TEMA 5. Síntesis y generación
digital de sonido
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5.
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¿Qué es un sintetizador?
Módulos elementales de síntesis.
Síntesis aditiva.
Síntesis substractiva.
Síntesis por modulación
Otros tipos de síntesis.
Referencias:
–
–
–
Audio digital y MIDI, Anaya Multimedia, Sergi Jordá Puig
http://raven.dartmouth.edu/~book/MATCpages/chap.4
Miller Pukette. “Theory and Techniques of Electronic Music”.
http://www-crca.ucsd.edu/~msp/techniques.htm.
–
Emilia Gomez Gutierrez. Síntesis por modulación.
–
http://www.iua.upf.es/~egomez/teaching/sintesi/SintesisModulacion.pdf
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1 . ¿Qué es un sintetizador?



Un sintetizador "puro“ genera el sonido a partir de la
combinación de elementos simples (normalmente señales
periódicas y funciones matemáticas) que no tienen por que
existir fuera de sus circuitos.
Actualmente, los términos síntesis -y por extensión,
sintetizador- no son plenamente acertados, pues gran parte
de los instrumentos digitales actuales no sintetizan totalmente
el sonido (no parten de cero), sino que utilizan, recombinan y
modifican fragmentos
Los sintetizadores permiten obtener una infinidad de sonidos
totalmente nuevos, así como, dependiendo del método que utilicen,
imitar o reproducir sonidos de instrumentos ya existentes con mayor
o menor fidelidad
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1 . ¿Qué es un sintetizador?
Antecedentes




Para encontrar los primeros sintetizadores de sonido debemos
remontarnos a 1906, año de invención del Telharmoniu
Max V. Mathews, padre indiscutible de toda la síntesis digital,
generó los primeros sonidos, en los laboratorios de IBM, en
1957.
La eclosión de los sintetizadores analógicos, marcaron una
época en el pop de principios de los setenta (Pink Floyd, Keith
Emerson,Tangerine Dream, Stevie Wonder, etc.).
En 1983 surge el DX7 de Yamaha2 primer sintetizador digital
comercial, y en pocos años los sintetizadores digitales
desbancarían a los sintetizadores analógicos.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Osciladores

•
Un sintetizador genera el sonido a partir de la combinación de elementos
simples, que se denominan generadores unitarios, tales como osciladores,
funciones matemáticas, filtros y envolventes.
La síntesis parte de la idea contenida en el teorema de Fourier, según la cual
todo sonido periódico, por complejo que sea, es el resultante de la suma de
ondas sinusoidales sencillas de frecuencias múltiplo de una frecuencia base.

En la síntesis analógica/digital se parte de ondas de forma simple (fáciles de
conseguir mediante procesos electrónicos)

Estas ondas se combinan, modifican u operan entre si para crear
nuevos sonidos de complejidad mayor
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2 . Módulos elementales de síntesis
Osciladores
Sinusoidal
–
Es la más simple de todas las ondas. Es una frecuencia pura, que no
contiene ningún armónico, por lo que su sonido es el más "delgado"
de los cuatro. Moduladora tradicional en Sintesis FM
Cuadrada
– Sonido lleno, por el gran número de armónicos y a la intensidad
de cada uno de ellos. Su sonido se acerca al del clarinete.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Osciladores
Diente de sierra
– Sonido, lleno, aunque no tanto como el de la cuadrada, se acerca
más al de saxo o al del oboe.
Triangular
- Su sonido, no demasiado grueso, se sitúa en cierta forma entre la
onda sinusoidal y la de diente de sierra, y podría recordar al de
la flauta.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Osciladores

La especificación de un oscilador
siempre supone poder definir al menos
los siguientes parámetros:
– La
– La
– La
– La
frecuencia
amplitud
forma de onda
fase inicial
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2 . Módulos elementales de síntesis
Osciladores de baja frecuencia




Los sonidos naturales jamás son totalmente estables. En ellos, la altura, la amplitud, el
contenido armónico, oscilan de forma permanente, enriqueciéndolos.
Una forma simplificada de obtener cierta variación en los sonidos sintéticos, consiste en
aplicar señales periódicas de baja frecuencia, por debajo de los 15 Hz, que modulen sus
diferentes parámetros (cuando la oscilación se aplica a la amplitud se produce el efecto
de trémolo y cuando se aplica a la frecuencia, el vibrato).
Estas señales moduladoras se llaman LFOs (Low Frequency Oscillator), y en algunos
sintetizadores son únicamente sinusoidales, mientras que otros incorporan señales
cuadradas, dientes de sierra, triangulares, etc. Cuantos más osciladores de baja
frecuencia podamos asignar a cada voz, más rico y variable podrá resultar el sonido
final.
El motivo de este limite de frecuencia, es que cuando la frecuencia de la moduladora
entra en el terreno audible (por encima de los 20 Hz), los efectos producidos son mucho
más complejos.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Generadores de ruido

Generan señales de igual intensidad en todo el
rango de frecuencias. Son de gran importancia para
la emulación de sonidos de percusión, en especial
platillos, y efectos tales como barridos de
frecuencia o emulaciones de sonidos de la
naturaleza tales como olas, truenos etc ….
– Ruido Blanco
– Ruido Rosa
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2 . Módulos elementales de síntesis
Generadores de ruido
Ruido Blanco
 Fonéticamente: /Shshshshsh/ (como suenan las interferencias
televisivas). El ruido blanco, se caracteriza por su distribución
uniforme en el espectro audible (20 Hz a de 20 kHz),
su intensidad (amplitud de sonido) es constante para todas las
frecuencias.
Ruido rosa o rosado
 Fonéticamente: /Fsfsfsfsfsfs/ (como suenan las interferencias
radiofónicas). La respuesta en frecuencia del ruido rosa no es plana,
su intensidad decae 3 decibelios por octava (dobla la frecuencia).
Ruido marrón
 No es un ruido muy común pero existente en la naturaleza. El ruido
marrón compuesto principalmente por ondas graves y medias.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Generadores de función


Son otro tipo de módulos de síntesis, que a
través de funciones matemáticas o
procedimientos específicos definen
envolventes y otras transformaciones de
sonido y control.
La longitud de las tablas de función se
especifica generalmente con un número de
muestras igual a una potencia de dos.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Envolvente


En los instrumentos acústicos, el nivel
sonoro varía permanentemente a lo largo
de la emisión de una nota, y la forma en
que lo hace influye poderosamente en su
definición y carácter.
El sonido puro producido por un oscilador es
monótono, lo resolvemos aplicando
envolventes.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Envolvente

En todo sonido podemos distinguir una serie de fases de desarrollo
en función del tiempo:
–
–
–
–
La
La
La
La
Fase
Fase
Fase
Fase
de
de
de
de
Ataque, la fase inicial de ascenso. Attack
Caida, primer descenso. Decay
Sostenido, fase en la cual el sonido se mantiene. Sustain
Salida, o segundo descenso. Release
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2 . Módulos elementales de síntesis
Envolvente
•


Para entender la importancia de la envolvente de amplificación de un
sonido nos centraremos en 2 ejemplos prácticos como son la envolvente de
una nota tocada en el piano y la envolvente de otra nota tocada en una flauta
En el piano, el sonido alcanza rápidamente un nivel máximo, seguido de un
primer descenso brusco y un segundo descenso más suave durante el que se
extingue gradualmente la nota.
En la flauta, la fase inicial de ascenso y el primer descenso, son más suaves
y prolongadas. Después existe una fase en la cual el sonido se mantiene
(mientras el flautista sigue soplando), y el segundo descenso es más rápido
que en caso del piano
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2 . Módulos elementales de síntesis
Filtros


Los sonidos están compuestos por varias frecuencias diferentes,
estas se pueden pasar por diferentes tipos de filtros para eliminar
determinados rangos
Clasificación:
– El filtro paso-bajo, deja pasar las frecuencias por debajo de un
determinado valor, denominado frecuencia de corte.
–
– El filtro paso-alto, realiza la labor opuesta, ya que únicamente deja
pasar las frecuencias superiores a la frecuencia de corte.
– El filtro paso-banda, deja pasar la banda central del espectro de
frecuencias, eliminando el resto.
– El filtro rechazo de banda, actúa de forma inversa al de pasa-banda.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Filtros


El contenido armónico de los instrumentos naturales es variable en el
tiempo. En el momento de pulsar una tecla del piano se referencian una
serie de frecuencias que cambian en su fase de caída.
Se pueden aplicar envolventes al filtro para que actúe en un determinado
momento de la pulsación, obteniendo así un filtrado variable en el
tiempo
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2 . Módulos elementales de síntesis
Integración de estos elementos

Un sistema de síntesis suele incorporar los conceptos de envolvente,
moduladoras y filtros. El componente oscilador es el que variará más
de un sistema a otro, dependiendo del sistema de síntesis
implementado.
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2 . Módulos elementales de síntesis
Control midi


La mayoría de sintetizadores actuales
permiten modificar vía MIDI muchos de los
parámetros, ya sea mediante mensajes de
control, asignándolos a la altura de la nota,
a la velocidad de pulsación, al aftertouch,
etc.
Cuantas más posibilidades de control MIDI
ofrezcan, más expresivos podrán resultar
estos instrumentos.
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3 . Síntesis aditiva
Síntesis aditiva
Parte del teorema de Fourier :


Cualquier sonido periódico puede
descomponerse en sonidos sinusoidales
de frecuencias múltiplos de la frecuencia
fundamental
Por consiguiente, a partir de la suma de ondas
sinusoidales se puede en teoría, reconstruir
cualquier sonido (periódico)
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3 . Síntesis aditiva
Síntesis aditiva

En la figura se muestra la onda resultante de sumar dos
ondas sinusoidales de frecuencia y amplitud diferentes. Esta
onda resultante mantiene la frecuencia del componente más
grave, pero con el timbre alterado.





20
3 . Síntesis aditiva
Síntesis aditiva
Costosa (en implementación, en cálculo y en control)

gran número de osciladores necesarios para obtener sonidos
ricos (una decena como mínimo)

complejidad que comporta el control sobre todos estos
parámetros (amplitud de cada oscilador)


para obtener sonidos variables en el tiempo (normalmente los
más interesantes), se deberá controlar individualmente y de
forma continua la evolución de cada una de estas amplitudes
Por estas razones, aunque las técnicas aditivas son
conceptualmente posibles en el dominio analógico y digital (un
oscilador físico para cada armónico) se buscaron técnicas más
económicas y rentables sustractiva ….
21
4 . Síntesis sustractiva
Síntesis sustractiva



La síntesis sustractiva necesita menos osciladores que la síntesis
aditiva, ya que en principio bastaría con una única forma de onda
rica en armónicos y un conjunto de filtros.
Por este motivo, es la que se implementó en los primeros
sintetizadores analógicos durante la década de los sesenta
La síntesis sustractiva rigurosa parte del ruido blanco (ya que
éste tiene componentes en todas las frecuencias)…pero se aplica
también con cualquier tipo de onda básico que se contenga
varios armónicos (ondas cuadradas, triangulares o en diente de
sierra) a los que se aplican filtros
.
22
4 . Síntesis sustractiva
Síntesis sustractiva


Aunque menos sistemática que la síntesis aditiva basada en la
teoría de Fourier, la síntesis sustractiva también se basa en
algunos de los principios físicos que rigen a los instrumentos
acústicos.
En estos instrumentos, su cuerpo (el tubo de un instrumento
de viento, la caja de resonancia de un instrumento de cuerda,
etc.) actúa como un filtro que atenúa algunas frecuencias y
potencia otras, otorgándole un timbre particular al sonido
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5 . Síntesis por modulación
Modulación

Si la síntesis aditiva es como la
escultura en metal y la sustractiva
como escultura en piedra, las técnicas
de modulación, podrían asemejarse a
la escultura en barro.

24
5 . Síntesis por modulación
Síntesis por modulación


Las señales unipolares se sitúa siempre en valores positivos de la
amplitud frente a la bipolar que se articula en valores positivos y
negativos de la señal.
Hasta el momento las señales unipolares las hemos utilizado como
envolventes mediante envolventes.
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5 . Síntesis por modulación
Modulación




Para realizar síntesis de sonido por modulación necesitamos
por lo menos dos osciladores que generan ondas sinusoidales
puras.
La idea de síntesis por modulación consiste en utilizar una de
las dos señales (moduladora) para hacer variar (modular) uno
de los parámetros del otro oscilador (portadora).
En función de los parámetros que estemos variando diremos
que efectuamos modulación en amplitud, en frecuencia o en
fase.
Una modulación lenta ( LFO) en amplitud se corresponde con
un trémolo y en frecuencia con vibrato.
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5 . Síntesis por modulación
Modulación en anillo



Es la forma más sencilla y consiste únicamente
en multiplicar dos ondas o señales
Se obtienen nuevos componentes de
frecuencia que no son armónicos (no tienen
relación entera con ninguna de las dos ondas),
y que dependen de la suma y de la diferencia
de las 2 frecuencias.
El sonido resultante de la modulación en anillo
es inarmónico y de carácter ruidoso (metálico)
27
5 . Síntesis por modulación
Modulación en anillo
28
5 . Síntesis por modulación
Modulación en amplitud


La modulación en amplitud es idéntica a la de
anillo salvo que la señal moduladora es
unipolar.
La aplicación más habitual es la multiplicación
de una señal portadora por una envolvente.
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5 . Síntesis por modulación
Modulación en amplitud


La modulación en amplitud es idéntica a la de
anillo salvo que la señal moduladora es
unipolar.
La aplicación más habitual es la multiplicación
de una señal portadora por una envolvente.
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5 . Síntesis por modulación
Modulación en frecuencia

La modulación en
frecuencia supone
modular el
parámetro de la
frecuencia del
oscilador de la
portadora con la
señal generada por
la moduladora.
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5 . Síntesis por modulación
Modulación en frecuencia

El espectro resultante contiene el espectro
de la portadora, así como toda una serie
de frecuencias distribuidas de forma
simétrica alrededor de la portadora, a
distancias iguales a todos los múltiplos
enteros de la frecuencia moduladora.
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5 . Síntesis por modulación
Modulación en fase




La modulación en fase supone modular el parámetro de
la fase del oscilador de la portadora con la señal
generada por la moduladora.
La modulación en fase es el método que se usa en los
sintetizadores Yamaha DX7.
Este método permite la automodulación del oscilador
sin modificar la frecuencia de la fundamental.
El acrónimo FM, realmente es la modulación por fase.
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6 . Otros tipos de síntesis digital
Otros tipos de síntesis digital





Tabla de onda
Modelo físico
Granular
Técnicas espectrales
El sampler

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