rosoft.org

Синтезиране на звук с компютър

1. Методи за синтез на звук

Синтезиран звук се използва при компютърните игри и тренажори за произвеждане на звукови ефекти - например изстрел от оръжие, шум на мотор, дори музика. Синтезът на звука се извършва от звуковата карта (хардуерно) или чрез специална програма (софтуерно).

Съществуват два основни метода за синтез на звук:
1) метод "честотна модулация" или FM;
2) метод "вълнови таблици" или Wave Table.

Първият метод използва няколко генератора на синусоидален сигнал (обикновено 4 на брой), които взаимно се модулират и така се получава сложен и богат на хармоници звук (Фиг. 1). Генераторите на звук още се наричат оператори и в зависимост от тяхната конфигурация могат да се получат звукове, имитиращи най-различни музикални инструменти и ефекти. На Фиг. 2 е показана конфигурация, типична за синтезиране на инструменти от типа на органите.
 

Фиг. 1 - Конфигурация на 4 оператора за генериране на звук

Фиг. 2 - Конфигурация на 4 оператора за генериране на звук

За дооформяне на звука, получен от 4-те оператора, е необходимо да се подаде към смесител и оттам към генератор на обвиващата крива, който има за цел да дооформи окончателно звука. За получаване на полифонично (многогласно) звучене в синтезатора на звук има много на брой такива оператори - от порадъка на 80, като по този начин става възможно произвеждането на до 20 гласа (звука) едновременно.

Вторият метод за синтез на звук е методът "вълнови таблици" - от английски "wave table". Той намира особено разпространение в наши дни, поради все по-ниската си цена. Докато методът FM е добър за игри и прости звукови ефекти, то вълновите таблици могат да се използват и за сериозна работа, например за композиране на музика. Принципът на синтез при wave table е следния: в паметта на синтезатора (ROM-памет) са записани предварително мостри или образци на основните музикални инструменти - пиано, орган, китара, бас, духови и струнни инструменти, ударна секция и ефекти като вятър, морски вълни и други. От тези записани образци чрез наслагване се получават и производните им инструменти. По този начин се генерира богато разнообразие на музикални инструменти и звукови ефекти. На Фиг. 8 е показана функционална схема на wave table синтезатор:
 

Фиг. 3 - Функционална схема на wave table синтезатор

Практиката показва, че за предпочитане е използването на wave table синтезатор, тъй като той дава по-реалистични звукове, които е трудно да се отличат от истинските дори от опитен музикант. Единственият техен недостатък е по-високата им цена, поради наличието на ROM-памет (от 1 до 8 МБайта + част от оперативната памет на компютъра) и процесор. Обикновените и по-евтини звукови карти притежават само вграден FM-синтезатор, но имат специален конектор за поставяне на допълнителен wave table синтезатор, който се нарича още wave blaster. По такъв начин значително се разширяват възможностите на звуковата карта за синтез на звук.

3. Средства за създаване на компютърна музика

С цел управление на синтезаторите и свързването им с компютър е създаден единен електронен стандарт, който се нарича MIDI - "Musical Instruments Digital Interface". Той е въведен още през 80-те години за връзка между тогавашните електронни синтезатори и клавиатури. През 1992 година е приет и най-новия стандарт на езика MIDI, който се нарича General MIDI.
По своята същност MIDI е език с команди за предаване на данни от един синтезатор към друг и обратно. Езикът не зависи от конкретния производител и модел на синтезатора. Командите, които влизат в състава на MIDI са разделени на две основни групи: команди за управление на звука и системни команди, управляващи състоянието на синтезатора.

Някои от тези команди са следните:

- NOTE ON - начало на нота с указан номер и сила на звука;
- NOTE OFF - край на нота с указан номер;
- PATCH CHANGE - смяна на инструмент;
- PITCH WHEEL - модулация на звука;
- PORTAMENTO - плавно изменение на честотата на звука;
- VOLUME - промяна на силата на звука;
- PAN - стереопанорама на звука;
- EXPRESSION - изразителност на звука;
- REVERB - ниво на ехо ефекта;
- CHORUS - ниво на хорус ефекта;
- SYSTEM EXCLUSIVE - команди за управление състоянието на конкретен модел синтезатор.

Свързването на компютър с външен синтезатор става чрез MIDI кабел. За тази цел на гърба на звуковата карта има монтиран MIDI вход/изход, наричан още MIDI конектор. Едно необходимо уточнение - по MIDI кабелите не се предава звук, а само електронни команди и числа, поради което тези кабели не бива в никакъв случай да се включват към усилвателна уредба.

Всички тези и много други MIDI команди се подават чрез съответна програма за компютър, която се нарича секуенсер (SEQUENCER). Тук ще се спрем на един от секуенсерите за персонални компютри - Cakewalk Sonar. Той е приложение, работещо на операционна система WINDOWS 98/XP. Изискванията за нормалната му работа не са големи – Pentium-600, 128MB памет и наличие на звукова карта. Вграденият нотен редактор помага изключително много за бързото въвеждане на ноти и трайности. Подробното меню дава възможност за такива иначе доста трудоемки дейности, като:
- копиране на тактове или цели нотни пасажи от едно място на друго; - въвеждане на ноти чрез мишката или чрез външен MIDI синтезатор;
- изтриване или вмъкване на тактове или определени ноти;
- транспониране на тактове или на цялата музикална пиеса;
- промяна на трайностите на някои или всичките ноти;
- квантизация, т.е. изглаждане на грешките при въвеждане на ноти от външен синтезатор;
- точно тактуване на времетрайностите с вградения метроном;
- промяна на темпото в реално време;
- задаване на реверб, хорус, стереопанорама и други параметри на звука в реално време;
- бързо и лесно аранжиране на инструментите в музикалната пиеса;
- автоматично странициране на нотния текст и отпечатване на принтер;
- вграден музикален език за програмиране.
- поддържа стандарта General MIDI с 16 канала и 128 инструмента.

Ето как изглежда главното меню с нотния текст на една MIDI композиция (Фиг. 4):

Фиг. 4 - Общ вид на секуенсера Cakewalk Sonar с нотния вид на партитурата

Както се вижда от Фиг. 4, секуенсерът е ориентиран за музиканти и предлага пълни възможности за писане и редактиране на нотен текст. На фигурата е показан един от начините за писане на музика - Staff View, т.е. нотен лист.  Помислено е и за хората, желаещи да пишат музика, но нямащи дори най-малка представа за теория на музиката. В този смисъл в Cakewalk Sonar има вграден и друг начин за писане на ноти - Piano Roll. При този начин нотите се пишат във вид на правоъгълници, отговарящи на съответния клавиш на пианото. Дължината на правоъгълника отразява продължителността на съответната нота. При поставяне на нота с мишката се чува съответно как тя звучи, което позволява писането на ноти по слух. Cakewalk Sonar притежава още много функции, които служат за обработка на музикалния вариант, както и за отпечатване на музикалната партитура върху лист хартия.