
When a house becomes quiet at night, the low hum of a refrigerator or the vibration of a distant train can suddenly become clear. The thin ring of a lightly struck glass and a voice from a phone speaker both reach the ear by moving the air in a room. We usually hear them not as waveforms, but as the presence of an object, its distance, and the size of a space. A sine wave removes as much of that material character as possible and leaves the motion of sound like a single line.
An ideal sine wave has only one frequency and is the simplest basic waveform. Frequency is the number of vibrations in one second and is heard mainly as pitch. It is not accurate, however, to describe the sine wave as the smallest particle of sound. Air pressure changes continuously through time, and the ear receives the whole movement. Fourier analysis separates a complex sound into sinusoidal components in a way that is somewhat like separating white light into colors. It does not break sound into physical grains; it provides a clearer view of what the sound contains.
Combining only two simple tones already produces an unexpected movement. When sine waves at 440 Hz and 441 Hz are played together, the pitches are nearly the same, yet the level seems to swell and shrink about once each second. This beating occurs because the waves alternately reinforce and cancel each other. A sine wave with little motion of its own begins to carry rhythm through a very small frequency difference. This opens a larger question: perhaps pitch, timbre, rhythm, and space are different views of the same phenomenon heard from different distances.
夜、家の中が静かになると、冷蔵庫の低い唸りや、遠くを走る電車の振動が急にはっきり聞こえることがあります。グラスを軽く弾いたときの細い響きも、スマートフォンから流れる声も、最後には部屋の空気を動かして耳へ届きます。私たちは普段、それらを波形としてではなく、物の気配や距離、部屋の広さとして聞いています。サイン波は、その気配をできるだけ取り去り、音の動きだけを一本の線のように残したものです。
サイン波とは、理想的には一つの周波数だけを持つ、最も単純な波形です。周波数は一秒間に振動する回数で、主に音の高さとして感じられます。ただし、サイン波を音の最小の粒と考えるのは正確ではありません。空気の圧力は時間の中で連続して変化しており、耳はその流れ全体を受け取っています。複雑な音をいくつもの正弦波成分へ分けて眺めるフーリエ解析は、白い光を複数の色に分けて調べる方法に少し似ています。音そのものを粒へ砕くのではなく、何が含まれているかを読みやすくする見方です。
この単純な音を二つ重ねるだけで、意外な動きが現れます。440Hzと441Hzのサイン波を同時に鳴らすと、二つの高さはほとんど同じなのに、音量が約一秒ごとに膨らんだり縮んだりして聞こえます。これは二つの波が強め合ったり打ち消し合ったりする、うなりという現象です。一本では動きの少ないサイン波が、わずかな周波数差によってリズムを持ち始めます。ここから、音の高さ、音色、リズム、空間が、実は同じ現象を異なる距離から見たものではないかという問いが始まります。
A piano, guitar, and human voice can play the same note and still be easy to distinguish because each sound contains many components beyond the reference pitch. Harmonics near integer multiples of the fundamental, partials shifted by material and construction, and brief components that appear only at the attack rise and decay at different rates. Timbre is shaped not only by a list of frequencies, but by the way those components enter and leave through time.
Additive synthesis builds this layered condition in the opposite direction. Instead of beginning with a rich sound and removing parts, it prepares several sine waves and assigns each one a pitch, level, starting time, and decay. In cooking terms, it is closer to adding ingredients one by one than to diluting a finished flavor. The principle is easy to understand, but every added component creates more decisions. The central design problem is therefore how to make many small sounds behave as one playable timbre.
同じ高さのドを鳴らしても、ピアノとギターと人の声を聞き分けられるのは、基準となる高さ以外にも多くの成分が含まれているからです。基音の整数倍付近に並ぶ倍音、素材や構造によって少しずれた部分音、音の立ち上がりだけに現れる短い成分が、それぞれ異なる速さで強くなり、弱くなります。音色は、周波数の材料表だけで決まるのではなく、それらが時間の中でどのように出入りするかによって形作られます。
加算合成は、この成分の重なりを逆方向から組み立てる方法です。完成した豊かな音を削るのではなく、複数のサイン波を用意し、それぞれの高さ、音量、鳴り始める時刻、消え方を決めます。料理にたとえるなら、出来上がった味を薄めるのではなく、材料を一つずつ加えて味を作る方法です。原理は分かりやすい一方、成分が増えるほど操作する項目も増えるため、多数の小さな音を一つの音色として扱えるようにする設計が重要になります。
Cycling '74 Max 8
The Max Patch in the reference links is a small listening instrument that switches the same pitch among sine, sawtooth, triangle, and square waves. The differences can also be imagined without using software: a thin sound without corners, a bright and rough sound, a soft sound with a little contour, and a hollow sound with a firm edge. Each basic waveform gives the same pitch a different surface.
An ideal sine wave contains one frequency component and appears as a single line in a spectrum display. The absence of upper components makes it smooth, but it also exposes small differences in level, stereo position, and distance from a speaker. A low sine tone can press against the body on a large sound system, while a small speaker may be unable to reproduce the fundamental and make the tone almost disappear.
A sawtooth wave contains both even and odd harmonics at two, three, four, and further multiples of the fundamental. In the ideal waveform, higher harmonics gradually become weaker, but the decline is slow enough to leave many upper components. The result is a bright, sharp contour. This is why synthesizers often begin with a sawtooth wave when creating brass like tones, thick string textures, and sounds that will be shaped by a filter.
A triangle wave contains mainly odd harmonics, and its upper harmonics become weak much more quickly. In formula form, the amplitude of the nth harmonic is approximately one divided by n squared. The formula is less important than the shape it describes: the higher components become thin very quickly. A triangle wave therefore has more contour than a sine wave without becoming as bright as a sawtooth wave, making it useful for soft basses and gentle lead tones.
A square wave with a fifty percent duty cycle also contains mainly odd harmonics, but its upper components remain stronger than those of a triangle wave. This creates a hollow, tube like quality and the clear outline associated with older game machines. Moving a filter can turn it into a heavy bass, while short notes can make it behave like electronic percussion. A basic waveform is not a finished timbre; it is material for deciding what will later be added or removed.
参考リンクに掲載したMaxパッチは、同じ音の高さをサイン波、ノコギリ波、三角波、矩形波へ切り替えて聞き比べるための小さな装置です。ソフトウェアを使わなくても、波形の違いは日常の音に置き換えると想像しやすくなります。角のない細い音、明るくざらついた音、柔らかいが少し輪郭のある音、空洞を感じる音というように、基本波形は同じ高さへ異なる表情を与えます。
サイン波は理想的には一つの周波数成分だけを持ち、スペクトラムと呼ばれる周波数の分布図では一本の線として現れます。余分な高い成分がないため滑らかに聞こえますが、その分、音量や左右の位置、スピーカーとの距離の小さな違いが目立ちます。低いサイン波は大型の再生装置では身体を押すような力を持つ一方、小さなスピーカーでは肝心の低音を再生できず、ほとんど聞こえなくなる場合があります。
ノコギリ波には、基準の周波数の二倍、三倍、四倍というように、偶数と奇数の両方の倍音が並びます。理想的な波形では、高い倍音ほど少しずつ弱くなりますが、その減り方が緩やかなため、高域まで多くの成分が残ります。その結果、明るく鋭い輪郭が生まれます。シンセサイザーで金管楽器や厚い弦のような音を作るとき、ノコギリ波が出発点としてよく使われるのはこのためです。
三角波に含まれるのは主に奇数倍音で、高い倍音ほど急速に弱くなります。式では、N番目の倍音の振幅がおおよそ1をNの二乗で割った大きさになると表せます。数式を覚える必要はなく、上へ行くほど成分が急に細くなる形だと捉えると分かりやすくなります。サイン波より少し輪郭があり、ノコギリ波ほど明るすぎないため、柔らかな低音や穏やかなリード音の素材になります。
デューティ比が50パーセントの矩形波も主に奇数倍音を含みますが、三角波より高い倍音が強く残ります。そのため、管の中を通るような空洞感や、昔のゲーム機を思わせる明確な輪郭が生まれます。フィルターで高域を動かせば太いベースへ変わり、短く鳴らせば電子的な打楽器にもなります。基本波形は完成した音色の名前ではなく、その後に何を加え、何を削るかを決めるための素材です。
Commissioned by Yamaguchi Center for Arts and Media [YCAM]
Equipment support FOSTEX COMPANY
Co-developed with YCAM InterLab
https://swo.jp
In The SINE WAVE ORCHESTRA stay, presented at YCAM in 2017, each visitor selects the frequency of a small device and attaches it to spiral copper wire installed in the space. Each device produces one sine tone. The exhibition begins with few sounds, then every placement adds another pitch and creates different patterns of beating and resonance around the room. A choice made by someone without specialist performance training becomes part of the work immediately.
The simplicity of the sine wave functions here as an entrance to participation. A visitor does not need to master a complex instrument; selecting a frequency and a position is enough to change the space. Even as more tones accumulate, they do not become one uniform mass. Differences in pitch, placement, and duration remain audible as a history of the exhibition. If additive synthesis combines partials into one timbre, this work can be understood as a composition that combines the decisions of many people into one sound field.
2017年に山口情報芸術センターYCAMで公開されたThe SINE WAVE ORCHESTRA stayでは、鑑賞者が小さな装置の周波数を選び、会場に設置された螺旋状の銅線へ取り付けます。装置から出るのは、それぞれ一本のサイン波です。展示の初めには音が少なく、来場者が装置を置くたびに新しい高さが加わり、会場の場所ごとに異なるうなりや響きが生まれます。専門的な演奏技術を持たない人の選択も、そのまま作品の一部になります。
ここでは、サイン波の単純さが参加の入口として働いています。複雑な楽器を習得しなくても、周波数を選び、場所を決めるだけで空間の状態が変わります。しかも、音が増えても一つの均一な塊にはなりません。誰かが選んだ高さ、置いた場所、残した時間の違いが、会場の履歴として聞こえ続けます。加算合成が複数の部分音を一つの音色へまとめる方法なら、この作品は複数の人の判断を一つの音場へまとめる作曲だと考えられます。
Aug. 23 to 25 and Sep. 4 to 15, 2013: Ruhrtriennale, Kraftzentrale, Duisburg, DE
concept, composition: Ryoji Ikeda
computer graphics, programming: Tomonaga Tokuyama
https://www.ryojiikeda.com
In test pattern [100m version], numerical data is converted into rapidly changing black and white images and precise sound. A projection surface one hundred meters long and a powerful sound system turn information that normally remains inside a screen into an environment that can be entered on foot. Sine tones and short pulses do not remain in the background; together with flickering light, they reach the body directly. A reduced set of materials does not make the work quiet. Enlarged to this scale, the limited materials place the entire space under tension.
A small frequency difference or a short repetition may seem modest in a tabletop experiment. Given large loudspeakers, a wide floor, and long duration, however, the eyes and ears respond to speed and intensity before interpreting meaning. The work shows that a simple signal does not necessarily produce a simple experience. Reducing the number of elements can instead enlarge each difference until it becomes impossible to overlook.
test pattern [100m version]では、数字として扱われるデータが、高速で切り替わる白黒の映像と精密な音へ変換されます。長さ100メートルの巨大な投影面と強い音響によって、普段は画面の内側にある情報が、歩いて入ることのできる環境へ変わります。サイン波や短いパルスは音楽の背景には退かず、光の明滅とともに身体へ直接届きます。材料が少ないから静かになるのではなく、少ない材料が巨大化することで、空間全体が緊張を帯びます。
小さな周波数差や短い反復は、机の上の実験では控えめな変化です。しかし、それが大きなスピーカー、広い床面、長い持続時間を得ると、目と耳は意味を理解する前に速度と強さへ反応します。この作品が示すのは、単純な信号が単純な体験を生むとは限らないということです。要素を減らす行為は表現を乏しくするのではなく、一つ一つの差を見逃せない大きさへ拡大することにもなります。
Fourth century AD Mosaic of the Female Musicians, from a Byzantine villa in Maryamin, Syria.
The pipe organ, used for centuries before electronic instruments, cannot be identified as the direct ancestor of additive synthesis. It is nevertheless a useful comparison for understanding how several sounds can form one timbre. When an organist selects stops, ranks of pipes with different sizes and materials sound together. Even when one key is pressed, several pitches and resonances overlap inside the reverberation of the building.
Modern digital additive synthesis can arrange not only harmonics at integer multiples, but also slightly shifted frequencies and irregularly spaced partials. This makes metallic sounds and unstable spectra possible. Yet controlling hundreds or thousands of sine waves one by one is impractical. Instruments such as Razor and Odessa group those components into larger shapes that can be moved as brightness, distribution, spectral peaks, or comb like spacing.
Odessa can generate up to 2560 sinusoidal partials. With a low fundamental, partials above the hundredth can still remain within the range of human hearing, so the number of components affects density. A larger number does not automatically make a better sound. Unless many components can move as one coherent form, the user is faced not with a timbre, but with an endless list of settings.
The Verbos Harmonic Oscillator takes the opposite approach by placing the first eight harmonics under individual sliders. The Kawai K5000 S offered much more detailed additive design, but that freedom also required the management of many parameters. Directly touching a small number of components and moving a large number through broader shapes provide different kinds of value. The first makes one harmonic easy to follow by ear, while the second allows the entire timbre to be transformed at once.
Make Noise Spectraphon analyzes the frequency structure of an incoming sound and uses those characteristics to create new material. Here sine components are not only ingredients prepared in advance. They become tools for reading the interior of a sound that already exists. A moment of a voice or instrument can be captured, extended, and moved to another pitch, bringing hidden structures to the foreground. Additive synthesis is therefore both a method of creating sound from the beginning and a method of listening again to sounds that are already present.
電子楽器よりはるか以前から使われてきたパイプオルガンは、加算合成の直接の祖先と断定できるものではありません。それでも、複数の音を組み合わせて一つの音色を作る考え方を知る上では、よい比較対象になります。演奏者がストップと呼ばれる操作部を選ぶと、異なる大きさや材質のパイプ群が同時に鳴ります。鍵盤で一音を押していても、実際には複数の高さと響きが建物の残響の中で重なっています。
現代のデジタル加算合成では、整数倍に並ぶ倍音だけでなく、少しずれた周波数や不規則な間隔の部分音も配置できます。これにより、鐘や金属板のような音、現実の楽器にはない不安定な響きも作れます。ただし、数百、数千のサイン波を一本ずつ操作するのは現実的ではありません。RazorやOdessaのような楽器は、多数の成分を、明るさ、分布、山の位置、櫛の歯のような間隔といった大きな形として動かせるようにしています。
Odessaは、最大2560の正弦波部分音を生成できます。低い基音では、百番目を超える高い部分音も人の耳に届く範囲へ残るため、成分数の多さは音の密度に影響します。しかし、数字が大きいほど優れた音になるわけではありません。多くの成分が一つのまとまりとして動かなければ、操作する人に見えるのは音色ではなく、終わりのない設定項目の一覧です。
反対に、VerbosのHarmonic Oscillatorは、最初の八つの倍音を手元のスライダーで個別に扱います。Kawai K5000 Sはさらに細かな加算合成を可能にしましたが、その自由度は多くのパラメータを管理する難しさも伴いました。少ない成分を直接触る方法と、多数の成分を大きな形として動かす方法には、それぞれ異なる魅力があります。前者では一つの倍音の変化を耳で追いやすく、後者では音色全体を大きく変形できます。
Make Noise Spectraphonは、外から入ってきた音の周波数構造を解析し、その特徴を使って新しい音を作ります。ここではサイン波は、最初から並べておく材料ではなく、すでに鳴っている音の内部を読み取るための道具になります。声や楽器の一瞬を捕らえ、長く伸ばし、別の高さへ移し替えることで、聞き慣れた音の中に隠れていた構造が前へ出てきます。加算合成は、無から音を作る技術であると同時に、存在する音を別の角度から聞き直す技術でもあります。
The Max Patch and Ableton M4L device in the reference links provide six sine waves with controls for frequency, level, and left to right position. What happens here is not limited to music production. Place two tones close together and they create beating; separate them and they are heard as a chord; distribute them across left and right and the sound seems to widen in space. The same materials receive different names, rhythm, harmony, timbre, or space, according to the relationships between them.
Moving one sine wave by only a few hertz can create a slow pulse across the whole sound. Reducing one upper component can soften a sharp tone. Changing stereo position can alter distance without adding reverberation. The simpler the structure, the more clearly the result reveals which differences were noticed and which were preserved. This is less a question of technical equipment than a judgement about how several things should relate to one another.
参考リンクに掲載したMaxパッチとAbleton M4L deviceは、六つのサイン波について、周波数、音量、左右の位置を変えられる小さな構成です。音楽制作をしない人にとっても、ここで起きることは特別なものではありません。二つの音を近い高さへ置けばうなりが生まれ、離せば和音として聞こえ、左右へ分ければ音が空間を広がったように感じられます。同じ材料が、関係の作り方によってリズム、和声、音色、空間という別の名前を持ちます。
一つのサイン波を数Hz動かすだけで、全体にゆっくりした脈動が生まれます。高い成分を少し弱めれば、鋭かった音が柔らかくなります。リバーブを加えなくても、左右の配置を変えるだけで距離感が変わります。構造が単純であるほど、何を聞き取り、どの差を残したかが結果へはっきり現れます。これは機材の知識よりも、複数のものの関係をどう整えるかという判断の問題です。
Returning to the refrigerator heard in the quiet room, its hum is also not a single line. The motor, the vibration of the cabinet, and the resonance of the floor and walls form a small ensemble. Seen closely, their relationship becomes the design of timbre. Heard from farther away as a movement through time, it becomes composition. The sine wave is not material reserved for specialists in electronic music. It is the most concise entrance to understanding that everyday sounds arise from relationships among many movements.
夜の部屋で聞こえた冷蔵庫の唸りへ戻ると、その音も一つの線ではなく、モーターの回転、箱の振動、床や壁の共鳴が重なった小さな合奏です。近くで成分を見れば音色の設計になり、遠くから時間の流れとして聞けば作曲になります。サイン波は電子音楽の専門家だけの素材ではありません。身の回りの音が、いくつもの動きの関係から生まれていることを知るための、最も簡潔な入口です。
Curtis Roads. The Computer Music Tutorial. MIT Press https://mitpress.mit.edu/9780262680820/the-computer-music-tutorial/
Charles Dodge. Computer Music: Synthesis, Composition, and Performance. Schirmer Books https://amzn.to/463ehCu
Kim Bjørn. PATCH TWEAK. Bjooks https://bjooks.com/products/patch-tweak-exploring-modular-synthesis
Dennis DeSantis. Making Music: Creative Strategies for Electronic Music Producers. Ableton https://makingmusic.ableton.com
The Sine Wave Orchestra, official site https://swo.jp
Ryoji Ikeda, official site https://www.ryojiikeda.com
Xaoc Devices Odessa, official page http://xaocdevices.com/main/odessa/
Verbos Electronics Harmonic Oscillator, official page http://www.verboselectronics.com/modules/harmonic-oscillator
Make Noise Spectraphon, official page https://www.makenoisemusic.com/modules/spectraphon
Max Patch and Ableton M4L device https://akihikomatsumoto.sellfy.store/p/free-sinewave/