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本科毕业设计文献综述

电鸣乐器和合成器技术发展历史及原理简述

1. 正文

1.1 乐器分类法与电鸣乐器

人类自古以来就开始使用乐器创造音乐,是乐器塑造了音乐这一在时间上展开的声音艺术,更使得人之所以为人——具备了音乐性这一区别于其他物种的,独一无二的特质[1]。随着人类自然科学的发展和电现象的发现和利用,电作为能量和信息的载体运用于乐器,给乐器技术的发展带来巨大变化。

来自澳大利亚和德国的音乐学家Erich Moritz von Hornbostel和Curt Sachs所制定的Hornbostel–Sachs乐器分类体系是如今世界上最广为接受的乐器分类标准,这一体系在1940年首次定义了被称为Electrophone的乐器分类 [2] ,国家标准GB/T 23173 2008《乐器分类》参考了这一体系,并把这一类乐器Electrophone称为“电鸣乐器”[3]。此后,来自欧洲的在线乐器博物馆项目组织(MIMO Project)在2011年对Hornbostel–Sachs体系进行了修正,以使其更符合现实状况,适应乐器技术的进步。

在MIMO修正的Hornbostel–Sachs体系下,电鸣乐器(Electrophone)可被分为如下4种[4]

  1. 电声乐器(Electro-acoustic instruments):由声学构造振动并转换为电信号,如电吉他
  2. 电机械乐器(Electromechanical instruments):由机械运动产生电信号,如音轮风琴(Tonewheel Organ)
  3. 模拟电子乐器(Analogue electronic instruments):模拟电子电路构成的电子乐器,如模拟模块合成器
  4. 数字乐器(Digital instruments):数字电子电路构成的电子乐器,如采样器、数字合成器

笔者认为,相比于早先Curt Sachs将电鸣乐器分为electromechanical instruments和radioelectric instruments(对应如今的“电子乐器”)[2:1],以及国家标准GB/T 23173 2008将分为电声乐器、电子乐器和MIDI控制器三类[3:1],MIMO的分类方式是最精确、最符合时代发展现状的分类模式。

1.2 早期电鸣乐器技术发展

最早的用电发声的乐器可追溯至1759年,法国物理学家Jean-Baptiste Thillaie Delaborde发明了一种被称为Clavecin électrique的键盘乐器 [5] ,该乐器基于当时实验室的电击警铃改造,每一个音高分别对应一对音高相同的铃,分别以金属和丝绸材质的丝线悬挂在金属导体上,并将丝绸丝线悬挂的铃和控制部分金属导体连通,在每对铃中间以丝绸丝线悬挂金属摆锤,对悬挂金属体和控制部分金属导体同时施加电压,按下琴键后,控制部分金属导体由高电平转为接地,在电场力作用下,摆锤就会撞击铃[6] [7]

1896年,美国发明家Thaddeus Cahill发明了电传簧风琴(Telharmonium)[5:1] [8] ,“电传(Tel)”即用电话传输之意,得益于电话技术的发展,音乐会演出得以以电话这一新形式作为载体进行[9]。这一乐器在电鸣乐器发展史上具有重要里程碑意义,首先它使用了音轮(Tone wheel)技术,这与其后继者、风靡世界的爵士乐器哈蒙德B-3风琴(Hammond B-3 Organ)一致,这种技术通过一种边缘带锯齿并带有磁性的盘状装置,称为音轮(Tone wheel),通过交流电机驱动其旋转,而后将内置有线圈的拾音器(Pickup)靠近音轮,由于音轮边缘的呈锯齿状,音轮周围磁场强度分布不均,音轮的旋转使得线圈内的磁场强度不断变化,从而在线圈内产生感应电流[10]。其次,其还继承了管风琴(Pipe Organ)通过拉动音栓拉杆改变各个泛音的强度以改变其音色的设计,其本质实际为加法合成(Additive Synthesis)技术,这也为加法电子合成器的设计思路提供了重要参考。

1.3 早期合成器技术发展

20世纪30年代晚期,哈蒙德风琴公司开发了新和弦琴(Novachord),与电传簧风琴(Telharmonium)不同的是,它使用了电子管振荡电路作为振荡源——一种单稳态电子管振荡电路,共使用72个压控放大器(VCA)和146个电子管[11],允许演奏者同时演奏72个音符,是现代合成器复音(Polyphony)技术的雏形。[5:2] 1945年,加拿大物理学家Hugh Le Caine制作出了Electronic sackbut,这一乐器开创性地使用一种新的控制方式——演奏者在用右手弹奏的同时,通过左手对声音进行控制修改,这成为现代合成器键盘左侧调制轮的雏形。

第一台真正意义上的电子合成器出现于1955,美国无线电集团(RCA)开发了Mark I和Mark II。类似早期模拟计算机,其完全使用电子管作为元件,体积非常庞大。Mark I为12个音每个音高都使用了独立的振荡电路,且以打孔纸带存储回放的音符信息,与纸带接触的地方装有电刷,当带孔的纸带穿过机器时,电刷会透过纸张与下方的导体形成通路,以触发相应的振荡电路开关。透过主要工程师之一Harry Olson对于Mark I工程的文章[12]和书[13],我们可以看到很多现代合成器的影子。Harry Olson认为,一个声音只要确定了相应的属性,如频率Frequency、强度Intensity、Growth/Steady State/Decay/Duration、滑音Portamento、音色Timbre,就能完全确定一个声音,并在合成器上将它还原出来,尤其是其中被称为Growth、Steady State、Decay、Duration的四种声音时域上的属性,就是后世ADSR(Attack Decay Sustain Release) Envelope的雏形。打孔纸带被设计可用容纳两个音轨,每一个音轨共有5个栏目——频率Freq、八度Octave、包络Envel、音色Timbre、音量Volume,每个栏目的每一列可以容纳4位二进制数字,这与今天的MIDI的设计思维有许多相似之处。通过文章中的基本结构框图,还能发现其使用了滤波器、调制器、包络控制器等一系列声音处理电路,达到上述控制声音各个属性的目的,这已经非常类似于如今的减法合成(Subtractive synthesis)技术了。

RCA Mark I和Mark II庞大的体积和高昂的成本使其注定无法普及。1959年,德国工程师Harald Bode开创了模块化合成器(Modular Synthesizer)的概念,制造出世界上第一台模块化合成器。所谓模块化,即将合成器面板分成不同功能的模块(Modules),允许用户以接线的方式形成符合自己功能要求的功能组合(称为Patch)。他还首次使用晶体管代替合成器电路中的电子管。这些成果被发表在一篇1961年的文章上[14]。其后,著名合成器先驱者,被誉为“合成器之父”的Robert Moog受Harald Bode的启发[5:3],创造了世界上第一台商用合成器。Moog的一系列模块合成器在问世后变得极为受欢迎,其声音可在当时许多著名摇滚乐队如The Beatles、Pink Floyd的唱片中被听到。 Moog不仅将模块化合成器发扬光大,还发展了一些影响极其深刻的重要技术概念,如压控振荡器(VCO),即带输入端口 ,允许通过电压控制振荡器输出频率以控制音高的振荡器。Moog规定,电压每变化1V,音高变化一个八度,这与一其他系列合成器基础概念和标准,如Moog合成器中第一次被使用的ADSR Envelop机制,以及第一次被安装在在键盘左侧的弯音轮(Pitch Wheel)等等,成为模拟模块化合成器乃至数字合成器领域的通用标准,并一直沿用至今。

Moog的合成器获得巨大成功后,Buchla、ARP和Roland等厂商紧随其后,发布了更多价格更低的模拟合成器产品与Moog公司竞争,模块化合成器得以大范围普及开来。

1.4 数字合成器技术简述

数字合成器得益于集成电路技术尤其是数字集成电路技术的发展而出现。1978年,美国Sequential Circuits公司开发出一台带有数字可编程记忆体(Programmable Memory)存储功能的模拟合成器Prophet-5,从此,用户可以通过存储在记忆体中的数据还原曾经的Patch,解决了模拟合成器的Patch一旦打乱就无法被精确还原的问题。1979年,具有划时代意义的一台设备诞生了——Fairlight CMI,其中CMI的全称为Computer Musical Instrument,即意为计算机乐器。这是一台完全基于计算机微控制器技术的电子乐器,同时,它还是数字采样乐器(Sampler)的鼻祖之一,鉴于两位发明者Kim Ryrie和Peter Vogel对它的前身Qasar M8的音色质量感到不满意,于是想通过采样的方式获得当时数字合成技术无法产生的复杂波形,结果在无意间做出了一台数字采样乐器。[15]更令人惊讶的是,这台设备增强了内置音序器的功能,使其成为了现代计算机上运行的数字音频工作站(DAW, Digital Audio Workstation)软件的雏形,它可直接用一种称为“光笔(Light Pen)”的CRT显示器触摸输入设备与之交互,直接编辑计算机屏幕上的音符和控制信号等信息。

1982年,为了响应数字乐器间进行通讯和同步演奏的需求,在Roland公司的创始人梯郁太郎的牵头下,MIDI标准得以建立,MIDI即音乐器械数字接口(Musical Instrument Digital Interface),它定义了数字乐器间进行音符数据交换的标准——下至插槽机械特性、引脚功能特性,上至通讯协议。它利用了5pin的标准DIN连接器,但只使用了其中的两个引脚作为数据通信之用。MIDI基于UART串口协议,但只允许单工通信,故双向通信需要两条MIDI线缆。MIDI传输的字节类型被分位状态字节和数据字节两种,由该字节的最高位(MSB)决定。每一串MIDI数据含3个字节,其中第一个为状态字节,后两个为数据字节,状态字节在自最高位起第2-4位传递了状态信息,如传递的是音符信号,则会将第2-3位置0,并将第4位设置为音符的开/闭状态信息,并在在随后的两个数据字节中分别传递音符编号和力度值。除此之外,MIDI还预留了状态字节的低4位传递通道信息,故MIDI标准共允许16个通道在一条MIDI线缆上同时传输。同时MIDI也定义了一种电子乐谱存储格式标准,其不仅作为现在不同数字音频工作站(DAW)之间进行乐谱数据交换的通用格式,也在上世纪90年代网络带宽不足以支撑音频传输时,作为网络传输音乐的主要格式。[16] [17] [18]笔者认为,MIDI技术的意义不仅仅在于数字乐器之间的通信,更重要的是,他促进了合成器发声功能和控制功能的分离,产生了一种新设备——MIDI控制器(MIDI键盘)。在笔者看来,MIDI控制器(MIDI键盘)本质上是合成器的控制功能分离的产物,分离后,合成器和采样乐器的外观可以不再是“琴”,而是“铁盒”,使得它们可以被很方便地携带或塞入机架中,更重要的是,被分离的控制功能模块使得数字乐器虚拟化为软件形式的构想得以实现。

1983年,Yamaha开发出的数字合成器——DX7,获得了巨大的商业成功。DX7是第一台将液晶(LCD)技术用于显示的合成器产品。因此,在操作方式上,与以往的合成器布满旋钮的操作面板不同,DX7大大缩减了实体旋钮数量,相应功能改为在液晶屏的菜单中显示,这一设计使许多使用者认为大大增加了操作难度,正是因为如此,许多制作人开始使用预置而非自己制作音色,其中最有名的预置音色莫过于"电钢琴一号(E PIANO 1)"音色,这一音色在上世纪80年代相当多的流行音乐中可以听到[19]。该设备完全基于频率调制合成(FM synthesis)技术产生声音。FM,即用调制信号的幅值控制载波信号的频率。在合成器中,FM中可为音色创造谐波,为原本比较“干净”的音色制造“纹理”的质感。尤其当调制信号与载波信号频率不呈整数比时,将为音色创造非常丰富的谐波。在如今的电子舞曲(EDM)的US Dubstep等Bass Music风格中,这一技术常被用于制造充满“肮脏感”的Growl Bass音色。

同样是在20世纪80年代,另一家日本公司——Roland发售了TR-808,这是一款在电子舞曲和嘻哈音乐发展历史上具有极其重要地位的鼓机(Drum Machine)。对于TR-808的诞生,可回溯到日本发明家、工程师、Roland创始人梯郁太郎在1967年制造的一台基于二极管矩阵电路的 可根据预置生成节奏的鼓机(Drum Machine)FR-1上,FR-1提供了16个预置节奏,和4种预置音色(分别为cymbal, claves, cowbell, bass drum)。TR-808不同于FR-1的预置节奏,首次允许用户自己为鼓机编写节奏。不像同时代的其他公司更昂贵的的鼓机产品所使用的回放采样的产生声音的方式,TR-808依然使用模拟减法合成技术。作为TR-808的后继者,TR-909发布于1983年,相比于TR-808,TR-909新增了用采样产生声音的方式,还新增了MIDI支持,是Roland公司第一台支持MIDI技术的鼓机。与此同时,在1981年,Roland还推出了同样有重要影响的合成器TB-303,这是一款专门用于产生低音线条(Bass Line)的低音合成器/贝斯合成器(Bass Synthesizer),TB-303最著名的特征功能莫过于其滤波器共振(Filter Resonance),向上拉动Resonance旋钮至一定值后,再反复扭动滤波器的截止频率(Cutoff)旋钮,就能产生一种被称为”酸性(Acid)“质感的音色。TB-303与TR-808、TR-909一起,直接促成了20世纪80年代中后期电子舞曲文化的繁荣,作为现代4/4拍电子舞曲主要流派的浩室(House)和铁克诺(Techno)的始祖芝加哥浩室(Chicago House)底特律铁克诺(Detroit Techno)的就诞生于此时,它们大量使用了TR-808、TR-909的内置音色,而TB-303更是促成了早期电子舞曲中许多”酸性“风格的诞生,如Acid House、Acid Trance等。遗憾的是,尽管这三款电子乐器对电子舞曲乃至流行音乐发展历史产生了如此大的影响,在它们刚推出时却遭遇了商业失败,直到后来它们被当作“电子垃圾”飘洋过海来到美国,被美国地下音乐人重新发掘后,才焕发出耀眼的光芒。

1.5 软件合成器技术简述

合成器的发展迎来了计算机技术飞速发展的曙光。大量完全基于通用计算机平台的软件合成器出现了,同时也有大量经典的模拟和数字实体合成器,如Minimoog等,被软件复刻。作为Windows内置播放器Windows Media Player播放MIDI文件和Overture打谱软件4.0版本播放乐谱的默认音源,Windows内置的Microsoft GS Wavetable Synthesizer是一个早期软件数字乐器的典型。它来自Roland用软件复刻的其自1991年起发售的Sound Canvas系列机架采样硬音源,并在1996年授权给了Microsoft[20]。1997年,Propellerhead Software,即今天著名数字音频工作站软件Reason的出品商,发布了第一个真正意义上的软件合成器ReBirth [21],复刻了Roland公司的TB-303、TR-808、TR-909[22]。1999年,Steinberg公司发布了VSTi标准,并首次在其数字音频工作站软件Cubase中开始使用[23] [24],该标准如今成为音频工程领域发布和使用软件乐器最为通用的行业标准。如今,市场上已有大量软件合成器出现。著名的有Massive、Sylenth 1、Serum。其中,由Xfer Records出品的Serum合成器几乎是今天电子音乐卧室制作人的首要选择。观察其操作界面可以发现,它和早期Moog时代的模组合成器一脉相承的,只是控制/调制信号的连接由繁复的接线变成了便利的鼠标拖动。

2. 参考文献


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