探索合成器的奧妙

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現今仿類比合成器的Softwar Synth很多,界面雖然長得不一樣,但是其必有的原件與原理都是相通的,只要理解主要原件所負責的作用與流程,無論使用哪一台類比合成器都能夠輕鬆上手。

音量、音高、頻率為影響聲音色的主要因素,而合成器上的主要元件,不外乎就是為了控制這些因素。

 

認識類比合成器主要元件

● Oscillator

● Filter

● Envelope. A.D.S.R

● LFO

 

(1) Oscillator

譯名振盪器,常簡寫為OSC,負責發出原始波形與音高的元件,可視為所有類比合成器發聲的源頭,若無OSC產生震蕩以發出原始音高,那麼其他元件也沒有存在的意義了。音高的形成取決於聲波每秒所振盪的次數,次數越高則音高越高,反之亦然(例如中央A 為每秒440次振蕩),Oscillator振盪次數由Voltage Controlled電壓所控制,一般稱之為VCO。

一般典型的類比合成器都至少由二至三組OSC所疊合而成一個音色,當然如果非類比合成器也可不借由OSC所發聲,例如具有Wavetable或Waveshape來源的PCM合成、Modeling合成…等。

以下為 OSC內所常見的控制旋鈕控制其音高
● Octive:8 度音控制(12半音)
● Semi:半音控制
● Cent:微音(少於一個半音)

當我們用OSC決定其原始【音高】後,接著便在於決定其【音色】了。我們可以使用PW調整原始波形的週期寬度,成為一個特定的Waveform形態, Waveform可視為波形產生時的實體形狀,通常會有Sine、Square、Pulse、Triangle、Sawtooth、Noise…等。

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一般典型的類比合成器都至少有二至三組OSC,將其以不同音高或Waveform疊合而成一個音色,而其中一組OSC的Waveform多為固定式的Noise隨機噪訊,這是因為在音色當中適時加入些許的Noise噪訊,有助於增加其音色飽和度與色彩,當然也有以Noise waveform為主軸的特殊音色,例如類似狂風吹襲、空氣、呼吸、刺耳的Hard Pad…等等。

既然一個音色由多組OSC所疊合而成,那麼合成器內部當然必須具有調整各組OSC音量的Mixer,讓使用者於Mixer上調整各組OSC的balance,做音色的疊合變化。

 

(2) Filter

聲音朔形的第二個關鍵,就是其頻率所分布的範圍,Filter若照字面翻譯當然就是過濾,Filter的工作就是一種限制其頻率範圍的工具,所以一般俗稱其為濾波器。說穿了,其實他就是所謂的EQ,只是他動作比一般EQ更為極端簡易,只為單純消除某特定頻段。

Filter形態可分為
● Low Pass Filter:低通濾波,濾除低頻段以外的頻率
● High Pass Filter:高通濾波,濾除高頻以外的頻率
● Band Pass Filter:帶通濾波,濾除使定頻段以外的頻率
● Band Reject:帶拒濾波,濾除指定的頻濾.保留其他頻段

合成器上多以簡寫標示為LP、HP、BP、BR。
頻率的濾除衰減都應有其簡易的db數可調整,一般會有12db與24db可供選擇。

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Filter的主要參數
● Cutoff freq3
● Resonance(Reso)

在決定好Filter形態後,接著最重要的就是指定Filter所放至的截頻點。我們知道頻率單位為hz. 1000hz=1khz,由Cutoff決定截頻點為多少hz,假設我們將Filter形態指定為LP,再將Cutoff freq指定為800hz,那麼當高於800hz以上的頻率將會被Filter所濾除,只保留800hz以下的頻率,這樣我們可以簡單的借由Cutoff落點來調整音色的亮度了。

Resonance波峰,一般簡寫為Reso,他在Filter上的功用,主要是為了凸顯Cutoff所在的頻率位置,調整Reso值可在截頻點Cutoff上做db放大。(如下圖)

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Filter通常為一連串的控制參數,以不同的Cutoff落點改變音色亮度與峰值。最簡單而傳統的做法是以Midi Control CC data加以控制Filter的CC參數,在現今絕大多數的合成器上都是通用的,CC-74主控Cutoff、CC-71主控Reso,也常使用LFO、Step、Seq等元件來驅動Filter參數。

Filter是乍看之下原理簡單,但玩法卻五花八門,關於Filter深入使用方式我們將另獨立一章做講解。

 

(3) Envelope A.D.S.R

Envelope為音色變化的週期時間【開始->結束】,音色從開始發聲至結束必定有其週期,將一週期分為主要的四段時期來看,每個時期的時間都非常的短。(單位以毫秒計 (ms):1 秒鐘=1000毫秒)

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音色的四段時期:A.D.S.R
● Attack:數值從無至其最大值的時間.
● Decay:最大值至開始衰減的時間.
● Sustain:衰減後延續的時間
● Release:持續衰減至數值歸零的時間

這四段時期代表的音色變化不外乎是,1音量 2頻率 3音高,因此Envelope在合成器上產生了三種形態。
● Amp Envelope:控制音量的週期
● Filter Envelope:控制頻濾的週期
● Mod Envelope:控制音高的週期

每種形態都有其獨立的A.D.S.R加以控制。若以Amp Envelope為例,Attack即可調整音色開始至最大音量的時間,Release可調整其尾音延續的時間。

在音色上所造成的差異我們可以這樣想像

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Fast Attack + Fast Release = 吉他Pick、木琴、木魚
Fast Attack + Slow Release = 鋼琴、揚琴、豎琴
Slow Attack + Slow Release = 提琴、胡琴、Pad Synth

Amp Envelop為必備形態,但卻不是每台合成器都建有完整的Mod Envelope,而A.D.S.R的推桿也有可能被簡化成只有A與D,須注意合成器支援的狀況使用,通常會有一控制A.D.S.R.整體強度的旋鈕,但一直沒有統一的名詞,大多是以Evenlope Amt來代表。

在Filter Envelope與Mod Envelope的使用上,主要還是要配合遷就Amp Envelope的時間。若將Filter Envelope的Attack拉長,Sustain、Release拉短,我們可以製作出音色由暗至逐漸明亮的音色,但若此時Amp Evenlope的Sustain與Release太短是聽不見後段反應的,因為音色在進入明亮期之前就已經先沒有音量而結束了。

 

(4) LFO

低頻振盪器,全名Low Frequency Oscillator。是以OSC發出低於20 hz以下的極低頻訊號,以其訊號正弦波驅動其他元件參數,這使許多人對於LFO有不少誤解。(請注意:LFO並不是一個為了發聲而存在的裝置,他所發出的低頻訊號也跟我們的合成無關)

LFO存在與使用的目的是在於驅動指定的裝置動作,使其裝置形成一道有規律且週期性的擺動。事實上,近幾年較新式的合成器,LFO裝置已可以驅動任何可見參數,如Virus TI、Clavia G2、Reason 4 Thor…等等,但一般常見的用法主要還是在於驅動OSC與Filter Cutoff上,除了指定好LFO指定帶動的參數外,我們需調整LFO擺動速度、強度、曲線 。

LFO主要參數
● Rate:控制擺動時間的快慢.
● Depth:控制擺動的強度(或以Amount表示)

擺動時的曲線有多種選擇,Sine、Square、Pulse、Triangle、Sawtooth或更多,其中Rate 可以切換為sync同步模式,將Rate速度成為預設BPM的8分音16分音,曾經提過Cutoff經常是一個連續參數,若我們現在需要讓Cutoff做一高一低的上下擺動,且是規律性的,這時使用LFO來驅動Cutoff就變得非常方便了。

舉例來說:若我們就將LFO指定到Filter Cutoff的旋鈕上,以LFO Depth決定擺動深度,用Midi【1~128】的刻度來計算,將Cutoff刻度居中【64】,LFO Depth設為最大值時,那麼Cutoff便會以1 > 128 > 1 > 128- > 1 > 128做規律性的活動了,若Depth值關小,參數就會是 54 > 74 > 54 > 74的數值活動。LFO的運用範圍相當廣泛,製造音高一高一低的vibrato,相位一左一右的AutoPan,音量一強一弱的tremolo…等等,都可以利用 LFO來達成,在一部強大的合成器上,方便與多功的LFO裝置是不可或缺的。(以LFO 驅動Filter於Pad音色)

 

(5)其他輔助元件Portamento Time

在MIDI Note輸入後,音源即應決定其為Monophony(單發生數)或Polyphony(複發生數)模式,若欲觸發Portamento,需將發聲數限制在Monophony模式才能方便作用。

Portamento也稱為Glide,Portamento的目的是為控制音與音之間的滑音速度,若開啟Portamento模式時,兩者相連的Note,前者音高將會漸進式往下一Note音高移動,而非直接進入下一音高,產生如吉他滑音的效果,當同時發聲數過多時,Portamento很難判定其滑音時間,所以若無特定需要Portamento多以單發聲數模式來使用。

滑音效果雖然可用Pitch Band也可以達成,但Pitch Band預設為上下兩個半音的幅度是無法應付更大的滑音範圍,即使加大Pitch Band範圍,使用時的機動性與連續性也不若Portamento來的方便。

建議可以使用CC.05號控制碼調整Portamento Time。Soft Lead、Bass…等音色都應善用Portamento功能,圓滑度絕對可有大幅度的改變。

 

(6)合成線路法則

最後要補充的是合成器的內部連結過程,事實上這點在過去並不是太多人想去理解的東西,因為這點比較像合成器製造者的事情,只有較瘋狂的玩家會注意,直至這幾年模組合化成器的出現後,開始有了合成器內部線路的新玩法,才漸漸的引起了大家對合成器線路的規劃探討。

現普遍具有的模組合成器架構的有NI REAKTOR、Reason 4 Thor、Clavia G2…等等。模組合成器除了G2是硬體之外,其他皆已是軟體合成器的天下了,但其中以Clavia G2最為完整,可以完全從他虛擬化的模組上做最好的練習。

可以從Clavis網站下載G2免費的Demo版,無須硬體但發聲數有限制。
http://www.nordkeyboards.com/main.asp?tm=Products=Nord_Modular_G2&clnmm=Information

控制路線
理解合成器組件的用途後,若還能掌握線路進行的過程,那麼完整的音色從無到有需要添加多少組件是可以由自己決定的。

以下是最典型的串接事件,對絕大多數的合成器都通用。(下圖實線為音訊訊號,虛線為控制訊號)

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事件經由MIDI Input訊號進入合成器後開始,首先Keyboard會以Detune判定所在音域範圍,第一道關卡當然就是負責發聲的OSC。

1. 由三組OSC裝置共同發聲,其中一組可以是Noise訊號
2. 進入OSC的混音器,調整各組OSC Level
3. 接著進入第一道Filter裝置,以Cutoff與Filter Envelope將頻率朔形
4. 進入Amp Envelope控制音色起始與延音的長短
5. LFO1用以驅動任一OSC,LFO2驅動Filter1 Cutoff(這部份並不是必要過程,LFO可以不進行任何動作)
6. 送入內部其他的效果器處理,如EQ、Reverb、Delay…等(這部份已不屬於合成範圍了)
7. 最後進入統一的Amp音量控制器
8. 由Output輸出結束

在這過程當中,可以有很多地方是可以自由排列或對換的,這也是模組合成器使用的目的。我們可以新增更多的OSC以不同的Waveform疊合,也可以讓各組OSC送入不同的Filter或LFO,不須要的可以越過,需要的可以隨時增設,在配合ㄧ些Step Seq,我們可以跳脫既定格式,產生更多花俏新玩法,只要掌握Audio & Contral訊號來源與輸出的過程,想自己拼湊出心目中理想合成器形態,並不是太困難的。

 

最後希望大家看完這篇文章以後,對於合成器有新的認知與收穫。接下來的Filter深入解說,也將會在近期公布!

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