Síntesis de sonido – Síntesis sustractiva

En pocas palabras la síntesis sustractiva consiste en aplicar uno o varios filtros a una señal rica en armónicos, de ahí lo de “sustractiva”. Estos filtros remueven o atenúan los armónicos y los hay de diferentes tipos.: pasa altos, pasa bajos, pasa bandas, etc.

Muchos sintetizadores comparten el mismo esquema básico, en el cual uno o varios osciladores pasan por una sección de mezcla que permite al músico incorporar y combinar diferentes armónicos. La señal luego alimenta un filtro, en general pasabajos, pero también puede ser una combinación de varios tipos de filtros.  Los moduladores, o LFO, se incorporan para permitir modelar el sonido a través del tiempo. Un ejemplo tipo sería aplicarlo a la frecuencia de corte del filtro haciendo que esta varíe con el tiempo y consiguiendo un sonido dinámico.

Osciladores analógicos

Las formas de onda ricas en armónicos son la diente de sierra, contiene armónicos pares e impares que decaen en volumen a razón de 1/armónico. Los armónicos pares caen en las diferentes octavas de la fundamental, mientras que los impares caen en frecuencias que, en general, no son notas musicales.

La onda cuadrada, también rica en armónicos, contiene solo armónicos impares y también decae en volumen a razón de 1/armónico.

La onda triangular, también contiene solo armónicos impares, sin embargo decae en volumen como 1/sqr(armónico), es decir más rápido que los armónicos de la onda cuadrada.

La onda senoidal únicamente contiene la frecuencia fundamental.

La onda pulso, es un caso más genérico de la onda cuadrada y permite ajustar el siclo de trabajo o ancho del pulso. La onda cuadrada es una onda pulso con un 50% de ciclo de trabajo. El ajuste del ciclo de trabajo modifica la proporción de la onda que permanece en el ciclo positivo a la vez que introduce armónicos pares. Es importante notar que desde el punto de vista del timbre, este será idéntico por ejemplo en 25% o en 75%.

La onda impulso sería una onda pulso con un ciclo de trabajo casi de cero y el resultado teórico son todos los armónicos al mismo volumen.

El oscilador de ruido genera, precisamente, ruido, lo que se ve en frecuencia como una mezcla de todas las frecuencias que varían en amplitud en forma aleatoria.

Filtros

En la síntesis sustractiva los filtros son el componente que altera la composición de armónicos en la señal y usualmente se describen por el tipo de frecuencias a las cuales no afectan. Por ejemplo un filtro pasabajos atenúa altas frecuencias mientras que no altera las bajas frecuencias, tomando como referencia un punto llamado frecuencia de corte. Algunos parámetros que definen los filtros son:

  • La frecuencia de corte se define como el punto en el cual el filtro atenúa la señal en 3dB, marcando el punto en el que el filtro comienza a reducir la amplitud de las frecuencias.
  • La caída describe cuán rápido se produce esta atenuación puede describirse en función de los polos que actúan a esa frecuencia: 1 polo representa una caída de 6dB por octava mientras que un filtro de 4 polos presentará una caída de 24dB por octava.
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  • La resonancia es un impulso de amplitud en el punto de corte lo que puede exagerar la frecuencia de corte y es particularmente notorio cuándo la frecuencia de corte es modulada. La resonancia puede ser tan alta que el filtro puede comenzar a auto oscilar y convertirse efectivamente en un oscilador de onda senoidal.
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Modulación

Las envolventes describen la variación de un parámetro a través del tiempo y comunmente definen 4 estados: ataque, caída, sostenimiento y liberación. Sin embargo pueden crearse muchas formas más utilizando combinaciones de estos estados.

Muchas envolvente incluyen opciones de re-disparo ya que tenemos muchas formas de reiniciar la envolvente cuándo se ejecutan rápidamente las notas. Un re-disparo digital inicia la envolvente de cero cada vez que presionamos la tecla, pero puede aparecer un glitch debido al cambio abrupto desde el punto en el que se encuentra a cero nuevamente. Un re-disparo analógico reinicia la envolvente desde donde la misma se encuentre. Esto puede suavizar la sucesión de notas pero puede eliminar el punch que la envolvente original genera.

Relacionado con la envolvente y la ejecución tenemos el modo de legato, que permite ejecutar una sucesión de notas en modo deslizado, sin que se dispare la envolvente en cada nota que se ejecute, siempre y cuando la primer nota se mantenga presionada.

Otro parámetro vinculado a la ejecución es el denominado keyboard tracking y es usado para alterar los parámetros de la envolvente dependiendo la nota ejecutada. Por ejemplo, puede ser usado para que la envolvente dure más tiempo en notas bajas y sea más breve en notas altas. También puede ser aplicado en otros parámetros, como la frecuencia de corte. Esto nos permite ajustar el filtro dependiendo de la nota tocada y que el efecto de filtrado sea relativamente idéntico en cualquier nota manteniendo el timbre, de otra manera en un filtro pasabajos estático, por ejemplo, llegaríamos a una nota tan alta que la misma fundamental se vería atenuada.

Adicionalmente es común utilizar LFO para modular parámetros. Esto son osciladores subsónicos (por debajo de los 20Hz). Particularmente son llamado LFO bipolares aquellos cuyo rango va de 1 a -1.

Sintetizador monofónico

Por definición un sintetizador monofónico es aquel capaz de emitir una sóla nota a la vez, lo cual le hace imposible reproducir acordes. Tienen sólo un oscilador, un filtro y un modulador. Cuándo se ejecuta la segunda nota automáticamente deja de emitirse la primera. Esto puede utilizarse para lograr efectos de legato: mientras que la primera nota no deje de ejecutarse la envolvente no se re disparará. Ejemplos:

Sintetizador polifónico

Permite tocar múltiples notas a la vez. Usualmente esto se logra en un sintetizador analógico agregando software adicional para cada voz. Esto puede hacer el equipo muy costoso y por eso al principio no reproducían más de dos voces. Los sintetizadores posteriores ya no estarían limitados por el hardware para cada ruta de señal, sino por la potencia de procesamiento para procesar la información. Hoy en día es posible reproducir cientos de voces. Ejemplos:

Conclusión

Como se observa todos estos sintetizadores comparten los mismos elementos:

  • Número de osciladores
  • Envolventes disponibles
  • Filtros

Lo que hace a cada uno único son las opciones que proveen para configurar y dar forma a la modulación.

 

 

Síntesis de sonido – Introducción

La síntesis de sonido consiste en obtener sonidos a partir de medios no acústicos; variaciones de voltaje en el caso de la síntesis analógica, o por medio de programas de computadora en el caso de la síntesis digital que hace referencia a la analógica.

Wikipedia nos da una interesante, completa y sucinta primera aproximación a uno de los temas más apasionantes de la producción musical digital. Además de crear ritmos y melodías uno de los apartados creativos que más atrae a los productores es la creación de sonidos nuevos y originales.

Pero, ¿que es el sonido? Técnicamente el sonido puede ser descrito como la vibración a través de un medio. Esto significa que el sonido puede viajar por aire, agua o cualquier medio que pueda propagar ondas de energía. Además el sonido puede describirse por medio de varias propiedades clave.

Características del sonido

Frecuencia

Las ondas de propagación del sonido pueden visualizarse por ejemplo al tocar la cuerda de una guitarra. La cuerda se mueve de un lado al otro una y otra vez moviendo las partículas de aire a su alrededor al mismo ritmo o frecuencia. Así, la frecuencia es el número de periodos que se reproducen en un segundo. La frecuencia se mide en hertz (hz), de modo que 1 hz es un único periodo cuya duración es un segundo. La frecuencia también nos habla de la longitud de la onda, si conocemos la velocidad con la que esa onda se propaga en el medio. En el aire el sonido viaja a 343 m/s, por lo tanto una onda de 1 hz mide 343 metros. Una habitación debería tener ese enorme tamaño para acomodar un ciclo de esa frecuencia. Es por ello que las habitaciones pequeñas tiene una respuesta pobres a los sonidos muy bajos.

Tono (pitch)

Mientras que técnicamente el sonido se describe por frecuencias, los humanos lo percibimos con una característica subjetiva que llamamos tono. Un tono alto o agudo implica una frecuencia alta y un tono bajo o grave corresponde con una frecuencia baja. También estamos interesados en la relación entre los sonidos. Por ejemplo, cuándo la relación de frecuencia entre un sonido y otro es del doble, decimos entonces que hay una octava de diferencia.

Amplitud

La amplitud es la característica por la que percibimos el volumen. Al igual que el tono, es una característica subjetiva y lo que para uno puede parecer un volumen alto, a otra persona puede parecerle agradable. También, al igual que el tono, la percepción es logarítmica y no lineal. Dos personas aplaudiendo juntas no suenan el doble de fuerte que una sola. El volumen se mide en decibeles, una escala logarítmica que tiene en cuenta la característica del volumen.  Desde el punto de la síntesis estaremos más interesados en como cambia el volumen con el tiempo.

Duración y envolvente

Con la duración distinguimos sonidos entre largos y cortos. Tomando la duración y el volumen juntos podemos describir la envolvente del sonido, o como el volumen varía con el tiempo.  Lo describimos considerando distintos estados:

  • Ataque (attack), se produce en el momento que inicia el sonido. Algunos sonidos comienzan suavemente y otros, como una percusión, tienen un ataque muy breve.
  • Caída (decay) se produce entre el pico máximo que se alcanza durante el ataque y el volumen definitivo que tendrá el sonido antes de finalizar.
  • Sostenimiento (sustain) es el nivel (lo medimos en nivel y no en tiempo) que se alcanza luego de la caída.
  • Relajación (release) es el tiempo que demora el sonido en desaparecer luego de que la fuente de sonido ha dejado de existir (por ejemplo cuándo se suelta una tecla de un piano).

Armónicos y timbre

Los sonidos que escuchamos, con la excepción de una onda senoidal perfecta, están compuestos por diferentes frecuencias, además de la fundamental o principal, que es la menor y es lo que describimos como el tono de la nota.  Todas las demás frecuencias por encima de la fundamental se conocen como sobretonos, entre los cuales también se encuentran los armónicos. Los armónicos son múltiplos enteros de la fundamental y se encuentran en ondas como diente de sierra, onda cuadrada, onda triangular y en cualquier sonido que nos da un fuerte sentido del tono.

Poniendo juntos la envolvente del sonido y los armónicos obtenemos la huella digital de cada sonido o el timbre. El timbre es lo que describimos cuándo identificamos un sonido como diferente a otro, cuándo hablamos del color del sonido. Es lo que nos permite identificar un tipo de instrumento de otro.

El arte del diseño de sonido está en utilizar todas estas características para dar forma a nuevos e interesantes timbres.

Componentes básicos de la síntesis de sonido

Osciladores

Generan la forma de onda y son la materia prima de la síntesis.

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Los osciladores digitales nos permiten utilizar muestras de sonido como fuente, permitiendo realizar osciladores con cualquier forma de onda.

Filtros

Permiten moldear la carga de armónicos del sonido generado por los osciladores. Algunos filtros eliminan altas frecuencias, otros bajas frecuencias e incluso otros pueden exagerar algunas frecuencias o introducir nuevas.

Envolvente

Los generadores de envolvente modulan un parámetro con el tiempo y comúnmente se utilizan para controlar el volumen de un sonido o la frecuencia de corte de un filtro.

Construir un sintetizador básico con Reaktor 6

Reaktor es una software de Native Instruments que permite diseñar sintetizadores simples o altamente complejos, como el nuevo Form.

Un sintetizador simple incluirá una entrada de pitch y gate, que provendrá de un controlador MIDI. Esta entrada controlará un oscilador, cuya amplitud será controlada a su vez por una envolvente. Además agregaremos un filtro.

Partimos creando un nuevo Ensemble, que es el contenedor básico en Reaktor. Luego crearemos un nuevo instrumento para ordenar las cosas. En Reaktor un instrumento es una abstracción, podemos construir un instrumento en su interior o un filtro.

Hacemos doble click en el instrumento para poder comenzar a construir el sinte. Agregaremos un oscilador básico, por ejemplo un diente de sierra. Para ello utilizamos la tecla ENTER, que abre la ventana de búsqueda y comenzamos a escribir “sawtooth oscillator” y lo seleccionamos.

Vemos que tiene una entrada para pitch, o tono, y otra para la amplitud. Los colores en las entradas tienen su explicación:

  • Las entradas amarillas son entradas de eventos, estas entradas admiten valores que cambian a una velocidad mucho menor que las entradas de audio.
  • Las entradas blancas son entradas de audio y se calculan para cada muestra de sonido.

Para controlar este oscilador desde nuestro teclado MIDI necesitamos la macro “pitch and gate”. Las macros son como colecciones de elementos más básicos que cumplen una función común.

Podemos conectar en este mismo instante la salida de pitch, con la entrada de pitch del oscilador y agregar (botón derecho) una constante para la amplitud, con un valor de 1. Para escuchar algo lo que haremos es crear un puerto de salida (out port) y conectamos a él la salida del oscilador y, a su vez, volviendo al esquema principal, conectamos la salida del instrumento a ambos puertos Out, que reprentan la salida global. Automáticamente comenzaremos a escuchar el oscilador. Las notas cambiaran si tocamos pero nunca cesará el sonido.

Ya tenemos el oscilador, pero no tenemos ningún mecanismo aún para controlar la envolvente. Podemos agregar una envolvente básica utilizando la macro AHDSR.

Tan pronto lo agreguemos debemos acomodar un poco los elementos del panel, yendo a la vista del panel, desbloqueando con el candado y arrastrando los elementos hasta obtener un panel que nos guste. Esto conviene hacerlo cada vez que agregamos un elemento que tenga representación visual en el panel.

Conectamos la salida gate de “Pitch and gate” con la entrada de gate de la envolvente. Y ahora conectamos la salida de “Env” con la entrada de amplitud del oscilador y ya tenemos algo más interesante que responde a nuestro controlador.

Es interesante que no todos los objetos que encontremos y que querremos controlar tendrán una entrada de amplitud como la del oscilador. De modo que un mecanismo de conexión alternativo sería multiplicar la salida del oscilador, al cual le aplicamos como amplitud una constante, por la envolvente. De esta manera cuándo no presionamos ninguna tecla la salida será efectivamente cero, mientras que cuándo presionemos una tecla la envolvente moldeará la salida del oscilador.

Nos queda únicamente colocar el filtro. Si bien podemos poner el filtro a la salida, tiene más sentido colocarlo a la salida del oscilador, de tal forma que siempre esté actuando sobre la misma señal. Utilizaremos el componente “VA Filter”, que un filtro virtual analógico (VA) con una entrada para modular la frecuencia de corte. Acomodamos el panel y realizamos las conexiones.

Con esto ya tenemos un filtro básico para jugar un rato. Por supuesto, podemos agregar polifonía, más filtros, más osciladores, etc.

Pecho, dedo, mano (toma 1)

Me quedó dando vueltas una canción popular en el último viaje a San Clemente del Tuyú y me dije: “¿porqué no?”, y surgió este pequeño experimento, apenas un juguete para agilizar los dedos, pero que se deja escuchar. Falta ajustar un poco la mezcla, pero eso lo dejamos para otra sesión.