等分波形长度,那么这个运动的频率会加倍。类似的,如果等分三部分,则三倍频率;四等分的话则四倍频率,以次类推……当然只对整数的分法

range, border and center of a field

 

声音合成的秘密『1』(声音中的秘密?) 

在探索减法合成世界的第一章中,让我们返回到基础概念。什么是波形(waveforms)和谐波( harmonics),它们是怎么产生的,与我们所实际听到的声音相关理论又是怎样的?

抛开标题所说的不谈,我并不是要发表什么实际的真的秘密。但是在你没有耐心看完文章之前……我所做的是看一下声音合成、减法合成(这是很出名的法则,但是却又很难理解)的主要原则形式,以及这些法则又是如何被用于特定的合成器中。若你具有使用减法合成原理的合成器,且你知道如何在它上面得到你所想要的音色,但是你却不知道它们的工作原理,这些文章的目的便是或许能够填补一些你所不具备的空白知识(这不就是秘密吗,呵呵)。好的,我们或许应该起名叫合成器的如何如何之类的名字……但是,那却不是容易记住的名字,也不是全部的名字。那么首先的首先,什么是减法合成器?

“减法合成”一名来源于它所使用的方法,在“厚波”那里你减弱或移除去谐波以创造新的声音。你可使用静态模式来创造简单的音调,或者你也可以使用合成器中所提供的滤波器、波封发生器、调制器 来创造新的动感的令时间停止的声音,但是……你或许已经迷失了。到底什么是谐波?什么是波形?它们是怎么来的?在这个月里,我们直接面对这些概念,回答这三个问题。关于VCFs, EGs和 LFOs将在以后登出。
 

It's All Greek To Me

回答这个基本问题,我们必须跳到声音叠加机器时代(它或许正藏在某个复印机的下面,呵呵),来回顾一下有点模糊的过去。它在物理建模,采样器,模拟合成甚至是monosynths之前……

实际上,此处我们已处于严肃的专业领域,因为我们得返回到2500年前,来了解一下一个爱奥尼亚人叫 Pythagoras的家伙。Pythagoras或许是世界上第一个纯粹的数学家,当然我们对他的相关了解甚少(我们对他的了解无非就是一些传奇故事)。

归因于Pythagoras不被人知的发现之一是:扯动两根类似的同等紧度的细绳时会给发出令人愉悦的声音,若它们的长度都是整数相关(我的意思是可再进行分割的数字)。减法合成的名称就是从这个方法得来的,“经过从厚波中减弱或移除谐波来创造新的声音”。 

例如,如果一根绳子一根绳子是其它一根的一半长度的话(1:2的关系),结果就会发出非常好听的声音。如果比例为2:3的话,声音听起来也不错。

不幸的是,Pythagoras及其后续人脱离了这个方向,并试图解释五个为人所知的行星及太阳和月亮的相似数字关系,这样便导致虚构的“music of the spheres”。如果他们把研究范围确定在那个小框里而不是如此大的领域(发现了Quantum Mechanics)的话,他们会有更大的成就。

但是Pythagoras strings的整数关系是为什么呢?若一根是另一根的1.21346706544倍又为何不发出令人愉悦的声音呢?

让我们扯动一下

开始回答这个问题之前,让我们将一根细绳拉到所能承受的范围紧度,但又能震动的地步。如图一。

现在假设我们扯动绳子两端中间部分。正如你所想,这便是图二所示的震动。

这是“持续波”的一个例子。它并是象水波那样上下移动,但却上下震动。如果震动(vibration) (或者是oscillation)仅仅象图二所示,细绳中间的一个点简单移动的话,这个重复的模式叫正弦波(图三)。我们称呼这个模式为波形(waveform)震荡,这个在其单位时间内所做循环次数的频率就是绳子的基本频率(基频)。

这个基本模式并不是绳子震动的所有模式--尽管绳子两端是固定的。假设将你的手指放在绳子的正好中间(但是这样在整根绳子上仍然是震动的),扯动一边或者是另一边的话。你可以看到如图四所描述的静态波,如图四所示。

同样的,如果你在三分之一处尝试的话,会看到图五所示的震动,等等。

实际上,这些所谓的静态波在整根绳子上如图二所示的震动中都在发生,我们称这些波形为基频的谐波。 

2楼

 


如果你学习静态波的数学原理的话,你会发现可将这种波形描述为两个运动方向相反的波形(不,你不要问为什么)。知道这个将会得出一个简单的结论:如果你等分波形长度,那么这个运动的频率会加倍。类似的,如果等分三部分,则三倍频率;四等分的话则四倍频率,以次类推……当然只对整数的分法应用,若你进行不是整数分法的话,细绳可能会不在零点上(我的意思是在一个循环周期内),这不可能的原因是因为两端被固定了。

无论如何,现在我们回答了所述的第一个问题,以及可通过一个简单的震荡器(oscillator)来确认谐波的方法:可震动模式。这个分析不是仅仅针对一根绳子。假设空气是立方体的空间。暂时忘记什么家具啦之类的,空气可以在任何地方震动除了墙面、地板。换句话说,震动就好象在一根绳子上一样。这就是为什么一般房子有共鸣的原因(resonances)--产生房间本身的谐波。这也是教堂风琴工作的原理--管子(pipes)实际上是个谐波震动器。

第一个谐波(基波:称为f)是扯动细绳时将会察觉的音调。第二个谐波(也被称为第一泛音)是一半基音波形长度所发的声音,频率增倍。孤立地看,我们察觉它们的形式为一个八度距离。

第三个谐波具备三倍频率(这是五度音),第四个谐波,具备四倍频率,又是基音的第二个八度。以此类推……

这就是我们要了解的Pythagoras原则。换句话说,因为那两根绳子的谐波结构类似,所以声音才会有愉悦感。

声音的性质 

现在考虑如下:当你扯动一根绳子时,你不会听到单一谐波的声音。创造单一的状态为--在真实世界中--几乎为不可能,所以任何自然发出的声音实际上是很多不同数量谐波的组成。在任何时候,它都是如此,同时因为谐波数量的不同,波形可能比图三显示地要复杂的多。在一个对吉他声音或者是人声的编辑器中的波形分析中,你可以看到真实波形的复杂程度。

这样用来分析声音--或者是它的再合成--太难了,假如没有一个法国数学家傅立叶(Jean Baptiste Joseph Fourier)出现的话。这位同志的生活丰富多采,傅立叶依次做过教师,神秘的政治家,政治犯,埃及政府官员,Isère和Rh?ne的行政长官,同时还是拿破仑的好友。先不管这些,他发现不论是多么复杂的波形都可以由简单的谐波构成。这个原理就以其名称来命名。

坚持几秒钟……波形决定谐波,谐波决定波形?其实谐波和波形是以两种方法来解释一个事物的方式。这是个关键点:音色特性是由所含谐波的数量和振幅来决定的,任何给定的谐波也便给定了波形。所以当我们观察合成器上的震荡器时,或者说是诸如方波(square)或者是锯齿波(sawtooth),这其实是简单速记的方式,“这些设置产生特定的振幅X,振幅Y……的谐波”

减法合成

将这些注意用于合成器的话……看一下图六中的波形图。你决不可能从绳子上得到这种波形,但是你可以在几乎每一个合成器上找到近似的东东。这是一个锯齿波,以它的形状命名。

这种波形只带有一个简单的谐波关系,解释如下:

每一个谐波均存在,第N个谐波的振幅是基波的1/n。 

哦,这么说看起来不简单啊,但是相信我,其实远比这恶心得多。不管如何,看一下图7,它显示了开始的10个谐波, 你可以看一下它们的形状及频率。

但是若你修剪这些波形会如何呢?假设移除了除了前五个以外所有的谐波(得到这个结果你可以通过滤波器这个东东)。图8显示了频谱,图9显示了相对应的波形。

正如你所看到的,新的波形已同锯齿波不一样了,发出的声音也不一样了。但是唯一的不同是你修剪了锯齿波中的谐波。换句话说,你已经用滤波器“减去”了谐波,因此创造出新的声音效果。

声音合成的秘密『2』(打击乐的物理模型)

在第一章中解释了真实乐器音色在“减少”谐波模式下发声的原理,这可以通过正弦波、锯齿波、方波或脉冲波形等完成。现在,我们将着重讲解如何来模仿无音调的打击类乐器。

3楼


上一章我们提出这样的问题——“什么是谐波,它们是怎么来的?”然后我们通过诸如声音可以分解,可以构建及其组成部分进行了解答,并使用一根震动的细绳打了个比方来解释谐波震荡器,也从贝司到吉他大致描述了基本的属性。

以上我们所讨论的属性只适用于乐音谐波发生器,如吹管相关风琴,木管乐器和铜管乐器家族等。因而,我们可以使用一定数量的简单谐波来模仿(或者说是合成)许多“真实”乐器。例如,一个锯齿波可以提供交响铜管和弦乐部分,一个方波可以提供合成木管乐器如竖笛、单簧管音色等,而厚实音色特点的脉冲波形(pulse waves)可提供诸如双簧管和巴松的音色。
 


除了交响乐器音色外,你还可以用同样的波形来模仿或合成现代乐器的音色。锯齿波和脉冲调制波的组合可以提供非常精确的贝司吉他音色,适当修改,锯齿波可以产生通过效果器才可以得到的吉他音色如lead guitar等。当然,你必须懂得如何使其象吉他音色一样,但这是另外的话题了。但是很重要的一个关键点是:一台仅三个波形的合成器可以让你来模仿在1898年的威尼斯Oom-Pah 冠军杯比赛中被发现的,在交响音乐中发现的,在摇滚音乐中发现的相关音色。

但是还有另外一个重要的不适用简单谐波形式的乐器震荡器分类。这些“无谐波”震荡器同它们的“有谐波”震荡器堂兄一样重要。如鼓、timpani和其它许多乐器种类,它们现在都被用于西洋音乐中。那么这些乐器种类有什么不同呢,我们又如何用减法合成来模仿这些乐器呢?

一个“复合围度”的问题

考虑一下我们上一章中所讨论的拉伸状态细绳。忽略它的直径与组成材质部分(如可谐振的木器和金属因素),及另其它一些属性如密度和紧度,这就是一围的……它只有长度因素。管状物体(pipe)也同样类似。这些讨厌的因素明显得产生影响,但是再次重申,独有的最重要的围度是长度。 

现在让我们画一个圆形的每个点都一样紧张度的膜状乐器波形(鼓的表面都是膜状的哦,可能这样解释不太合适),围绕圈内的每一个点都是“固化”的状态。这通常被称为鼓组乐器波形状态,它是另外不同种类的震荡器。再次声明,我们可忽略那些组成材质,而只考虑声音震荡器本身相关的部分。

在膜状物体和拉伸细绳之间最为重要的不同点是很容易理解的:不同于细绳的是,鼓组乐器有两个围度——它是一个平面而不是线状物体。因此,你或许会猜测鼓组难以激发(如敲击,扯动等)。但由震荡器支配的物理围度数量是乐器化的,这决定了它的声学特性。
 


敲击鼓类

让我们这样认为鼓组乐器:一个圆形的固定的鼓面状态。象上一章所描述的细绳一样,它也是终端(象绳子中的两端)固定的,确切地说,它是被固定于圆圈内的任一点。同样的,鼓组乐器震动的点不能自由地移动,因为它是被“固定”的。 

现在假设你在鼓的中间敲击。你可以认为它是单一上下移动的状态,就象振动弦状物体的原理一样(那么你又明白了一次!)。从这方面来说,圆形膜状物的基本频率是同震动弦状物体类似的(请看图2)。但这被称为膜状w01模式。

(在这点上你可以放心得吸口气了,不象上一章,不会让你卷入数学之类的原则。你不必顾虑这些,这是因为膜状振动的方程式跟天体物理学相关……奶奶的!)但是——

第二个谐波类似;同样地看一下第三个谐波。若你还记得上一章的内容的话,你会回忆起那个三倍于基频的通过将手指放于弦状物体三分之一处来产生的方法。但是如果你也用同样方法来在鼓组乐器上做的话,那你放错地方了!取代弦状物体“零点”整数原则关系的是叫“Bassel功能”的讨厌的方程式。它告诉我们第一个零点是中心距离边缘42.6%的地方。若按这种方法(w02模式)计算,刚才鼓组乐器振动的频率2.296倍于基频。所以,在某种情况下当弦状物体产生很奇怪的泛音时,鼓组乐器却是正常的现象,他们的音乐属性很是不同(请看图3)。

4楼




那么继续进行……对弦状物体“奇怪”的谐波——它是五等分的状态,震荡器也是恰好五倍于基频。但鼓组乐器相对应的状态(w03 mode)在中心距边缘27.8%和63.8%的地方才具有零点,它振荡出3.6倍于基频的频率(图4)。
 


不要搞得如此复杂,简单地说,鼓组乐器的振荡只要你不在中心敲击便是完全不同的方式(在真实世界里,它总是如此)。图5显示了一小部分这些其它的模式及它们与基频的关系。

就象振动的弦状物体一样,鼓组乐器也是通过同时合成不同震荡模式的同样原理来激发的。不幸的是,它们必须具备不同的振幅,并且所有的衰减(decay)必须保持同一速率。这使得鼓组乐器的音色相当复杂而且——这里还有一个重要的事情——你不可能拿它和使用简单谐波震荡器产生的波形种类相比。

为了将此解释得更为清晰,让我们看一下锯齿波的第四个谐波的位置,将它们同鼓面不多的第一个谐波相比(请看图6)。正如你所看到的,鼓组乐器产生更多的谐波,而且是参差不齐地排列着,不象由简单谐波震荡器产生的规则的泛音。这使得声音很是麻烦,阻碍我们分析简单的音调。实际上,如果你仔细看这些谐波的话,你会发现鼓组乐器的泛音数量变的越来越多,间隔也变的越来越靠近。如果我们为鼓组画一个同6(b)一样的图表,也就是说,在100Hz到20kHz时,可把它看成不可分割的谐波串丛(可听的音域范围)。
 

如果这已经开始让你“退缩”,你便不必进一步考虑这些现实世界中存在的复杂现象了。如不管你多么仔细地调节它,鼓组乐器始终都会有通过表面的有一定紧张度的轻微振动,所以模式便会被一定程度扭曲,不可能会被计算出。每一个鼓手都知道,当你使劲敲击鼓面时,它的音调会升高。这意味着那个基频同膜面的状态有关。完了完了,我要死了……

我的建议是:不要甚至不要考虑模仿那些乍一看如同鼓面一样简单的东东产生的声音。研究机构已经化了数十年的时间来创造膜面振动的巨大的模仿物件模式,就象你所知道的,数量较少的使用此类技术的基于DSP产品仍然与“真实”物体有很大差别。所以要超越70年代风格的模拟模拟合成器还是需要一定时间的?奇怪的是,不……

合成所不能合成的

让我们认为鼓的音色是一个模拟合成的概念。若我们要产生令人信服的模拟效果,我们需要紧密的如上所述的频率串丛,并且要确保它们同传统的谐波相关感觉不一样。幸运的是,大多数合成器具有类似的模块。一个完美的“noise generator”可以同时产生所有的音频频率,这已同通过传统波形方法不可获得的许多模拟鼓音色很接近了(图7)。实际上,过滤过的噪音是90年代大多流行打击音色的基础——Roland CR78, CR5000, TR808 和TR909的部分全部是以此功能来创造的音色。
 


但是其他不是以同样方式拉伸鼓面滴打击乐器又如何呢?实际上——包括cymbals和gongs——都同鼓很类似。当然它们是很硬的东东,而且它们不是固定于边缘,所以它们以各种不同方式来振动。但是它们的基本数学原理是相同的。即使是bells类(认为是3围的因为还有音量发生)也很好地被二围震荡器描述,因为本质上,是弯曲的薄片而已。

不幸的是,鼓组乐器和金属打击乐器之间物理性质的不同意味着你不能使用“噪音发生器”来搞出令人信服的bells和gongs。因此,诸如Minimoog这类的基本合成器是不善于此道的(图7)。但是如果你将对应薄片音色看为象ARP Odyssey或者是ARP 2600t那样的更为复杂的合成器,你会找到一些“金属”类的声音。这是因为它们都具有响铃模拟器(ring modulator)——一个产生紧密无谐波具备金属特性泛音的电路。通过适当的选定滤波器和波封器,这些都可提供令人吃惊的模仿,再次声明,这已经超出简单谐波震荡器的能力范围了。
所以……通过一些传统的波形震荡器,一个噪音发生器和一个震铃调制器,我们可以再次创造几乎所有可以在真实世界中发现的乐器(我的意思是非电子的乐器)。下一章,我们开始看一下这些相关的东东,并指出如何利用简单的减法合成器来创造它们。

5楼

 

声音合成的秘密『3』(信号,修改器和控制器)

让我们继续讨论谐波声音内容部分,来解释它们如何跟随时间做改变,以及减法合成相关进度的部分。

如果你已经坚持了两节课,那么你便会了解自然产生的声音是由复杂的谐波结构组成的,因而便导出了制造声音的一些方法。但是在录制打击乐时,不论你如何演奏及录制,或许总是同弦乐、管乐和其他传统乐器有不同的显著的音色。那么这些知识就不足于使你理解及使用合成器来创造所谓“人造”的音色了;你还需了解那些能够塑造你所听到声音的控制器及修改器。这么看吧……如果你能够仅仅用由全部谐波组成来定义音色的话,制造商就不会花如此之多代价将所有那些“不必要”的滤波器和波封器放在他们的产品上了。那么让我们继续进行下去,来挖掘一下如何能够把合成算法震荡器音色修整得更为“音乐化”。

修改一个音色

没有能够仅仅由谐波频谱来定义的音色,即使是听起来音色及音量比较连贯感觉的声音。在声音开始的时候肯定有一个起音,在声音结束的时候肯定会有一个衰减音。这个原则可用于某种方式的声音音量大小调节。

忽略起音和衰减音,这就是固定(或不变)音色,但它们总是不那么“音乐化”,使人能够产生兴趣。既然自然所发生的声音都没有明显时间特征上的“固定”,那么在你使用信号发生器的时候才可能遇到它们(例如那些模拟合成器中的东东),你可以这样认为,这些信号发生器产生音调,输出波动电压,然后经过放大器,再通向扬声器,将电压信号转变成你可听到的声音信号(图1)。

让我们尝试将此方法变得更为容易理解。假设图1中的放大器是你家中使用的hi-fi功放器,那样的话——尽管音色发生器产生信号——若音量旋钮打到逆时针末端,你就听不到任何声音了。同样假设你在声音播放时沿顺时针方向慢慢打开,则音量逐渐变大,再逆时针,又会回到静音的状态。
 

如图2所示,你会看到已经加上了一个控制器(操控旋钮),可以控制放大器以修改音频信号。但是通过次次的旋转旋钮来得到非静态的声音实在是没有感觉,不仅结果很难产生,在使用音调发生器来制造传统音色时也有点太不合适宜。所以你需要一个在每次使用时均能精确控制,并可发生作用的控制器来取代你的手指操控。这就是我们所说的电压控制的重要概念。

假设图2中的控制器产生另一某种形式的波形电压——称为控制电压(Control Voltage),或者是CV。不必担心难以理解,以下是它如何发生的原理:对每一个给定的应用于放大器控制输入的电压,放大器再将一个定义过的增益加到信号中去。这样也就不难理解电压控制放大器了(Voltage Controlled Amplifier或VCA),现在让我们看看你可使用哪些来产生这些CVs。
 

波封

让我们回到使用hi-fi功放前部面板音量旋钮来修改声音的想法。这么说吧,如果旋钮逆时针打到最底,适用电压为零伏,放大器的增益为零。换句话说,没有声音啦。在另一个极端,如果旋钮顺时针打到最底,电压为10V,增益为最大——声音音量也最大。然后你可以设想用旋钮来控制电压产生音量控制效果。例如,CV可以从0 Volts开始升到10V,5V drop,在回到0V前停顿一会等。这些属性显示在图3中了。
 

正如你所看到的,CV的轮廓同音量轮廓是一致的。换句话说,你已经使用CV给定任何时间点的音量。图三所示的形状被称为波封,那么能够用来控制放大器的装置之一无疑便被称为波封发生器。波封发生器的形式可以简单也可以复杂,但是(如果不是本身被其它信号作某种修改的话)它们都具备同一性质:每次启动都会提供连贯的轮廓曲线,时间及对应的电压都是连续的。

最出名的,使用最广泛的时间最长的波封发生器就是ADSRs了。取名于 Attack/Decay/Sustain/Release的每个词头,这个名字代表了EG的四个时段。其中的三个-- Attack, Decay和Release——是时间的尺度,而第四个——Sustain——则是电压电平。(请看图4)。ADSR从某种意义上说是“天才般”的方法,除了简单有效性外,它还提供了许多自然乐器所发声音的近似轮廓曲线。

6楼

 

例如,假设由管风琴,伸缩喇叭和打雷声产生的三种声音。现在则可将这些乐器音量轮廓为A, D, S 和R 四个时段。记住:

起音(Attack)时间决定声音达到最大音量的速度。

衰减(Decay)时间决定音量跌落至……的速度。

延时(Sustain)电平,音量电平一直保持直到……

释放(Release)音量维持到衰减点的速度。

风琴有一个速度很快的起音,并保持全音量直到跌落至静音。因此它的音量轮廓曲线更象长方形。实际上,只要是类似于此种曲线的波封经常被成为“风琴波封”,即使是同风琴没有关系的之外也是如此。

作为对比,伸缩喇叭则更为迟缓,它的音量最高点通常在起音的结束处,在跌到更低地平缓的延时电平之前。当演奏者停止吹奏,声音快速落到静音。

同以上均不同的是,雷击声的音量发展很慢,没有衰减和延时的时期;一旦过了顶峰后,音量就快速落回原初。

不管你在合成器中如何调设波封的参数,它其实只是取代了图2中的控制器的概念而已。若你想更为理想地设置音色,还需要一些其它的概念。
 


低频震荡器和震音器(Tremolo)

让我们回忆一下第一章中所描述的震荡器相关概念。你会记起每一个音色都具备一个基频,是由最简单模式的震荡变化产生的。如果这个基频大致属于20Hz到20kHz的范围内的话,你便可以听见此类声音。

现在再次着重一下hi-fi功放器和音量旋钮的概念。如果你从一侧到另一侧一次或两次地摇摆的话,你会创造一个周期性的新的声音效果:这就是震音器(tremolo)。本质上,你是将震荡器应用于 那个hi-fi的音量调节。若让这种震荡器的频率低于20Hz的话,将产生更具音乐化的效果。

那么伴随而来的就是专用于大多数合成器上的低频震荡器(Low-Frequency Oscillators (LFOs))——产生低频信号来控制许多合成器的其它功能。在大多数情况下,LFO(s)产生的频率范围是 0.1Hz 和20Hz之间。这些对于产生相关简单声音效果还是很有用的,正如你在图7中所看到的, 震音器(tremolo)将图2显示的例子的设置得更为精确:在这种情况下是控制功放增益较多。

图7可能对读者来说最为不举足轻重,它列举了三种不同类型的现在合成器上都有的module。

•音调发生器是信号创造源--产生基本音频音调;

•电压控制放大器是修改器的一个例子——它以某种方式修改音频;

•LFO正弦波发生器扮演控制器的感念——它直接由本身做信号修改行为。

但是这个例子具备一定的简单性,你可以用这些结构来产生非常复杂的音色。你只需要在设置中修改一下细节……
 

 

 


大多数不错的合成器上的LFOs通常都可以产生更高频率的震荡,进一步说,这些LFOs可以提供更广的波形范围。但是如果您可以通过一个音频LFO开调制信号,为什么不可以用其他音调发生器来做同样的事情呢?结果是肯定的,没有理由不能如此,图8中的结构将使你创造上面所说的更为复杂的声音。

...关键点是 ...?

此篇文章包含三个主要的概念:控制电压(Control Voltages),波封发生器( Envelope Generators),低频震荡器(Low Frequency Oscillators)。但这不是要学的最为重要的课程。

再次看一下本文中所列的图表。每一个音频信号都由水平与垂直参数表示。我喜欢这样打比方:(i)你所听到的信号; (ii)控制你所听到的信号的信号。这样就容易理解了不是吗?但是从另外一方面来说,你必须以电压形式来理解,因为信号本质没有区别,都是电压。因此,许多合成模块即可以做信号发生器,又可以做控制器,修改器,依赖于它们在声音触发结构中所处的位置及使用的层次。

换句话说:一个模拟合成器系统使用波动电压来代表音频信号,再使用其它的波动电压来修整这些信号。但是这个不是那个重要的信号来源,而是决定信号来源如何展示自己最美丽一面的时装。呵呵-——又打了个比方。

7楼


这就是所有它们其中的最重要的合成秘密!!!!!


声音合成的秘密『4』(滤波器和相位关系)

上一节课我们讲了波封、振荡器和低频振荡器的概念,这一节课来讲一下滤波器这个主题,看看它们是如何来影响信号的。

那么到现在,关于振荡器、波封发生器、VCAs和LFOs的概念应该消化得差不多了。或许现在你会想,该是开始谈谈减法合成的滤波器的时候了吧——是的……但又不是——如果你希望谈到诸如“调整共鸣到11,调整24dB/octave VCF以发出经典模拟音色”的话,那么你就会失望了。 

如果你确实想知道为什么过滤过的音色会如此优秀而其它却不尽人意的话,你需要了解更多此类的知识。不幸的是,滤波器是任何合成器中最被误解的部分,这是错误的说法——不管是模拟还是数字——它都不会被削弱地位……它总是包含于你的信号中。

若想知道当信号通过滤波器时都发生了些什么问题的话,我们必须先了解一下相位关系这个概念。那么先来看一下第一章中所述的正弦波这个东东。
 

相位

考虑一下若两个正弦波简单叠加会发生什么现象。叠加两个完全相同的正弦波音色相同但是音量变大(图一)。但如果你将其中一波拖动半个周期,即一个正弦波的高端对应另一正弦波的低端时,若两者叠加——分开声音是一样的,合并则是静音(图二)。

这是一个重要的结果,这证明通过指定频率和振幅可定义一个正弦波,当你混合两个或更多波形的时候你必须考虑到它们的offset关系。这个“offset”通常被称为一个波形相对其它波形的“声相”,表述为度数,就象表述“角”的度数一样。

当然,你可以以任何“offset”形式来混合波形(我的意思是任何不同的相位),结果于是有时为音量最大,有时为静音(如果你是在立体声而非单声道中混合的话,播放出来的音量或许与原来非常地不一样。但那是另外一个话题了,在这里不作深入探讨)。

若波形频率为100Hz,或依旧沿用术语来说是每秒振动100个周期。那么每个周期所花的时间就是0.01秒,半个周期的“offset”(用度数表示为180o)同时间上的0.005秒是意义相同的,或者说是千分之五秒。图三可以帮助你理解得更为透彻。

现在假设有一对比上面所说的波形频率高一倍的波形。即200Hz,那么千分之五秒的时间来完成一个周期是绰绰有余了。在这个例子中,正如图四所表示的可以将波形叠加延长0.005秒。这是因为通过360o(一个周期)的相位叠加完美地将它们合而为一。
 


OK,让我们作一下深呼吸,将此原理应用于更复杂的波形——如锯齿波。如果你还记得第一章中所说的内容的话,锯齿波具有已存的每一个谐波,如果基音为100Hz的话,第二个就是200Hz,第三个是300Hz……以此类推。若进行180度的两个锯齿波叠加的话,基音被消除,但是第二个谐波便会被叠加,第三个则被消除,第四个又被叠加……以此类推。结果就是具备200Hz, 400Hz, 600Hz……的波形。实际上这是一个具备同样振幅但是却两倍于原波形频率的锯齿波。

这是一个令人震惊的结果,如此奇特却又如此易理解。所以本篇文章的超级第一秘密是:混合所谓复杂的信号并不会全部对消!

其实这还只是一个简单的例子。当你把这个方法用于更复杂的波形时:有些谐波音量变低,有些变大,有些被对消,有些又完美叠加。当然在真实世界里也是如此。傅立叶分析(再次回到第一章,切记不要忘记)告诉我们任意两个复杂信号——如语音或者是音乐——都可以被存在于信号中的无限数量的正弦波描述。所以,对任意给定的两个不尽相同的信号来说,每一个频率都会某种程度地改变相位。在频谱分析仪中,结果看起来象一个较宽的梳子一样(图五)。
 

换句话说,混合两个不尽相同的信号offset,各自独立的频率定义了一个滤波器。因为它的特殊形状而被称为梳状滤波器,你可以在不同的合成器如RS Integrator(一个传统的模块模拟合成系统)和基于DSP的合成器Waldorf Q上找到这个例子。

8楼


定相和过滤

OK,那么现在你知道了关于相位的一些知识,你会发现你会联想到音频滤波。但是现在这样问自己:如果相位可以导致滤波,那么滤波可以不可以导致相位改变呢?答案是肯定的。

看一下图六中的电路图。只包含两个内容——一个电阻和一个电容——但是描述了一下RC低通滤波器。任何初学的合成器演奏者都知道,低通滤波器允许任何低于“cutoff”的频率通过而削弱高于其上的频率。cutoff频率被定义为一定的值数,而电路本身的性质也定义高端频率被削弱的比率。

不过在这里我们并不仔细研究这个削弱比率——下一章再具体解释。我们要来看一下滤波器是如何影响信号的相位的。

看一下图七。此处描述了简单LPF的“相位反应”的属性,它表明任意给定的滤波器输入中存在的频率的相位都会被转变到更大或更小的程度。正如你所看到的那样,低频信号部分没有受到较大的影响,cutoff点的频率部分恰好经过一个周期的八分之一变化(或 -45o),高频部分经过了-90o的转变。

记得第一章里的合成秘密吗,你会记起能够以一定数量的谐波来组成任何常见的波形,即基音和泛音。此处我们的输入信号(方波)具有100Hz的基频。第二个谐波200Hz的那个不含在内,第三个谐波300Hz的那个具备基频的三倍振幅。以此类推。如图八所示。
 


现在假设我们的RC滤波器设定的cutoff频率为400Hz,若相位反应对任何频率为零的话方波会发生什么变化呢?其实很简单:基频和第一个泛音(100Hz和300Hz)不会被削弱,但是所有500Hz及以上的泛音都会根据滤波响应而被削弱的。如图九所示。

但现在让我们来看一下加于每一个信号谐波的相位变换。现在我们得到了很不相同的波形,从滤波器中实际的输出同原来的相比很明显得被扭曲了。

这导致这篇文章里最重要的合成秘密:

滤波器不仅通过削弱改变波形,而且通过单独谐波相位转换使波形失真。

声音合成的秘密『5』(滤波器深入探讨I)

继续进行减法合成理论系列,深挖模拟音频滤波器的迷人复杂世界。

上一课,我们谈到了滤波器,举例说明它们的相位变换实质,因而引入混合音频信号的不止一种的方法。但是我们跳过了这个系统的很重要的一个因素 :它们通过移除频谱的部分来创造新的音色的能力。如果你认为你那很容易,或者你已经掌握了一些关于滤波器削减信号的方法,那么你错了。让我们继续吧,但同时也要抛开所谓的神秘感……

消极滤波器

图一显示了上回介绍的消极低通RC滤波器(顺便说一下,可以认为消极组成除了作为信号输入的部分外没有任何能量输入——所以电阻、电容和感应器是消极组成部分的例子,而晶体管和放大器不是)。如果你看过上一章的内容的话,你会记起通过为那两个消极组成选择适当的值来决定cutoff的频率。很好——这告诉我们在这方面对于可听的频谱滤波器是可以发生作用的,但是并没告诉我们效果所能达到的程度。
 


滤波器输入和滤波器输出的关系称为转换功能,严格地讲,这包含振幅反应(意思是音量效果)和滤波器相位反应。但是既然上次我们讨论了相位变换的因素,那么这次就得考虑一振幅反应的问题。RC滤波器理想的转换功能很简单:对于高过cutoff频率的每个两倍进度,对应增益也为半分进度(图二)。
 


例如,若Fc为1kHz,增益在2kHz时为1/2 (半分),4kHz时为1/4 ……以此类推。因为每一个两倍进度频率就增了一个八度,而连续的增益则半分表现为6分贝,这种反应通常称为6dB/八度滤波器。
 


不幸的是图二其实是错误的。图三才显示了更为正确的转换功能。正如你所看到的,振幅信号在cutoff点已经下降了3dB。这并不是个错误。实际上的情况是,在cutoff点已经下降了3dB。3dB是很容易被人耳所察觉的,这意味着你已经很明显地影响了cutoff点频率的信号。
 


现在,让我们回到话题,考虑一下简单的低通滤波器都对一般的波形做了些什么。为了简化形式,我们将采用理性低通反应模型来阐述。图四最一般的模拟合成器波形的谐波结构:锯齿波。所有的谐波皆显示于此信号中,它们的基频相关振幅由简单的关系一定义/(谐波数量)。然而图四远远不是代表这些谐波的最好方式。最好的方式图五所示的对数形式图象。这看起来很是不同,但它代表了恰当的信息,那么请不要担心不知道对数是个什么东东。进一步讲,这就是我为什么选择这个图示的原因,即使你不知道什么是对数关系:不象图四,振幅关系现在为一条直线,这样可在接下来的图象里使观察滤波器效果更为简单。若你回头看一下图二和图三,它们其实也是对数关系。
 


运用滤波器

那么来看一下一个6dB/八度 RC滤波器(cutoff频率为3kHz)都对谐波及100Hz的锯齿波做了些什么。图六显示了滤波器削弱3kHz以上频率的方式。现在看一下图7和图8,你会看到第一个图象(显示了所谓理想100Hz锯齿波,所有20kHz以上削弱),而第二个显示了经3kHz滤波器处理的同样的信号。并没有多大区别吗?这是因为3kHz cutoff频率允许前30个谐波通过,而只有低幅高频谐波被有所影响尽管如此,人耳的敏感性也可以让你听出它们的不同来。
 


倾斜曲线

带有6dB/八度特性的滤波器被用于立体声系统的音调控制,也偶尔用于合成器的亮度补充控制,但是不太经常用于真实的合成器系统。这是因为波形变化不大音调效果还不够明显——除了有点“钝”的感觉。很明显需要另一个很牛的滤波器来创造新的音色。
 


那么消极滤波器可以让我们来创造简单的电路来进行更强大的12dB/octave, 18dB/octave甚至是 24dB/octave削弱吗?不幸的是,不可能——那么就该换一个方法了。例如,两个滤波器可以被一块用为创造12dB/octave滤波器,三个用来18dB/octave,四个用来24dB/octave。图9中的四因素滤波器就象是理想的电路了,你会希望它的理想转换功能看起来就象是图10一样。
 


然而事情不是想象得那么简单。这个消极RC滤波器需要某种关于输入和输出的假设:一旦满足假设,我们就可并联进行了。但是……

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第 27卷第4期 2008年4月 
数学教学研究 
47 
关于问题的数学模型及研究进展 
郭芳承 
西北师范大学 数学与信息科学学院,甘肃 兰州 730070 
摘 要:本文简要介绍物理背景下问题的数学模型,并主要从方法和结果两方面总结该模型的 
最新研究进展. 
关键词:问题;Laplace算子;第一特征值;梯度估计 
中图分类号:O186.12 
1 问题 
1964年,Kac M 以“能否的形状 ”为题的 
文章[1]提出了著名的问题:被敲响,一个具 
有敏锐听力的人,即能辨别出所有具有特定频率振 
动的人,他能否的形状? 
具体地说,设有一张由特定材料制成的薄膜n, 
固定在一光滑边界a 上(相当于 R2中一个有界区 
域),膜上的点随时间做振动,其位移向量记为F(x, 
,})一F( ,}),文[1]指出该位移向量应满足波方程 
一c F,其中c是与膜的材料等有关的常数, 
可通过适当选择使c=1.物理学中关心的是它形如 
F(p,})一U(})eka的解,它代表被敲击时由于振动 
所产生的一个纯音调,代人波方程得, U+ U一 
0.由于边界固定,故当点趋于边界时,U=O.对该方 
程,存在一趋于+o。的特征值序列 O< 1< z≤ ≤ 
和对应的特征函数 ,满足 △ + 
一O.且在 
边界 a 上 ;O. 
于是,问题就转化为一个数学问题:设n , 
是R2中两个区域,若对应特征值全部相等,则 
n , 是否全等?其中 称为基本音调,在该问题 
的讨论中起着至关重要的作用,对它的估计便成为 
几何物理中一个热门话题. 
2 数学模型 
问题的物理背景,其相应的数学模型便 
是计算黎曼流形上 Laplace算子的各阶特征值.然 
而,研究经验表明,在绝大多数情形下,要得到具体 
的特征值表达式几乎是不可能的.最贴近原始问题 
的一种可行的研究策略便是估计各阶特征值的上界 
和下界. 
设(M,g)是 维紧致(带边)黎曼流形,在局部 
坐标系( ,… , )下,Laplace算子表达为 
△ 喜 a /uvf - a), 
其中 是度量系数,( )=(go)- ,g=det(go).对 
M上的光滑函数 ,令II 
JM +JM I I , 
则光滑函数空间 ( 及具有紧致支撑集的光滑 
函数空间C (^D相对于模 l】・ 而言的完备化空 
间分别记为 (^D和扁 (^D. 
1)当aM= ,△是作用在 硒 ( 上的椭圆型自 
共轭算子,据自共轭算子谱理论,它有离散谱;O< 
≤ z≤… ,相应特征函数记为 办,△ =一 
当边 
界不空时,在以下两种边界条件下,可保证 △的自轭 
性,即保证其谱的离散性. 
2)Dirichlet边界:条件 △ =-2, , I
 一O, 
其中 △作用在函数空间扁 ( 上,它有离散谱 O< 
2,1≤ z≤… ,对应特征函数为 矗. 
3)NeufI1aru1边界条件:△ 一一 声 , l 一 
O,其中 △作用在函数空间 ( 上,它有离散谱: 
O一 < 1≤ 2≤… ,对应特征函数为 
以上特征函数 }组成了其所在空间的一组单 
位正交基. 
3 第一特征值估计的研究进展 
作者简介t郭芳承(1983-),男,甘肃庆阳人,在读硕士研究生.主要研究方向为几何分析 
收稿日期:2008—02—19 
48 
数学教学研究 
第 27卷第4期 2008年4月 
3.1 Al的上界估计 
的上界估计一般较易达到,这一方面的主要 
工作是Cheng特征值比较定理.首先,在某一曲率假 
设下,用空间形中测地球的特征值,来控制流形中等 
半径测地球的特征值上界,再得出空间形中测地球 
的特征值上界,进而得出所需结果,具体做法参见 
E21.此外,也有外在的做法,即将流形嵌入到某一特 
定空间形(如 , 或IrI)中,用流形的体积,外围空 
间的曲率,子流形的平均曲率,甚至高阶平均曲率等 
给出 的上界,具体做法参见[3]. 
3.2 A 的下界估计 
由于第一特征值表示基本音调,故上述三类问 
题中,关于第一特征值的估计,是最基本也是最重要 
的,换句话说,就是期望能用流形本身的一些诸如曲 
率、直径、体积、内射半径、平均曲率,等周常数等几 
何量,给出 的一个上界或下界.第一个重要工作 
是A.Lichnerowicz于 1958年建立的如下结果(参见 
[4]). 
定理(Lichnerowicz) 设M是 维紧致闭黎曼 
流形,且 Ricci曲率 Ric(  ≥ ( 一1)k>0.则 l≥ 
忌. 
随后,Obata[5]补充证明了当 l=nk时,M必 
等距于常曲率为k的”维球面s.I. 
对紧致带边流形,Cheeger定义其等周常数b 
( 一inf{ InccM},并对Dirich1et边界 
条件问题证明了  ≥÷ 确(M). 
估计 的另一套有效方法是 Li—Yau[6]建立 
和发展起来的特征函数的梯度估计方法.利用这一 
方法得到的经典结果如下: 
定理(u—Yau) 设M是 维紧致黎曼流形. 
1)当aM— ,Ric(M)≥0.则 1≥ ,其中d 
为M 的直径. 
2)当aM= ,Ric(  ≥ 一( 一1)k,忌≥0.贝0 1 
≥  
的常数. 
, 其中C为与 有关 
3)当SM=/=O,且aM为凸(即c3M的第二基本型 
为正),Ric(M) ̄0.则对 Neumann边界条件而言, 1 
≥磊,其中 为M…P匪" 
受这一结果启发,P.Li曾猜想, 的最佳下界 
估计为 ≥(,z一1)k+- ̄-.在此猜想的推动下,钟家 
庆与杨洪苍Ev]对Li-Yau的方法做了改进,引进了 
闸函数,使梯度估计更加精细,从而改进了Li-Yau 
的结果.特别是,杨大刚[8]给出了关于 Li猜想一 
个很接近的结果: 
定理(Yang) 1)设M是 维紧致闭黎曼流形, 
且Ric(M)≥ ( 一1)k ̄ O,d为直径.则 1≥ + 
{( 一1)k. 
2)当aM弱凸(沿外法向量第二基本型非负),则第 
正 
特征值满足: ≥ +{( 一1)k. 
3)若沿外法向量平均 曲率非负,则第一正 
Dirichlet特征值满足: ≥{(芳+( 一1)忌),其中 
r为M的内接半径. 
此外,徐森林E9]用文ElO]中得到的变分公式, 
给出了如下更进一步的结果: 
定理(Xu) 设 M 是 维紧致黎曼流形,且 
Ric(M)≥ 一(n-1)k,忌≥ 0,d为直径.则 l≥ 一 
专( 一1)k. 
结果已与P.Li的猜想十分接近,但猜想仍未完 
全解决. 
3.3 高阶特征值下界估计 
问题中,高阶特征值对应于的较高频率 
的振动,对它的估计也具有重要意义.设n是R 中 
的有界区域,对于其上 Dirichlet边界条件的特征值 
问题,1911年 H.Weyl用热核的方法首先证明了如 
下的渐近公式 
 
|_ 忌告,k--- ̄oo, 
~ 而 
’  ’ 
其中, 是R’中单位球的体积.在此基础上,Polya 
提出了著名猜想;对任意k, 
≥  
・ 
关于该猜想的最新进展是Li-Yau的如下结果:对 
任意k, 
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数学教学研究 
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(上接第 46页) 
例7 (2006年全国卷 Ⅱ第 17题)已知向量n= 
(sin 0,1),6=(1,cos ),一詈< 吾. 
(I)若aJ_b,求 ; 
(Ⅱ)求ln+bl的最大值. 
解 (I)若aJ_b,则sin +cos 0=0,由此得 
tan 0=-1(一号< 号),11]0=-号. 
(Ⅱ)由n一(sin 0,1),6=(1,COS )得 
0a+bl一  ̄/—(sin 0+1)z+—(1+cos O)z 
/—3—
+—2—(—
si—
n—O—+—c—o—
s—O) 
√3+2 sin( +号). 
当sin(O+4)=1时,ln+6l取得最大值,即当 
手时,Ia+bl最大值为 +1. 
例8 (2007年全国卷 Ⅱ第 17题)在AABC中, 
已知内角A=7/3,边长 BC=2 .设内角 B=x,周 
长为 
(I)求函数 
( )的解析式和定义域; 
(Ⅱ)求Y的最大值. 
解 (I)AABC的内角和A+B+C一Ⅱ,由A 
=7/3,B>0,C>O,得 O<B<2Ⅱ/3. 
应用正弦定理,知 
AC- BC
sln ./4 
sinB一 -si n(7/3 sinz一 4sinz, 
) 
AB= sin C=4sin(警一z). 
因为y=AB+BC+AC,所以 
=4sin z+4s.m(警一z)+2 (0 K警). 
(Ⅱ) 一4(sinz J gc。sz卞, 1 sinz)+2 
蛎s-m(z+詈)+ (詈 +詈<詈). 
当z+詈一号,即z 号时, 取得最大值. 
(收稿 日期 12007—1】一13) 
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