A hangszerek népszerűségi listáját évszázadok előkelő helyet foglal el az orgona és a hegedű. Mind két hangszer kialakulása hosszú fejlődés eredménye. Ahogy a klasszikus zenét játszó zenekarban megszólaló hangszerek, úgy az orgona és a hegedű és évszázadokkal ezelőtt elérte ma mai formáját: a hangszerek királynője a már barokk korában teljes vértezetben hódított, és a cremonai hegedűkészítő iskola is legalább 400 éves múltra tekinthet vissza.

Egy Moog a '70-es évek elejéről.

Az ismertségben a klasszikus hangszerekkel vetekedő szintetizátor nem büszkélkedhet ilyen múlttal. A szintetizátor abban is különbözik a klasszikus zene hangszereitől, hogy nincs végleges, a fejlődésben megrekedt formája, hanem olyan hangszerfajta, amelyiknek minden példányában a hang előállításának legfőbb módjába megegyező, de a hangszer megjelenése, képessége és hangminősége minden gyártó minden újabb szériájában változik. A szintetizátor ebben az értelemben mutáns, olyan hangszer, amelynek nincs végleges alakja. A hangszer különleges abban is, hogy első megjelenését követően rövid idő alatt és nagyon széles körben vált ismertté. Alig harminc év telt el azóta, hogy kereskedelmi forgalomba került az első szintetizátor, a tervezőjének nevét híressé tevő Moog[1]. Nagyjából húsz éve történt, hogy John Chowing felfedezte a Frekvencia Modulációt (FM), és még csak tíz éve, hogy a Chowning-kísérletek eredményeit (J. Chowning, Turenas, 1972) szerencsésen megvásároló Yamaha, hatalmas csinnadratta közepette 1983-ban megkezdte a DX széria legendás darabjának, a DX7-nek az értékesítését. A 80-as évek végén megjelent a szempler technika és már itt is van a legújabb csoda, a virtuális akusztika elvén alapuló új szintetizátor generáció.

Egy Yamaha DX7-es.

Eközben a hangszerkészítők[2] a megelőző korok hanggeneráló technikákat is használva hangminőségben és szolgáltatásban rendkívül széles választékkal jelentkeznek. A szintetizátor mindennapos hangszere lett a könnyűzenének. Nélkülözhetetlen a film-és a színházi zenék hangszertárában, elengedhetetlen közreműködője a multimédia előadásoknak. Számos kortárs zeneszerező alkalmaz műveiben szintetizátort, és előnyös tulajdonságai miatt a hangszert nagy jövő várja a zenepedagógiában.

Ez a ma már a számítógépekben is használt chippel vezérelt eszköz, a hang egyszerű fizikai tulajdonságait utánozva állít elő zenei hangokat. Egy rövid rendszerező összefoglalásból könnyen megérthető a szintetizátorok működési elve és hasznos lehet áttekinteni a főbb szintézis eljárásokat.

ADDITÍV szintézis (Synthèse additive)
Fourier munkássága nyomán tudjuk, hogy a zenei hangok (és általában a hangok) igen összetett hullámformái bizonyos mennyiségű szinusz hullámra bonthatók szét.[3] Ebből következően, szinusz hullámok egymásra illesztésével összetett hangot kaphatunk. A természetben nincs az emberi fül számára is érzékelhető szinusz hangot kibocsátó tárgy vagy élőlény, így a Fourier-elmélet csak az szinusz hangot előállitó elektromos hanggenerátor megjelenése után volt igazolható. Az összetett hullámformák, keveréséről, zenei értelemben a hangszerelésről, már két (akár azonos) hangszer együtt játékakor beszélhetünk, az orgona esetében a különböző síprendszerek és regiszterek bekapcsolásával ugyanaz a hangszer a hangszínek széles kombinációjára képes.

Az első, egyszerű szinusz hangok egymásra halmozásával összetett hangokat előállító és széles körben elterjedt elektromos hangszer a Hammond-orgona[4] volt. Az 1934-ben megjelent hangszer két billentyűsorával (manuál) megjelenésében a harmóniumhoz hasonlít. Az orgonasípokat beépített hanggenerátor, erősítő és hangszóró pótolja. A hangszín alkotás a szinusz hangoknak a harmonikusok (felhangok) matematikai törvényének megfelelő, egymás fölé helyezésével történik.[5]

Laurens Hammond az 1934-ben piacra dobott első hangszerével.

Ezt a fajta zenei hang előállítási technikát még a '60-as években is sok cég igyekezett alkalmazni (Kawai, Seiko stb.). Az eljárás nem gazdaságos, mert ahhoz, hogy a fülnek tetsző -felhangokban gazdag- hangokat előállításához minden, az alaphangot kiegészítő hang előállításához külön oszcillátorra van szükség. Minél gazdagabb felhangrendszer a cél, annál több oszcillátor beépítése szükséges. Ez pedig emeli a gyártás költségeit.

Ráadásul, hiába növelik harmonikusokban gazdag hang előállításához szükséges generátorok számát, a felhanggazdagság ellenére a hang unalmas marad, hiányzik belőle a zenei hangoknál megszokott belső dinamikai változások játéka. Az akusztikus hangszerek hangjának jellegzetességeivel rendelkező (hangindítás, kiteljesedés, lecsengés stb.) mesterséges zenei hanghoz, az említett jellegzetességet, a burkológörbét utánzó áramkörre van szükség.

A sok oszcillátor és burkológörbét generáló áramkör munkájának összehangolása rendkívül nehéz feladat, a másodperc alatt elvégzendő kalkuláció mennyisége számítógépet igényel. Az alacsony árú integrált áramkör (és a PC) a hatvanas-hetvenes években még nem állt rendelkezésre.

SZUBTRAKTÍV szintézis (Synthèse soustractive)
Napjainkban a legelterjedtebb hang előállítási mód, nagyszámú variációval. Mint a neve is jelzi, az előbbi építő eljárásnak az ellentéte. A szusztraktív szintézist gyakran keverik össze az "analóg"-nak mondott szintézis technikával, egész egyszerűen azért, mert a kezdetekben minden nagy hangszerépítő cég[6] elektromos áramkörök és tranzisztorok alkalmazásával építette készülékét. Ezt a tévedést azért fontos hangsúlyozni, mert a numerikus jelkezeléssel működő szintetizátorok nagy része -napjainkban szinte csak ilyet készítenek-, pontosan a szusztraktív szintézis technikával dolgozik.

Ennek oka: viszonylag egyszerű olyan áramkört létrehozni, mely a kimenetén négyszög, háromszög, derékszög, vagy fűrészfog alakú jelet generál. Ezeknek a jellegzetes formájú jeleknek Fourier transzformáción alapuló vizsgálatakor megállapíthatjuk, hogy harmonikusokban gazdagok: pl lefelé csökkenő rendben megtalálunk minden harmonikust, a fűrészfog esetében, a páratlan számúakat a négyszög esetében, a derékszög közbeeső értékekben gazdag, a háromszög a szinusz jelhez áll közel.

Az elv egyszerű: a könnyen előállítható felhangban gazdag jeleket kell finomítani, lebontani. Ezt a munkát végzik a szűrök (filterek). A szűrőfajták az elvégzendő szűrésről kapták a nevüket. A főbb szűrőfajták: mélyátengedő, magas átengedő stb. A mélyátengedő szűrő (low-pas)[7] például a mély harmonikusokat engedi át és progresszíven csökkenti a magasakat, azaz a kiszűri a harmonikusok sorában feljebb állókat. Ez az első lépés a szintetikus hang felé. Az igazi nagy találmány az, hogy mindezt elektronikusan, a felhasználó kedve szerint lehet szabályozni. A szusztraktív szintézishez kifejlesztett három új típusú oszcillátor egyikénél a kibocsátott hangmagaságát (pitch) lehet a feszültség változtatásával szabályozni (Voltage Controlled Oscillator vagy VCO), a másiknál a szűröket lehet feszültséggel szabályozni (Voltage Controlled Filter vagy VCF), a harmadik típus a feszültséggel szabályozott szintezők (Voltage Controlled Amplifier vagy VCA).

A fentebb már említett burkológörbék előállítását a burkológörbe-generátor (ADRS) és annak egyszerűbb változatai végzik. Maga az angol betűszó az eljárás során érintett paraméterek (Attack-Decay-Sustain-Release) első betűjéből tevődik össze. Az ADSR ellenére még mindig túlságosan stabil, monoton hang élővé tételére alkalmaznak egy vibrató-szisztémát. A hangot alacsony frekvenciával "vibráló" oszcillátor (Low Frequency Oscillator, LFO) nem más, mint egy lassított VCO. A hang színessé tételéért ezeket az alapmegoldásokat szinte mindegyik gyártó továbbfejlesztette, és saját névvel látta el.

frekvencia moduláción (FM) alapulószintézis (Synthèse FM)
A frekvencia moduláció lényege egyszerű: Egy szinusz hangot generáló oszcillátor adja a modulálandó hullámot, egy másik, az előzővel azonos oszcillátor, a modulálandó hullámot fogja deformálni, ez lesz moduláló hullám. Innen kiindulva a legváltozatosabb összetett hullámformákat kaphatjuk, melyek két faktor változtatásával alakíthatunk: az oszcillátorok szintje és frekvenciája szerint.

Ez a módszer egyszerű és kis költség igényű. Ha, a FM által nyert hullámokhoz a szusztraktív szintézisnél ismertetett burkológörbe-generátort is használunk, akkor az időben változó igen összetett hullámformát kapunk. Ez a változás nem lineáris, mint a szűrökkel végzett lebontás során, hanem sokkal érdekesebb, az akusztikus hangszerek hangjához igen közel álló eredményt produkáló módon zajlik le. A kor frekvencia moduláción alapuló hangszereit övező megbecsülés oka minden bizonnyal, az akusztikus hangszerek hangjának utánzásában a szusztraktív szintézis eredményeihez képest történt hallatlanul nagy minőségi változásban keresendő.

A technológiát először tökéletesen alkalmazó DX7 kirobbanó sikerét (1984) azonban más újdonságok is elősegítették. Először is, nem kettő, de hangonként hat(!) oszcillátort használ, s ezt a felhasználó 32 két konfiguráció (algoritmus) szerint szabályozhatja. Újítás azután a 16 hangos polifónia, ami korszak legnagyobb gépeinek teljesítményére egyszerűen rádupláz. Végezetül, ez az első dinamikus klaviatúrával rendelkező szintetizátor. A FM moduláció egyetlen szépség hibája, éppen a szisztéma non linearitása. Nehéz, szinte lehetetlen előre megmondani, hogy a paraméterekben okozott változás milyen hangzásbeli változást fog okozni. Bizonyos törvényszerűségek természetesen vannak, de a szusztraktív szintézishez képest a FM végeredménye sokkal kevésbé látható előre. A DX7 másik "kellemetlensége", a bizonyos típusú hangoknál megjelenő zavaró tisztátalanságok, mely némelyeket elvezetett magának az FM technikának a megkérdőjelezéséhez is. Pedig ez a hiba nem a FM velejárója. Korának minden analóg hangszerével ellentétben, a DX7 a numerikus hangszerek generációjának első darabja volt, még igen távol az A/D-D/A konverterek mai minőségétől és a szükséges számításokat végző berendezések mai teljesítőképességétől.

A numerikus mintavétel (Sampler)
Az informatika fejlődése lehetővé tette a hullámformák numerikus -az anglofónoknál digitálisnak mondott- rögzítését, sérülésmentes tárolását és a minta vétel pontosságának függvényében, akár a tökéletes reprodukcióját. Ez a technika rögtön hatással volt a szintetizátorok fejlődésére. Az elv egyszerű: a feszültség vezérelte oszcillátorok helyett hangok jellegzetességeit rögzítő mintákat alkalmazunk, majd a hangmintát -ez lehet harmonikusokban gazdag akusztikus hangszer, beszéd, ének stb.- a szubtraktív technikából ismert lebontó eljárással alakítjuk. Az eljárás végén könnyen kezelhető egyben végtelenül gazdag hangszínpalettát kapunk.[8]

A numerikus mintavételen alapuló készülékek két jellegzetes alaptípusa: a mintavevők (samplers, vagy szemplerek), vagyis azok a készülékek, melyek a hanghullámokat digitalizálni és rögzíteni tudják, a mások csoportba a mintaolvasók tartoznak, melyek csak olvasni, azaz rekonstruálni tudják a kapott mintát. A szintetizátorokat egészen a legutóbbi hónapok nem látták el önálló mintavevő egységgel, az erre a munkára specializált készülékek[9] mintáit vagy a hangszer memóriájába „égették”, vagy gépbe illeszthető külön lemezről (data card) is lehetővé tették a minták bevitelét. A legfrissebb Yamaha termékek egyike, a PSR 2700-as szintetizátor már beépített szemplerrel rendelkezik, és 10kHz-es mintavételi frekvencián 60 másodpercnyi mintát tárolhat. De ez még csak az első fecske, a szintetizátorok jó része (az eladási árban jelentkező költség többlet és a szempler munkára kitalált készülékek jobb mintavételi lehetőségei miatt), valószínűleg nem kapkodja el az átállást, s maradnak a csak olvasó készülékek gyártásánál.

Egy Yamaha PSR2700-as.

De térjünk vissza az megkezdettekhez. A bevitt mintát lejátszani tudó szintetizátoroknál szintén két típust különböztethetünk meg: az egyik, melynek a konstruktőr által elhelyezett mintái letörölhetetlenek, egyszer s mindenkorra a hangszerben maradnak (Read Only Memory, ROM), a másik típus viszont képes új mintákat memorizálni (Random Access Memory, RAM). A piacon találunk olyan készüléket is, mely ajánlja mind a két lehetőséget (ROM & RAM). Tudni kell azonban, hogy a ROM előállítása sokkal kevesebbe kerül, mint a RAM-é, következésképen a legtöbb készülék csak ROM szolgáltatásait nyújtja. A RAM-mal ellátott készülék viszont megenged bármilyen hangminta bevitelt, majd a minta átalakítását és tárolását. Így a RAM nagyobb teret enged a felhasználó fantáziájának, hiszen szó szerint a végtelenig tágítja a hang- és hangszínalkotás lehetőségét. A tárolt (ROM), vagy a bevitt (RAM) hangmintákkal dolgozó szintetizátor előnyeit nem kell magyarázni. De az első mintavételezésen (szemplerezésen) alapuló készülékek hangszínben gazdag, de meglehetősen száraz hangja egy kis magyarázatra szorul.

Az ok magában a mintavételen alapuló szintézisben keresendő. Az akusztikus hangszer-vagy énekhang stb hangjából a szempler készülék mintát vett, vagyis digitalizálta azt. Ahhoz, hogy a szintetizátor rekonstruálni tudja a hangot nem kell több, mint a mintául szolgáló hangforrás keltette hanghullám egyetlen teljes fázisa. Az ezt leképező számsor (szempler, vagy minta) tartalmazni fog minden szükséges információt. Hanggá alakításkor a szintetizátor "elolvassa" a tárolt, vagy a bevitt mintát. De mivel az egyszer "levett" hangminta nélkülöz minden fejlődési lehetőséget -legyen szó bármilyen komplex hullámformáról-, a szintetizátor általi újra és újra olvasások során nem tud élettel teli hang megszületni.

A szemplerezett, vagy PCM (Puls Code Modulation) hangok statikussága és megfagyása a gyártókat újabb lehetőségek feltárására ösztönözte. Ezek között legelőbbre Yamaháék jutottak. Az SY77 és az SY99-es hangszerükben sikerült a FM és a PCM integrációját megoldaniuk.[10] Ezeknél a hangszereknél a választott PCM hullámformát - ROM-ból az SY77 esetében, RAM-ból is a 99-nél- berakhatjuk mint moduláló hanghullámot a FM algoritmusaiba. Modulálandóként egyenlőre nem működik. A piacion jelenleg az SY 99-es az egyetlen olyan készülék, mely képes a PCM (ROM & RAM) szintézisre, a frekvencia modulációra (FM) és a szusztraktív szintézisre. Hallatlan előnyei ellenére, ez a hangszer mégsem terjedt el széles körben. Pedig a fejlődés az egyre komplexebb hangszerek megjelenésével jár és a fejlesztők nem pihennek a tegnapi babérokon. Olyannyira nem, hogy ebben az évben már szintetizátor is a piacra került, mely gyökeresen új eljárás alapján működik. A módszer neve: fizikai modellezés.

Virtuális akusztika
A világ szinte valamennyi hangkutatással és elektroakusztikus zenéléssel foglalkozó intézetében folyik a fizikai modellezés (más néven virtuális akusztika, Virtual Acoustic) kutatása. A személyi számítógép teljesítményéke és árának rohamos csökkenésével a nagy mennyiségű kalkulációt igénylő fizikai modellezés aktuális és nagy távlatokat nyitó eljárás. Az eljárás célja, az eddigieknél tökéletesebb szintetikus hang előállítása. Elve: egy képzeletbeli (valójában nem létező) hangszer hangját az általunk megadott karakterisztikumok szerinti előállításra (kiszámítására) kérjük a komputert. A megadott adatok vonatkozhatnak a hangszer anyagára (fa, fém, bőr), a rezonátorként működő csőre (kónikus, cilindrikus,) a cső hosszára, a megszólaltatás módjára (vonó, fúvóka), a fúvóka és a síp fajtájára (kettős nyelvsíp, trombita típusú fúvóka), a fúvókába fújt levegő nyomására stb.

A kereskedelemben is kapható első ilyen hangszer a Yamaha VL-1, ára 15.000 D körül mozog. Ilyen ár mellett virtuális akusztika olcsó szintetizátorokat kiszorító, széleskörű elterjedése nem várható, de processzorok árcsökkenésére számítva a fizikai modellezésen alapuló vagy azt is alkalmazó szintetizátorok elterjedése, az eljárás jelentette előnyök alapján prognosztizálhazó.

Zárszó
A hangkutatással foglalkozó intézetekben a fentiekben bemutatottakon kívül számos más szintézis technikát és eljárást alkalmaznak[11] A új eljárást sugalló fantázia nevek ellenére nevek valamennyi eljárás az additív szintézis, a szusztraktív szintézis, a FM, a szempler vagy a fizikai modellezés elvén alapul, vagy az öt eljárás valamilyen keveréke.[12]

A fejlődés persze a virtuális akusztika megjelenésével sem fog leállni. Nem nehéz megjósolni, hogy a szintetizátor, a rövid idő alatt szédületes karriert befutó hangszer előtt még nagy jövő előtt áll. A fejlesztések további irányát nehéz lenne megjósolni, hiszen az eddig használt technikák továbbfejlesztésében és „keresztezésében” is lehet fantázia. Egy biztos, a szintetizátor nem pótolja és nem is pótolhatja a hagyományos akusztikus hangszereket. Lehetőségei más fajta feladatokra predesztinálják. Ám, hogy milyen lesz a szintetizátor léte által is meghatározott holnap zenéje, ma még nem tudhatjuk. A fejlesztések iránya, az alkalmazható hangszerek tulajdonsága egyelőre a gyártói laboratóriumok titka marad.