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Granular Synthesis 聲音粒子合成法是什麼? - 綿密、編織感的電子聲響?

時而磅礴,時而零碎,諸多音效皆是出自這種顆粒狀的合成方法。本文將會簡介 Granular Synthesis 的歷史以及參數使用方式、實際能夠入手的機器。


由存在指南撰寫的粒子合成Granular Synthesis介紹文章封面

你是否曾在電影或歌曲中,感受到聲音似乎是被打散了,並以更為宏觀、鋪天蓋地的型態輾轉翻騰?可能是描寫宇宙的寂寥、可能是搭配悲壯的歌詞,或甚至是沙丘的 Sandworm ,粒子合成(又稱顆粒合成)即能夠讓音樂製作人「編織」出這樣的聲響。


在開始之前的註記

如果 - 我是音樂製作人,有玩過合成器 / 我不知道電子合成器、其原理是什麼?

沒關係,從粒子合成開始也無仿。
相信若是合成器玩家絕對了解一些聲音合成的方式,諸如最為泛用的減法合成法(Substructive Synthesis)、加法合成法、波表合成法、頻率調變合成法等等,每一種都是相當具有特色的聲音設計方式,不過顆粒合成的聲音感受又與前述方式差異頗大,因此即使沒有接觸過合成器,也可以從 Granular Synthesis 開始著手製作聲響。

 

聲音粒子化研究緣起與發展


簡要來說,粒子合成是一個基於取樣的合成方式,這邊指的取樣除了一段 Audio 之外,也可以是一段單純的 Waveform ,透過裁切的方式將聲音分割成許多短時長的碎片,再加以使用各種調變方式解構、重組。

此概念源自 1947 年,英國物理學家 Dennis Gabor 以量子物理的角度提出關於一段聲音若由心理聲學(Psychoacoustic)來看,是由無數個細小到無可分割的碎片成型的,若能夠將聲音分割到此狀態,將能夠操縱、重組這個聲音的樣貌,這是聲音量子概念 - Quantum of Sound 。


但這項概念一直停留在理論階段,直到 1950 年代,來自希臘的實驗派作曲家 / 建築師 Iannis Xenakis 試圖將此概念直接成為聲音製作的方式,並提出了對 Quantum of Sound 的 Lemma(引理):


所有聲音,皆能夠視為(構想為)無數個由最小單位震動所組成的集合體,聲音在一段時間中所出現的表現,諸如 Attack / Decay / Decline (Release) 皆是由這些龐大的最小單位所組成。

而這些組成的轉變可以運用電腦計算所實踐。(當時以 Poisson Distribution 卜瓦松分佈來進行解釋,此機率統計計算方是為 1838 年 Poisson 所提出,用以計算單位時間內隨機事件所發生的次數之機率的分佈)


Iannis Xenakis copyright by The New York Times "With a Sound Forged in War, Iannis Xenakis Embraced Chaos"

這個說法在由 Iannis 在 1970 年代實行,因為當時的電腦無法承載如此龐大宏觀的數值運算,因此他用最為簡單卻暴力的方式來實現:運用類比振盪器(VCO, Voltage Controlled Oscillator)產生人耳可以聽見的頻率,再以 Tape 機一段一段地將其分割成細碎的聲音,也是在此時,這些聲音的碎片被命名為 “Grain” ,有零碎的穀物、細小的沙子之意。


Iannis Xenakis 的聲音結構計算
Iannis Xenakis 的聲音結構計算

在此同時也參與其中,對此領域有著顯著貢獻的還有美國作曲家、電腦工程師 Curtis Roads


不過,真正將這個方法運用電腦運作、實現更為如理論中細碎的聲音表現的則另有其人, 1986 年,加拿大作曲家 Barry Truax 在 Simon Fraser 大學從事此研究,並以研究室中的 POD 系統(前述的卜瓦松分佈運算系統)與當時相當先進的訊號處理器 DMX-1000 做結合,以 PODX 系統成功將 Granular 音樂化,並將其實驗集成為作品 “Riverrun” 。


早期的 POD 運算系統,Simon Fraser University
早期的 POD 運算系統,Simon Fraser University

1980 年代的 PODX 系統, Simon Fraser University
1980 年代的 PODX 系統, Simon Fraser University

1986, Barry Truax 在 Simon Fraser 大學成功將 Granular 音樂化,並將其實驗集成為作品 “Riverrun”


也因此,位於加拿大的 Simon Fraser University 被譽為 Granular 進入數位化後的真正誕生之地。


如何操控粒子合成?

前面簡短地敘述了粒子合成的發展經過,現在,我們依靠著當代電腦的運算能力,只要有台電腦、知道一些參數的意思,不用管複雜的理論,就能夠很輕鬆地開始玩 Granular 了。


存在指南WayToExist粒子合成GranularSynthesis文章圖片1

粒子合成會將一段聲音(或單純的波形),以毫秒為時間過度單位切成零碎的碎片,如上所述,稱為 “Grains” ,這些顆粒通常小於 50 ms ,當然了,運算能力強一點的機器能夠切成 1ms 甚至更小,這邊的參數名稱為 “Duration” ,也就是顆粒的時間線性長度(顆粒週期)。


有了這些如同沙狀的聲音後,我們就可以用時間來當作基礎,將這些 Grains 調快、調慢甚至是回放、部分顆粒停留等等,使之開始時而堆疊錦簇、時而分散如絲。


在 Sonology 泛聲學上,人類能夠分辨間距超過 35 ms 的聲音,並會將其當作兩個獨立事件來看待,這裡就是 Granular 好玩的地方,我們會將這些顆粒在腦中組成不同的聲音,卻又有其應該是一整個聲音圖像的錯覺。

而正是因為透過這樣的手法,因此我們時常使用「編織」來形容這個過程。


存在指南WayToExist粒子合成GranularSynthesis文章圖片2

接著,我們可以進一步地調變 Grains ,例如:

  • Position: 調整 Sample 上要開始切的位置

  • Duration: Grains 的時長,以毫秒為單位,一般來說,在一秒內會出現的 Grains 由幾百到幾千不等

  • Interval Density: Grains 之間的間距

  • Interval Reverse: 選擇一個特定區間,並將其反轉倒播


在實際創作中,許多使用者會將這些參數不斷地變化,讓這整個聲景時而清晰明朗,時而詭譎莫測,甚者,若是電腦運算能力允許,我們會使用額外的方式調變單一個 Grain

最常見的手法有獨立調整每一個 Grain 的波封(Envelope),在運算上,改變 Attack / Release 能夠直接影響整體聲音的質地 “Texture” ,聽起來會完全不一樣。


使用 Envelope 調變 Grains, Simon Fraser University
使用 Envelope 調變 Grains, Simon Fraser University

有什麼可以玩的方式呢?

軟體方面,知名音訊軟體大廠 iZotope 有打造一款以粒子合成法為基礎的 Plugin ,名為 IRIS ,其獨有的算法讓聲音的質地更加多變、繁雜。


IRIS 2粒子合成器軟體Plugin by iZotope
IRIS 2粒子合成器軟體Plugin by iZotope

實體機型方面,一家名為 Tasty Chip 的樂器廠,推出了一系列的粒子合成器,分別有 GR-1 以及今年最新款的 GR-Mega ,是相當知名的粒子合成器(Granular Synthesizer)。



Clouds by Mutable

若你有 Eurorack 模組化合成器,則可以看看由 Mutable 所推出的 Clouds 、 Make Noise 所推出的 Morphagene 兩款皆搭載相當複雜的 Granular 系統。


圖片為 Mutable 已經停產的 Clouds









結語

此篇短文僅僅簡要介紹 Granular 粒子合成法,實際上瞥見的,只是這個橫跨將近世紀的物理學、聲學研究的冰山一角,若想要進一步瞭解,除了搜尋 Granular Synthesis 之外,也可以直接至文中進行深度聲學、物理學以及粒子合成研究的 Simon Fraser University(Canada)官網查詢相關資料。


此外,以宏觀量子物理角度所進行研究的聲音粒子化

可以由這邊參考說明。

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