Вокодер: как работает и как получить звук

Июль 1943 года. Вашингтон и Лондон начинают говорить по шифрованной связи SIGSALY. Один её терминал стоит в Пентагоне, другой в подвале лондонского универмага. Голос по линии идёт не звуком, а цифрами: десять полос частот, громкость каждой, высота тона, шифр. На другом конце из цифр снова собирают речь. Звучит она механически. Через тридцать лет так зазвучит музыка.

Машина, которая разбирает голос на полосы и собирает обратно, называется вокодером, от английского voice coder. Музыкантам она досталась без шифра. Голос остался рисунком, а звук стал давать синтезатор.

Как работает вокодер: модулятор, несущая и полосы

У вокодера два входа. Модулятор — обычно голос. Он управляет, но сам почти не слышен. Несущая (carrier) — обычно синтезатор. Её и слышно: она задаёт высоту и тембр.

Внутри два одинаковых набора полосовых фильтров. Первый, анализ, режет голос на полосы. На каждой полосе стоит детектор огибающей: он следит, насколько громко сейчас в этой полосе. Второй набор, синтез, режет теми же полосами несущую. Громкость первой полосы синтезатора повторяет громкость первой полосы голоса, вторая повторяет вторую, и так до верха. В аналоговых вокодерах это делают усилители, управляемые напряжением (VCA).

На выходе получается пересечение двух спектров. Где голос громкий и у синтезатора есть энергия, звук проходит. Где у несущей пусто, там пусто и на выходе, сколько ни говори. Поэтому несущая нужна яркая: пила, пульс или шум. У синуса одна гармоника, резать полосами в нём нечего.

Число полос решает, сколько подробностей голоса дойдёт до синтезатора. У ранних аналоговых вокодеров их было около десяти, руководство FL Studio называет классикой 8–16 полос. Больше полос — точнее рисунок и выше нагрузка на процессор. Насколько это прибавляет разборчивости, источники спорят. Apple в руководстве к Logic пишет, что влияние небольшое и хватает 10–15 полос. Sound On Sound и MusicRadar считают, что разница заметная.

Отдельная беда — шипящие. «С», «ш», «ф» живут высоко, по Sound On Sound примерно от 4 до 10 кГц, и это шум, а не тон. В аккорде синтезатора там часто пусто, и слово теряет края. Для этого у многих вокодеров есть детектор звонких и глухих звуков (U/V): он замечает глухой звук и подмешивает вместо него шум или верх исходного голоса.

Ещё одна ручка есть у многих: сдвиг формант (formant shift). Она двигает полосы синтеза вверх или вниз относительно полос анализа. Небольшой сдвиг меняет кажущийся пол голоса, большой превращает его в мультфильм.

История вокодера: от Bell Labs до «Заводного апельсина»

Хомер Дадли из Bell Telephone Laboratories начал опыты с синтезом речи в 1928 году. Патент на вокодер он подал 30 октября 1935 года, выдали его 21 марта 1939-го. Голос в нём делился на десять полос. Задача была телефонная: передать по линии не сам звук, а его описание. Год изобретения в источниках гуляет от 1928 до 1940, даты патента надёжнее.

В 1939 году на Всемирной выставке в Нью-Йорке Bell показывала Voder. Это половина вокодера, без анализа: речь собирали руками. Оператор клавишами открывал полосы фильтров, рычагом под запястьем выбирал жужжание или шум, педалью вёл высоту тона. По словам главной из операторов, Хелен Харпер, учились этому около года. Сколько клавиш было у Voder, источники называют по-разному.

Потом война. Прежний скремблер на трансатлантической линии немцы перехватывали с 1940 года, а с осени 1941-го немецкая почта расшифровывала разговоры почти сразу. Bell построила SIGSALY: вокодер на десять полос плюс шифр, около 40 стоек и порядка 50 тонн на терминал. АНБ пишет 55 тонн, но американских, коротких. Терминалов сделали около дюжины, первый разговор прошёл 15 июля 1943 года. Универмаг из начала статьи — Selfridges, от него линию тянули к Черчиллю в подземные War Rooms. Вашингтонский терминал поставили в Пентагоне, а не в Белом доме.

В Москве такую же задачу решали в Марфине, в лаборатории при спецтюрьме. Солженицын провёл в этой шарашке 1947–1950 годы и описал работу в романе «В круге первом». Английское voice coder там «по-русски было окрещено „аппарат искусственной речи“», но название не прижилось.

В музыку вокодер повёл немецкий фонетик Вернер Майер-Эпплер из Бонна. Он рассказывал о приборе Дадли немецкой публике, в 1949 году издал книгу «Elektrische Klangerzeugung», а в 1951-м вместе с Гербертом Аймертом и Робертом Бейером предложил радио NWDR студию электронной музыки в Кёльне. В Америке Брюс Хаак собрал свой вокодер Farad, его слышно на «The Electric Lucifer» (1970). Венди Карлос записала на вокодере хоровой финал Девятой симфонии Бетховена. Кто строил прибор, источники пишут по-разному: чаще Карлос вместе с Робертом Мугом, журнал Mix называет Карлос и продюсера Рейчел Элкинд. Запись попала в «Заводной апельсин» Кубрика (1971). По словам Карлос, вокодерные партии были готовы примерно за год до работы над фильмом.

Читайте также ADSR, LFO и фильтр: как устроен звук синтезатора

Вокодер в музыке: где его слышно

• Kraftwerk, «Autobahn» (1974). Голоса прошли через вокодер, по одной из версий самодельный. К «Computer World» (1981) группа перешла на синтез речи.
• ELO, «Mr. Blue Sky» (1977). В конце вокодер произносит «Please turn me over», то есть «переверните меня»: пора ставить вторую сторону. Так объяснял эту фразу сам Джефф Линн.
• Herbie Hancock, «Sunlight» (1978). Голос через Sennheiser VSM 201, двадцатиполосный студийный вокодер.
• Laurie Anderson, «O Superman» (1981). Голос через Roland VP-330. Повторяющееся «ха» сделано не вокодером, а гармонайзером Eventide. Второе место в британском чарте.
• Neil Young, «Trans» (1982). VSM 201 на шести треках из девяти. Янг связывал этот приём с попытками говорить с сыном Беном: из-за церебрального паралича тот не мог говорить.
• Daft Punk. У них есть и вокодеры, и токбокс, и Auto-Tune. В интервью журналу Remix 2001 года музыканты назвали Roland SVC-350, Auto-Tune и DigiTech Vocalist. Какой прибор звучит в какой песне, по записи сказать трудно, и большинство таких приписок в сети — догадки.

Слова держит голос, тембр даёт синтезатор. Человек и машина поют одну ноту на двоих.

Вокодер, токбокс и автотюн: чем отличаются

Все три дают «робота», и их постоянно путают. Устроены они по-разному, и звучат тоже, если знать, что слушать.

Токбокс механический: никакой электроники между ртом и микрофоном нет, фильтр — это сам рот. Поэтому он звучит живее вокодера, а слушатели всё равно путают их.

Auto-Tune сделала фирма Antares, автор — Энди Хилдебранд, вышел он в 1997 году. Эффектом его сделала песня Cher «Believe» (1998). В 1999 году продюсеры песни рассказывали Sound On Sound про вокодер Digitech Talker; позже Марк Тейлор, один из продюсеров, признал, что это был Auto-Tune, а версия с вокодером берегла секрет. Как работает коррекция высоты, разобрано в статье «Автотюн: как он работает, как настроить и где взять бесплатно».

Вокодер в FL Studio: Vocodex и Fruity Vocoder

В FL Studio вокодеров два. Fruity Vocoder есть во всех редакциях: по умолчанию левый канал — модулятор, правый — несущая, полос от 4 до 128. Vocodex входит в Producer Edition и старше, полос в нём от 5 до 100. Для «робота» руководство Image-Line советует 16–32 полосы. Как устроены микшер и каналы, рассказано в «Основах FL Studio».

1. Каналы. Голос и синтезатор — каждый на свой канал микшера. Vocodex ставится на третий, отдельный канал, не на Master.
2. Голос. Канал голоса отправляется на канал Vocodex как сайдчейн: «Sidechain to this track only». Тот же приём, что в статье «Сайдчейн: как посадить бас под кик».
3. Синтезатор. Его канал идёт на канал Vocodex обычным выходом.
4. Входы. В самом Vocodex селекторами MOD и CAR указать, какой вход голос, а какой синтезатор.
5. Ноты. Аккорд синтезатору в Piano roll на всю длину фразы. Встроенная несущая Vocodex рассчитана на живую игру с MIDI-клавиатуры, нот из Piano roll она не берёт.

Ручек с названиями Unvoiced и Formant в Vocodex нет. Шипящие сохраняет NOISE (шум в несущую) или пропуск верха голоса через MOD с фильтром HP. Роль сдвига формант играет сдвиг высоты модулятора. Для шумной записи в опциях есть детектор шума модулятора.

В Ableton Live вокодер есть в редакциях Standard и Suite. Несущую там выбирают из шума, внешнего входа, самого модулятора или встроенного генератора, который следит за высотой голоса. В Logic Pro это EVOC 20, до 20 полос. Из отдельных плагинов известен TAL-Vocoder на 11 полос со встроенным синтезатором; другие бесплатные инструменты собраны в статье «Бесплатные VST-плагины».

Синтезатор с вокодером: от VP-330 до microKORG

Год у VSM 201 двойной: 1978 по Radiomuseum и bonedo, 1977 по истории вокодера в руководстве Apple. Число полос у Behringer VC340 известно по рецензиям, не из документов производителя. У Roland VT-4 и JD-Xi вокодер тоже есть, но число полос Roland не публикует.

Педаль V256 попадается и у гитаристов. Она есть среди педалей Стюарта Брейтуэйта в разборе педалборда Mogwai.

Как получить звук вокодера, в котором слышны слова

1. Яркая несущая. Пила, пульс, шум, открытый фильтр. Если верха мало, помогает дисторшн или подмес шума.
2. Ноты звучат всё время. Пауза в несущей обрывает выход вокодера: аккорд держат, пока звучат слова.
3. Компрессор на голос до вокодера. Чем меньше скачков уровня, тем ровнее слова.
4. Гейт перед компрессором. Иначе дыхание и шум комнаты открывают полосы в паузах.
5. Верх голоса. Подъём шельфовым эквалайзером, плюс U/V или шум для шипящих.
6. Дикция. Согласные чётче, чем в жизни. По Apple, ровная речь низким голосом работает лучше пения.
7. Спектры перекрываются. Где у голоса энергия, там она должна быть и у несущей: высокий тонкий синтезатор плохо держит низкий голос. Атака полос короткая, release в руководстве Logic советуют начинать с 8–10 мс: короче даёт зерно, длиннее кашу.

Голос перед вокодером обрабатывают почти так же, как перед сведением: чистка, эквалайзер, компрессор. Цепочка по шагам есть в статье «Обработка вокала: цепочка, которая работает у всех».

Пила, три ноты, пять слов. Синтезатор говорит вашим голосом. Дадли просто хотел сэкономить телефонную линию.

Частые вопросы

Виталий Леонов (Механик)

• Звукорежиссёр, музыкант, электронщик из Петербурга.
• Более 20 лет в музыке: дримпоп, эмбиент, электроника.
• Рассказываю о фишках и техниках при создании музыки.
• Помогаю подобрать музыкальный сетап без переплат.
• Собираю аналоговые гитарные педали.

Вопросы — в Telegram.