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III) SYNTHESES SONORES ANALOGIQUES
Merci à C.Bourdoncle et L.Favre pour leur participation à la rédaction de cet article
3.1
La synthèse additive
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.
Seules les systèmes numériques ont la puissance
de calcul et la précision nécessaire à la
création sonore par synthèse
additive.
3.1.1 Principe
Par l’intermédiaire
d’oscillateurs, on va venir spécifier chaque partie
du spectre afin que les harmoniquespolyphonie
souhaitée (une soient augmentés
ou atténués. La forme d’onde devant être
générée par ces oscillateurs est la sinusoïde.
Le nombre d’oscillateurs choisis variera selon la synthèse
additive réalisée à partir de 8
oscillateurs offre 16 voix de polyphonie avec un synthétiseur
de 128 voix).
Une bonne polyphonie se caractérise
par 16 parties multitimbrales, on dit que l’on a alors un
son à 16 partiels. Ces 16 premiers harmoniques doivent
être réglés via les oscillateurs, le fondamental
(note de base) devant avoir le volume le plus élevé.
Pour créer des sons harmoniques, il faut savoir que
plus le partiel est élevé, plus le volume doit être
faible sinon l’oreille risque de reconnaître un autre son
comme fondamental. Ces réglages sont généralement
approximés jusqu’au demi ton près.
3.1.2 Les synthétiseurs additifs
Si le synthétiseur idéal
à synthèse
additive existait il serait
constitué d'autant d'oscillateurs sinusoïdaux
harmoniques. Il existe quelques systèmes à synthèse
additive, possédant des fonctions avancées et des
capacités de calcul très importantes. Citons le 4X
de lRCAM, le synthétiseur Axcel de la firme
canadienne Technos ainsi que la série des Computer
Musical InstrumentsFairlight, 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. que
nécessaire, destinés à produire les de la société australienne
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 la
fondamentale d’un son ainsi que l'ensemble de ses
harmoniques. On peut alors travailler chacun d'entre eux
individuellement avant de recomposer la
forme d'onde.
3.2
La synthèse soustractive
3.2.1 Principe
Le principe de la
synthèse soustractive
consiste à filtrer
des signaux riches
en harmoniques
venant d'un oscillateur.
Simple à mettre en oeuvre et économique, la
synthèse soustractive
s'est naturellement imposée sur les
premiers synthétiseurs,
dès les années soixante.
La synthèse
soustractive utilise
généralement comme source sonore un oscillateur
produisant des formes d'ondes plus ou moins complexes. Mais la
synthèse soustractive
peut prendre une autre source que le classique oscillateur
délivrant des formes d'ondes périodiques simples, que
celui-ci soit analogiquenumérique. En effet,
à partir de la fin des années quatre-vingts, nombre de
synthétiseurs à ou 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.
3.2.2 Les synthétiseurs soustractifs
Il existe un très grand nombre
de synthétiseurs utilisant ce procédé car c’est
le plus facile à mettre en œuvre. Les seules différences
existantes entres ces produits résident dans la précision
et les pentes de coupure des filtres (cf.. figure7) utilisés
ainsi que de la richesse harmonique du son servant de base.
3.3 La
synthèse FM
3.3.1 Principe
Le principe de base de la synthèse
FM repose sur de la modulation de fréquence
dans le but de complexifier le spectre.
Les amplitudes des harmoniques
d'un son sont variables dans le temps. Cette modification
temporelle du spectre a une grande importance dans le mécanisme
du timbre et c'est l'impossibilité de faire varier le niveau
relatif des harmoniques qui caractérise le son électronique
de la technologie analogique.
En 1979, à l'université
de Stanford, le docteur J. Chowning a mis au point un procédé
qui permet une évolution temporelle du son de façon
naturelle grâce à la modulation de fréquence
(FM). Il a appliqué cette technique parfaitement maîtrisée
en radio pour la fabrication d'un son de synthèse.
Cette technique fait appel à une
fréquence porteuse et à une fréquence
de modulation (cf. figure 12). Pour le son, ces deux fréquences
appartiennent toujours à la gamme des sons audibles (de 20 Hz
à 20 000 Hz) tandis que pour les radios elles varient autour
de 100 MHz.
On remarque (dans le cas fp>fm) que
lorsque l'amplitude de la moduleuse est à son maximum,
la fréquence de la porteuse est à son maximum
aussi. En prenant un indice de modulation égal à
6, on visualise mieux le phénomène ; il y a en
contrepartie un petit décalage entre le maximum d'amplitude de
la moduleuse et le maximum en fréquence de la porteuse.
Ces deux fréquences sont
produites dans des circuits électroniques appelés
"opérateurs" qui renferment un oscillateur
délivrant un signal sinusoïdal avec réglage
possible de la fréquence (hauteur du son), un amplificateur
et un générateur d’enveloppe comme on peut le
voir sur la figure 14.
Figure
3 : Représentation d’un « opérateur »
Le principe théorique est la
modulation de la fréquence d'un signal sinusoïdal par un
signal sinusoïdal de plus basse fréquence.
3.3.2 Les synthétiseurs FM
Dans le paragraphe précédent
nous n'avons présenté que le cas particulier d'une
modulation par un signal simple : un signal harmonique ne
comportant donc qu'une seule fréquence. Le principe des
"algorithmes" implantés dans les synthétiseurs
type DX7 (Yamaha) repose au contraire sur l'association
d'oscillateurs conduisant à des signaux complexes.
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Un module (ou algorithme) de
synthèse FM est une association particulière de 6
oscillateurs, dont un au moins est modulé en fréquence.
Les exemples ci-dessous sont les algorithmes numérotés
3, 5 et 18 chez Yamaha.
Dans l'algorithme a, par exemple, les trois
oscillateurs 1, 3 et 5 sont associés en synthèse
additive, et sont respectivement modulés par les
oscillateurs 2, 4 et 6. La boucle sur l'oscillateur 6 indique
qu'une rétroaction est possible, permettant ainsi de
générer des signaux très complexes.
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Dans l'algorithme b, les sorties de
deux oscillateurs (1 et 4), modulés par des oscillateurs (2 et
5) eux mêmes modulés (par 3 et 6), sont ajoutées
en sortie. Dans l'algorithme c, la sortie est celle d'un seul
oscillateur (1) mais modulé par trois oscillateurs complexes
(2, 3 et 4).
Pour chacun des six oscillateurs, il
est bien évidemment possible de choisir la fréquence,
l'amplitude, l'indice de modulation ou de rétroaction, ainsi
que la durée totale et l'enveloppe temporelle.
3.4 Synthèses à tables d’ondes
3.4.1 Principe
La synthèse
à tables 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'ondes
est simple : à la place d'une forme d'onde cyclique (carré,
sinus ou triangle), on trouve une suite de formes
d'ondes, chacune légèrement différente de la
précédente. Le synthétiseur utilise cette suite
de formes d'ondes (appelé table) de façon soit
statique (une onde en boucle), soit dynamique en
assignant un modulateur (LFO, enveloppe) au balayage de la table
d'onde, c'est à dire une lecture successive d'un certain
nombre des ondes de la table. De plus ces synthétiseurs 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 acoustiques (piano, cuivres...), son potentiel
créatif est immense et original.
3.4.2 Les synthétiseurs à tables
d’ondesLe Wave 2.3 de PPG (cf. figure
15), le Microwave et le Wave de Waldorf, le Wavestation de
Korg, le VFX et la série TS de Ensoniq ont un
succès retentissant sur le marché.
3.5 La synthèse vectorielle
3.5.1 Principe
La synthèse
vectorielle a pour base le mélange manuel,
grâce à un joystick, de quatre 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.
3.5.2 Les synthétiseurs vectoriels
Prophet VS de Sequential Circuits,
le Wavestation de Korg et dans une autre catégorie les
SY 22 et SY 35 de Yamaha.
3.6 Autres types de synthèses analogiques
3.6.1 La synthèse par distorsion de phase
C'est en 1984, avec la
commercialisation du Casio CZ 101, que la synthèse
par distorsion de phase fit son apparition. Un concept
original alliant l'ergonomie de l'analogique et la richesse
des oscillateurs numériques. Compatible avec l'ensemble
des modèles de la série CZ, la synthèse par
distorsion de phase utilise un algorithme qui provoque une
distorsion de la phase du signal d'origine : des oscillateurs
numériques lisent, à une vitesse inverse à
celle de la fréquence désirée, des listes de
valeurs correspondant à l'amplitude d'une onde sinusoïdale.
Pour distordre la phase, il suffit donc de faire varier la vitesse de
lecture. Ce procédé permet de générer
toutes les formes d'ondes périodiques simples (dents de
scie, carré, impulsions...) mais aussi des formes d'ondes
plus complexes composées d'ondes simples (double sinus,
trapèze, dents de scie plus carrées, etc.).
La synthèse par distorsion de
phase est une exclusivité de la marque japonaise Casio.
3.6.2 La synthèse Waveshaping et Emphasis
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.
En effet, sur le plan des formes
d'ondes, deux nouveautés viennent enrichir ce mode de
synthèse: l'emphasis et le waveshaping.
L'emphasis ajoute clarté et définition au son, en
accentuant les aigus, tandis que le waveshaping modifie le contenu
spectral d'un oscillateur, qu'il module grâce à l'une
des soixante formes d'ondes réservées à cet
effet (selon un procédé qui à l'écoute,
semble proche de la F.M.). Plus l'oscillateur est modulé (avec
sensibilité à la vélocité et enveloppe à
trois paramètres: start level, decay time, sustain level),
plus le nombre de nouveaux harmoniques est élevé,
allant parfois jusqu'à provoquer une distorsion du signal. Un
moyen astucieux, bien qu'une certaine pratique soit nécessaire
pour en tirer profit, est de créer des sonorités plus
ou moins éloignées des échantillons de base.
3.6.3 La synthèse Hybride
Certains constructeurs ont mélangé
différents type de synthèse afin d'augmenter la
potentialité créatrice du synthétiseur:
soustractif + échantillons, soustractif + tables d'ondes,
soustractif + vectoriel, soustractif + échantillons + FM, etc.
3.7 Tableau récapitulatif des principales
synthèses analogiques
Le tableau 2 présente les
avantages et les inconvénients des principales synthèses
sonores analogiques et de celles qui sont moins fréquemment
utilisées (cf. autres types de synthèses analogiques).
Résumé des types de synthèse sonore
analogique, avantages et inconvénients
3.8 Conclusion
Les diverses synthèses
analogiques ont connut leur apogée entre les années
1970-1980. Leurs principaux atouts résidaient dans la
possibilité de créer une multitude de sons, notamment
en ce qui concerne la synthèse soustractive et la synthèse
FM.
Cependant, elle était limitée
par la précision et la fiabilité des composants
électroniques utilisés à l’époque
(dérive des VCO par exemple).
La numérisation du son ainsi que
la synthèse sonore numérique ont permis de réduire
ces défauts. Malheureusement, les logiciels utilisés actuellement ne permettent
pas toujours d’obtenir les sons colorés et « chauds »
qu’offrait la synthèse analogique.
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