揭秘合成器：包络、门限与触发器

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揭秘合成器：包络、门限与触发器
你按下合成器上的一个琴键，合成器发出一个声音。听上去很简单，对吗？其实并非如此。本文我们将讨论合成器的包络、门限与触发器在上述看似简单的过程中扮演的角色。
切入正文之前让我们先回顾一下目前为止我们讨论过的内容。本系列的第一与第二篇文章中，我们介绍了震荡的本质与声音的波形。第三篇文章中探讨了信号、调制器与控制器的关系，熟悉了包络发生器的概念。接着的三篇文章中，我们研究了滤波器的各种属性。你或许在想，了解了这么多合成器的电子知识，现在终于轮到介绍合成器的声音设计方法了吧？
不幸的是，即使是对于最简单的单音模拟合成器来说，我们仍然还有许多基础知识没有介绍。比如说（键盘的做工与手感暂且不谈）为什么许多不同的合成器除了音色的区别之外，演奏时的感觉也会有明显的差异。所以本文我们将详细研究门限与触发器。与此同时，我们还将探讨 70 年代早期两个最经典的单音合成器——Minimoog 与 ARP Odyssey，为什么演奏它们时的响应会如此不同。但先让我们回顾本系列的第三篇文章，复习一下合成器的包络。

如果你有阅读本系列的前几篇文章，你或许现在认为自己已经对模拟包络发生器理解颇深。包络不就是 ADSR，对吗？起音（Attack）决定音色的打击感，衰减（Decay）决定音色在最初的起音阶段后花多少时间衰减至延音（Sustain）音量。最后，释音（Release）用于控制当你放开琴键时声音衰减至零的时长。很简单，对吗？唔，没错，但这一理解太过表面了。事实上，除了 ADSR 之外，还有很多不同类型的包络存在，有些包络比 ADSR 复杂，但另外一些又比 ADSR 简单。另外，许多包络本身还会被量度（Amount）与反转（Invert）等参数控制。不过这些包络的复杂细节我们要留给以后的文章讨论，今天让我们先来了解一下你所使用的合成器中的常见包络将会对你制作的音色与你的演奏方式产生如何出人意料的影响。
想象一个常见波形，比如说正弦波或者方波。这些声波具有简单、对称的波形，随着时间不断重复。事实上，如果这些波形没有一直重复，你就没办法感知它们的音高，你顶多只能听到一个咔嗒声。常见的锯齿波和脉冲波（严格来讲并非对称波形，不过它们也具备某种对称性）也以这种方式重复进行。记住常见波形的这一特性，然后请再观察图 1。图 1 展示的是一个既非对称也非反复的简单波形。

图 1: 一个不规则、不反复的波形

记得如果将这一波形施加至合成器的其他组件，比如说压控放大器上时会发生什么吗（见图 2）？

图 2: 将图 1 中的波形施加至 VCA 上

如果放大器在任意时刻的增益值与图 1 的波形成比例关系，那么图 1 将成为描述该音色响度轮廓的曲线。如果将图 1 的包络施加至低通滤波器（VCF）上，那么图 1 的曲线将成为该音色的亮度曲线。很明显，图 1 的曲线可以作为「包络发生器」的输出。好吧，我已经在第三篇文章中介绍过了上述内容，不过这一知识值得再在这里重复一次。

图 3: 使用多个 CV 制造复合 VCA 包络

包络的一个很好的释义是：某一特定参数随时间的变化的图形展示。但在常见合成器中，你可以在任意时间使用任意数量的调制器对参数进行改变（见图 3）。因此，音色实际的包络可能是合成器的多种部件的作用的总和。我们通常说的「包络发生器」很可能只是某一参数包络的多种决定因素的其中之一。
或许正是因为该原因，部分早期的合成器厂商将我们现在称为「包络发生器（Envelope Generator）」的装置叫做「瞬态发生器（Transient Generator）」。因为「瞬态发生器」相对更加准确，后文中我们将使用该术语。
让我们回过头来研究图 1。其包络的第一阶段为瞬态的起音（Attack）阶段，第二阶段为衰减（Decay）阶段。因此，图一展示的是一个「AD」瞬态发生器的包络。尽管 AD 看上去简单，请不要低估它们的力量。图 4 展示的是将两个不同的 AD 包络同时施加至 VCA 或 VCF 等装置上时得到的效果。可以看到，两个 AD 包络叠加在一起可以得到一个复杂的四段包络。并且你无法通过常见的 ADSR 四段包络得到同样的结果。

图 4: 将两个简单的 AD 瞬态施加至同一装置的结果

图 4 展示的是在任意时间将多个瞬态包络施加于单一参数的结果。但本文要讨论的并非仅仅如此，我们还要研究当你同时演奏多个音符时将会发生什么。

正如我们所知，大多数模拟单音合成器均由键盘控制。但你或许不知道的是，大多数合成器中，每当你按下一个琴键时，将会有三个不同的信号生成。第一个信号是音高 CV，其帮助决定合成器生成的声音音高。第二个信号是触发器（Trigger）。触发器是一个短暂的脉冲，在你按下琴键的瞬间，触发器将会被生成，触发器将会触发合成器的瞬态发生器等部件，使其开始工作。第三个信号是门限（Gate）。与触发器类似，门限将告诉合成器的其他部件你按下了一个琴键。然而与触发器不同的是，门限将在你按住琴键的整段时间内保持「开放」。这也意味着门限还具备告诉合成器的其他部件你放开琴键的时刻的功能。图 5 展示的是上述三种信号。认识门限与触发器将延伸我们对瞬态的理解。

图 5: 触发器、门限与音高 CV 示例

尽管触发器会发动瞬态发生器，但门限具有告诉合成器继续展开包络轮廓，直至我们松开琴键的能力。如果没有门限，你只能听到音色开头的哔哔声，而非整个音色。

图 6: 一个梯形包络

图 6 展示的是一个三段瞬态发生器，它使用门限的时值信息完成起音，然后在琴键按下的时间段中一直维持最大音量。我们将该装置称为梯形瞬态发生器。EMS VCS3 是少数具备梯形瞬态发生器的合成器的其中之一。

图 7: 一个标准的 ADSR 瞬态曲线

比三段瞬态发生器稍微复杂一点的就是众人皆知的 ADSR 了。ADSR 在 70 年代是大多数合成器的标准，以至于许多键盘手将所有的瞬态发生器叫做 ADSR，尽管它们中的一部分并不生成 ADSR 信号。请再次观察图 1、图 6 与图 7，它们均假设每一个瞬态均为一个单独的存在，并且每一个瞬态在下一个瞬态发动之前拥有足够的时间运行其整个周期。但即便是对于单音合成器，大多数情况也并非如此。

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我们将触发器与门限的信号称为时值信号，原因很明显。每个合成器都需要时值信号，但为什么同时需要触发器和门限两种信号？很显然门限可以起到与触发器相同的作用，那么为什么触发器有存在的必要呢？这一问题困惑了我很多年，直到我很幸运地同时拥有了一台 Minimoog 和一台 ARP Odyssey。我通常使用这两台合成器演奏轮廓明确（起音 = 0）的音色，每个音符的开始具有打击感极强的起音与鲜明的亮度。当然，这一效果由通过对 VCF 与 VCA 施加包络实现。

奇怪的是，尽管 Minimoog 拥有饱受赞誉的包络发生器，我却总觉得 Odyssey 更适合演奏快速的 Solo 音色，虽然我并不知道为什么。我只知道自己在演奏 Odyssey 时，声音更加「有力」，并且我可以以比 Minimoog 更快的速度演奏。这一现象的原因与我的演奏水平无关（我在两台合成器上弹得同样地烂），也与两台合成器键盘的做工没有关系。这一现象的真正原因在于两台合成器的硬件设计：Odyssey 使用触发器，而 Minimoog 不用。

图 8: ARP Odyssey 上的重触发行为。粗箭头展示的是每次触键时的触发器信息

请观察图 8。该图展示的是当我在 Odyssey 上演奏一条迅速的旋律时发生了什么。你可以看到音符彼此重叠，因为我在演奏下一个音符时来不及将手指从上一个琴键上松开。但同时可以看到，这一串音符仍然具备各自的动态，每个音符具有明确的起始阶段。这是因为 Odyssey 会在我每次按下一个琴键时对其瞬态发生器进行重新触发，无论我有没有松开之前的琴键，也不管门限是否处于开放的状态。这也就意味着我的音符将具备鲜明的轮廓，尽管我并没有统一地放开琴键。

图9: 缺乏重触发行为的 Minimoog 包络

让我们再来看看 Minimoog。Minimoog 不具备生成触发器信号的能力，它的唯一一种时值信号是一个叫做 S-Trigger 的非常规信号，尽管名字中包含「触发器」，它实际上是一种门限信号。正是因为如此，同样的音符在 Minimoog 上演奏时将会产生图 9 的滤波与放大器包络。可以看到，这一波形远没有 Odyssey 有趣，尽管你可以听到第二个以及紧跟其后的音符于延音音量演奏，但音符开头的冲击感却完全消失了。因此，Minimoog 上的快速 Solo 演奏变得迟钝和无聊。要想在 Minimoog 上实现 Odyssey 的动态和冲击感，你必须要在按下下一个琴键时松开上一个琴键，但我在演奏快速 Solo 的时候并做不到这一点。对于一般演奏水平的键盘手来说，演奏快速的 Solo 旋律时，与 Minimoog 相比，ARP Odyssey 是一个更好的选择（除此之外 Odyssey 的键盘是一个双复音键盘，这也对上述演奏有所帮助，不过关于复音的话题我们要留给改天来讲）。

读到这里你或许在想，如果 Minimoog 和 Odyssey 使用的是 AD 包络或者梯形包络，演奏上述的音符将产生什么效果。这一问题的答案或许会出乎你的意料。如果两款合成器使用的均为 AD 包络，Odyssey 的 Solo 几乎不会产生太大的变化，而 Minimoog 的声音会在前一两个音符之后完全消失（见图 10、11）。

图 10: 重触发的 AD 瞬态

图 11: 不具备触发器的 AD 瞬态

奇怪的是，如果两款合成器均使用梯形包络，那么它们两个的声音几乎不会有任何差别，前提是 Odyssey 的包络没有在每个音符开始时衰减至零（见图 12、13）。

图 12: 重触发的梯形包络

图 13: 门限控制的梯形包络

等等，衰减至零又是什么意思？请看下面的图 14，该图展示的是一系列的「衰减至零」的梯形瞬态。有些合成器会以这种方式重置其包络发生器，这一行为可以导致一系列不连贯的声音。这一现象在合成弦乐音色上尤其明显，因为它们具有缓慢的起音与释音。部分早期的复音合成器也有这一问题，这一现象听起来极为糟糕，像是合成器咬到了自己的舌头。

图 14: 由「零重置」瞬态发生器生成的一系列包络

本文探讨了关于包络、门限与触发器的基础知识，但对于这一话题，今天介绍内容仅仅只是冰山一角。对于瞬态发生器与时值信号来说，还有许多特性我们没有讲到。毕竟本文我们只介绍到了四段包络，但即使对于简单的模拟合成器来说，许多合成器具有五段或更复杂的包络控制，包括保持（Hold）阶段以及断点（Break）等等。另外，一些合成器还允许你使用控制电压以及合成器的旋钮和滑杆对包络的每个阶段进行调制（该功能的常见用途之一是使瞬态在高音区域时更迅速，低音区域时则较为较慢，就像传统的钢琴和吉他包络一样）。并且，包络能够调制的远不只是音量和滤波。比如说，你可以使用包络来调制音色的音高。许多乐器在每个音符的起音阶段时的音高要稍微高于其延音位置的音高。AD 等简单的包络可以帮助你实现这一效果。另一个实用的技巧是使用包络控制调制速度。规律的颤音或震音调制通常会听起来过于生硬。使用包络对 LFO 速度与深度进行调制可以让音色听起来自然很多（这也是 Yamaha 的 GX1 与 CS80 合成器饱受赞誉的原因）。况且，就像上文提到的，你还可以向一个 VCO 或 VCF 上施加多个包络，甚至为两个包络之间添加些许延迟。

因为篇幅原因，本文无法详细讨论上述细节，但我将在本文结尾给各位讲一个小故事。当我们听到一个声音时，大脑会使用最初的仅仅几毫秒的时间来判断这一声音是由什么乐器产生的。Roland 是最初开始利用这一特性的合成器厂商。Roland 的线形运算合成（Linear Arithmetic Synthesis，LA 合成）技术的原理十分巧妙：在每个音符开始的时候，即起音阶段，播放一个短暂的音频采样，然后在延音与释音阶段时使用标准的合成器音色。所以说，如果你想制作一个笛子的音色，你只需要保证起音阶段的采样是笛子的吹气声，后面的延音与释音不管使用什么声音（只要不太离谱），整个音色听起来还会像笛子声。当然，你无法向模拟合成器中添加音频采样，但如果你能够用合成器重现笛子起音阶段的波形（只需要为一个经过滤波的锯齿波添加一点噪音），再使用一两个包络发生器调整整个音色的包络，那么你就能制作出一个十分栩栩如生的笛子音色。

所以，在本文的最后，我想告诉各位为什么许多包络发生器以毫秒为单位，而不是简单的从「0」到「10」：

如果你想制作有趣的合成器音色或者使用合成器再现原声乐器的声音，那么你至少要具备一些对于分析与重现音色响度与亮度包络的能力。

但就算你已经制作了一个令人信服的笛子音色，你能否在合成器上演奏一段听起来像是笛子的旋律又是完全不同的问题了。如果你使用的是 Odyssey（上文中听起来似乎更「高级」的合成器），这一问题的答案恐怕是「八成不行」。毕竟真正的笛子不会在演奏每个音符时进行一次起音，所以 Odyssey 的多重触发机制反而成为了劣势。而 Minimoog 允许你触发一些音符（当你松开之前的琴键时），同时连奏一些音符（当你按住之前的琴键时），就像真正的笛子一样。正是因为如此，不同的合成器有不同的长处与短处，这也就是许多人收藏各种各样不同合成器的原因。上面的情况下，Minimoog 更适合制作逼真的笛声独奏，但你总能找到一台支持在单一及多重触发模式中切换的合成器，这样你就可以同时制作两种不同类型的音色。当你意识到这一点时，就要小心了，或许你已经离一个摆满合成器的房间以及空荡荡的钱包不远了。