Bez filtru to prostě nejde

Syntezátory: mýtus, nebo hračka? Bez filtru to prostě nejde.

Pokud nadpis přitáhne vyznavače tabákových výrobků, budou zklamáni. Milovníci starých dobrých analogových zvuků by naopak měli nabrousit čivy, protože dnes se dostáváme k analogovým filtrům, spolutvůrcům to barvy i prostředkům hudebníkovy kreativní hry.

V naší pouti útrobami subtraktivního syntetizéru se dnes posouváme do sekce filtrů VCF (voltage controlled filter), kde se zpracovává barevné spektrum signálu. Dají se tu také vytvářet zajímavé efekty.

Filtr a řezat hlava nehlava

Filtr má u subtraktivní syntézy za úkol odstranit ze signálu bohatého na vyšší harmonické část jeho spektra, a tím dosáhnout požadované barvy. Při použití několika filtrů zařazených sériově (za sebou) nebo paralelně (vedle sebe) lze dosáhnout rozmanitých výsledků. Většina filtrů také nabízí několik základních průběhů majících zásadní vliv na jejich průběh.

Co filtr dělá a co nabízí?
Na obrázku VCF - Graf filtru typu dolní propust je znázorněn frekvenční průběh filtru. Na svislé ose je vynášena úroveň, vodorovná zobrazuje frekvenci. Nejdůležitějším parametrem je f0 – rezonanční kmitočet (CutOff). Jím se nastavuje hranice, po kterou filtr signál propouští, a od níž už signál začíná ořezávat. Dalším hojně užívaným parametrem je Q – Resonanace, která určuje zesílení na kmitočtu f0. Poslední důležitou vlastností je strmost filtru – Slope. Ta určuje, jak rychle dochází k útlumu kmitočtů v závislosti na frekvenci. Udává se v dB/okt. Na obrázku je znázorněna strmost 12dB/okt, což znamená, že na dvojnásobném kmitočtu je signál zeslaben o 12dB. Obvyklé hodnoty útlumů jsou 6, 12, 18 a 24dB/okt.

Muzikanti používají parametr Resonance hlavně k dosáhnutí nasálního (mečivého) charakteru zvuku, nebo k zvýraznění efektu Wah-Wah.

Typy filtrů

Na obrázku VCF – Typy filtrů je průběh čtyř nejpoužívanějších typů filtrů. Dolní propust (LowPass) propouští kmitočty do frekvence f0 a nad ní dochází k ořezávání vyšších kmitočtů. Jedná se o nejpoužívanější typ filtru, protože většinou je třeba ze signálu vyrobeného ve VCO odstranit vysoké kmitočty (ořezat výšky). Horní propust (HiPass) je opakem předchozího typu. V horní propusti se ořezávají kmitočty do f0 a vyšší frekvence zůstávají nedotknuty. Pásmová propust (BandPass) propouští jen část spektra a nižší i vyšší kmitočty odřezává. Oproti tomu Pásmová zádrž (BandNotch) funguje přesně naopak. Ořeže jen část spektra kolem f0 a ostatní kmitočty propustí.

VCF a jeho ovládací prvky

Obrázek VCF – Blokové schéma znázorňuje napěťově řízený filtr s jeho parametry tak, jak se nachází ve většině subtraktivních syntetizérů. Pojďme se na něj podívat.

Type: určuje typ filtru. Teoreticky se nabízejí čtyři možnosti. LP (low-pass dolní propust), HP (high-pass horní propust), BP (band-pass pásmová propust) a NT (notch-filter pásmová zádrž). Většinou jsou filtry syntetizérů vybaveny jen některou z variant, nezřídka pouze dolní propustí.

Slope: parametr nastavující strmost filtru. U starších syntetizérů nešla tato vlastnost filtru ovládat a byla pevně nastavena (nejběžnější byla 12dB/okt). Až u novějších typů šlo nastavit strmost filtru.

CutOff: rezonanční kmitočet filtru f0. Tímto parametrem se určuje otevření nebo zavření filtru. Jeho ovládání hudebníkem nebo modulací dochází k zajímavým expresivním efektům. CutOff je parametr, který hudebník během živého hraní mění nejčastěji. Kytarový efekt „kvákadlo“ je vlastně filtr s rezonančním kmitočtem ovládaným pedálem.
Přesná definice: CutOff je kmitočet, na němž dochází k poklesu signálu o 3dB. Viz. obrázek VCF – Graf filtru typu dolní propust. Pro naše účely postačí výše uvedená charakteristika.

Resonance: určuje zesílení na f0. Při vysokých hodnotách Resonance může dojít k samovolnému kmitání filtru – začne sám generovat tón. Toho lze s úspěchem využít k zajímavým efektům.

Modulační a kontrolní vstupy VCF

ADSR + LFO: Na tento napěťový vstup se posílá signál, který má vliv na změnu f0 kmitočtu VCF. Většinou jde o výstupní napětí z ADSR (k dosažení spektrální modulace - WahWah) nebo LFO (pro simulaci spektrálního tremolla). Nastavení těchto dvou modulačních zdrojů je samozřejmě nezávislé. U syntetizérů s dynamickou klaviaturou je možné řídit otevření filtru i pomocí dynamiky hry; tiché tóny budou temnější, hlasité budou mít ostřejší barvu.

CV: je napěťový vstup, na nějž se posílá napětí z klaviatury nebo jiného analogového syntetizéru. Tato funkce zabezpečuje otevírání filtru podle toho, která klávesa je stisknuta – jak vysoký tón je do filtru posílán. S výškou tónu generovaného ve VCO se mění i výška jeho harmonických, tedy barva. Proto je někdy vhodné, aby i CutOff filtru měnil svou hodnotu podle výšky tónu.
Vyšší tóny, jejichž základní kmitočet (první harmonická) je vyšší než f0 dolní propusti, můžou úplně zanikat.

Tip. Pokud VCO generuje pouze šum a otevření filtru je řízeno z klaviatury, pak při vysoké Resonanci VCF vzniká „laděný šum“, který může simulovat pískání Freda Floka z filmu Těžký život dobrodruha.

Když je nás víc

První jednohlasé syntetizéry měly je jeden filtr. Aby se dala barva zvuku víc vyšperkovat, měly novější nástroje k dispozici dva filtry pro jeden tón. Logicky se nabízejí dva způsoby jejich řazení.

Sériové (za sebou): Signál prochází postupně dvěma filtry. V prvním je ze spektra odřezána nějaká část, výsledek jde do druhého filtru, kde dochází k dalšímu odříznutí části spektra. Například při použití dvou dolních propustí se stejným f0 a strmostí 12dB/okt vznikne jeden filtr typu dolní propust se strmostí 24dB/okt. Dalším příkladem je sériová kombinace dolní a horní propusti. Tak vznikne pásmová propust s nastavitelnou šířkou pásma. Na obrázku Řazení filtrů jsou některé příklady sériových kombinací dvou filtrů.

Paralelní (vedle sebe): Signál je nezávisle zpracován každým filtrem zvlášť a oba zpracované signály se pak sečtou. Pomocí dvou pásmových propustí řazených paralelně lze vytvořit kombinaci dvou různých částí spektra. Nebo lze pomocí dolní propusti a pásmové propusti zdůraznit nějakou část spektra s uříznutými výškami. Na obrázku Řazení filtrů jsou některé příklady paralelních kombinací dvou filtrů.

VCF Minimoogu

Obrázek VCF - Filtr Minimoogu ukazuje část panelu s ovládacími prvky filtru nejpopulárnějšího modelu z dílny Roberta Mooga. CutOff Frequency nastavuje f0 filtru, Resonance se u Minimoogu jmenuje Emphasis a pomocí Amount of Contour se ovládá vliv generátoru obálky (ADS) na CutOff. Minimoog měl speciální generátor obálky jen pro filtr. Spodními třemi potenciometry se nastavovaly jeho tři parametry. Dvěma červenými přepínači vlevo dole šel nastavit vliv klaviatury na otevírání filtru. Horní spínač umožňoval modulaci filtru signálem ze sekce Controllers.

Příště

Další díl se zaměří na dva poslední moduly ze základního řetězce. VCA, kde se ovládá úroveň i hlasitostní průběh tónu, a efektovou jednotku.

VCF
Řazení filtrů