เครื่องสังเคราะห์เสียง
เครื่องสังเคราะห์เสียง หรือ ซินธิไซเซอร์ (อังกฤษ: synthesizer บางครั้งสะกดเป็น synthesiser) คือ เครื่องดนตรีอิเล็กทรอนิกส์ ออกแบบมาเพื่อสร้างเสียงจำลองโดยใช้เทคนิคต่าง ๆ เช่น การเพิ่มเสียง, การ ลดเสียง, การใช้คลื่นเสียงกล้ำคลื่นวิทยุโดยเปลี่ยนความถี่คลื่น (Frequency Modulate; FM), การสังเคราะห์ เสียงกายภาพ, การทำให้คลื่นเสียงผิดเพี้ยนรูปร่างไป
ซินธิไซเซอร์สร้างเสียงผ่านการปรับเปลี่ยนโดยตรงของกระแสไฟฟ้าซึ่งถูกใช้ในซินธิไซเซอร์แบบอนาล็อก, การปรับเปลี่ยนทางคณิตศาสตร์ของค่าตัวแปรที่พอใจ โดยใช้คอมพิวเตอร์ซึ่งใช้ใน ซินธิไซเซอร์แบบที่เป็นโปรแกรมสำเร็จรูป หรือจากการรวมทั้งสองวิธีเข้าด้วยกัน ในขั้นตอนสุดท้ายของซินธิไซเซอร์กระแสไฟฟ้าจะถูกใช้เพื่อสร้างการสั่นให้กับแผ่นที่ใช้สั่นของ ลำโพง หรือ หูโทรศัพท์ เป็นต้น เสียงซินธิไซเซอร์นี้ถูกจำลองไว้จากการอัดเสียงธรรมชาติ เมื่อพลังงานทางกลของคลื่นเสียงถูกแปลงไปเป็นสัญญาณ และที่สุดจะถูกเปลี่ยนกลับไปเป็นพลังงานทางกลจากการเล่นเทปที่อัดไว้ผ่านการสุ่ม ส่วนสำคัญที่ขาดหายไปของเสียงซึ่งเป็นลักษณะพิเศษของซินธิไซเซอร์
ซินธิไซเซอร์เสียงพูด ยังถูกใช้ใน กรรมวิธีสร้างเสียงพูด อิเล็กทรอนิกส์ มักจะใช้ใน โวโคดเดอร์ (Vocoders) หรือการสร้างเสียงพูดนั่นเอง
พื้นฐานของเสียง
เมื่อเสียงสูงต่ำธรรมชาติของเครื่องดนตรีถูกจำแนกออกมาในรูปแบบของ ความถี่ ระยะของคลื่นเสียง ของเครื่องดนตรีเสียงสูงต่ำนั้นจะแสดงส่วนสูงสุดของคลื่นที่ ฮาร์โมนิกส์ ความถี่ฮาร์โมนิกส์นี้เป็นส่วนดั้งเดิมที่อยู่ติดกับจำนวนหลายค่าของ ความถี่มูลฐาน ของเสียงสูงต่ำ
เสียงตีเคาะและเสียงครูดมักจะขาดฮาร์โมนิกส์ และแสดงระยะของคลื่นเสียงที่มีส่วนประกอบหลักของรูปแบบเสียงรบกวนโดย ความถี่เรโซแนนซ์ ของวิธีหรืออุปกรณ์ที่ใช้สร้างเสียง คุณสมบัติการเรโซแนนซ์ของเครื่องดนตรี ซึ่งระยะของคลื่นเสียงสูงสุดของส่วนที่ติดกันยังเป็นส่วนที่แสดงถึง รูปแบบเสียง ด้วย รวมถึงรูปร่างระยะของคลื่นเสียงของเครื่องดนตรีจำพวกสาย เสียงรอก เสียงพูด และเสียงธรรมชาติอื่น ๆ
ซินธิไซเซอร์ที่ออกมาส่วนใหญ่มีจุดประสงค์เพื่อใช้สังเคราะห์เสียงต่อ การอัดเสียงของเครื่องดนตรีจริงสามารถใช้ส่งผ่านไปยังส่วนประกอบอื่น ๆ ได้อย่างหลากหลาย
เสียงประกอบเหล่านี้แสดงการตอบสนองเสียงที่ได้ป้องกันการสะท้อนของส่วนต่าง ๆ ของเครื่องดนตรี (Acoustic) เสียงถูกสร้างจากเครื่องดนตรีจากส่วนต่าง ๆ ของคุณลักษณะของแหล่งกำเนิด หรือพฤติกรรมของเครื่องดนตรีภายใต้สภาพการเล่นที่ต่างกัน เช่นเสียงที่มีระดับสูงสุด การเล่นที่แรงขึ้น หรือการใช้นิ้วช่วย เป็นต้น ลักษณะพิเศษของเสียงที่มีคู่แปด เสียงแปล่ง และการบรรเลงร่วมกันของเครื่องดนตรีจริง ๆ สามารถสร้างได้จากการผสมส่วนต่าง ๆ เหล่านี้เข้าด้วยกัน ยกตัวอย่างเช่น เสียงที่คล้ายพฤติกรรมทางธรรมชาติของเครื่องดนตรีจริง การให้เสียงเฉพาะสามารถปรับแต่งได้จากวิธีการต่าง ๆ กัน และการสร้างจากซินธิไซเซอร์ แต่เสียงต่าง ๆ เหล่านี้มักจะถูกสร้างจาก เครื่องสร้างสัญญาณ (Oscillator) หรือเป็นแค่ส่วนหนึ่งในการสร้างเสียง การสร้างเสียงที่ชัดเจนยิ่งขึ้นของเครื่องดนตรีตามธรรมชาติ สามารถแบ่งเป็นชนิดย่อยยิ่งขึ้นได้จากการใช้เครื่องสร้างสัญญาณ แต่เพิ่มกำลังจากการคำนวณ แต่การโปรแกรมของมนุษย์ก็ยังขาดเสียไม่ได้ และซินธิไซเซอร์ส่วนใหญ่ก็ถูกใช้ระหว่างเครื่องสร้างสัญญาณหนึ่งและสี่เป็นหลัก
รูปร่างที่สำคัญที่สุดชนิดหนึ่งของเสียงใด ๆ ที่เกิดจากสภาพของความสูงของคลื่น สภาพแวดล้อมนี้เองเกิดจากเสียงที่ได้จากการเคาะ เช่นเสียงกลองเต๊ก หรือการสีของไวโอลิน รูปร่างของเสียงเหล่านี้ถูกสร้างด้วย “ADSR” (Attack Decay Sustain Release) แบบจำลองสภาพที่ใช้ในการควบคุมเสียงที่ได้จากเครื่องสร้างสัญญาณ แต่ละส่วนของเสียงเหล่านี้จะถูกสร้างจากการเปลี่ยนความดังของเสียง การบรรเลงร่วมกันเป็นส่วนสำคัญในการเพิ่มระดับเสียง การลดลงของเสียงจะเกิดขึ้นทันทีที่มีการบรรเลงร่วมกัน เสียงดังต่อเนื่องเป็นเสียงเมื่อโน้ตถูกค้างไว้ การเปลี่ยนรูปร่างเสียงเมื่อโน้ตถูกปล่อยให้ดำเนินต่อไป อัตราการเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วในทันทีทันใดมักจะถูกใช้กับเสียง เพราะมันเป็นรูปแบบการสั่นทางกายภาพที่เกิดขึ้นจริง ซึ่งมักจะเพิ่มเสียงขึ้นหรือลดลงอย่างรวดเร็วในทันทีทันใด
แม้ว่าการสร้างสัญญาณในเครื่องดนตรีจริง ๆ จะสามารถเปลี่ยนความถี่ได้ก็ตาม เครื่องดนตรีส่วนใหญ่ก็สามารถถูกจำลองขึ้นอย่างดีโดยไม่ต้องการความละเอียดลออของเสียงมากนัก ซึ่งจะจำเป็นก็ต่อเมื่อต้องใช้สร้าง เสียงที่เกิดจากการสั่น (Vibrator)
ภาพรวมของวิธีการสังเคราะห์ที่เป็นที่นิยม
ซินธิไซเซอร์ที่ใช้หักล้างเสียงใช้ทั่วไปกับรูปแบบที่ต้องการตัดเสียงสะท้อนที่เสมือนเครื่องดนตรี โดยจะถูกใช้แทนด้วยการสร้างสัญญาณทั่วไป เช่น การสร้างคลื่นรูปฟันเลื่อย คลื่นสี่เหลี่ยม เป็นต้น จาก ตัวกรอง (Filter) ซึ่งแสดงการสูญเสียที่ขึ้นกับความถี่ และการเรโซแนนซ์ในตัวเครื่องดนตรี ตัวกรองเหล่านี้ถูกแบ่งโดยตัวกรองที่ยอมให้สัญญาณต่ำผ่านเมื่อมีสัญญาณเข้ามาในระดับต่ำเพราะเหตุผลที่ต้องการความเรียบง่ายและประหยัด การรวมการกล้ำเสียงในคลื่นอย่างง่าย เช่น การรวมสัญญาณกับความกว้างคลื่น (Pulse width modulation) และ การส่งสัญญาณไปกับสัญญาณที่สร้างขึ้น (Oscillator sync) รวมไปถึงตัวกรองสัญญาณต่ำที่ไม่เกิดขึ้นจริงในทางกายภาพ เป็นการตอบสนองที่ใช้กับซินธิไซเซอร์แบบคลาสสิก เสียงส่วนใหญ่จะถูกสร้างจากการสังเคราะห์ทางอนาล็อก และมักจะมีข้อผิดพลาดเมื่อนำไปใช้กับซินธิไซเซอร์แบบโปรแกรมสำเร็จรูปที่ใช้การสังเคราะห์แบบหักล้างเสียง แม้ว่า การสังเคราะห์รูปแบบทางกายภาพ (Physical modeling synthesis) นั้น การสังเคราะห์เสียงจะถูกสร้างตามลักษณะกายภาพของเครื่องดนตรีโดยถูกแทนที่การสังเคราะห์แบบหักล้างสำหรับการสร้างเสียงคู่แปดของเครื่องดนตรีตามธรรมชาติ ตัวอย่างการสังเคราะห์แบบหักล้างเสียงยังคงแพร่หลายในซินธิไซเซอร์จากการออกแบบที่ทันสมัยที่สุดที่สนับสนุนให้ตัวกรองที่ให้สัญญาณต่ำผ่านเมื่อสัญญาณที่เข้ามาอยู่ในระดับต่ำหรือตัวกรองที่ให้ช่วงความกว้างคลื่นผ่านได้ตามอย่างอุปกรณ์สร้างสัญญาณ
ระบบการสังเคราะห์เสียงที่ง่ายที่สุดเป็นการอัดเสียงจากเครื่องดนตรีโดยตรงให้เป็นรูปแบบคลื่นดิจิตอล และเมื่อนำมาเล่นที่ความเร็วต่างๆ กัน โทนเสียงที่สร้างได้ก็จะต่างกันด้วย นี่เป็นเทคนิคที่ใช้ในการสุ่มสัญญาณเสียง เครื่องสุ่มสัญญาณส่วนใหญ่ออกแบบส่วนของการสุ่มเพื่อใช้สำหรับส่วนประกอบย่อยของสภาพแวดล้อมของ ADSR และเมื่อเล่นซ้ำที่ส่วนซึ่งเปลี่ยนเสียงองค์ประกอบของสภาวะแวดล้อม ทำให้เครื่องสุ่มมีสภาพแวดล้อมต่างๆ ที่ชวนใจ น่าหลงใหลขึ้นจากการใช้โน้ตตัวเดียวกัน (ดูรายละเอียดเพิ่มเติมที่ การสังเคราะห์ตัวอย่างพื้นฐาน; Sample-based synthesis)
พื้นฐานของซินธิไซเซอร์
ซินธิไซเซอร์แบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่แบบ อนาล็อก และแบบ ดิจิตอล
นอกจากนี้ยังมีวิธีการสังเคราะห์ที่แตกต่างกันอีกหลายชนิด ซึ่งแต่ละชนิดก็จัดอยู่ในกลุ่มซินธิไซเซอร์แบบอนาล็อกและแบบดิจิตอลทั้งสิ้น เทคนิคเหล่านี้ล้วนต้องเกี่ยวข้องวิธีทางคณิตศาสตร์ ยกเว้นวิธีการใช้คลื่นเสียงกล้ำคลื่นวิทยุโดยเปลี่ยนความถี่คลื่น (Frequency Modulation; FM) และวิธีการใช้คลื่นเสียงกล้ำคลื่นวิทยุโดยเปลี่ยนคาบของคลื่น (Phase Modulation; PM)
การเริ่มต้นยุคสมัยของซินธิไซเซอร์
ซินธิไซเซอร์ในยุคเริ่มต้นนั้นใช้เทคโนโลยีที่ได้มาจาก คอมพิวเตอร์อนาล็อก อิเลคทรอนิกส์ และเครื่องมือทดสอบในห้องทดลอง
ในยุค 1950 RCA สร้างมาเพื่อสังเคราะห์ทั้งเสียงคนและเสียงดนตรี Mark II Music Synthesizer ถือกำเนิดขึ้นที่ศูนย์ดนตรีอิเล็กทรอนิกส์ โคลัมเบีย - ปรินเซตอน ใน นครนิวยอร์ก ของปี ค.ศ. 1958 ซึ่งเปี่ยมไปด้วยความสามารถทางด้านดนตรีตั้งแต่การเริ่มโปรแกรมอย่างสมบูรณ์แบบ ระบบหลอดสุญญากาศ มีส่วนเข้ามาสร้างเสียงชนิดใหม่ๆ นี้ โดยการใช้ เครื่องจัดเรียง เทปกระดาษ มาเจาะรูให้ควบคุมแหล่งต้นกำเนิดเสียงและตัวกรองอีกที คล้ายกับการใช้ เครื่องจักรเล่นเปียโน แต่สามารถสร้างเสียงที่มีความหลากหลายมากขึ้นได้
ในปี 1958 Daphne Oram แห่งร้านบีบีซี เรดิโอโฟนิก (BBC Radiophonic Workshop) สร้างซินธิไซเซอร์ชนิดใหม่ที่ใช้เทคนิค Oramics โดยการเขียนบนแผ่นฟิล์มขนาด 35 มม. เทคนิคนี้ถูกใช้หลายปีที่ BBC Hugh Le Caine, John Haert, Raymond Scott, Percy Grainger กับ Burnett Cross และทีมงานได้สร้างเครื่องควบคุมเสียงดนตรีอิเล็กทรอนิกส์แบบอัตโนมัติในช่วงปลายยุค 1940 และ 1950 ขึ้น
ในยุค 1960 ซินธิไซเซอร์ถูกพัฒนาให้สามารถเล่นแบบเรียลไทม์ แต่ถูกจำกัดให้อยู่ในสตูดิโอด้วยข้อจำกัดด้านขนาด การมอดูเรตได้ถูกนำมาใช้ในการออกแบบให้ใช้ได้กับแหล่งกำเนิดสัญญาณและโปรเซสเซอร์ โดยต่อกับอุปกรณ์อื่นๆ และควบคุมอุปกรณ์ทั้งหมดจากการควบคุมอุปกรณ์หลัก
ซินธิไซเซอร์ในยุคแรกมักจะถูกสร้างจากอุปกรณ์พิเศษ โดยอาศัยหลักการมอดูเรต Donald, Hugu Le Caine Raymond Scott และ Paul Ketoff เป็นกลุ่มแรกที่สร้างเครื่องดนตรีพวกนี้ ในปลายยุค 1950 ถึง ต้นยุค 1960 ซึ่งมีเพียง Buchla ที่ต่อมาได้สร้างเครื่องในเชิงธุรกิจเพื่อการค้า
ซินธิไซเซอร์ของดนตรีสมัยใหม่ถูกสร้างโดย Robert Moog ซึ่งเป็นลูกศิษย์ของ Peter Mauzey หนึ่งในวิศวกรของ RCA Mark II Moog ได้ออกแบบวงจรที่ใช้กับซินธิไซเซอร์ของเขา ขณะที่อยู่ที่โคลัมเบีย-ปรินเซตอน ซินธิไซเซอร์ของ Moog ถูกนำแสดงครั้งแรกที่ สมาคมวิศวกรรมด้านเสียงดนตรี (Audio Engineer Society ) เมื่อเข้าสู่ปี 1964 เช่นเดียวกับ RCA Mark II ที่ต้องการเวลาในการสร้างเครื่องจักรที่ให้เสียงชนิดใหม่ๆ แต่เล็กกว่าและใช้ได้สะดวกกว่า ซินธิไซเซอร์ของ Moog จนกระทั่งปี 1968 เรื่องนี้ได้กลายเป็นเรื่องอื้อฉาว
Mycky Dolenz แห่ง The Monkees ได้ซื้อซินธิไซเซอร์ 3 ชิ้นแรกของ Moog และซินธิไซเซอร์ก็เริ่มมีการทำธุรกิจทางการค้าขึ้นผ่านซินธิไซเซอร์ Moog ซึ่งจัดเป็นอัลบั้มที่ 4 ของ Monkee แห่งค่าย Pises Aquarius Capricorn & Jones ในปี 1967 ค่าย Pises Aquarius Capricorn & Jonesยังได้อัลบั้มแรกที่ใช้ซินธิไซเซอร์แล้วเพลงติดอันดับ 1 ของความนิยม นอกจากนี้ยังเป็นเพลงแรกจากการใช้ซินธิไซเซอร์ที่ขายได้กว่าล้านอัลบั้ม ในปี 1968 อัลบั้ม Switched-On Bach โดย Wendy Carlos Switched-On Bach ยังเป็นการอัดเพลงคลาสสิกที่ได้รับความนิยมที่สุดชุดหนึ่งเท่าที่เคยมีมา ระหว่างปลายยุค 1960 กว่าร้อยเพลงที่เป็นที่นิยมใช้เสียงที่ได้จากซินธิไซเซอร์ของ Moog ซินธิไซเซอร์ของ Moog ใช้อัดเสียงจนแพร่หลายซึ่งได้สร้างเสียงใหม่ๆ จากซินธิไซเซอร์ของเขา ซึ่งตอนนั้นไม่ได้มีเฉพาะซินธิไซเซอร์ของ Moog จึงเป็นที่นิยมและขายได้มากทีเดียว
นอกจากนี้ Moog ยังสร้างมาตรฐานสำหรับการควบคุมการส่งสัญญาณด้วยการกำหนด 1 โวลต์ต่อ 1 ออกเตฟ (Octave) ในการควบคุมระดับเสียงและแยกสัญญาณส่วนเกิน นี่เป็นมาตรฐานที่ทำให้ซินธิไซเซอร์เปลี่ยนจากเครื่องมือที่ยุ่งยากเป็นเครื่องที่ง่ายต่อการใช้ การควบคุมระดับเสียงมักจะใช้กำหนดทั้งออแกนในรูปแบบของคีย์บอร์ดหรือ เครื่องจัดเรียงเสียงดนตรี (music sequencer) ซึ่งสร้างลำดับในการควบคุมแรงดันไฟฟ้าเพื่อการกำหนดคาบเวลา และยังอนุญาตให้สร้างเสียงดนตรีบางตัวโดยอัตโนมัติ
ซินธิไซเซอร์ในเชิงธุรกิจการค้าในยุคต้นๆ นั้นยังมี ARP ซึ่งเริ่มใช้ซินธิไซเซอร์มอดูลาร์ก่อนเพื่อสร้างเสียงเครื่องดนตรีทั้งหมดไว้ในชิ้นเดียว และบริษัทชาติอังกฤษชื่อ Electronic Music Systems อีกด้วย
ในยุค 1970 การกำเนิดส่วนประกอบแบบโซลิดเสตทนั้น ทำให้ซินธิไซเซอร์กลายมาเป็นของชิ้นเดียวและสามารถเคลื่อนย้ายได้ง่ายขึ้น ปัจจุบันซินธิไซเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ได้กลายมาเป็นชิ้นส่วนมาตรฐานของอุปกรณ์ทางดนตรี ซึ่งเพลง Son of my Father ของ Giorgio Moroder ได้ติดอันดับ 1 ของเพลงฮิตจากการใช้ซินธิไซเซอร์ (Shapiro, 2000)
ในปี 1984 Raymond Kurzweil ได้ตั้งข้อสังเกตจาก Stieve Wonder ในการสร้างซินธิไซเซอร์ให้สามารถสร้างเสียงซ้อนของเครื่องดนตรีออเคสตาเป็นครั้งแรก ซึ่งเป็นพื้นฐานของการอัดตัวอย่างเสียงของเครื่องดนตรีจริง และใช้ในการฝึกคอนดักเตอร์และนักดนตรีจากซินธิไซเซอร์ของ Kurzweil เมื่อเขาเหล่านั้นไม่สามารถซ้อมดนตรีได้จากเครื่องดนตรีจริง
ออแกนอิเลคทรอนิกส์ กับ ซินธิไซเซอร์
ออแกนทุกชนิดมีพื้นฐานมาจากหลักการเพิ่มระดับเสียง หรือการสังเคราะห์ของ Fourier คลื่นไซน์หลายระดับถูกรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างรูปคลื่นที่ซับซ้อนขึ้น จากการที่ Hammond organ ได้สร้างขึ้นในปี 1935 นั้นทำให้สร้างคลื่นไซน์ที่เกี่ยวกับระดับเสียงและก่อให้เกิดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า สำหรับทุกๆ ฮาร์โมนิกส์ ที่มีโทนวีล (Tonewheel) ต่างกัน ในออแกนอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่ส่วนมากเครื่องสร้างสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์มีไว้เพื่อสร้างคลื่นไซน์ ออแกนที่เรียบง่ายที่สุดคือตัวกรองรูปแบบคลื่น (Formant) ที่เปลี่ยนระดับเสียงของเครื่องสร้างสัญญาณอัตโนมัติและการมอดูเรตเพื่อจำกัดการสั่นที่ไม่ซับซ้อน
ซินธิไซเซอร์อนาล็อกส่วนมากสร้างเสียงจากการสังเคราะห์แบบหักล้างเสียง ในวิธีนี้รูปคลื่นจะมีมากในระดับสูงๆ โดยมักจะเป็นรูปคลื่นแบบฟันเลื่อยหรือเป็นคลื่นพัลส์ ซึ่งถูกสร้างโดยเครื่องสร้างสัญญาณ สัญญาณที่สร้างขึ้นจะถูกส่งไปยังตัวกรองซึ่งหมายความว่าระดับเสียงสูงๆ จะถูกกรองออกไปสร้างเสียงที่เลียนแบบเครื่องดนตรีอาคูสติก เครื่องสร้างสภาพ ADSR จากการควบคุม VCA เป็นการใช้แรงดันไฟฟ้าควบคุมการขยายเสียง (Voltage control amplifier) เพื่อสร้างเสียงที่ดังขึ้น
วงจรไฟฟ้าอื่นๆ เช่น เครื่องสร้างรูปแบบคลื่น และ ริง มอดูเรเตอร์ สามารถเปลี่ยนเสียงที่ไม่มีฮาร์โมนิกส์หรือสร้างการลดระดับเสียง ซึ่งมักจะไม่พบในแหล่งกำเนิดเสียงธรรมชาติ การแบ่งส่วนความนิยมระหว่างซินธิไซเซอร์ดิจิตอลสมัยใหม่กับซินธิไซเซอร์ที่ใช้โปรแกรมสำเร็จรูปนั้น ซินธิไซเซอร์มอดูเรเตอร์ อนาล็อกยังคงได้รับความนิยมมากกว่า โดยจำนวนเครื่องมือที่สร้างมอดูเรเตอร์จะต่างจากการออกแบบวงจรของ Moog ในปี 1964 จนกระทั่งมีเทคโนโลยีใหม่ๆ มาแทนที่
ซินธิไซเซอร์ควบคุมด้วยไมโครโปรเซสเซอร์และอนาล็อกหลายเสียง
ซินธิไซเซอร์อนาล็อกในยุคต้นๆ มักจะเป็นแบบเสียงเดียว (monophonic) คือสร้างได้เสียงเดียวใน 1 ช่วงเวลา ต่อมาได้เพิ่มความสามารถการสร้างเสียงเพิ่มขึ้นเล็กน้อย เช่น Moog Sonic Six, ARP Odyssey และ EML 101 ซึ่งสามารถสร้างเสียงที่ต่างกัน 2 ระดับใน 1 ช่วงเวลา เมื่อกดปุ่มพร้อมกัน 2 ปุ่ม ส่วนการสร้างหลายระดับเสียงหรือโพลิโพนนี (Polyphony) ที่สามารถสร้างได้หลายระดับเสียงผ่านการประสานเสียงถูกนำมาแสดงร่วมกับการออกแบบออแกนอิเล็กทรอนิกส์เป็นครั้งแรก เป็นวงจรออแกนที่รวมเอาคีย์บอร์ดอิเล็กทรอนิกส์เป็นที่นิยมใช้กับโปรเซสซิ่งซินธิไซเซอร์ซึ่งประกอบด้วย ARP Omni และ Moog’s Polymoog และ Opus3
จากปี 1976 ซินธิไซเซอร์เสียงดนตรีจริง ก็เกิดขึ้นเป็นครั้งแรก เพื่อสนับสนุนการโพลิโพนนี ปรากฏให้เห็น ส่วนใหญ่ในรูปแบบของ Moog’s Polymoog ยามาฮ่า CS-80 และ Oberheim Four-Voice เครื่องดนตรียุคต้นๆ จะซับซ้อนมาก หนักมาก และมีราคาค่อนข้างแพง อุปกรณ์อื่นที่เริ่มปรากฏให้เห็นเป็นการอัดเสียงในหน่วยความจำดิจิตอล ซึ่งทำให้มีการเปลี่ยนเสียงได้เร็วยิ่งขึ้น
เมื่อไมโครโปรเซสเซอร์กำเนิดขึ้นในต้นยุค 1970 พวกมันทำให้กระบวนการต่างๆ ง่ายขึ้น การใช้เสียงหลายระดับร่วมกัน และการใช้ไมโครโปรเซสเซอร์ในการควบคุมการทำงานเกิดขึ้นเป็นครั้งแรกเมื่อ Sequential Circuit Prophet-5 ถูกเปิดตัวในปี 1977 สำหรับช่วงแรกนักดนตรีคุ้นเคยกับซินธิไซเซอร์ที่มีการตั้งค่าต่างๆเก็บไว้ในหน่วยความจำคอมพิวเตอร์ และเรียกใช้จากการกดปุ่ม Prophet-5 ถูกนำเข้ามาแทนด้วยความกะทัดรัด น้ำหนักเบา พื้นฐานการออกแบบกลายมาเป็นมาตรฐานของเครื่องซินธิไซเซอร์ ถือเป็นการขจัดความยุ่งยากในการออกแบบมอดูล่าร์ที่ซับซ้อนออกไป
การควบคุม MIDI
ในช่วงที่ประดิษฐ์ MIDI, a time-coded serial interface ขึ้นในปี ค.ศ. 1983 ซินธิไซเซอร์กลายมาเป็นสิ่งที่ง่ายในการรวมเสียงและเข้าจังหวะเสียงกับเครื่องดนตรีอิเลคทรอนิกส์และอุปกรณ์ควบคุมชนิดอื่นๆ การต่อ MIDI ในปัจจุบันใช้แพร่หลายเกือบจะในทุกอุปกรณ์ดนตรี และยังใช้เป็นส่วนประกอบพื้นฐานของ คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล (PCs) ด้วย
มาตรฐาน General MIDI (GM) Software ที่ถูกประดิษฐ์ขึ้นในปี ค.ศ. 1991 เพื่อรองรับวิธีที่ตรงกันในการอธิบายเสียงสูงต่ำกว่า 200 ชุด รวมไปถึงเสียงเคาะด้วย สามารถที่จะใช้กับ PC สำหรับเสียงโน้ตดนตรี ในครั้งแรกที่ใช้อุปกรณ์ GM ให้ตั้งเสียงให้ตรงกับการสร้างเสียงปี่หรือเสียงกีตาร์ รูปแบบไฟล์ .mid เป็นที่แพร่หลายและกลายเป็นมาตรฐานที่เป็นที่นิยมใช้สำหรับการแปลงโน้ตเสียงของคอมพิวเตอร์
การสังเคราะห์การใช้คลื่นเสียงกล้ำคลื่นวิทยุโดยเปลี่ยนความถี่คลื่น (FM)
John Chowning แห่งมหาวิทยาลัยแสตนฟอร์ดเป็นผู้วิจัยคนแรกในการที่จะคิดค้นการสร้างเสียงดนตรีจากเครื่องสร้างไฟฟ้ากระแสสลับอันหนึ่งที่ใช้คลื่นเสียงกล้ำคลื่นวิทยุตั้งระดับเสียงของอุปกรณ์อื่นๆ วิธีการนี้เรียกว่า FM หรือ การสังเคราะห์การใช้คลื่นเสียงกล้ำคลื่นวิทยุโดยเปลี่ยนความถี่คลื่น (Frequency Modulation) การทดลอง FM ในช่วงแรกของ Chowning ทำด้วยโปรแกรมโปรแกรมบนเมนเฟรมคอมพิวเตอร์
FM ใช้อุปกรณ์สร้างคลื่นไซน์ ซึ่งเรียกว่า โอเปอร์เรเตอร์ โดยความถี่มูลฐานของโอเปอร์เรเตอร์ต้องนิ่งพอ โดยปกติแล้วจะสร้างจากสัญญาณดิจิตอล แต่ละเสียงที่ออกมาของโอเปอร์เรเตอร์อาจจะถูกนำไปเป็นสัญญาณป้อนให้โอเปอร์เรเตอร์อื่น ผ่าน ADSR หรืออุปกรณ์ควบคุมแวดล้อมอื่นๆ โอเปอร์เรเตอร์แรกจะใช้คลื่นเสียงกล้ำคลื่นวิทยุของระดับเสียงของโอเปอร์เรเตอร์ตัวที่สอง โดยวิธีนี้สามารถสร้างรูปแบบคลื่นที่ซับซ้อนได้ การสังเคราะห์ FM เป็นวิธีพื้นฐานของการสังเคราะห์เพิ่มและตัวกรองใช้ในซินธิไซเซอร์ที่ใช้หักล้างเป็นชนิดที่ไม่ใช้ในซินธิไซเซอร์ FM จนกระทั่งกลางยุค 1990 จากการต่อโอเปอร์เรเตอร์แบบเรียงกันและการโปรแกรมภาวะแวดล้อมต่างๆ สามารถจำลองารสังเคราะห์การหักล้างบางชนิดได้ ผ่านเสียงของตัวกรองอนาล็อกเรโซแนนซ์ที่เป็นไปได้ในการทำเกือบทั้งหมด FM เป็นรูปแบบที่ดีที่สุดสำหรับการสร้างเสียงที่ซินธิไซเซอร์แบบหักล้างมีความยากในการสร้างส่วนของเสียงที่ไม่เป็นฮาร์โมนิกส์เช่นเสียงระฆังที่มีเสียงคู่แปดมาปนอยู่
สิทธิบัตรของ Chowning ครอบคลุมการสังเคราะห์เสียง FM ได้ให้ลิขสิทธิ์กับบริษัทยักษ์ใหญ่ของญี่ปุ่นชื่อยามาฮ่า เป็นรายได้มหาศาลของแสตนฟอร์ดระหว่างยุค 1980 ซินธิไซเซอร์ FM ชุดแรกของยามาฮ่าคือ GS-1 GS-2 มีราคาค่อนข้างสูงและหนัก ปัจจุบันรุ่นต่อมาของ GS มีขนาดเล็กลง ปัจจุบันรุ่น CE20 และ CE25 Combo Ensembles ซึ่งมีเป้าหมายหลักในการค้าที่ออแกนบ้าน และ และสร้างคีย์บอร์ออคเตฟที่ 4 รุ่นที่ 3 คือ DX-7 ในปี 1983 มีขนาดและน้ำหนักเหมือนกับ Prophet-5 มีราคาที่สมเหตุสมผล และขึ้นกับวงจรรวมสัญญาณดิจิตอลที่สร้าง FM ได้หลายระดับเสียง DX-7 เป็นที่นิยมมากและใช้ในกว่าพันอัลบั้มเพลงป๊อปนับจากยุค 1980 ยามาฮ่ายังได้รับลิขสิทธิ์อื่นๆ ในเทคโนโลยี FM ด้วย เมื่อสิทธิบัตรของแสตนฟอร์ดหมดอายุลงเกือบทุกคอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลในโลกจะมีระบบเสียงที่เป็นแบบ built-in 4-opertor FM digital synthesizer
เสียงที่ใช้เป็นตัวอย่างและการสุ่มตัวอย่าง
มีซินธิไซเซอร์ชนิดหนึ่งที่ใช้กับการอัดสัญญาณดิจิตอล ซึ่งใช้เล่นช่วงต่างๆ ของเสียงที่ออกมา ซินธิไซเซอร์นี้เรียกว่า เสียงที่ใช้เป็นตัวอย่าง (Sampler)
การสุ่มตัวอย่างเสียงสามารถถูกใช้ในการรวมเทคนิคของซินธิไซเซอร์อื่นๆ เข้าด้วยกันซินธิไซเซอร์แบบโปรแกรมสำเร็จรูปที่นิยมใช้บางตัวถูกสุ่มตัวอย่างเสียงและนำเสียงไปผ่านโปรแกรมตัวกรองพื้นฐาน สะท้อน ริงมอดูเรเตอร์ และอื่นๆอีกด้วย
การสุ่มตัวอย่างเสียงเริ่มหายไป เมื่อนักวิจัยประสบความสำเร็จในการทำงานด้วยคอมพิวเตอร์เมนเฟรม การเปิดตัว Fairlight CMI ในปี 1979 เป็นที่รู้จักดีของเครื่องดนตรีดิจิตอลที่ใช้การสุ่มตัวอย่างเสียง และเริ่มวิวัฒนาการต่อไป Fairlight มักจะถูกใช้ในการอัดเสียงของศิลปินยอดนิยมเช่น Jean-Michel Jarre, Kate Bush, Peter Gabriel และ Art of Noise จากการที่ Fairlight มีราคาที่ค่อนข้างสูง ความซับซ้อน และค่อนข้างหายาก และมีราคาใกล้เคียงกับ New England Digital Synclavier เป็นสาเหตุให้บริษัทแคลิฟอร์เนียชื่อ E-Mu ได้เปิดตลาด Emulator I ในปี 1981 เป็นคีย์บอร์ดสุ่มตัวอย่างเสียงที่มีราคาต่ำที่สามารถนำเสียงที่อัดไว้บันทึกในแผ่น Floppy disk และ Ensoniq ได้เปิดตลาดเป็นชุดต่อมาในปี 1985 มีราคาต่ำลงไปอีก Ensoniq Mirage มีราคาประมาณ 1,500 ดอลลาร์สหรัฐ เปรียบเทียบกับ Emulator I ที่มีราคารวมภาษีอยู่ที่ 7,900 ดอลลาร์สหรัฐ
ซินธิไซเซอร์เสียงกายภาพ
การสังเคราะห์เสียงกายภาพ เป็นการสังเคราะห์เสียงจากการใช้ชุดของสมการและขั้นตอนวิธีเพื่อจำลองแหล่งกายภาพของเสียง เมื่อชุดของตัวแปรที่สำคัญถูกสร้างขึ้นจากการจำลองกายภาพ เสียงจำลองก็จะถูกสร้างขึ้น
เสียงกายภาพไม่ใช่สิ่งใหม่ที่คิดขึ้นในการป้องกันเสียงสะท้อนและการสังเคราะห์เสียง จนกระทั่ง Karplus-Strong algorithm มีความละเอียดลออในการหักล้างเสียงและการสร้างขั้นตอนวิธีใน การสังเคราะห์คลื่นดิจิตอล (Digital waveguide synthesis) โดย Julius O. Smith III และมากขึ้นใน DSP Power ในช่วงปลายยุค 1980 ที่มีความเป็นไปได้ในเชิงธุรกิจการค้า
จากความสำเร็จทางลิขสิทธิ์ของยามาฮ่าจากการจดสิทธิบัตรการสังเคราะห์ FM ของแสตนฟอร์ด ยามาฮ่าได้ลงนามร่วมกับมหาวิทยาลัยแสตนฟอร์ดในปี 1989 เพื่อร่วมกันพัฒนาการสังเคราะห์คลื่นดิจิตอล ดังนั้นการจดสิทธิบัตรส่วนใหญ่ที่เกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้จึงเป็นของแสตนฟอร์ดหรือยามาฮ่า ซินธิไซเซอร์เสียงกายภาพถูกนำมาใช้ในเชิงธุรกิจอย่างจริงจังครั้งแรกในรุ่น VL-1 ของยามาฮ่า ซึ่งออกสู่ตลาดในปี 1994
ซินธิไซเซอร์ดิจิตอลสมัยใหม่
ซินธิไซเซอร์สมัยใหม่ส่วนมากเป็น ดิจิตอล เกือบทั้งหมด รวมไปถึงการสังเคราะห์อนาล็อกสมัยใหม่ก็ใช้ เทคนิกของดิจิตอล ซินธิไซเซอร์ดิจิตอลใช้เทคนิคระบบสัญญาณดิจิตอล (Digital signal processing; DSP) เพื่อสร้างเสียงดนตรี ซินธิไซเซอร์ดิจิตอลบางชนิดในปัจจุบันออกมาในรูปแบบของโปรแกรม Softsynth ที่เสียงจากซินธิไซเซอร์นำไปใช้ร่วมกับอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคล นอกเหนือนั้นยังนำไปใช้กับอุปกรณ์ DSP
ซินธิไซเซอร์ดิจิตอลสร้างตัวอย่างดิจิตอล โดยการเลือกเสียงที่ให้ความถี่ตัวอย่างออกมา (แบ่งเป็น 44100 ตัวอย่างต่อวินาที) ในกรณีพื้นฐานที่สุด เครื่องสร้างสัญญาณแต่ละตัวจะถูกจัดใหม่เพื่อการนี้ แต่ละตัวอย่างของเครื่องสร้างสัญญาณถูกใช้ให้เกิดความหลากหลายของเสียง ขึ้นอยู่กับความถี่ของเครื่องกำเนิดสัญญาณ สำหรับเครื่องสร้างฮาร์โมนิกส์ รูปแบบคลื่นของเครื่องสร้างสัญญาณจะถูกกำหนดขึ้น ส่วนเครื่องสุ่มสัญญาณรบกวนสัญญาณที่สุ่มส่วนใหญ่จะอยู่ในรูปของตัวเลข ค่าต่างๆ จากการนับของเครื่องกำเนิดสัญญาณจะถูกผสมเข้าด้วยกัน และจากนั้นจะส่งไปยังตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก และเครื่องขยายอนาล็อกเพื่อทำลายกำแพงความยากของขั้นตอนที่มีมากมายในการสร้างสภาพแวดล้อมเสียงและการผสมเสียง และเพื่อเพิ่ม ADSR และระดับการผสมเพื่อสร้างค่าจำนวนจริงของเครื่องสร้างสัญญาณ ให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น และเพื่อเพิ่มค่าในขั้นตอนสุดท้ายของการผสมเสียง สัญญาณจะถูกแปลงเป็นค่าคงที่ในเชิงเส้น
ซินธิไซเซอร์แบบโปรแกรมสำเร็จรูปเพียงอย่างเดียว
ซินธิไซเซอร์ในยุคแรกถูกกำหนดรูปแบบจากซินธิไซเซอร์แบบโปรแกรมสำเร็จรูป บนคอมพิวเตอร์เมนเฟรม ซึ่งใช้วิธีที่ตายตัวคล้ายกับการสังเคราะห์เสียงดิจิตอล ดนตรีจะถูกเข้ารหัสเพื่อใช้ในการเจาะบัตรเพื่ออธิบายชนิดของเครื่องดนตรี โน้ต และองค์ประกอบอื่นๆ รูปแบบของระดับเสียงแต่ละชนิดจะถูกสร้างจากการเรียงคลื่นไซน์ และเปลี่ยนไปเป็นชุดรหัสฐานสองสำหรับตัวแปลงดิจิตอลเป็นอนาล็อก และผสมเสียงโดยการเพิ่มและเฉลี่ยเสียง ข้อมูลจะถูกเขียนอย่างช้าๆ ไปยังเทปคอมพิวเตอร์ และถูกเล่นทันทีเพื่อสร้างเสียงดนตรี
ในปัจจุบันความหลากหลายของโปรแกรมสำเร็จรูปได้ทำให้คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลมีความเร็วสูง DSP ได้เข้ามาแทนที่ระบบเดิม และสร้างการจำลองแหล่งดนตรีอะคูสติกกายภาพหรือแหล่งกำเนิดเสียงอิเล็กทรอนิกส์ เช่นเครื่องสร้างสัญญาณ ตัวกรอง VCAs เป็นต้น โปรแกรมเชิงธุรกิจบางตัวเป็นซินธิไซเซอร์อนาล็อกคลาสสิกที่ค่อนข้างจะมีวิธีการที่ยุ่งยาก ซับซ้อน เริ่มต้นทุกๆ อย่างที่ ยามาฮ่า DX-7 ไปจนถึง ต้นกำเนิดของรูปแบบของ Moog โปรแกรมอื่นๆ อนุญาตให้ผู้ใช้สามารถควบคุมการสังเคราะห์ดนตรีดิจิตอลได้อย่างสมบูรณ์ โดยต้องอาศัยการใช้งานที่ค่อนข้างซับซ้อนและยุ่งยาก
อ้างอิง
- Shaw, G D (February 1973). "Sound Synthesiser". Practical Electronics. Vol. 9 no. 2. p. 140. สืบค้นเมื่อ 10 January 2020.