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Synthèse sonore

29 nov. 1999 - par Claude Borne
Les différents types de synthèse sonores:
Notions de base
    Pour produire un son original, un synthétiseur utilise plusieurs unités de génération et de traitement sonore permettant de créer un signal de base puis d'en modifier les paramètres afin d'obtenir le timbre désiré. Un synthétiseur analogique peut être divisé en trois élements principaux:
    - un oscillateur
    - un amplificateur
    - un LFO
    Ces trois modules principaux utilisés sur pratiquement tous les synthétiseurs sont décris ci-dessous. D'autres modules sont spécifiques à chaque type de synthèse (le filtre ou le ring modulator pour la synthèse soustractive par exemple).

    le VCO (Oscillateur)

    Le Voltage Controlled Oscillator est, comme son nom l'indique, un oscillateur électrique contrôlé en tension. Son but est de générer une forme d'onde riche en harmoniques (sinus, carrée, triangle ou en dents de scie) afin de permettre un traitement efficace par la section de filtrage.


    Le type de forme d'onde sélectionné dans l'oscillateur et les réglages du filtre déterminent le timbre du son. Le VCO est utilisé en synthèse soustractive. Vers le milieu des années quatre-vingts, il fut remplacé par un microprocesseur dont l'activité est de simuler le fonctionnement de l'oscillateur électrique avec infiniment plus de précision. Le microprocesseur peut en outre simuler plusieurs VCO et permettre ainsi l'augmentation de la polyphonie des instruments ainsi que la réalisation de procédés de synthèse jusqu'alors impossibles à maîtriser (synthèse FM, synthèse additive, etc.). D'autres types de synthèse utilisent néanmoins d'autres sources que le VCO, même si ce terme générique est souvent conservé pour désigner le système de génération sonore, et la synthèse soustractive peut aussi utiliser comme source l'échantillon numérique.

    Le VCA (Amplificateur)

    Il s'agit de l'amplificateur contrôlé en tension, ou Voltage Controlled Amplifer. Le but de ce module est d'amplifier le signal délivré par le module générateur.

    Le contrôle en tension permet d'en faire varier l'amplitude dans le temps. Pour ce faire, on divise l'évolution temporelle du volume en plusieurs points, appelés segments (attaque, decay, soutien, relâchement...) ; ces segments forment l'enveloppe ADSR.

    Un synthétiseur à synthèse soustractive peut comporter plusieurs enveloppes : une pour le volume de l'amplificateur et une autre assistant le filtre (agissant sur le volume ou sur la fréquence de celui-ci).
    Enveloppe ADSR
    Le LFO

    Le Low Frequency Oscillator (oscillateur basse fréquence) est un oscillateur travaillant dans une gamme de fréquences basses inaudibles. Il agit directement sur le générateur de son. Plusieurs réglages permettent d'en faire varier l'effet et l'intensité : vitesse de modulation, fréquence, forme d'onde utilisée... Par exemple, pour simuler un effet de vibrato, le LFO doit moduler à une certaine vitesse la fréquence du signal délivré par le VCO. De la même façon, un tremolo s'obtient en modulant par le LFO le volume du VCA. Sur certains synthétiseurs, le LFO peut également agir sur des modules autres que l'oscillateur (par exemple sur la section de filtrage d'un synthétiseur à synthèse soustractive). Un synthétiseur monophonique dispose au moins d'un LFO, qui agit simultanément sur un ou plusieurs modules. S il y a deux LFO, ils agiront de façon indépendante (LFO1 sur le filtre, LFO2 sur VCA par exemple).
    Les modules interagissent donc entre eux pour modifier le son initial sortant du générateur de son. Le musicien peut aussi contrôler les différents paramètres de ces modules à l'aide de contrôleurs : les notes du clavier bien entendu, qui agissent sur la hauteur du générateur (VCO ou autre), mais aussi la molette de modulation assignable à différentes fonctions, la molette de pitch bend, agissant en général sur la hauteur du signal, diverses pédales, curseurs ou joystick, etc...
Synthèse soustractive
    Principe

    Le principe de la synthèse soustractive consiste à filtrer des signaux riches en harmoniques. Simple à mettre en oeuvre et économique, la synthèse soustractive s'est naturellement imposée sur les premiers synthétiseurs, dès les années soixantes.

    Sources sonores

    La synthèse soustractive peut prendre une autre source que le classique oscillateur délivrant des formes d'ondes périodiques simples, que celui-ci soit analogique ou numérique. A partir de la fin des années quatre-vingts, nombre de synthétiseurs à synthèse soustractive ont utilisé des échantillons numériques comme source de synthèse. Il peut s'agir d'échantillons d'instruments acoustiques ou électriques, pris séparément (piano, guitare, orgue...) ou enregistrés ensembles (section de cuivres, de cordes...), mais également de voix ou de bruits divers

    Description d'un filtre

    En synthèse soustractive l'élément le plus important est le filtre. L'efficacité d'un filtre est fonction de sa pente exprimée en décibels par octave (dB/octave) ou en pôle. Le terme "pôle" fait référence au schéma typique d'un filtre ayant une pente de 6 dB/octave. Ainsi, on trouve des filtres 1 pôle , 2 pôles (12 dB/octave), 3 pôles (18 dB/octave) et 4 pôles (24 dB/octave). Additionner les pôles revient à placer des filtres identiques en série.

    Filtre 12dB/Octave Filtre 24dB/Octave

    Il existe deux grandes familles de filtres ayant chacune un champ d'action différent sur le contenu harmonique d'un son et pouvant être assemblées afin de créer des filtres hybrides. Le filtre le plus répandu sur les synthétiseurs soustractifs est le passe-bas qui, comme son nom l'indique, agit sur les hautes fréquences du signal. L'autre type de filtre est le passe-haut, ayant une action inverse. Si l'on connecte en série un filtre passe-bas avec un filtre passe-haut, on obtient un filtre passe-bande. Enfin, la mise en parallèle de ces mêmes filtres donne naissance au filtre à réjection de bande, ou Notch.

    Filtre passe-bas Filtre passe-haut

    Sur un synthétiseur soustractif, deux paramètres principaux permettent d'ajuster l'effet de filtrage : la fréquence de coupure qui est la fréquence à partir de laquelle le filtre va entrer en action, et la résonance (disponible sur certains instruments), qui permet de faire entrer le filtre en auto-oscillation. Celui-ci se comporte alors comme un oscillateur. Il est également possible de modifier l'évolution temporelle de l'effet en adjoignant au filtre une enveloppe d'amplitude.
Synthèse FM
    La théorie

    La synthèse par modulation de fréquence a été mise au point au début des années soixante-dix par l'américain John Chowning à l'université de Stanford aux Etats-Unis.
    Naturellement liée aux technologies numériques, seules capables de fournir la précision nécessaire, la synthèse FM utilise un pricipe de modulation analogue à celui que l'on utilise en radiotransmission : on fait varier la fréquence d'une onde périodique, la porteuse, en fonction de l'amplitude d'une autre onde, la moduleuse. La différence entre radiotransmission et synthèse FM réside dans les gammes de fréquences employées et dans la méthode d'exploitation de la modulation : la "bande FM" utilise une porteuse dont la fréquence varie de 87.5 à 108 MHz et une moduleuse qui se situe entre 15 Hz et 20 kHz (la gamme de fréquences audibles). En synthèse FM, porteuse et moduleuse travaillent toutes deux dans la gamme des fréquences audibles.

    L'utilisation

    Un rapport rationnel de modulation entre porteuse et moduleuse va générer des harmoniques. Pour obtenir des partiels, afin de créer des sons percussifs par exemple, le rapport de modulation se devra d'être irrationnel.
    Malgré la simplicité théorique du système et le peu de calculs nécessaires à l'obtention d'un signal, programmer un son par synthèse FM demeure toutefois une tâche délicate car l'intuition n'est pas de mise : une légère modification d'un seul paramètre peut modifier radicalement la sonorité finale, ce qui n'est pas le cas pour d'autres procédés de synthèse.

    Le synthétiseur FM

    Ce fut Yamaha qui commercialisa les premiers synthétiseurs opérant par modulation de fréquence. Après s'être assuré l'exclusivité du brevet, la firme japonaise a présenté en 1983 le DX9, rapidement remplacé la même année par un modèle plus performant, le DX7.

    Yamaha DX7

    Le DX7 intègre six oscillateurs numériques nommés opérateurs générant une forme d'onde sinusoïdale périodique de fréquence et d'amplitude ajustables. Chacun de ces opérateurs peut être défini comme porteur (il délivre alors une onde porteuse) ou comme modulateur (délivrant une onde moduleuse). Le schéma de connexion entre oscillateurs est dénommé algorithme. Chaque opérateur est associé à une enveloppe qui permet de faire varier son amplitude lorsqu'il est modulateur ou son volume lorsqu'il est porteur.
Synthèse additive
    Le théorème de Fourier

    C'est en 1812 que le physicien Jean-Baptiste Joseph Fourier mit à jour les bases de la composition d'un son :

    "Tout mouvement périodique complexe se décompose en une somme de mouvements périodiques simples(sinusoïdes) appelés harmoniques, et dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence la plus basse (la plus grave), appelée fondamentale".

    Les valeurs de ces multiples s'expriment en rangs harmoniques. Par exemple, pour une fondamentale à 440 Hz, la fréquence de l'harmonique de rang 2 est égale à 880 Hz (440 x 2), celle de l'harmonique de rang 3 est de 1 320 Hz (440 x 3) celle de l'harmonique de rang 4 est de 1760 Hz(440x4) etc...

    Forme d'onde carrée

    Toute la différence entre deux sonorités périodiques de même hauteur (déterminée par la fréquence de la fondamentale) est fonction du rang des harmoniques présents (fréquences), ainsi que de leurs amplitudes. Il s'agit de la notion de timbre, qui fait la différence entre un la joué au piano et un la joué au xylophone (c'est pourtant la même note, donc la même fondamentale). Si les mouvements apériodiques se décomposent également en un ensemble de mouvements périodiques simples, leurs fréquences ne sont plus des multiples de la sinusoïde la plus grave, mais des partiels. C'est notamment le cas dans les sons de percussions. Le son produit est dit alors inharmonique (ce qui ne l'interdit pas d'être éventuellement harmonieux).

    Forme d'onde carrée
    Une forme d'onde carrée (en bleu) et les
    harmoniques quila composent (sinusoïdales en gris) :


    Forme d'onde sinusoïdale
    Une forme d'onde sinusoïdale ne comprend qu'une fondamentale
    de même hauteur et de même amplitude :


    Si la synthèse additive est la synthèse la plus simple du point de vue théorique, elle est en revanche une des plus complexes à mettre en pratique de par sa définition : pour créer un son par synthèse additive, il suffit d'ajouter les harmoniques souhaités à une fréquence fondamentale, mais il est difficile de calculer l'amplitude , la fréquence et les variations temporelles de ces harmoniques. Seule les systèmes numériques ont la puissance de calcul et la précision nécessaire à la création sonore par synthèse additive.

    Les synthétiseurs additifs

    Si le synthétiseur idéal à synthèse additive existait il serait constitué d'autant d'oscillateurs sinusoïdaux que nécessaire , destinés à produire les harmoniques . Il existe quelques systèmes à synthèse additive, possédant des fonctions avancées et des capacités de calcul très importantes. Citons la célebre 4X de lRCAM, le synthétiseur Axcel de la firme canadienne Technos ainsi que la série des Computer Musical Instruments de la société australienne Fairlight, qui sont des centrales de production musicale intégrant échantillonneur, séquenceur et modules de synthèse . Le prix prohibitif de ces machines les réserve aux studios professionnels et aux centres de recherche musicaux.
    Outre les synthétiseurs à synthèse additive composés d'électronique numérique, il existe des logiciels informatiques permettant de faire de la synthèse additive. Toutefois, ils ne travaillent pas en temps réel : une fois les calculs effectués, il est nécessaire de transférer les données vers un échantillonneur qui sera alors capable de les jouer.
    Certains échantillonneurs intègrent également la "transformée de Fourier", fonction permettant de séparer d'un son, sa fondamentale et l'ensemble de ses harmoniques. On peut alors travailler chacune d'entre elles individuellement avant de recomposer la forme d'onde.
Synthèses diverses
    Synthèse à tables d'ondes

    La synthèse à table d'ondes est une amélioration de la synthèse soustractive, dont le but est de ramener de la section filtre vers la section oscillateur le lieu de détermination du son. Le principe de la table d'onde est simple : à la place d'une forme d'onde cyclique (carré, sinus ou triangle), on trouve une suite de formes d'ondes, chaqune légerement différente de la précédente. Le synthétiseur utilise cette suite de forme d'ondes (appellé table) de façon soit statique (une onde en boucle), soit dynamique en assignant un modulateur (LFO, envellope) au balayage de la table d'onde, c'est à dire une lecture successive d'un certain nombres des ondes de la table. De plus ces synthés sont capables de passer progressivement d'une forme d'onde à une autre par une interpolation ou un morphing. Si cette méthode ne permet pas une imitation réaliste de sonorités acoustique (piano , cuivres etc...), son potentiel créatif est énorme et original.

    Synthétiseurs à tables d'ondes :
    Le Wave 2.3 de PPG, le Microwave et le Wave de Waldorf, le Wavestation de Korg, le VFX et la série TS de Ensoniq

    Synthèse vectorielle

    La synthèse vectorielle a pour base le mélange manuel, grâce à un joystick, de quatres oscillateurs à formes d'ondes différentes, synchronisées et désaccordables. Le mouvement du joystick peut être commandé par la modulation d'un LFO. La synthèse vectorielle est plus un système de contrôle du son qu'un système de modification ou de création du timbre final par des processus électroniques.

    Synthétiseurs à synthèse vectorielle :
    Prophet VS de Sequential Circuits, le Wavestation de Korg et dans une autre catégorie les SY 22 et SY 35 de Yamaha .

    Synthèses mixtes

    La synthèse L.A. : La synthèse L.A.(Linear Arithmetic) est le nom qu'a utilisé Roland dans les années 80 pour baptiser son approche des synthétiseurs numériques. Cette synthèse consistait à combiner une banque d'attaques de sons échantillonnés avec des formes d'ondes synthétiques et simples. On retrouve cette synthèse dans des instruments comme le D50, D20 ou MT-32.

    Le waveshaping

    Le waveshaping est une méthode capable de transformer des formes d'ondes en temps réel afin d'animer ou de transformer leur contenu en fréquence. Le waveshaping rajoute au son d'origine des harmoniques complémentaires. on trouve le waveshaping dans des instruments comme le 0/1W et la série T de Korg.

    La lecture d'échantillons

    Constituant la majeur partie des instruments électroniques actuels, la lecture d'échantillons est un moyen facile de fabriquer des synthétiseurs à synthèse soustractive. En effet, plutôt que de fabriquer des formes d'ondes originales et évolutives, on s'est dit qu'il était interessant de stocker une multitude d'échantillons sonores et de s'en servir de base pour créer des timbres complexes. Cette technique a rendu très réalistes les instruments basés sur ce principe. A cause du caractère reconnaissable d'un certain nombre d'échantillons, il est parfois difficile de créer des sons radicalement nouveaux. Cette synthèse selon les marques a pris des dénominations diverses : PCM et AI2 pour Korg, AWM et AWM2 pour Yamaha, VAST pour Kurzweil etc...

    Synthèse à modélisation virtuelle

    La supériorité des instruments acoustiques sur les synthétiseurs tient surtout dans leurs grandes possibilités expressives : ils répondent de manière sensible à toutes les sollicitations du musicien. La synthèse par modélisation virtuelle est un procédé de synthèse acoustique offrant un réel contrôle expressif du son produit. La synthèse par modélisation intègre en fait deux modèles de synthèses utilisant le même principe mais n'offrant pas les mêmes contrôles ni les mêmes sonorités : le procédé dit à oscillations entretenues est particulièrement destiné à concevoir des sons d'instruments à cordes frottées ou à vent. Le procédé dit à oscillations libres, est lui réservé aux sons percussifs et aux cordes frappées. Cette synthèse utilise comme source des modèles de phénomènes physiques observés sur des instruments acoustiques et traduits en algorithmes. La grande nouveauté du procédé inventé par Yamaha est sa capacité à travailler en temps réel, procédé qui nécessite des unités de calcul particulièrement performantes. En effet, l'instrument modélisé sous forme de calculs mathématiques est recalculé en permanence dans son intégralité. Une fois l'algorithme choisi (tel type de corps d'instrument), le son est créé à partir de divers paramètres : la pression, qui est l'énergie produite sur l'instrument, l'embouchure, qui est le type de contrôleur virtuel de l'instrument (le bec d'une flûte, l'archet d'un violon...), l'amortissement de l'air dans le corps de l'instrument... Ces contrôleurs peuvent être associés de multiples façons. D'autres modules assistent les contrôleurs tels que l'ajout de souffle, le filtre (à l'instar de la synthèse soustractive), la hauteur et le vibrato. L'ensemble de ces paramètres est modifiable en temps réel.

    Synthétiseurs à modélisation virtuelle
    Le premier synthétiseur à modélisation virtuelle commercialisé fut le VL 1 de Yamaha, en 1994. Polyphonique à deux voies, c'est un istrument soliste. Dès l'année suivante, d'autres constructeurs se mirent aussi à ce type de synthèse et proposèrent des claviers moins onéreux pour une partie modélisation plus limitée que celle du VL 1, mais offrant d'autres procédés de synthèse complémentaires (c'est le cas du Prophecy de Korg).

    Synthèse à modélisation analogique virtuelle

    Cas particulier de la synthèse précédente, cette technique permet de simuler l'architecture de générateurs sonores propres aux machines analogiques d'antan, mais de façon numérique. Les composants des synthétiseurs analogiques n'existent que virtuellement sous forme d'instructions logicielles assemblées par des spécialistes en traitements numériques des signaux. Par ce moyen on échappe aux inconvénients liés à l'utilisation des circuits analogiques comme l'instabilité de l'accordage ou la difficulté d'enregistrement précis des réglages. De plus les vitesses de calcul des circuits DSP actuels permettent d'aller au delà des performances des premiers synthétiseurs analogiques (exemple :le contrôle virtuel des paramètres de synthèses par Midi).

    Synthétiseurs à modélisation analogique virtuelle
    Le Nordlead et le Nord Modular de Clavia, le JP-8000 de Roland, l'AN1X de Yamaha et le SuperNova de Novation sont des synthétiseurs à modélisation analogique virtuelle. On trouve actuellement de plus en plus d'applications uniquement logicielle donc sans Hardware qui utilise la puissance du processeur d'un ordinateur et qui simule virtuellement un synthétiseur.
A propos de l'auteur: Claude Borne
Compositeur de musique à l'image
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