綿密、編織感的電子聲響？淺談什麼是粒子合成法 Granular Synthesis｜存在指南 Way To Exist

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）

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。

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” 。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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
Granulation of Sound in the Quantum Physics / Psychoacoustic point of view.
可以由這邊參考說明。

關於
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專注於研究音訊聲音科技 Sound Tech.、音訊工程 Audio Engineering，
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23/08/2023 Taipei, Taiwan