Analoge Klangsynthese auf Ihrem Computer - Gunook
Analoge Klangsynthese auf Ihrem Computer - Gunook

Inhaltsverzeichnis:

Anonim

Wie der Sound dieser alten analogen Synthesizer? Möchten Sie zu Ihrer freien Zeit, an Ihrem eigenen Ort, so lange Sie möchten, KOSTENLOS mit einem spielen? Hier werden Ihre kühnsten Moog-Träume wahr. Sie können ein elektronischer Aufnahmekünstler werden oder einfach nur coole, trippige Sounds machen, die Sie auf Ihrem MP3-Player anhören können. Alles was Sie brauchen ist ein Computer!Alles wird durch die Magie eines kostenlosen Schaltungssimulators namens LTSpice erledigt. Jetzt weiß ich, dass Sie wahrscheinlich sagen: "Gee Willikers, Tyler, ich habe keine Ahnung davon, einen Streckensimulator zu betreiben - das klingt HART!". Keine Sorge, Bunky! Es ist ganz einfach und ich gebe Ihnen ein paar Vorlagen, mit denen Sie beginnen und die Sie ändern können, um beliebige seltsame Geräusche zu erzeugen. Sie sind sich nicht sicher, ob sich der Aufwand lohnt? Hier ist ein Link zu einer spielbereiten Sounddatei (sie wird aus "composition_1.asc" in Schritt 7 dieser Anleitung erstellt), die Sie ausprobieren können. Ich habe es von.wav in mp3 konvertiert, um die Downloadzeit zu verkürzen. https://www.rehorst.com/mrehorst/instructables/composition_1.mp3Der Ton enthält etwas Tiefbass, also hören Sie mit Kopfhörern oder guten Lautsprechern. Wenn Ihnen gefällt, was Sie sehen, stimmen Sie für mich! Hinweis: Ich habe schematische Dateien für LTSpice angehängt, die Sie auf Ihrem Computer ausführen können, aber aus irgendeinem Grund werden die Namen und Erweiterungen geändert, wenn Sie versuchen, sie herunterzuladen. Der Inhalt der Dateien sieht in Ordnung aus, also ändern Sie nach dem Herunterladen der Dateien einfach die Namen und Erweiterungen und sie sollten funktionieren. Die richtigen Namen und Erweiterungen werden auf den Symbolen angezeigt, auf die Sie zum Herunterladen klicken.

Schritt 1: Das Wichtigste zuerst

LTSpice ist ein Windows-Programm, aber lassen Sie sich davon nicht unterkriegen. Es läuft gut unter Wine in Linux. Ich vermute, dass es keine Probleme gibt, es im VMWare-Client, VirtualBox oder anderen Virtualisierungstools unter Linux und wahrscheinlich auch auf Macs auszuführen. Laden Sie eine Kopie von LTSpice für Windows (ugh!) hier herunter: https://www.linear.com/ designtools/software/ltspice.jspInstall it. Was ist LTSpice? Es ist ein Zeitbereichs-Schaltungssimulator, den jeder Elektronik-Bastler kennen sollte. Ich werde hier keine detaillierte Anleitung geben, wie es funktioniert, aber ich werde ein paar Dinge erklären, die Sie im Laufe der Zeit wissen müssen. Eine Warnung - es ist leicht möglich, zu niedrige Frequenzen zu erzeugen oder zu hoch zum Hören. Wenn Sie dies tun und Ihre teuren Lautsprecher mit einem Hochleistungsverstärker betreiben, können Sie Ihre Lautsprecher / Ihren Verstärker einfach in Stücke reißen. Schauen Sie sich die Wellenformen IMMER an, bevor Sie sie wiedergeben, und achten Sie darauf, die Lautstärke zu begrenzen, wenn Sie eine Datei zum ersten Mal wiedergeben, nur um sicher zu gehen. Es ist immer eine gute Idee, die Dateien über billige Kopfhörer mit geringer Lautstärke abzuspielen, bevor Sie Lautsprecher ausprobieren.

Schritt 2: Eingabe

Die Eingabe in den Simulator erfolgt in Form eines schematischen Diagramms. Sie wählen Komponenten aus, platzieren sie im Schaltplan und verbinden sie dann miteinander. Sobald Ihre Schaltung fertig ist, teilen Sie dem Simulator mit, wie er die Schaltung simulieren soll und welche Art von Ausgang Sie wünschen. Sehen Sie sich das Schaltbild namens resistances.asc an. Sie werden sehen, dass es eine Schaltung gibt, die eine Spannungsquelle, ein Widerstandspaar, einen beschrifteten Ausgangsknoten, eine Masse und eine Textbefehlszeile enthält. Schauen wir uns jeden an. Jetzt ist ein guter Zeitpunkt, die unten verlinkte Schaltungsdatei zu öffnen. Masse: Dies ist die KRITISCHSTE Komponente in Ihrem Schaltplan. Sie MÜSSEN an mindestens einem Punkt Ihres Stromkreises eine Masse angeschlossen haben, sonst erhalten Sie sehr seltsame Ergebnisse aus Ihren Simulationen (oder etwas komplexer), wie hoch die Spannung ist, der "Innenwiderstand" der Quelle usw. Sie können diese Parameter eingeben, indem Sie mit der rechten Maustaste mit dem Zeiger auf die Quelle klicken. Alles, was Sie wirklich brauchen, ist der Widerstand für einfache Simulationen. Widerstände: Die Widerstände sind ziemlich einfach zu verstehen. Klicken Sie einfach mit der rechten Maustaste, um den Widerstandswert einzustellen. Ignorieren Sie alle anderen Parameter, die sich dort verbergen könnten. Beschriftete Eingabe- und Ausgabeknoten:Nur Namen für Knoten in der Schaltung, die benutzerfreundlich sind.- Verwenden Sie Namen wie "Ausgabe", "Eingabe" usw. Die Simulationsanweisung: die.tran-Anweisung teilt dem Simulator mit, wie die Schaltung simuliert werden soll. Dies ist ein Zeitbereichssimulator, dh er analysiert die Schaltung zu verschiedenen Zeitpunkten. Sie müssen ihm sagen, was der maximale Zeitschritt sein soll und wie lange die Simulation in "Schaltungszeit" und nicht in Echtzeit laufen soll. Wenn Sie dem Simulator sagen, dass er 10 Sekunden Schaltungszeit laufen soll und Sie den maximalen Zeitschritt auf 0,001 Sekunden einstellen, analysiert er die Schaltung mindestens 10.000 Mal (10 Sek. / 0,001 Sek.) und stoppt dann. Wenn die Simulation läuft, die Spannung an jedem Knoten in der Schaltung und die Ströme in und aus jedem Knoten werden bei jedem Zeitschritt berechnet und gespeichert. Alle diese Informationen können auf einem Display wie einem Oszilloskop-Bildschirm dargestellt werden (Zeit der horizontalen Achse, Spannung oder Strom auf der vertikalen Achse. Alternativ können Sie die Ausgabe auch an eine.wav-Audiodatei senden, die Sie auf einem Computer, brennen Sie auf eine CD oder konvertieren Sie sie in MP3, um sie auf Ihrem MP3-Player abzuspielen. Mehr dazu später…

Schritt 3: Ausgabe

Die Ausgabe kann eine grafische Darstellung von Spannung gegen Zeit, Spannung gegen Spannung usw. sein, oder eine Textdatei, die aus einer Reihe von Spannungen oder Strömen bei jedem Zeitschritt besteht, oder eine.wav-Audiodatei, die wir häufig verwenden werden diese instructable. Download und öffnen Sie die Datei "resistors.asc". Klicken Sie auf das kleine Laufmann-Symbol (oberer linker Teil des Bildschirms) und die Runde sollte laufen. Klicken Sie nun auf das Label "OUT" in der Schaltung. Sie sehen die Spannung mit der Bezeichnung "Ausgang" auf der grafischen Ausgabe entlang einer horizontalen Achse, die die Zeit darstellt. Das ist die gegen Masse gemessene Spannung (deshalb brauchst du in jedem Stromkreis mindestens eine Masse!). Das sind die Grundlagen. Versuchen Sie, einen der Widerstandswerte oder die Spannung zu ändern, führen Sie dann die Simulation erneut aus und sehen Sie, was mit der Ausgangsspannung passiert. Jetzt wissen Sie, wie man einen Schaltungssimulator betreibt. Einfach war es nicht?

Schritt 4: Jetzt etwas Ton

Öffnen Sie den Schaltkreis namens "dizzy.asc". Dies ist ein seltsamer Rauschgenerator, der einen Modulator und ein paar Spannungsquellen verwendet, um eine Audiodatei in CD-Qualität (16 Bit, 44,1 ksps, 2 Kanäle) zu erzeugen, mit der Sie spielen können. Die Modulatorkomponente ist eigentlich ein Oszillator. Frequenz und Amplitude sind wie bei einem VCO und einem VCA in einem echten analogen Synthesizer einstellbar. Die Wellenform ist immer sinusförmig, aber es gibt Möglichkeiten, sie zu ändern – dazu später mehr. Die Frequenzgrenzen werden durch die Parameter Mark und Space festgelegt. Mark ist die Frequenz, wenn die FM-Eingangsspannung 1 V beträgt, und Leerzeichen ist die Frequenz, wenn die FM-Eingangsspannung 0 V beträgt. Die Ausgangsfrequenz ist eine lineare Funktion der FM-Eingangsspannung, sodass die Frequenz bei einer FM-Eingangsspannung von 0,5 V auf halbem Weg zwischen der Markierungs- und der Zwischenfrequenz liegt und bei einer FM-Eingangsspannung von 2 V das Doppelte der Markierungsfrequenz beträgt Modulator kann auch über den AM-Eingangspin amplitudenmoduliert werden. Die Ausgangsamplitude des Modulators (Oszillators) entspricht der am AM-Spannungseingang angelegten Spannung. Wenn Sie eine Gleichstromquelle mit einer Spannung von 1 verwenden, beträgt die Ausgangsamplitude 1 V (dh sie schwankt zwischen -1 und +1 V). Der Modulator hat zwei Ausgänge – Sinus und Cosinus. Die Wellenformen sind genau gleich, außer dass sie um 90 Grad phasenverschoben sind. Dies kann bei Stereo-Audioanwendungen Spaß machen. Es gibt eine.tran-Anweisung, die dem Simulator den maximalen Zeitschritt und die Dauer der Simulation mitteilt. In diesem Fall Schaltungszeit (Gesamtsimulationszeit) = Audiodateizeit. Das heißt, wenn Sie die Simulation 10 Sekunden lang ausführen, erhalten Sie eine Audiodatei mit einer Länge von 10 Sekunden. Die.save-Anweisung wird verwendet, um die Datenmenge zu minimieren, die der Simulator beim Ausführen der Simulation speichert. Normalerweise speichert es die Spannungen an jedem Knoten und die Ströme in und aus jedem Bauteil. Das kann sich zu einer Menge Daten summieren, wenn Ihre Schaltung kompliziert wird oder Sie eine lange Simulation durchführen. Wenn Sie die Simulation ausführen, wählen Sie einfach eine Spannung oder einen Strom aus der Liste im Dialogfeld aus und die Datendatei (.raw) wird klein und die Simulation wird mit maximaler Geschwindigkeit ausgeführt. Schließlich weist die.wave-Anweisung den Simulator an, Erstellen Sie eine Stereo-Audiodatei in CD-Qualität (16 Bit pro Sample, 44,1 ksps, zwei Kanäle), indem Sie die Spannung an "OUTL" im linken Kanal und die Spannung an "OUTR" im rechten Kanal anlegen. Die.wav-Datei besteht aus 16-Bit-Samples. Die Ausgabe im vollen Maßstab in der.wav-Datei (alle 16 Bits in einem Sample eingeschaltet) erfolgt, wenn die ausgegebene Spannung genau +1 Volt oder -1 Volt beträgt. Ihre Synthesizer-Schaltung sollte so eingestellt sein, dass sie an jedem Kanal Spannungen von nicht mehr als +/- 1 V erzeugt, andernfalls wird die Ausgabe in der.wav-Datei "beschnitten", wenn die Spannung +1 oder -1 V überschreitet Bei einer Audiodatei, die mit 44,1 ksps abgetastet wird, benötigen wir den Simulator, um die Schaltung mindestens 44, 100 Mal pro Sekunde zu simulieren, also setzen wir den maximalen Zeitschritt auf 1/44, 100 Sekunden oder etwa 20 Mikrosekunden (us).

Schritt 5: Andere Arten von Spannungsquellen, andere Arten von Geräuschen

Ein analoger Synthesizer benötigt eine Quelle für zufälliges Rauschen. Mit einer „Verhaltensspannungsquelle“(bv) können Sie Rauschen erzeugen und mit einem „spannungsgesteuerten Schalter“(sw) ein- und ausschalten. Bei der Rauscherzeugung mit der bv-Komponente wird die Spannung nach einer Formel definiert. Die Formel zur Erzeugung von Rauschen sieht wie folgt aus: V=white(time*X)*Y Die White-Funktion erzeugt eine zufällige Spannung zwischen -0,5 und +0,5 V unter Verwendung des aktuellen Zeitwerts als Seed. Das Einstellen von Y auf 2 ergibt eine Schwingung von +/- 1 V. Die Einstellung von X zwischen 1.000 (1e3) und 100.000 (1e5) beeinflusst das Spektrum des Rauschens und verändert den Klang. Der spannungsgesteuerte Schalter benötigt auch einige Parameter, die in einer.model-Anweisung eingestellt werden müssen. Wenn Sie möchten, können Sie mehrere spannungsgesteuerte Schalter und mehrere Modellanweisungen verwenden, damit sich jeder anders verhält. Sie müssen dem Simulator die "Ein"- und "Aus"-Widerstände und die Schwellenspannung, bei der er schaltet, mitteilen. Vh ist "Hysteresespannung". Stellen Sie ihn auf einen positiven Wert wie 0,4 V ein und es werden keine Klickgeräusche beim Öffnen und Schließen des Schalters zu hören sein Quelle – siehe easy_gated_noise.asc unten.

Schritt 6: Glocken, Trommeln, Becken, gezupfte Saiten

Glocken, Trommeln, Becken und gezupfte Saiten sind alle perkussiv. Sie haben eine relativ schnelle Anstiegszeit und eine exponentielle Abklingzeit. Diese sind einfach zu erstellen, indem man Sinus- und Verhaltensspannungsquellen kombiniert mit einigen einfachen Schaltungen verwendet. Sehen Sie sich den Schaltplan "bell_drum_cymbal_string.asc" an. Die gepulsten Spannungsquellen mit Widerstand, Kondensator und Diode erzeugen die erforderlichen schnellen Anstiegs- und langsamen exponentiellen Abfallwellenformen. Diese Ausgangsspannungen modulieren die Ausgänge von Verhaltensquellen, die als Zufallsrausch- oder Sinuswellenquellen eingerichtet sind. Wenn die gepulste Quellenspannung ansteigt, lädt sie den Kondensator schnell auf. Der Kondensator entlädt sich dann über den Widerstand. Die Diode verhindert, dass die Spannungsquelle den Kondensator entlädt, wenn die Quellenspannung Null ist. Größere Widerstandswerte erhöhen die Entladezeit. Sie können die Anstiegszeit der gepulsten Quelle vorgeben - das Becken ist eine Nise-Quelle mit einer sehr schnellen Anstiegszeit. Die Trommel ist auch eine Geräuschquelle, die mit niedrigerer Frequenz arbeitet und eine langsamere Anstiegszeit hat. Die Glocke und die Saite verwenden Sinuswellenquellen, die ebenfalls von gepulsten Quellen moduliert werden. Die Glocke arbeitet mit einer höheren Frequenz und hat eine schnellere Anstiegszeit als die Saite. Führen Sie die Simulation aus und hören Sie sich das Ergebnis an. Beachten Sie, dass die Trommel in beiden Kanälen erscheint, während alle anderen Klänge entweder auf dem rechten oder linken Kanal liegen. Die beiden Widerstände am Drum-Ausgang sind dafür zuständig, den Sound in beide Kanäle zu übertragen.

Schritt 7: Alles zusammenfügen

OK, jetzt haben Sie gesehen, wie man einige Klänge erzeugt und wie man die Hüllkurven formt und frequenzmoduliert. Jetzt ist es an der Zeit, ein paar verschiedene Quellen in einem einzigen Schaltplan zusammenzufassen und etwas Interessantes zum Anhören zu generieren. Wie bekommt man diese Rauschquelle bei 33 Sekunden in die Komposition? Wie schaltet man diese Glocke nach 16 Sekunden ein, dann aus und nach 42 Sekunden wieder ein? Eine Möglichkeit besteht darin, eine Verhaltensspannungsquelle zu verwenden, um den gewünschten Klang zu erzeugen, und ihn dann ein- und auszuschalten, indem die klangerzeugende Spannung mit einer anderen Spannung multipliziert wird, die den Klang ein- und ausschaltet, wie in bell_drum_cymbal_string.asc. Sie können Sounds auf die gleiche Weise ein- und ausblenden. Die Idee hier ist, sich wiederholende Sounds einzurichten und dann zusätzliche Quellen zu verwenden, um diese Sounds zu gewünschten Zeiten zu Ihrer Komposition hinzuzufügen, indem Sie ihre Spannungen mit den Soundspannungen multiplizieren. Sie können so viele Spannungen in die endgültige Soundausgabe einbeziehen, wie Sie möchten, indem Sie sie einfach weiter multiplizieren (wie bei einem logischen "und"). Indem die Klänge auf einmal gestartet werden, bleiben sie während der gesamten Komposition perfekt synchron, so dass sie nie zu früh oder zu spät zur Musik kommen. Siehe Komposition_1.asc. Es gibt zwei Glocken, eine in jedem Kanal. Die pulse_bell-Spannungen funktionieren während der gesamten Simulation, aber die Töne erscheinen nur in der Ausgabe, wenn V(bell_r) und V(bell_l) ungleich 0 sind.

Schritt 8: Exponentielle Rampe

Update 7/10 – nach unten scrollenHier ist eine Schaltung, die eine exponentielle Rampe erzeugt, die auf ein Paar von Rauschquellen angewendet wird. V1 und V2 erzeugen lineare Rampen, die bei 0 beginnen und in den Perioden prd_l und prd_r auf X Volt (linker Kanal) und Y Volt (rechter Kanal) ansteigen. B1 und B3 verwenden eine Formel, um die linearen Rampen in exponentielle Rampen mit maximalen Amplituden von 1 V umzuwandeln. B2 und B4 erzeugen zufälliges Rauschen, das durch die exponentiellen Rampen und durch die Parameter amp_l und amp_r (einfache Pegelregler) amplitudenmoduliert wird. Ich habe eine von dieser Schaltung generierte MP3-Datei angehängt, damit Sie hören können, wie es klingt. Sie müssen die Datei wahrscheinlich umbenennen, damit sie abgespielt werden kann. X und Y legen die Spannungsgrenzen der linearen Rampen fest. Schließlich werden die Rampen beider Kanäle auf 1 V skaliert, aber durch Einstellen von X und Y können Sie die Steilheit der exponentiellen Rampe steuern. Eine kleine Zahl wie 1 ergibt eine nahezu lineare Rampe und eine große Zahl wie 10 eine sehr steile exponentielle Rampe. Die Rampenzeiten werden mit den Parametern prd_l und prd_r eingestellt. Die Anstiegszeit der linearen Rampe wird auf den Wert prd_l oder prd_r minus 5 ms und die Abfallzeit auf 5 ms eingestellt. Die längere Abfallzeit verhindert ein Klicken am Ende jeder Rampe, wenn die Amplitude auf Null zurückfällt. out_l und out_r sind die Produkte der zeitbasierten Zufallsrauschspannungen, der exponentiellen Rampenspannungen und der Parameter amp_l und amp_r. Beachten Sie, dass der zufällige Rauschwert des rechten Kanals einen anderen "Seed" verwendet als der linke Kanal. Dadurch bleibt das Rauschen in jedem Kanal zufällig und unterscheidet sich vom gegenüberliegenden Kanal. Wenn Sie denselben Seed verwenden, erhalten Sie zur gleichen Zeit denselben Zufallswert und der Klang landet in der Mitte, anstatt als zwei verschiedene Quellen wahrgenommen zu werden, eine in jedem Kanal. Dies könnte ein interessanter Effekt zum Spielen sein… Update: Beachten Sie, dass die Wellenform von 0 V auf einen positiven Wert ansteigt. Es ist besser, wenn die Spannung zwischen gleichen positiven und negativen Werten schwankt. Ich habe den Schaltplan überarbeitet, um genau das zu tun, aber es hat die Komplexität der Gleichung, die die Wellenform definiert, ein wenig erhöht. Laden Sie die exponential_ramp_noise.asc herunter (denken Sie daran, dass der Instructables-Server den Namen und die Erweiterung ändert, wenn Sie sie speichern).

Schritt 9: Auf eine Sinuswelle angewendete exponentielle Rampe

Diese Seite zeigt, wie Sie die exponentielle Rampe aus dem vorherigen Schritt verwenden, um eine Sinusquelle (eigentlich Sinus und Cosinus) zu modulieren. Die Verhaltensspannungsquelle wird verwendet, um eine lineare Rampe in eine exponentielle Rampe umzuwandeln, die den FM-Eingang einer modulate2-Komponente ansteuert. Die Amplitude wird sowohl durch eine schnelle exponentielle Rampe als auch durch eine langsame Sinuswelle moduliert. Hören Sie sich die Beispieldatei an – es klingt ziemlich seltsam.

Schritt 10: Vorschläge

1) Sie können die Gesamtsimulationszeit variieren - halten Sie sie kurz, während Sie mit Komponenten spielen und wenn Sie den gewünschten Sound erhalten, dann stellen Sie den Simulator auf 30 Minuten (1800 Sek.) oder beliebig lange ein. Sie können Schaltungen von einer Seite auf eine andere kopieren und Unterschaltungen erstellen, so dass Sie einfach kleine Schaltungsmodule miteinander verbinden können, wie mit einem Steckbrett auf einem echten Synthesizer.2) Eine CD-Samplerate beträgt 44,1 ksps. Wenn Sie den maximalen Zeitschritt auf 20 us begrenzen, erhalten Sie eine "saubere" Ausgabe, da der Simulator Daten für jede neue Probe zur Verfügung hat. Wenn Sie einen kleineren Zeitschritt verwenden, ist die Simulation langsam und hat wahrscheinlich keinen Einfluss auf den Klang. Wenn Sie einen längeren Zeitschritt verwenden, hören Sie möglicherweise Aliasing, das Ihnen gefällt oder nicht.3) Verwenden Sie die.save-Dialogbox-Anweisung in Ihrem Schaltplan und wenn Sie die Simulation ausführen, und wählen Sie nur eine der Spannungen oder Ströme aus, um die Größe der.raw-Datei klein. Wenn Sie keine Auswahl treffen, werden ALLE Spannungen und Ströme gespeichert und die.raw-Datei wird SEHR groß.4) Versuchen Sie, sehr niedrige Frequenzen zu verwenden, um höhere Frequenzen zu modulieren5) Versuchen Sie, höhere Frequenzen zu verwenden, um niedrigere Frequenzen zu modulieren.6) Kombinieren Sie die Ausgänge einiger Niederfrequenzquellen mit einigen Hochfrequenzquellen, um die Dinge interessant zu machen.7) Verwenden Sie eine gepulste Spannungsquelle, um einen Sinus oder eine andere Quelle zu modulieren, um einen Rhythmus bereitzustellen) Verwenden Sie mathematische Ausdrücke, um den Ausgang einer Verhaltensspannungsquelle zu definieren. Viel Spaß!