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揭秘合成器(10):调制

Rejor 添加于 2021-03-13 ·

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  • 作者:Gordon Reid
  • 编译:Rejor(@Evilsine)
  • 出处:Sound On Sound

在本系列的前九篇文章中,我们讲解了许多关于合成器的基础知识。我们讨论了波形、滤波器、包络、触发器与门限,现在我们终于可以制作酷炫的合成器音色了吧?等等,还差什么?有了我们现在的知识,我们可以选择波形,用各种滤波器对波形进行修改,使用包络给音色增添生机与动态。但合成器的能力还远非如此简单。尽管我们为 VCF 和 VCA 施加了包络,但音色的实质并没有发生变化:我们的音色听起来还只是机械的哔哔声。

本文我们将对调制(modulation)进行讨论。调制是制作生动、有机的音色的关键要素。或许你会认为调制只是用 LFO 为音色添加颤音,但实际上调制远远没有这么简单。不过,在我们对复杂的调制类型进行深入研究之前,我们要先对最简单的周期式调制进行讨论。


图 1: 一个简易的合成器信号流

我把本系列的第 1 至第 9 篇文章中的各个核心的音频部件总结成了图 1,一个简单但可用的合成器信号流。可以看到,音频信号的源头是一个音色发生器(振荡器)。其输出的音频信号首先经过滤波器,然后是放大器,最后被输出至外部的世界。包络发生器分别在第二和第三阶段通过滤波器和放大器对音色的亮度和响度进行「塑形」(为了便于理解,图中我用粗箭头表示音频信号,细箭头表示控制信号,同时我在图中省略了音高 CV、触发器和门限的信号)。

现在让我们想象一个演奏小提琴或大提琴的乐手。你或许知道,提琴的音高取决于演奏者将琴弦向琴颈处按压的位置。琴弦的有效长度越短,声音的音高就越高。如果你有仔细观察过提琴演奏,你会发现提琴手在进行演奏时会经常在琴颈上前后颤动手指。提琴手每颤动一次手指,琴弦的长度就将会随之进行轻微地缩短或延长(这一动作也会使琴弦的张力发生轻微变化,但这里我们暂且不考虑这一点)。琴弦长度的改变也随之造成音高的轻微升高或降低,从而制造出颤音效果。图 2 展示的是一个平稳音符的音高被颤音调制的效果。类似地,图 3 展示的是一段时间段内颤音对于波形的(经过放大的)影响。


图 2: 将这一调制波形施加至振荡器的频率控制上可以造成短暂的颤音


图 3: 添加了颤音的三角波波形

在模拟合成器上可以十分简单地重现这一效果。或许你们中的大多数人已经知道该如何操作:只需要将控制电压施加至振荡器上,从而使其音高进行轻微地升高或降低。


图 4: 为我们的简易合成器添加颤音

观察图 4,你会发现这里我们使用低频振荡器(LFO)制造 CV(调制波形)。你还可以看到有一个用来控制调制电压振幅的 VCA,这一 VCA 自身则由调制轮控制。这一配置中的 VCA 和调制轮的存在十分重要,因为没有 VCA 和调制轮,我们就无法简单地对颤音的幅度进行控制,从而导致十分不协和的效果。

接下来让我们讨论一下震音。许多人经常把颤音(vibrato)和震音(tremolo)搞混,但两者的区别其实十分简单。颤音指的是声音音高的周期性变化,而震音则是指声音响度的周期性变化(见图 5)。图 6 和图 3 的刻度完全相同,但该图的形状却与图 3 有明显的差别,可以看到,这一音符的频率保持恒定,但其音量随时间进行变化。


图 5: 将该控制波形施加至 VCA 上可以造成短暂的震音


图 6: 添加了震音的三角波波形

现在我们理解了颤音和震音两者的差异,不难想象合成器是如何将这它们区别开来的。颤音需要对振荡器的音高进行调制,而震音则需要对信号链末尾的音频放大器的增益进行调制,见图 7。


图7: 为我们的简易合成器添加震音

第三种常见的调制效果是对合成器的压控滤波器进行调制(图 8)。该效果或许没有颤音或震音那么容易理解。使用 LFO 对滤波器的截止频率进行调制时,通过对 LFO 的频率进行调整,可以制造出三种十分不同的效果。LFO 的频率最慢时(比如说 0.1Hz),你可以得到一种缓慢的滤波器扫频声,这一效果对于氛围音乐十分实用。如果把 LFO 频率提升至 1 到 2Hz,扫频声将会变成哇声效果。如果你将 LFO 的频率进一步提升,使其到达至次声频率的上限位置处(大约 10 到 20 Hz),可以得到一种嗥声效果,十分适合用来模拟管乐器的声音。


图 8: 将该控制波形施加至滤波器的截止频率上可以造成短暂的嗥声效果

滤波器调制效果很难使用波形表示,因为滤波器调制造成的波形变化十分微小(见图 9、10)。不过你可以很容易地听到这一效果,滤波器调制造成的音频效果十分明显,但你需要使用示波器才可以看到当截止频率变低,波形的边缘会变得些许圆滑,高频谐波的衰减也会导致振幅一定程度地降低。


图 9: 嗥声效果对于三角波波形的影响


图10: 为我们的简易合成器添加滤波器扫频、哇声以及嗥声效果

当然,你完全可以同时使用颤音、震音和滤波器调制三种效果。许多强大的合成器会允许你使用 LFO 调制上述三者中的任意一个。一些更高端的合成器还会提供多个具有调制深度控制功能的 LFO,从而允许你对多个参数同时进行调制。调制深度控制器可以包含调制轮,键盘触后以及踏板控制。图 11 或许看上去十分复杂,但它其实将一个包含三个 LFO 以及多个调制控制器的合成器以易于理解的流程图表示了出来。


图 11: 一个拥有三个 LFO 以及多个调制控制器的简易合成器

不过,大多数情况下我们并不需要三个单独的控制器同时控制三个调制 VCA 的调制幅度。因此大多数合成器会包含用于切换不同调制源以及调制对象的开关。合成器制造的音色以及合成器的演奏方式将受如何对参数进行调制以及使用什么样的控制器对调制幅度进行控制影响。

大多数强大的模拟合成器还具备另外一种常见的调制方式。要对该调制方式进行理解,首先让我们回顾我在本系列的第四篇文章,对低通滤波器进行讨论时介绍的一种波形——方波(square wave)。我们之所以管它叫方波并不是因为它的形状是完全的正方形,而是因为它是一个波形在峰值与最低处持续的时间相等的脉冲波,见图 12。


图 12: 一个方波波形

很显然,方波是一类叫做脉冲波(pulse wave)的波形中的一个特例。所有脉冲波都具有同样的「矩形」形状,然而不同的脉冲波在「顶部」和「底部」处拥有不同的时值。脉冲波在波形顶部维持的时间和一个周期的总时间的比例叫做这一波形的「占空比(duty cycle)」。因为方波在波形顶部持续的时间正好是波形周期的一半,所以说方波的占空比为 1: 2,即百分之 50。一个顶部时间占据周期三分之一的脉冲波的占空比为 1: 3,即百分之 33.3,顶部时间为周期四分之一的脉冲波的占空比则为 1: 4,百分之 25,以此类推(见图 13、14)。


图 13: 一个占空比为百分之 33.3 的脉冲波


图 14: 一个占空比为百分之 25 的脉冲波

注意:你可能会在一些地方看到占空比大于百分之 50 的波形。实际上,对于任何处于 0 到 50 之间的数字 X 来说,占空比为 50 + X 和占空比 50 - X 的波形其实完全一致,不过两者的相位处于相反的位置。本文我们暂且不对波形的相位进行讨论。

占空比不同的锯齿波形彼此的声音特征具有明显的差异。占空比较短(约百分之 5 到百分之 10)的脉冲波具有稀薄的听感,通常用于制作双簧管等乐器的音色。占空比越接近百分之 50,声音就越变得越厚重,占空比为百分之 50 的方波具有典型中空的特征,适合用于模拟单簧管以及其他「木制」乐器的音色。

这些音色变化是由各个波形的谐波成分以及各个谐波的振幅差异所造成的。我们可以简单地将脉冲波的占空比以及对应波形的谐波分布用下面一条规律总结:

脉冲波和锯齿波具有相同的谐波分布,然而对于占空比为 1 比 n(n为整数)的脉冲波来说,其频谱中的每 n 个谐波的振幅为 0。

(如果你不清楚锯齿波具有什么样的谐波分布,请回顾本系列的第 1 篇文章。)

了解了该条规律之后,让我们回过头来再考虑一下方波。方波的占空比为 1: 2,所以依据上面的规律我们可以推断方波的所有偶数倍谐波的振幅均为 0。换句话说,方波并不具备偶数谐波,它的频谱完全由第 1、第 3、第 5、第 7 等等奇数谐波构成。

接下来让我们考虑一下图 13 和图 14 中的两个脉冲波。它们的占空比分别为 1:3 和 1:4。因此,前者的频谱由第 1、第 2、第 4、第 5、第 7、第 8 等等谐波谐波构成,3 的倍数的谐波均不存在。图 14 的频谱则由第 1、第 2、第 3、第 5、第 6、第 7、第 9、第 10 等等谐波构成,4 的倍数的谐波均不存在。

你可能会问,当占空比的比例为非整数倍的时候会发生什么呢?比如说,一个占空比为百分之 28.5 的脉冲波的谐波构成会是什么样的呢?答案很简单,因为百分之 28.5 的位置处于占空比 1:3 与 1:4 之间,3 的倍数的谐波将会被一定程度地削减,4 的倍数的谐波的振幅也同样地会被减弱,不过并不会从频谱中完全消失。

希望通过上面的介绍,你已经对于脉冲波拥有了一定的了解。因为现在我们要将脉冲波的脉冲宽度和调制的相关知识结合起来,从而引入…脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation)。脉冲宽度调制需要使用一个 CV 输入对振荡器进行调制,不过这里我们调制的并非振荡器的振荡频率,而是脉冲波振荡器的占空比。如果使用 LFO 对脉冲宽度进行调制,我们可以得到类似图 15 的脉冲波形。这一调制的流程如图 16 所示。


图 15: 经过脉冲宽度调制的脉冲波波形


图 16: 使用 LFO 对脉冲宽度进行调制

图 16 中的调制配置十分常见,它可以制作出许多模拟合成器经典的丰满的「合唱(choruse)」效果。虽然脉冲宽度调制通常只运用于脉冲波波形,但许多合成器允许你向锯齿波等波形施加脉冲宽度调制。当然,该类调制并无法使用脉冲的占空比描述,管它们叫做脉冲宽度调制其实并非准确。不过该类功能可以帮助我们制作出更加细致、丰富的音色。
脉冲宽度调试适合用于制作弦乐合奏音色以及丰满的合成器 lead 音色。但不要将其和市面上以及合成器内置的合唱效果器搞混。这类合唱效果器的原理是将乐器输出的最终信号分为两路,然后对其进行延迟或调制处理。脉冲宽度调制而是通过对振荡器的各个谐波的响度进行调制,从而获得独特的音色效果。

我们在本文中讨论的所有调制类型均具备一个共同点:它们都使用低频振荡器作为控制电压的调制源。LFO 是合成器中最常见的调制源之一,它可以制作出大多数我们需要的调制效果。但你或许会想,如果我们使用音频频率范围的信号对振荡器频率、滤波器、放大器甚至脉冲宽度进行调制的话会发生什么呢?或许你会认为这样做可以得到极其快速的颤音、震音或脉冲宽度调制效果,然而事实并非如此。使用音频范围的信号对另一个音频信号进行调制可以创造出完全不同的效果,某些音频范围的调制甚至创造出了一种全新、强大的数字音色合成技术,不过我们要把这一话题留给本系列的下一篇文章了…


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