Jak funguje syntezátor

Popis jeho hlavních částí

Cílem tohoto článku je stručně popsat základní prvky syntezátoru na bázi subtraktivní syntézy (viz Metody zvukové syntézy), který je nejrozšířenější a z hlediska svého principu nejnázornější.

Zvukem rozumíme kmitavý pohyb hmotného prostředí, který jsme schopni vnímat sluchem. Abychom si mohli zvuk nebo přímo skladbu uložit, pominu-li první zařízení na bázi mechanického záznamu, je potřeba tento akustický vzruch reprezentovat elektrickým signálem. Jakmile získáme takovýto signál, nebude trvat dlouho, než si položíme otázku, nemůžeme-li takovýto signál měnit, nebo ještě odvážněji, potřebujeme-li vůbec v tomto řetězci klasický hudební nástroj pracující na mechanických principech jako tvůrce předobrazu našeho signálu.

Cílem hudebního syntezátoru je vytvářet časový průběh elektrického signálu takovým způsobem, aby byl pro posluchače nějak zajímavý. Je zřejmé, že pokud chceme měnit, či přímo vytvářet nové zvuky, budeme muset nalézt postup, který dokáže měnit časový či frekvenční průběh, a to nejlépe takovým způsobem, abychom měli kontrolu nad výsledným žádoucím zvukem. Takový nástroj, který integruje zvukotvorný proces se snadným transparentním ovládáním, se nazývá syntezátor. Syntezátor (syntetizér či řidčeji syntetizátor) je elektronický hudební nástroj, který tvoří výsledný zvuk syntézou.

Na obrázku č. 1 je zobrazeno blokové schéma jednoduchého subtraktivního syntezátoru. Pojem subtraktivní je zde trochu nepřesný, protože ač se jedná o nejzákladnější zapojení, nedochází zde pouze k subtraktivní syntéze. Generátor může být složen z více nezávislých superponovaných oscilátorů, což je princip kupříkladu aditivní syntézy. Nízkofrekvenční oscilátor LFO zda pracuje přesně dle definice frekvenčně modulační syntézy. S ryzí realizací jedné metody zvukové syntézy se setkáme jen zřídka v demonstračních aplikacích, ne však v komerčně nabízených nástrojích.

Vraťme se zpátky k obrázku. Syntezátor je v aktivním stavu a čeká na podnět z kláves. Zahrajeme-li na klávesách komorní A jde ihned do „generátoru“ informace o výšce, která nastaví základní kmitočet všech oscilátorů na danou úroveň, v našem případě 440 Hz. Řekněme, že z generátoru jde frekvenčně bohatý pilovitý signál o základním kmitočtu 440 Hz s jeho celočíselnými násobky na kmitočtech 880, 1320 atd. Po průchodu signálu filtrem, dojde k potlačení a naopak k zvýraznění některých frekvencí. Filtr může mít i časovou závislost danou nastavenou „obálkou“, takže při náběhu tónu muže propouštět širší spektrum harmonických než při jeho doznívání. Následný řízený zesilovač respektuje také navolenou obálku, ale v amplitudovém smyslu. Výsledný zvuk pak může mít rychlý nástup a pomalé exponenciální doznívání do ztracena. Následovat pak ještě mohou různé efekty jako: reverb, echo, chorus, flanger a další. Výsledný zvuk je zesílen a může jít přímo do reproduktorů.

Ve schématu je ještě zobrazen nízkofrekvenční generátor LFO, který může modulovat parametry dalších funkčních bloků.

Každý blok je řízen nebo propojen s tím dalším napěťovým signálem. Z toho vychází následující vžité názvosloví:

• VCO – Tónový generátor [Voltage Controlled Oscillator]
• VCF – Filtr [Voltage Controlled Filter]
• VCA – Řízený zesilovač [Voltage Controlled Amplifier]
• EG – Obálkový generátor [Envelope Generator]
• LFO – Pomaloběžný generátor [Low Frequency Oscillator]

Klaviatura

Klaviatura, klávesy či klávesnice, jak se ji porůznu říká, je vstupním prvkem obvodu. Stisknutí určité klávesy v sobě nese hned několik informací. Jednak je to výška tónu (pitch) ovlivňující frekvenci generátoru, rychlost (velocity) ovlivňující hlasitost a také spouštěcí informace (trigger) nastavující, popřípadě resetující některé funkčnosti.

Se zavedením komunikačního protokolu MIDI se pevný fyzický vztah klaviatury a generátoru zvuku od sebe oprostil a klaviatura může nyní sloužit jako externí ovladač samostatného syntezátoru.

Tónový generátor

Nevypustitelnou součástí obvodu je generátor komplexních tvarových kmitů. Je žádoucí, aby měl bohaté spektrum a tedy i sytý plný zvuk. Obyčejně se používá trojúhelníkový, obdélníkový a pilovitý signál (obr. 2). Trojúhelníkový signál má jen liché harmonické složky s poměrně strmým kvadratickým poklesem. Jeho první harmonická je oproti ostatním natolik dominantní, že jeho zvuk připomíná prostý sinusový tón. Obdélníkový signál má také pouze liché harmonické a zní dutě až kovově. Tento zvuk je typický u saturačního zkreslení, kdy dochází k bezprostřednímu oříznutí amplitudy. Ostrým, plným zvukem je charakteristický pilovitý signál, který obsahuje všechny harmonické složky. Nové harmonické složky vzniknou, měníme-li střídu jmenovaných tvarových kmitů. Obdélníkový tvar může přejít až ke krátkým pulsům, které jsou pro svůj příjemný zvuk také hojně používané. S jejich reálnou obdobou se můžeme setkat v lidských hlasivkách. Na následujícím obrázku je možné všechny spektra vzájemně porovnat. Kromě grafického znázornění nechybí analytické vyjádření a rozvoj prvních harmonických.

Zajímavý je průběh spektra pulzního signálu vzniknuvší změnou střídy obdélníkového průběhu. Tímto způsobem získá signál novou kvalitu projevující se nejenom doplněním spektra sudými harmonickými, ale také plnějším vyzněním. Generátor se spustí stisknutím klávesy, jejíž výška nastaví frekvenci oscilátoru.

Filtr

Filtry elektronických hudebních nástrojů mají obdobnou funkci jako ozvučná tělesa (rezonátory) u klasických hudebních nástrojů. To znamená, že zdůrazňují nebo naopak potlačují některé harmonické složky z celkového spektra vstupních tvarových kmitů generovaných tónovým generátorem. Je to tedy jakási spektrální obálka tvarující frekvenční průběh nástroje.

Vlastnost každého filtru je obvykle znázorňována přenosovou charakteristikou, která zobrazuje poměr výstupního a vstupního napětí v závislosti na kmitočtu signálu. Přenos P se dá spočítat podle vztahu: , a většinou se udává v logaritmické míře. Podle tvaru přenosové charakteristiky rozeznáváme tři základní typy filtrů: dolní propust, horní propust a pásmová propust.

Jejich kombinací můžeme vytvořit takřka jakýkoliv frekvenční průběh. Tato možnost se využívá zejména v jednodušší podobě ve formě statické formantové syntézy, kde každý nástroj má svůj pevný filtr (rejstřík). Obyčejně se však používá filtr pouze jediný, u něhož můžeme měnit některé jeho stavební parametry, kterými jsou: frekvence, jakost, strmost nebo šířka pásma.

Velmi rozšířený v analogové syntéze je filtr typu Sallen-Key, nejčastěji jako dolní a pásmová propusť, který umožňuje řídit přivedeným napětím frekvenci a činitel jakosti. Praktickým problémem je zde potom ovládat oba parametry tak, aby se navzájem neovlivňovaly. Volbou vysokého Q můžeme z filtru získat rezonátor, který se ve své krajní poloze chová již jako tónový generátor.

Řízený zesilovač

I kdybychom dokázali napodobit přesné spektrální chování nástroje, stále by výsledný zvuk zněl uměle a v mnoha případech bychom reálný nástroj ani nerozpoznali. Tento rozdíl je způsoben nestacionaritou reálných zvuků nástrojů. Každý nástroj je příznačný nejenom svými spektrálními charakteristikami, ale také svoji dynamikou. Zde tedy zesilovač neplní funkci koncového zařízení zesilující zvuk na reprodukovatelnou úroveň, ale amplitudově moduluje konstantní obálku signálu. Řídící napětí amplitudové obálky je nejčastěji získáváno z obálkového generátoru.

Obálkový generátor

Obálka je funkce, kterou řídíme průběh zvoleného parametru v čase. Obálka bývá rozdělena do několika segmentů, které jsou následně editovány. Nejjednodušším a zároveň nejrozšířenějším modelem je čtyř-segmentová obálka, tzv. ADSR.

Nejčastěji měníme napěťovou úroveň signálu, čímž měníme průběh hlasitosti v čase. Zrovna tak můžeme obálkou modulovat změnu mezní frekvence, čímž docílíme živého až efektově dramatického výrazu. Tento efekt bývá někdy nazýván wau-wau, podle fonetické transkripce zvuku vznikajícího uzavíráním výstupního korpusu trumpety hudebníkovou rukou nebo dusítkem. Obálka vzniká v generátoru obálek (EG) nastavením časových konstant definujících průběh čtyř stavebních části jak je patrno z obrázku 5.

ADSR obálka je základní součástí všech syntezátorů a samplerů. Má výrazný podíl na hudebním projevu a autenticitě nástroje.

Popis jednotlivých částí:

• Attack (náběh, nástup): udává, za jakou dobu se signál po stisknutí klávesy dostane na své maximum. Okamžitý náběh je typický pro perkuse. Stringy a pady mají naopak náběh pozvolný.
• Decay (útlum): doba za kterou signál poklesne ze svého maxima na svou ustálenou hodnotu sustain.
• Sustain (podržení): udává úroveň signálu při stálém držení klávesy.
• Release (uvolnění, doznívání): doba do úplného doznění tónu po uvolnění klávesy

Pomaloběžný generátor - LFO

Jedná se o pomocný generátor modulující parametry syntezátoru. Většinou frekvenčně nebo amplitudově moduluje hlavní oscilátor, ale dost často se používá i k periodickému rozlaďování filtru. Bývá naladěn na subsonické frekvence řadově v jednotkách hertzů. Umírněnou volbou hloubky modulace můžeme docílit rozechvělých efektů známé v hudební nauce jako tremolo a vibrato. Vhodnou kombinací zmiňované hloubky modulace a modulační frekvence vznikají zvuky zcela nové.

Efekty

Efekty významně přispívají k celkovému oživení zvukového projevu hudebního nástroje a dotvářejí osobitý charakter jednotlivých rejstříků [1]. Přísně vzato může být efektem cokoliv, co mění zvuk, tedy i již zmíněné části syntezátoru. V této souvislosti však hovoříme o efektech jako o doplňkových technikách, které by sami o sobě nedokázali vytvořit svébytnou metodu zvukové syntézy.

Doposud vzniklo nepřeberné množství efektů, mnohdy lišících se z patentových důvodů jenom názvem. Ty nejzákladnější, využívané u živého hraní jsou:

• Delay
• Echo
• Chorus
• Flanger
• Phaser
• Reverb

Všechny tyto efekty sdílí tentýž princip zpožďovací linky. Odlišují se zejména délkou zpoždění, proměnlivostí tohoto zpoždění a velikostí zpětné vazby (viz tabulka a obrázek).

Tab.2 Typické hodnoty efektů

• [1] R. Sýkora, F. Krutílek, J. Včelař: Elektronické hudební nástroje a jejich obvody. SNTL, Praha 1981

▉ Telotone | 28/06/2009; aktualizace 29/03/2013