Síntese de som analógico em seu computador: 10 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:40

Como o som daqueles antigos sintetizadores analógicos? Quer jogar com um no seu tempo, em sua casa, pelo tempo que quiser, de GRAÇA? É aqui que seus sonhos mais loucos de Moog se tornam realidade. Você pode se tornar um artista de gravação eletrônica ou apenas fazer alguns sons divertidos e legais para ouvir no seu mp3 player. Tudo que você precisa é de um computador! Tudo é feito com a magia de um simulador de circuito gratuito chamado LTSpice. Agora eu sei que você provavelmente está dizendo "Puxa vida, Tyler, eu não sei nada sobre como rodar um simulador de circuito - isso parece DIFÍCIL!". Não se preocupe, Bunky! É fácil e vou lhe dar alguns modelos para começar e modificar para fazer os ruídos estranhos que você quiser. Não tem certeza se vale a pena o esforço? Aqui está um link para um arquivo de som pronto para tocar (ele é feito de "composition_1.asc" no passo 7 deste 'ible) que você pode experimentar. Converti de.wav para mp3 para reduzir o tempo de download. https://www.rehorst.com/mrehorst/instructables/composition_1.mp3Existe alguns graves baixos no som, então ouça com fones de ouvido ou bons alto-falantes. Se você gosta do que vê, vote em mim! Nota: Anexei arquivos esquemáticos para LTSpice que você pode executar em seu computador, mas por algum motivo, quando você tenta baixá-los, os nomes e extensões são alterados. O conteúdo dos arquivos parece OK, portanto, após fazer o download dos arquivos, basta alterar os nomes e as extensões e eles devem funcionar. Os nomes e extensões corretos são mostrados nos ícones que você clica para fazer o download.

Etapa 1: as primeiras coisas primeiro

LTSpice é um programa do Windows, mas não se deixe abater. Ele funciona bem no Wine no Linux. Suspeito que não haja problemas para executá-lo no cliente VMWare, VirtualBox ou outras ferramentas de virtualização no Linux, e provavelmente em Macs também. Baixe uma cópia do LTSpice para Windows (ugh!) Aqui: https://www.linear.com/ designtools / software / ltspice.jspInstale-o. O que é LTSpice? É um simulador de circuito no domínio do tempo que todo amador de eletrônica deve saber como usar. Não vou fornecer um tutorial detalhado sobre como funciona aqui, mas vou explicar algumas coisas que você precisa saber à medida que avançamos. Uma palavra de aviso - é facilmente possível produzir frequências que são muito baixas ou muito alto para ouvir. Se você fizer isso e alimentar seus alto-falantes caros com um amplificador de alta potência, você poderá explodir seus alto-falantes / amplificadores em pedaços. SEMPRE observe as formas de onda antes de reproduzi-las e tome cuidado para limitar o volume ao reproduzir um arquivo pela primeira vez, apenas por segurança. É sempre uma boa ideia reproduzir os arquivos em fones de ouvido baratos em volume baixo antes de tentar os alto-falantes.

Etapa 2: entrada

A entrada para o simulador é na forma de um diagrama esquemático. Você seleciona os componentes, coloca-os no esquema e, em seguida, conecta-os. Quando o circuito estiver completo, você diz ao simulador como deseja que ele simule o circuito e que tipo de saída deseja. Dê uma olhada no esquema chamado resistors.asc. Você verá que há um circuito que inclui uma fonte de tensão, um par de resistores, um nó de saída rotulado, um aterramento e uma linha de comando de texto. Vamos dar uma olhada em cada um. Agora é uma boa hora para abrir o arquivo de circuito com link abaixo. Fundo: Este é o componente MAIS CRÍTICO em seu esquema. Você DEVE ter um aterramento conectado a pelo menos um ponto em seu circuito ou você obterá resultados muito estranhos de suas simulações. A fonte de tensão: Se você está colocando uma tensão em um circuito, você precisa dizer se é CA ou CC (ou algo mais complexo), qual é a tensão, a "resistência interna" da fonte, etc. Você pode inserir esses parâmetros clicando com o botão direito do mouse na fonte. Tudo o que você realmente precisa é a resistência para simulações simples. Resistores: os resistores são muito fáceis de entender. Basta clicar com o botão direito para definir o valor da resistência. Ignore quaisquer outros parâmetros que possam estar escondidos lá. Nós de entrada e saída rotulados: Apenas nomes para nós no circuito que são amigáveis ao usuário.- use nomes como "saída", "entrada", etc. A diretiva de simulação: a instrução.tran diz ao simulador como você deseja que o circuito seja simulado. Este é um simulador no domínio do tempo, o que significa que analisa o circuito em diferentes pontos no tempo. Você precisa dizer qual deve ser o intervalo de tempo máximo e por quanto tempo a simulação deve ser executada em "tempo de circuito", não em tempo real. Se você disser ao simulador para funcionar por 10 segundos do tempo do circuito e definir o intervalo de tempo máximo para 0,001 segundos, ele analisará o circuito pelo menos 10.000 vezes (10 seg / 0,001 seg) e parará. Quando a simulação for executada, a tensão em cada nó do circuito e as correntes de entrada e saída de cada nó serão calculadas e salvas em cada etapa de tempo. Todas essas informações estarão disponíveis para serem plotadas em uma tela como uma tela de osciloscópio (tempo do eixo horizontal, tensão ou corrente no eixo vertical. Como alternativa, você também pode enviar a saída para um arquivo de áudio.wav que pode ser reproduzido em um computador, gravar em um CD ou converter em mp3 para tocar em seu mp3 player. Mais sobre isso depois …

Etapa 3: Saída

A saída pode ser um gráfico gráfico de voltagem x tempo, voltagem x voltagem, etc., ou um arquivo de texto que consiste em um monte de voltagens ou correntes em cada etapa de tempo, ou um arquivo de áudio.wav que vamos usar muito em este é instrutível. Baixe e abra o arquivo "resistors.asc". Clique no símbolo do pequeno homem em execução (parte superior esquerda da tela) e o circuito deve funcionar. Agora clique no rótulo "OUT" no circuito. Você verá a voltagem rotulada como "saída" exibida na saída gráfica ao longo de um eixo horizontal que representa o tempo. Essa é a tensão medida em relação ao aterramento (é por isso que você precisa de pelo menos um aterramento em cada circuito!). Esses são os princípios básicos. Tente alterar um dos valores do resistor ou a tensão e, em seguida, execute novamente a simulação e veja o que acontece com a tensão de saída. Agora você sabe como operar um simulador de circuito. Fácil, não foi?

Etapa 4: Agora algum som

Abra o circuito denominado "dizzy.asc". Este é um criador de ruído estranho que usa um modulador e algumas fontes de voltagem para produzir um arquivo de áudio com qualidade de CD (16 bits, 44,1 ksps, 2 canais) com o qual você pode brincar. O componente modulador é na verdade um oscilador. Freqüência e amplitude são ajustáveis como um VCO e VCA em um sintetizador analógico real. A forma de onda é sempre sinusoidal, mas há maneiras de alterá-la - mais sobre isso mais tarde. Os limites de frequência são definidos pelos parâmetros de marca e espaço. Mark é a frequência quando a tensão de entrada de FM é 1 V e espaço é a frequência quando a tensão de entrada de FM é 0 V. A frequência de saída é uma função linear da tensão de entrada de FM, então a frequência estará a meio caminho entre a marca e as frequências espaciais quando a tensão de entrada de FM for 0,5 V e será 2x a frequência de marca quando a tensão de entrada de FM for 2 V. o modulador também pode ser modulado em amplitude por meio do pino de entrada AM. A amplitude de saída do modulador (oscilador) corresponderá à tensão aplicada à entrada de tensão AM. Se você usar uma fonte CC com uma tensão de 1, a amplitude de saída será de 1 V (isso significa que oscilará entre -1 e +1 V). O modulador tem duas saídas - seno e cosseno. As formas de onda são exatamente as mesmas, exceto que estão 90 graus fora de fase. Isso pode ser divertido para aplicativos de áudio estéreo. Há uma instrução.tran que informa ao simulador o intervalo de tempo máximo e a duração da simulação. Nesse caso, o tempo do circuito (tempo total de simulação) = tempo do arquivo de áudio. Isso significa que se você executar a simulação por 10 segundos, obterá um arquivo de áudio com 10 segundos de duração. A instrução.save é usada para minimizar a quantidade de dados que o simulador salvará ao executar a simulação. Normalmente, ele salva as tensões em cada nó e as correntes de entrada e saída de cada componente. Isso pode somar MUITOS dados se o seu circuito ficar complicado ou se você executar uma longa simulação. Ao executar a simulação, basta selecionar uma tensão ou corrente da lista da caixa de diálogo e o arquivo de dados (.raw) será pequeno e a simulação será executada na velocidade máxima. Por fim, a instrução.wave diz ao simulador para crie um arquivo de áudio estéreo com qualidade de CD (16 bits por amostra, 44,1 ksps, dois canais) colocando a tensão em "OUTL" no canal esquerdo e a tensão em "OUTR" no canal direito. O arquivo.wav consiste em amostras de 16 bits. A saída de escala total no arquivo.wav (todos os 16 bits em uma amostra ativados) ocorre quando a tensão de saída é exatamente +1 Volt ou -1 Volt. Seu circuito de sintetizador deve ser configurado para gerar tensões não superiores a +/- 1 V em cada canal, caso contrário, a saída no arquivo.wav será "cortada" sempre que a tensão exceder +1 ou -1 V. Como estamos fazendo um arquivo de áudio que é amostrado a 44,1 ksps, precisamos que o simulador simule o circuito pelo menos 44, 100 vezes por segundo, então definimos o intervalo de tempo máximo para 1/44, 100 segundos ou cerca de 20 microssegundos (us).

Etapa 5: Outros tipos de fontes de tensão, outros tipos de som

Um sintetizador analógico precisa de uma fonte de ruído aleatório. Você pode gerar ruído usando uma "fonte de voltagem comportamental" (bv) e pode ligá-la e desligá-la usando uma "chave controlada por voltagem" (sw). Usar o componente bv para gerar ruído envolve definir a voltagem com base em uma fórmula. A fórmula para gerar ruído é semelhante a esta: V = branco (tempo * X) * Y A função de branco cria uma tensão aleatória entre -0,5 e +0,5 V usando o valor de tempo atual como uma semente. Definir Y para 2 dá uma oscilação de +/- 1V. Definir X entre 1.000 (1e3) e 100.000 (1e5) afeta o espectro do ruído e altera o som. A chave controlada por tensão também precisa de alguns parâmetros a serem definidos em uma instrução.model. Você pode usar vários interruptores controlados por voltagem e várias declarações de modelo para fazer com que cada um se comporte de maneira diferente, se desejar. Você tem que dizer ao simulador as resistências "ligada" e "desligada" e a tensão limite na qual ele alterna. Vh é a "tensão de histerese". Defina-o para algum valor positivo como 0,4 V e não haverá nenhum som de clique quando a chave abrir e fechar. >>> Atualização: aqui está uma maneira ainda mais fácil de fazer uma fonte de ruído bloqueada - basta multiplicar a tensão de ruído por uma pulsada source- veja easy_gated_noise.asc, abaixo.

Etapa 6: sinos, tambores, pratos, cordas dedilhadas

Sinos, tambores, pratos e cordas dedilhadas são todos percussivos. Eles têm um tempo de subida relativamente rápido e um tempo de decaimento exponencial. Eles são fáceis de criar usando fontes de tensão senoidal e comportamental combinadas com alguns circuitos simples. Veja o esquema "bell_drum_cymbal_string.asc". As fontes de tensão pulsada com o resistor, o capacitor e o diodo criam as formas de onda de aumento rápido e decaimento exponencial lento necessárias. Essas tensões de saída modulam as saídas de fontes comportamentais configuradas como ruído aleatório ou fontes de onda senoidal. Quando a tensão da fonte pulsada aumenta, ela carrega rapidamente o capacitor. O capacitor então descarrega através do resistor. O diodo impede que a fonte de tensão descarregue o capacitor quando a tensão da fonte está em zero. Valores maiores do resistor aumentam o tempo de descarga. Você pode especificar o tempo de subida da fonte pulsada - o prato é uma fonte nise com um tempo de subida muito rápido. O tambor também é uma fonte de ruído que opera em frequência mais baixa e tem um tempo de subida mais lento. O sino e a corda usam fontes de onda senoidal que também são moduladas por fontes pulsadas. O sino opera em uma frequência mais alta e tem um tempo de subida mais rápido do que a corda. Execute a simulação e ouça o resultado. Observe que a bateria aparece em ambos os canais, enquanto todos os outros sons são do canal direito ou esquerdo. Os dois resistores na saída da bateria são responsáveis por colocar o som em ambos os canais.

Etapa 7: juntando tudo

OK, agora você viu como fazer alguns sons e como moldar os envelopes e modulá-los com frequência. Agora é hora de colocar algumas fontes diferentes juntas em um único esquema e gerar algo interessante para ouvir. Como você faz com que essa fonte de ruído entre na composição em 33 segundos? Como você liga aquela campainha aos 16 segundos, desliga-a e liga-a novamente aos 42 segundos? Uma maneira é usar uma fonte de voltagem comportamental para fazer o som desejado e depois ligá-lo e desligá-lo multiplicando a voltagem geradora de som por outra voltagem que liga e desliga o som, como foi feito em bell_drum_cymbal_string.asc. Você pode fazer o mesmo tipo de coisa para aumentar e diminuir gradualmente os sons. A ideia aqui é configurar sons repetidos e, em seguida, usar fontes adicionais para adicionar esses sons à sua composição nos momentos desejados, multiplicando suas tensões pelas tensões de som. Você pode incluir quantas tensões na saída de som final quiser, apenas continue multiplicando-as (o mesmo que "e" lógico) juntas. Ao iniciar os sons todos de uma vez, eles permanecerão em perfeita sincronia ao longo da composição, de modo que nunca chegarão no início ou no final do tempo da música. Veja a composição_1.asc. Existem dois sinos, um em cada canal. As tensões pulse_bell operam durante a simulação, mas os sons só aparecem na saída quando V (bell_r) e V (bell_l) não são iguais a 0.

Etapa 8: Rampa Exponencial

Update 7/10- scroll to bottom Aqui está um circuito que gera uma rampa exponencial aplicada a um par de fontes de ruído. V1 e V2 geram rampas lineares que começam em 0 e aumentam para X volts (canal esquerdo) e Y volts (canal direito) nos períodos prd_l e prd_r. B1 e B3 usam uma fórmula para converter as rampas lineares em rampas exponenciais com amplitudes máximas de 1V. B2 e B4 geram ruído aleatório que é modulado em amplitude pelas rampas exponenciais e pelos parâmetros amp_l e amp_r (controles de nível simples). Anexei um arquivo mp3 gerado por este circuito para que você possa ouvir como ele soa. Você provavelmente terá que renomear o arquivo para reproduzi-lo. X e Y definem os limites de tensão das rampas lineares. Eventualmente, ambas as rampas do canal são dimensionadas para 1V, mas ao definir X e Y você pode controlar a inclinação da rampa exponencial. Um pequeno número como 1 fornece uma rampa quase linear, e um grande número como 10 fornece uma rampa exponencial muito íngreme. Os períodos de rampa são definidos usando os parâmetros prd_l e prd_r. O tempo de subida da rampa linear é definido como o valor prd_l ou prd_r menos 5 ms, e o tempo de queda é definido como 5 ms. O tempo de queda mais longo evita clicar no final de cada rampa conforme a amplitude cai de volta para zero. Out_l e out_r são os produtos das tensões de ruído aleatórias baseadas no tempo, as tensões de rampa exponenciais e os parâmetros amp_l e amp_r. Observe que o valor de ruído aleatório do canal direito usa uma "semente" diferente do canal esquerdo. Isso mantém o ruído em cada canal aleatório e diferente do canal oposto. Se você usar a mesma semente, com o mesmo valor de tempo obterá o mesmo valor aleatório e o som acabará no centro em vez de ser percebido como duas fontes diferentes, uma em cada canal. Este pode ser um efeito interessante para brincar … Atualização: observe que a forma de onda vai de 0 V a algum valor positivo. É melhor que a tensão oscile entre valores positivos e negativos iguais. Refiz o esquema para fazer exatamente isso, mas aumentou um pouco a complexidade da equação que define a forma de onda. Baixe o exponential_ramp_noise.asc (lembre-se de que o servidor Instructables mudará o nome e a extensão quando você salvá-lo).

Etapa 9: Rampa exponencial aplicada a uma onda senoidal

Esta página mostra como usar a rampa exponencial da etapa anterior para modular uma fonte seno (na verdade, seno e cosseno). A fonte de tensão comportamental é usada para transformar uma rampa linear em uma rampa exponencial que aciona a entrada FM em um componente modulate2. A amplitude é modulada por uma rampa exponencial rápida e uma onda senoidal lenta. Ouça o arquivo de amostra - parece muito estranho.

Etapa 10: Sugestões

1) Você pode variar o tempo total de simulação - mantenha-o curto enquanto estiver jogando com os componentes e quando obtiver o som que você gosta, então configure o simulador para funcionar por 30 minutos (1800 segundos) ou o tempo que você quiser. Você pode copiar circuitos de uma página para outra e pode fazer subcircuitos para que possa apenas conectar pequenos módulos de circuito juntos, como usar uma placa de patch em um sintetizador real.2) A taxa de amostragem de um CD é 44,1 ksps. Se você mantiver a redução de tempo máximo para 20 nós, obterá uma saída "limpa" porque o simulador terá dados disponíveis para cada nova amostra. Se você usar um intervalo de tempo menor, a simulação será lenta e provavelmente não terá nenhum efeito no som. Se você usar um intervalo de tempo mais longo, poderá ouvir alguns aliasing que pode ou não gostar.3) use a instrução da caixa de diálogo.save em seu esquema e quando executar a simulação e selecionar apenas uma das tensões ou correntes para manter o tamanho do arquivo.raw pequeno. Se você não fizer uma seleção, TODAS as tensões e correntes serão salvas e o arquivo.raw ficará MUITO grande.4) tente usar frequências muito baixas para modular frequências mais altas 5) tente usar frequências mais altas para modular frequências mais baixas.6) combine as saídas de algumas fontes de baixa frequência com algumas fontes de alta frequência para tornar as coisas interessantes.7) use uma fonte de tensão pulsada para modular um seno ou outra fonte para fornecer ritmo.8) use circuitos analógicos para moldar os pulsos de tensão em algo que você queira.9) use expressões matemáticas para definir a saída de uma fonte de tensão comportamental Divirta-se!