減法合成是一種利用濾波器 減去 有大量諧波的原始訊號中部分諧波來創造音色的聲音合成方法，由於早期模擬合成器幾乎均使用減法合成，因此有時利用類比電路進行的減法合成也直接被稱作模擬合成。減法合成是 1930 年代以來被電子合成器廣泛採用的合成技術，也是目前最主要的合成技術之一。許多數字合成器、虛擬模擬合成器和軟體合成器都在或獨立，或與其他方法結合地使用減法合成。 概述 在傅立葉變換的角度，任何複雜的週期性訊號都可以被認為是由一組不同的正弦訊號組成。具體到聲音來說，就是由一組正弦波的頻率和振幅決定了聲音的特性；其中最低的頻率一般為基頻，確定了音高；而更高頻率的正弦波們（稱為 諧波），則確定了音色。 因此，為了得到確定的某個聲音，有兩種不同的基本思路：從不含諧波的聲音開始，逐個諧波地疊加產生所需聲音；或者從充滿諧波的聲音開始，刪去不需要的諧波獲得所需聲音。兩條思路分別對應了加法合成和減法合成。 在類比電路時代，加法合成由於需要振盪器數量極多而不具有實用價值，因而減法合成成為了流行的合成方式。而就現在來看，雖然減法合成無法（像 FM 合成、加法合成那樣）創造新的諧波，但其易於理解，容易實現，且不會改變原始訊號的音高，因而至今仍有廣泛使用。 流程 減法合成的流程可以簡單概括為：振盪器或噪聲發生器產生原始的聲音 原料，然後由濾波器削弱（減 掉）不需要的部分頻率分量，同時透過帶有包絡的放大器模組等調節音量和截止頻率等引數，得到需要的聲音。對於這一過程，一個常用的比喻是米開朗琪羅的名言 要得到《大衛》雕像，只需要將大理石上不屬於大衛的部分全部去掉。 振盪器 作為合成素材的原始波形一般都需要具有豐富的諧波，以下是一些常見的波形： 鋸齒波，明亮，包含所有整數倍諧波。適於模仿絃樂器、貝斯和銅管樂的聲音。 方形波，聲音有 吹管 感，僅包含奇數倍諧波。適於模仿長笛類木管樂以及貝斯的聲音，有時也用來合成打擊樂聲。 三角波，類似方波，但更加 柔和，僅包含奇數倍諧波，比方波在高頻衰減更快，幾乎只包含前五個泛音。適於模仿木管樂器和疊加聲音使其變 厚。 噪聲波，嘶嘶作響，雜亂無章，包含所有頻率的聲音，視各個頻率的能量分佈情況可以區分顏色。適於模仿打擊樂和一些音效。 正弦波，清晰、柔和，僅包含基頻。適於模仿音叉、口哨之類 純淨 的聲音。（注：由於純正弦波不包含任何諧波，因此無法透過線性濾波來改變音色） 一些合成器會使用更復雜的波形（如 Synapse Audio DUNE），甚至是聲音取樣（如 iZotope Iris）來作為原始波形，這可以為聲音帶來更多變化。 可以用一些方式來調整振盪器產生的聲音，例如脈寬調製（只用於方波）、多個振盪器的環形調製、頻率調製、幅度調製、相位調製，以及兩個振盪器的硬同步（通常簡稱為同步），雖然這些調製嚴格來說超出了減法合成的範圍，但大部分 減法合成器 都帶有其中的一個或多個功能。 濾波器 根據削弱聲音 部分 的不同（頻率分佈），濾波器包括了低通濾波器（削弱高頻）、高通濾波器（削弱低頻）、帶通濾波器（只保留特定頻段，高通和低通的組合）、帶阻濾波器（削弱特定頻段，又稱為 陷波濾波器）、共振峰濾波器和梳狀濾波器等。最常見、最重要的濾波器是低通濾波器，許多合成器（例如 Minimoog）只有一個低通濾波器。 這些濾波器聽起來是這個樣子（音訊與右側頻譜圖互相對應，建議點選檢視大圖片）： 低通濾波器： 帶有共振的低通濾波器： 高通濾波器： 帶通濾波器： 帶阻濾波器： 在減法合成中，濾波器最重要的引數是截止頻率（訊號開始大量衰減的轉折點）。與名字暗示的不同，高於截止頻率的部分並不會被完全消除，而是隨著與截止頻率距離的增加而衰減。這個衰減過程的速度被稱為濾波器的 斜率，以每倍頻程分貝數 dBoctave 為單位。高斜率下聲音轉變劇烈，低斜率時聲音轉折比較柔和。大多數合成器的濾波器斜率在 12 到 24 dB 八度之間。 濾波器通常還具有所謂的共振，共振會提高截止頻率附近的訊號能量，使聲音帶有新的，聽起來更響亮的特質。此外，濾波器的類比電路（或訊號處理）架構也會影響其頻率響應，帶來不同的聲音特性。 對於大多數合成器，濾波器的截止頻率、共振，以及聲音的調製都可以透過控制元件手動控制，也可以透過包絡或 LFO 等調製器自動控制。 減法合成的代表性聲音之一，就是濾波器截止頻率在整個頻率範圍裡快速掃過，就像這樣： 放大器及控制訊號 經過濾波器部分後，訊號被髮送到放大器，來得到音量隨時間變化的聲音。這種變化也是合成出的聲音特性的一部分。例如，打擊樂總有一個短促的音頭和相對較長的聲音自由減弱部分，而吹管樂器則會隨著吹奏者的氣息慢慢變大聲，一直持續，而在吹奏者不再吹氣之後立即停止。 在大部分合成器中，這種音量的變化是透過一種被稱為 起音 衰減 持續 釋放（ADSR） 的四段包絡控制的（起音 段控制開始時音量達到最大所需的時間，持續 段控制音符持續觸發時穩定的音量，衰減 段控制音量從最大下降到 持續 水平所需的時間，而 釋放 段則控制音符不再持續觸發時音量下降為零所需的時間）；而有些合成器中，會利用更多段數的包絡獲得對音量更精確的控制。如上面 濾波器 一節所言，這些包絡也可以用來控制其他引數，以達到對聲音的控制。 此外，低頻振盪器（LFO）也是減法合成中的重要元素，它會隨著時間的推移緩慢振盪，用這種振盪訊號調製合成中的引數，能夠產生動態變化的聲音。 示例 人聲 概念上來說，減法合成類似於語音學中的，即 語音是由聲帶產生聲音後，經由聲道的共鳴腔濾波而形成的 這一原理。因此，我們可以藉助自身的發聲來理解減法合成的基本概念。 當人類說話、唱歌或發出其他聲音時，聲帶可以類比為減法合成中的振盪器，口腔和喉嚨則可以看作濾波器。 想象以同樣的音高唱出 唔 和 啊 ，並試著分辨這兩種情況之間的區別。在這兩種情況下，聲帶產生的聲音都非常相似 都是諧波豐富的聲音。兩者之間的區別在於口腔和喉嚨的濾波方式。嘴部不同的形狀，決定了濾波器的頻率響應，也就確定了哪些諧波將被削弱（減 掉）。 啊 聲音中仍然存在大部分原始諧波； 唔 的聲音中則消除（或者說，削弱）了大部分諧波。控制口腔這個濾波器，逐漸把聲音從 唔 變為 啊 ，再變回來，就完成了一次掃頻，而這正是吉他哇音效果的基礎。 人類還能夠透過發出 嘶嘶 聲來產生近似白噪聲的聲音。想要 合成（或者更普通地說，模仿）噴氣式飛機著陸的聲音，就要透過改變嘴的形狀來逐漸削弱白噪音的高頻部分，直到得到粉噪聲。另一個 濾波 白噪音的例子，則是試著輕聲而拉長地說 書 字，感受 sh（ㄕ） 發音的變化。這種 給白噪聲做濾波 的操作，在電子樂器中被用於合成海浪聲和風聲，以及建立軍鼓和其他打擊樂的聲音。 電子合成器 許多電子音樂中常用的音色都是透過減法合成創造的，這些音色可能由模擬合成器、數字合成器或軟體合成器創造，它們的操作過程相似，主要區別在於產生機處理音訊訊號的電路型別。模擬合成器透過類比電路構成的壓控振盪器（VCO）產生原始波形，利用壓控濾波器（VCF）削弱不需要的諧波，再透過附帶包絡控制的壓控放大器（VCA）控制音量的變化；數字合成器中，這些部件的一個或多個變為數位電路，從而實現更多功能、更低成本和更穩定的表現。 我們可以在軟體構成的合成器中，用下面這個例子 用減法合成器來模仿撥絃的聲音，感受之前提到的所有減法合成流程和概念。 首先，準備兩個產生相對複雜且諧波豐富的波形的振盪器，這裡用的是方波： 新增脈寬調製以實現動態變化的音調： 把兩個聲音混合在一起。下面的例子中，兩個聲音是等量混合的，但實際上可以使用任何比例。 混合後的結果被送入壓控放大器，從而具有音量的 ADSR 包絡。換句話說，它的音量根據預設模式改變。下面是一個模擬彈撥絃的包絡： 接著，聲音透過一個低通濾波器： 一般的撥絃聲音都會首先衰減高頻，因此，為了更好地模擬彈撥琴絃的聲音，濾波器的截止頻率需要從一箇中間值開始，並逐漸壓低，就像這樣： 加上一個琶音器，發出有節奏和音高變化的聲音： 應用 自 1930 年的特勞特溫電子琴以來，減法合成方式被廣泛使用。特勞特溫電子琴由柏林藝術大學的 Friedrich Trautbein 於 1930 年發明，並於 1932 年上市，聲源為鋸齒波，具有多個共振峰濾波器，可以產生相當多的音色效果。同時期發明的減法合成器還包括 1937 年蘇聯的沃洛金合成器、1939 年美國的哈蒙德新音琴（Hammond Novachord）等，這些原始電子樂器的應用並不廣泛。 直到 19601970 年代，Moog、Buchla 和製作了具有現代 VCOVCFVCA 架構的模擬合成器，但這些合成器都是模組化的，不存在固定的訊號流向 Mark Ballora The Voltage Controlled Modular Synthesizer INART 55 History of Electroacoustic Music。1968 年，溫蒂卡洛斯發行了利用 Moog 合成器創作的《巴赫，啟動！》（Switched on Bach）專輯，成為是當時銷量最高的古典音樂唱片之一。Buchla 合成器則被巴菲聖 瑪麗（Buffy Sainte Marie）應用在了 1969 年的專輯《Illuminations》中，對實驗音樂產生了深遠影響。之後，這些合成器也在搖滾樂領域開始了廣泛應用，披頭四樂隊、愛默生、雷克與帕瑪樂隊都利用 Moog 合成器創作了歌曲。此後，以 1971 年上市的 Minimoog 和 1972 年上市的 ARP Odyssey 為代表，固定連線的模擬減法合成器開始出現，大大簡化了聲音製作的流程。 19701980 年代，隨著數字合成器的發展，減法合成也被引入數字合成器中。這段時期，許多數字合成器中還保留了類比電路的 VCF 濾波器，稱為 模擬 數字混合合成器，如 KORG DW8000、Ensoniq ESQ1 等。1995 年，Clavia 推出了一種虛擬模擬合成器 Nord Lead，該合成器完全使用數字訊號處理再現模擬合成器的所有部分。在數字合成時代，減法合成常被作為一種聲音處理手段，與其他方式結合，例如取樣、FM 合成、加法合成等。 參見 加法合成 模組化合成器 MiniMoog 合成器 Buchla 合成器 註釋 參考文獻 外部連結 AMS 基於 ALSA 框架的免費軟體模組合成器 VCV Rack 免費開源跨平臺，軟體模組合成器 減法合成器的工作原理 Apple Logic Pro 幫助檔案中對減法合成器原理的描述，但不與特定 DAW 或合成器相關 Subtractive Synthesis Learn Synthesizer Sound Design LANDR Blog 解讀模擬合成器『1』 震盪器與波形 中國大陸音樂雜誌 Midifan 的系列文章，介紹了模擬合成器中的原理與操作 電子音樂 120 年 關於 18 世紀末至 1980 年代經典電聲或類比電子合成器的介紹 Vintage Synth Explorer 大量 1970 年代至今老式合成器的介紹、評價與交易 Category 聲學 Category 聲音合成型別