TEMA 5. Síntesis y generación digital de sonido

1. TEMA 5. Síntesis y generación digital de sonido ¿Qué es un sintetizador? Módulos elementales de síntesis. Síntesis aditiva. Síntesis substractiva. Síntesis por modulación Otros tipos de síntesis. Referencias: Audio digital y MIDI, Anaya Multimedia, Sergi Jordá Puig http://raven.dartmouth.edu/~book/MATCpages/chap.4 Miller Pukette. “Theory and Techniques of Electronic Music”. http://www-crca.ucsd.edu/~msp/techniques.htm. Emilia Gomez Gutierrez. Síntesis por modulación. http://www.iua.upf.es/~egomez/teaching/sintesi/SintesisModulacion.pdf

2. 1 . ¿Qué es un sintetizador? • Un sintetizador "puro“ genera el sonido a partir de la combinación de elementos simples (normalmente señales periódicas y funciones matemáticas) que no tienen por que existir fuera de sus circuitos. • Actualmente, los términos síntesis -y por extensión, sintetizador- no son plenamente acertados, pues gran parte de los instrumentos digitales actuales no sintetizan totalmente el sonido (no parten de cero), sino que utilizan, recombinan y modifican fragmentos • Los sintetizadores permiten obtener una infinidad de sonidostotalmente nuevos, así como, dependiendo del método que utilicen,imitar o reproducir sonidos de instrumentos ya existentes con mayoro menor fidelidad

3. 1 . ¿Qué es un sintetizador? Antecedentes • Para encontrar los primeros sintetizadores de sonido debemos remontarnos a 1906, año de invención del Telharmoniu • Max V. Mathews, padre indiscutible de toda la síntesis digital, generó los primeros sonidos, en los laboratorios de IBM, en 1957. • La eclosión de los sintetizadores analógicos, marcaron una época en el pop de principios de los setenta (Pink Floyd, Keith Emerson,Tangerine Dream, Stevie Wonder, etc.). • En 1983 surge el DX7 de Yamaha2 primer sintetizador digital comercial, y en pocos años los sintetizadores digitales desbancarían a los sintetizadores analógicos.

4. 2 . Módulos elementales de síntesis Osciladores • Un sintetizador genera el sonido a partir de la combinación de elementos simples, que se denominan generadores unitarios, tales como osciladores, funciones matemáticas, filtros y envolventes. • La síntesis parte de la idea contenida en el teorema de Fourier, según la cual todo sonido periódico, por complejo que sea, es el resultante de la suma de ondas sinusoidales sencillas de frecuencias múltiplo de una frecuencia base. • En la síntesis analógica/digital se parte de ondas de forma simple (fáciles de conseguir mediante procesos electrónicos) • Estas ondas se combinan, modifican u operan entre si para crearnuevos sonidos de complejidad mayor

5. 2 . Módulos elementales de síntesis Osciladores Sinusoidal • Es la más simple de todas las ondas. Es una frecuencia pura, que no contiene ningún armónico, por lo que su sonido es el más "delgado" de los cuatro. Moduladora tradicional en Sintesis FM Cuadrada • Sonido lleno, por el gran número de armónicos y a la intensidad de cada uno de ellos. Su sonido se acerca al del clarinete.

6. 2 . Módulos elementales de síntesis Osciladores Diente de sierra • Sonido, lleno, aunque no tanto como el de la cuadrada, se acerca más al de saxo o al del oboe. Triangular - Su sonido, no demasiado grueso, se sitúa en cierta forma entre la onda sinusoidal y la de diente de sierra, y podría recordar al de la flauta.

7. 2 . Módulos elementales de síntesis Osciladores • La especificación de un oscilador siempre supone poder definir al menos los siguientes parámetros: • La frecuencia • La amplitud • La forma de onda • La fase inicial

8. 2 . Módulos elementales de síntesis Osciladores de baja frecuencia • Los sonidos naturales jamás son totalmente estables. En ellos, la altura, la amplitud, el contenido armónico, oscilan de forma permanente, enriqueciéndolos. • Una forma simplificada de obtener cierta variación en los sonidos sintéticos, consiste en aplicar señales periódicas de baja frecuencia, por debajo de los 15 Hz, que modulen sus diferentes parámetros (cuando la oscilación se aplica a la amplitud se produce el efecto de trémolo y cuando se aplica a la frecuencia, el vibrato). • Estas señales moduladoras se llaman LFOs (Low Frequency Oscillator), y en algunos sintetizadores son únicamente sinusoidales, mientras que otros incorporan señales cuadradas, dientes de sierra, triangulares, etc. Cuantos más osciladores de baja frecuencia podamos asignar a cada voz, más rico y variable podrá resultar el sonido final. • El motivo de este limite de frecuencia, es que cuando la frecuencia de la moduladora entra en el terreno audible (por encima de los 20 Hz), los efectos producidos son mucho más complejos.

9. 2 . Módulos elementales de síntesis Generadores de ruido • Generan señales de igual intensidad en todo el rango de frecuencias. Son de gran importancia para la emulación de sonidos de percusión, en especial platillos, y efectos tales como barridos de frecuencia o emulaciones de sonidos de la naturaleza tales como olas, truenos etc …. • Ruido Blanco • Ruido Rosa

10. 2 . Módulos elementales de síntesis Generadores de ruido Ruido Blanco • Fonéticamente: /Shshshshsh/ (como suenan las interferencias televisivas). El ruido blanco, se caracteriza por su distribución uniforme en el espectro audible (20 Hz a de 20 kHz), su intensidad (amplitud de sonido) es constante para todas las frecuencias. Ruido rosa o rosado • Fonéticamente: /Fsfsfsfsfsfs/ (como suenan las interferencias radiofónicas). La respuesta en frecuencia del ruido rosa no es plana, su intensidad decae 3 decibelios por octava (dobla la frecuencia). Ruido marrón • No es un ruido muy común pero existente en la naturaleza. El ruido marrón compuesto principalmente por ondas graves y medias.

11. 2 . Módulos elementales de síntesis Generadores de función • Son otro tipo de módulos de síntesis, que a través de funciones matemáticas o procedimientos específicos definen envolventes y otras transformaciones de sonido y control. • La longitud de las tablas de función se especifica generalmente con un número de muestras igual a una potencia de dos.

12. 2 . Módulos elementales de síntesis Envolvente • En los instrumentos acústicos, el nivel sonoro varía permanentemente a lo largo de la emisión de una nota, y la forma en que lo hace influye poderosamente en su definición y carácter. • El sonido puro producido por un oscilador es monótono, lo resolvemos aplicando envolventes.

13. 2 . Módulos elementales de síntesis Envolvente • En todo sonido podemos distinguir una serie de fases de desarrollo en función del tiempo: • La Fase de Ataque, la fase inicial de ascenso. Attack • La Fase de Caida, primer descenso. Decay • La Fase de Sostenido, fase en la cual el sonido se mantiene. Sustain • La Fase de Salida, o segundo descenso. Release

14. 2 . Módulos elementales de síntesis Envolvente • Para entender la importancia de la envolvente de amplificación de un sonido nos centraremos en 2 ejemplos prácticos como son la envolvente de una nota tocada en el piano y la envolvente de otra nota tocada en una flauta • En el piano, el sonido alcanza rápidamente un nivel máximo, seguido de un primer descenso brusco y un segundo descenso más suave durante el que se extingue gradualmente la nota. • En la flauta, la fase inicial de ascenso y el primer descenso, son más suaves y prolongadas. Después existe una fase en la cual el sonido se mantiene (mientras el flautista sigue soplando), y el segundo descenso es más rápido que en caso del piano

15. 2 . Módulos elementales de síntesis Filtros • Los sonidos están compuestos por varias frecuencias diferentes, estas se pueden pasar por diferentes tipos de filtros para eliminar determinados rangos • Clasificación: • El filtro paso-bajo, deja pasar las frecuencias por debajo de un determinado valor, denominado frecuencia de corte. • El filtro paso-alto, realiza la labor opuesta, ya que únicamente deja pasar las frecuencias superiores a la frecuencia de corte. • El filtro paso-banda, deja pasar la banda central del espectro de frecuencias, eliminando el resto. • El filtro rechazo de banda, actúa de forma inversa al de pasa-banda.

16. 2 . Módulos elementales de síntesis Filtros • El contenido armónico de los instrumentos naturales es variable en el tiempo. En el momento de pulsar una tecla del piano se referencian una serie de frecuencias que cambian en su fase de caída. • Se pueden aplicar envolventes al filtro para que actúe en un determinado momento de la pulsación, obteniendo así un filtrado variable en el tiempo

17. 2 . Módulos elementales de síntesis Integración de estos elementos • Un sistema de síntesis suele incorporar los conceptos de envolvente, moduladoras y filtros. El componente oscilador es el que variará más de un sistema a otro, dependiendo del sistema de síntesis implementado.

18. 2 . Módulos elementales de síntesis Control midi • La mayoría de sintetizadores actuales permiten modificar vía MIDI muchos de los parámetros, ya sea mediante mensajes de control, asignándolos a la altura de la nota, a la velocidad de pulsación, al aftertouch, etc. • Cuantas más posibilidades de control MIDI ofrezcan, más expresivos podrán resultar estos instrumentos.

19. 3 . Síntesis aditiva Síntesis aditiva Parte del teorema de Fourier : • Cualquier sonido periódico puededescomponerse en sonidos sinusoidalesde frecuencias múltiplos de la frecuenciafundamental • Por consiguiente, a partir de la suma de ondassinusoidales se puede en teoría, reconstruircualquier sonido (periódico)

20. 3 . Síntesis aditiva Síntesis aditiva • En la figura se muestra la onda resultante de sumar dos ondas sinusoidales de frecuencia y amplitud diferentes. Esta onda resultante mantiene la frecuencia del componente más grave, pero con el timbre alterado.

21. 3 . Síntesis aditiva Síntesis aditiva Costosa (en implementación, en cálculo y en control) • gran número de osciladores necesarios para obtener sonidosricos (una decena como mínimo) • complejidad que comporta el control sobre todos estosparámetros (amplitud de cada oscilador) • para obtener sonidos variables en el tiempo (normalmente losmás interesantes), se deberá controlar individualmente y deforma continua la evolución de cada una de estas amplitudes • Por estas razones, aunque las técnicas aditivas sonconceptualmente posibles en el dominio analógico y digital (un oscilador físico para cada armónico) se buscaron técnicas más económicas y rentables sustractiva ….

22. 4 . Síntesis sustractiva Síntesis sustractiva • La síntesis sustractiva necesita menos osciladores que la síntesisaditiva, ya que en principio bastaría con una única forma de ondarica en armónicos y un conjunto de filtros. • Por este motivo, es la que se implementó en los primeros sintetizadores analógicos durante la década de los sesenta • La síntesis sustractiva rigurosa parte del ruido blanco (ya que éste tiene componentes en todas las frecuencias)…pero se aplica también con cualquier tipo de onda básico que se contenga varios armónicos (ondas cuadradas, triangulares o en diente de sierra) a los que se aplican filtros.

23. 4 . Síntesis sustractiva Síntesis sustractiva • Aunque menos sistemática que la síntesis aditiva basada en lateoría de Fourier, la síntesis sustractiva también se basa en algunos de los principios físicos que rigen a los instrumentos acústicos. • En estos instrumentos, su cuerpo (el tubo de un instrumento de viento, la caja de resonancia de un instrumento de cuerda, etc.) actúa como un filtro que atenúa algunas frecuencias y potencia otras, otorgándole un timbre particular al sonido

24. 5 . Síntesis por modulación Modulación • Si la síntesis aditiva es como la escultura en metal y la sustractiva como escultura en piedra, las técnicas de modulación, podrían asemejarse a la escultura en barro.

25. 5 . Síntesis por modulación Síntesis por modulación • Las señales unipolares se sitúa siempre en valores positivos de la amplitud frente a la bipolar que se articula en valores positivos y negativos de la señal. • Hasta el momento las señales unipolares las hemos utilizado como envolventes mediante envolventes.

26. 5 . Síntesis por modulación Modulación • Para realizar síntesis de sonido por modulación necesitamos por lo menos dos osciladores que generan ondas sinusoidales puras. • La idea de síntesis por modulación consiste en utilizar una de las dos señales (moduladora) para hacer variar (modular) uno de los parámetros del otro oscilador (portadora). • En función de los parámetros que estemos variando diremos que efectuamos modulación en amplitud, en frecuencia o en fase. • Una modulación lenta ( LFO) en amplitud se corresponde con un trémolo y en frecuencia con vibrato.

27. 5 . Síntesis por modulación Modulación en anillo • Es la forma más sencilla y consiste únicamente en multiplicar dos ondas o señales • Se obtienen nuevos componentes de frecuencia que no son armónicos (no tienen relación entera con ninguna de las dos ondas), y que dependen de la suma y de la diferencia de las 2 frecuencias. • El sonido resultante de la modulación en anillo es inarmónico y de carácter ruidoso (metálico)

28. 5 . Síntesis por modulación Modulación en anillo

29. 5 . Síntesis por modulación Modulación en amplitud • La modulación en amplitud es idéntica a la de anillo salvo que la señal moduladora es unipolar. • La aplicación más habitual es la multiplicación de una señal portadora por una envolvente.

30. 5 . Síntesis por modulación Modulación en amplitud • La modulación en amplitud es idéntica a la de anillo salvo que la señal moduladora es unipolar. • La aplicación más habitual es la multiplicación de una señal portadora por una envolvente.

31. 5 . Síntesis por modulación Modulación en frecuencia • La modulación en frecuencia supone modular el parámetro de la frecuencia del oscilador de la portadora con la señal generada por la moduladora.

32. 5 . Síntesis por modulación Modulación en frecuencia • El espectro resultante contiene el espectro de la portadora, así como toda una serie de frecuencias distribuidas de forma simétrica alrededor de la portadora, a distancias iguales a todos los múltiplos enteros de la frecuencia moduladora.

33. 5 . Síntesis por modulación Modulación en fase • La modulación en fase supone modular el parámetro de la fase del oscilador de la portadora con la señal generada por la moduladora. • La modulación en fase es el método que se usa en los sintetizadores Yamaha DX7. • Este método permite la automodulación del oscilador sin modificar la frecuencia de la fundamental. • El acrónimo FM, realmente es la modulación por fase.

34. 6 . Otros tipos de síntesis digital Otros tipos de síntesis digital • Tabla de onda • Modelo físico • Granular • Técnicas espectrales • El sampler