Süntesaator

Heli ja helisüntees

Süntesaatorite töö põhineb erinevatel helisünteesi meetoditel. 
Kõik piisavalt kaua kestvad helid sisaldavad mingit kombinatsiooni erineva sagedusega siinustoonisid, mida heli koostisosana nimetatakse osahelideks. Kindlale helile iseloomulikku osahelide kogumit nimetatakse selle helispektriks. 
Komplekssete helide analüüsimiseks kasutatakse kas Laplace'i teisendust (ajas muutuvad helid) või Fourier' teisendust (ajas piisavalt kaua muutumatuna püsivad helid). 
Erineva sagedusega osahelide omavahelisest suhtelisest tugevusest (amplituudist) sõltub heli tämber. Akustilise heli tämber võib ajas muutuda, kui muutub üksikute osahelihelide helitugevuste vahekord. Näiteks keelpillide helide kõrgema võnkesagedusega osahelid vaibuvad ajas kiiremini kui madala võnkesagedusega osahelid. 
Sünteesitud heli "kõlab õigesti", kui võetakse arvesse akustilise heli omadused nii võnkesageduse kui ka helitugevuse valdkonnas. 
Üks olulisemaid heli iseloomustavaid suurusi heli amplituudi kõvera mähisjoon. Heli tämbri muutmiseks kasutatakse süntesaatorites ADSR mähisjoone (inglise keeles ADSR Envelope) mudelit.

Elektriorelid kui süntesaatorid

Kõik orelid, välja arvatud õhusurvega töötavad vileorelid, põhinevad aditiivsel Fourier' sünteesil: mitmeid siinushelisid miksitakse palju keerulisemateks helilaineteks. 1935. aastal ehitatud algsel Hammondi orelil genereeriti siinustoone hammasratta taoliste pöörlevate helirataste (revolving tone wheel) abil, mis olid paigutatud ühisele võllile ja pööreldes indutseerisid elektromagnetilise adapteri poolides hammaste arvust sõltuvalt erineva sagedusega elektripinged. Iga osaheli jaoks oli eraldi heliratas (tonewheel). 
Moodsamates elektriorelites (elektronorelites) tekitatakse siinushelisid elektroonsete ostsillaatorite (signaali generaatorite) abil. Elektriorelitel hoolitsevad ostsillaatori toonide muutmise eest küllaltki lihtsad formandifiltrid (formant filter), automatiseerimine ja moduleerimine hoolitsevad lihtsa vibrato eest. Enamus analoogsüntesaatoreid produtseerib oma heli kasutades abstrahiivset sünteesi. Selle meetodiga toodab ostsillaator osaheliderikast helilainet, mis võib olla ka saehammas või pulsslaine. Signaal suunatakse läbi filtrite, mis eelistavad teatud osahelisid teistele. Nii saadakse sünteesheli, mis võib sarnaneda mõne akustilise heliga või mitte. ADSR helitugevuse mähisjoone mudeli abil juhitakse pingevõimendeid (VCA, voltage controlled amplifier), et anda helile õige mähisjoone kontuur.
Teised vooluringid nagu helilainekujundajad (waveshaper) ja ringmodulaatorid võivad muuta tämbrit ilma osahelide suhete struktuuri muutmata või luua müraefekte, mida ei leia looduslike helide puhul. 
Hoolimata moodsatest digitaalsetest ja tarkvarapõhistest virtuaalsetest süntesaatoritest, on puhtal analoogsel moodulsüntesaatoril seniajani oma pooldajad, mistõttu paljud tootjad produtseerivad võrdse eduga nii Moogi 1964. aasta väheste uuendustega mudelit kui ka muutumatul kujul 1998. aasta mudelit Moogalicious 900.

Sõrmlauasüntesaatorid

Sõrmlauasüntesaatorite puhul kontrollib heli muusikalisi parameetreid lintkontroller (ribbon controller) või mõni muu sõrmlaua laadne kasutajaliides. Kuigi lintkontrollerit võib kasutada ükskõik millise muusikalise parameetri piires opereerimiseks, on lintkontroller tavaliselt seotud helikõrguse juhtimise või muutmisega. Vana tüüpi sõrmlauasüntesaatorid olid resistoripõhised pika traadiga, mida suruti resistiivse plaadi vastu. Nüüdisaegsetel lintkontrolleritel ei ole liikuvaid osi. Erinevaid sõrmlauasüntesaatoreid on Ondes Martenot, Hellertion, Heliophon, Trautonium, Electro-Theremin, Fingerboard-Theremin, Persephone jne. Lintkontrollerit on lisakontrollerina kasutatud Yamaha CS-80, Korg Prophecy, Kurzweil Music Systemsi süntesaatorite, Moogi süntesaatorite jne puhul. Lintkontrollerit võib kasutada põhilise MIDI-kontrollerina klaviatuuri asemel.

Areng enne ja vahetult pärast II maailmasõda

1876 leiutas Elisha Gray, üks telefoniaparaadi leiutajatest, esimese elektrilise muusikasüntesaatori – "muusikalise telegraafi". "Muusikaline telegraaf" oli tema telefonitehnoloogia üks juhuslikke kõrvaltooteid. Gray avastas juhuslikult, et on võimalik juhtida heli, mis lähtus võnkuvast elektromagnetilisest vooluringist, ning avastas sellega esimese üksiku tooni ostsillaatori. "Muusikalises telegraafis" kasutati ostsillaatoritena terasvardaid. Elektromagnetiliste võnkumiste edastamiseks kasutati telefoniliine. Gray ehitas niisiis lihtsa valjuhääldi, millest kõigis järgnevates mudelites on säilinud põhimõtteline vibreeriva membraani süsteem, mille eesmärgiks on muuta ostsillaatori tekitatud magnetväli kuuldavaks heliks.
1906 ehitas Thaddeus Cahill telharmooniumi. 
1937. aastal leiutas Ivor Darreg mikrointervallilise "elektroonilise klaviatuuroboe" (Electronic Keyboard Oboe).
1937–1957 tegeles vene teadlane Jevgeni Murzin süntesaatoriga ANS, mida ehitati ainult üks eksemplar, mis asub praegu Lomonossovi-nimelises Moskva Ülikoolis.
Väga eripärane oli Léon Theremini ehitatud thereminvox.

Areng pärast II maailmasõda. Moodulsüntesaatorid

1940. aastate lõpus, 1950. aastate alguses ehitasid Hugh Le Caine, John Hanert, Raymond Scott ja helilooja Percy Grainger koostöös Burnett Crossiga ning teised suure hulga erinevaid automatiseeritud elektroonilise muusika kontrollereid. 
1958 valmis Columbia-Princetoni Elektroonilise Muusika Keskuses (Columbia-Princeton Electronic Music Center) New Yorgis hiiglaslik RCA Mark II Sound Synthesizer, mis ainuüksi ei produtseerinud muusikat, vaid oli ka täielikult programmeeritav. RCA produtseeris nii heli kui ka muusikat. Uut tüüpi helisid tekitati käsitsi juhitava vaakumtorude süsteemi abil. Sarnaselt mehaanilise klaveriga kasutati perforeeritud paberlindi sekventsereid, mille abil juhiti heliallikat ja filtreid. 
1958 ehitas Daphne Oram BBC raadiotehases (BBC Radiophonic Workshop) süntesaatori, mille puhul kasutati Oramics-tehnikat, mida kontrollisid joonistused 35 millimeetrilisel filmilindil. Seda süntesaatorit kasutati BBC-s aastaid.
1960. aastatel olid süntesaatorid arenenud niivõrd, et neid võis mängida reaalajas, kuid neid leidus oma hiiglaslike mõõtmete tõttu vaid üksikutes stuudiotes. Need süntesaatorid olid tavaliselt konfigureeritud moodulitena eraldi signaaliallikate ja protsessoritega, mis olid omavahel ühendatud pistikute-kaablitega ("patch cords") või muul meetodil ja mida juhtis ühtne kontrollseadeldis.
1950. aastate lõpus, 1960. aastate alguses ehitatud varased süntesaatorid olid enamasti eksperimentaalsed spetsiaalselt ehitatud aparaadid, mis tavaliselt põhinesid moodulkontseptsioonil. Selliseid instrumente ehitasid Don Buchla, Hugh Le Caine, Raymond Scott ja Paul Ketoff. Vaid Don Buchla arendas hiljem välja kommertsiaalse moodulsüntesaatori (modular synthesizer).

Robert Moog ja revolutsioon süntesaatorite ehituses

1964 demonstreeris Robert Moog, kes oli ühe RCA Mark II ehitanud inseneridest Peter Mauzey õpilane, Heliinseneride Ühingu (Audio Engineering Society) koosolekul esimest tõelist revolutsiooni teinud süntesaatorit, mida popmuusikas kasutatakse praeguseni. Moog kasutas oma süntesaatori puhul ideid, mida ta oli saanud Columbia-Princetonis. Nagu RCA Mark II, nii võimaldas ka Moogi süntesaator uute tämbrite loomist, kuid see oli väiksem ja palju tundlikum. Alguses vähem masin ja rohkem muusikainstrument, peeti Moogi süntesaatorit alguses kurioosumiks, kuid aastal 1968 tekitas see täieliku sensatsiooni. 
1967 kasutas Moogi süntesaatorit ansambli The Monkees liige Micky Dolenz, kes oli ostnud ühe kolmest esimesest Moogi süntesaatorist. Ta salvestas Moogi heli The Monkeesi neljandale albumile (Pisces, Aquarius, Capricorn & Jones Ltd.), mis kujunes esimeseks kassahitiks, millel on keskne roll süntesaatoril. 
1968 andis Wendy Carlos välja plaadi "Switched-On Bach", mida müüdi üle miljoni eksemplari. "Switched-On Bach" on kuni tänapäevani üks müüdumaid klassikalise muusika salvestisi. 
1960. aastate lõpus kasutati Moogi süntesaatorit sadade heliplaatide valmistamisel. Moogi süntesaator tekitas isegi omaette plaaditootjate Moog recordings subkultuuri, milles edukama reklaami ja müügi huvides kasutati heliplaatidel süntesaatoreid (mis mitte alati polnud isegi tingimata Moogi süntesaatorid). Moog kujundas kontrollseadmetele teatud standardid, näiteks helikõrguse kontroll 1 volt per oktaav ning erinevat pulsatsiooni vallandav signaal (separate pulse triggering signal). Selline standardiseerimine võimaldas erinevatel tootjatel omavahel suhelda. Helikõrguse kontrolli kasutatakse tavaliselt oreli tüüpi klahvpillidel või muusika sekventseritel, mis tekitavad kontrollpinge seeriaid kindla aja jooksul ja võimaldavad muusika produtseerimisel teatud automatiseerimist. Teiste varasemate süntesaatorite tööstusliku tootmisega alustanud firmade hulka kuulub ARP, mis alustas ka moodulsüntesaatoritega enne kõik-üheskoos-instrumente ning inglise firma Electronic Music Studios (London) Ltd (EMS). 
1969 kasutati sünteesitud muusikat esimest korda James Bondi filmis "On Her Majesty's Secret Service". Sealt alates on süntesaator üks olulisemaid filmimuusika instrumente. Näiteks 1982 valminud John Carpenteri filmi "The Thing" kõlab ainult süntesaatorimuusika.

1970. aastate "rahvasüntesaatorid"

1970 konstrueeris Moog sisseehitatud klaviatuuri ja moodulsüsteemita uue innovatiivse süntesaatori Minimoog, milles küll säilisid analoogsed ühendused, kuid mis olid muudetud uue lihtsustatud kontaktisüsteemi abil, mida nimetati "normaliseerijaks" (normalization), vastastikku ühendatavaks (interconnectable). Ühest küljest oli uus Moogi süntesaator küll moodulstruktuuriga süntesaatorist vähem paindlik, kuid teisest küljest palju portatiivsem ja lihtsam kasutada. Esimese etteprogrammeeritud (prepatched) süntesaatorina sai Minimoog väga populaarseks, seda müüdi üle 12 000 instrumendi. Minimoog on oma sisseehitatud klaviatuuri, helikõrguse rulli (pitch wheel), modulatsiooni rulli (modulation wheel) ning VCO->VCF->VCA signaalivooga (VCO->VCF->VCA signal flow) mõjutanud kuni tänapäevani peaaegu kõiki olulisemaid süntesaatoreid.1970. aastatel muutusid süntesaatorid portatiivseteks, kõiki vajalikke komponente koondavateks ühes tükis instrumentideks. Sealt alates on süntesaatoreid kasutatud ka elavas ettekandes. Chicory Tipi looga "Minu isa poeg" ("Son of my Father"), mis kujunes esimeseks süntesaatorile tuginevaks hitiks, olid süntesaatorid muutunud levimuusika ettekandmise standardseks osaks. 
1970. aastatest alates hakati kasutama PCM sünteesi, alguses bittide arvuga 1–32, kuid tänapäeval on kõige tavalisemad formaadid 16 ja 24 bitti, kasutades 32 bitti vaid kõrgema kvaliteediastme saavutamiseks.
1970. aastate lõpus ja 1980. aastate alguses oli suhteliselt lihtne ehitada oma süntesaator. Jooniseid avaldati elektroonikaharrastajate ajakirjades (näiteks Elektor avaldatud formantmoodulsüntesaator DIY, mis oli Moogi süsteemi klooniks) ning toodeti terveid konstruktoreid, näiteks firmade Paia (USA) ja Maplin Electronics (UK) poolt. Kuigi tihti oli nende konstruktsiooniideed üle võetud algselt harrastajate konstrueeritud süntesaatoritelt. Näiteks Maplin 5600 oli tegelikult austraalia teadlase Trevor Marshalli looming.

Mikroprotsessoriga juhitavad ja polüfoonilised analoogsüntesaatorid

1970. aastate alguses ilmusid turule esimesed mikroprotsessorid, mis olid kallid ja keerulised kasutada.
1976 ilmusid esimesed tõelised polüfoonilised süntesaatorid nagu Moogi Polymoog, Yamaha CS-80 ja Oberheim Four-Voice. See oli suur samm edasi, kuna varased analoogsüntesaatorid olid eranditult monofoonilised, tekitades korraga vaid ühe heli. Sellised mudelid nagu Moog Sonic Six, ARP Odyssey ja EML 101 olid võimelised tootma korraga kahte erineva helikõrgusega heli. Paljude simultaansete helidega akordilist või polüfoonilist muusikat sai mängida ainult elektriorelitega. Populaarsete elektrooniliste klahvpillide nagu ARP Omni, Moogi Polymoog ja Opus 3 puhul on kombineeritud oreli lülitussüsteem süntesaatori protsessoriga. Need varased instrumendid olid väga keerulised, rasked ja kallid. Teine omadus, mida sellel ajal kasutama hakati, oli heeblite asendite salvestamine digitaalsesse mällu, mis võimaldas tämbrite kiiret vahetamist. 
1978 tuli müügile Sequential Circuitsi Prophet-5: esimene tõeliselt polüfooniline süntesaator ja ühtlasi esimene süntesaator, milles kontrollerina kasutati mikroprotsessorit ning mille tämbrikombinatsioone oli võimalik salvestada digitaalsesse mällu. Prophet-5 oli ka füüsiliselt kompaktne ning võrreldes oma eelkäijatega väga kerge. Selle süntesaatori lihtne ja kasutajasõbralik konstruktsiooniparadigma muutus standardiks ka teiste süntesaatoritootjate puhul, tõrjudes aeglaselt välja palju keerulisema moodulkonstruktsiooni. Üheks esimeseks tõeliselt reaalajas töötavaks digitaalseks süntesaatoriks oli Coupland Digital Music Synthesizer. See instrument oli kergem kui klaver, kuid ei jõudnud kunagi masstootmisse.

Sagedusmodulatsioonsüntesaatorid

1980. aastatel võttis jaapani firma Yamaha Corporation helisünteesis kasutusele Stanfordi Ülikooli uurija John Chowningi patenteeritud sagedusmodulatsiooni meetodi (FM sound synthesis). Chowningi leiutis osutus tõeliselt oluliseks, kuna see leidis kasutamist nii elektroonikas, informaatikas (computer science) ja geneetilises inseneriteaduses (genetic engineering). Yamaha esimesed sagedusmodulatsioonisüntesaatorid Yamaha GS-1 ja Yamaha GS-2 olid kallid ja rasked. 1980. aastatel kasutas süntesaatorit Yamaha GS-1 ansambel Grateful Dead klahvpillimängija Brent Mydland. GS seeriale järgnes väiksemate ja täiuslikumate süntesaatorite paar CE20 ja CE25 Combo Ensembles, mis olid mõeldud eelkõige koduorelite turule ja omasid neljaoktaavilist klaviatuuri. Yamaha süntesaatorite kolmas põlvkond Yamaha DX-7 ja Yamaha DX-9 olid sama mõõtu ja kaalu kui Prophet-5, kuid mõistlikuma hinnaga ning ühendatavad tavaliste digitaalsete integreeritud lülitussüsteemidega sagedusmodulatsiooni produtseerimiseks.

Akustilist heli füüsikaliselt modelleerivad süntesaatorid

1980. aastate lõpus hakati tootma süntesaatoreid, mille tööpõhimõtteks oli akustilise heli füüsikaline modelleerimine. Selleks kasusid Julius O. Smith III ja teised digitaalses helisünteesis (digital waveguide synthesis) Karplus-Strongi algoritmi. 
1989, innustatuna sagedusmodulatsiooni patendi kasutamise edukusest, allkirjastas Yamaha Stanfordi Ülikooliga lepingu arendada ühiselt digitaalset helisünteesi. Sellest tulenevalt kuulub osa tehnoloogiliste üksikasjadega seotud patentidest Stanfordi Ülikoolile ja osa Yamahale. 
1994 hakkas Yamaha tootma esimesi heli füüsikalisel modelleerimisel põhinevaid süntesaatoreid, millest esimene oli Yamaha VL-1.

Moodsad digitaalsed süntesaatorid ja analoogsüntesaatorite taassünd

Tõelise läbimurde digitaalsete süntesaatorite arengus tõi esile süntesaator Yamaha DX7, mida on korduvalt matkitud ja emuleeritud (vaata tarkvaralised süntesaatorid). Tuntumaid DX7 mängijaid ja programmeerijaid on Brian Eno.
1980. aastate lõpust peale on enamik uusi süntesaatoreid täielikult digitaalsed. Samal ajal on uuesti hakanud populaarsust koguma ka analoogsüntesaatorid, kuna viimastel aastatel on need kaks suunda kombineerunud virtuaalsete analoogsüntesaatoritena, mis tegelikult on digitaalsed süntesaatorid, mis modelleerivad analoogseid sünteesitehnikaid, kasutades selleks digitaalse signaalitöötluse tehnikaid.

Süntesaatorid ja MIDI

1981 tegi Sequential Circuitsi insener Dave Smith ettepaneku võtta kasutusele digitaalsete elektrooniliste muusikainstrumentide tootjate ühine kommunikatsiooniprotokoll MIDI, mille abil on lihtne ühendada ja juhtida erinevate tootjate digitaalseid muusikainstrumente. 1983 võttis tänapäevani tegutsev digitaalseid muusikainstrumente tootvate firmade konsortsium MIDI Manufacturers Association kasutusele MIDI (Musical Instrument Digital Interface), digitaalse elektroonilise heli jadaliidese (serial interface) ja kommunikatsiooniprotokolli.

Süntesaatorid Eestis

Teadaolevalt tegi esimese juhitava sagedusega elektroonsel generaatoril (ostsillaatoril) põhineva süntesaatori Härmo Härm ansambli Väntorel jaoks.
Juba 1950ndate lõpul (1958) oli tehases RET inseneri Heino Kalmo poolt välja töötatud ja valmistatud elektronorel, mida 1960ndatel hakati tootma nimega Retakord.  
Süntesaatori nime väärib kindlasti ka Anatol Sügise ja Heino Pedusaare välja töötatud varioola, mida alates aastast 1959 kasutati Eesti Raadios ja Eesti Televisioonis.
Ilmselt on rahva seas kõige tuntumaks saanud Eestis tehases Norma valmistatud lastele mõeldud monotonaalne elektronorel Pille.
Nõukogude perioodil oli kaubanduses saada ainult vene päritolu süntesaatoreid (näiteks Polivoks, Aelita, Junost, Elektroonika jne), siiski liikus Eestis (mustal turul) üksikuid lääne süntesaatoreid. Muuhulgas oli Linnahalli stuudios Prophet 5 ja Roland Jupiter, mida võib kuulda mitmel tol ajal välja antud heliplaadil.