Горячая линия8 800 250 55 00

Вокодер: устройство синтеза речи

Вокодер или кодировщик голоса - это устройство синтеза речи. Вокодер, который изначально был предназначен для коммуникационных нужд, нашел применение и приобрел популярность в электронной музыке, позволяя имитировать человеческий голос. Доводилось слышать роботизированный голос в музыкальных композициях? Это был именно он, вокодер. Но обо всём по порядку.

Попытки создания вокодера относятся к концу двадцатых годов прошлого века и связаны они с именем инженера корпорации Bell Labs Гомером Дадли. Задача была непростая – с помощью электронных устройств сымитировать человеческую речь, но не просто путем синтезирования конечных звуков, а именно воспроизводя процесс создания речи, благодаря речевому аппарату человека. Патент на изобретение был получен Дадли в 1937 году.

Только в 1939 году Bell Labs представила на суд общественности Нью-Йорка и Сан-Франциско устройство, предназначенное для синтеза речи и названное VODER (Voice Operating Demonstrator), которое произносило фразу «Good afternoon, radio audience!».

VOODER.jpg

Новинка объединяла в себе два переключаемых осциллятора и шумогенератор, который служил источником звукового сигнала. Состоящий из десятиполосных фильтров вокальный тракт управлялся клавиатурой (чувствительной к силе нажатия). Высоту звука можно было регулировать с помощью ножной педали, а дополнительные клавиши были предназначены для генерации таких звуков и их комбинаций, как «P», «D», «J», «JAW», «CH».

VODER-4.jpg

Уникальное устройство VODER требовало таких же уникальных умений от пользователя, поэтому демонстраторов приходилось долго (в течение нескольких месяцев) обучать работе с ним. Стоит также отметить, что вес устройства составлял несколько тонн.

VODER-2.jpg

Со временем вокодер претерпел технические преобразования, уменьшив свой вес, увеличив скорость кодирования (до 2400 бит в секунду в 1961 году), приобретя новые компоненты. В 1961 году был выпущен HY-2 - последний промышленный вокодер, который использовался в защищённых системах связи.

HY-2.jpg

Вокодер впервые был использован для создания музыки в 1959 году в Германии. Случилось это благодаря синтезатору SIEMENS SYNTHESIZER, способным преобразовывать звук в речь, а также одному из первых вокодеров MOOG (1968 г.), который был создан специально для работы в музыкальной сфере.

Немецкий музыкальный коллектив KRAFTWERK, который внес заметный вклад в развитие электронной музыки, собрал свой вокодер для музыкальных экспериментов и применял его в своем творчестве. Именно эти ребята популяризировали использование вокодера и донесли свои эксперименты до широкого круга слушателей, которые можно услышать, например, в их альбоме «Trans-Europe Express». Также в одноименной композиции можно четко услышать тот эффект, которого позволяет достичь вокодер, если вдруг вы не понимаете о чем идет речь.

Принцип работы вокодера

Несмотря на почти 80-летнюю историю существования, принцип работы современного вокодера почти не изменился и основан на той же схеме голосового преобразователя, что и VODER.

Вокодер использует в работе два источника звука: оператор (исходный звуковой сигнал) и модулятор (сигнал с другими гармоническими характеристиками, формирующими звук оператора). Проходя сквозь особый «банк фильтров», анализирующий сигнал модулятора и разделяющий его на частотные диапазоны, к каждой полосе звука применяется определенный фильтр, причем точка среза каждого фильтра находится точно по центру каждого диапазона в сигнале модулятора. То есть, в каждом диапазоне фильтрация сигнала происходит в центре.

Далее подаваемый на модулятор сигнал-оператор проходит через фильтры. Вокодер регулирует (повышает или понижает) точку среза каждого фильтра в зависимости от гармоник и обертонов сигнала модулятора.

Слишком сложно? Попробуем объяснить на простом примере, проведя аналогию с речевым аппаратом человека и механизмами звукоизвлечения. Голос человека формируется тоже с помощью сигналов операторов и модуляторов. Поток воздуха выходит из лёгких, а затем попадает в пространство между вибрирующими голосовыми связками – так создается исходный сигнал-оператор. Параллельно описанному процессу происходит вибрация оставшейся части голосового аппарата, она-то и производит сигнал-модулятор, характеристики которого будут отличаться от сигнала-оператора и непосредственно влиять на его звучание.

Выходя изо рта, оба сигнала накладываются друг на друга, и собеседник слышит звук, который является результатом влияния модулятора на оператор. Уникальные характеристики голоса, такие как высота, глубина, тембр, формирует именно модулятор.

По очень схожим принципам работает и вокодер: исходный сигнал подвергается изменениям со стороны дополнительного сигнала и его характеристик. Важно понимать, что для вокодера любой сигнал может быть оператором или модулятором, даже одновременно. Чаще всего в роли оператора используются синтезированные звуки, тогда как голос выступает в роли модулятора.

В качестве музыкального эффекта вокодер помогает перенести свойства одного сигнала (модулятора) на другой (носитель или оператор). Чаще всего в качестве модулятора выступает голос человека, а в качестве носителя — сигнал от музыкального инструмента. В итоге можно услышать «говорящий» или «поющий» музыкальный инструмент. Также сигналом-модулятором могут служить гитара, клавишные инструменты, барабаны и так далее. Используя различные модуляторы и операторы, можно получать очень интересные звуковые эффекты, такие как, например, говорящее фортепиано, барабаны со звуком гитары, скрипка, звучащая как ксилофон и многие другие.

Параметры вокодера

Несмотря на различных производителей и модели, вокодеры имеют схожие настраиваемые параметры, которые могут отличаться лишь названиями, это касается и аппаратных, и VST-вокодеров. Что же это за параметры?

Количество полос (Bands) – параметр, отвечающий за активность нарезки сигнала на диапазоны. Положением регулятора задается число диапазонов, на которые модулятор будет разделять сигнал. Аппаратные вокодеры имеют ограниченное число диапазонов, виртуальные – нет.

Bands.jpg

vocoder.png

Диапазон частот (Frequency Range). Данный параметр определяет границы частотного спектра сигнала-оператора, который будет подвержен обработке, частоты сигнала, которые окажутся вне заданного диапазона, как бы пройдут мимо эффекта. Если вы хотите получить максимально разборчивый звук, то верхнюю границу частотного диапазона лучше установить на уровне 5 кГц.


Frequency Range.png

Форманта (Formant, Shift) - изменение ширины нарезанных частотных диапазонов для фильтрации: чем шире диапазон, тем ярче сигнал на выходе, чем уже – тем более глубокий и мутный. Чаще всего данный параметр используют для настройки вокодера под женские и мужские голоса, этим можно объяснить тот факт, что в некоторых моделях данный параметр называется «Gender».

Неголосовые звуки (Unvoiced) – это звуки, называемые также взрывными, которые не имеют непосредственного отношения к голосу, а появляются при прохождении потока воздуха через сомкнутые губы. К таким звукам можно отнести произношение звуков «б» и «п». Особенность этих звуков том, что, не имея высоты, они воспринимаются вокодером как шум и не только не подвергаются обработке, но и полностью игнорируются им. Чтобы избежать пропуска взрывных звуков в словах, используют вышеназванный параметр. С помощью генератора шума, который воспроизводит сигнал, звук корректируется, таким образом, неголосовые звуки остаются на месте, и речь после обработки вокодером звучит правильно.

От аппаратных к виртуальным

Аппаратные вокодеры встретить сейчас не так-то просто, их снимают с продажи, заменяя программными продуктами. Из реальных устройств можно отметить, например, аналоговый синтезатор BEHRINGER VOCODER VC340. Он позволяет подключать микрофон и обрабатывать голос разнообразными эффектами в стиле 80-х, когда вокодер активно использовали не только в музыкальной индустрии, но и в кинематографе, компьютерных играх и т.д. Синтезатор имеет оригинальные аналоговые схемы, позволяющие воссоздать классические звуки вокодера.

BEHRINGER VOCODER VC340.jpg

Более компактным устройством, ориентированным на гитаристов, является педаль эффектов BOSS VO-1, помогающая придать гитаре «человечность» в виде голоса. Играть на гитаре и одновременно петь в микрофон, а в итоге получить целый спектр электронных голосов, когда гитара поет, говорит и даже плачет, – вот на что способна эта миниатюрная педаль! Расширение тембральных возможностей гитары за счет своего голоса: различные режимы позволяют смоделировать разнообразные электронно-голосовые тембры.

BOSS VO-1.jpg

С развитием компьютерных технологий всё большую популярность стали приобретать виртуальные вокодеры, которые реализованы в виде VST-плагинов, что легко объясняется большей гибкостью в настройке, а значит и более широкими возможностями. Для использования виртуальных вокодеров необходима программа-хост, в роли которой может выступать любая виртуальная студия, которая поддерживает технологию VST. Данная программа дает возможность подключать вокодер, а также выбрать несущие и модулирующие сигналы (сигналы, идущие от микрофона, инструментов, синтезатора и т.д.). К таким программам можно отнести, например, программы Cakewalk SONAR, Steinberg Cubase или Fruity Loops Studio.

Рассмотрим наиболее распространенные программные вокодеры.

Cyclonix Vocoder v 2.0

Несмотря на то, что программа далеко не новая, она позволяет достичь хороших и интересных результатов, особенно если ваша цель –получение резких звуков, напоминающих голос робота.

Cyclonix Vocoder.jpg

Достоинства:

  • Небольшой размер - 0.5 Мб.

  • Наличие эквалайзера

  • Наличие синтезатора несущего сигнала.

  • Возможность обработки непосредственно входящего звука и ранее записанных WAV-файлов.


Prosoniq Orange Vocoder

Prosoniq Orange Vocoder.jpg

Достоинство: наличие встроенного 8-голосного синтезатора, который обеспечивает мягкий и как бы воздушный звук.

Недостаток: данный программный вокодер не позволит использовать внешний источник сигнала в роли сигнала-оператора.


AKAI D.C. Vocoder

AKAI D.C. Vocoder.jpg

Достоинства:

  • Наличие 50-полосного графического эквалайзера.

  • Наличие спектроанализатора.

  • Очень хорошие алгоритмы, что вообще характерно для программ AKAI.

  • Наличие встроенного 6-голосного синтезатора

  • Возможность управлять синтезатором по MIDI.

  • VST.

Недостаток: минимальное количество настроек.


Native Instruments Vokator

Native Instruments Vokator.jpg

Достоинства:

  • Наличие 1024-х частотных полос, фильтров, модуляции, огибающих, степ-секвенсора.

  • Возможность гранулярного синтеза.

  • Синхронизация LFO и огибающих с темпом.

  • Наличие модулей динамической обработки, морфинга.

  • Очень функциональный вокодер за небольшие деньги.

  • Standalone / VST.

Можно также отметить следующие бесплатные плагины: G200kg Vocov Vocoder, EVM Synths Syncoder 32, ну, и самый функциональный бесплатный плагин JS-Synthese JS-Endorphin.

Советы начинающим

Во-первых, сигнал-оператор должен иметь богатые обертона, так влияние модулятора будет более заметно, и результирующий звук порадует вас восхитительными эффектами.

Во-вторых, поэкспериментируйте для начала с сигналами, имеющими пилообразную форму звуковой волны (saw), так как они отличаются большей насыщенностью. Также стоит попробовать компрессировать или сатурировать сигнал-оператор перед тем как направить его в вокодер, это поможет усилить эффект от прохождения сигнала через банк фильтров.

В-третьих, хотя можно поставить этот пункт и на первое место, важно правильно использовать голос в качестве модулятора. Что значит правильно? Правильно – значит максимально четко, внятно, медленно и даже «на распев» проговаривая все звуки, доведя до идеала артикуляцию и дикцию, иначе есть высокие шансы получить электронную «кашу» на выходе. Не забывайте и о таких характеристиках звука, как тембр и глубина, отодвинув на задний план его высоту.

Экспериментируйте в своем творчестве, вокодер подходит для этого как нельзя лучше!

Читайте также: