解读模拟合成器

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1、解读模拟合成器8-调制器我又回来了，距离上一讲已经有半年的时间了。继续给大家讲述有关模拟合成器的理论知识，有了理论才能玩转模拟合成器，软件合成器 也好硬件合成器也好，都是如此。好了继续上课。我们前面已经讲过了很多模拟合成器的模块了，什么震荡器、低频震荡器、滤波器、包络 发生器、放大器、门限什么的，那么有了这些玩意我们就可以制作出美妙的声音了吗？答 案是否定的，因为少了他调制器（modulation）。调制器可以使声音变的鲜活充满生命气息，如果你只认为他的作用和 LFO（低频震荡器） 差不多就是带来一些振颤，那么就是你缺乏观察能力了。只有很少部分的合成器带有 LFO 模块，而且所有的合成器都具有

2、调制器。发音源的调制：图示 1 中（Figure 1），是一个非常简单的合成器，Tone Generator（见注解 1）首先发出 声音，经过 Filter 的滤波，最后由 Amplifier 放大输出，传到我们的耳朵里。而两个 Contour Generator 作为包络发生器分别作用于滤波器和放大器，控制他们的包络。为了尽 可能的简单，图中去掉了 Pitch CV（音高控制）、触发器还有门限，大概看个意思就可以 了。这个最最简单的合成器先在这里放着，一会后面要用到。现在闭上眼睛，想象正有一位小提琴家，在舞台上演出。哦不能闭上眼睛否则看不到文章 了哈哈。也许你没拉过小提琴，但你总知道小提琴是

3、怎么拉的。小提琴家的一只手 A 拿弓 子拉弦，另外一只手 B 通过按琴脖子上的弦控制音高。这只手 B 按的位置越远离自己，声 音越低，手 B 按的位置越靠近自己，声音就越高。当小提琴家拉一个长音时，他会开始柔 弦，就是按下琴弦的手指前后微微的移动，这样声音会更好听。手指前后的微微移动造成 了音高也高高低低的微微变化，这就是颤音。图示 2（Figure 2）简单的表示出了手指按下 位置微微的前后变化造成的音高的反复变化，也就是颤音。图示 3（Figure 3）演示了一个三角波在颤音效果下的波形，一眼就可以看出高音部分（图 中 region of higher pitch）和低音（图中 regio

4、n of lower pitch）的区别来。OK，现在我们把调制器加入到图示 1（Figure 1）这个简单的合成器中来，就成了图示 4（Figure 4）这个样子。图示 4（Figure 4）比图示 1（Figure 1）多了一个 Modulation Wheel（调制轮）和一个 LFO（低频震荡器），他们俩同时作用于 VCA（压控放大器）。 LFO 在这里作为一个压控设备使用，目的是控制 Tone Generator（见注解 1）发出声音的 音高变化，因为调制需要有音高的变化，所以 LFO 是必不可少地。而 VCA 用于连接 LFO和调制轮，并控制声音振幅的变化，也是非常重要地。他们三个哥

5、们儿一起组成了调制模 块。注解 1：这里说的 Tone Generator 可以理解为发音源，在模拟合成器中是震荡器，在 FM 合成器中是载波器，在波表采样合成器中就是原始的波表采样。（musiXboy 注）放大器的调制：让我们的目光从颤音移动到震音上来。颤音是音高的变化，而震音是音量的变化。图示 6（Figure 6）就是一个三角波在震音效果下的波形，明显的与图示 3（Figure 3）的颤音 波形不同，波形的疏密（代表音高）并没有变化，变化的是波形的振幅（代表音量）。现在我们知道这两种效果的区别了，在合成器构造上也可以看出来，颤音需要控制音高的 模块，而震音则需要控制音量的模块。图示 7（

6、Figure 7）简单演示了震音的发生模块图， Modulation Wheel 和 LFO 共同控制 VCA，这与颤音的模块完全一样，不一样的只是震音的 VCA 作用在 Amplifier（放大器）上，而颤音则是发声源。滤波器的调制：同样的，Modulation Wheel 和 LFO 还是共同控制 VCA，而 VCA 可以作用于滤波器，像图 示 10（Figure 10）那样连接。但得到的效果可不象上面两个那样比较好表达，笼统的说可 以得到三种效果：第一，先使 LFO 处于非常低的低频，大约 0.1Hz，这时可以得到一种慢 慢滤波的效果，就像环境背景声音似的。第二，慢慢增大 LFO 的频率

7、，到大约 1Hz 或 2Hz 的位置，得到类似哇哇效果的声音。第三，继续增加 LFO 的频率，大约 10Hz 到 20Hz 的 位置，可以得到一种金属质感的嚎叫声音，非常适合模拟铜管乐器。图示 9（Figure 9）显 示了这种金属质感的嚎叫声音的波形，也许从图示 9（Figure 9）的波形上看不出什么变化 来，但是听觉上非常容易判断。如果你使用示波器来观察，那么可以发现当频率很低时波 形的振幅会有所缩减。一个好的模拟合成器允许你将 LFO 连接到震荡器（在模拟合成器中充当发音源）、滤波器、 放大器其中任意的一个模块中，好一些的合成器则已经将三个独立的 LFO 为你连接到以上 三个模块上了，

8、而使用合成器自带的控制器就可以非常方便的控制调制的幅度，调制轮 （Modulation Wheel）、触后（Key Pressure Sensitivity）、踏板（Foot Pedal）就是现今 合成器上控制调制幅度的控制器。图示 11（Figure 11）也许看起来有些恐怖，但是其实就 是我们上面所说的三个模块的和体。脉冲宽度调制：首先来了解一下方波（Square Wave）和脉冲波（Pulse Wave）。图示 12（Figure 12）中 就是一个方波，因为波形方方正正而得名。图示 13（Figure 13）和图示 14（Figure 14） 中则都是脉冲波。其实图示 12（Figur

9、e 12）也是一个脉冲波，只不过波形上下最大振幅持续时间完全相同，而单独又称为方波。也就是说波形上下最大振幅持续时间只要不相同， 就是脉冲波。方波波形上方最大振幅持续时间与一个周期的持续时间之比为 1：2，我们就说他的占空因 数（Duty Cycle）为 50%，而图示 13（Figure 13）和图示 14（Figure 14）中脉冲波的占 空因数分别为 1：3（33.3%）和 1：4（25%）。一般来说占空因数都是小于等于 50%的， 如果一个波形的占空因数为 60%，那么很显然，这是一个占空因数为 10%（60-50=10） 的脉冲波反相后得到的。不同占空因数的脉冲波，声音性质是不同的，

10、人耳听起来的感觉也是不同的，5%到 10% 的脉冲波听起来很细，像鼻音，可以用来模仿双簧管的声音。随着占空因数的增大声音越 来越厚实，接近 50%时可以模仿单簧管或其他木管乐器的声音。以上的占空因数概念，目的是引出谐波丢失概念。首先告诉你一个公理：拥有 1：n 占空 因数的脉冲波，其 n 次谐波将会丢失。比如方波（也就是特殊的脉冲波）的占空因数为 1：2，那么在方波中只有 1 次、3 次、5 次、7 次等奇数次谐波，偶数次的谐波都丢失掉了。再说图示 13（Figure 13）中占空 因数为 1：3 的脉冲波，其中只有 1 次、2 次、4 次、5 次、7 次、8 次谐波，3 倍的谐 波都被丢失掉

11、，而图示 14（Figure 14）中，占空因数为 1：4 的脉冲波，其中只有 1 次、 2 次、3 次、5 次、6 次、7 次、9 次、10 次谐波，4 倍的谐波全部丢失。也许你会问，那占空因数不是整数的时候呢？比如 28.5%的情况下，谐波丢失都是怎样的 呢？答案很简单，因为 28.5%界于 1：3 和 1：4 之间，所以 3 次和 4 次谐波都被削弱了， 但是都没有完全丢失掉。好了，上面说了那么多铺垫的内容，终于可以进入正题了。我们要通过脉冲宽度（Pulse Width）和调制（Modulation）的知识来创造脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）。我们可以使用

12、LFO 调制震荡器发出脉冲波的占空因数，调制后的波形就像图示 15（Figure 15）那样，而合成器的构造如图示 16（Figure 16）所示。图示 16（Figure 16）所示的构造非常普遍，他可以创造出一种合唱的声音效果，尽管脉 冲宽度调制是调制脉冲波的，但也有少数合成器允许调制锯齿波，比如 Roland 著名的 Alpha Junos 合成器，用脉冲宽度调制矩尺波可以制造出精妙的音色。脉冲宽度调制是制作弦乐组的理想方法，但是要注意了，并不是自称有合唱效果的合成器 都使用了脉冲宽度调制，他们还使用了延迟。这与脉冲宽度调制制作出的独特效果是完全 没法比的。最后需要说明的是，我们上面所说的所有调制，使用的频率都非常低，在 20Hz 以下（也 就是在人耳可以听到的最低频率以下）。也许你会问了，如果使用人耳可以听到的 20hz 以上，甚至到 20kHz 的频率做调制，结果会如何呢？会是震动更快的颤音、震音、脉冲宽 度调制吗？答案当然是否定的，使用高频调制就进入了一个新的领域：数字合成。数字合成包括了 FM（频率调制）合成和 AM（振幅调制）合成。关于 FM 合成器我在连载 文章解读 FM 合成器中已经讲过了，至于 AM 合成器，我会在解读 AM 合成器中做介绍，请感兴趣的同时等待。