Analogowa synteza dźwięku na komputerze: 10 kroków (ze zdjęciami)

2025 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2025-01-13 06:58

Jak brzmienie tych starych syntezatorów analogowych? Chcesz grać z jednym w swoim czasie, we własnym miejscu, tak długo, jak chcesz, ZA DARMO? Oto, gdzie spełniają się Twoje najdziksze marzenia o Moogu. Możesz stać się artystą nagrywającym muzykę elektroniczną lub po prostu tworzyć fajne, odlotowe dźwięki do słuchania na swoim odtwarzaczu mp3. Wszystko czego potrzebujesz to komputer! Wszystko to odbywa się dzięki magii darmowego symulatora obwodów o nazwie LTSpice. Teraz wiem, że prawdopodobnie mówisz „Gee willikers, Tyler, nie wiem nic o prowadzeniu symulatora toru – to brzmi DUŻO!”. Nie martw się, Bunky! To proste, a dam ci kilka szablonów na początek i zmodyfikuję je, aby uzyskać dowolne dziwne dźwięki. Nie jesteś pewien, czy jest to warte wysiłku? Oto link do gotowego do odtworzenia pliku dźwiękowego (jest zrobiony z „composition_1.asc” w kroku 7 tej instrukcji), który możesz wypróbować. Przekonwertowałem go z.wav na mp3, aby skrócić czas pobierania. https://www.rehorst.com/mrehorst/instructables/composition_1.mp3W dźwięku jest trochę niskiego basu, więc słuchaj przez słuchawki lub dobre głośniki. Jeśli podoba Ci się to, co widzisz, zagłosuj na mnie! Uwaga: Mam załączone pliki schematów dla LTSpice, które możesz uruchomić na swoim komputerze, ale z jakiegoś powodu podczas próby ich pobrania zmieniają się nazwy i rozszerzenia. Zawartość plików wygląda OK, więc po pobraniu plików wystarczy zmienić nazwy i rozszerzenia i powinny działać. Prawidłowe nazwy i rozszerzenia są wyświetlane na ikonach, które klikasz, aby pobrać.

Krok 1: Najpierw najważniejsze rzeczy

LTSpice to program dla systemu Windows, ale nie pozwól, aby cię to zniechęciło. Działa dobrze pod Wine w Linuksie. Podejrzewam, że nie ma problemów z uruchomieniem go w kliencie VMWare, VirtualBox lub innych narzędziach do wirtualizacji pod linuxem i prawdopodobnie również na komputerach Mac. Pobierz kopię LTSpice dla Windows (ugh!) tutaj: https://www.linear.com/ designtools/software/ltspice.jspZainstaluj go. Co to jest LTSpice? Jest to symulator obwodów w dziedzinie czasu, z którego każdy hobbysta elektroniki powinien wiedzieć, jak go używać. Nie będę tu przedstawiał szczegółowego samouczka, jak to działa, ale wyjaśnię kilka rzeczy, o których będziesz musiał wiedzieć w dalszej części. Jedno słowo ostrzeżenia - łatwo można wytworzyć zbyt niskie częstotliwości lub zbyt wysoko, by słyszeć. Jeśli to zrobisz i napędzasz swoje drogie głośniki wzmacniaczem o dużej mocy, możesz po prostu wysadzić głośniki/wzmacniacz na kawałki. ZAWSZE patrz na przebiegi przed ich odtworzeniem i uważaj, aby ograniczyć głośność podczas odtwarzania pliku po raz pierwszy, aby być bezpiecznym. Zawsze dobrze jest odtwarzać pliki przez tanie słuchawki przy niskiej głośności przed wypróbowaniem głośników.

Krok 2: Wejście

Dane wejściowe do symulatora mają postać schematu ideowego. Wybierasz komponenty, umieszczasz je na schemacie, a następnie łączysz je ze sobą. Gdy obwód jest gotowy, mówisz symulatorowi, jak chcesz, aby symulował obwód i jakiego rodzaju wyjście chcesz. Spójrz na schemat o nazwie rezystory.asc. Zobaczysz, że istnieje obwód, który zawiera źródło napięcia, parę rezystorów, oznaczony węzeł wyjściowy, masę i tekstową linię poleceń. Przyjrzyjmy się każdemu z nich. Teraz jest dobry moment, aby otworzyć plik obwodu, do którego link znajduje się poniżej. Podłoże: Jest to NAJBARDZIEJ KRYTYCZNY komponent na twoim schemacie. MUSISZ mieć uziemienie podłączone do co najmniej jednego punktu w obwodzie, w przeciwnym razie uzyskasz bardzo dziwne wyniki symulacji. Źródło napięcia: Jeśli umieszczasz napięcie w obwodzie, musisz mu powiedzieć, czy jest to AC, czy DC (lub coś bardziej złożonego), jakie jest napięcie, „rezystancja wewnętrzna” źródła itp. Możesz wprowadzić te parametry, klikając prawym przyciskiem myszy na źródle. Wszystko, czego naprawdę potrzebujesz, to odporność na proste symulacje. Rezystory: Rezystory są dość łatwe do zrozumienia. Wystarczy kliknąć prawym przyciskiem myszy, aby ustawić wartość oporu. Zignoruj wszelkie inne parametry, które mogą się tam ukrywać. Oznakowane węzły wejściowe i wyjściowe:Tylko nazwy węzłów w obwodzie, które są przyjazne dla użytkownika.- używaj nazw takich jak „wyjście”, „wejście” itp. Dyrektywa symulacji: instrukcja.tran mówi symulatorowi, w jaki sposób chcesz symulować obwód. Jest to symulator w dziedzinie czasu, co oznacza, że analizuje obwód w różnych punktach w czasie. Musisz powiedzieć, jaki powinien być maksymalny krok czasowy i jak długo symulacja powinna działać w „czasie obwodu”, a nie w czasie rzeczywistym. Jeśli każesz symulatorowi działać przez 10 sekund czasu obwodu i ustawisz maksymalny krok czasu na 0,001 sekundy, przeanalizuje on obwód co najmniej 10 000 razy (10 s/0,001 s), a następnie zatrzyma się. Po uruchomieniu symulacji, napięcie w każdym węźle w obwodzie oraz prądy do i z każdego węzła będą obliczane i zapisywane w każdym kroku czasowym. Wszystkie te informacje będą dostępne do wykreślenia na wyświetlaczu, takim jak ekran oscyloskopu (czas osi poziomej, napięcie lub prąd na osi pionowej. Alternatywnie można również wysłać dane wyjściowe do pliku audio.wav, który można odtworzyć na komputera, nagraj na płytę CD lub przekonwertuj na mp3, aby odtwarzać na swoim odtwarzaczu mp3. Więcej o tym później…

Krok 3: Wyjście

Dane wyjściowe mogą być wykresem graficznym napięcia w funkcji czasu, napięciem w funkcji napięcia itp. lub plikiem tekstowym składającym się z kilku napięć lub prądów w każdym kroku czasowym lub plikiem audio.wav, którego będziemy często używać to instructable. Pobierz i otwórz plik "resistors.asc". Kliknij mały symbol biegnącego człowieka (lewa górna część ekranu), a obwód powinien działać. Teraz kliknij etykietę „OUT” w obwodzie. Zobaczysz napięcie oznaczone jako „wyjście” wyświetlane na wyjściu graficznym wzdłuż osi poziomej, która reprezentuje czas. To jest napięcie mierzone względem masy (dlatego potrzebujesz przynajmniej jednego uziemienia w każdym obwodzie!). To są podstawy. Spróbuj zmienić jedną z wartości rezystora lub napięcia, a następnie ponownie uruchom symulację i zobacz, co stanie się z napięciem wyjściowym. Teraz wiesz, jak uruchomić symulator obwodu. Łatwe, prawda?

Krok 4: Teraz trochę dźwięku

Otwórz obwód o nazwie „dizzy.asc”. Ten jest dziwnym generatorem szumów, który wykorzystuje modulator i kilka źródeł napięcia, aby wytworzyć plik audio o jakości CD (16 bitów, 44,1 ksps, 2 kanały), z którym można grać. Modulator jest w rzeczywistości oscylatorem. Częstotliwość i amplituda można regulować jak VCO i VCA w prawdziwym syntezatorze analogowym. Kształt fali jest zawsze sinusoidalny, ale można go zmienić – o tym później. Granice częstotliwości są ustalane przez parametry znaku i odstępu. Mark to częstotliwość, gdy napięcie wejściowe FM wynosi 1 V, a spacja to częstotliwość, gdy napięcie wejściowe FM wynosi 0 V. Częstotliwość wyjściowa jest funkcją liniową napięcia wejściowego FM, więc częstotliwość będzie znajdować się w połowie między częstotliwościami znaku i przestrzeni, gdy napięcie wejściowe FM wynosi 0,5 V i będzie 2 razy większa od częstotliwości znaku, gdy napięcie wejściowe FM wynosi 2 V. modulator może być również modulowany amplitudowo przez pin wejściowy AM. Amplituda wyjściowa modulatora (oscylatora) będzie odpowiadać napięciu przyłożonemu do wejścia napięciowego AM. Jeśli użyjesz źródła prądu stałego o napięciu 1, amplituda wyjściowa wyniesie 1 V (oznacza to, że będzie się wahać między -1 a +1 V). Modulator posiada dwa wyjścia – sinus i cosinus. Przebiegi są dokładnie takie same, z wyjątkiem tego, że są przesunięte w fazie o 90 stopni. Może to być zabawne dla aplikacji stereo audio. Istnieje instrukcja.tran, która informuje symulator o maksymalnym kroku czasowym i czasie trwania symulacji. W tym przypadku czas obwodu (całkowity czas symulacji) = czas pliku audio. Oznacza to, że jeśli uruchomisz symulację przez 10 sekund, otrzymasz plik audio o długości 10 sekund. Instrukcja.save służy do zminimalizowania ilości danych, które symulator zapisze podczas uruchamiania symulacji. Zwykle zapisuje napięcia w każdym węźle oraz prądy do iz każdego komponentu. To może dać DUŻO danych, jeśli Twój obwód stanie się skomplikowany lub przeprowadzisz długą symulację. Po uruchomieniu symulacji wystarczy wybrać jedno napięcie lub prąd z listy w oknie dialogowym, a plik danych (.raw) będzie mały, a symulacja będzie działać z maksymalną prędkością. Na koniec instrukcja.wave nakazuje symulatorowi utwórz plik audio stereo o jakości CD (16 bitów na próbkę, 44,1 ksps, dwa kanały) umieszczając napięcie na „OUTL” w lewym kanale i napięcie na „OUTR” w prawym kanale. Plik.wav składa się z 16-bitowych próbek. Wyjście pełnej skali w pliku.wav (wszystkie 16 bitów w próbce włączone) występuje, gdy napięcie wyjściowe wynosi dokładnie +1 Volt lub -1 Volt. Twój obwód syntezatora powinien być tak skonfigurowany, aby generował napięcia nie większe niż +/- 1V na każdym kanale, w przeciwnym razie wyjście w pliku.wav zostanie "obcięte", gdy napięcie przekroczy +1 lub -1 V. Odkąd robimy plik audio, który jest próbkowany z szybkością 44,1 ksps, potrzebujemy symulatora, aby symulował obwód co najmniej 44, 100 razy na sekundę, więc ustawiamy maksymalny krok czasu na 1/44, 100 s lub około 20 mikrosekund (us).

Krok 5: Inne rodzaje źródeł napięcia, inne rodzaje dźwięków

Syntezator analogowy potrzebuje źródła losowego szumu. Zakłócenia można generować za pomocą „behawioralnego źródła napięcia” (bv) i można je włączać i wyłączać za pomocą „przełącznika sterowanego napięciem” (sw). Użycie komponentu bv do generowania szumu polega na zdefiniowaniu napięcia na podstawie wzoru. Wzór na generowanie szumu wygląda następująco: V=white(time*X)*Y Funkcja white tworzy losowe napięcie między -0,5 a +0,5 V, wykorzystując jako ziarno aktualną wartość czasu. Ustawienie Y na 2 daje wahanie +/- 1V. Ustawienie X między 1 000 (1e3) a 100 000 (1e5) wpływa na widmo szumu i zmienia dźwięk. Przełącznik sterowany napięciem również wymaga ustawienia pewnych parametrów w instrukcji.model. Możesz użyć wielu przełączników sterowanych napięciem i wielu instrukcji modelu, aby każdy z nich zachowywał się inaczej, jeśli chcesz. Musisz podać symulatorowi rezystancje „włączone” i „wyłączone” oraz napięcie progowe, przy którym się przełącza. Vh to „napięcie histerezy”. Ustaw go na jakąś dodatnią wartość, np. 0,4 V, a nie będzie żadnych dźwięków klikania, gdy przełącznik się otwiera i zamyka.>>>Aktualizacja: oto jeszcze prostszy sposób na stworzenie bramkowanego źródła szumu - po prostu pomnóż napięcie szumu przez impuls źródło - patrz easy_gate_noise.asc poniżej.

Krok 6: Dzwonki, bębny, talerze, szarpane struny

Dzwonki, bębny, talerze i szarpane struny są perkusyjne. Mają stosunkowo szybki czas narastania i wykładniczy czas zanikania. Są one łatwe do stworzenia za pomocą sinusoidalnych i behawioralnych źródeł napięcia w połączeniu z prostymi obwodami. Spójrz na schemat "bell_drum_cymbal_string.asc". Impulsowe źródła napięcia z rezystorem, kondensatorem i diodą tworzą potrzebne przebiegi szybkiego wzrostu i powolnego zaniku wykładniczego. Te napięcia wyjściowe modulują wyjścia źródeł behawioralnych skonfigurowanych jako losowe źródła szumów lub fal sinusoidalnych. Gdy napięcie impulsowego źródła wzrasta, szybko ładuje kondensator. Kondensator następnie rozładowuje się przez rezystor. Dioda zapobiega rozładowaniu kondensatora przez źródło napięcia, gdy napięcie źródła jest zerowe. Większe wartości rezystorów wydłużają czas rozładowania. Możesz określić czas narastania źródła impulsowego - talerz jest źródłem nise z bardzo szybkim czasem narastania. Bęben jest również źródłem hałasu, które działa z niższą częstotliwością i ma wolniejszy czas narastania. Dzwon i struna wykorzystują źródła fal sinusoidalnych, które są również modulowane przez źródła impulsowe. Dzwonek działa z wyższą częstotliwością i ma szybszy czas narastania niż struna. Uruchom symulację i odsłuchaj wynik. Zauważ, że bęben pojawia się w obu kanałach, podczas gdy wszystkie inne dźwięki są w prawym lub lewym kanale. Za wprowadzenie dźwięku do obu kanałów odpowiadają dwa rezystory na wyjściu perkusyjnym.

Krok 7: Złóż wszystko razem

OK, teraz widziałeś, jak tworzyć dźwięki i jak kształtować obwiednie i modulować je częstotliwością. Teraz nadszedł czas, aby połączyć kilka różnych źródeł w jeden schemat i wygenerować coś ciekawego do posłuchania. Jak sprawić, by to źródło hałasu weszło w kompozycję po 33 sekundach? Jak włączyć ten dzwonek po 16 sekundach, wyłączyć go i ponownie włączyć po 42 sekundach? Jednym ze sposobów jest użycie behawioralnego źródła napięcia do wytworzenia pożądanego dźwięku, a następnie włączenie go i wyłączenie poprzez pomnożenie napięcia generującego dźwięk przez inne napięcie, które włącza i wyłącza dźwięk, tak jak to zrobiono w bell_drum_cymbal_string.asc. Możesz zrobić to samo, aby zanikać i zanikać dźwięki. Pomysł polega na tym, aby skonfigurować powtarzające się dźwięki, a następnie użyć dodatkowych źródeł, aby dodać te dźwięki do kompozycji w pożądanym czasie, mnożąc ich napięcia przez napięcia dźwięku. Możesz uwzględnić tyle napięć w końcowym dźwięku, ile chcesz, po prostu mnożąc je (tak samo jak logiczne „i”) razem. Uruchamiając wszystkie dźwięki na raz, pozostaną one w idealnej synchronizacji przez całą kompozycję, dzięki czemu nigdy nie będą wcześnie ani późno w czasie muzyki. Spójrz na composition_1.asc. Są dwa dzwonki, po jednym na każdym kanale. Napięcia pulse_bell działają podczas całej symulacji, ale dźwięki pojawiają się na wyjściu tylko wtedy, gdy V(bell_r) i V(bell_l) nie są równe 0.

Krok 8: Rampa wykładnicza

Aktualizacja 7/10- przewiń do dołu Oto obwód, który generuje wykładniczą rampę przyłożoną do pary źródeł hałasu. V1 i V2 generują liniowe rampy, które zaczynają się od 0 i rosną do X woltów (lewy kanał) i Y woltów (prawy kanał) w okresach prd_l i prd_r. B1 i B3 używają wzoru do konwersji liniowych ramp na wykładnicze rampy o maksymalnej amplitudzie 1V. B2 i B4 generują losowy szum, który jest modulowany amplitudą przez rampy wykładnicze i parametry amp_l i amp_r (proste sterowanie poziomem). Dołączyłem plik mp3 wygenerowany przez ten obwód, abyś mógł usłyszeć, jak to brzmi. Prawdopodobnie będziesz musiał zmienić nazwę pliku, aby go odtworzyć. X i Y ustawiają limity napięcia liniowych ramp. Ostatecznie rampy obu kanałów są skalowane do 1 V, ale ustawiając X i Y można kontrolować stromość rampy wykładniczej. Mała liczba, taka jak 1, daje prawie liniową rampę, a duża liczba, taka jak 10, daje bardzo stromą, wykładniczą rampę. Okresy rampy są ustawiane za pomocą parametrów prd_l i prd_r. Liniowy czas narastania rampy jest ustawiony na wartość prd_l lub prd_r minus 5 ms, a czas opadania jest ustawiony na 5 ms. Dłuższy czas opadania zapobiega klikaniu na końcu każdej rampy, gdy amplituda spada z powrotem do zera. out_l i out_r są iloczynami napięć losowego szumu opartych na czasie, wykładniczych napięć rampy i parametrów amp_l i amp_r. Zwróć uwagę, że wartość losowego szumu prawego kanału używa innego „ziarna” niż lewy kanał. Dzięki temu szumy w każdym kanale są przypadkowe i różne od przeciwnego kanału. Jeśli użyjesz tego samego nasiona, w tej samej wartości otrzymasz tę samą losową wartość, a dźwięk znajdzie się w centrum, zamiast być postrzegany jako dwa różne źródła, po jednym w każdym kanale. To może być ciekawy efekt do zabawy… Aktualizacja: zauważ, że przebieg zmienia się z 0 V na pewną dodatnią wartość. Lepiej jest, aby napięcie wahało się między równymi wartościami dodatnimi i ujemnymi. Przerobiłem schemat, aby to zrobić, ale zwiększyło to nieco złożoność równania, które definiuje kształt fali. Pobierz exponential_ramp_noise.asc (pamiętaj, że serwer Instructables zmieni nazwę i rozszerzenie po zapisaniu).

Krok 9: Wykładnicza rampa zastosowana do fali sinusoidalnej

Ta strona pokazuje, jak wykorzystać rampę wykładniczą z poprzedniego kroku do modulowania źródła sinus (w rzeczywistości sinus i cosinus). Behawioralne źródło napięcia służy do przekształcania liniowej rampy w wykładniczą rampę, która steruje wejściem FM na składowej modulate2. Amplituda jest modulowana zarówno przez szybką wykładniczą rampę, jak i wolną falę sinusoidalną. Posłuchaj przykładowego pliku – brzmi dość dziwnie.

Krok 10: Propozycje

1) Możesz zmieniać łączny czas symulacji - skróć go podczas gry z komponentami i gdy uzyskasz dźwięk, który Ci się podoba, a następnie ustaw symulator na 30 minut (1800 s) lub tak długo, jak chcesz. Możesz kopiować obwody z jednej strony na drugą i tworzyć obwody podrzędne, dzięki czemu można po prostu łączyć ze sobą małe moduły obwodów, jak przy użyciu płytki krosowej w prawdziwym syntezatorze.2) Częstotliwość próbkowania CD wynosi 44,1 ksps. Jeśli utrzymasz maksymalny krok czasowy do 20 nas, otrzymasz „czysty” wynik, ponieważ symulator będzie miał dostępne dane dla każdej nowej próbki. Jeśli użyjesz mniejszego kroku czasowego, symulacja będzie powolna i prawdopodobnie nie będzie miała żadnego wpływu na dźwięk. Jeśli użyjesz dłuższego kroku czasowego, możesz usłyszeć pewne aliasy, które mogą Ci się podobać lub nie.3) użyj polecenia.save dialogbox na swoim schemacie, a po uruchomieniu symulacji wybierz tylko jedno z napięć lub prądów, aby zachować rozmiar pliku.raw mały. Jeśli nie dokonasz wyboru, WSZYSTKIE napięcia i prądy zostaną zapisane, a plik.raw stanie się BARDZO duży.4) spróbuj użyć bardzo niskich częstotliwości do modulacji wyższych częstotliwości5) spróbuj użyć wyższych częstotliwości do modulacji niższych.6) połącz wyjścia z niektórych źródeł o niskiej częstotliwości z niektórymi źródłami o wysokiej częstotliwości, aby uczynić rzeczy interesującymi.7) użyj impulsowego źródła napięcia do modulowania sinusoidy lub innego źródła, aby zapewnić rytm.8) użyj obwodów analogowych do kształtowania impulsów napięcia w coś, co chcesz.9) użyj wyrażeń matematycznych, aby zdefiniować wyjście behawioralnego źródła napięcia. Baw się dobrze!