第10章：模块化合成
在本章中，我们将探讨模块化合成：一种通过连接不同模块来创建声音的方法。每个模块执行特定的音频处理任务，比如产生声音、塑造音色或添加效果。通过改变模块之间的连接方式（称为”跳线”），可以创造出无限多种声音。
10.1 信号、模块和跳线
在模块化合成中，信号是信息的载体，在模块之间流动。模块是执行特定音频处理任务的处理单元。跳线是连接模块、让信号从一个模块流向另一个模块的”电缆”。
TunePad的模块化合成系统包含三种主要模块类型：
- 源模块：产生声音或控制信号的模块
- 控制模块：修改或调制其他模块行为的模块
- 处理模块：处理音频信号以改变音色的模块
10.2 源模块
源模块产生声音或控制信号，是任何合成补丁的起点。
10.2.1 振荡器（Oscillator）
振荡器产生周期性的波形，是合成声音的基础。TunePad提供以下几种波形：
- 正弦波（Sine）：最纯净的波形，听起来像柔和的蜂鸣声
- 锯齿波（Sawtooth）：富含谐波，听起来明亮而粗糙
- 方波（Square）：富含奇次谐波，听起来像笛子或单簧管
- 三角波（Triangle）：介于正弦波和方波之间，听起来柔和
振荡器的关键参数包括：
- 频率（Frequency）：音高，以Hz或MIDI音符编号表示
- 振幅（Amplitude）：音量，通常在0到1之间
- 失谐（Detune）：以音分为单位的微调，用于创造”超级锯齿波”等效果
10.2.2 脉冲宽度调制（PWM）
PWM模块产生方波或锯齿波，其”脉冲宽度”可以调制，创造运动感。
关键参数：
- 脉冲宽度（Pulse Width）：波形中”开启”部分的比例
- 脉冲宽度调制（PWM Depth）：调制脉冲宽度的深度
10.2.3 缓冲区（Buffer）
缓冲区模块播放预先录制的音频样本，可用于添加采样、循环或环境声音。
10.2.4 弦（String）
弦模块使用Karplus-Strong算法进行物理建模合成，产生类似弦乐器的声音。
关键参数：
- 衰减（Damping）：控制弦声音的衰减速度
- 亮度（Brightness）：控制泛音的亮度
10.2.5 模态（Modal）
模态模块使用物理建模合成，通过激励器和共振器产生声音，适合模拟打击乐器。
关键参数：
- 激励器增益（Exciter Gain）：控制初始”敲击”的力度
- 共振器频率（Resonator Frequencies）：控制共振频率
10.3 控制模块
控制模块修改或调制其他模块的行为，为声音添加动态和变化。
10.3.1 常量信号（Constant Signal）
常量信号提供固定的数值，可用于控制其他参数。
10.3.2 低频振荡器（LFO）
LFO产生低频波形，用于调制其他参数，创造周期性变化。
关键参数：
- 速率（Rate）：LFO的速度，以Hz为单位
- 深度（Depth）：调制的强度
- 波形（Waveform）：正弦波、三角波、锯齿波或方波
10.3.3 随机信号（Random Signal）
随机信号产生随机数值，可用于创造不可预测的变化。
10.4 处理模块
处理模块处理音频信号，改变音色、空间感或动态。
10.4.1 滤波器（Filter）
滤波器去除或衰减音频信号中的某些频率。
类型：
- 低通滤波器（Lowpass）：允许低频通过，衰减高频
- 高通滤波器（Highpass）：允许高频通过，衰减低频
- 带通滤波器（Bandpass）：允许特定频率范围通过
- 陷波滤波器（Notch）：衰减特定频率范围
关键参数：
- 截止频率（Cutoff Frequency）：滤波器开始生效的频率
- 共振（Resonance）：增强截止频率附近的频率
10.4.2 增益（Gain）
增益模块控制音频信号的音量。
关键参数：
- 电平（Level）：以dB为单位的增益值
10.4.3 ADSR包络（ADSR Envelope）
ADSR包络控制参数随时间的变化，塑造声音的”包络”。
参数：
- 攻击（Attack）：从0到最大振幅的时间
- 衰减（Decay）：从最大振幅到维持电平的时间
- 维持（Sustain）：按键保持期间的振幅电平
- 释放（Release）：释放按键后从维持电平到0的时间
10.4.4 混响（Reverb）
混响模块添加空间感，模拟声音在不同房间中的反射。
关键参数：
- 房间大小（Room Size）：混响空间的尺寸
- 阻尼（Damping）：高频的吸收程度
- 湿/干比（Wet/Dry Mix）：原始信号和处理信号的混合比例
10.4.5 延迟（Delay）
延迟模块创建回声效果。
关键参数：
- 延迟时间（Delay Time）：原始声音和回声之间的时间
- 反馈（Feedback）：回声重复的次数
- 湿/干比（Wet/Dry Mix）：原始信号和处理信号的混合比例
10.4.6 压缩器（Compressor）
压缩器减少动态范围，使安静部分更响亮，响亮部分更安静。
关键参数：
- 阈值（Threshold）：压缩开始的电平
- 比率（Ratio）：超过阈值后的压缩量
- 攻击（Attack）：压缩器开始工作的时间
- 释放（Release）：压缩器停止工作的时间
10.4.7 失真（Distortion）
失真模块通过削波添加谐波，创造温暖或激烈的声音。
关键参数：
- 驱动（Drive）：失真的强度
- 色调（Tone）：失真后声音的亮度
10.4.8 比特压缩器（Bitcrusher）
比特压缩器通过降低位深度和采样率，创造低保真、复古的声音。
关键参数：
- 位深度（Bit Depth）：降低的位深度
- 降采样（Downsampling）：降低的采样率
10.5 合成技术
10.5.1 加法合成（Additive Synthesis）
加法合成通过叠加多个正弦波来创建复杂波形。根据傅里叶理论，任何周期性波形都可以表示为正弦波的总和。
在TunePad中，可以通过添加多个振荡器并设置不同的频率和振幅来实现加法合成。
10.5.2 减法合成（Subtractive Synthesis）
减法合成从富含谐波的波形（如锯齿波或方波）开始，然后使用滤波器去除某些频率，塑造音色。
这是模拟合成器中最常见的技术，适合创造温暖、有机的声音。
示例补丁： 1. 使用多个失谐的锯齿波振荡器作为声源 2. 通过低通滤波器去除高频 3. 使用ADSR包络调制滤波器的截止频率 4. 结果：富有表现力的领奏或和弦声音
10.5.3 调频合成（FM Synthesis）
调频合成通过一个振荡器（调制器）调制另一个振荡器（载波）的频率来创造复杂的音色。
图10.7：一个FM合成补丁，其中一个正弦波被输入到另一个正弦波的频率输入插座。
调制器的频率和振幅决定载波音色的复杂度。调制深度越大，产生的边带和谐波越多。
关键概念： - 载波（Carrier）：被调制的振荡器 - 调制器（Modulator）：提供调制信号的振荡器 - 调频深度（FM Depth）：调制的强度 - 频率比（Frequency Ratio）：调制器与载波的频率比
整数比（如2:1、3:2）产生谐波音色，而非整数比（如1.41:1）产生非谐波、钟琴般的声音。
图10.8：更复杂的FM合成补丁。
可以使用ADSR包络或LFO来调制FM深度，创造随时间变化的音色。
10.5.4 物理建模合成（Physical Modeling Synthesis）
物理建模合成试图模拟声音产生的物理过程。TunePad中的弦（String）和模态（Modal）模块使用物理建模算法。
关键元素： - 激励（Excitation）：产生初始能量的过程（如拨弦、敲击） - 共振（Resonance）：增强某些频率的系统（如弦、木板）
模态模块包含： - 激励器（Exciter）：白噪声脉冲 - 共振器（Resonator）：一组带通滤波器
图10.9：使用物理建模创造复杂弦乐声音的例子。
可以通过将多个物理建模模块组合来创造复杂的乐器。例如，将弦模块的输出发送到模态模块，创造带有琴身共振的弦乐声音。
10.6 示例补丁
10.6.1 示例1：基础复音/领奏（Basic Poly/Lead）
这个补丁使用减法合成，适合作为旋律领奏或复音和弦。
设置：
| 输出ADSR | 锯齿波失谐 | 滤波器ADSR | 滤波器参数 |
|---|---|---|---|
| 攻击 0.1 | 失谐1 1 | 攻击 0.12 | 类型 低通 |
| 衰减 0.0 | 失谐2 -3 | 衰减 0.1 | 频率 350 Hz |
| 维持 1.0 | 失谐3 5 | 维持 0.13 | 频率 75% |
| 调制 | 释放 0.2 | ||
| 释放 0.2 |
步骤： 1. 添加三个锯齿波振荡器，分别设置失谐为0、-3、5音分，创造”超级锯齿波”效果 2. 将振荡器连接到增益模块（电平设为-15 dB） 3. 添加低通滤波器（截止频率350 Hz，共振75%） 4. 添加ADSR包络调制滤波器的截止频率 5. 将增益输出连接到滤波器，滤波器连接到输出
结果：具有明亮攻击和柔和维持的动态声音，适合各种音乐风格。
图10.10：TunePad中的完整基础复音/领奏补丁。
10.6.2 示例2：FM琶音钟声（FM Arp Bell）
这个补丁使用FM合成，创造钟琴般的声音，适合琶音和弦。
设置：
| 输出ADSR | 载波ADSR | 正弦频率 |
|---|---|---|
| 攻击时间 0.01 | 攻击时间 0.01 | 调制器 7.4 |
| 衰减时间 0.65 | 衰减时间 0.4 | 载波频率 80% |
| 调制 | ||
| 维持 0.0 | 维持 0.0 | |
| 释放时间 0.25 | 释放时间 0.15 |
步骤： 1. 添加两个正弦波振荡器 2. 将调制器振荡器连接到载波振荡器的”频率调制”输入 3. 设置调制器频率为载波的7.4倍（非整数比创造钟琴般的不和谐） 4. 将载波的”频率调制”参数设为80% 5. 为输出添加ADSR包络（快速攻击，长衰减，无维持） 6. 为载波添加ADSR包络，调制调制器的振幅
结果：明亮的钟琴声音，谐波随时间衰减，模拟真实钟声的特性。
图10.11：完整的FM合成示例。
10.7 结论
模块化合成的世界充满了热情的爱好者和专业人士，无论是硬件还是软件领域，都有许多在线资源可以深入学习。本章回顾了用于处理信号以生成声音的信号和工具的基础知识。下一章将回顾合成器的一些历史，以及它们与计算机生成音乐的关系。
关键术语：
- 信号（Signal）：在模块之间流动的信息载体
- 模块（Module）：执行特定音频处理任务的处理单元
- 跳线（Patch/Patching）：连接模块的过程
- 源模块（Source Module）：产生声音或控制信号的模块
- 控制模块（Control Module）：修改或调制其他模块行为的模块
- 处理模块（Processor Module）：处理音频信号以改变音色的模块
- 加法合成（Additive Synthesis）：通过叠加正弦波创建复杂波形
- 减法合成（Subtractive Synthesis）：从富含谐波的波形开始，使用滤波器去除频率
- 调频合成（FM Synthesis）：通过一个振荡器调制另一个振荡器的频率
- 物理建模合成（Physical Modeling Synthesis）：模拟声音产生的物理过程
- ADSR包络（ADSR Envelope）：控制参数随时间变化的包络
- 滤波器（Filter）：去除或衰减某些频率的设备
- 低通滤波器（Lowpass Filter）：允许低频通过，衰减高频
- 高通滤波器（Highpass Filter）：允许高频通过，衰减低频
- 共振（Resonance）：增强截止频率附近的频率
- 载波（Carrier）：在FM合成中被调制的振荡器
- 调制器（Modulator）：在FM合成中提供调制信号的振荡器
- 频率比（Frequency Ratio）：调制器与载波的频率比
- 激励（Excitation）：在物理建模中产生初始能量的过程
- 共振（Resonance）：在物理建模中增强某些频率的系统