Привет, Хабр! Что может быть интереснее субтрактивного аналогового синтеза? Это, когда сначала получают прямоугольные или пилообразные импульсы звуковой частоты, богатые гармониками, а затем пропускают их через электронные фильтры с модулируемыми параметрами. Получаются удивительные космические звуки, которые мы помним по фильмам нашего детства.
 
Сегодня мы изучим основные принципы, по которым строят аналоговые синтезаторы, и послушаем, как они звучат, если их воплотить в электронной схеме.

▍ Лев Термен

Первый в мире электронный музыкальный инструмент этерофон, известный нам под названием «терменвокс», был разработан Львом Сергеевичем Терменом в 1919-20 годах. 
 

Первоначальной задачей ученого была разработка бесконтактной охранной сигнализации, реагирующей на приближение человека. Лев Сергеевич использовал два ламповых высокочастотных LC-генератора, настроенных на одинаковую частоту. Колебательный контур одного из генераторов был соединен с металлическим предметом, расположенным на охраняемом объекте.
 
Этот предмет представлял собой обкладку конденсатора, а тело приближающегося человека являлось второй обкладкой. Таким образом, емкость контура сторожевого генератора увеличивалась, и частота вырабатываемых им колебаний, соответственно, снижалась.  
 

То есть, при приближении человека сторожевой генератор расстраивался относительно эталонного. Сигналы двух генераторов поступали на смеситель, как в супергетеродинном радиоприемнике, а затем на фильтр нижних частот (ФНЧ) и амплитудный детектор.

Когда генераторы настроены в унисон, ФНЧ не пропускает их высокую частоту до детектора. При появлении расстройки в спектре смешанного сигнала появляются частоты, равные сумме и разности исходных. Разностная частота биений проходит через ФНЧ и детектируется. Срабатывает сигнализация.
 
Как выяснил Лев Сергеевич, на этом охранном аппарате можно еще и играть музыку, управляя частотой биений путем приближения и отдаления руки относительно антенны датчика.
 

 
Вторая антенна управляет громкостью звучания, позволяя осуществлять эффект тремоло. Для этого достаточно одного генератора, выходной сигнал которого проходит через полосовой фильтр, настроенный на частоту генератора.
 
При расстройке генератора относительно фильтра будет снижаться амплитуда сигнала на выходе последнего, и, соответственно, напряжение на выходе амплитудного детектора, подключенного после полосового фильтра. 
 
Напряжение с выхода амплитудного детектора задает коэффициент передачи усилителя, управляемого напряжением — voltage controlled amplifier, VCA. 
 
Таким образом, поднося руки к двум антеннам терменвокса, можно управлять высотой и громкостью его звучания не менее виртуозно, чем на скрипке. Опытные исполнители способны придавать звучанию инструмента артикуляцию, подобную певческому голосу человека.
 
С другой стороны, терменвокс способен и на внеземные, космические звуки. Потому он стал востребованным для озвучивания кино и экспериментальной музыки.
 
Немногие люди, даже умеющие играть на безладовых инструментах, способны к полноценному исполнению мелодий на олдскульном аналоговом терменвоксе. Зато извлечь из него шумовые эффекты может каждый. Потому терменвоксы не являются редкостью в рок-группах, где используются эпизодически, чтобы подчеркнуть драматический момент эпичного соло.
 
Однако уже давно существуют и современные терменвоксы, снабженные микроконтроллерами, одной из функций которых является квантование высоты тона, чтобы помогать музыканту попадать в ноту. При этом инструмент чувствителен и к частотному вибрато, но отрабатывает его так, чтобы это было именно музыкальное вибрато вокруг ноты, а не фальшивые скачки высоты тона.
 

▍ Роберт Моуг

Из числа инженеров главным популяризатором чудесного инструмента стал американский изобретатель Роберт Моуг. Он не только разрабатывал, производил и продавал терменвоксы, но и публиковал в научно-популярных журналах схемы и конструкции для самостоятельной сборки. 
 

 
То есть, Боб Моуг был одним из пионеров в сфере проектов с открытыми исходниками. И это привело не к банкротству его предприятия и его идей, а совсем наоборот.
 

 
Слева на фото Роберт Моуг, а справа американский композитор Герберт Дойч. В 1962 году Дойч собрал свой терменвокс по схеме из той самой статьи 1954 года в журнале «Radio & Television News». 
 
А в ноябре 1963 года Моуг и Дойч познакомились на музыкально-образовательной конференции в Рочестере, штат Нью-Йорк. Так началось плодотворное сотрудничество.
 
Композитор хотел иметь в своем распоряжении инструмент, способный на гораздо большее, чем терменвокс, продемонстрировавший Дойчу возможности электроники в сфере художественной обработки звука.
 

▍ Синтезатор по имени Виктор и его секвенсор

Электронные синтезаторы в 60-х годах прошлого века уже существовали, но это были монументальные стационарные сооружения с огромной стоимостью, экстремально сложные в обслуживании и программировании. Прямо как первые компьютеры.
 

 
Примером такого синтезатора является RCA Mark II Sound Synthesizer по прозвищу Виктор, собранный в Колумбийском университете в 1957 году. Всего был создан один экземпляр, он существует до сих пор, и является первым в мире синтезатором, имеющим секвенсор. 
 
Секвенсором в мире электронной музыки называется модуль синтезатора, позволяющий запрограммировать звуковысотную последовательность, как механическое пианино или музыкальная шкатулка. Как и они, секвенсор Виктора Марк II программировался при помощи перфолент.
 

Для аналогового синтезатора секвенсор является экстремально актуальным модулем, так как в электронной музыке основную художественную информацию несут не ритм, гармония и мелодия, как в инструментальной музыке, а нюансы обработки звука посредством фильтров и модуляторов.

Иными словами, мелодию здесь исполняет робот-секвенсор. А человек-музыкант играет настройками аудиотракта, создавая волшебство далеко за пределами ритмической последовательности нот, расположенных в гармонии.
 
Подобные черты имеются и у электрогитарной музыки. Но гитарист не имеет секвенсора, и ему приходится не только «перебирать ноты в такт» и задействовать виртуозные приемы игры на струнах гитары, но и управлять обработкой звука при помощи педалей. А для Кирка Хэммета на концертах нажимает педаль «вау» его гитарный техник.
 

▍ 200-тонный монстр

На самом деле терменвокс не был самым первым электромузыкальным инструментом. Электрический, хотя и не электронный телармониум, или динамофон, был разработан Тадеушем Кехиллом более чем за двадцать лет до звездного изобретения Льва Сергеевича Термена.
 
Телармониум предназначался для исполнения музыки, передаваемой по телефонной линии. Аудиосигнал вырабатывался путем смешивания колебаний, вырабатываемых электромашинными генераторами с разным числом полюсов. И смешивались они при помощи трансформаторов. Неудивительно, что получились очень громоздкие конструкции.
 

 
Всего было построено три телармониума: «скромный» 7-тонный опытный образец Mark I и продвинутые Mark II и Mark III. Последние имели массу 200 тонн и энергопотребление 0.671 мегаватта каждый. Это мощность маневрового локомотива. Кирпичные опоры на фото прекрасно гармонируют с масштабом сооружения.
 

▍ Легендарный орган Хаммонда

Применение электронных усилителей позволило сделать электромашинные органы гораздо компактнее и доступнее. Отпала необходимость в смесительных трансформаторах, место которых заняли резистивные делители. И сам тонгенератор теперь не обязан вырабатывать всю выходную мощность, поступающую на громкоговорители или в трансляционную сеть.
 

 
Так в 1935 году появился коммерчески успешный хаммонд-орган размером с кабинетный рояль, и за 40 лет было произведено два миллиона экземпляров его разных моделей, с сохранением электромашинного принципа генерации колебаний звуковой частоты. 
 
Только вместо мощных генераторов использовался легкий тонвал с полюсными наконечниками, вращающийся возле электромагнитного звукоснимателя, построенного по тому же принципу, что и гитарный: катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником и постоянным подмагничиванием.
 

▍ Аддитивный синтез

Разнообразие звучаний телармониума и хаммонд-органа достигалось благодаря тому, что нажатая клавиша не просто включала в цепь катушку генератора, соответствующего своей ноте. 
 
Электромашинный орган, как и его классический предшественник с трубами, позволял включать разные регистры, добавляя к синусоидальному колебанию основной частоты одну или несколько гармоник. Именно потому телармониум был настолько сложным и громоздким, да и хаммонд-орган не поместится в корпус клавиатуры, как современные цифровые инструменты.
 
Такой подход к синтезу музыкальных звуков называется аддитивным, от латинского additio — «сложение». Это не что иное, как электромеханическое или электронное воплощение преобразования Фурье путем сложения синусоидальных колебаний с кратными частотами.
 
Генераторы музыкальных тонов (frequency source) у RCA Mark II «Виктор», как и у электроорганов, электромеханические, но не ротационные, а камертонные. То есть буквально с вилочковым камертоном внутри. Как легко догадаться, они вырабатывают синусоидальные колебания. 
 
Таких задающих генераторов двенадцать, по числу полутонов в октаве, и их строй равномерно темперированный. Также имеется 24 перестраиваемых генератора на лампах, позволяющих композитору выбрать иную темперацию, либо отсутствие таковой, и пользоваться четвертьтоновым звуковысотным рядом. Кроме того, каждый канал снабжен программируемым генератором глиссандо (frequency glider).
 

 
Октавер преобразует гармонические колебания в импульсы и делит частоту при помощи ламповых триггеров. Как раз здесь начинается самое интересное для нас с вами.
 

▍ Субтрактивный синтез

Импульсный сигнал, в отличие от синусоиды, содержит много гармоник, из которых посредством фильтров можно буквально вырезать нужное звучание. Это и есть основа субтрактивного синтеза, от латинского subtractio — вычитание.
 
Для аддитивного синтеза нужно складывать гармоники точно определенных частот, что является затратным. Для субтрактивного синтеза достаточно просто получить богатый гармониками сигнал, и затем усиливать в нем нужные диапазоны частот и подавлять ненужные.
 
Такой сигнал можно выработать при помощи электронного генератора, либо преобразовать колебания со звукоснимателя реального инструмента с помощью нелинейных искажений. Так работают гитарные эффекты овердрайв, фузз и дисторшн.
 
Перед фильтрами верхних (high pass, HPF, ФВЧ) и нижних (low pass, LPF, ФНЧ) частот на блок-схеме «Виктора» стоит «управление нарастанием, затуханием и продолжительностью» (growth, decay and duration control). 
 
Сегодня это называется генератором огибающей (envelope) или ADSR — атака, затухание, сустейн, освобождение (attack, decay, sustain, release). С простым вариантом такого генератора мы уже сталкивались в статье про вибрато с задержкой.
 
Поняв, что представляет собой субтрактивный синтез, Роберт Моуг и Херберт Дойч решили создать доступный синтезатор, воплощающих этот принцип. 
 
Вместо ламп они взяли бывшие тогда новинкой кремниевые транзисторы, отказались от громоздкого набора тонгенераторов и октаверов, оставив только «глайдер» — генератор, управляемый напряжением (voltage controlled oscillator, VCO).
 
Также напряжением в парадигме Моуга управляются и усилители, и фильтры. А задаются управляющие напряжения ручками потенциометров, клавиатурой, секвенсором, генераторами огибающей и генераторами модуляции.
 
Если генератор огибающей имитирует возбуждение и затухание колебаний в реальном музыкальном инструменте, то генератор модуляции осуществляет вибрато и тремоло.
 

▍ Музыка из дальнего космоса

Одним из выдающихся последователей Боба Моуга является американский энтузиаст Рэй Уилсон, разработавший множество синтезаторов и модулей в виде проектов с открытыми исходниками, объединенных под названием «Music from outer space», сокращенно MFOS.
 
Отличительной особенностью разработок Рэя Уилсона являются тонко подобранные номиналы компонентов, благодаря которым его схемы после сборки звучат особенно душевно. Это мое субъективное мнение, но музыка, искусство и хобби вообще — вещи субъективные по определению.
 

▍ Первый шаг в мир аналогового синтеза

Когда кто-нибудь впервые в жизни увидит средний или даже маленький модульный синтезатор, то наверняка подумает, что эта система очень сложная. Но кроме маленьких синтезаторов, есть крохотные, прекрасным примером которых является MFOS Noise Toaster.
 
Синтезатор состоит из семи модулей с готовой коммутацией. Первый из них — конечно же, VCO — генератор, управляемый напряжением. У него есть три ручки управления — начальная частота, глубина модуляции от генератора медленных колебаний (LFO) и глубина модуляции от генератора огибающей (AR). Также имеется два тумблера. Один из них включает синхронизацию от LFO, а второй — модуляцию от AR.
 

 
Второй и самый интересный модуль — управляемый напряжением резонансный фильтр нижних частот (VC LPF или просто VCF). У него также три регулятора: частота среза, глубина ее модуляции и добротность (resonance).
 
Также имеются три переключателя. Два из них определяют, какие сигналы подаются на вход фильтра. Первый трехпозиционный тумблер включает либо пилообразные, либо прямоугольные импульсы с VCO, либо ничего, если он в среднем положении.
 
Второй тумблер включает сигнал с третьего модуля — генератора белого шума.
 
Третий трехпозиционный тумблер включает модуляцию либо с LFO, либо с AR, либо ниоткуда.
 
Четвертый модуль — генератор огибающей AR — имеет два регулятора — времени атаки и времени затухания, а также переключатель режима работы — мультивибратор либо одновибратор, запускаемый нажатием кнопки.
 
Пятый модуль — генератор медленных колебаний LFO — регулируется всего одной ручкой, задающий частоту модуляции. Два переключателя задают форму волны — прямоугольную, интегрированную или дифференцированную. В такт LFO изменяет свою яркость светодиод.
 
Шестой модуль — усилитель, управляемый напряжением VCA. Он осуществляет амплитудную модуляцию сигнала с выхода фильтра от генератора огибающей. Единственный орган управления VCA — двухпозиционный тумблер. VCA можно включить или отключить.
 
И последний, седьмой модуль — усилитель мощности звуковой частоты (УМЗЧ), снабженный регулятором громкости.
 

▍ Принципиальная схема синтезатора

VCO «шумового тостера» построен вокруг генератора линейно изменяющегося напряжения на операционных усилителях (ОУ) U1-A и U1-B. Принцип работы такого генератора мы разбирали в статье про ШИМ-регулятор. 
 

 
Здесь при срабатывании компаратора U1-B времязадающий конденсатор C2 разряжается через полевой транзистор Q1. Так как это транзистор не с изолированным затвором, а с управляющим переходом, разрядный ток C2 является константой, определяемой экземпляром транзистора, и находится в пределах от 1 до 5 мА. Типичное значение — 3 мА.
 
А ток заряда C2 — это коллекторный ток транзистора Q4, образующего вместе с Q3 линейно-экспоненциальный преобразователь. Изменение напряжения на базе Q3 на примерно 18 милливольт вызывает изменение зарядного тока C2, и, соответственно, частоты колебаний, вдвое.
 
Источником белого шума является обратимый пробой обратно смещенного эмиттерного перехода транзистора Q5. Транзисторы Q2 и Q6 служат усилителями шумового сигнала.
 
Управляемый фильтр нижних частот построен на Т-образной RC-цепи в ООС операционного усилителя U2-A. Полевой транзистор с управляющим переходом Q8 является источником тока, управляемым напряжением на затворе, и выполняет функции переменного сопротивления, задающего постоянную времени фильтра.
 
Q7 точно так же служит переменным сопротивлением, зависящем от напряжения на затворе. Здесь этот узел было бы правильнее назвать не управляемым усилителем, а управляемым аттенюатором. Однако мы следуем традиции наименований, принятых в аналоговом синтезе.
 
LFO и генератор огибающей — мультивибраторы на одном ОУ, почти идентичные схеме, использованной в гитарной педали Tremulus Lune.
 

 
И наконец, УМЗЧ собран на микросхеме LM386, которую мы изучали в статье про усилитель Лина.
 

▍ Видео работы синтезатора

Теперь мы можем посмотреть и послушать, как это удивительное устройство звучит, и как оно реагирует на ручки и переключатели.
 
Печатная плата изготовлена по файлам с официального сайта Рэя Уилсона при помощи лазерно-утюжной технологии. Плата двусторонняя, потому это оказалось довольно трудным, но не невозможным. Синтезатор заработал сразу при первом включении и не нуждался в наладке.
 
Напишите в комментариях, встречались ли вы в своей жизни с аналоговым синтезом звука.
 

Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала ????