减法合成 - 维基百科,自由的百科全书
减法合成是一种利用滤波器“减去”有大量谐波的原始信号中部分谐波来创造音色的声音合成方法,由于早期模拟合成器几乎均使用减法合成,因此有时利用模拟电路进行的减法合成也直接被称作模拟合成。减法合成是1930年代以来被电子合成器广泛采用的合成技术[1],也是目前最主要的合成技术之一[2]。许多数字合成器、虚拟模拟合成器和软件合成器都在或独立,或与其他方法结合地使用减法合成。 [3]
概述
[编辑]在傅里叶变换的角度,任何复杂的周期性信号都可以被认为是由一组不同的正弦信号组成。具体到声音来说,就是由一组正弦波的频率和振幅决定了声音的特性;其中最低的频率一般为基频,确定了音高[a];而更高频率的正弦波们(称为“谐波”),则确定了音色[4]。
因此,为了得到确定的某个声音,有两种不同的基本思路:从不含谐波的声音开始,逐个谐波地叠加产生所需声音;或者从充满谐波的声音开始,删去不需要的谐波获得所需声音。两条思路分别对应了加法合成和减法合成[b]。
在模拟电路时代,加法合成由于需要振荡器数量极多而不具有实用价值,因而减法合成成为了流行的合成方式。而就现在来看,虽然减法合成无法(像FM合成、加法合成那样)创造新的谐波,但其易于理解,容易实现,且不会改变原始信号的音高,因而至今仍有广泛使用。
流程
[编辑]![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/55/Synth_Diag.svg/220px-Synth_Diag.svg.png)
减法合成的流程可以简单概括为:振荡器或噪声发生器产生原始的声音“原料”,然后由滤波器削弱(“减”掉)不需要的部分频率分量,同时通过带有包络的放大器模块等调节音量和截止频率等参数,得到需要的声音。对于这一过程,一个常用的比喻是米开朗琪罗的名言“要得到《大卫》雕像,只需要将大理石上不属于大卫的部分全部去掉”[4][5]。
振荡器
[编辑]作为合成素材的原始波形一般都需要具有丰富的谐波,以下是一些常见的波形[6]:
- 锯齿波,明亮,包含所有整数倍谐波。适于模仿弦乐器、贝斯和铜管乐的声音。
- 方形波,声音有“吹管”感,仅包含奇数倍谐波。适于模仿长笛类木管乐以及贝斯的声音,有时也用来合成打击乐声。
- 三角波,类似方波,但更加“柔和”,仅包含奇数倍谐波,比方波在高频衰减更快,几乎只包含前五个泛音。适于模仿木管乐器和叠加声音使其变“厚”。
- 正弦波,清晰、柔和,仅包含基频。适于模仿音叉、口哨之类“纯净”的声音。(注:由于纯正弦波不包含任何谐波,因此无法通过线性滤波来改变音色)
一些合成器会使用更复杂的波形(如 Synapse Audio DUNE[7]),甚至是声音采样(如 iZotope Iris[8])来作为原始波形,这可以为声音带来更多变化。
可以用一些方式来调整振荡器产生的声音,例如脉宽调制(只用于方波)、多个振荡器的环形调制、频率调制、幅度调制、相位调制,以及两个振荡器的硬同步(通常简称为同步),虽然这些调制严格来说超出了减法合成的范围,但大部分“减法合成器”都带有其中的一个或多个功能。
滤波器
[编辑]根据削弱声音“部分”的不同(频率分布),滤波器包括了低通滤波器(削弱高频)、高通滤波器(削弱低频)、带通滤波器(只保留特定频段,高通和低通的组合)、带阻滤波器(削弱特定频段,又称为“陷波滤波器”)、共振峰滤波器和梳状滤波器等。最常见、最重要的滤波器是低通滤波器,许多合成器(例如 Minimoog[9])只有一个低通滤波器。
这些滤波器听起来是这个样子(音频与右侧频谱图互相对应,建议点击查看大图片):
- 低通滤波器:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/88/LowPassFilter.png/220px-LowPassFilter.png)
- 带有共振的低通滤波器:
- 高通滤波器:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a1/HighPassFilter.png/220px-HighPassFilter.png)
- 带通滤波器:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/47/BandPassFilter.png/220px-BandPassFilter.png)
- 带阻滤波器:
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1e/BandStopFilter.png/220px-BandStopFilter.png)
在减法合成中,滤波器最重要的参数是截止频率(信号开始大量衰减的转折点)。与名字暗示的不同,高于截止频率的部分并不会被完全消除,而是随着与截止频率距离的增加而衰减。这个衰减过程的速度被称为滤波器的“斜率”,以每倍频程分贝数(dB/octave) 为单位。高斜率下声音转变剧烈,低斜率时声音转折比较柔和。大多数合成器的滤波器斜率在 12 到 24 dB/八度之间。
滤波器通常还具有所谓的共振,共振会提高截止频率附近的信号能量,使声音带有新的,听起来更响亮的特质。此外,滤波器的模拟电路(或信号处理)架构也会影响其频率响应,带来不同的声音特性[10]。
![](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8f/FilterAnalysis.png/220px-FilterAnalysis.png)
对于大多数合成器,滤波器的截止频率、共振,以及声音的调制都可以通过控件手动控制,也可以通过包络或LFO等调制器自动控制。
减法合成的代表性声音之一,就是滤波器截止频率在整个频率范围里快速扫过,就像这样:
放大器及控制信号
[编辑]经过滤波器部分后,信号被发送到放大器,来得到音量随时间变化的声音。这种变化也是合成出的声音特性的一部分。例如,打击乐总有一个短促的音头和相对较长的声音自由减弱部分,而吹管乐器则会随着吹奏者的气息慢慢变大声,一直持续,而在吹奏者不再吹气之后立即停止。
在大部分合成器中,这种音量的变化是通过一种被称为“起音-衰减-持续-释放(ADSR)”的四段包络控制的(“起音”段控制开始时音量达到最大所需的时间,“持续”段控制音符持续触发时稳定的音量,“衰减”段控制音量从最大下降到“持续”水平所需的时间,而“释放”段则控制音符不再持续触发时音量下降为零所需的时间);而有些合成器中,会利用更多段数的包络获得对音量更精确的控制[11]。如上面“滤波器”一节所言,这些包络也可以用来控制其他参数,以达到对声音的控制。
此外,低频振荡器(LFO)也是减法合成中的重要元素,它会随着时间的推移缓慢振荡,用这种振荡信号调制合成中的参数,能够产生动态变化的声音。
示例
[编辑]人声
[编辑]概念上来说,减法合成类似于语音学中的声源-滤波器模型,即“语音是由声带产生声音后,经由声道的共鸣腔滤波而形成的”这一原理。因此,我们可以借助自身的发声来理解减法合成的基本概念。
当人类说话、唱歌或发出其他声音时,声带可以类比为减法合成中的振荡器,口腔和喉咙则可以看作滤波器。
想象以同样的音高唱出“唔-” [uː]和“啊-” [ɑː],并试着分辨这两种情况之间的区别。在这两种情况下,声带产生的声音都非常相似——都是谐波丰富的声音。两者之间的区别在于口腔和喉咙的滤波方式。嘴部不同的形状,决定了滤波器的频率响应,也就确定了哪些谐波将被削弱(“减”掉)。 “啊-”声音中仍然存在大部分原始谐波; “唔-”的声音中则消除(或者说,削弱)了大部分谐波。控制口腔这个滤波器,逐渐把声音从“唔-”变为“啊-”,再变回来,就完成了一次扫频,而这正是吉他哇音效果的基础。
人类还能够通过发出“嘶嘶”声来产生近似白噪声的声音。想要“合成”(或者更普通地说,模仿)喷气式飞机着陆的声音,就要通过改变嘴的形状来逐渐削弱白噪音的高频部分,直到得到粉噪声。另一个“滤波”白噪音的例子,则是试着轻声而拉长地说“书”字,感受“sh(ㄕ)”发音的变化。这种“给白噪声做滤波”的操作,在电子乐器中被用于合成海浪声和风声,以及创建军鼓和其他打击乐的声音。
电子合成器
[编辑]许多电子音乐中常用的音色都是通过减法合成创造的,这些音色可能由模拟合成器、数字合成器或软件合成器创造,它们的操作过程相似,主要区别在于产生机处理音频信号的电路类型。模拟合成器通过模拟电路构成的压控振荡器(VCO)产生原始波形,利用压控滤波器(VCF)削弱不需要的谐波,再通过附带包络控制的压控放大器(VCA)控制音量的变化;数字合成器中,这些部件的一个或多个变为数字电路,从而实现更多功能、更低成本和更稳定的表现。
我们可以在软件构成的合成器中,用下面这个例子——用减法合成器来模仿拨弦的声音,感受之前提到的所有减法合成流程和概念。[c]
具体合成过程 |
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首先,准备两个产生相对复杂且谐波丰富的波形的振荡器,这里用的是方波:
添加脉宽调制以实现动态变化的音调:
把两个声音混合在一起。下面的例子中,两个声音是等量混合的,但实际上可以使用任何比例。
混合后的结果被送入压控放大器,从而具有音量的ADSR包络。换句话说,它的音量根据预设模式改变。下面是一个模拟弹拨弦的包络:
接着,声音通过一个低通滤波器:
一般的拨弦声音都会首先衰减高频,因此,为了更好地模拟弹拨琴弦的声音,滤波器的截止频率需要从一个中间值开始,并逐渐压低,就像这样:
加上一个琶音器,发出有节奏和音高变化的声音:
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应用
[编辑]自1930年的特劳特温电子琴[12]以来,减法合成方式被广泛使用。特劳特温电子琴由柏林艺术大学的Friedrich Trautbein于1930年发明,并于 1932 年上市,声源为锯齿波,具有多个共振峰滤波器,可以产生相当多的音色效果。同时期发明的减法合成器还包括1937年苏联的沃洛金合成器[13][14]、1939年美国的哈蒙德新音琴(Hammond Novachord)[15]等,这些原始电子乐器的应用并不广泛。
直到1960-1970年代,Moog、Buchla和阿兰·罗伯特·派尔曼制作了具有现代“VCO-VCF-VCA”架构的模拟合成器,但这些合成器都是模块化的,不存在固定的信号流向[16]。1968年,温蒂·卡洛斯发行了利用Moog合成器创作的《巴赫,启动!》(Switched on Bach)专辑,成为是当时销量最高的古典音乐唱片之一[17]。Buchla合成器则被巴菲·圣-玛丽(Buffy Sainte Marie)应用在了1969年的专辑《Illuminations》中,对實驗音樂产生了深远影响[18]。之后,这些合成器也在摇滚乐领域开始了广泛应用,披頭四樂隊、爱默生、雷克与帕玛乐队都利用Moog合成器创作了歌曲[19]。此后,以1971年上市的Minimoog和1972年上市的ARP Odyssey为代表,固定连接的模拟减法合成器开始出现,大大简化了声音制作的流程。
1970-1980年代,随着数字合成器的发展,减法合成也被引入数字合成器中。这段时期,许多数字合成器中还保留了模拟电路的VCF滤波器,称为“模拟/数字混合合成器”,如KORG DW-8000[20]、Ensoniq ESQ-1[21]等。1995年,Clavia推出了一种虚拟模拟合成器Nord Lead,该合成器完全使用数字信号处理再现模拟合成器的所有部分[22]。在数字合成时代,减法合成常被作为一种声音处理手段,与其他方式结合,例如采样、FM合成、加法合成等。
参见
[编辑]注释
[编辑]参考文献
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外部链接
[编辑]- AMS (页面存档备份,存于互联网档案馆) - 基于ALSA框架的免费软件模块合成器
- VCV Rack (页面存档备份,存于互联网档案馆) - 免费开源跨平台,软件模块合成器
- 减法合成器的工作原理 (页面存档备份,存于互联网档案馆) - Apple Logic Pro 帮助文件中对减法合成器原理的描述,但不与特定DAW或合成器相关
- Subtractive Synthesis: Learn Synthesizer Sound Design | LANDR Blog (页面存档备份,存于互联网档案馆)
- 解读模拟合成器『1』--震荡器与波形 (页面存档备份,存于互联网档案馆) - 中国大陆音乐杂志Midifan的系列文章,介绍了模拟合成器中的原理与操作
- 电子音乐120年 (页面存档备份,存于互联网档案馆) - 关于18世纪末至1980年代经典电声或模拟电子合成器的介绍
- Vintage Synth Explorer (页面存档备份,存于互联网档案馆) - 大量1970年代至今老式合成器的介绍、评价与交易
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