WYKA
AD I
Cechy dz
więku. Pojęcie syntezy dz
więku
Analogowa i cyfrowa synteza dz
więku  podstawy
Format plików RIFF i WAVE
Efekty dz
więkowe
Tworzenie efektu opóz
nień
Wykorzystanie przesunięcia fazy.
MATERIAA
Y: ftp://ftp.spg51.net
Dr inż. Sławomir Przyłucki
User: mpns
[e-mail]
Passwd: mpns2011
CECHY Dy
WI
KU
Barwa dz
więku jest cechą charakterystyczną każdego dz
więku a
Barwa dz
więku
czasem też miarą jego jakości.
Ta cecha zależy w głównej mierze od zmian w czasie intensywności
poszczególnych częstotliwości wchodzących w skład dz
więku.
Spectrogram jest wykresem spectrum częstotliwości a zatem
Spectrogram
graficznÄ… reprezentacjÄ… cech dz
więku w danej chwili.
Czas na osi y (start
na gorze,koniec na
dole); częstotliwość
na osi x
Poziom składowej
 im jaśniejszy tym
wyższy
CZYM JEST SYNTEZA Dy
WI
KU ?
Synteza dz
więku to najkrócej odtworzenie timbru (barwy dżwięku)
tradycyjnych intrumentów lub utworzenie nowego brzmienia za
pomocą sztucznych narzędzi (tj. nie instrumentu a np. zestawu
układów elektronicznych)
Algorytm syntezy dz
więku to opis jakich narzędzi użyć i w jaki
sposób w celu otrzymania określonego brzmienia.
Algorytmy syntezy można podzielić na dwie podstawowe grupy:
syntezÄ™ analogowÄ…
syntezÄ™ cyfrowÄ…
Graf syntezy jest opisem sposobu współdziałania komponentów
algorytmu sysntezy w celu wygenerowania określonego dz
więku.
Graf syntezy może być przedstawiany jako grafy przepływu
sygnału, podobnie do np. w automatyce lub elektronice.
ANALOGOWE SYNTEZATORY MODUA
OWE
Analogowe syntezatory modułowe składają się ze zbioru modułów
elektronicznych połączonych ze sobą zgodnie z zaleceniami
algorytmu syntezy.
Moduły mogą być przełączane i konfigurowane (dostrajane) podczas
pracy.
SYNTEZA SUBSTRAKTYWNA
Synteze rozpoczyna
generacja fali okresowej o
wysokiej zawartości
harmonicznych (np. fala
trójkątna, prostokątna)
Filtr usuwa wysokie /
niepożądane częstotliwości z
dz
więku (dlatego metoda
substraktywna).
Generator obwiedni (ang.
envelope generator) moduluje
aplitude fali w czasie.
Całością steruje LFO (ang.
low frequency oscillators),
ktory moduluje zmienność
parametrów syntezy.
PODSTAWOWE ELEMENTY SYNTEZY ANALOGOWEJ
Oscylatory  służą do generacji określonych sygnałów, tak periodycznych
np. fale sinusoidalne, jak i aperiodyczne np. losowy szum biały.
Wygenerowany sygnał może być częścią finalnego sygnału dz
więkowego
(audio oscillator) lub też może modulować określone aspekty
msyntezowanego dz
więku (LFO).
Filtry  służą do kształtowania charakterystyki
czestotliwosciowej a tym samym spektogramów. W przypadku
syntezy substrakcyjnej, filrty usuwały niechciany zakres
częstotliwości.
Filtr górnoprzepustowy
Filtr pasmowy (ang. band
Filtr dolnoprzepustowy
(ang. high pass filter) 
pass filter)  dżwięk
(ang. low pass filter) 
dżwięk płaski,
 nosowy
dz
więk przytłumiony
jednowymiarowy
GENERATORY OBWIEDNI
Generatory obwiedni (ang. envelope generators) sÄ…
wykorzystywane do kontrolowania procesu syntezy w czasie.
Sa one wyzwalane przez okreslone zdarzenia (np. nacisnięcie
klawisza klawiatury) i mogą posiadać różne kształty.
SYNTEZA ADDYTYWNA
Synteza addytywna polega na dodawaniu prostych przebiegów
dz
więkowych w celu otrzymania bardziej złożonych form i jest to
jedna z najstarszych metod syntezy dz
więku.
Przykładem praktycznego wykorzystania syntezy addytywnej są,
kultowe już dzisiaj, organy Hammona.
Najprostsza forma syntezy addytywnej
Najprostsza forma syntezy addytywnej
 sumowanie harmonicznych
 sumowanie harmonicznych
Wykorzystywane sa składowe sinusoidalne
Zasada działania: Dodawanie harmonicznych częstotliwości
podstawowej, np. dla 50Hz będzie to 100Hz, 200Hz 400Hz czyli
całkowite wielokrotności częstotliwości bazowej.
Uzasadnienie popularności: naturalnie odbierane dz
więki bardzo
często charakteryzują się bogatą zawartością harmonicznych.
ILUSTRACJA SUMOWANIA HARMONICZNYCH
Wersja niezależna od czasu
Wersja niezależna od czasu
(ang. harmonic additive
(ang. harmonic additive
synthesis - time invariant)
synthesis - time invariant)
SUMOWANIE SKA
ADOWYCH NIEHARMONICZNYCH
Składowe nieharmoniczne
są składowymi o dowolnej
częstotliwości ponad
częstotliwość bazową,  np.
100Hz, 135Hz, 2501Hz itd.
Wynika z tego, że składowe
harmoniczne sÄ… podzbiorem
wszystkich składowych
nieharmonicznych.
Uzasadnienie użycia:
naturalne instrumenty
wykazują szczególnie
złożoną dynamikę w części
 atack obwiedni.
Wersja niezależna od czasu
Wersja niezależna od czasu
(ang. inharmonic additive
(ang. inharmonic additive
synthesis - time invariant)
synthesis - time invariant)
SYNTEZA ADDYTYWNA ZE ZMIENNOÅšCI
W CZASIE
Podstawowy problem:
Jak tworzyć i
Jak tworzyć i
wykorzystywać dane
wykorzystywać dane
sterujace zmiennością ?
sterujace zmiennością ?
Uzasadnienie
użycia: składowe,
tak harmoniczne jak
i nieharmoniczne,
które rejestruje się
we dz
więkach
bardzo często
zmieniajÄ… siÄ™ w
czasie.
SYNTEZA CYFROWA Dy
WI
KU
Cyfrowa synteza dz
więku odbywa się w dziedzinie dyskretnej, za
pomocą narzędzi/algorytmów cyfrowego przetwarzania sygnałów.
W celu realizacji tego rodzaju syntezy opracowano specjalizowane
języki opisu procesu syntezy i specjalizowane układy komputerowe.
Przykładem takich języków może być opracowany przez Maxa
Mathews-a (Bell Telephone Laboratories) język Music I.
Cyfrowa synteza dz
więku pozwala na tworzenie zdecydowanie
szerszej gamy algorytmów niż synteza analogowa. Przykładem
algorytmu, który niezwykle trudno byłoby zrealizować
analogowo jest syntaza tablicowa (ang. wavetable synthesis)
CYFROWA SYNTEZA TABLICOWA
Dz
więk po przetworzeniu analogowo-cyfrowym jest zapisywany w
pamięci.
Generator, pobierając zapisane (ew. zmodyfikowane) próbki generuje
z nich finalny przebieg okresowy (określony dz
więk o założonym
spektogramie.
Ponieważ w danych tablicy zapisać można nawet bardzo złożone
relacje oraz dowolną długość to istnieje możliwość tworzenia
praktycznie dowolnych dz
więków.
Tablica 16 punktowa
Typowe wykorzystanie
tej techniki:
Wavetable crossfading
Wavetable stacking
Tablica 512 punktowa
Problem z doborem ilości
bitów na punkt tablicy
KLASYCZNE ROZWI
ZANIA
SYNTEZA FM
Ten algorytm syntezy
wynalazl John Chowning w
1967 (komercjalizacja w
kultowym Yamaha DX7)
W najprostszym przypadku,
generator jest
wykorzystywany do bardzo
szybkiej zmiany
czestotliwości generowanej
przez generator nośnej (ang.
carrier oscillator).
W bardziej złożonych
przypadkach
wykorzystywanych jest wiele
modulatorów oraz wiele
generatorów nośnej.
ZAPIS BAJTÓW W PLIKACH
Big endian (spotykane także
Big endian
First Second
grubokońcowość) to forma zapisu
First Second Third Fourth
file file
file file file file
danych, w której
byte byte
byte byte byte byte
najbardziej znaczÄ…cy bajt (zwany
też grubym bajtem, z ang. high-
order byte) umieszczony jest jako
pierwszy.
SPARC, Motorola 68000,
PowerPC 970, IBM System/360,
Siemens SIMATIC S7.
First Second
First Second Third Fourth
Little endian (spotykane także
Little endian
file file
file file file file
cienkokońcowość) to forma
byte byte
byte byte byte byte
zapisu danych, w której mniej
znaczący bajt (zwany też dolnym
bajtem, z ang. low-order byte)
umieszczony jest jako pierwszy.
wszystkie z rodziny x86, DEC
VAX.
FORMAT PLIKÓW RIFF - PREKURSOR
RIFF (ang. Resource Interchange File Format), format plików
przeznaczony do przechowywania danych multimedialnych, w
szczególności dz
więku (RIFF WAVE) i video (RIFF AVI). Format RIFF
został zaprojektowany przez firmę Microsoft.
Format RIFF opiera siÄ™ na oznakowanych blokach danych o podanej
długości (ang. chunks).
Każdy blok składa się z nagłówka i pola danych.
Nagłówek zawiera identyfikator bloku i długość pola danych. Identyfikator
(zwany też FourCC) to cztery bajty  litery w kodzie ASCII.
Następuje po nim 32-bitowa liczba bez znaku zapisana w formacie
little endian określająca długość pola danych w bajtach.
FORMAT PLIKÓW RIFF - CD
Plik w formacie RIFF składa się z bloku nadrzędnego o identyfikatorze
"RIFF", wewnątrz którego znajduje się 4-bajtowy identyfikator podformatu
(np. "WAVE"), a następnie bloki podrzędne, których identyfikatory, ilość,
kolejność występowania i zawartość pól danych zależą od podformatu. W
prawidłowo zbudowanym pliku RIFF długość bloku głównego jest równa
długości całego pliku pomniejszonego o 8. Konstrukcja formatu ogranicza
maksymalną długość pliku do 4 GB.
FORMAT WAVE
Opracowany przez Microsoft format zapisu audio  szczególny przypadek
specyfikacji RIFF.
WAVE bazuje na formacie RIFF, poszerzajÄ…c go o informacje o
strumieniu audio, takie jak użyty kodek, częstotliwość próbkowania czy
ilość kanałów.
Ogólna struktura pliku  nagłówek specyfikujący typ i rozmiar pliku,
szereg różnego rodzaju porcji (ang. chunks) opisujących struktur i wartoci
danych
W WAVE  obowiÄ…zkowe porcje typu  fmt  i  data ; segment formatu
musi poprzedza dane. Wszystkie liczby specyfikowane w porzÄ…dku od
najmłodszego do najstarszego bytu (ang. little endian).
Mimo że pliki WAVE mogą być zapisane przy użyciu dowolnych kodeków
audio, zazwyczaj stosuje się nieskompresowany format PCM, który
powoduje, że pliki zajmują dużo miejsca (około 172 kB na sekundę dla
jakości CD). Inną wadą formatu jest ograniczenie wielkości pliku do 4 GB,
ze względu na 32-bitowe zmienne.
BUDOWA FORMATU WAVE
FORMAT WAVE - CD
Dane próbek muszą się mieścić w parzystej liczbie bajtów
Próbki 8-bitowe s składowane jako liczby bez znaku: 0 .. 255
Próbki 16-bitowe s składowane jako liczby ze znakiem: -32768 .... 32767
Przykład: nagłówek pewnego pliku ma posta:
52 49 46 46 24 08 00 00 57 41 56 45 66 6d 74 20 10 00 00 00 01 00 02 00 22 56 00
00 88 58 01 00 04 00 10 00 64 61 74 61 00 08 00 00 00 00 00 00 24 17 1e f3 3c 13
3c 14 16 f9 18 f9 34 e7 23 a6 3c f2 24 f2 11 ce 1a 0d
EFEKTY Dy
WI
KOWE - PODSTAWY
Z natury samej definicji  efekty dz
więkowe wykorzystuje się do
manipulowania sygnałami audio, tak naturalnymi jak i
syntetycznymi.
W większości podział efektów dz
więkowych sprowadza się do
wyróżnienia 3 podstawowych grup, każda zawierająca wiele
typów modyfikacji dz
więku:
Modifikacje fazy (ang. Phase shifing)
Efekty przestrzenne (ang. Spatialisation effects)  polegajÄ… na
lokalizowaniu danego dz
więku w przestrzeni akustycznej.
Kształtowanie dynamiki dz
więku (ang. Dynamic range effects) 
polegają na mofyfikacjach zakresu dynamiki sygnału.
OPÓy
NIENIA I LINIE OPÓy
NIAJ
CE
Opóz
nienie i linie opóz
niajÄ…ce
stanowiÄ… podstawÄ™ wielu
popularnych efektów
dz
więkowych.
Składowymi typowej linii
opóz
niajÄ…cej sÄ…:
 Wejście i wyjście audio
 Element zapisujÄ…cy, odczytujÄ…cy
próbki sygnału audio z wejścia audio
i zapisujący go do pamięci.
 Pamięć, przechowująca próbki
 Element odczytujÄ…cy,
odczytujący próbki z pamięci i
wysyłający je na wyjście audio
(określane z angielskiego 'tap')
IMPLEMENTACJA LINII OPÓy
NIAJ
CYCH
Opóz
nienie polega na pobraniu/rejestracji dz
więku i
odtworzeniu do po pewnym okresie czasu. Wartość opóz
nienia
może się zmieniać od kilku milisekund do kilku sekund. Poniżej
przedstawiony jest schemat blokowy tzw. pojedynczego
opóz
nienia, który jest utożsamiany z prostym efektem echa.
IMPLEMENTACJA LINII OPÓy
NIAJ
CYCH - CD
Ponieważ efekt pojedynczego echa jest bardzo prosty to często
rozbudowuje się go poprzez zastosowanie sprzężenia zwrotnego
(rozwiązanie takie często jest nazywane regeneracją). Rozwiązanie
takie polega na pobieraniu opóz
nionego wyjściowego sygnału i
dodanie go do sygnału wejściowego. W takim układzie dz
więk może
być powtarzany w nieskończoność i za każdym powtórzeniem staje
się cichszy (jeżeli wzmocnienie pętli sprzężenia jest mniejsze od
jedności).
OPÓy
NIENIE TYPU MULTI-TAP
W pewnych sytuacjach stosowana jest bardziej elastyczna metoda
formowania opóz
nień w postaci techniki multi-taps.
W rozwiązaniu multi-ta , wyjściowy sygnał jest pobierany po całkowitym
opóz
nieniu dz
więku ale możliwe jest też pobieranie wyjściowego sygnału
tylko częścio oþóz
nionego sygnału do pętli sprzężenia zwrotnego. Układy
tego typu nazywane są z podaniem ilości tapów czyli cząstkowych opóz
nień.
Np. 3-tap oznacza trzy cząstkowe opóz
nienia, 4-tap cztery ...itd. Niechciane
wartości opóz
nień cząstkowych można usunąć poprzez ustawienie wartości
sygnału wyjściowego z tego  tap-a na zero. Różnice opóz
nień pomiędzy tap-
ami mogą być zróżnicowane, tj. nie musza być równe.
OPOy
NIENIE TYPU PING-PONG
Ping-pong delay wytwarza dżwięk oscylujący (ang. bouncing) a typowe
jego zastosowanie to balansowanie dz
wieki pomiędzy prawym a lewym
kanałem sygnału stereo.
Opóz
nienie ping-pong wykorzystuje dwie oddzielne linie opóz
niajÄ…ce a
sygnały wejściowe mogą być różne (kanały stereo) ale może być również
ten sam sygnał. Oba tory stosują wprowadzenie do pętli sprzężenia
zwrotnego sygnałów z sąsiedniego toru (a nie ze swojego własnego).
PODSTAWOWE EFEKTY Dy
WI
KOWE - CD
Efekty zmieniające charakter/ tembr sygnału muzycznego:
Efekty wykorzystujące linie opóz
niajÄ…ce:
 Phase shifter
 Flanger
 Chorus
Efekty wykorzystujące filtrowanie w dziedzinie czestotliwości:
 EQ
 Low pass, high pass
PRZESUWNIK FAZOWY (ANG. PHASER)
W przesuwniku fazowym specyficzne brzmienie uzyskiwane jest
poprzez tworzenie  wycięć (ang. notch) określonych
częstotliwości w spektrum częstotliwości.
 Wycięcia są tworzone poprzez proste filtrowanie sygnału i
miksowanie (łączenie) sygnału z wyjścia filtru z sygnałem
pierwotnym.
Filtry wykorzystywane w tym typie efektu sÄ… tak projektowane,
by była możliwość niezależnej kontroli położenia każdego
 wycięcia częstotliwości, liczby tych wycięć a nawet kontroli
szerokości widmowej  wycięcia
REALIZACJA EFEKTU PHASER
 Wycięcia częstotliwości, niezbędne dla osiągnięcia efektu
przesunięcia fazowego najczęściej realizuje się poprzez
zastosowanie grupy filtrów nazywanych filtrami przepustowymi
(ang. allpass filters)
Zgodnie z nazwą filtry te przenoszą wszystkie częstotliwości bez
ich tłumienia lub wzmacniania.
Jeśli podamy na wejście powyższego układu sygnał sinusoidalny, na
wyjściu odtworzony zostanie również sygnal sinus o tej samej amplitudzie.
Ilość sygnalu wyjściowego, dodawanego do sygnału pierwotnego
nazywana jest głębokością efektu (ang. depth) lub też wielkością mix-u.
Pytanie tylko, gdzie występuje zatem .... przesunięcie fazy ?????
FILTRY A FAZA SYGNAA
U WEJÅšCIOWEGO
Wszystkie realizacje filtrów wykazują cechę polegającą na
odpowiedzi fazowej, która zmienia się wraz z częstotliwością sygnału.
Najbardziej interesującą formą tej zmienności jest liniowa odpowiedz

fazowa. W tym przypadku, podwojenie częstotliwości oznacza
podwojenie wartości przesunięcia fazy. Długość fali o podwojonej
częstotliwości jest połową długości fali oryginalnej. To powoduje, że
wszystkie składowe częstotliwości są  ułożone w czasie co innymi
słowy oznacza opóz
nienie sygnału.
Wniosek: działanie filtrów typu  allpass prowadzi do czystego opóz
nienia
( bez sprzężeń zwrotnych lun miksowania z systemem pierwotnym)
WYKORZYSTANIE ALLPASS FILTRÓW
Analizując poprzednio omówiony przypadek liniowej zmiany fazy
(czyste opóz
nienie), faza przyjmuje wartości -180 stopni minus
wielokrotności 360 stopni (-180, -540, -900, -1260, etc.) w równo
rozłożonych odstępach częstotliwości. Po zmiksowaniu z sygnałem
pierwotnym, otrzymuke się  wycięcia częstotliwości w równo
rozłożonych odstępach na skali częstotliwości. Otrzymuje się
odmiane efektu przesunięcia fazy nazywanej flanger.
W przypadku stosowania filtru typu allpass, który wykazuje
nieliniową charakterystykę fazową, możliwa jest zmiana szerokości
 wycięcia częstotliwości oraz ustawienie tego  wycięcia dla
dowolnej częstotliwości.
PARAMETRY PRZESUNI
CIA FAZY
Depth (Mix/Level) - głębokość
Parametr depth kontroluje wielkość sygnału wejściowego,
dodawanego do pierwotnego dz
wieku. Kiedy parametr depth jest
ustawiony na 1 (lub 100%), wtedy notches zanikajÄ… do zera
Sweep Depth (Range) - zakres
Ten parametr jest wykorzystany do kontroli jak daleko w dół i w
górę skali częstotliwości przenoszą się notches. W pewnych
przypadkach mozliwe jest tez określenie tzw. częstotliwości
bazowej i od niej następuje kontrola zakresu  rozchodzenia się
wycieć (notches).