Наукова бібліотека України

Останні надходження

Loading
ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ тембра-ДИНАМИЧЕСКИХ И артикуляционного ОСОБЕННОСТЕЙ АКУСТИЧЕСКИХ музыкальных инструментов ЭЛЕКТРОННЫМИ СРЕДСТВАМИ
статті - Наукові публікації

Куст Евгений Вадимович, магистрант Государственной академии руководящих кадров культуры и искусств

В статье рассмотрена специфика темброутворення и артикуляции акустических музыкальных инструментов, исследованы возможности воспроизведение звучания с помощью различных видов электронного синтеза.

Ключевые слова: акустические музыкальные инструменты, тембр, синтез звука, сэмплирования, физическое моделирование.

Specifics of the timbre and articulation of acoustic music instruments, possibilities of their recreation by electronic sound synthesis are researched in the article.

Keywords: acoustic musical instruments, timbre, sound synthesis, sampling, physical modeling.

Бурное развитие музыкально-информационных технологий в последние десятилетия сделал синтезаторы и компьютеры мощными творческими инструментами для композитора, аранжировщика, звуко-режиссера и т.д.. Использование компьютерных технологий предоставляет принципиально новые возможности для развития профессионального мышления художника в таких сферах музыкальной деятельности, как звукорежиссура, композиция и аранжировка, музыковедение, педагогика и т.п..

Одним из важных аспектов музыкально-информационных технологий являются технологии синтеза звука. Современные аппаратные, программные и гибридные синтезаторы объединяют в себе несколько видов синтеза (аддитивный, субтрактивный, частотно-модулирующий, табличный, гранулярный, виртуально-акустический и др.) и широко используются как в популярной, академической и экспериментальной музыке, так и в сфере саунд - дизайна.

Технологии синтеза звука могут успешно использоваться и для имитации (эмуляции) акустических музыкальных инструментов. Такая возможность представляется чрезвычайно актуальной для многих музыкантов, аранжировщиков и звукорежиссеров, которые физически не имеют возможности работать с "живыми" исполнителями. Современные методы электронного воспроизведения звука, такие как виртуально-акустический синтез и сэмплирования, позволяют реалистично эмулировать звучание многих акустических инструментов и ансамблей. Широкое распространение получили различные библиотеки сэмплов и виртуальные инструменты (East West /Quantum Leap, Vienna Symphonic Library, Spectrasonics, FXpansion, Toontrack, Project SAM, Garritan т.д.), аппаратные звуковые модули (вроде Yamaha Motif).

Технология эмуляции акустических инструментов широко используется на студиях звукозаписи, при создании современной популярной и киномузыки, и даже в концертном исполнении.

Эмуляция акустических инструментов на профессиональном уровне требует от композитора/аранжу- вальщика /звукорежиссера основательных знаний о специфике музыкального инструмента, его строения, акустических свойств и одновременно определенных знаний в области музыкально-информационных технологий, а именно: теоретических основ синтеза звука , программных и аппаратных методов реализации синтеза и семплюван-ния и т.п.. Также необходимы навыки работы с музыкальным программным обеспечением (синтезаторами, сэмплерами и мультитрековый секвенсорами).

Обзор отечественных информационных источников доказал почти полное отсутствие научных работ по данной теме. Технология синтеза звука в контексте музыкального искусства фигурирует только в двух диссертациях. В исследовании И. Ракуновои "Новые композиторские технологии (на примере творчества Аллы Загайкевич)" синтез звука рассматривается как одна из составных частей новейших композиторских техник в контексте академической музыки, без исследования данной технологии в ее культурологическом и историческом аспектах. В работе И. Гайденко "Роль музыкальных компьютерных технологий в современной композиторской практике" синтез звука рассматривается только в контексте современных компьютерных технологий. Большим отдельным фондом существуют фундаментальные труды по акустике музыкальных инструментов (Л. Кузнецов

В. Порвенков) инструментоведения и оркестровки (Н. Римский-Корсаков, В. Пистон, М. Агафонни-ков), однако не хватает специфической литературы, которая бы сочетала и обобщала знания вышеупомянутых отраслей. На сегодняшний день в отечественной научной литературе не существует фундаментальных исследований,
посвященных такому аспекту синтеза звука, как эмуляция акустических инструментов. Встречаются только отдельные статьи и опубликованы тезисы конференций [2]. Поиск среди зарубежных англоязычных изданий доказал наличие определенного количества исследований на тему технологии синтеза звука [3, 4, 5, 6,], однако специализированной литературы, которая освещала все аспекты эмуляции акустических инструментов электронными средствами, не хватает.

Исходя из вышесказанного, считаем необходимым исследовать возможности, проблемы и перспективы воспроизводства тембро-динамических и артикуляционных особенностей акустических музыкальных инструментов средствами электронной синтеза звука и сэмплирования.

Тембр является одним из главных средств музыкальной выразительности и субъективной характеристикой качества звучания. Именно благодаря тембра, звуки, идентичные по высоте и громкостью, можно отличить друг от друга. Основными факторами, влияющими на тембр, является спектр и характер переходного процесса основного тона и обертонов. К дополнительным факторам относят нелинейность обертонов, нели-нийнисть кривых равной громкости, нелинейность амплитудной характеристики слуха, вибрато, биение, унисон, расстояние до источника звука, реверберацию и т.д.. На тембровое восприятия звука также влияют условия выполнения (воспроизведение) музыкального материала, психологическое состояние слушателей, индивидуальные особенности слуха и т.д..

Спектр звука определяется количеством и амплитудами компонентов, входящих в его состав. Музыкальные звуки, как правило, включают в себя много компонентов. Форма звукового колебания зависитот состава компонентов и фазовых соотношений между ними.

Основное влияние на тембр вызывают имеющиеся в спектре высшие гармоники основного тона (обертоны). Музыкальный инструмент представляет собой сложную колебательную систему, и каждый элемент этой системы так или иначе влияет на тембр звука. Конечно, колебательная система музыкального инструмента не является совершенной, поэтому колебания могут быть непериодическими, особенно те, которые ограничены во времени, - угасающие колебания (звук фортепиано, струнных щипковых, ударных инструментов). Под влиянием различных факторов (как, например, жесткость струны, подвижность опоры, неравномерное распределение массы вдоль струны, овальность сечения струны, нелинейность частотной зависимости реакции опоры для струнных инструментов) возникает негармоничность обертонов - отклонение частот гармоник от значений, кратных частоте основного тона. Звук, в состав которого входят негармоничные обертоны, при неизменном спектре будет иметь переменную во времени форму сигнала. Негармоничность вносит в сигнал дополнительные флуктуации, делает тембр более "живым", привлекательным для слуха, если величина негармонийности не превышает 0,1-0,35% для соседних обертонов.

Важным фактором, влияющим на спектр и, соответственно, на тембр, является интенсивность звука. В зависимости от интенсивности изменяется форма сигнала.

Переходный процесс звука можно охарактеризовать как единичный случай амплитудной модуляции. При этом возникают дополнительные боковые составляющие спектра даже для синусоидального сигнала. Переходный процесс следует рассматривать отдельно для каждого обертона, ведь тембр звука зависит от временных соотношений компонентов, характера нарастания и убывания каждого из них. В переходных процессах звуков музыкальных инструментов выделяют три фазы: начальную (атаку), основную и заключительную (затухание). В зависимости от инструмента, характер и продолжительность каждой фазы отличаются. Некоторое влияние на характер переходного процесса также вызывают: способ звукоизвлечения (arco /pizzicato для струнных смычковых), артикуляция (staccato /detache /legato), динамика и т.д..

Для достоверной эмуляции акустических инструментов необходимо точно воспроизвести тембр первоисточника, ведь тембр является главной характеристикой музыкального инструмента. При этом важно уделять внимание переходным процессам и динамике, потому переходные процессы являются важными компонентами темброутворення, а изменения в динамике неразрывно эт 'связаны с изменениями в спектре звука музыкального инструмента. Учитывая всю сложность и многокомпонентную тембра, а также большое количество факторов, влияющих на тембровое восприятия, рассмотрим основные пути воссоздания тембра музыкального инструмента электронными средствами.

эмуляции акустических инструментов осуществлять методом синтеза (аддитивного, субтрактивного, частотно-модулирующего, табличного, физического моделирования) и сэмплинга. Рассмотрим воспроизведения тембро-динамических особенностей инструментов методом синтеза более подробно.

Одним из базовых видов синтеза является аддитивный синтез. Путем аддитивного синтеза можно получить звуки с большим количеством гармоник и широким спектром, но довольно однообразные по характеру ("органоподибного" типа). Вследствие чисто периодического характера самих синтезированных волн любое их сочетание будет также иметь вид периодического колебания. В результате мы получаем звук, неизменный во времени и с постоянным спектром, без влияния флуктуаций, которые обычно вносит несовершенство колебательной системы музыкального инструмента и "человеческий" фактор. Такой звук воспринимается как искусственный, неестественный, жесткий. Он не отражает сложные акустические процессы, благодаря которым образуется оригинальный тембр музыкального инструмента, и поэтому не может служить базой для достоверной эмуляции.

Звук, синтезируется субтрактивным методом, потенциально большее количество гармоник, чем при аддитивном синтезе. Однако субтрактивном синтеза присущ основной недостаток аддитивного синтеза, а именно - относительная предсказуемость волнового процесса (при использовании в качестве основного сигнала меандра и sawtooth). Использование более сложного сигнала, отчасти шумового, в сочетании с амплитудной модуляцией позволяет имитировать звучание акустических перкуссионных и струнных щипковых инструментов, но подобная эмуляция НЕ будет достоверной.

FM-синтез позволяет получить сигнал весьма сложной формы определенным образом имитировать негармоничность обертонов колебательной системы акустических инструментов. С помощью FM-синтеза можно имитировать звучание некоторых акустических инструментов: органа, флейты, кларнета, клавесина, многих ударных инструментов. Однако основная сфера использования данного вида синтеза - это танцевальная то экспериментальная электронная музыка.

Следует сказать, что современные аппаратные и программные синтезаторы часто объединяют все три вида синтеза - аддитивный, субтрактивный и частотно-модулирующий. Наличие нескольких LFO (генераторов низкой частоты), генераторов огибающей, различных эффектов обработки позволяет более точно имитировать тембр акустических инструментов, однако таким синтезаторы присущи некоторые недостатки: невозможность воспроизвести специфику переходных процессов и определенных оттенков артикуляции; несостоятельность реалистично воссоздать динамические изменения в тембре инструмента; несостоятельность воспроизвести характерные особенности звучания конкретного музыкального инструмента.

Метод физического моделирования или виртуально-акустический синтез позволяет с большей точностью воссоздать звучание акустических музыкальных и?? Инструмента. В отличие от аддитивного, субтрактивного и FM-синтеза, звук, генерируемый синтезатором физического моделирования, не является статичным во времени, ведь зависит от многих чисто "исполнительских" параметров (характер атаки, частоты и глубины вибрато, для струнных смычковых - силы давления на смычок, места возбуждения струны, для духовых - интенсивности воздушного потока и т.д.). Такие параметры контролируются с помощью MIDI-сообщений типа Velocity, Aftertouch, Pitchbend, CC и т.д.. Аппаратные MIDI-контроллеры, имитирующие строение определенных акустических инструментов (духовых, струнных), позволяют применять большинство традиционных приемов игры на соответствующих инструментах. При этом отпадает необходимость в сложном MIDI-программировании и использовании скриптов, рандомизации, ведь все параметры синтеза контролируются исполнителем в реальном времени. Основные преимущества физического моделирования перед традиционными видами синтеза заключаются в возможности воспроизвести тембр инструмента в его динамическом аспекте и в возможности адекватно воспроизвести переходные процессы звука. В аддитивном, субтрактивном и частотно-модулирующего видах синтеза динамическое изменение тембра инструмента можно определенным образом имитировать использованием частотных фильтров, изменяя частоту среза. Зато метод физического моделирования воспроизводит реальное поведение акустического аппарата инструмента при изменении динамики.

В традиционных видах синтеза переходные процессы имитируются с помощью генератора огибающей, предоставляющая сигнала нужной формы, моделируя фазы атаки и затухания. В отличие от генератора огибающей, физическое моделирование позволяет более точно воспроизвести переходные процессы, учитывая при этом изменения в тембре инструмента.

Физическое моделирование является одним из наиболее перспективных типов синтеза, однако ему присущи определенные недостатки. Во-первых, этот вид синтеза не является универсальным: на сегодняшний день физическое моделирование является наиболее актуальным для эмуляции клавишных инструментов (фортепиано, клавесин, элект-ро-пиано и т.п.), струнных щипковых и некоторых духовых (преимущественно медных). Воспроизводимые путем физического моделирования струнные смычковые, ударные инструменты звучат недостаточно естественно. Во-вторых, профессиональная эмуляция некоторых инструментов, синтез которых предусматривает использование аппаратных MIDI-контроллеров, требует овладения техникой игры на соответствующем инструменте. Это требует много времени и не всегда является удобным. В-третьих, высокая себестоимость профессиональных аппаратных синтезаторов физического моделирования (вроде Roland V-Synth), контроллеров и звуковых модулей делает этот вид синтеза недоступным для многих пользователей. Существуют программные синтезаторы физического моделирования: Applied Acoustics String Studio VS-1, Applied Acoustics Strum Acoustic GS-1, Arturia Brass, Modartt Pianoteq, Acoustica Pianissimo т.д., однако их возможности несколько ограничены по сравнению с аппаратными синтезаторами.

Табличный синтез использует в качестве базового сигнала записью в ПЗУ /ОЗУ фрагменты - сэмплы, поэтому особенности данного вида синтеза по эмуляции звучания акустических музыкальных инструментов будут рассмотрены именно с точки зрения сэмплирования.

На сегодняшний день сэмплирования позволяет наиболее реалистично воспроизвести тембр и артикуляцию акустических инструментов, ведь сэмпл представляет собой точную "копию" звука реального инструмента, поскольку при сэмплирования используется не синтез, а воспроизведение предварительно записанных звуков. Качество отдельного сэмпла, его достоверность и реалистичность могут быть ограничены только условиями записи источника: качеством оборудования, мастерством звукорежиссера и исполнителя, качеством самого насадки.

При записи источника можно зафиксировать большинство традиционных способов звукоизвлечения и артикуляционных оттенков, большое количество динамических оттенков, специальные эффекты и т.д.. Также могут быть отдельно записаны "сухие" сэмплы и сэмплы с естественной реверберацией помещения для предоставления пользователю возможности контролировать акустическую перспективу (библиотеки вроде EW /QL Symphonic Orchestra Platinum Edition, Project SAM True Strike, Toontrack dfh Superior, FXpansion BFD и т.д.).

Традиционные виды синтеза не предоставляют таких возможностей, как сэмплирования. Физическое моделирование позволяет определенным образом воспроизвести тембро-динамические особенности инструмента, но все оттенки артикуляции доступны. Также методом физического моделирования крайне сложно воспроизвести некоторые специальные эффекты (вроде мультифоникив на духовых инструментах, игры с подставкой, на пидгрифнику, корпусе струнных смычковых и т.п.); характерные особенности звучания конкретного музыкального инструмента (вроде редких, изготовленных вручную экземпляров) акустическую перспективу т.д. .

При использовании метода сэмплирования возникают определенные проблемы. Первая из них касается динамики, а именно - воспроизведение тембра инструмента в его динамическом аспекте. Для коротких штрихов струнно-смычковых и духовых инструментов (staccato, spiccato, pizzicato), а также для струнно-щипковых и большинства ударных инструментов проблема воспроизводства изменения тембра во времени не является актуальной, ведь динамика каждого отдельного звука после его возбуждения характеризуется в основном декрементом затухания самого колебания и не является управляемой исполнителем. Во всех остальных случаях динамика контролируется самим исполнителем, следовательно, тембр инструмента может изменяться во времени. Метод сэмплирования позволяет реалистично воспроизводить определенные фиксированные, дискретные динамические оттенки. При записи сэмплов источника (акустического инструмента) количество дискретных динамических уровней ограничивается только мастерством исдами, требованиями к физическому размеру библиотеки (в байтах) и особенностями стандарта General MIDI (количество velocity-уровней не может превышать 27). При необходимости воспроизведения изменения тембра во времени используется так называемый "кросфейд" (от англ. Crossfade

взаимопереход) между несколькими сэмплами, воспроизводящих дискретные динамические оттенки.

При кросфейди возникает нежелательный полифонический эффект и искажение звука из-за отсутствия фазовой корреляции между сэмплами. Особенно ярко недостатки кросфейду наблюдаются при эмуляции сольных инструментов, в меньшей степени - инструментальных ансамблей (вроде оркестровых групп). Определенным образом решить проблему динамики можно путем записи многих вариантов реальных crescendo, diminuendo, sfz, fp, pfp т.п., однако этот экстенсивный путь приведет к существенному увеличению объема библиотеки и значительно усложнит пользование ею.

Следующая проблема связана с воспроизведением штрихе legato. При игре легато на струнных и духовых инструментах только первая нота легатнои группы будет четкую атаку. Итак, для имитации легато необходимо соединить несколько сэмплов таким образом, чтобы атаку имел только первый сэмпл. При этом следует помнить, что при эмуляции монофонических инструментов (вроде медных /дер деревянных духовых) любое сочетание сэмплов должно быть также монофоническим.

Существует несколько способов имитации легато. Первый связан с ADSR-генератором огибающей. Для определенных сэмплов параметр Release увеличивается, в результате чего фаза затухания увеличивается и сливается с фазой атаки следующего сэмпла. При таком кросфейди возникает полифонический эффект не является естественным для акустических инструментов.

Второй способ имитации легато основан на MIDI-программировании и использовании специальных скриптов. На сегодняшний день наиболее перспективными разработками в этой области является скрипты Н. Ли-берга и скрипты Solo Instruments Performance Suite Р. Уилвока для сэмплера Kontakt компании Native Instruments. Сущность этого метода заключается в том, что воспроизведение второго сэмпла в легатний группе начинается не с фазы атаки, а ближе к середине сэмпла (так называемый "офсет"). Для соединения сэмплов используется кросфейд, однако заметного на слух полифонического эффекта не возникает. Пользователь может контролировать офсет и параметры кросфейду в реальном времени с помощью MIDI-сообщений типа Aftertouch, Velocity или Controller. Также с помощью скриптов есть возможность имитировать портаменто между нотами и глиссандо.

Сущность третьего метода имитации легато заключается в записи настоящих "легатних" сэмплов и последующем их воспроизведении. Ярким примером такого метода может служить запатентованная технология Performance Legato компании Vienna Symphonic Library. От каждой ноты всего диапазона инструмента записываются все легатни интервалы в восходящем и нисходящем направлениях, в пределах октавы. На стадии редактирования сэмплов первая нота каждого интервала удаляется, таким образом остается только вторая нота, имеет специфическую, "легатну" атаку. При получении MIDI-сообщений типа Note специальный скрипт фиксирует интервал, и в зависимости от этого воспроизводится нужный "легатний" сэмпл, соответствующий данному интервалу. Преимущество технологии VSL Performance Legato состоит в том, что при имитации легато воспроизводятся не обычные сэмплы типа sustain, а реальные сэмплы, записанные при игре интервалов легато. Это позволяет достичь лучших результатов при имитации легато сравнению с предварительно описанными методами. Единственным недостатком Performance Legato являются высокие требования к аппаратным ресурсам ПК, ведь общее количество сэмплов для инструмента с диапазоном в три октавы будет составлять несколько тысяч.

Следующая проблема касается воспроизведения вибрато. При создании больших библиотек сэмплов (вроде Vienna Instruments или EW /QL Symphonic Orchestra) отдельно записываются сэмплы как vibrato, так и non-vibrato. Однако такой подход не позволяет контролировать интенсивность и характер вибрато, ведь при кросфейди сэмплов vibrato и non-vibrato возникают заметные на слух искажения. Метод искусственного воспроизводства вибрато базируется на периодическом отклонении амплитуды и частоты сигнала от основного значения. Для этого может использоваться LFO или любой генератор типа envelope. Также есть возможность периодически изменять частоту и амплитуду сигнала вручную, с помощью MIDI-сообщений типа Pitchbend и Controller, однако это не очень удобным. При искусственном воспроизводстве вибрато с помощью LFO следует помнить о "человеческом" фактор, ведь реальное вибрато не имеет постоянной интенсивности и частоты, и его характер является переменным во времени. Частота LFO, управляющие амплитудой и частотой сигнала, не должна быть постоянной и должно меняться в зависимости от музыкального контекста. В современных программных семплерах (вроде NI Kontakt и Steinberg Halion) есть возможность управлять частотой LFO с помощью MIDI-сообщений. Это дает возможность контролировать частоту и интенсивность вибрато в реальном времени с помощью внешних MIDI-контроллеров. Одной из перспективных современных разработок является MIDI-скрипты для сэмплера NI Kontakt, значительно упрощающих процесс искусственного воспроизводства вибрато.

Скрипт позволяет пользователю определять такие параметры вибрато, как частота (в Гц), интенсивность, максимальное отклонение от положения равновесия (в центах и ​​Дб), баланс между частотным и амплитудным вибрато, форму колебаний LFO и т.д.. Параметры вибрато могут быть неизменными во времени, контролироваться с помощью MIDI-сообщений типа Aftertouch, Velocity или Controller, или контролироваться с помощью генератора огибающей с параметрами Onset, Rise, Decay, Sustain. Специальная опция позволяет вносить в параметры вибрато случайные отклонения от заданих величин (рандомизация), предоставляющая искусственном вибрато большей естественности и гибкости.

Одной из проблем, возникающих при сэмплирования, является повторение нот (репетиция). При использовании одного и того же сэмпла для повторяющихся нот возникает искажающий "пулеметный эффект". Это не является естественным, ведь при игре на настоящем музыкальном инструменте каждая следующая нота в группе из нескольких повторяющихся нот одной высоты несколько отличается от предыдущей. Эти изменения трудно определить на слух, однако "пулеметного эффекта" не возникает. Одним из решений проблемы повторяющихся нот есть запись нескольких сэмплов для каждого динамического и артикуляционного оттенка каждой ноты. Чем больше вариантов записано, тем более реалистичным может быть звучание репетиции. Современные семпл-ры позволяют воспроизводить сэмплы поочередно (технология Cycle Round Robin или Auto Alternate) или в произвольном порядке.

Один из способов воспроизведения репетиции базируется на использовании одного и того же сэмпла, но с незначительным изменением таких параметров, как высота и громкость каждой ноты. Это позволяет в определенной степени избежать "пулеметного эффекта". Скрипт Ultra TKT при повторении определенной ноты использует сэмплы из соседних групп, изменяя их высоту. Таким образом обеспечивается определенная разница в звучании сэмплов при репетиции, что также уменьшает "пулеметный эффект".

Итак, несмотря на то, что при сэмплирования возникают определенные проблемы, на сегодняшний день этот метод позволяет достичь более достоверных результатов при воспроизведении тембро-динамических и артикуляционных особенностей акустических музыкальных инструментов, чем традиционные виды синтеза и физическое моделирование. Учитывая большое количество разнообразных звуковых библиотек, отличающиеся высоким качеством и охватывают ли не все известные инструменты, сэмплирования представляется наиболее перспективным методом для эмуляции акустических инструментов.

На сегодня чрезвычайно актуальным и перспективным не только проведение дальнейших исследований в этой области, но и создание методических пособий, которые бы предоставили начинающим пользователям необходимые знания и умения в области эмуляции акустических музыкальных инструментов.

Литература

Кузнецов Л.А. Акустика музыкальных инструментов: справочник /Л. А. Кузнецов. - М.: Легп-ромбытиздат, 1989. - 368 с.

Стецюк И. А. Эмуляция симфонического оркестра электронными средствами: проблемы и их решения /И. А. Стецюк //Культурно-художественная среда: технологии и современность: материалы Всеукр. наук. - творческие. конф. 11-12 ноября 2008 года. - М.: ГАРККиИ, 2009. - С. 87-90.

Gilreath P. The Guide to MIDI Orchestration. - Atlanta: MusicWorcs, 2004. - 702 p.

McGuire S. Audio Sampling: A Practical Guide /S. McGuire, R. Pritts. - Burlington: Focal Press, 2008. -

217 p.

Pejrolo A. Acoustic and MIDI Orchestration for the Contemporary Composer /A. Pejrolo, R. DeRosa. - Burlington: Focal Press, 2007. - 289 p.

Russ M. Sound Synthesis and Sampling /M. Russ. - Burlington: Focal Press, 2004. - 422 p.




Пошук по ключовим словам схожих робіт: