Vzhůru do útrob!

Syntezátory: mýtus, nebo hračka? Vzhůru do útrob!

Dnes už si konečně vezmeme kahan, helmu, řádný oděv a sfáráme do útrob syntetizéru, abychom jej důkladně prozkoumali. Nejdříve projdeme hlavní dálnici, po níž se pohybuje zvuk od svého zrodu až po výstup.

Podrobný popis budeme demonstrovat na analogovém subtraktivním syntetizéru, který může sloužit jako analogie zpěvu v koncertním sále. Primární zvuk vzniká v oscilátoru (hlasivky), pak prochází filtry, které některé jeho barevné složky potlačí, jiné zdůrazní (hruď, dutiny v hlavě, ústní dutina,...), aby pak rozezněl celý koncertní sál.

Hlavní moduly subtraktivního syntetizéru

Na obrázku Schéma subtraktivního syntetizéru je znázorněno obvyklé řazení modulů analogového subtraktivního syntetizéru. Každý modul je zobrazen jako nezávislý blok se svými vstupy a výstupy. Základní cestu signálu od jeho zrodu až k výstupu označují silné modré šipky.

VCO (voltage controlled oscillator)
Napěťově řízený oscilátor je srdcem každého syntetizéru. Jeho úkolem je generovat signál příslušného tvaru a výšky. Tvar signálu je dán nastavením jednotlivých parametrů oscilátoru, výšku tónu určují napětí, která jsou přiváděna na jeho vstupy. V příměru z úvodu je VCO zpěvákovými hlasivkami.

VCF (voltage controlled filter)
Signál vyrobený oscilátorem je přiveden do napěťově řízeného filtru, kde je část jeho spektra odřezána. I filtr má své vstupy, na něž lze posílat různá ovládací napětí. U zpěváka z úvodu se jedná o rezonátory zapojené do kontroly barvy tónu.

VCA (voltage controlled amplifier)
je závěrečným hlavním modulem, který má za úkol řídit hlasitost signálu. I na jeho vstupy lze přivést různé modulační signály. Tady se mimo jiné ovlivňuje perkusní nebo varhanní průběh tónu. Zpěvák ovládá hlasitost projevu silou proudu vzduchu.

LFO (low-frequency oscillator)
Tento pomocný modul má za úkol vytvářet periodické kmity nízkých frekvencí určené pro efekty vibráta nebo tremola.

ADSR / EG (envelope generator)
Na první pohled záhadnou zkratkou je označen generátor obálky – neperiodického napětí, který je primárně určen pro definici hlasitostního průběhu tónu (piáno, perkuse, varhany, flétna,...).

EFF (efektová jednotka)
slouží většinou k simulaci modulačních (chorus, flanger) nebo prostorových efektů (hall, echo). V prvních syntetizérech se tato jednotka vůbec nevyskytovala. U příkladu z úvodu se v efektové jednotce simuluje akustika koncertního sálu.

Tón a jeho čtyři atributy

Podívejme se na schéma prizmatem základních čtyř vlastností tónu, o nichž jsme se zmiňovali v prvním díle seriálu. Výšku tónu definuje VCO, barva je dána tvarem signálu VCO a nastavením VCF, síla i délka tónu je určena parametry VCA a ADSR.

Označení modulů vychází z názvů bloků v eletktrotechnické terminologii, v názvosloví syntetizérů se ustálilo zhruba v 70. letech minulého století. Pozdějším přechodem k digitálním simulacím byly tendence k redefinici VCO na DCO, VCF na DCF a pod. S dalším vývojem a vznikem nových nebo hybridních modulů začala většina výrobců označovat moduly různými názvy. Principy funkce však zůstaly analogické.

VCO (voltage controlled oscillator)

Pojďme se podrobně podívat na srdce každého syntetizéru. V napěťově řízeném oscilátoru vzniká signál, jehož vlastnosti lze ovládat parametry a vstupním modulačním signálem. Na obrázku VCO je znázorněno blokové schéma oscilátoru VCO s obvyklými parametry.

Z klaviatury přichází informace o tom, která klávesa byla stisknuta. U dřevních monofonních syntetizérů se toto dělo formou napětí posílaného z klaviatury.

Transposition (transpozice, poloha)
určuje, v jaké oktávě bude tón znít. Transpozice se většinou udává v tzv. hlasových řadách, které jsou už několik století označovány podle délky varhanní píšťaly znějící na tónu velké C. Délka se udávala ve stopách 1', 2', 4', 8', 16', 32', 64', přičemž základní poloha je 8'. Tedy píšťala délky 8 stop (243,84 cm) zní tónem velké C (64,41 Hz).

Waveform (tvar)
Tímto ovládacím prvkem se nastavuje základní tvar signálu. U subtraktivních syntetizérů je záměrem generovat signály bohaté na vyšší harmonické (aby pak bylo filtrem co ořezávat). Základními průběhy jsou sinus, trojúhelník, obdélník, pila a šum. Na obrázku VCO jsou dole zobrazeny základní průběhy včetně svých barevných spekter. U některých syntetizérů šla u obdélníkového signálu ještě nastavit střída (PW - pulse width). Později výrobci vybavovali nástroje možností generování složitějších tvarů uložených v paměti Shape memory.

Až byly kapacity pamětí dostatečně velké, mohly v nich být uloženy vzorky skutečných nástrojů. Odtud už byl jen krůček k vývoji prvních digitálních samplerů.

Detune (rozladění)
slouží k jemné změně výšky tónu, což u jednoho VCO nemá příliš smysl (celkové ladění nástroje se nastavuje jinde). Leč při použití více VCO pro jeden tón a jejich vzájemnému mírnému rozladění vzniká plnější tón (jako když místo jednoho houslisty hraje smyčcová sekce).

Modulační a kontrolní vstupy VCO

ADSR + LFO
Na tento vstup se posílá signál, který má vliv na změnu kmitočtu VCO. Většinou jde o výstupní napětí z ADSR (k dosažení glisu) nebo LFO (pro simulaci vibráta). Ovládání těchto dvou parametrů je samozřejmě nezávislé.

PWM (pulse width modulation)
Pokud se šířka pulsu obdélníkového signálu (PW – střída) plynule mění, vzniká plnější, sytější zvuk charakteristický pro strings a pad zvuky 70. let. Periodickou změnu střídy lze realizovat přivedením signálu LFO na vstup PWM.

Gate
vstup očekává puls, který je generován při stisku klávesy. VCO na tento puls reaguje inicializací signálu – spustí jej od počátku, s nulovou fází. Tím se zabezpečí počáteční synchronizace více VCO, což má vliv na jejich výsledný souzvuk.

CV
je napěťový vstup určující výšku generovaného kmitočtu. Na něj se posílá napětí z jiné klaviatury, jiného analogového syntetizéru, nebo se přes něj dá současně ovládat více různých nástrojů. Někdy se CV používal k připojení dřevních sequencerů (generuje sekvenci tónů) nebo arpeggiatorů (rozkládá držený akord). Robert Moog (otec prvního analogového subtraktivního syntetizéru) stanovil normu 1V/okt. To znamená, že zvýšením napětí přiváděného na CV o 1V se kmitočet VCO zdvojnásobí. Současně určil pro tón a1 napětí 1V. Tedy 1V=a1, 2V=a2, 3V=a3,... atd.

V 80. létech minulého století se etablovaly standardy MIDI (digitální komunikace mezi nástroji) a ovládání výšky tónu pomocí napětí se přestalo používat.

VCO Minimoogu

Na obrázku VCO je zobrazen modul tří oscilátorů VCO legendárního syntetizéru Minimoog. Parametrem Range šla nastavit transpozice každého oscilátoru a Waveform určoval tvar signálu. První oscilátor měl pevné ladění, další dva šly mírně rozladit potenciometrem Frequency. Spínači Oscillator2 Modulation a OSC3 Control bylo možno zmíněné dva oscilátory ovládat z modulu Controllers, kde probíhala volba a mix různých zdrojů modulace.

Příště

Následující díl se zaměří na filtry, kterými se podstatně ovlivňuje barva tónu, nebo se jimi dají vyrábět zajímavé efekty.

Schéma subtraktivního syntetizéru
VCO