【doc】音乐合成器的构造和功能

【doc】音乐合成器的构造和功能 音乐合成器的构造和功能 f i初学者园地i ?……? 音乐合成器的构造和功能一 张银华编译 音乐合成器达到商品阶段之后,至今虽然 时间还不长,乐器直店的褥窗里已摆出了各种 各样产品.这些产品在外观和旋钮名称等 上面,各厂家是五花八门的.在使用方法上, 乍一看,似乎垒然不同,但仔细分析对比一下 之后就会发现它们之间有着共同之处,这就是 说几乎所有的音乐合成器都有振荡器,特性可 以自由控制的滤波器和门电路以及用以控制上 述电路的包络线发生器等.另外,大多数音乐 合成器是用面板上旋钮来变更参数而产生声音 的类型,但也有为了简化操作而采用预置方式 的不管是哪一种类型,其基本工作原理可以 说都是相同的. 一 ,音乐合成器的基本构造 不管什么样规格的音乐合成器,都可以用 图1所示方框图来述其基本结构形式,即声 源通过音色形成器输出,声源和音色形成器都 是用手动控制器和自动控制器进行时城控制. 演奏就是操作手动控制器的过程,根据手动操 作状态直接决定声源的振荡频率,选择音色,或 决定自动控制器的各参数,来间接地控制声潦 和音色形成器. 作为声源,采用了锯齿波,正弦波,三角 波,方波,噪声源及其它各种振荡器,用手动 控制器和自动控制器可以决定其振荡频率,因 而可以自由地获得超过可听范围的音高. 音色形成器由滤波器回路,门电路和环形 调制器等组成,用以进行各种声源波形变换. 自动控制器在演奏者给出控制指令后,按预定 程序产生控制电压.例如,振荡频窜为几赫兹 电声技术3/1991 图1音乐合成器基本构成形式 的振荡器就可以认为是一种自动控制器,把它 连接到声源上时,声源就会被这个几赫兹频率 调制,这相当于加上了颤音.当然,可以变换 滤波器电路特性并能控制门电路开闭状态的包 络线发生器也可以看成是一种自动控制器. 手动控制器是连结演奏者与乐器的唯一接 口,它由键盘,各种旋钮,开关,踏板和控帝匾 杆构成. 图1中的各方框分别具有下列功能 声源——产生正弦波,三角波,方波,脉 冲波以及这些波形的二重和三重合成波,白噪 声和粉红噪声等信号 音色形成器——具有低通滤波器,高通滤 波器,带遥滤波器,环形调制器,门电路,固 定滤波器,混合器和余音装置等. 自动控制器一一具有振荡器,滤波器,门 电路用包络线发生器,定序器,调制用各种波 形振荡器以及采样保持电路等. 手动控制器——具有普通键盘,滑动控制 器各种转换开关,各种音量控制旋钮,接触传 感器,脚踏板,盛情踏板,脚踏开关以及其他 由人直接接触的操作件. 59 二,合成器实际构造 以电子手砹束台戍声音时,有很多方法可 用,并且这些方法多已实用化,但目前儿乎所 有形成了商品的合成器,包括大,小型产品在 内,都基本上可用图2所示结构形式表述图 中实线表示声音信号通路,虚线表示以控制声 音信号的控制信号通路. 目2音乐合成器的基本构成 按动键盘A时产生与备键相应的电压,并 加到滑音发生器B上.滑音发生器B的输出端 接有振荡器c,以产生对应于各键的频率信号 (相当于音阶).在振荡器c输出端接有波形 变换器D,在此处形成有各种谐波成分的信号 波形,如三角渡锯齿波,方渡等,这些信号 波形用手动开关进行选择.为了获得任意的谐 波特性将上述波形信号加到滤波器E,最后 揶给对整个声信号大小有决定作用的门电路. 如果在门电路的输出端G接上放大器和扬声 器,就会昕到具有对应于键盘音阶的电信号产 生的声音. 另外,键盘A还向包络线发生器群输出用 以削断键是否被按下的信号.包络线发生器群 中,振荡器用包络线发生器I用以在按下键之 后使振荡器频率起伏变化滤渡器用包络线发 生器J用以在键按下之后决定所含谐波形式如 何随时阃变化;门电路用包络线发生器K用以 决定声音的上升,衰减特性等低频振荡器H 则产生的是几分之一赫兹到数拾赫兹的低频信 号,该信号加到振荡器c上以使该振荡器产生 振动,加到滤波器E上使滤渡器特性产生周期 60 性变化,加到门电路上用以给出周期性的音量 变化. 现在以小号声为例,看看这样的台成器是 怎样来合成的. 首先,要使振荡器的振荡基频范围符合小 号的音域范围(控制键盘使其给出约为2C,0~ lkHz的额率).波形则可选用有足哆丰富的 谐波分量的锯齿渡.通常,为了加上颤音还要使 低频振荡器H的频率为6Hz左右,其波形可 以选择时,可取为正弦波或锯齿波.如果把这 种信号输入给振荡器c,就会使声音颤动 滤波器采用低通滤波器为了表现出声音 开始时的摇摆效果,要使振荡器用包络线发生 器多少起一点几作用.为了模拟作为管乐器重 要特性的"声音开始后过一会儿谐音才增 加",要适当调整滤渡器用包络线发生器.门 电路用包络线发生器要按照声音上升时或声音 持续时由于气息减弱而使音量成为小音量的要 求来加以设定.这就是说,可取图3所示状 态. 图3用合成器产生的小号声 但是,即使是小号声,也随乐器的不同和 吹奏方法的差异而有着千差万别的变化有时 不加颤音或许也不错,有时也许希望有点儿噪 声掺杂感.在这种情况时,就要重新调整各功 能单元的旋钮了. 另外,如果降低音域就变成了长号的声 音,如果再进一步降低音域就会变成大等的声 音,如果再把音域继续降低下去,就会变成虽 然还是铜管声,但却是现有乐器所演葵不出来 的有震撼感的超低音.相反,如果把音域升得 电声技术3/1991 极高,这时就能简单地发出来也是通常乐器所 不能演奏出来的声音. 不仅是音域,就是对音色来说,如果稍微 改变一下滤波器特性,也能使铜管的辉煌声音 变得尖锐或者硐润. 如果将波形从锯齿波变成对称方波,还能 合成缺少2,4,6,8次谐音的单簧管式的 铜管声音.如果把包络线发生器的上升速度加 快就会由铜管乐器变成弹拨乐器;如果使衰减 部分短到极小,就会发出普通乐器几乎都发不 出的声音. 三,声源 作为台成器的声源可有各种各样波形,以 及这些波形的台成波形.下面就来谈谈基本波 形及共谐音结构. ? ? _=F ?-.』8 ? 音 _攮 圈4基本波形爰其谐音结构 1.正弦波(盈4(a)) 正弦波是一种完垒不含谐音的纯音波形, 是声音合成的基本波形.因为投有谐音,所以 电声技术311991 即使调管滤波器音色也不会变化.这种声音同 音叉发出的声音一样是无色透明的.其平滑上 升奔i平滑下降的波形特点,作为控制信号波形 也有根高的应用价值.例如,若把数赫兹的正 弦渡作为声源振荡器调制用,则可给出颤音, 若用正弦渡对振荡器进行振幅调制,则可给出 震音. 这种波形多是用=极管或晶体管将三角波 的顶部削平(使之变形)来产生的. 2.三角波(囝4(b)) 三角波是顶部呈尖形的波,其斜率足线性 的.这种波形含有极少量的奇数倍音(8.5, 7,9,11倍音……)其音色是加了一点味 道的正弦波的音色感.这种波形也可代替正弦 波使用.通过调节滤波器可多少改变点音色, 也可用作控制信号. 5.方波(囝4(c)) 方波是交替产生两个电压的波形,如果波 峰与渡谷的宽度相同,其谐音结构只是奇次谐 音.这种波形适合产生单簧管等闭管声.另 外,作为控制信号使用时,能给出声音断续, 反复操作和信号转换等.如果用这种波形对声 源进行频率调制(FM),还能交替发出音调不 同的声音. 波峰与波谷如偏离12,就不象闭管声 了,若偏离得很厉害,就成了脉冲渡. 4.锯齿波(囝4(e)) 锯虚波的谐音结构是谐音的大小与谐音的 次数成反比.因为这种波形的音结构整然有 序,所以,与正弦波一样具有极高的利用价 值.这种波形本身的音色是明快的弹拨乐器 感,而通过滤波器则可以产生铜管,簧乐器及 其它各种音色. 选种波形的超低频也可E卫用作控制信号, 佣如,用超低频锯齿渡来改变信号发生器的音 调时,可以得到音高连续变化的警笛式的效 果.这是一种从波形的视觉图形性质出发的应 用. 市场上出售的合成器大多是先产生锯齿 浚,然后再将这种波形变换成三角波,正弦渡 6l 圈5从—种波形产生几种不同渡形的侧子 和方波等波形的. 图5是从一种波形产生几种不同波形的方 法例. 5.脉冲波(圈4(d)) 脉冲波是方波的峰,谷宽度变得极不相同 时的波形.这种波形含有非常丰富的谐音,很 适合用滤波器来处理,但是,要产生强调基音 以及低次谐音的音色是比较困难的.从图形上 可以看出,它能明确地显示出突然变化的电压 值在时间轴上的位置,所以在合成器内部用作 各功能单元之间的指令. 6.噪声漂(圈4(1)) 噪声是没有特定周期和波幅的不规?波 形,可作为声源用,也可用作控制信号.这种 波形常用于风声,波浪,雷声等模拟声以及乐 器声中的噪声成分的合成自动节奏乐器所用 的响葫芦,响弦鼓,铙钹,踏钹等声源就是利 用噪声的典型例子. 白噪声是在频率轴上等带宽能量相等的噪 声,粉红噪声是等比例带宽能量相等的噪声. 粉红噪声的音色给人以隆隆作响的声感.以之 作为控制信号源时,有把不规则的电压值变动 直接作为控制电压使用的,也有先加以采样保 持之后再使用的,用法很多., 另外,作为声源用的振荡器,多数是用电 压对振荡频率进行控制使之产生大幅度变化, 这种振荡器也叫压控振荡器. 四,滤波器 滤波器是将声源振荡器输出波形中含有的 谐音结构加以自由改变的电路,有多种类型 在下面要谈的滤波器中,凡是用电压对通带和 阻带的交界(截止频率)进行控制的滤波器, 又称为压控滤波器. 合成器在给出那种带有电子音乐音色的声 音时,多数情况是借助于这种滤波器实现的. 滤波器是任何电子琴都要用到的,它本身并没 有什么新奇之处,但有趣的是可以自由地改变 它的特性. 1.低通滤波器 低通滤波器是将声源波形中所含的某一特 定频率以上的成分切掉的滤波器,以极端的情 况为例,若将具有丰富谐音的锯齿波或脉冲波 的2次谐音以上成分切掉,就大体上能产生出 正弦波.开始切除的频率称为截止频率,通常 可以在低于100Hz到高于10kRz的取值范围 上用电压来对它加以自由控制.降低截止频率 时,声音听起来圆润,提高截止频率时,声音 听起来明快. 一 般的合成器是改变截止频率处的转折特 性,使该处产生一个峰(图6).进行这种调 整的旋钮被称为"O","BRIGHT","EMPHA— SIS","PEAK","RESONANCE"等不同名 称. 为了充分发挥这种滤波器的作用,是将其 与手动旋钮,包络线发生器,低频振荡器等连 接起来,从时间方面来改变特性的. 2.高通滤波器 高通滤波器是将声源波形中所含的某一特 电声技术3[1991 t 而i 图6低通滤嫂器和截图8带通滤渡 止频率附近的蜂器特性 定额率毅下的成分切掉的滤波器(图7),正 好与低通滤波器的特性相反.把高通滤波器和 含有谐音的声源相连按时,可以切掉基波和低 次谐音成分.和低通滤波器搭配使用时,可以 产生有尖锐感的声音或有移动感的声音.高通 滤波器通常也是用电压控制截止频率的,但其 峰化特性多不可变.从它不让低频段通过这种 特性出发,有时也把这种滤波器?做低截止滤 波器. 5.带通滤波器 带通滤波器是只让某一中心频率附近的声 音通过的旅渡器,这种滤波器阻止偏离中心的 低音和高音信号通过(图8).使其中心颓率 约在500Flz与2kHz之间变化时,给出的就 是人们所熟悉的"嗽嗷声(wow)"效果. 带通滤波器可以单独构成,也可以把低通 滤波器和高通滤渡器组台起来构成. 通过了带通滤波器的声音固然随中心频率 的O艟而异,但总的说来给人以发闷感. 4.固定滤波器 固定滤波器是截止频率固定的滤波器普 通电子琴的音色主要由这种滤波器决定.使电 吉他声变硬的高音提升器,明亮化开关也是一 种简单的固定滤波器.复杂的合成器每倍频程 用有三个固定带通滤波器,整个说来用有几十 个固定带通滤波器. 固定滤波器象前述三种可变滤波器一样, 电声技术3,1991 也有低通,高通和带通三种. 如图9所示,如果设置7个固定滤波器而把 其中中心频率为f.与f的两个滤波器共掉,就 可以合成只让阴影区信号通过的特殊滤波器. 作为滤波器工作情况的具体例子,下面看 一 看让f=65.4lHz的锯齿波通过高O遣带通 滤波器时的输出. 一一,*一 图9用固定滤波器来合成特殊滤波器 U;1.!}il IIl.l _Illf ——?.;JI ?;II I I f , 谐拔欢鼓2345678910】l籀率 \f 生 j嘴蔽器l止撷率上下变动 图10 在乐谱上,这个音是"c,其谐音如图10 所示,是无限延续的.在以频率为横坐标,强 度为纵坐标的图中,这些谐音的强度是与谐波 的次数成反比的.如果让这种波形通过具有图 示特性的滤波器,并使中心频率渐渐升高,就 会对锯齿波所含的谐波依次加以拾取,结果得 到C_+C_?G_+C_+E_+GB.?C_?D_? E—一……这样的自然谐音串.这可以说 是只有用可变滤波器才能实现声音生成方法的 一 例.(下期待续) 63