Az FM-szintézis újrafelfedezése - a Korg OPSIX SE
2024-04-29 18:53
A Yamaha 1983-ban, néhány előfutára után, megjelentette a híres DX7-es szintetizátort, amely máig vezet a legtöbbet eladott szintik versenyében. Ebben a forradalmi FM-szintézis dolgozott, 6 db, „operátor”-nak nevezett szinuszgenerátorral és 32 „algoritmussal”, amelyekkel különböző módon lehetett e kis építőköveket összekapcsolni.
A hangszer örökre beírta magát a ‘80-as évek könnyűzenéjének történetébe. Az újszerű, karakteres hangzása mellett az is hozzájárult ehhez, hogy kevesen tudták programozni, így a kiváló gyári hangszínek – tulajdonképpen kényszerű – ismétlődő használata gyorsan stílusjeggyé vált az új dalokban.
A problémás programozásnak két oka volt: a gyönyörű, de nem túl barátságos kezelőfelület, és a lényeg, az FM-szintézis szokatlansága és bonyolultsága az akkori zenészek számára. Ez a helyzet az utóbbi évekig fennállt, ami nem csoda: erről a kifinomult hangszintézisről igazán mélyen ma is csak egyetemen lehet tanulni. Hiszen onnan is indult ki.
AZ FM-SZINTÉZIS TÖRTÉNETE
Az FM-szintézis alapja a vibrato. Ezt a zenei effektust nagyon régóta ismerjük, alkalmazzák az énekesek és szinte minden hangszeres zenész, aki képes arra, hogy egy hang magasságát finoman ingadoztassa. Szép művészi kifejezőeszköz, ha nem viszik túlzásba. Egy határt elérve ugyanis már kellemetlenné válik, inkább valamiféle szirénázásra kezd hasonlítani. Minden bizonnyal emiatt nem is jutott eszébe senkinek még jobban fokozni, megálltak egy határnál.
Nem így a fiatal különc adjunktus, John Chowning zeneszerző, aki 1967-ben egy este kísérletezett a kaliforniai Stanford Egyetem számítógépes laborjában. (A számítógépek akkoriban szekrényméretűek voltak és lyukkártyákkal programozták őket.) Elektronikus vibratót hozott létre: két egyszerű szinuszhullámmal – egyik a vivő, amelynek állandó hangmagasságát a másik, a modulátor ingadoztatta. Véletlenül rájött, hogy a sebesség mesterséges növelésével olyan gyors, emberfeletti vibratót tud létrehozni, hogy már nem is hallja az eredeti csúszkáló hangot, hanem új, összetett hangok keletkeznek. Ezek több részhangból (szinuszhangból) álló, harmonikus vagy inharmonikus hangzások lehetnek: az eredmény a moduláció gyorsaságától és erősségétől függ. Azokat szabályozva a legkülönfélébb hangszínek hozhatók létre. Elnevezte a módszert frekvenciamodulációs (FM) szintézisnek, és tisztában volt vele, hogy valószínűleg ő az első ember a világon, aki valaha hallotta ezeket a hangokat.
Chowning – lévén zeneszerző és nem üzletember – jelképes 1 dollárért adta át szabadalma hasznosítását a Stanford Egyetemnek. Az egyetem megpróbálta amerikai hangszergyártóknak felkelteni a figyelmét, de akkoriban senkit sem érdekelt. Végül, 1974-ben utolsóként fordultak a Yamahához, mely már kereste a jövő hangzásának lehetőségeit, azonnal megértette a módszer jelentőségét, licensz-szerződést kötöttek, majd 9(!) évre rá, a közös aprólékos és zseniális technológiai fejlesztések eredményeként 1983-ban hozták ki a DX7-es szintetizátort. Megérte csiszolni az elképzeléseket. Az új, vonzó külsejű billentyűs hangszer az FM-szintézis minden lehetőségét tartalmazta egy kis Intel chipre integrálva, 16-hang polifón volt és 32 hangszínprogramot tudott eltárolni, kiváló hangminőségét híres zenészek dicsérték – ezek abban az időben forradalmi újdonságok voltak. A DX7 a világ legkelendőbb szintetizátora lett, később az FM-szintézis megjelent PC-kben, hangkártyákon, telefonokban és játékkonzolokon, az összes nagy gyártó alkalmazta. A szabadalom dollármilliókat hozott a Stanford Egyetemnek és a Yamahának.
AZ FM-SZINTÉZIS ELVE
Fontos, hogy Chowning zenészként, teljes mértékben füllel, hallás után fedezte fel ezt a hangszintézist. Semmit sem tudott akkor a mögötte rejlő matematikáról, nem is volt rá szükség. A később részletesen tanulmányozott összefüggések alapján jött rá az eljárás fontosságára, amit mások akkor nem láttak: hogy valós hangszerek nagyon pontos digitális utánzására használható és egy új hangzásvilágot nyithat a zenészek számára. A természetes hangoknál megfigyelhetjük, hogy a hangerő növekedése általában fényesebb, világosabb hangszínt okoz (több/erősebb részhangot hallunk). Például ütőhangszereknél, vonósoknál, fúvósoknál, vagy az énekhangnál. Ezt a jelenséget FM-szintézissel jobban meg lehet közelíteni, mint pl. egy a szubtraktív szintézisben alkalmazott aluláteresztő szűrő nyitásával. Más hangszínváltozást eredményeznek.
Az FM-hangszintézis lényege: kellően gyors és erős frekvenciamoduláció esetén az eredeti hangmagasság (vagyis, a vivőfrekvencia) mellett egyszerre mélyebb és magasabb hangok (szinuszos részhangok) jelennek meg szimmetrikusan, több párban egymás után, ezek az ún. oldalfrekvenciák. Helyzetük kiszámítható: a vivőfrekvenciához hozzá is kell adni és el is kell belőle venni a moduláló frekvenciát, majd annak 2-szeresét, 3-szorosát, 4-szeresét. Ezeknek a részhangoknak az összessége, a távolsága és erőssége határozza meg a spektrumot és a hallott hangszínt.
Frekvencia-moduláció: a vivőfrekvencia középen és két pár oldalfrekvencia
(számítógépes spektrumanalizátorban, Max szoftver)
1. Távolságuk: Hogy ezek a részhangok milyen távolságra vannak az eredeti hangmagasságtól és egymástól, az attól függ, hogy a moduláló frekvencia milyen arányban van az eredeti hangmagassággal. Arányukat „harmonicitási arány”-nak hívjuk. Ha ez az arány racionális, vagyis két egész szám hányadosaként kifejezhető (pl. 1:2, 2:5, 3:4 stb.), akkor a részhangok által alkotott spektrum harmonikus lesz (a részhangok frekvenciaarányai is kifejezhetők egész számmal). Ha viszont az eredeti hangmagasság és a moduláló frekvencia aránya irracionális, vagyis két egész szám hányadosaként nem fejezhető ki, akkor a keletkező spektrum inharmonikus lesz (a részhangok frekvenciaaránya sem fejezhető ki egész számokkal).
2. Erősségük: Hogy a részhangok milyen erősek, az a moduláló amplitúdótól függ. Pontos viselkedésüket a gyönyörű Bessel-függvényekből lehet levezetni a „modulációs index” használatával (mely a vivőfrekvencia eltérésének és a moduláló frekvenciának a hányadosa), ezeket itt nem részletezem. A lényeg, hogy minél erősebb a moduláció, annál több távolabbi részhang erősödik fel és vesz részt a hangzásban – de közben az összes amplitúdó nagysága periodikusan változik és finoman csökken.
A moduláció erősségének növelésével új részhangok (3, majd 4 pár oldalfrekvencia) jelennek meg
A moduláció gyorsaságának növelésével a részhang-távolságok növekednek
3. Fontos megjegyezni, hogy a végső spektrumot úgynevezett álfrekvenciák megjelenése is alakíthatja. Ez akkor fordul elő, ha egy részhang számított frekvenciaértéke vagy negatív tartományba esne, illetve, épp az ellenkező irányban, túllépné a digitális rendszerünkben használt mintavételi frekvencia felét (pl. a 41 kHz felét, a hallástartományunk körülbelüli felső határát). Ezek a frekvenciaértékek „tükröződve” jelennek meg a vizsgált tartomány határaira (0 és 22050 Hz), melyeken túlléptek volna, és a fázisuk ellentétesre vált. A tükröződő frekvenciák bizonyos esetekben (pl. harmonikus hangszíneknél) egybeeshetnek a spektrum többi, pozitív frekvenciáival, így befolyásolhatják azok erejét, a struktúrát. Más esetekben (inharmonikus hangszíneknél) a tükröződő frekvenciák nem esnek egybe a spektrum többi részével, hanem önálló részhangokként szólalnak meg és komplexebb struktúrát eredményeznek.
Példa harmonikus hangszín kialakulására a visszatükröződő frekvenciák miatt
(Fc = 1000 Hz, Fm = 2000 Hz, Mod.ind. = 2, logaritmikus amplitúdókijelzés)
Példa inharmonikus hangszín kialakulására a visszatükröződő frekvenciák miatt
(Fc = 1000 Hz, Fm = 850 Hz, Mod.ind. = 1.6, logaritmikus amplitúdókijelzés)
FM-szintézissel néhány egyszerű paramétert meghatározva és időben változtatva olyan, pl. természetes hatású, dinamikusan változó, komplex hangokat lehet előállítani, amiket más módon nem. A módszer analóg szintézissel is használható, de nehézkes és korlátozott. Igazi szépsége a digitális rendszereken mutatkozik meg.
A HANGSZER FELÉPÍTÉSE
A Korg a fenti szintézismódszert tette mindenki számára használhatóvá az OPSIX-ben. Ilyen pontos hangszínalkotáshoz nagyon pontos oszcillátorok kellenek, ezt páratlanul jól oldották meg. Először is, az oszcillátorok frekvenciája nagyon széles tartományban és nagyon finoman beállítható (1/100-ad Herz pontossággal, amit önmagában füllel már nem hallani, de az FM-szintézisnél nagyon jó szolgálatot tesz). Hangolhatók szabadon is, vagy pedig a billentyűn lenyomott hangmagassághoz arányítva (magasabbra: annak 2x, 3x, 4x-eres stb. értékeire, vagy mélyebbre: 1/2, 1/4 stb. értékekre). Ez a gyors és pontos „arányhangolás” óriási segítség a különböző harmonikus és inharmonikus FM-hangszínek kikeverésében. És miközben tűpontosak az oszcillátorok, a fázisuk véletlenszerű is lehet, ami lehetővé teszi a digitális voltuk ellenére a sokkal organikusabb megszólalást.
Tűpontosan hangolható oszcillátorok
Az egészet megfejelték egy vadonatúj koncepciójú „operátorkeverővel”, ami pofonegyszerűvé teszi a 6 operátor hangmagasságának és hangerejének beállítását és közvetlen megváltoztatását. Még színes LED-ek is segítik a tájékozódást. Ne felejtsük el: ez a hangszín lelke, tehát gyakorlatilag egy „hangszínkeverőt” kapunk! Nagyon érzékenyen beavatkozhatunk játék közben a hangszínbe, ezáltal rendkívül kifejező hatásokat lehet elérni. Nemcsak a szubtraktív szintetizátorokon megszokott szűréssel (cutoff-tekergetés), hanem másfajta úton is lehet a spektrális összetevőket kényelmesen változtatni, akár „növeszteni”, egyszerűen. Az architektúra egyedülálló hangszín-átalakítási lehetőségeket rejt magában. Filmzeneszerzők, elektronikus zenészek: figyelem!
Operátorkeverő
Az egész kezelőfelület (user interface) egyébként is nagyon jól ki van találva. Letisztult, karakteres és kényelmesen használható, miközben rengeteg paraméter hozzáférését teszi lehetővé. Természetesen, a kevés kezelőszerv és a sok lehetőség miatt a paraméterek csoportokba vannak szervezve, de ez a menürendszer sokkal barátságosabb, mint például a Yamaha DX7-esen volt.
A kis monokróm kijelző nemcsak a paramétereket mutatja „kiterítve”, hanem az Analyzer gombbal nagyon hasznos grafikus információkat is közöl, megmutatja az aktuális hangzás hullámformáját (szabatos neve: rezgésgörbe) és spektrumát (színkép), vagyis, szinuszos összetevőit. Igen, ezek azok a részhangok, amelyekről fentebb szó volt, ezek alkotják a hangszínt, időbeli változásuk pedig annak mozgását okozzák. Itt egy kicsit örültem volna részletesebb spektrumábrának (ez inkább csak tájékoztató jellegű), illetve annak, ha a logaritmikus helyett lineáris módba is állítható – de úgysem tudnám megállni, hogy a szintit rendes külső, számítógépes analizátorra kössem... Mégis, úgy látom, ez a kijelző is hasznos lehet, növelheti a tudatosságot a hangszínekkel kapcsolatban a zenészek körében. A látvány és a hang összekapcsolódásával magyarázatot kaphatunk a hangzás átfogó változásaira, tendenciáira.
Spektrumanalizátor
A hangszer lehetőségeit nem akarom tételesen felsorolni, mert nehezen férne el, csak a legkiemelkedőbbeket. A legfontosabb, hogy egy „alterált FM-szinti”, a Korg megint újítóként lépett fel, amivel több legyet is ütöttek egy csapásra. Egy új hangszerfelépítést találtak ki, amivel az OPSIX minden tekintetben túlszárnyalja a DX7-es rendszerét. Itt a 6 operátor sokféle hullámformát, nagyfelbontású változatokat, és színes zajokat is használhat, és 40 gyári (+1 saját) algoritmusba rendezhető. Túl is léptek a hagyományos FM-szintézisen, amplitúdó- és ringmoduláció (AM–RM), szűrőfrekvencia-moduláció (Filter FM) és wavefolding stb. is a rendelkezésünkre áll – már ezek miatt is felcsillan a szeme és hegyesedik a füle az elektroakusztikus zenésznek vagy a sound designernek. Rengeteg szűrőmodell van (a híres MS–20 és Polysix is), és számtalan modulációs lehetőség, közös burkológörbe-generátorokkal, különleges LFO-kkal és Virtual Patch-ekkel (még a négyfázisú ADSR burkológörbék egyes fázisait is alakíthatjuk külön-külön, akár operátoronként, igen érdekes hatásokat keltve). Végül 3 effektprocesszor nagyon sokféle lehetőséggel: modulációs effektek, erősítőszimuláció, szinkronizált késleltetők, zengetők stb. Arpeggiator, polifonikus szekvenszer, mely a paraméterek menet közbeni mozgatását is felveszi (motion sequence). Az SST-vel szép átmenetekkel lehet váltani a hangszínek között (Smooth Sound Transition). 6 különböző operátort is szét lehet osztani a billentyűzetre. Kényelmesek a Favorit-gombok, 4 csoportban (Bank), színnel jelölve.
Modulálható ADSR-burkológörbék
Van a szintinek egy dobókocka-gombja is, amellyel véletlenszerűen új hangszíneket készíthetünk! Pontosan meghatározható, hogy csak mely paraméterek változzanak, így vagy teljesen új hangzásokat, vagy akár egy tetsző hangzás variációit hozhatjuk létre, gombnyomásra, korlátlan mennyiségben.
Új hangszínek gombnyomásra
Az OPSIX SE hangszer könnyű, fizikailag jó minőségű, és jár vele egy profi gyári keménytok! Ezzel a jobb billentyűzettel könnyebb megszólaltatni a híres FM-zongorákat. Az aftertouch plusz modulációs forrást ad a billentyűs játék közben és MIDI-n is küldhető.
Hangilag, az eleve ikonikus alapkarakterén túl sok más területre is lehetőséget ad, izgalmas felfedezésre és újrafelfedezésre vár vele az FM- és a többi szintézis. Nekem elsőre a hangzás tiszta szépsége tűnt fel – de nem olyan csengő, üvegszerű, mint a DX7, hanem neutrálisabb és sokszínűbb.
Én a kis külső tápegységek helyett a robosztusabb kivitelű dolgokat szeretem, elsősorban természetesen a beépített tápot, és a fejhallgató-kimenet kényelmesebb lenne oldalt, mint hátul – de ez is ízlés dolga. A hátsó kimenetek felirata pedig jól jönne az előlapon is, de megértem, hogy a letisztultságot zavarná.
KONKLÚZIÓ
Összegezve, a Korg nem is csinálhatta volna jobban. Újra kézbe adta az FM-szintézist mindenkinek úgy, hogy azt intuitív módon, ráérzéssel is lehet használni, tehát a zenészek, zeneszerzők, hangszínkészítők sokkal könnyebben elérhetnek új hangzásokat – még akkor is, ha nem tudják, mi az FM-szintézis vagy hogy működik. Pusztán kísérletezéssel, „fülre”, ahogy John Chowning professzor is felfedezte.
Chowningnak mást is köszönhetünk. Hagyományosan gondolkodó tanszéki kollégái kezdetben kinevették, azt mondták, a gépekkel dehumanizálja a zenét, mire az volt a válasza, hogy talán inkább ez a számítógépek humanizálása. Neki lett igaza.
Részt vett két világelső zenei kutatóközpont, a párizsi IRCAM és az amerikai CCRMA megalapításában. A kitartása és kreatív szellemisége is része annak, hogy a számítógépet elfogadták és mára mindenhol alkalmazzák a zenében. Chowning tanítványai követték őt, kibővítették munkáját az egyetemen. A professzor ma is él, és nyitottan gondolkodik a zenéről. Az elektronikus zene egyik legnagyobb úttörőjeként tartják számon, ő azonban elsősorban zeneszerzőként tekint magára. Bár alig komponált, darabjai mérföldkövek. Szerényen úgy nyilatkozik, hogy nem „feltalálta”, hanem csak „felfedezte” az FM-szintézist.
Az FM-szintézis története sorsszerű, és a kitartásról is szól: 1.) Chowning gyerekkorában hegedült, majd „véletlenül” ajánlotta neki egy tanár az ütőhangszereket, ami utána meghatározta hangemlékeit, hangi képzeletét – és ez segítségére volt az FM-hangszínek felfedezésében. 2.) „Véletlenül” hallotta fiatalon Párizsban egy avantgárd koncerten Stockhausen 4-csatornás, térhangzású darabját, amelynek hatására zeneszerzőként vonzódni kezdett az elektroakusztikus zene felé – ezért tanult meg aztán programozni és folytatott akusztikai tanulmányokat. 3.) Doktoranduszként „véletlenül” olvasott egy tudományos cikket a Science folyóiratban (Max Matthews tollából!), hogy a számítógép állítólag bármilyen elképzelhető hangot képes kiadni – és ez nem hagyta nyugodni, míg ki nem tudta próbálni. Az elutasítások ellenére évekig kitartott elképzelése mellett és komoly erőfeszítéseket tett, képezte magát, úttörőként dolgozott, nem adta fel. 4.) Az egyetemi laborban kísérletezés közben „véletlenül” állította úgy be az értékeket, hogy a számítógép addig a Földön soha nem hallott hangzásokat produkált – ebből lett az FM-szintézis szabadalma.
Túl sok itt a „véletlen” – amikről tudjuk, hogy nincsenek. Nem lehet, hogy egy terv részeit látjuk?
Janca Ákos
zeneszerző, médiaművész
akosjanca.com
