第 7 章：創造聲音的樂器
利用技術精確定位發聲原理
2020 年 2 月，雅馬哈發布了 YC61 舞臺鍵盤，這款鍵盤搭載了全新研發的虛擬電路建模 (VCM) 管風琴音源。次年，我們發布了 YC73 和 YC88，使 YC 系列的型號擴展至三個。雖然這兩款產品是舞臺鍵盤而非合成器，但它們的內部結構與合成器并無二致，除了 VCM 管風琴音源之外，還搭載了 AWM2 和 FM 音源。我們選擇 “YC” 作為型號名稱是為了向 1969 年發布的 YC-10 組合管風琴致敬，YC 系列后來推動了 20 世紀 70 年代的 “樂隊熱潮”。雖然 YC 系列的設計理念與雅馬哈 Electone 電子琴不同，但卻與電子琴共享相同的音頻輸出系統。五十年后，我們采用全新的 VCM 音源對 YC 系列進行了革新。
有趣的是，VCM 技術的核心理念源于 K's Lab 的一項研究項目。K's Lab 是雅馬哈的內部研究團隊，由信息科學博士 Toshifumi Kunimoto（人稱“K 博士”）領導。該團隊成立于 1987 年，旨在雅馬哈 FM 和 AWM 音源商業化之后，開發下一代音源系統。該實驗室致力于通過數學方法來揭示原聲樂器的發聲原理，并為 1993 年在 VL1 合成器上應用的虛擬聲學 (VA) 音源奠定了基礎。然而，由于計算薩克斯管等錐形管樂器的聲學特性需要用到大量的公式，當時的數字信號處理器 (DSP) 性能無法滿足 VA 音源的運算需求。為了解決這一問題，K's Lab 找到了一篇發表于 1977 年的關于“分支理論”的論文（注 1）。分支理論認為，我們可以使用兩個圓柱形管道來近似模擬錐形管道的聲學特性。根據這一理論，該實驗室使用固定直徑的圓柱形管道來簡化公式，使新的音源系統更加實用，最終促成了 VA 音源的發布。此外，我們還將分支理論應用到了電子模擬領域之外，并用它設計了休閑管樂器 Venova。這款純聲學樂器于 2017 年首次亮相，并榮獲了日本“優良設計獎”。
注 1：
（錐形號角反諧振頻率的球面波理論分析 - 錐形管樂器的發聲頻率），Junichi SANEYOSHI，1977 年。
在 VA 音源之后，K's Lab 還參與開發了許多其他音源，包括基于 DSP 的模擬建模合成器 AN1x（1997 年）以及搭載了擴展合成混合音源系統的 EX5（1998 年）。2001 年前后，該實驗室開始利用模擬電路的物理模型開發效果器。
模擬電路通常由電容、晶體管等元器件組成。即使是電容和放大倍數相同的元器件，由于制造商和型號的不同，也會存在細微的差異。特別是對于音頻信號等頻率不斷變化的電信號來說，元器件的頻率特性對聲音的影響非常大。也就是說，如果兩個功能相同的效果器所使用的模擬電路的元器件或組裝方式不同，那么它們的聲音也會有所區別。這也是音樂人和錄音師在選擇效果器時非常謹慎的原因。
K’s Lab 對模擬電路的行為進行了深入的研究，并使用物理建模的方式為多款調音臺開發了數字效果器，其中包括雅馬哈 DM2000VCM 專業數字調音臺（2000 年）。這也是雅馬哈第一款在產品名稱中使用了“VCM”的產品。隨著技術的不斷發展，VCM 技術被應用到越來越多的產品中。它是 Open Deck 技術的核心，Open Deck 能夠模擬磁帶錄音機在錄制和播放音樂時產生的轉速波動等音質變化。此外，我們還與 Rupert Neve Designs 合作，開發了 RND Portico 插件。
在開發 YC61 的過程中，開發團隊決定將這項模擬模擬電路以及其他物理現象的 DSP 技術，應用到全新的管風琴音源的開發中，并致力于利用 VCM 技術來模擬音輪式管風琴音源。
與基于電子振蕩器的管風琴不同的是，音輪式管風琴是利用拾音器附近的金屬齒輪旋轉時產生的電磁感應來發聲的。我們可以用電吉他來進行類比。在電吉他中，琴弦在拾音器上方振動，切割磁力線，產生感應電流。琴弦的振動頻率越高，音調也越高。而音輪的齒輪則是鋸齒狀的。當音輪旋轉的時候，齒輪與拾音器之間的距離會周期性地發生變化，這與琴弦在拾音器上方振動所產生的效果類似。如果兩個音輪以相同的速度旋轉，那么齒數越多的音輪，其振動頻率越高；而如果兩個音輪的齒數相同，那么旋轉速度越快的音輪，其振動頻率越高。因此，我們可以通過改變齒輪的轉速或齒數來改變音調。
在真實的音輪式管風琴中，每個音高對應一個特定頻率的音輪。我們可以將多個音輪組合在一起，并利用拉桿來調節音量，從而產生更加豐富的音色。由于音輪式管風琴的發聲依賴于齒輪的旋轉，因此轉速的波動、齒輪的形狀差異等因素都會對聲音產生影響。此外，拾音器中磁鐵的類型、線圈的匝數以及導線的粗細，都會對音色產生影響。VCM 管風琴音源正是利用 VCM 技術，通過 DSP 來模擬這些參數，從而生成更加逼真的管風琴音色。
除了 VCM 管風琴音源之外，YC61 還應用了其他的 VCM 技術。例如，大多數管風琴都會配備旋轉揚聲器，例如 Leslie 揚聲器。而 YC61 則通過 VCM 旋轉揚聲器效果器，來模擬旋轉揚聲器的音色。除此之外，YC61 還內置了 VCM 效果器，可以用來模擬相位器、鑲邊器等深受專業音樂人喜愛的經典模擬效果。
YC61 還配備了由 FM 音源生成的管風琴音色。FM 音源中的振蕩器（被稱為“運算器”的數字元器件）能夠生成非常純凈的正弦波。YC61 利用這一特性，使用 Electone 音源中的晶體管振蕩器來模擬管風琴音源，并提供了六種 FM 音源管風琴音色，其中八個拉桿分別對應不同的載波、調制器和反饋，為用戶帶來了全新的 FM 管風琴音色體驗。由于 VCM 和 FM 管風琴音源均基于數字電路，因此 YC61 能夠完整再現那些擁有 50 多年歷史的電聲和電子管風琴的音色。
在開發 YC61 的過程中，我們不僅對音源進行了改進，還重新思考了舞臺鍵盤的角色定位，并對用戶界面進行了優化。之前的許多合成器和鍵盤都只有一個用戶界面，用戶需要通過按鈕和旋鈕來選擇和編輯音色。而 YC61 則提供了三個用戶界面：管風琴部分、KEY-A 部分以及 KEY-B 部分。用戶可以為每個部分預置音色，并根據需要選擇啟用或禁用它們。這種清晰的界面布局和預置功能，可以讓鍵盤手在鋼琴、電鋼琴以及管風琴等音色之間進行快速切換，這對經常需要在樂隊中演奏的鍵盤手來說非常實用。此外，用戶還可以將合成器音色與鋼琴音色進行疊加，或者將鍵盤的不同音域分配給不同的音色。例如，將低音區分配給管風琴音色，將高音區分配給電鋼琴音色。這種靈活的配置方式，也為現場演出帶來了更多可能性。同期開發的 CP73 和 CP88 舞臺鋼琴也采用了類似的設計理念，后來的 CK61 和 CK88 舞臺鍵盤也繼承了這一設計。
MONTAGE M 在雅馬哈合成器 50 周年紀念之前發布
2016 年，雅馬哈發布了旗艦混合合成器 MONTAGE，它搭載了 AWM2 和 FM-X 音頻引擎。七年后的 2023 年 10 月，我們發布了配備全新 AN-X 音頻引擎的 MONTAGE M。事實上，MONTAGE M 中的“M”代表著這款擁有三種音頻引擎的合成器已經從混合合成器進化為多引擎合成器。
全新的 AN-X 音頻引擎是一種虛擬模擬建模引擎，它利用數字技術來模擬模擬合成器。與 1997 年發布的 AN1x 上的 AN 音頻引擎（同為虛擬模擬建模引擎）相比，AN-X 的規格有了顯著的提升，它結合了 MONTAGE 強大的實時控制功能，為用戶帶來了更加豐富的音色編輯選項。
首先，AN-X 的基本結構包含三個振蕩器（AN1x 只有兩個），以及一個獨立的噪聲振蕩器。它還擁有 7 個 LFO（AN1x 只有兩個），濾波器也升級為了雙濾波器結構，能夠創造出更加復雜的聲音，例如，用戶可以同時使用高通濾波器和低通濾波器，或者創建兩個低通濾波器峰值，并對它們進行獨立的控制。每個振蕩器都可以直接路由到濾波器之后，這樣用戶就可以讓部分振蕩器的聲音不經過濾波器處理。為了進一步提升模擬仿真效果，我們還添加了一些新的參數，例如老化（模擬設備老化）以及電壓漂移（模擬電壓波動），它們可以模擬振蕩器音高變化、濾波器截止頻率變化以及其他聲音特性的變化。除此之外，AN-X 還能夠模擬模擬合成器的一些細節變化，例如，它可以讓用戶設置按下琴鍵時振蕩器的相位是對齊還是偏移，還可以控制每個振蕩器的音高變化。最終，AN-X 能夠產生比數字合成器更加溫暖的聲音。
與最初的 MONTAGE 相比，AWM2 音頻引擎也得到了大幅度的升級，其元素數量從 8 個增加到 128 個。通常情況下，AWM2 只會使用 8 個元素，但用戶可以選擇添加更多元素，以便在聲音設計時擁有更大的自由度。例如，用戶無需使用多個聲部，便可以將 8 個甚至更多的波形疊加在一起；或者為每個琴鍵分配不同的樂器音色或和弦，從而創造出全新的音色。
元素是擴展樂器表現力的另一個關鍵要素。我們可以使用 XA 控制參數來控制元素的發聲方式，例如，我們可以設置元素只在連奏或釋放琴鍵時發聲，從而模擬原聲樂器的噪音等聲音細節。此外，我們還可以通過隨機播放同一個樂器略微不同的波形，來模擬聲音的微妙變化。
MONTAGE M 與之前的合成器產品的另一個區別在于音色的保存方式。每個音色包含 16 個聲部，用戶可以為每個聲部選擇 AN-X、FM-X 或 AWM2 音頻引擎，并將它們保存為一個名為“PERFORMANCE”（演奏）的單元。在 MOTIF 系列合成器中，“VOICE”（音色）模式和“PERFORMANCE”（演奏）模式有著明確的區分。在“VOICE”模式下，我們可以像切換鋼琴、風琴或合成器音色那樣，逐個切換不同的音色。而在“PERFORMANCE”模式下，則可以將多個聲部組合在一起，并以“VOICE”模式的音色進行播放，從而產生疊加的音色。在音頻引擎支持多通道（多聲部）功能之后，雅馬哈便引入了“單音色”和“多聲部”兩種音色保存格式。從 EX5 開始，雅馬哈正式采用了“VOICE”和“PERFORMANCE”兩種命名方式，并沿用至今。然而，從 MONTAGE 開始，我們放棄了“VOICE”這種單聲部保存方式，所有音色都以“PERFORMANCE”的格式進行保存。
在 MONTAGE M 上，用戶可以為“PERFORMANCE”中的每個聲部自由選擇 AN-X、FM-X 或 AWM2 音頻引擎。例如，我們可以將 Part 1 設置為 AWM2 鋼琴音色，將 Part 2 設置為 FM-X 電鋼琴音色，將 Part 3 設置為 AN-X 墊底音色，從而得到一個由原聲鋼琴、電鋼琴以及合成器墊底音色組成的疊加音色。這種設計思路就好比將所有的音源都當作振蕩器來使用。MONTAGE M 的 Motion Sequencer（動態音序器）和 Super Knob（超級旋鈕）能夠同時控制多個聲部的參數，甚至可以進行實時的音色編輯，這為聲音設計帶來了前所未有的可能性，也打破了不同音源技術之間的界限。
智能變形：從音色中創造音色
MONTAGE M 的智能變形功能（注 2）能夠對兩個或多個音色進行機器學習，并利用每個音色的元素來生成一個全新的音色，用戶可以通過圖形化的方式來操控它。
假設我們選擇了三個音色：合成器墊底音色 A、電鋼琴音色 B 以及合成器銅管音色 C（只能選擇 FM-X 或 AN-X 音色）。當我們在智能變形編輯頁面導入這三個音色并按下“學習”按鈕后，屏幕上便會出現一個類似 XY 墊的區域，并以不同的顏色來顯示機器學習的結果。每個音色對應一個白色的方塊，方塊之間用線條連接起來，左上角還有一個藍色的方塊。用戶可以通過觸摸屏幕移動藍色的方塊。當我們將藍色方塊移動到 A（合成器墊底音色）對應的白色方塊時，合成器便會發出墊底音色。而當我們將藍色方塊移動到 B（電鋼琴音色）對應的白色方塊時，合成器便會發出電鋼琴音色。如果將藍色方塊移動到 A、B 和 C 三個音色之間的任意位置，MONTAGE M 都會根據藍色方塊的位置，自動生成一個混合了相應元素的全新音色。屏幕上不同的顏色代表著不同音色的強度。例如，藍色方塊越靠近 B（電鋼琴音色），那么電鋼琴元素在合成音色中的比例就越高。
通過這種方式，用戶可以根據現有的音色來創造新的音色。此外，我們還可以使用 Super Knob 來控制藍色方塊在 XY 墊上的移動軌跡，從而實現更加復雜的聲音變化。
注 2：
智能變形功能需要 MONTAGE 3.5 或更高版本的操作系統支持。MONTAGE M 的 FM-X 引擎支持該功能，而 AN-X 引擎則需要 MONTAGE M 2.0 或更高版本的操作系統支持。
用戶界面的演變
隨著音源技術的不斷發展，以及更多新功能的加入，用戶想要完全掌握合成器的操作，變得越來越困難。彩色觸控屏的出現，極大地提升了合成器的操作性和可視化程度，而 MONTAGE M 則在此基礎上，引入了更多人性化的設計。
首先，MONTAGE M 的主屏幕位于機身中央，用戶可以通過觸摸屏幕輕松切換音色。此外，我們還為其配備了“分類搜索”功能，用戶可以通過觸控的方式瀏覽不同的音色類別，而無需使用下拉菜單。屏幕上的切換按鈕、觸控按鈕以及機身右側的 LIVE SET 和 CATEGORY 按鈕以及它們下方的 16 個按鈕，都能夠控制音色的切換。按鈕上的 LED 指示燈會與屏幕上的高亮顯示保持同步。
MONTAGE M 還針對音色編輯功能進行了優化。例如，在編輯 AN-X 音色時，用戶需要對三個振蕩器以及音高、LFO、脈沖寬度、調制等參數進行設置，而這些參數無法在一個頁面中完全顯示出來。通常情況下，每個振蕩器對應一個單獨的頁面，用戶可以通過按鈕或下拉菜單在不同的振蕩器之間切換。此外，還有濾波器和放大器模塊、包絡設置等頁面，復雜的層級結構讓用戶很難快速找到想要調節的參數。為了解決這一問題，MONTAGE M 在機身右側設置了一個 NAVIGATION（導航）按鈕。按下該按鈕，主屏幕便會顯示當前正在編輯的音色的信號流程圖。通過信號流程圖，用戶可以清晰地了解到每個參數所屬的模塊，只需在屏幕上點擊對應的模塊，便能快速找到需要調節的參數。
MONTAGE M 的左上角還配備了一個輔助顯示屏，它可以對主屏幕進行補充。用戶可以通過輔助顯示屏頂部的 8 個按鈕、左側的 PAGE 按鈕以及底部的 8 個旋鈕和 QUICK EDIT 按鈕來控制輔助顯示屏。它能夠獨立于主屏幕顯示當前音色的參數。此外，輔助顯示屏還采用了固定的顯示布局，AWM2、FM-X 以及 AN-X 的振蕩器、濾波器和放大器信號流程圖都以相同的結構顯示，與主屏幕上針對不同音源分別顯示不同布局的方式相比，輔助顯示屏更加直觀。
除此之外，MONTAGE M 還針對面板上的按鈕開關進行了優化。當按鈕的功能發生改變時，按鈕上的 LED 指示燈的顏色也會隨之改變。這些細節的改進，讓這款功能強大、參數繁多的合成器變得更加易于操作和理解。
MONTAGE M 2.0 在雅馬哈合成器 50 周年之際亮相
值此雅馬哈合成器誕生 50 周年之際，MONTAGE M 操作系統迎來了 2.0 版本的更新。新版本在功能和音色方面都進行了許多改進。首先是加入了雅馬哈旗艦音樂會三角鋼琴 CFX 的采樣波形（CFX 于 2022 年發布）。此外，新版本還加入了近年來備受歡迎的 Shimmer Reverb 效果，智能變形功能也得到了改進，除了 FM-X 音源之外，現在也支持 AN-X 音源。接下來，我們來介紹 2.0 版本的另一個重大更新：支持 2019 年發布的 MIDI 2.0 協議。
MONTAGE M 是雅馬哈第一款支持 MIDI 2.0 協議的合成器。與傳統的 8 位 MIDI 數據傳輸方式不同，MIDI 2.0 協議使用 32 位到 128 位的數據包來傳輸數據，因此它的數據分辨率遠高于 MIDI 1.0。例如，用來傳輸音量等參數的控制信息，在 MIDI 1.0 協議下，數據區域只有 7 位可用，因此最大分辨率為 128 級（2 的 7 次方）。而彎音等參數的信息，則使用了兩個 7 位數據組成 14 位數據的方式，因此最大分辨率為 16384 級（2 的 14 次方）。MIDI 2.0 協議的數據區域擁有 32 個可用位，最大分辨率可達驚人的 43 億級（2 的 32 次方）。力度信息也得到了大幅度的提升，在 MIDI 2.0 協議下，力度信息為 16 位數據，最多可以表示 65536 級力度。
需要注意的是，這些只是 MIDI 2.0 協議理論上的最大值，實際設備可能無法達到如此高的分辨率。但 MONTAGE M 的 Super Knob 擁有 1024 級精度（從 0 到 1023），這對支持 MIDI 2.0 協議來說非常重要（遠超 MIDI 1.0 的 128 級）。MIDI 1.0 協議誕生于 1982 年，雅馬哈在次年便發布了雅馬哈第一款支持 MIDI 的合成器 DX7。在過去的四十多年里，7 位和 14 位數據已經足以滿足電子樂器的需求。但隨著技術的進步，我們需要更高分辨率的 MIDI 協議。
MONTAGE M 2.0 操作系統支持 10 位（1024 級）分辨率的 MIDI 信息，包括力度、觸后力度（復音和通道）、Super Knob、彎音輪、調制輪、8 個旋鈕、8 個推子、腳踏控制器以及延音踏板。換句話說，如果想要將 MONTAGE M 與 DAW 軟件或其他軟件配合使用，并充分發揮 MIDI 2.0 的優勢，那么就需要使用 MIDI 2.0 進行連接。當然，單獨使用 MONTAGE M 時，用戶依然可以獲得無損的音質體驗。
為了讓用戶能夠充分體驗高分辨率 MIDI 的優勢，MONTAGE M8x 還配備了全新的鍵盤。在之前的 FSX 鍵盤上，力度信息是通過檢測琴鍵在按下過程中經過多個檢測點的速度來計算的。而 MONTAGE M8x 的 GEX 鍵盤則為每個琴鍵以及對應的鍵床都安裝了線圈，并通過線圈之間距離產生的電磁感應來檢測力度信息。按下琴鍵后，兩個線圈之間的距離會減小，線圈兩端產生的電壓也會隨之改變（線圈距離越近，電壓越低，產生的聲音就越強）。通過檢測線圈之間的距離，我們可以更加精準地測量琴鍵的垂直位置，從而獲得更加細膩的力度變化。GEX 鍵盤還支持復音觸后功能，它可以通過檢測線圈之間的距離，來判斷琴鍵是否被按壓到比正常更深的程度，這也使其能夠更好地適應 MIDI 2.0 時代高分辨率的 MIDI 信息。
對于合成器，人們往往只關注其音源系統的結構，例如，是模擬合成還是數字合成？是 AWM2 還是 FM？但雅馬哈在過去 50 年間，一直在不斷地改進合成器的用戶界面、鍵盤等部件，為用戶帶來更好的體驗，這也證明了，雅馬哈始終將合成器視為一件值得我們全力以赴的樂器。
提出軟件合成器與硬件合成器之間的新關系
自從使用 DAW 制作音樂成為主流以來，我們對于軟件合成器和硬件合成器之間關系的理解也在不斷發生著變化。
在基于 DAW 的音樂制作方式流行起來之后，音樂制作人開始將硬件合成器視為一種主控鍵盤，而作曲家和編曲家則將其視為一種用來探索音樂動機的工具。這也成為了雅馬哈設計 MOTIF 合成器時的主要設計理念。
我們曾嘗試開發編輯軟件，讓用戶能夠像使用軟件音源那樣，通過音頻接口來使用硬件合成器的聲音，但這并沒有改變“硬件合成器用于現場演出，軟件合成器用于音樂制作”的固有模式。隨著電腦性能的不斷提升，越來越多的音樂家開始在現場演出中使用軟件合成器，硬件合成器似乎正在逐漸失去它的地位。
在這種背景下，一款名為“Expanded Softsynth Plugin for MONTAGE M”（簡稱 ESP）的軟件應運而生，它為軟件合成器和硬件合成器之間的關系，提供了一種全新的解決方案。
ESP 實際上就是 MONTAGE M 的軟件合成器版本，但它的獨特之處在于它采用了全新的策略。ESP 對 MONTAGE M 的注冊用戶免費開放，并且不單獨銷售。此外，ESP 并不需要 MONTAGE M 作為加密狗，即使在沒有 MONTAGE M 的情況下也能正常使用。這對專業音樂人來說非常實用，主要體現在以下兩個方面：
1. 在家中進行音樂制作，并經常去錄音棚錄制人聲和混音的音樂人
現在，許多音樂人都采用這種工作方式。他們可以在家中使用 MONTAGE M 進行創作，然后帶著 ESP 去錄音棚，在 DAW 軟件中使用 MONTAGE M 的音色。在過去，音樂人通常會將音軌導出為音頻文件，然后帶著這些音頻文件去錄音棚。這樣做的問題是，他們無法在混音過程中對音色進行調整。雖然我們可以使用其他插件合成器來進行修改，但如果只是進行一些細微的調整，ESP 無疑是優選。
2. 經常需要在巡演期間進行錄音的音樂人
許多音樂人經常會在巡演期間與其他音樂人一起錄制音樂，但他們的設備可能還在運輸途中，無法使用。有些音樂人為了解決這一問題，會購買多套相同的設備，分別用于巡演和錄音。而 ESP 則可以幫助他們節省這筆開銷。此外，他們還可以將新錄制歌曲的音色直接導入到 MONTAGE M 中，方便他們在巡演時進行演奏。
ESP 將硬件合成器和軟件合成器的優勢結合在一起，讓用戶能夠同時享受兩種方式帶來的便利。ESP 對 MONTAGE M 的用戶免費開放，這似乎只是一個額外的福利，但事實上，雅馬哈將 MONTAGE M 視為包含了硬件合成器和 ESP 軟件的完整產品。在雅馬哈合成器誕生 50 周年之際，我們用這種方式來回應業界關于“硬件 vs 軟件”的爭論。
未來 50 年
自 1974 年雅馬哈發布 SY-1 以來，已經過去了 50 年。從最初旨在提升 Electone 電子琴表現力的項目開始，雅馬哈在音源系統、鍵盤、用戶界面以及聲學技術等多個領域，取得了令人矚目的成就。2024 年發布的 MONTAGE M 2.0 便是這些創新成果的集大成之作。
在過去的半個世紀里，雅馬哈始終堅持不懈地將理想變為現實，并與世界分享我們的技術，這造就了眾多經典的合成器產品。我們秉承“合成器是創造聲音的樂器”這一理念，利用先輩們積累的技術，不斷開發出滿足時代需求、超越用戶期待的創新產品。如果要用一句話來概括雅馬哈的合成器開發理念，那就是“利用雅馬哈的技術，創造能夠創造聲音的樂器”。這種信念將激勵我們不斷探索新的技術，在未來的 50 年甚至更長的時間里，繼續書寫合成器發展的新篇章。
