Принципы цифрового синтеза звука

Даже первые персональные компьютеры (ПК) существенно отличались от калькуляторов и больших ЭВМ тем, что они могли издавать звуки с помощью маленького динамика, установленного в их корпусе. И хотя их акустические возможности были более чем скромными, уже на заре компьютерной эры появились музыкальные редакторы, с помощью которых можно было создать " звуковой файл" для подключения к той или иной программе.

С появлением в 1989 г. звуковой карты перед пользователями открылись новые возможности. И дело даже не в том, что на порядок улучшилось качество звука. Появилась новая (звуковая) подсистема ПК.

Звуковая подсистема ПК представляет собой комплекс программно-аппаратных средств, предназначенных для следующих целей:

n Записи звуковых сигналов, поступающих от внешних источников, например, микрофона или магнитофона. В процессе записи входные аналоговые звуковые сигналы преобразуются в цифровые и далее могут быть сохранены на винчестере ПК.

n Воспроизведения записанных ранее звуковых данных с помощью внешней акустической системы или головных телефонов (наушников).

n При воспроизведении звуковой сигнал считывается с винчестера (или другого носителя информации), преобразуется из цифрового в аналоговый и направляется к акустической системе.

n Микширования (смешивания) при записи или воспроизведении сигналов от нескольких источников.

n При этом в каждом звуковом канале осуществляется управление уровнем сигнала. Кроме того, регулируется уровень суммарного сигнала. Отметим, что звуковые сигналы могут подаваться на микшер как в аналоговой, так и в цифровой форме.

n Обработки звукового сигнала в соответствии с алгоритмами объемного (трехмерного — 3D Sound) звучания, что позволяет получить объемное звуковое поле даже при использовании обычной стереофонической акустической системы.

n Генерирования с помощью синтезатора звучания музыкальных инструментов (мелодичных и ударных), а также человеческой речи и любых других звуков.

n Управления работой внешних электронных музыкальных инструментов
через специальный интерфейс MIDI.

n Воспроизведения звуковых компакт-дисков.

n Выполнения таких операций, как управление ПК и ввод текста с помощью микрофона (для этого необходимо специальное программное обеспечение).

Звуковая система PC выполняется в виде самостоятельных звуковых карт, устанавливаемых в слот материнской платы, либо может быть интегрирована на материнскую плату или карту расширения другой подсистемы PC. Отдельные функциональные модули звуковой системы могут выполняться в виде дочерних плат, устанавливаемых в соответствующие разъемы звуковой карты. Дочерняя плата обычно расширяет базовые возможности звуковой системы.

В классическую звуковую систему (рис. 2.1) входят:

n Модуль записи и воспроизведения звука.

n Модуль синтезатора.

n Модуль интерфейсов.

n Модуль микшера.

n Акустическая система.

Рисунок 2.1 – Звуковая система ПК

Звук, с точки зрения акустики, представляет собой продольные волны сжатия и разряжения, свободно распространяющиеся в воздухе или иной среде, поэтому звуковое давление (звуковой сигнал) непрерывно изменяется во времени и в пространстве.

Простейшее звуковое колебание (гармоника):

Громкость звука определяется амплитудой сигнала, высота звука – его частотой. Фаза сигнала используется для создания звуковых стереоэффектов и объемного звука.

Сложные звуки представляют собой сумму множества колебаний с различными частотными и временными зависимостями (тембр звука). В математике такое представление сигнала (в виде сумм гармоник) называется рядом Фурье.

Принцип синтеза заключается в воссоздании структуры музыкаль­ного тона (ноты). Созданный с помощью музыкального инструмента звуковой сигнал, как правило, имеет несколько временных фаз (рис. 2.3). Например, при нажатии клавиши рояля амплитуда звукового сигнала сначала максимальна, а затем немного уменьшается. Эта фаза называется атакой. Длительность атаки для разных музыкальных инструментов изменяется в пределах от единиц до нескольких десятков или даже до сотен миллисекунд, После атаки начинается следующая фаза, называемая поддержкой, в течение которой амплитуда сигнала почти не изменяется. Высота музыкального тона формируется во время поддержки. Последней фазе (затуханию) соответствует участок достаточно быстрого уменьшения амплитуды сигнала. Совокупность этих фаз называется амплитудной огибающей.

Форма амплитудной огибающей зависит от типа музыкального инструмента, но выделенные фазы характерны для звуков практически всех музыкальных инструментов (за исключением ударных).

В общем случае технология создания звука (голоса инструмента) в современных синтезаторах (рис. 2.4) заключается примерно в следующем. С помощью цифрового устройства, использующего один из методов синтеза, генерируется так называемый сигнал возбуждения с заданной высотой звука (нота). Сигнал возбуждения должен иметь спектральные характеристики, максимально близкие к характеристикам имитируемого музыкального инструмента на стадии поддержки. Далее сигнал возбуждения подается на фильтр, имитирующий амплитудно-частотную характеристику реального музыкального инструмента (тембровая окраска). На другой вход фильтра поступает сигнал амплитудной огибающей, характерный для данного типа музыкального инструмента. После этого сигнал можно дополнительно обра­ботать с целью получения специальных звуковых эффектов, например, эха в помещении (электронный музыкальный эффект, называемый ревербера­цией), звучания хора (эффект хорус) и т. п.

Рисунок 2.3 – Фазы звукового сигнала

Рисунок 2.4 – Синтез голоса инструмента

Если необходимо одновременно генерировать звучание нескольких разных музыкальных инструментов, то в мощных синтезаторах большинство опи­санных операций будет выполняться для каждой ноты каждого инструмента отдельно. Результирующий сигнал образуется в результате суммирования в цифровом виде всех компонентов звуков. Затем в ЦАП результирующий звуковой сигнал преобразуется из цифрового в аналоговый. В синтезаторах некоторых моделей перечисленные этапы могут быть упрощены или вовсе отсутствовать.

Обычно имена синтезаторов соответствуют методу синтеза (типу генератора возбуждения). В настоящее время на звуковых картах устанавливаются син­тезаторы, генерирующие звук с использованием:

· частотной модуляции (Frequency Modulation Synthesis) — FM-синтеза;

· таблицы волн (Wave Table Synthesis) — WT-синтеза;

· физического моделирования.