Syntezator to jedno z podstawowych narzędzi jakimi posługuje się producent muzyki. Zrozumienie jego działania wydaje się, wcześniej, czy później, konieczne. W artykule omawiam WSZYSTKIE podstawowe pojęcia związane z syntezą dźwięków. Opisuję kolejne elementy układu syntezatora, przez jakie przechodzi wytwarzany dźwięk. Omawiam w jaki sposób działają i na przykładach opisuję jaki dźwięk można otrzymać. Jest to najobszerniejszy poradnik o podstawach syntezy w Polskim internecie (mam nadzieję, że też najłatwiejszy do zrozumienia). Z początku, wszystko to może wydać się skomplikowane, ale gwarantuję, że w praktyce (po treningu) jest bardzo proste, wręcz intuicyjne. Artykuł jest dość obszerny, ponieważ im więcej wiesz o dźwięku jaki tworzysz, im lepiej rozumiesz co się dzieje – tym lepszym stajesz się producentem. Ale zacznijmy od początku…

PODSTAWOWE POJĘCIA

Dźwięk to nic innego jak fala akustyczna rozchodząca się w ośrodku (powietrzu). Jak każda inna fala – jest cykliczna i ma pewne parametry, które ją określają. Do najważniejszych parametrów w przypadku fali dźwiękowej należą:

  • Amplituda/Natężenie (wysokość fali) – odpowiada za głośność sygnału – im wyższa amplituda, tym głośniejszy dźwięk. Patrząc na obrazek po prawej widzimy trzy punkty. Punkt +1 oznaczony jest w miejscu najwyższej amplitudy, co odpowiada wypchnięciu membrany głośnika; punkt -1 jest jego przeciwieństwem – określa najniższą amplitudę i odpowiada cofnięciu się membrany głośnika; a punkt zerowy odpowiada powrotowi membrany do stanu spoczynku.
  • Częstotliwość (długość fali)- określa wysokość dźwięku (pitch), za pomocą częstotliwości. Częstotliwość (frequency) podaje się w hercach (Hz), które określają ilość cykli (powtórzeń) na sekundę. Każda fala dźwiękowa oscyluje, czyli wykonuje powtarzalne ruchy o pewnej wysokości.
wyższa wartość Hz = więcej cykli na sekundę = wyższy dźwięk = krótsza fala

Syntezatory dopasowują częstotliwość do wartości jakim odpowiadają poszczególne nuty (choć można to zmienić na żądanie). Na przykład 440 Hz oznacza nutę A poniżej środkowego C (a więc w Abletonie A2). Podwojona wartość – 880 Hz, to częstotliwość nuty A oktawę wyżej – A3.

 

  • Barwa – związana jest ze strukturą widmową sygnału. Mamy 4 podstawowe rodzaje fal:
  • Sinusoidalną (sine)

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

  • Kwadratową (square), złożona z impulsów i przerw równej szerokości. Jej odmianą jest fala impulsowa (pulse), która różni się stosunkiem szerokości impulsów do przerw.

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

  • Trójkątną (triangle)

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

  • Piłokształtną (sawtooth, saw)

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

Fale sinusolidalna i trójkątna, z powodu łagodnego przebiegu, najczęściej są używane do niskich basów, kwadratowa daje brzmienie jak ze starych konsol do gier, natomiast piłowata nadaje się do stworzenia każdego rodzaju dźwięku – można zrobić nią piękne pady, ciekawe plucki, czy mięsiste, pierdzące basy.

 

  • Faza (phase) – określa w którym miejscu na fali znajduje się wybrany punkt. W syntezie dźwięku fazą określa się najczęściej punkt rozpoczęcia odtwarzania. Fazę opisuje się za pomocą stopni, od 0° do 360° (ponieważ fala dźwiękowa w trójwymiarze oparta jest o kształt okręgu). Synteza dźwięku złożonego z dwóch lub większej ilości fal może odbywać się z przesunięciem każdej z tych fal względem siebie. Na przykład:
  • Przesunięcie drugiej fali o 90°

  • Przesunięcie drugiej fali o 180°. UWAGA – przy takim ustawieniu słyszalna będzie cisza, ponieważ w każdym punkcie fale się odejmują, amplituda wynosi ZERO.

  • Przesunięcie drugiej fali o 0°, powoduje odgrywanie takiego samego dźwięku odpowiednio głośniej

Do celów syntezy dźwięku najczęściej używa się przesunięcia fal pomiędzy 0, a 90°.

JAK DZIAŁA SYNTEZATOR?

Każdy z syntezatorów posiada oscylator. Oscylator to generator fali – tworzy surowe dźwięki o odpowiednim przebiegu. Syntezatory mogą tworzyć zarówno pojedyncze, monofoniczne fale, jak i złożone z wielu identycznych – polifoniczne. Istnieją też generatory szumów (szum, whitenoise, to jednostajny dźwięk zawierający wszystkie słyszalne częstotliwości, przypomina świst). Z szumów często tworzy się dźwięki perkusyjne i/lub wypełnia brakujące częstotliwości w syntezowanym dźwięku. Można też za jego pomocą zrobić efekty przejścia typu sweep up / sweep down.

Syntezatory oferują możliwość wybrania ilości głosów (czyli odgrywania identycznych sygnałów jednocześnie), ich przesunięcia względem siebie (ustawienia fazy), pozwalają też na zmianę transpozycji (wysokości sygnału) i często ustawienie wielu podstawowych parametrów (np. panoramy, mocy/głośności sygnału). Wiele syntezatorów pozwala również na składanie dźwięku z kilku sygnałów (najczęściej 3-4), każdy z nich może mieć inaczej ustawiony oscylator. Właśnie na takim składaniu sygnałów z różnych oscylatorów opiera się synteza. Kolejnym etapem, po złożeniu dźwięku z różnych sygnałów, jest przepuszczenie go przez różnego rodzaju narzędzia – modulatory. Zajmijmy się jednak jeszcze pierwszym etapem. Poniżej przedstawiam podstawowe modele syntezy: substraktywną, addytywną i modularną (fm).

RODZAJE SYNTEZY

Synteza substraktywna (analogowa), polega na wytworzeniu surowej fali o konkretnej barwie (bogatej w harmoniczne, np. sinusoidalnej, kwadratowej itd.), a następnie ukształtowaniu sygnału przy pomocy różnych narzędzi (filtrów, by pozbyć się niepożądanych częstotliwości; generatorów obwiedni, do kontroli głośności itd.; Więcej o nich będzie w dalszej części artykułu).

Synteza addytywna polega na składaniu dźwięku z wielu fal sinusoidalnych. Części składowe (czyli dodawane fale sinusoidalne) mogą mieć różną częstotliwość i amplitudę.

Najniższa fala sinusoidalna jest jednocześnie falą podstawową. Dodawane fale sinusoidalne, będące jej wielokrotnością to harmoniczne. Właśnie harmoniczne decydują o barwie dźwięku. Wiedząc to i znając składowe harmoniczne różnych fal dźwiękowych można odtworzyć brzmienie zarówno każdej podstawowej fali (kwadratowej, piłokształtnej itd.), jak i odtworzyć jakiekolwiek inne brzmienie (nawet prawdziwych instrumentów). Każda kolejna składowa (harmoniczna, oznaczona na osi X) jest odpowiednio krótsza od poprzedniej. Na przykład, gdy częstotliwość fali podstawowej wynosi 880Hz, to jej druga składowa będzie miała częstotliwość 880*2=1760Hz, trzecia 880*3=2640Hz itd. Poniżej przedstawiam składowe czterech podstawowych rodzajów fal.

     

     

Chcę by było to całkowicie jasne, więc przedstawię to wszystko jeszcze raz, na przykładach. Do stworzenia wybranych barw użyję po 16 harmonicznych:
  • Fala kwadratowa złożona jest ze składowych nieparzystych, a więc pominięte będą wszystkie parzyste. Każda ze składowych ma odpowiednio niższe natężenie (amplitudę), jak i wyższą częstotliwość:

Składowa Natężenie
Częstotliwość
1 1 880 Hz
3 1/3 2640 Hz
5 1/5 4400 Hz
7 1/7 6160 Hz
9 1/9 7920 Hz
11 1/11 9680 Hz
13 1/13 11440 Hz
15 1/15 14080 Hz

Obecność składowych można zaobserwować przy pomocy analizatora widma (np. Spectrum):


Natomiast przebieg fali złożonej z 16 harmonicznych, wygląda następująco

  • Fala piłokształtna złożona jest ze wszystkich składowych, każda ma przedstawione w tabeli niższe natężenie (amplitudę), jak i wyższą częstotliwość:

Składowa Natężenie Częstotliwość
1 1 880 Hz
2 1/2 1760 Hz
3 1/3 2640 Hz
4 1/4 3520 Hz
5 1/5 4400 Hz
6 1/6 5280 Hz
7 1/7 6160 Hz
8 1/8 7040 Hz
9 1/9 7920 Hz
10 1/10 8800 Hz
11 1/11 9680 Hz
12 1/12 10560 Hz
13 1/13 11440 Hz
14 1/14 12320 Hz
15 1/15 13200 Hz
16 1/16 14080 Hz

W analizatorze widma fala piłokształtna wygląda następująco (dużo gęściej niż w przypadku fali kwadratowej):


A przebieg fali wygląda tak:

Oczywiście im więcej składowych (harmonicznych), tym kształt fali będzie dokładniejszy. Można więc porównać je do pikseli – im ich więcej, tym rozdzielczość wyższa, a obraz dokładniejszy. Jednak należy pamiętać, że im więcej harmonicznych, tym wyższe zużycie procesora.
Synteza addytywna jest świetnym narzędziem do symulowania brzmienia prawdziwych instrumentów – fortepianu, organów, gitary itd. Pozwala na całkowitą kontrolę tworzonego dźwięku, można nawet próbować odtwarzać dźwięki analizując ich widmo (za pomocą np. Spectrum) i dodając znalezione harmoniczne. Przykładem syntezatora addytywnego jest Abletonowy Operator.
Jeśli znasz angielski, możesz posłużyć się również tym filmem, by zrozumieć lepiej syntezę addytywną: http://youtu.be/YsZKvLnf7wU

Synteza modularna (modulacja FM), polega na cyklicznej zmianie częstotliwości sygnału nośnego przez inny sygnał – modulujący. Innymi słowy tworzone są dwa sygnały – jeden nośny, a drugi modulujący. Sygnał modulujący zmienia (moduluje) przebieg sygnału nośnego, co powoduje pojawienie się dodatkowych prążków w widmie sygnału (zarówno harmonicznych, jak i nieharmonicznych). Sygnał wychodzący jest często trudny do przewidzenia, dlatego aby odtworzyć/stworzyć pożądany dźwięk trzeba stosować metodę prób i błędów. Przykładem syntezatora modularnego jest również Operator. Operator jest więc zarówno syntezatorem addytywnym (każdy z oscylatorów jest oparty o syntezę addytywną) jak i modularnym (bo pozwala na modulację sygnału pochodzącego z jednego oscylatora – drugim). Posiada też inne elementy układu, które opiszę niżej.

Przykład:

  • Jeden oscylator generujący falę sinusoidalną (fala nośna)

 

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

  • Dwa oscylatory, oba generujące identyczne fale sinusoidalne, ale druga (modulująca) zmienia przebieg pierwszej (nośnej)

 

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

POZOSTAŁE ELEMENTY UKŁADU 

Po wytworzeniu fali o żądanej barwie, dźwięk kierowany jest do kolejnych elementów układu syntezatora – modulatorów. Te mogą odpowiadać np. za zmianę natężenia dźwięku, wycinanie niepożądanych częstotliwości, zmianę wysokości dźwięku w czasie, czy nawet cykliczne zmiany różnych parametrów.

Generator obwiedni (Amp, Amplifier, Mod Envelope)

Pierwszym elementem układu, do którego trafia dźwięk jest GENERATOR OBWIEDNI DŹWIĘKU (amplifier, amp), który odpowiada za zmianę głośności w czasie.

UWAGA!
Zrozumienie działania generatora obwiedni, jak i modelu ADSR jest kluczowe przy produkcji muzyki/dźwięku – to jeden z najważniejszych elementów, który pozwala sterować dźwiękiem, zarówno w syntezatorach, jak i samplerach.

Podstawowy model określony jest przez parametry ADSR (ataku, zaniku, podtrzymania, wybrzmiewania):

  • Attack – Atak, czas narastania amplitudy od zera do poziomu maksymalnego, po naciśnięciu klawisza,
  • Decay – Zanik, czas opadania amplitudy od poziomu maksymalnego do poziomu podtrzymania (sustain),
  • Sustain – Stan ustalony, amplituda/poziom podtrzymania (głośność), gdy klawisz jest naciśnięty dłuższy czas,
  • Release – Wybrzmiewanie, czas opadania amplitudy od poziomu podtrzymania do zera, po zwolnieniu klawisza.
Żeby było jaśniej prześledźmy jaką drogę przechodzi głośność dźwięku od naciśnięcia klawisza:
  1. Naciśnięcie klawisza, amplituda stopniowo narasta i w czasie A dochodzi do poziomu maksymalnego
  2. Zaraz po osiągnięciu poziomu maksymalnego amplituda zaczyna opadać w czasie D do poziomu S
  3. Przez cały czas podtrzymywania klawisza dźwięk jest odtwarzany z amplitudą określoną przez S
  4. Zwolnienie klawisza, amplituda z poziomu S opada do poziomu zerowego w czasie określonym przez R
Dla przykładu:
  • ustawienie krótkiego ataku, krótkiego czasu decay i niskiego poziomu sustain da krótki, plumkający dźwięk

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

  • ustawienie długiego ataku, długiego czasu decay i wysokiego poziomu sustain oraz pewnego czasu release pozwoli na wytworzenie łagodnie wchodzących dźwięków padów

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

Warto jest popróbować różnych ustawień dla tego samego dźwięku. W Abletonie można użyć do tego celu każdego instrumentu z biblioteki, nawet Samplerów.
Generator obwiedni może być również użyty do kontrolowania następnego parametru, który omówię – filtra. Wtedy zamiast głośności, generator obwiedni reguluje czas i stopień otwarcia filtra.
Dla znających angielski – ten filmik opowiada o działaniu generatora obwiedni ADSR: http://youtu.be/A6pp6OMU5r8
Filtr (Filter)
Filtr, to innymi słowy equalizer, który przepuszcza (odfiltrowuje) tylko część dźwięku. Podstawowymi parametrami filtra są: częstotliwość odcięcia i dobroć Q. Mamy 4 podstawowe rodzaje filtrów:
  •  filtr dlonoprzepustowy (Low Pass), przepuszcza tylko niskie, basowe częstotliwości, wytłumiając wszystkie wyższe od ustalonej częstotliwości (najczęściej używany)
  •  filtr górnoprzepustowy (High Pass), przepuszcza tylko wysokie częstotliwości, wytłumiając wszystkie niższe od ustalonej częstotliwości
  •  filtr środkowoprzepustowy (Band Pass) – przepuszcza środkowy zakres częstotliwości, wytłumiając wszystko poniżej i powyżej ustalonej częstotliwości
  •  filtr środkowozaporowy (Notch) – wytłumia wszystko ze środka, przepuszczając całą resztę.
Poza rodzajem filtra bardzo ważnym parametrem jest jego stromość. Najczęściej można spotkać filtry o stromości 24dB/oktawę (zwanym tez czterobiegunowym) lub 12 dB/oktawę (dwubiegunowy). Dużo rzadziej występują filtry o stromości 36 i więcej dB/oktawę. Stromość określa dokładność tłumienia wybranych częstotliwości. Zatem filtr o stromości 24dB/oktawę redukuje (tłumi) siłę sygnału o 24 dB poniżej częstotliwości odcięcia na oktawę. Im dalej od ustalonej częstotliwości tym tłumienie silniejsze.
W syntezatorach wartość częstotliwości często określana jest jako Cutoff, natomiast dobroci Q jako Resonance.
Więcej o filtrach znajdziesz w artykule: DOSKONAŁY MIKS Z EQ EIGHT

Generator wolnych przebiegów (LFO, Low Frequency Oscillator)

W przeciwieństwie do oscylatora, generującego dźwięk, LFO tworzy falę (czyli coś powtarzalnego w czasie, cyklicznego, o odpowiednim kształcie przebiegu), który może być użyty jako źródło modulacji różnych parametrów. Można więc za pomocą LFO kontrolować natężenie dźwięku, poziom otwarcia filtra i inne parametry. LFO jest w pewien sposób podobny do generatora obwiedni ADSR, z tą różnicą, że obwiednia generowana jest tylko raz, natomiast LFO zmienia się cały czas (!), cyklicznie.

  • Korzystając z LFO kontrolującego natężenie dźwięku można uzyskać np. efekt tremolo (przy użyciu fali sinusoidalnej), albo efekt typu gate (fala kwadratowa).
  • Korzystając z LFO kontrolującego otwarcie filtra dolnoprzepustowego, można uzyskać np. tzw. „wobble bass”, wykorzystywany często w produkcjach Dubstepowych.

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

Większość generatorów wolnych przebiegów posiada możliwość dopasowania (synchronizacji) prędkości do tempa projektu uruchomionego w naszym DAWie.

Modulatorem może być także wspomniany wcześniej generator obwiedni ADSR. Takie modulatory często wykorzystywane są na przykład przy tworzeniu dźwięków basowych, gdzie filtr dolnoprzepustowy jest otwierany na chwilę (krótki czas Decay) przy każdym uderzeniu w klawisz.
W przykładzie poniżej, bas z ustawionym generatorem obwiedni na modulację otwarcia filtra dolnoprzepustowego: pierwsze 3 uderzenia – krótki czas decay, kolejne 3 – dłuższy czas decay.

Audio clip: Adobe Flash Player (version 9 or above) is required to play this audio clip. Download the latest version here. You also need to have JavaScript enabled in your browser.

Po przejściu przez podstawowe elementy układu na sygnał wyjściowy można w końcu nałożyć efekty i tutaj zaczyna się bajka. Można dosłownie na każdy sposób poprawić/zmienić/poszerzyć wytworzony dźwięk. Wszystko zależy od pomysłowości i przede wszystkim tego co chcemy osiągnąć. Najczęściej używa się pogłosów (reverb), delay’ów, fazerów, przesterów i kompresorów.

Wszystko co opisałem powyżej może wydawać się na pierwszy rzut oka skomplikowane, ale w praktyce okazuje się bardzo proste i wręcz intuicyjne. Najważniejsze jest dobre ucho. Jeśli dodać do tego trochę wiedzy teoretycznej i ćwiczeń to będzie można stworzyć każdy dźwięk. Z początku metodą prób i błędów, ale z czasem coraz szybciej będziesz tworzyć pożądane dźwięki.

PS. Może być tak, że opisałem coś w niejasny sposób, bądź palnąłem gafę. Jeśli tak się stało – daj mi znać w komentarzu.

Wysher