减法合成：修订间差异
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| ⚫ | '''减法合成'''是一种利用滤波器“减去”有大量谐波的原始信号中部分谐波来创造音色的[[合成器|声音合成]]方法，由于早期模拟合成器几乎均使用减法合成，因此有时利用模拟电路进行的减法合成也直接被称作'''模拟合成'''。减法合成是1930年代以来被电子合成器广泛采用的合成技术<ref>{{Cite journal |last=Valimaki |first=Vesa |last2=Huovilainen |first2=Antti |date=2007-03 |title=Antialiasing Oscillators in Subtractive Synthesis |url=https://ieeexplore.ieee.org/document/4117934/ |journal=IEEE Signal Processing Magazine |volume=24 |issue=2 |doi=10.1109/MSP.2007.323276 |issn=1558-0792}}</ref>，也是目前最主要的合成技术之一<ref>{{Cite web|last=Corporation|first=Roland|title=Roland - A Beginner’s Guide To Subtractive Synthesis|url=https://www.roland.com/uk/blog/guide-to-subtractive-synthesis/|access-date=2023-07-22|website=Roland}}</ref>。许多数字合成器、[[数仿模拟合成器|虚拟模拟]]合成器和[[軟體樂器|软件]]合成器都在或独立，或与其他方法结合地使用减法合成。 <ref>{{Cite book|last=Collins|first=Karen|title=Game Sound: An Introduction to the History, Theory, and Practice of Video Game Music and Sound Design|publisher=MIT Press|isbn=9780262033787|page=10|url=https://books.google.com/books?id=gnw0Zb4St-wC&pg=PA10|language=en}}</ref> |
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| ⚫ | '''减法合成'''是一种利用滤波器“减去”有大量谐波的原始信号中部分谐波来创造音色的[[合成器|声音合成]]方法，由于早期模拟合成器几乎均使用减法合成，因此有时利用模拟电路进行的减法合成也直接被称作'''模拟合成'''。减法合成是1930年代以来被电子合成器广泛采用的合成技术<ref>{{Cite journal |last=Valimaki |first=Vesa |last2=Huovilainen |first2=Antti |date=2007-03 |title=Antialiasing Oscillators in Subtractive Synthesis |url=https://ieeexplore.ieee.org/document/4117934/ |journal=IEEE Signal Processing Magazine |volume=24 |issue=2 |doi=10.1109/MSP.2007.323276 |issn=1558-0792 |access-date=2023-07-22 |archive-date=2022-10-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20221016204549/http://ieeexplore.ieee.org/document/4117934/ |dead-url=no }}</ref>，也是目前最主要的合成技术之一<ref>{{Cite web|last=Corporation|first=Roland|title=Roland - A Beginner’s Guide To Subtractive Synthesis|url=https://www.roland.com/uk/blog/guide-to-subtractive-synthesis/|access-date=2023-07-22|website=Roland|archive-date=2023-07-22|archive-url=https://web.archive.org/web/20230722140216/https://www.roland.com/uk/blog/guide-to-subtractive-synthesis/|dead-url=no}}</ref>。许多数字合成器、[[数仿模拟合成器|虚拟模拟]]合成器和[[軟體樂器|软件]]合成器都在或独立，或与其他方法结合地使用减法合成。 <ref>{{Cite book|last=Collins|first=Karen|title=Game Sound: An Introduction to the History, Theory, and Practice of Video Game Music and Sound Design|publisher=MIT Press|isbn=9780262033787|page=10|url=https://books.google.com/books?id=gnw0Zb4St-wC&pg=PA10|language=en|access-date=2023-07-20|archive-date=2023-10-09|archive-url=https://web.archive.org/web/20231009094439/https://books.google.com/books?id=gnw0Zb4St-wC&pg=PA10|dead-url=no}}</ref> |
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== 概述 == |
== 概述 == |
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在[[傅里叶变换]]的角度，任何复杂的周期性信号都可以被认为是由一组不同的正弦信号组成。具体到声音来说，就是由一组正弦波的[[频率]]和[[振幅]]决定了声音的特性；其中最低的频率一般为[[基本頻率|基频]]，确定了[[音高]]{{efn|1=有例外情况，如心理声学中的“ |
在[[傅里叶变换]]的角度，任何复杂的周期性信号都可以被认为是由一组不同的正弦信号组成。具体到声音来说，就是由一组正弦波的[[頻率 (物理學)|频率]]和[[振幅]]决定了声音的特性；其中最低的频率一般为[[基本頻率|基频]]，确定了[[音高]]{{efn|1=有例外情况，如心理声学中的“[[消失的基頻|消失基频效应]]”}}；而更高频率的正弦波们（称为“[[谐波]]”），则确定了[[音色]]<ref name=":0">{{Cite book |last=Farnell |first=Andy |translator=夏田 |date=2017-06-01 |title=设计声音 |url=https://book.douban.com/subject/27057297/ |publisher=人民邮电出版社 |isbn=9787115447487 |series=音频技术与录音艺术译丛 |accessdate=2023-07-24 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20230724170224/https://book.douban.com/subject/27057297/ |archivedate=2023-07-24 |deadurl=no }}</ref>。 |
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因此，为了得到确定的某个声音，有两种不同的基本思路：从不含谐波的声音开始，逐个谐波地叠加产生所需声音；或者从充满谐波的声音开始，删去不需要的谐波获得所需声音。两条思路分别对应了[[加法合成]]和减法合成{{efn|1=这里的“加法”和“减法”只是对于谐波数量的描述，并不是信号所真实经过的处理，实际上，滤波电路对每个频段的行为接近乘法}}。 |
因此，为了得到确定的某个声音，有两种不同的基本思路：从不含谐波的声音开始，逐个谐波地叠加产生所需声音；或者从充满谐波的声音开始，删去不需要的谐波获得所需声音。两条思路分别对应了[[加法合成]]和减法合成{{efn|1=这里的“加法”和“减法”只是对于谐波数量的描述，并不是信号所真实经过的处理，实际上，滤波电路对每个频段的行为接近乘法（例如，想象某频段先通过滤除60%能量的滤波器，再通过滤除40%能量的滤波器，剩余的能量更接近40%*60%=24%而不是0）}}。 |
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在模拟电路时代，加法合成由于需要振荡器数量极多而不具有实用价值，因而减法合成成为了流行的合成方式。而就现在来看，虽然减法合成无法（像[[FM合成]]、[[加法合成]]那样）创造新的谐波，但其易于理解，容易实现，且不会改变原始信号的音高，因而至今仍有广泛使用。 |
在模拟电路时代，加法合成由于需要振荡器数量极多而不具有实用价值，因而减法合成成为了流行的合成方式。而就现在来看，虽然减法合成无法（像[[FM合成]]、[[加法合成]]那样）创造新的谐波，但其易于理解，容易实现，且不会改变原始信号的音高，因而至今仍有广泛使用。 |
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== 流程 == |
== 流程 == |
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[[File:Synth Diag.svg|thumb|简单的减法合成流程框图 |
[[File:Synth Diag.svg|thumb|简单的减法合成流程框图]] |
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减法合成的流程可以简单概括为：[[电子振荡器|振荡器]]或噪声发生器产生原始的声音“原料”，然后由[[电子滤波器|滤波器]]削弱（“减”掉）不需要的部分频率分量，同时通过带有[[ADSR包络|包络]]的[[放大器電路|放大器模块]]等调节[[音量]]和[[截止頻率|截止频率]]等参数，得到需要的声音。对于这一过程，一个常用的比喻是[[米开朗琪罗]]的名言“要得到[[大衛像|《大卫》雕像]]，只需要将大理石上不属于大卫的部分全部去掉”<ref name=":0" /><ref>{{Cite web|title=减法合成器的工作原理|url=https://support.apple.com/zh-cn/guide/logicpro/lgsife41a22f/mac|access-date=2023-07-23|website=Apple Support|language=zh-CN}}</ref>。 |
减法合成的流程可以简单概括为：[[电子振荡器|振荡器]]或噪声发生器产生原始的声音“原料”，然后由[[电子滤波器|滤波器]]削弱（“减”掉）不需要的部分频率分量，同时通过带有[[ADSR包络|包络]]的[[放大器電路|放大器模块]]等调节[[音量]]和[[截止頻率|截止频率]]等参数，得到需要的声音。对于这一过程，一个常用的比喻是[[米开朗琪罗]]的名言“要得到[[大衛像|《大卫》雕像]]，只需要将大理石上不属于大卫的部分全部去掉”<ref name=":0" /><ref>{{Cite web|title=减法合成器的工作原理|url=https://support.apple.com/zh-cn/guide/logicpro/lgsife41a22f/mac|access-date=2023-07-23|website=Apple Support|language=zh-CN|archive-date=2023-07-21|archive-url=https://web.archive.org/web/20230721083957/https://support.apple.com/zh-cn/guide/logicpro/lgsife41a22f/mac|dead-url=no}}</ref>。 |
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=== 振荡器 === |
=== 振荡器 === |
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作为合成素材的原始波形一般都需要具有丰富的谐波，以下是一些常见的波形<ref>{{Cite web|title=振荡器|url=https://support.apple.com/zh-cn/guide/logicpro/lgsife41898b/mac|access-date=2023-07-21|website=Apple Support|language=zh-CN}}</ref>： |
作为合成素材的原始波形一般都需要具有丰富的谐波，以下是一些常见的波形<ref>{{Cite web|title=振荡器|url=https://support.apple.com/zh-cn/guide/logicpro/lgsife41898b/mac|access-date=2023-07-21|website=Apple Support|language=zh-CN|archive-date=2023-07-21|archive-url=https://web.archive.org/web/20230721144753/https://support.apple.com/zh-cn/guide/logicpro/lgsife41898b/mac|dead-url=no}}</ref>： |
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* [[锯齿波]]，明亮，包含所有整数倍谐波。适于模仿弦乐器、贝斯和铜管乐的声音。 |
* [[锯齿波]]，明亮，包含所有整数倍谐波。适于模仿弦乐器、贝斯和铜管乐的声音。 |
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:[[File:Sine.ogg]] |
:[[File:Sine.ogg]] |
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一些合成器会使用更复杂的波形（如 Synapse Audio DUNE<ref>{{Cite web|last=Software|first=Synapse Audio|title=Synapse Audio Software DUNE 3|url=https://www.synapse-audio.com/|access-date=2023-07-21|website=www.synapse-audio.com|language=en}}</ref>），甚至是[[采样 (音乐)|声音采样]]（如 iZotope Iris<ref>{{Cite web|title=Iris 2—Sample Manipulation Synth|url=https://www.izotope.com/en/products/iris.html|access-date=2023-07-21|website=iZotope|language=en}}</ref>）来作为原始波形，这可以为声音带来更多变化。 |
一些合成器会使用更复杂的波形（如 Synapse Audio DUNE<ref>{{Cite web|last=Software|first=Synapse Audio|title=Synapse Audio Software DUNE 3|url=https://www.synapse-audio.com/|access-date=2023-07-21|website=www.synapse-audio.com|language=en|archive-date=2023-12-01|archive-url=https://web.archive.org/web/20231201231817/https://www.synapse-audio.com/|dead-url=no}}</ref>），甚至是[[采样 (音乐)|声音采样]]（如 iZotope Iris<ref>{{Cite web|title=Iris 2—Sample Manipulation Synth|url=https://www.izotope.com/en/products/iris.html|access-date=2023-07-21|website=iZotope|language=en|archive-date=2023-08-25|archive-url=https://web.archive.org/web/20230825180958/https://www.izotope.com/en/products/iris.html|dead-url=no}}</ref>）来作为原始波形，这可以为声音带来更多变化。 |
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可以用一些方式来调整振荡器产生的声音，例如[[脈衝寬度調變|脉宽调制]]（只用于方波）、多个振荡器的[[环形调制]]、[[频率调制]]、[[幅度调制]]、[[相位调制]]，以及两个振荡器的硬同步（通常简称为同步），虽然这些调制严格来说超出了减法合成的范围，但大部分“减法合成器”都带有其中的一个或多个功能。 |
可以用一些方式来调整振荡器产生的声音，例如[[脈衝寬度調變|脉宽调制]]（只用于方波）、多个振荡器的[[环形调制]]、[[频率调制]]、[[幅度调制]]、[[相位调制]]，以及两个振荡器的硬同步（通常简称为同步），虽然这些调制严格来说超出了减法合成的范围，但大部分“减法合成器”都带有其中的一个或多个功能。 |
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=== 滤波器 === |
=== 滤波器 === |
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根据削弱声音“部分”的不同（频率分布），滤波器包括了[[低通滤波器]]（削弱高频）、[[高通滤波器]]（削弱低频）、[[带通滤波器]]（只保留特定频段，高通和低通的组合）、[[带阻滤波器]]（削弱特定频段，又称为“陷波滤波器”）、[[共振峰|共振峰滤波器]]和[[梳状滤波器]]等。最常见、最重要的滤波器是低通滤波器，许多合成器（例如 Minimoog<ref>{{Cite web|title=Minimoog Model D|url=https://www.moogmusic.com/products/minimoog-model-d|access-date=2023-07-21|website=Moog music|language=en}}</ref>）只有一个低通滤波器。 |
根据削弱声音“部分”的不同（频率分布），滤波器包括了[[低通滤波器]]（削弱高频）、[[高通滤波器]]（削弱低频）、[[带通滤波器]]（只保留特定频段，高通和低通的组合）、[[带阻滤波器]]（削弱特定频段，又称为“陷波滤波器”）、[[共振峰|共振峰滤波器]]和[[梳状滤波器]]等。最常见、最重要的滤波器是低通滤波器，许多合成器（例如 Minimoog<ref>{{Cite web|title=Minimoog Model D|url=https://www.moogmusic.com/products/minimoog-model-d|access-date=2023-07-21|website=Moog music|language=en|archive-date=2023-10-08|archive-url=https://web.archive.org/web/20231008075310/https://www.moogmusic.com/products/minimoog-model-d|dead-url=no}}</ref>）只有一个低通滤波器。 |
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这些滤波器听起来是这个样子（音频与右侧频谱图互相对应，建议点击查看大图片）： |
这些滤波器听起来是这个样子（音频与右侧频谱图互相对应，建议点击查看大图片）： |
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在减法合成中，滤波器最重要的参数是[[截止頻率|截止频率]]（信号开始大量衰减的转折点）。与名字暗示的不同，高于截止频率的部分并不会被完全消除，而是随着与截止频率距离的增加而衰减。这个衰减过程的速度被称为滤波器的“斜率”，以每倍频程分贝数(dB/octave) 为单位。高斜率下声音转变剧烈，低斜率时声音转折比较柔和。大多数合成器的滤波器斜率在 12 到 24 dB/八度之间。 |
在减法合成中，滤波器最重要的参数是[[截止頻率|截止频率]]（信号开始大量衰减的转折点）。与名字暗示的不同，高于截止频率的部分并不会被完全消除，而是随着与截止频率距离的增加而衰减。这个衰减过程的速度被称为滤波器的“斜率”，以每倍频程分贝数(dB/octave) 为单位。高斜率下声音转变剧烈，低斜率时声音转折比较柔和。大多数合成器的滤波器斜率在 12 到 24 dB/八度之间。 |
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滤波器通常还具有所谓的共振，共振会提高截止频率附近的信号能量，使声音带有新的，听起来更响亮的特质。此外，滤波器的模拟电路（或信号处理）架构也会影响其[[频率响应]]，带来不同的声音特性。 |
滤波器通常还具有所谓的共振，共振会提高截止频率附近的信号能量，使声音带有新的，听起来更响亮的特质。此外，滤波器的模拟电路（或信号处理）架构也会影响其[[频率响应]]，带来不同的声音特性<ref>{{Cite web|date=2019-10-03|title=A Guide to Synth Filter Types: Ladders, Steiner-Parkers, and More|url=https://reverb.com/news/a-guide-to-synth-filter-types-ladders-steiner-parkers-and-more|access-date=2023-07-26|website=reverb.com|language=en|archive-date=2023-07-26|archive-url=https://web.archive.org/web/20230726110041/https://reverb.com/news/a-guide-to-synth-filter-types-ladders-steiner-parkers-and-more|dead-url=no}}</ref>。 |
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[[File:FilterAnalysis.png|thumb|前文所述滤波器 |
[[File:FilterAnalysis.png|thumb|前文所述几种低通滤波器幅频特性的[[伯德图|Bode图]]，展示了截止频率同样在500Hz的三个不同滤波器的频率响应。蓝色：12dB/八度；紫色：24dB/八度；黄色：24dB/八度，并附带共振特性。]] |
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对于大多数合成器，滤波器的截止频率、共振，以及声音的调制都可以通过控件手动控制，也可以通过包络或LFO等调制器自动控制。 |
对于大多数合成器，滤波器的截止频率、共振，以及声音的调制都可以通过控件手动控制，也可以通过包络或LFO等调制器自动控制。 |
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经过滤波器部分后，信号被发送到放大器，来得到音量随时间变化的声音。这种变化也是合成出的声音特性的一部分。例如，打击乐总有一个短促的音头和相对较长的声音自由减弱部分，而吹管乐器则会随着吹奏者的气息慢慢变大声，一直持续，而在吹奏者不再吹气之后立即停止。 |
经过滤波器部分后，信号被发送到放大器，来得到音量随时间变化的声音。这种变化也是合成出的声音特性的一部分。例如，打击乐总有一个短促的音头和相对较长的声音自由减弱部分，而吹管乐器则会随着吹奏者的气息慢慢变大声，一直持续，而在吹奏者不再吹气之后立即停止。 |
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在大部分合成器中，这种音量的变化是通过一种被称为“[[ADSR包络|起音-衰减-持续-释放（ADSR）]]”的四段包络控制的（“起音”段控制开始时音量达到最大所需的时间，“持续”段控制音符持续触发时稳定的音量，“衰减”段控制音量从最大下降到“持续”水平所需的时间，而“释放”段则控制音符不再持续触发时音量下降为零所需的时间）；而有些合成器中，会利用更多段数的包络获得对音量更精确的控制<ref>{{Cite web|title=All you need to know about subtractive synthesis|url=https://musictech.com/guides/essential-guide/what-is-subtractive-synthesis/|access-date=2023-07-23|website=MusicTech|language=en-GB}}</ref>。如上面“滤波器”一节所言，这些包络也可以用来控制其他参数，以达到对声音的控制。 |
在大部分合成器中，这种音量的变化是通过一种被称为“[[ADSR包络|起音-衰减-持续-释放（ADSR）]]”的四段包络控制的（“起音”段控制开始时音量达到最大所需的时间，“持续”段控制音符持续触发时稳定的音量，“衰减”段控制音量从最大下降到“持续”水平所需的时间，而“释放”段则控制音符不再持续触发时音量下降为零所需的时间）；而有些合成器中，会利用更多段数的包络获得对音量更精确的控制<ref>{{Cite web|title=All you need to know about subtractive synthesis|url=https://musictech.com/guides/essential-guide/what-is-subtractive-synthesis/|access-date=2023-07-23|website=MusicTech|language=en-GB|archive-date=2023-07-23|archive-url=https://web.archive.org/web/20230723094603/https://musictech.com/guides/essential-guide/what-is-subtractive-synthesis/|dead-url=no}}</ref>。如上面“滤波器”一节所言，这些包络也可以用来控制其他参数，以达到对声音的控制。 |
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此外，低频振荡器（LFO）也是减法合成中的重要元素，它会随着时间的推移缓慢振荡，用这种振荡信号调制合成中的参数，能够产生动态变化的声音。 |
此外，低频振荡器（LFO）也是减法合成中的重要元素，它会随着时间的推移缓慢振荡，用这种振荡信号调制合成中的参数，能够产生动态变化的声音。 |
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概念上来说，减法合成类似于语音学中的{{Translink|en|Source–filter model|声源-滤波器模型}}，即“语音是由声带产生声音后，经由声道的共鸣腔滤波而形成的”这一原理。因此，我们可以借助自身的发声来理解减法合成的基本概念。 |
概念上来说，减法合成类似于语音学中的{{Translink|en|Source–filter model|声源-滤波器模型}}，即“语音是由声带产生声音后，经由声道的共鸣腔滤波而形成的”这一原理。因此，我们可以借助自身的发声来理解减法合成的基本概念。 |
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当人类说话、唱歌或发出其他声音时，[[声带]]可以类比为减法合成中的 |
当人类说话、唱歌或发出其他声音时，[[声带]]可以类比为减法合成中的振荡器，[[口腔]]和[[咽喉|喉咙]]则可以看作滤波器。 |
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想象以同样的[[音高]]唱出“唔-” {{IPA|[uː]}}和“啊-” {{IPA|[ɑː]}}，并试着分辨这两种情况之间的区别。在这两种情况下，声带产生的声音都非常相似——都是[[谐波]]丰富的声音。两者之间的区别在于口腔和喉咙的滤波方式。嘴部不同的形状，决定了滤波器的[[频率响应]]，也就确定了哪些谐波将被削弱（“减”掉）。 “啊-”声音中仍然存在大部分原始谐波； “唔-”的声音中则消除（或者说，削弱）了大部分谐波。控制口腔这个滤波器，逐渐把声音从“唔-”变为“啊-”，再变回来，就完成了一次扫频，而这正是吉他哇音效果的基础。 |
想象以同样的[[音高]]唱出“唔-” {{IPA|[uː]}}和“啊-” {{IPA|[ɑː]}}，并试着分辨这两种情况之间的区别。在这两种情况下，声带产生的声音都非常相似——都是[[谐波]]丰富的声音。两者之间的区别在于口腔和喉咙的滤波方式。嘴部不同的形状，决定了滤波器的[[频率响应]]，也就确定了哪些谐波将被削弱（“减”掉）。 “啊-”声音中仍然存在大部分原始谐波； “唔-”的声音中则消除（或者说，削弱）了大部分谐波。控制口腔这个滤波器，逐渐把声音从“唔-”变为“啊-”，再变回来，就完成了一次扫频，而这正是吉他哇音效果的基础。 |
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== 应用 == |
== 应用 == |
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自1930年的特劳特温电子琴<ref>{{Cite journal |last=Supper |first=Martin |last2=Castine |first2=Peter |date=2008-11-03 |title=Peter Donhauser, Elektrische Klangmaschinen. Die Pionierzeit in Deutschland und Österreich (Electrical Sound Machines: The Pioneering Era in Germany and Austria). Böhlau, Wien, 2007. ISBN 978-3-205-77593-5. |url=http://dx.doi.org/10.1017/s1355771808000381 |journal=Organised Sound |volume=13 |issue=3 |doi=10.1017/s1355771808000381 |issn=1355-7718}}</ref>以来，减法合成方式被广泛使用。特劳特温电子琴由[[柏林艺术大学]]的Friedrich Trautbein于1930年发明，并于 1932 年上市，声源为锯齿波，具有多个共振峰滤波器，可以产生相当多的音色效果。同时期发明的减法合成器还包括1937年苏联的沃洛金合成器<ref>{{Cite book|chapter=|url=https://books.google.com/books?id=IrnIEAAAQBAJ|publisher=Smart Audio IL Mexico SAS de CV|date=2023-06-29|isbn=978-607-59573-9-5|language=en|first=Aaron|last=Sequeira|title=Electronic Musical Instruments|pages=270}}</ref><ref>{{Cite web|title=1937 год – Label Cantroll|url=http://cuntroll.ru/article15/|access-date=2023-07-24|language=ru}}</ref>、1939年美国的哈蒙德新音琴（Hammond Novachord）<ref>{{Cite book|chapter=Novachord|series=Oxford Music Online|url=http://dx.doi.org/10.1093/gmo/9781561592630.article.l2294548|publisher=Oxford University Press|date=2016-05-25|first=Hugh|last=Davies|title=The Novachord}}</ref>等，这些原始电子乐器的应用并不广泛。 |
自1930年的特劳特温电子琴<ref>{{Cite journal |last=Supper |first=Martin |last2=Castine |first2=Peter |date=2008-11-03 |title=Peter Donhauser, Elektrische Klangmaschinen. Die Pionierzeit in Deutschland und Österreich (Electrical Sound Machines: The Pioneering Era in Germany and Austria). Böhlau, Wien, 2007. ISBN 978-3-205-77593-5. |url=http://dx.doi.org/10.1017/s1355771808000381 |journal=Organised Sound |volume=13 |issue=3 |doi=10.1017/s1355771808000381 |issn=1355-7718}}</ref>以来，减法合成方式被广泛使用。特劳特温电子琴由[[柏林艺术大学]]的Friedrich Trautbein于1930年发明，并于 1932 年上市，声源为锯齿波，具有多个共振峰滤波器，可以产生相当多的音色效果。同时期发明的减法合成器还包括1937年苏联的沃洛金合成器<ref>{{Cite book|chapter=|url=https://books.google.com/books?id=IrnIEAAAQBAJ|publisher=Smart Audio IL Mexico SAS de CV|date=2023-06-29|isbn=978-607-59573-9-5|language=en|first=Aaron|last=Sequeira|title=Electronic Musical Instruments|pages=270|access-date=2023-07-24|archive-date=2023-07-24|archive-url=https://web.archive.org/web/20230724122332/https://books.google.com/books?id=IrnIEAAAQBAJ|dead-url=no}}</ref><ref>{{Cite web|title=1937 год – Label Cantroll|url=http://cuntroll.ru/article15/|access-date=2023-07-24|language=ru|archive-date=2023-07-24|archive-url=https://web.archive.org/web/20230724122334/http://cuntroll.ru/article15/|dead-url=no}}</ref>、1939年美国的哈蒙德新音琴（Hammond Novachord）<ref>{{Cite book|chapter=Novachord|series=Oxford Music Online|url=http://dx.doi.org/10.1093/gmo/9781561592630.article.l2294548|publisher=Oxford University Press|date=2016-05-25|first=Hugh|last=Davies|title=The Novachord}}</ref>等，这些原始电子乐器的应用并不广泛。 |
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直到1960-1970年代，Moog、Buchla和 |
直到1960-1970年代，Moog、Buchla和{{le|阿兰·罗伯特·派尔曼|Alan R. Pearlman}}制作了具有现代“VCO-VCF-VCA”架构的模拟合成器，但这些合成器都是模块化的，不存在固定的信号流向<ref>Mark Ballora, [http://www.personal.psu.edu/meb26/INART55/synthesizer.html The Voltage Controlled Modular Synthesizer] {{Wayback|url=http://www.personal.psu.edu/meb26/INART55/synthesizer.html |date=20200112022752 }}, ''INART 55 History of Electroacoustic Music''.</ref>。1968年，[[温蒂·卡洛斯]]发行了利用Moog合成器创作的《巴赫，启动！》（''Switched on Bach''）专辑，成为是当时销量最高的古典音乐唱片之一<ref>{{Cite journal |last=Spiers |first=Bradley M. |date=2021 |title=Wendy Carlos: A Biography by Amanda Sewell |url=http://dx.doi.org/10.1353/bach.2021.0016 |journal=BACH: Journal of the Riemenschneider Bach Institute |volume=52 |issue=2 |doi=10.1353/bach.2021.0016 |issn=2767-4843}}</ref>。Buchla合成器则被巴菲·圣-玛丽（Buffy Sainte Marie）应用在了1969年的专辑《Illuminations》中，对[[實驗音樂]]产生了深远影响<ref>{{Cite journal |last=Giroux |first=Monique |date=2019-12-09 |title=Buffy Sainte-Marie: The Authorized Biography – by Andrea Warner (Book review) |url=http://dx.doi.org/10.25071/1708-6701.40357 |journal=CAML Review / Revue de l'ACBM |volume=47 |issue=2-3 |doi=10.25071/1708-6701.40357 |issn=1708-6701}}</ref>。之后，这些合成器也在摇滚乐领域开始了广泛应用，[[披頭四樂隊]]、[[愛默生、雷克與帕瑪|爱默生、雷克与帕玛乐队]]都利用Moog合成器创作了歌曲<ref>{{Cite journal |last=Pinch |first=Trevor |last2=Trocco |first2=Frank |date=1998 |title=The Social Construction of the Early Electronic Music Synthesizer |url=https://www.jstor.org/stable/23785956 |journal=Icon |volume=4 |issn=1361-8113 |archive-url=https://web.archive.org/web/20230724123219/https://www.jstor.org/stable/23785956 |access-date=2023-07-24 |archive-date=2023-07-24 |dead-url=no }}</ref>。此后，以1971年上市的Minimoog和1972年上市的ARP Odyssey为代表，固定连接的模拟减法合成器开始出现，大大简化了声音制作的流程。 |
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1970-1980年代，随着数字合成器的发展，减法合成也被引入数字合成器中。这段时期，许多数字合成器中还保留了模拟电路的VCF滤波器，称为“模拟/数字混合合成器”，如KORG DW-8000<ref>{{Cite web|title=Korg DW-8000 {{!}} Vintage Synth Explorer|url=https://www.vintagesynth.com/korg/dw8000.php|access-date=2023-07-23|website=www.vintagesynth.com}}</ref>、Ensoniq ESQ-1<ref>{{Cite web|title=Ensoniq ESQ-1 {{!}} Vintage Synth Explorer|url=https://www.vintagesynth.com/ensoniq/ens_esq1.php|access-date=2023-07-23|website=www.vintagesynth.com}}</ref>等。1995年，Clavia推出了一种[[数仿模拟合成器|虚拟模拟]]合成器Nord Lead，该合成器完全使用数字信号处理再现模拟合成器的所有部分<ref>{{Cite journal |last=Pekonen |first=Jussi |title=The Brief History of Virtual Analog Synthesis |url=https://www.academia.edu/749324/The_Brief_History_of_Virtual_Analog_Synthesis}}</ref>。在数字合成时代，减法合成常被作为一种声音处理手段，与其他方式结合，例如采样、FM合成、加法合成等。 |
1970-1980年代，随着数字合成器的发展，减法合成也被引入数字合成器中。这段时期，许多数字合成器中还保留了模拟电路的VCF滤波器，称为“模拟/数字混合合成器”，如KORG DW-8000<ref>{{Cite web|title=Korg DW-8000 {{!}} Vintage Synth Explorer|url=https://www.vintagesynth.com/korg/dw8000.php|access-date=2023-07-23|website=www.vintagesynth.com|archive-date=2023-07-29|archive-url=https://web.archive.org/web/20230729220249/https://www.vintagesynth.com/korg/dw8000.php|dead-url=no}}</ref>、Ensoniq ESQ-1<ref>{{Cite web|title=Ensoniq ESQ-1 {{!}} Vintage Synth Explorer|url=https://www.vintagesynth.com/ensoniq/ens_esq1.php|access-date=2023-07-23|website=www.vintagesynth.com|archive-date=2023-07-23|archive-url=https://web.archive.org/web/20230723164958/https://www.vintagesynth.com/ensoniq/ens_esq1.php|dead-url=no}}</ref>等。1995年，Clavia推出了一种[[数仿模拟合成器|虚拟模拟]]合成器Nord Lead，该合成器完全使用数字信号处理再现模拟合成器的所有部分<ref>{{Cite journal |last=Pekonen |first=Jussi |title=The Brief History of Virtual Analog Synthesis |url=https://www.academia.edu/749324/The_Brief_History_of_Virtual_Analog_Synthesis |access-date=2023-07-23 |archive-date=2023-07-23 |archive-url=https://web.archive.org/web/20230723113219/https://www.academia.edu/749324/The_Brief_History_of_Virtual_Analog_Synthesis |dead-url=no }}</ref>。在数字合成时代，减法合成常被作为一种声音处理手段，与其他方式结合，例如采样、FM合成、加法合成等。 |
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* [http://alsamodular.sourceforge.net AMS] {{Wayback|url=http://alsamodular.sourceforge.net/ |date=20050303200923 }} - 基于[[ALSA]]框架的免费软件模块合成器 |
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2024年7月4日 (四) 03:30的最新版本
减法合成是一种利用滤波器“减去”有大量谐波的原始信号中部分谐波来创造音色的声音合成方法，由于早期模拟合成器几乎均使用减法合成，因此有时利用模拟电路进行的减法合成也直接被称作模拟合成。减法合成是1930年代以来被电子合成器广泛采用的合成技术[1]，也是目前最主要的合成技术之一[2]。许多数字合成器、虚拟模拟合成器和软件合成器都在或独立，或与其他方法结合地使用减法合成。 [3]
概述
[编辑]在傅里叶变换的角度，任何复杂的周期性信号都可以被认为是由一组不同的正弦信号组成。具体到声音来说，就是由一组正弦波的频率和振幅决定了声音的特性；其中最低的频率一般为基频，确定了音高[a]；而更高频率的正弦波们（称为“谐波”），则确定了音色[4]。
因此，为了得到确定的某个声音，有两种不同的基本思路：从不含谐波的声音开始，逐个谐波地叠加产生所需声音；或者从充满谐波的声音开始，删去不需要的谐波获得所需声音。两条思路分别对应了加法合成和减法合成[b]。
在模拟电路时代，加法合成由于需要振荡器数量极多而不具有实用价值，因而减法合成成为了流行的合成方式。而就现在来看，虽然减法合成无法（像FM合成、加法合成那样）创造新的谐波，但其易于理解，容易实现，且不会改变原始信号的音高，因而至今仍有广泛使用。
流程
[编辑]
减法合成的流程可以简单概括为：振荡器或噪声发生器产生原始的声音“原料”，然后由滤波器削弱（“减”掉）不需要的部分频率分量，同时通过带有包络的放大器模块等调节音量和截止频率等参数，得到需要的声音。对于这一过程，一个常用的比喻是米开朗琪罗的名言“要得到《大卫》雕像，只需要将大理石上不属于大卫的部分全部去掉”[4][5]。
振荡器
[编辑]作为合成素材的原始波形一般都需要具有丰富的谐波，以下是一些常见的波形[6]：
- 锯齿波，明亮，包含所有整数倍谐波。适于模仿弦乐器、贝斯和铜管乐的声音。
- 方形波，声音有“吹管”感，仅包含奇数倍谐波。适于模仿长笛类木管乐以及贝斯的声音，有时也用来合成打击乐声。
- 三角波，类似方波，但更加“柔和”，仅包含奇数倍谐波，比方波在高频衰减更快，几乎只包含前五个泛音。适于模仿木管乐器和叠加声音使其变“厚”。
- 正弦波，清晰、柔和，仅包含基频。适于模仿音叉、口哨之类“纯净”的声音。（注：由于纯正弦波不包含任何谐波，因此无法通过线性滤波来改变音色）
一些合成器会使用更复杂的波形（如 Synapse Audio DUNE[7]），甚至是声音采样（如 iZotope Iris[8]）来作为原始波形，这可以为声音带来更多变化。
可以用一些方式来调整振荡器产生的声音，例如脉宽调制（只用于方波）、多个振荡器的环形调制、频率调制、幅度调制、相位调制，以及两个振荡器的硬同步（通常简称为同步），虽然这些调制严格来说超出了减法合成的范围，但大部分“减法合成器”都带有其中的一个或多个功能。
滤波器
[编辑]根据削弱声音“部分”的不同（频率分布），滤波器包括了低通滤波器（削弱高频）、高通滤波器（削弱低频）、带通滤波器（只保留特定频段，高通和低通的组合）、带阻滤波器（削弱特定频段，又称为“陷波滤波器”）、共振峰滤波器和梳状滤波器等。最常见、最重要的滤波器是低通滤波器，许多合成器（例如 Minimoog[9]）只有一个低通滤波器。
这些滤波器听起来是这个样子（音频与右侧频谱图互相对应，建议点击查看大图片）：
- 低通滤波器：
- 带有共振的低通滤波器：
- 高通滤波器：
- 带通滤波器：
- 带阻滤波器：
在减法合成中，滤波器最重要的参数是截止频率（信号开始大量衰减的转折点）。与名字暗示的不同，高于截止频率的部分并不会被完全消除，而是随着与截止频率距离的增加而衰减。这个衰减过程的速度被称为滤波器的“斜率”，以每倍频程分贝数(dB/octave) 为单位。高斜率下声音转变剧烈，低斜率时声音转折比较柔和。大多数合成器的滤波器斜率在 12 到 24 dB/八度之间。
滤波器通常还具有所谓的共振，共振会提高截止频率附近的信号能量，使声音带有新的，听起来更响亮的特质。此外，滤波器的模拟电路（或信号处理）架构也会影响其频率响应，带来不同的声音特性[10]。
对于大多数合成器，滤波器的截止频率、共振，以及声音的调制都可以通过控件手动控制，也可以通过包络或LFO等调制器自动控制。
减法合成的代表性声音之一，就是滤波器截止频率在整个频率范围里快速扫过，就像这样：
放大器及控制信号
[编辑]经过滤波器部分后，信号被发送到放大器，来得到音量随时间变化的声音。这种变化也是合成出的声音特性的一部分。例如，打击乐总有一个短促的音头和相对较长的声音自由减弱部分，而吹管乐器则会随着吹奏者的气息慢慢变大声，一直持续，而在吹奏者不再吹气之后立即停止。
在大部分合成器中，这种音量的变化是通过一种被称为“起音-衰减-持续-释放（ADSR）”的四段包络控制的（“起音”段控制开始时音量达到最大所需的时间，“持续”段控制音符持续触发时稳定的音量，“衰减”段控制音量从最大下降到“持续”水平所需的时间，而“释放”段则控制音符不再持续触发时音量下降为零所需的时间）；而有些合成器中，会利用更多段数的包络获得对音量更精确的控制[11]。如上面“滤波器”一节所言，这些包络也可以用来控制其他参数，以达到对声音的控制。
此外，低频振荡器（LFO）也是减法合成中的重要元素，它会随着时间的推移缓慢振荡，用这种振荡信号调制合成中的参数，能够产生动态变化的声音。
示例
[编辑]人声
[编辑]概念上来说，减法合成类似于语音学中的声源-滤波器模型，即“语音是由声带产生声音后，经由声道的共鸣腔滤波而形成的”这一原理。因此，我们可以借助自身的发声来理解减法合成的基本概念。
当人类说话、唱歌或发出其他声音时，声带可以类比为减法合成中的振荡器，口腔和喉咙则可以看作滤波器。
想象以同样的音高唱出“唔-” [uː]和“啊-” [ɑː]，并试着分辨这两种情况之间的区别。在这两种情况下，声带产生的声音都非常相似——都是谐波丰富的声音。两者之间的区别在于口腔和喉咙的滤波方式。嘴部不同的形状，决定了滤波器的频率响应，也就确定了哪些谐波将被削弱（“减”掉）。 “啊-”声音中仍然存在大部分原始谐波； “唔-”的声音中则消除（或者说，削弱）了大部分谐波。控制口腔这个滤波器，逐渐把声音从“唔-”变为“啊-”，再变回来，就完成了一次扫频，而这正是吉他哇音效果的基础。
人类还能够通过发出“嘶嘶”声来产生近似白噪声的声音。想要“合成”（或者更普通地说，模仿）喷气式飞机着陆的声音，就要通过改变嘴的形状来逐渐削弱白噪音的高频部分，直到得到粉噪声。另一个“滤波”白噪音的例子，则是试着轻声而拉长地说“书”字，感受“sh（ㄕ）”发音的变化。这种“给白噪声做滤波”的操作，在电子乐器中被用于合成海浪声和风声，以及创建军鼓和其他打击乐的声音。
电子合成器
[编辑]许多电子音乐中常用的音色都是通过减法合成创造的，这些音色可能由模拟合成器、数字合成器或软件合成器创造，它们的操作过程相似，主要区别在于产生机处理音频信号的电路类型。模拟合成器通过模拟电路构成的压控振荡器（VCO）产生原始波形，利用压控滤波器（VCF）削弱不需要的谐波，再通过附带包络控制的压控放大器（VCA）控制音量的变化；数字合成器中，这些部件的一个或多个变为数字电路，从而实现更多功能、更低成本和更稳定的表现。
我们可以在软件构成的合成器中，用下面这个例子——用减法合成器来模仿拨弦的声音，感受之前提到的所有减法合成流程和概念。[c]
具体合成过程
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首先，准备两个产生相对复杂且谐波丰富的波形的振荡器，这里用的是方波：
添加脉宽调制以实现动态变化的音调：
把两个声音混合在一起。下面的例子中，两个声音是等量混合的，但实际上可以使用任何比例。
混合后的结果被送入压控放大器，从而具有音量的ADSR包络。换句话说，它的音量根据预设模式改变。下面是一个模拟弹拨弦的包络：
接着，声音通过一个低通滤波器：
一般的拨弦声音都会首先衰减高频，因此，为了更好地模拟弹拨琴弦的声音，滤波器的截止频率需要从一个中间值开始，并逐渐压低，就像这样：
加上一个琶音器，发出有节奏和音高变化的声音：
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应用
[编辑]自1930年的特劳特温电子琴[12]以来，减法合成方式被广泛使用。特劳特温电子琴由柏林艺术大学的Friedrich Trautbein于1930年发明，并于 1932 年上市，声源为锯齿波，具有多个共振峰滤波器，可以产生相当多的音色效果。同时期发明的减法合成器还包括1937年苏联的沃洛金合成器[13][14]、1939年美国的哈蒙德新音琴（Hammond Novachord）[15]等，这些原始电子乐器的应用并不广泛。
直到1960-1970年代，Moog、Buchla和阿兰·罗伯特·派尔曼制作了具有现代“VCO-VCF-VCA”架构的模拟合成器，但这些合成器都是模块化的，不存在固定的信号流向[16]。1968年，温蒂·卡洛斯发行了利用Moog合成器创作的《巴赫，启动！》（Switched on Bach）专辑，成为是当时销量最高的古典音乐唱片之一[17]。Buchla合成器则被巴菲·圣-玛丽（Buffy Sainte Marie）应用在了1969年的专辑《Illuminations》中，对實驗音樂产生了深远影响[18]。之后，这些合成器也在摇滚乐领域开始了广泛应用，披頭四樂隊、爱默生、雷克与帕玛乐队都利用Moog合成器创作了歌曲[19]。此后，以1971年上市的Minimoog和1972年上市的ARP Odyssey为代表，固定连接的模拟减法合成器开始出现，大大简化了声音制作的流程。
1970-1980年代，随着数字合成器的发展，减法合成也被引入数字合成器中。这段时期，许多数字合成器中还保留了模拟电路的VCF滤波器，称为“模拟/数字混合合成器”，如KORG DW-8000[20]、Ensoniq ESQ-1[21]等。1995年，Clavia推出了一种虚拟模拟合成器Nord Lead，该合成器完全使用数字信号处理再现模拟合成器的所有部分[22]。在数字合成时代，减法合成常被作为一种声音处理手段，与其他方式结合，例如采样、FM合成、加法合成等。
参见
[编辑]注释
[编辑]参考文献
[编辑]- ^ Valimaki, Vesa; Huovilainen, Antti. Antialiasing Oscillators in Subtractive Synthesis. IEEE Signal Processing Magazine. 2007-03, 24 (2) [2023-07-22]. ISSN 1558-0792. doi:10.1109/MSP.2007.323276. （原始内容存档于2022-10-16）.
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外部链接
[编辑]- AMS （页面存档备份，存于互联网档案馆） - 基于ALSA框架的免费软件模块合成器
- VCV Rack （页面存档备份，存于互联网档案馆） - 免费开源跨平台，软件模块合成器
- 减法合成器的工作原理 （页面存档备份，存于互联网档案馆） - Apple Logic Pro 帮助文件中对减法合成器原理的描述，但不与特定DAW或合成器相关
- Subtractive Synthesis: Learn Synthesizer Sound Design | LANDR Blog （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- 解读模拟合成器『1』--震荡器与波形 （页面存档备份，存于互联网档案馆） - 中国大陆音乐杂志Midifan的系列文章，介绍了模拟合成器中的原理与操作
- 电子音乐120年 （页面存档备份，存于互联网档案馆） - 关于18世纪末至1980年代经典电声或模拟电子合成器的介绍
- Vintage Synth Explorer （页面存档备份，存于互联网档案馆） - 大量1970年代至今老式合成器的介绍、评价与交易