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合成器(Synthesizer)到底是什麼?

一篇文章,讓你搞懂合成器的最基礎知識!

      

你知道嗎?其實所有的電子樂器,大概都可以歸類成兩種類型:「取樣機」和「合成器」。它們的差別很簡單:

  • 取樣機(sampler)是使用預先錄好的聲音來當作音色,
  • 而合成器(synthesizer)是使用電路產生或是數學算出來的聲音來當作音色。

取樣機和合成器
取樣機和合成器

🙏 在繼續之前,先感謝一下我們的贊助商!

這一篇文章是由 Arturia,以及台灣總代理 穎凱國際 Sound Sketch 贊助。

Arturia 是一個世界知名的音樂硬體和軟體製造商,如果你想要入坑硬體合成器的世界,我超級推薦他們家的 MiniFreak我自己用過之後真的超級驚豔,在這個價位幾乎沒有功能比它更強、又如此容易使用的合成器了。

如果你不想要實體的合成器,只想純粹用電腦的話,Arturia 的軟體音源像是 V Collection 和 Pigments 等等,也都是我自己製作音樂時超常用的厲害工具。

如果你覺得這篇文章對你有幫助的話,希望你也可以到穎凱國際的官網逛逛,支持一下我們的贊助商唷!

取樣機超好玩,可是⋯⋯

好和弦的忠實觀眾們,應該都知道我超級喜歡玩取樣機,因為取樣機可以讓我把「任何聲音檔案」當成音色來演奏。像是我曾經就把各種嘴巴發出的聲音放到取樣機裡,做了這一首《CORONA 爸爸崩之歌》:

或是在這一部影片裡面,我只用寶特瓶發出的聲音做了一整首歌:

以及在這個影片,我把 How 哥的聲音放到取樣機裡演奏了師大附中的校歌:

事實上,絕大部分的人家裡的數位鋼琴和電子琴,只要它們是可以發出像是鋼琴、弦樂、爵士鼓之類的真實樂器的聲音,大概 99% 都是使用取樣機來達成的。

取樣機雖然很強大、很好玩,可是它也有一個最大的限制,那就是你必須先去錄製那個聲音的樣本。如果我今天想要製作一個真實世界不存在的、沒有人聽過的、全新的聲音要怎麼辦?這個時候我就不能使用取樣機,而是要使用合成器(synthesizer)了。

所以在今天的這篇文章,我要跟你介紹合成器的最基礎知識,目標是讓你在讀完之後,真的能夠鼓起勇氣,開始拿起一台合成器來做音樂。

鼓起勇氣?

為什麼說用合成器需要「鼓起勇氣」呢?因為我知道在古典音樂圈裡,有不少人是懼怕、或甚至是排斥合成器的。他們不喜歡合成器多半是因為以下兩個原因:

  1. 因為合成器發出來的聲音不像真的樂器
  2. 因為合成器看起來好可怕、好難用

關於第一點,我只能說他們搞錯重點了,合成器本來就不是用來模仿真實樂器的(那是取樣機的工作),合成器是用來創造全新聲響的聲音設計工具

至於第二點,我是可以理解啦。如果你是初學者的話,看到市面上各式各樣的合成器,不管是實體的還是電腦上的軟體版,每一個上面都有八百萬個轉鈕,搞得好像戰鬥機儀表板一樣,要是我第一次看到也會完全不知道該怎麼辦。

但是好消息是,合成器的運作原理其實很簡單,繼續往下閱讀,你很快就會了解了!

每一個合成器上面,真的都有差不多八百萬個轉鈕,超複雜的(圖為 Arturia MiniFreak V 合成器)
每一個合成器上面,真的都有差不多八百萬個轉鈕,超複雜的(圖為 Arturia MiniFreak V 合成器)

三個重要步驟

根據合成聲音的方法不同,合成器又可以細分成很多種類,像是減法合成、加法合成、波表合成、微粒合成、頻率調變、物理建模⋯⋯等等,不過在這篇文章我們只討論,最基本而且最常見的減法合成器

在各種聲音合成方式當中,「減法合成」是最基本且最常見的。
在各種聲音合成方式當中,「減法合成」是最基本且最常見的。

一個減法合成器發出聲音,只需要以下三個步驟:

  1. 振盪器(oscillator)產生基本聲波
  2. 濾波器(filter)去除這個聲波當中不要的部分 1
  3. 擴大器(amplifier)調整聲音的音量變化

就這樣而已,你不覺得跟做菜有點像嗎?就是你要先買食材嘛,然後你就切掉食材當中不能吃的部分,最後就是把它加熱到適當的溫度就可以吃了。合成器的觀念,真的就是這麼簡單而已。

合成器的三個基本構造
合成器的三個基本構造

振盪器(oscillator)

合成器當中,用來產生基本聲波的構造,就叫做「振盪器」。

絕大部分的合成器,都可以發出以下這四種基本聲波:

  • 正弦波(sine)
  • 三角波(triangle)
  • 方波(square)
  • 鋸齒波(sawtooth)

這四種聲波,是很多種合成器音色的基礎,如果你是初學者的話,我建議你一定要練習到跟它們很熟,直到一聽就能瞬間辨識出來是什麼波形。

合成器的四種基礎波形。
合成器的四種基礎波形。

正弦波

正弦波聽起來像是這樣子:

正弦波是四個基礎聲波當中,聲音最單純的一個;而且沒錯,這邊說的「正弦」,就是你高中數學課三角函數裡面的那個正弦函數,y = sin(x) 的聲音聽起來就像是這樣子。

正弦波的波形
正弦波的波形

你可以從上圖看到,正弦波的波形非常地平滑、完美,沒有任何一點稜角;它也是四種基礎聲波當中,唯一完全沒有其他泛音的、真正的單一頻率的聲音

三角波

接下來,三角波聽起來像是這樣子:

看下圖的波形就知道它為什麼叫做三角波了。如果你有看我之前關於任天堂紅白機的文章和影片的話,你可能會記得,當時的作曲家很喜歡拿三角波當作 Bass 來使用。因為三角波雖然有一些高音泛音,但是那些泛音的音量,不像等一下要介紹的方波和鋸齒波那麼大,所以聲音不會太暗也不會太亮,就是很適合當作 Bass 音色來使用。

現代合成器產生的、數學上完美的三角波波形
現代合成器產生的、數學上完美的三角波波形

不過說個題外話,事實上任天堂紅白機裡面的三角波,根本就不是三角波。上圖是我用現代的合成器做出的、數學上完美的三角波,你看它就是很三角嘛,對不對?

而任天堂紅白機,因為音效晶片的振盪器解析度不足的緣故,它的三角波會長成下圖這樣子:

任天堂紅白機的三角波
任天堂紅白機的三角波

所以它其實是帶了鋸齒狀的三角波。也因為這樣,任天堂紅白機的三角波,多了很多一般三角波沒有的高頻率泛音,造成一種任天堂紅白機特有的味道

來比較一下,這個是現代的數位合成器,完美的三角波聽起來的樣子:

然後這個是任天堂紅白機的低解析度三角波:

你不覺得就是要任天堂的這個版本聽起來才有復古電玩的味道嗎?

方波

接下來是方波,它聽起來像是這樣子:

同樣地,它叫做方波是因為它的波形看起來就是方形的。方波的泛音內容跟三角波一樣,都是只有單數倍頻率的泛音,只是方波的高頻率泛音又更強了一些,也就是音色更亮。

方波的波形
方波的波形

你就記得超級瑪莉一代的主旋律音色,就是合成器的方波,這樣你就不會忘記它了:

鋸齒波

最後一個基礎聲波是鋸齒波:

鋸齒波的波形長得就是很鋸齒的樣子,要小心不要把它跟三角波搞混了,鋸齒波是直線上去、斜坡下來的,而三角波是上坡下坡都是斜線。

鋸齒波的波形
鋸齒波的波形

鋸齒波含有的泛音最多,每一個整數倍的頻率都有,你就記得它聽起來會很「鋸齒」,很有「zzzzzz」的感覺就可以了。

其他波形

除了以上的四種基本波形,有些合成器還會提供更多其他的波形給你選擇,像是這樣子:

近年來很流行的波表合成器(wavetable synthesizer),甚至還可以讓你從一個波形,漸漸變化成另外一個波形:

濾波器(filter)

有了基礎波形之後,這個波形就會被送到合成器的第二個重要構造,我們把它叫做「濾波器」。濾波器的功能,就是把剛才選定好的波形中的某些頻率過濾掉,或者是加強某些頻率。

濾波器的種類也有很多種,但我們在今天的基礎課程就介紹最常見的兩種,也就是 low-pass filter 和 high-pass filter。

低通濾波器(low-pass filter)

Low-pass filter 裡面的「low」指的是低頻率,「pass」就是通過,所以整個合起來的意思就是「低頻率可以通過的濾波器」,那反過來說就是高頻率不能通過嘛,所以也有些人叫它 high-cut filter。

通常濾波器都可以讓你設定哪一個頻率以上要過濾掉,來感受一下效果吧。以下我要播放一個鋸齒波的聲音,一開始是最原始的鋸齒波,接著我會用 low-pass filter 把高頻率的部分過濾掉,最後再回復到原始的聲音。聽聽看:

高通濾波器(high-pass filter)

High-pass filter 是 low-pass filter 的相反,也就是「高頻率可以通過,低頻率會被拿掉的濾波器」。

同樣的,一起來感受一下效果。以下我要播放一個鋸齒波的聲音,一開始是最原始的鋸齒波,接著我會用 high-pass filter 把低頻率的部分過濾掉,最後再回復到原始的聲音。聽聽看:

濾波器共振(filter resonance)

就如同你剛才聽到的,這些濾波器可以去除原始聲波當中的某些頻率,讓音色變亮、變暗、變厚、變薄等等。

但其實還沒完,濾波器通常都還會有一個「共振」選項,可以把過濾點附近的其中一個頻率加強。這個用文字很難說明,我們就來直接聽聽看效果吧!

先來聽聽看「沒有」打開濾波器共振的效果,以下是一個鋸齒波,被 low-pass filter 過濾掉高頻率之後再回復原始聲音的過程。聽聽看:

再來聽聽看「」打開濾波器共振的效果,以下是同樣的鋸齒波,被 low-pass filter 過濾掉高頻率之後再回復原始聲音的過程。聽聽看:

你應該可以明顯聽到,濾波器共振打開時,有一個特定的頻率被加強了對不對?當有濾波器共振時,如果移動濾波器的過濾點的話,就會產生像是以上的「科幻效果」。

擴大器(amplifier)

合成器的第三個、也是最後一個重要構造,是「擴大器」;擴大器的功能,是控制每一個音的音量變化過程。

在絕大多數的合成器,這個音量變化過程的設定方法,都是使用「ADSR」這四個參數來描述。ADSR 的設定方式非常的簡單好懂:

  • A 代表的是 attack time,指的是聲音發出來所需的時間

    如果 attack time 設定非常低,意思就是說按下鍵盤後,聲音在很短的時間內就會發出來;那如果 attack time 設定成比較高的話,意思就是按下鍵盤後,聲音從小聲開始慢慢漸大、花比較久的時間才完全發出來。

  • D 跟 S 是一組的,分別代表 decay time 和 sustain level,指的是如果鍵盤持續按住的話,聲音會花 D 這麼久的時間,衰退到 S 程度的音量

    例如,把 D 設定成 3 秒鐘、S 設定成 0 的意思就是:聲音完全發出來之後,會花 3 秒鐘的時間漸漸減弱到完全無聲。

    而把 D 設定成 0.2 秒、S 設定成 20% 的意思就是:聲音完全發出來之後,0.2 秒後就會減弱到只有 20% 的音量。

    如果 S 是設定成 100% 的話,只要按住琴鍵聲音就會永遠延長、音量不會減弱,此時 D 的設定就沒有任何意義了。

  • R 指的是 release time,也就是聲音消失所需的時間

    如果 release time 設定非常低,意思就是說放開鍵盤後,聲音短時間內就會消失;Release time 設定得高的話,意思就是放開鍵盤後,聲音會花比較久的時間慢慢消失。

要特別注意,在 ADSR 這四個參數當中,A、D、R 都是在敘述時間長度,只有 S 是在敘述一個程度。如果把 ADSR 畫成圖表的話,長得會像是以下的樣子。

ADSR 畫成圖表的樣子
ADSR 畫成圖表的樣子

總結

最後我們再來複習一下本篇重點:

  • 所有的電子樂器都可以被歸類成兩種類型,一種是使用預先錄好的聲音檔案來當作音色的取樣機,另一種是使用電路或數學公式產生聲音的合成器
  • 最常見的合成器類型是減法合成器,它有三個主要構造,分別是產生聲波的振盪器,過濾聲波的濾波器,和控制音量的擴大器
  • 大部分合成器的震盪器都可以產生四種基礎聲波,分別是正弦波、三角波、方波和鋸齒波
  • 最常見的濾波器是 low-pass 和 high-pass filter,他們除了可以過濾掉高頻和低頻之外,還可以開啟濾波器共振功能來加強其中特定的頻率。
  • 我們通常用 ADSR 這四個參數來控制音量變化。A 表示聲音出來所需的時間;R 表示聲音消失所需的時間;D 跟 S 則是在說聲音完全發出來之後,會花 D 的時間減弱到 S 程度的音量。

🙏 最後,再次感謝 Arturia穎凱國際 Sound Sketch 的贊助

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看了這篇之後,你應該就已經能初步了解大部分合成器的運作方式了,如果你想了解更多,請看:

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  1. 這也是「減法」合成器這個名稱的由來。 ↩︎