La synthèse soustractive

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La synthèse soustractive



L'objet de la synthèse est de produire des sons musicaux et autres par des moyens purement électroniques ou numériques.

Note sur la synthèse additive : Il est possible d'analyser des sons acoustiques mathématiquement. En théorie, n'importe quel son peut être construit en combinant des formes d'onde sinusoïdales de la fréquence correcte, l'ampleur ainsi que les rapports de phase.

- Une forme de vague sinusoïdale est le son le plus simple possible, se composant d'une seule fréquence. Elle peut être produite par un oscillateur électronique de signal sinusoïdal.
- "La phase" fait allusion au rapport de temps entre deux signes sinusoïdaux; où les crêtes et les creux s'alignent.

En théorie donc, il est possible d'imiter un son acoustique en combinant les sons de plusieurs oscillateurs de signaux sinusoïdaux de la bonne façon. On appelle cette possibilité "la synthèse additive", mais il est très difficile de la mettre en pratique. Aussi, d'autres méthodes pour cette synthèse se sont avérées meilleures pour produire des sons qui seraient utilisables dans un contexte musical.



Haut de pageSynthèse soustractive

Bien qu'il puisse sembler raisonnable de construire des sons complexes à partir de leurs composantes fondamentales, il est en pratique plus simple de partir d'un son complexe et d'enlever ensuite les composantes dont vous n'avez pas besoin. Les sons musicaux se composent d'harmoniques. La hauteur à laquelle nous percevons une note musicale dépend de sa fréquence fondamentale, considérée comme étant la première harmonique. La note à laquelle un groupe de musiciens s'accorde, a par exemple une fréquence fondamentale de 440 hertz, 440 hertz représentant 440 cycles complets de vibration par seconde.
Suite à cela, quand la note est jouée par n'importe quel instrument acoustique, il y a des harmoniques qui donnent à la note son caractère, ce qui nous permet de distinguer un instrument d'un autre. Dans les sons musicaux, les harmoniques d'une note fondamentale s'obtiennent en multipliant cette dernière par nombres entiers: x2, x3, x4, x5, etc….

Tous les instruments à cordes et à vent ont ce format d'harmoniques. Ce qui les fait sonner différemment est que les forces relatives des harmoniques sont différentes. La clarinette par exemple, où les harmoniques impaires sont fortes alors que les paires sont faibles.

Donc, s'il est possible de partir avec un son qui est fort sur toutes les harmoniques et de contrôler les forces relatives de ces harmoniques d'une certaine façon, il est donc en théorie possible d'imiter des sons acoustiques.

En pratique, selon la technologie du passé, au temps où la synthèse soustractive a été d'abord développée, elle n'était pas capable de former les harmoniques suffisamment précises pour imiter des instruments acoustiques correctement. Pourtant, il s'est révélé que le son que les synthétiseurs soustractifs de ce temps pouvait produire était très attrayant pour les musiciens créateurs.



Haut de pageLes courbes

Pour commencer, nous avons besoin d'une sélection de formes d'ondes riches en harmoniques. Les formes d'ondes communément utilisées dans la synthèse soustractive sont celles ci:

- En dent de scie
- En carré
- En pulsation
- En triangle

Ces formes d'ondes sont riches en harmoniques et elles sont faciles à produire avec des circuits électroniques simples appelés "oscillateurs". La forme d'onde sinusoïdale n'est ici pas utilisée du fait qu'elle n'a aucune harmonique.

Il a deux façons faciles de produire un signal en dents de scie. Sur un plan technique, il s'agit de charger un condensateur d'une source de voltage constante. Cela produit une forme d'onde en dent de scie avec les dents courbées. Si le condensateur est chargé d'une source constante, les dents auront des bords droits. Les deux formes sonnent légèrement différentes.

La forme d'onde en carré peut être considérée comme un cas spécial de la forme de pulsation. Le forme de pulsation peut avoir des pulsations étroites ou larges. Si le segment de haut voltage de pulsation est égal en largeur au segment de voltage du bas alors nous avons une forme en carré et nous dirons que la largeur de la pulsation est de 50 %, donc la forme d'onde aura des harmoniques impaires.

La forme d'onde en triangle n'est pas aussi riche en harmoniques que les autres formes d'ondes, mais elle a un son caractéristique utile dans la synthèse.

Il est important de se rendre compte que les premiers synthétiseurs soustractifs pouvaient seulement jouer une note à la fois, ce qui est à prendre en considération à partir de ce point.



Haut de pageLes filtres

Pour enlever les harmoniques d'une forme d'onde, nous avons besoin d'un filtre. Un filtre est un circuit électronique assez simple qui peut enlever des fréquences hautes ou basses, fréquences tant hautes que basses, ou une bande de fréquences de la plage médium. Nous les décrirons comme suit :

- Filtre passe bas: enlève les haute fréquences
- Filtre passe haut: enlève les basses fréquences
- Filtre passe bande: enlève les hautes et basses fréquences
- Filtre d'arrêt de bande: enlève une bande de fréquences entre les hautes et basses fréquences
Il reste un filtre utilisé en synthèse que l'on appelle filtre d'entaille qui enlève une bande très étroite de fréquences.

En pratique, le filtre passe bas est de loin le plus utilisé. Les premières formes d'ondes sont très dures et doivent être adoucies considérablement avant qu'elles soient utilisables. Beaucoup de synthétiseurs n'ont seulement que des filtres passe bas.

Les paramètres de filtre sont:

- Fréquence de coupure : la fréquence au-dessus desquelles les harmoniques sont enlevées.
- Pente : le taux auquel les harmoniques sont atténuées au-dessus de la fréquence de coupure. La pente est mesurée en décibels/octave. Un filtre avec une pente de 24 décibels/octave est communément utilisé en synthèse. Une pente plus graduelle de 12 ou 18 décibels/octave n'est pas suffisamment efficace.
- Résonance : le degré d'augmentation appliqué à la fréquence de coupure.



Haut de pageContrôle du voltage


En théorie, nous pourrions prendre un oscillateur, envoyer sa sortie dans un filtre, pour en obtenir un son agréable, musical. L'oscillateur pourrait être contrôlé à partir d'un clavier afin de produire des notes différentes. Le problème serait que la façon de contrôler la fréquence de l'oscillateur serait en utilisant le clavier comme une matrice d'interrupteurs. Chaque commutateur introduit une composante de valeur différente dans le circuit de l'oscillateur, variant ainsi la fréquence. Mais cela ne fait rien pour la coupure de fréquence du filtre, qui restera la même. Ainsi si vous avez réglé le filtre pour donner le son que vous avez voulu pour une note particulière, une note de plus haute fréquence serait filtrée plus que vous l'avez voulu, les notes plus basses seraient moins filtrées, dans la proportion de la fréquence fondamentale.


La clé de la synthèse soustractive est donc le contrôle de voltage. Le contrôle de voltage, inventé par Robert Moog, signifie que chaque circuit du synthétiseur est contrôlé par une contribution de voltage, plutôt que les valeurs des composantes. Nous avons donc le circuit suivant dans le synthétiseur:

- VCO: voltage controlled oscillator
- VCF: voltage controlled filter
- VCA: voltage controlled amplifier
- EG: générateur d'enveloppe
- LFO: oscillateur basse fréquence

Prenons l'exemple du VCF. Le VCF a un nombre d'entrées par lesquelles il peut recevoir un contrôle du voltage. Un serait via un bouton en façade, un autre le clavier, dont chaque clé produit un voltage différent. Pour régler le timbre que vous voulez du VCF donc, vous joueriez une note plusieurs fois en tournant le bouton jusqu'à ce que vous ayez trouvé le son que vous voulez. Ensuite, quand vous jouez autre note, le clavier envoie un signal de voltage au VCF pour que la fréquence de coupure reste toujours dans la proportion de la fréquence fondamentale de la note. Ce point est extrêmement important pour la compréhension de synthèse soustractive.



Haut de pageVCA et EG

Le VCA évidemment, contrôle le niveau du signal. Dans un synthétiseur soustractif simple, le VCA n'est pas contrôlé par le clavier, mais principalement via le générateur d'enveloppe (EG).
Pensez aux sons musicaux acoustiques, il est évident que certains ont une attaque rapide et d'autres un début progressif. Le générateur d'enveloppe est utilisé pour simuler ces attaques.

Les paramètres du générateur d'enveloppe sont ceux-ci:

- Temps d'attaque: Le temps que le son met pour atteindre son niveau le plus élevé.
- Temps de chute: Le temps que le son met pour redescendre au niveau de maintient.
- Niveau de maintient: Le niveau auquel le son continuera de sonner jusqu'à ce que la note soit relâchée.
- Temps de relâche: Le temps que le son met pour cesser après le relâchement de la note.

Le générateur d'enveloppe est le plus souvent appellé "A(attack), D(decay), S(sustain), R(release)"; soit ADSR.
Rappelez-vous que Attack, Decay, Release se définissent en terme de temps et que Release en terme de niveau.

Le générateur d'enveloppe est utilisé pour contrôler le niveau du son depuis la pression au relâchement de la note, et est re-déclenché pour chaque note jouée.
Le signal que le clavier envoie à l'EG pour l'informer quand une clé est appuyée et quand elle est relâchée est appelé le "trigger" ou "gate".
La deuxième fonction du générateur d'enveloppe est de contrôler la fréquence de coupure du VCF pendant la durée de la note et il est bon pour un synthétiseur soustractif d'avoir deux EG, un pour le niveau et un pour le filtre. L'utilisation d'un deuxième EG est donc possible par exemple, pour générer un début de note doux, puis plus brillant, puis retourner à une balance intermédiaire douce/brillante et ensuite se mater de nouveau dès que la note est relâchée.


Haut de pageModulation

La modulation implique le fait de changer les caractéristiques d'un son au cours du temps. Il y a trois types de modulation utilisés dans la synthèse soustractive:

- Trémolo : une variation périodique dans le niveau du son.
- Vibrato : une variation périodique dans la fréquence du son.
- Wah-wah : une variation périodique dans le contenu harmonique du son.

Dans tous les cas, la source du voltage modulant sera le LFO. Le LFO est un oscillateur supplémentaire qui couvre la plage d'environ 1 hertz à 20 hertz. La forme la plus utile pour du LFO est la forme sinusoïdale, mais la forme en triangle est aussi utile. La forme en carré peut être utilisée par exemple, pour imiter la sirène deux tonalités d'une voiture de police.

- Pour produire un tremolo, le LFO est connecté au VCA
- Pour produire un vibrato, le LFO est connecté au VCO
- Pour produire un wah-wah, le LFO est connecté au VCF



Haut de pageAutres caractéristiques:

Bien que nous avons décrit les caractéristiques communes de la synthèse soustractive, les synthétiseurs ont souvent des caractéristiques supplémentaires.

- La synchronisation d'oscillateur, là où il y a deux VCO; le VCO 2 est déclenché pour recommencer sa forme d'onde chaque fois que le VCO 1 débute un nouveau cycle. Si deux VCO sont réglés à différentes fréquences, cela peut produire quelques effets intéressants.

- Le générateur de bruit produit le bruit blanc et le bruit rose. Le bruit blanc est un signal évoluant complètement au hasard qui contient chaque fréquence dans la bande audio à un niveau égal. Le bruit rose est produit en filtrant le bruit blanc de façon à ce que chaque bande d'octave contienne une quantité égale d'énergie. D'habitude, la plupart des personnes se souviennent seulement que le bruit rose n'est pas aussi brillant que le bruit blanc.
Bien que le signal de bruit ne soit pas très utile en soi, une fois envoyé dans le VCF et contrôlé par l'EG, cela devient une composante de valeur du son de synthèse soustractive. Il peut aussi être appliqué pour produire les sons d'explosions et de vent.

- La modulation de largeur de pulsation fonctionne seulement quand le VCO est en mode pulsation ou carré. Le LFO est utilisé comme contrôle de voltage pour faire varier la largeur de la forme de pulsation. Cela peut produire un signal très riche à partir d'un simple oscillateur. Si un synthétiseur est muni d'un filtre oscillant, cela signifie que le paramètre de résonance peut être tant augmenté que le filtre lui-même commence à osciller, avec un signal sinusoïdal assez rugueux. Il est souvent utile comme un oscillateur supplémentaire mais il a aussi un son qui ne peut être accompli d'aucune autre façon.

- Sample and hold est une autre méthode pour produire un contrôle de voltage. Le signal bruit est pris comme point de départ et la valeur du voltage est prise très souvent, disons cinq fois par seconde. Cela produit un voltage qui varie au hasard plusieurs fois une seconde et qui peut être utilisé pour contrôler la fréquence du VCO ou couper la fréquence du VCF.

- Un modulateur en anneau est un circuit qui prend deux signaux et les multiplie ensemble. Cela produit des fréquences supplémentaires qui sont la somme des deux fréquences d'entrée et de la différence entre les fréquences d'entrée. Ces résultats de modulation ne sont pas musicalement relatifs aux fréquences d'entrée, donc le modulateur en anneau peut être une source de sons très durs, quelquefois utilisés comme composante en imitation de son de cloches.

- Le portamento est une fonction où le voltage de sortie varie lentement selon les changements des notes jouées sur le clavier, plutôt que immédiatement comme c'est normalement le cas. Cela produit un son qui balaie la fréquence entre les notes successives.

- L'entrée externe est un moyen d'importer un autre signal dans le synthétiseur, plutôt que d'utiliser le VCO, et qui peut alors être traité par tous les autres composants du synthétiseur. C'est un moyen remarquablement efficace de manipulation du son.


Point final:

Vu que la synthèse soustractive était à l'origine réalisée par des circuits analogiques plutôt que la technologie numérique, on appelle communément des synthétiseurs soustractifs "les synthétiseurs analogiques". Les synthétiseurs soustractifs modernes utilisent pourtant la technologie numérique pour exécuter les mêmes fonctions que le VCO, VCF, VCA, EG, LFO..... Les synthétiseurs soustractifs numériques ont un avantage polyphonique (ils peuvent jouer plusieurs notes en même temps). Bien qu'il y ait eu des synthétiseurs analogiques polyphoniques dans le passé, ils pouvaient seulement jouer quelques notes simultanément et ils ont jamais vraiment bien fonctionné.

Sounds for All Productions 2013 - Istace William