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加法合成技术原理概述

  加法合成原理源于我们已经提到过的法国数字家傅立叶。他发现了任何波形都可以利用许多正弦波相加来代替。因此,有时(尽管不总是绝对准确),这种合成器也叫作傅立叶合成(FourierSynthesis)。

  任何声音都可以视为一系列正弦波不同相位、不同振幅、不同频率的组合。通过精确地增加正弦波创造一个声音的过程,叫做加法合成(AdditiveSynthesis)。
  
  加法合成
  
  加法合成原理源于我们已经提到过的法国数字家傅立叶。他发现了任何波形都可以利用许多正弦波相加来代替。因此,有时(尽管不总是绝对准确),这种合成器也叫作傅立叶合成(FourierSynthesis)。
  
  在电子音乐发展技术中,加法合成是一个比较早的合成技术,但却是在数字音频时代才得以广泛应用的合成技术。
  
  在模拟音频时代,要想用加法合成的方法制作一个比较复杂的音色,你需要众多的振荡器发出足够多的正弦波,这在模拟合成器上很难实现。不过采用数字计算机,这个技术显得比较容易,加法运算是计算机最擅长的工作。而且在理论上,计算机允许利用任何数量的“逻辑”振荡器。将任何数量的简单波形相加,创造出非常复杂的波形,以于计算机来说,只是解决速度和容量的问题。现代计算机系统已经可以在实时中生成、设置数以千计的正弦波。其实,合成技术还没必要采用那么多的正弦波,因为,对于创造复杂声音来说,还有很多其他的有效技术可以应用。
  
  那么,怎样用加法合成,通过一系列正弦波描述一个有机的声音呢?首先要了解该声音基本结构,如频率高低、振幅大小、谐波数量、相位等。
  
  
  下面让我们做一个浅显演示,用加法合成来设计一个简单的声音,较好的例子是生成一个方波。由于方波的谐波频谱结构中只有奇数的谐波分音,那么,利用加法合成原理,只要加主奇数谐波就制造出像方波的声音。想象一下方波看起来应该是什么样,我们只从一个最基本的正弦波(基音)开始,然后在这个正弦波上加入奇数谐波分音(OddPartials)。
  
  注意,谐波分音的振幅恰恰是基音振幅的反比,如第三谐波是基音振幅的1/3,第五谐波振幅是基音振幅的1/2。而从频率上看,一般在乐音的谐音频率中,谐波(正弦波)的频率往往是基音频率的整数相乘。比如,拿前面章节小号的中音A(440Hz)声音为例,我们知道通过傅立叶的理论,我们可以将这个声音解释为正弦波波形的叠加之和440Hz,880Hz,1320Hz,1760Hz,...或解释为基音440Hz的1,2,3,4,...倍数。
  
  当然,加法合成器的振荡器不仅限于正弦波(虽然使用傅立叶合成理论正弦波就已经足够了),还可以有更多的波形,你还可以使用方波、锯齿波,或者更为复杂的经过脉冲宽度调制的脉冲波,不过,归根结底,这些波形还是可以被分解成正弦波,所以,实际上你还是在使用正弦波来做加法合成,这是加法合成的理论基础。
  
  利用加法合成的原理,有时,通过对自然声音的分析来获得振幅和频率参数,这是傅立叶合成理论的一个有效的实践途径。这个理论可以被看作是一个声音在时间变化上的傅立叶参数重建。有时被称为傅立叶再合成(FourierRecomposition)。因为,加法合成已经证明了其有能力实现“与自然音几乎没有区别的声音”。
  
  在实际应用中,Instrument的设计者是不会仅仅即于自然声音的模仿,人们在分析自然声音的频谱过程中,通过对一个声音的深入了解,往往可以更好的创造出自已想要的音色。例如,在很多真实的乐器中,那些比较高的谐波起音(attack)是最晚的,消逝(decay)是最早的,知道了这个原理,作曲家就会有选择地反其道而之,合成一个有个性的声音。
  
  不过,加法合成作为一个合成的重要的段,也有自身的缺陷,一个最大的不足是它只能合成周期性的声音,但对于噪音(noisy,chaotic)却很难生成。例如有加法合成生成一个静态的长笛音色很简单(只需要两个正弦波),但长笛吹奏的音头用加法合成器却不可能生成,因为音头带有很多气息的噪音,因此我们必须加入许多其他不同的合成信息,才能更好地使用加法合成,获得个性化的声音以及诸多自然音色的完美实现。

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