd, демонические вскрикивания Prodigy, потусторонние стоны и скрежет Marilyn Manson, сотрясающий стены глубокий бас в стиле Drum’n’Base?

Используя аппарат аналогового синтеза, музыкант может воплотить в жизнь практически любой звук, который придет ему в голову, не принимая за основу существующий музыкальный инструмент, а создавая звук с нуля. Для этого необходимо всего-навсего уметь описать желаемое звучание в простых физических величинах и настроить синтезатор соответствующим образом. Интересно, что больше всего ценятся не современные цифровые машины, способные хранить в памяти сотни различных настроек, а старые полностью аналоговые инструменты, выполненные на транзисторах и лампах. Перенастройка такого синтезатора на новый звук может занимать часы, зато только он может подарить слушателям по‑настоящему теплый, толстый, большой звук.

Три кита звука

Практически любой звук, особенно музыкальный, можно описать рядом основных параметров. Прежде всего это его базовая частота — она определяет ноту, на которой звучит инструмент. К примеру, частота 440 Гц соответствует ноте «ля» первой октавы. Если звуковая волна содержит только одну частоту, она имеет форму синусоиды. Синусоидальную волну генерирует колеблющаяся гитарная струна. Звучит синусоида субъективно бедно, тускло, скучно.

В случае с гитарой вслед за струной в дело вступает деревянный резонатор. Дека инструмента взаимодействует со струной таким образом, что излучаемая ими звуковая волна приобретает более сложную конфигурацию, нежели синусоидальная функция. С помощью преобразования Фурье любую сложную функцию можно разложить на множество синусоид различной частоты, амплитуды и фазы (на частотные составляющие). На более «музыкальном» языке это означает, что сигнал обогащается гармониками, в нем появляются частоты, отличные от базовой. Послушайте электрогитару — ее спектр богат частотами от гудящих басов до высокочастотного визга. Опытный музыкант с тонким слухом может выделить в этом естественном аккорде нотки отдельных гармоник. Однако самой громкой остается базовая частота, определяющая ноту. Гармоники определяют тембр звука — его вторую важную характеристику.

Третья базовая характеристика звука — динамика. Громкость (амплитуда) звука, как правило, изменяется во времени. Для описания изменений амплитуды принято выделять четыре фазы: атака, спад, сустейн и затухание. Время атаки — это время, за которое громкость нарастает с нуля до максимального значения, например при нажатии на клавишу или щипке струны. Время спада — это время, за которое громкость падает до стабильного значения (к примеру, при ударе по струне получается очень громкий звук, который становится тише через мгновение). Время сустейна — время, в течение которого громкость остается неизменной. К примеру, у акустической гитары сустейн очень короткий, а у электрооргана — бесконечный (нота звучит, пока нажата клавиша). За время затухания громкость падает со значения сустейна до нуля. Все четыре фазы вместе представляют собой огибающую амплитуды.

Хорошо зная трех китов звука — ноту, тембр и динамику — и умея применять некоторые технические хитрости, можно воссоздать любой желаемый звук.

Складывать или вычитать?

Воссоздать динамику звука и заставить его звучать на определенной ноте просто: достаточно лишь проигрывать образец волны с определенной скоростью (с ростом скорости растет и высота звука) и управлять усилителем в соответствии с нужной огибающей. Получить волну с необходимой тембральной окраской — это более сложная задача, существует несколько вариантов ее решения.

Самый простой способ — записать образец нужного звука (сэмпл) и, имея готовую волну нужного тембра, управлять высотой тона и динамикой. Так работают синтезаторы с волновой таблицей (wavetable). Чтобы минимально искажать исходные сэмплы, можно увеличить их количество: записать образцы звучания инструмента в разных октавах и даже на отдельных нотах, в разных фазах амплитудной огибающей. Синтезаторы с волновой таблицей отлично имитируют звуки реально существующих инструментов, но, к сожалению, очень плохо подходят для создания собственных звуков. Чуть больше свободы дает гранулярный синтез. В нем, как и в wavetable, используются сэмплы, но они дробятся на короткие фрагменты по 1−50 мс. Эти микроскопические звуковые кирпичики проигрываются друг за другом, в несколько слоев, образуя замысловатый звуковой ландшафт. Гранулярный синтезатор позволяет создавать интересные фоновые звуки, шумовые эффекты.

Пожалуй, самый прямой и очевидный способ создания нужной звуковой волны без всяких образцов — это аддитивный синтез. Принцип аддитивного синтеза наглядно демонстрирует орган. Каждой его клавише соответствует несколько труб (тоновых колес или генераторов в случае с электроорганом), звучащих в разных регистрах. Каждая труба играет определенную гармонику основного тона. Подключая или отключая отдельные трубы, регулируя их громкость, музыкант может определять тембральные составляющие звука. Недостаток аддитивного синтеза очевиден: в музыкальном звуке может быть на много порядков больше гармонических составляющих, чем регистров даже у самого сложного органа.

Самый универсальный инструмент создания звуков музыканты получили в виде субтрактивного синтеза. За основу берется сигнал, изначально богатый гармониками, например пилообразная волна или меандр, и пропускается через фильтр высокой частоты, отсекающий лишние гармонические составляющие. Принцип работы субтрактивного синтезатора демонстрирует наш собственный голосовой аппарат. Голосовые связки певца вкупе с резонаторами (грудным, гортанным и головным) производят тембрально богатый сигнал с необходимой базовой частотой (нотой). Роль фильтра выполняет ротовая полость: изменяя ее конфигурацию, певец может издавать звуки от открытого и яркого «а» до глухого мычания с закрытым ртом.

Пульт управления звуком

Любой субтрактивный синтезатор имеет модульную схему. Основной ее элемент — осциллятор VCO (Voltage Controlled Oscillator). Получая управляющие напряжения от клавиатуры, осциллятор генерирует колебания нужной частоты (на нужной ноте) с определенной формой волны. Даже самые простые аналоговые осцилляторы предлагают музыканту на выбор синусоидальную, пилообразную, пульсирующую волну, меандр. Каждая из них имеет свой набор гармоник с характерным звучанием. Современные цифровые модели синтезаторов позволяют использовать записанную звуковую волну или даже нарисовать ее на графике самостоятельно. Как правило, синтезатор содержит несколько осцилляторов. Они могут звучать одновременно в унисон или с интервалом, воспроизводить разные волны, формируя более сложные звуки.

Сигнал осциллятора направляется в фильтр. В классическом аналоговом синтезаторе используются фильтры высокой частоты (low-pass filter). Основной параметр фильтра — частота среза. Понижая ее, музыкант убирает из сигнала высокочастотные гармоники, делая его глухим, а повышая — прибавляет сигналу яркости. Вспомните популярный прием в танцевальных жанрах — музыка как будто звучит из-под воды, а затем постепенно выходит наружу. Еще один параметр фильтра — резонанс — позволяет управлять интересным эффектом: фильтры способны подчеркивать высокочастотные гармоники сигнала, создавая агрессивный электронный звук. После фильтра сигнал направляется в усилитель VCA (Voltage Controlled Amplifier).

В аналоговом синтезе не столь важны статичные настройки параметров модулей, сколько их изменения в реальном времени. К примеру, изменение частоты среза и резонанса фильтра — это очень яркий выразительный прием. Конечно, у музыканта всегда под рукой все ручки управления осцилляторами, фильтрами, усилителями и эффектами. Однако основную работу выполняет вовсе не он, а огибающие (Envelopes) и осцилляторы низкой частоты LFO (Low Frequency Oscillators). С амплитудной огибающей, которая управляет усилителем, мы уже знакомы. Такие же огибающие можно применить практически к любому параметру синтезатора. К примеру, с помощью огибающей фильтра можно создать «квакающий» звук, а огибающая высоты тона осциллятора может имитировать звук разгоняющейся сирены.

Осцилляторы низкой частоты (LFO), как и огибающие, используются для управления другими модулями, которое в данном случае называется модуляцией. LFO, как и VCO, позволяют выбрать форму и частоту волны. К примеру, модуляция высоты тона синусоидой небольшой амплитуды помогает имитировать вибрато, дрожащий голос.

Окончательной огранке сигнал подвергается в блоке эффектов. Реверберация (имитация пространства), эхо, хорус (как будто играют несколько инструментов в унисон), эффект вращающихся динамиков позволяют сделать сигнал основательным и объемным, заполнить им всю звуковую сцену и сразить слушателя наповал.

Смешать, но не взбалтывать

С помощью инструментов аналогового синтеза можно создать бесконечное количество разнообразнейших звуков. Главное в этом деле — умение применять различные приемы синтеза и соединять их воедино. К примеру, FM-синтез (взаимная модуляция двух осцилляторов по частоте) позволяет создать розовый или белый шум (разумеется, в диапазоне звучания инструмента). Сами по себе шумы крайне неблагозвучны, но, будучи подмешанными в нужных пропорциях к музыкальному сигналу, могут имитировать шум ветра, прибоя, дыхание певца или свист флейты. Применив к осциллятору амплитудную огибающую с очень резкой атакой и практически мгновенным затуханием, можно смоделировать барабан. Добавив к короткому щелчку вибрирующий сигнал от другого осциллятора, получим ксилофон.

Цифровые технологии сделали возможности математического синтеза звука практически безграничными.

К примеру, если ранние аналоговые синтезаторы были монофоническими и могли проигрывать лишь одну ноту в единицу времени, сегодня к услугам музыкантов многоканальный звук и полифония. Детальное управление формой волны позволяет более точно выбирать тембр, возможность сохранения настроек в памяти облегчает живые выступления. Единственное, чего не может дать цифровая техника, — это тот теплый, основательный, всепоглощающий звук, на который были способны старые аналоговые модели. Исключение составляют разве что современные модели, выполненные по полностью аналоговой схеме с цифровым управлением. Однако множество музыкантов по всему миру по сей день охотятся за старым добрым Minimoog 1970-х годов выпуска.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№5, Май 2007).