合成器基礎(四) - 其他合成方法

其他合成方法

使用不同的合成技術和方法，可以用多種方式來製作聲音。本部分介紹了主要的幾種方法。

許多列出的方法都至少融入了之前介紹的減法合成方法的某些元素。最常見的現代方法基於真實樂器和聲音的取樣 (samples)，一種現有聲音的數位錄音。

基於取樣的合成

基於取樣的合成（有時也稱為脈衝編碼調變 (pulse-code modulation, PCM) 或取樣與合成 (sampling and synthesis, S&S) ），與主要透過使用取樣代替振蕩器波形的減法合成不同。

取樣在鍵盤上進行對應。通常，每個取樣與鍵盤範圍中央的一個音符對應，鍵盤範圍跨越約 5 個音符。範圍跨越約 5 個音符的原因是：如果彈奏的幾個音符高於或低於原始音高，取樣聽起來就不像源聲音（由於取樣的音高和回放速度之間的關係）。

與非基於取樣的合成器的振蕩器波形不同，使用頻率控制不會改變每個取樣的音高。相反地，改變其音高的方式是以更快或更慢的速度來回放取樣，以產生相應的影響。例如，以兩倍速度回放取樣只需要一半的時間就可以播放完成。

使用此合成方法的常見樂器包括 Korg M1、O1/W 和 Triton、Roland JV/XP 樂器、Yamaha Motif 系列等等。

調頻 (frequency modulation, FM) 合成

簡單來說，FM 合成要用到調變振蕩器 (modulation oscillator) 和正弦波載波振蕩器 (sine wave carrier oscillator)。調變振蕩器在音頻範圍內調變載波振蕩器的頻率，從而產生新的泛音。這些泛音稱為側波段 (sidebands)。

通常，FM 合成器不包含濾波器。可以使用 FM 合成生成一些帶減法合成器風格的聲音，但是要使用此方法重新製作共振減法合成器濾波器的聲音就比較困難。但是，在製作使用減法合成器難以實現的聲音（例如響鈴音色、金屬音調和電鋼琴等聲音）時，FM 合成器表現非常優秀。FM 合成的其他優點有強勁的低音和合成銅管樂器聲音。

組件模擬合成 (component modeling synthesis)

也稱為物理建模合成 (physical modelling synthesis)，這種合成方法使用數學模型來模仿樂器。使用參數來描述樂器的物理牲，例如製作樂器的材料、樂器的尺寸以及演奏環境（水下、空中）。描述演奏者如何與樂器互動同樣重要，例如通過撥弦、拉弦或彈奏，用鼓棒敲擊，將手指放在音孔上等方式來演奏。

要模擬鼓聲，需要考慮以下幾方面。最重要的是真正的鼓棒，它有多堅硬，是使用木鼓棒、木槌、還是鼓槌等敲擊鼓膜。鼓膜（皮鞋或薄膜）的屬性包括材料類型、勁度、密度、直徑以及與鼓的外殼連接的方式。鼓筒自身的體積、材料以及以上所有屬性的共振特徵需要以數學方式來描述。

要模擬小提琴，需要考慮琴弓和琴弦，弓的寬度和材料、弓張力、弦材料、弦密度、弦張力、弦的共振和阻尼性質、通過琴馬（材料，大小和琴馬形狀）時轉移的琴弦振動，以及小提琴琴身的材料、大小和共振特徵。需要進一步考慮模擬的小提琴音的演奏環境以及演奏風格（使用琴弓“敲擊”或輕敲，而不是在琴弦上拉琴弓）。

波表合成、線性算術合成與向量合成

波表合成 (wavetable synthesis) 使用多種不同的單循環波形，這些波形以波表 (wavetable) 的形式顯示。

在鍵盤上彈奏音符會觸發已設定好排序的波形。其過程並非各波形間的直接轉換，而是從一種波形平穩地混合到另一種波形，從而形成不斷變化的新波形。同時使用多個波表（逐個演奏或混合在一起），可產生更加和諧複雜的波形。

單個波表可以用一連串嘹亮、不那麼嘹亮然後低沉的聲音（排序中演奏的聲音波形）來模擬濾波器截止 (cutoff)，這與減法合成器中的濾波器截頻率的衰減相似。

波表合成對模擬原聲樂器的表現不是很好。但是，它非常適合於製作不斷變化的聲音、刺耳且具有金屬感或類似響鈴的聲音、強勁的低音以及其他數位音調。

Roland LA（linear arithmetic, 線性算術）合成器（如 D-50）以類似的原理合成。不過在這些合成器中，複雜的取樣起音 (attack) 階段是結合了簡單的延音 (sustain) 和衰減 (decay) 狀態來創造聲音的。本質上，這種簡單的波表由兩個取樣組成。

LA 合成器和波表合成器的不同之處在於，後者專門用於創造新的、原始的數位聲音。相反，LA 合成器的設計者想要使用最小的內存來模擬真實的樂器聲音。為了做到這一點，他們將起音階段（聲音最重要的部分）的取樣與相應的衰減和延音階段的取樣相結合。

用於 Sequential Circuits Prophet 和 Korg Wavestation 的向量合成 (vector synthesis) 允許使用者在排列於二維網格 (2-D grid) 上（兩個不同的向量，X 軸和 Y 軸上）的波表和排序中移動。

此方法的主要優點在於可以通過移動操縱杆 (joystick) 實現取樣和波之間的即時平衡。

加法合成 (additive synthesis)

加法合成可視為與減法合成 (subtractive synthesis) 相反的方法。有關深入了解加法合成的背景信息，請參閱本系列的第一篇聲音基礎知識的部分。

本質上，在一無所有的情況下通過合並不同電平和頻率的多個正弦波來創造聲音。隨著合併的正弦波越來越多，它們就開始生成附加的泛音。在大多數加法合成器中，將每一組正弦波視為振蕩器來使用。

根據不同加法合成器的複雜度，每個正弦波可能都擁有單獨的包絡 (envelope) 控制，或者也可能被限制為對正弦波組擁有包絡控制，即一個包絡控制一個聲音及其泛音，或所有的奇數 (odd) 泛音或所有的偶數 (even) 泛音。

再合成 (resynthesis)

經分析已錄製聲音的頻率，然後使用加法技術再合成（再構成, reconstruct）聲音。透過計算聲音的整體頻譜中每個泛音的頻率和振幅，加法再合成系統可以為每個泛音生成一連串正弦波（隨時間變化相應的電平）。

使用此方式再合成聲音後，可以調整任何泛音的頻率和振幅。例如，理論上來說，可以把一個和諧的聲音，再構成不和諧的聲音。

相位失真合成 (phase distortion synthesis)

相位失真合成透過修改正弦波的相位角度來形成不同的波形。

本質上，正弦波可以被彎曲，直到它變成鋸齒波、三角波、方波等。通常，除生成波形的合成器引擎外，其他合成器部分皆遵循減法合成方法。

1984 年的 Casio CZ 系列合成器是第一個在市場上推出的相位失真合成器。

顆粒合成 (granular synthesis)

顆粒合成的基本前提是可以將聲音分成細小的顆粒。然後可以識別這些取樣的顆粒（通常不超過 10 到 50 ms），或可將這些顆粒與其他聲音中的顆粒合併，來創造新的音色。

在許多方面，這與波表合成非常相似，但精細度更高。此方法非常適用於創造不斷變化的聲音和真正獨一無二的音調。

缺點在於，顆粒合成非常占用處理器資源，近年來的技術才足以支持即時運算 (real-time) 合成。由於此原因，只有少數學術機構才使用這種方法。但是，如今的電腦具備充足的處理能力，使這種方法能夠實際應用，在市面上購得其產品。

*references:
https://goo.gl/0CndNG
http://goo.gl/buo9Of