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.

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.

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’ondes

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.