TEMA 5. Síntesis y generación digital de sonido

Presentación del tema: "TEMA 5. Síntesis y generación digital de sonido"— Transcripción de la presentación:

1 TEMA 5. Síntesis y generación digital de sonido
¿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 Miller Pukette. “Theory and Techniques of Electronic Music”. Emilia Gomez Gutierrez. Síntesis por modulación.

2 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

3 Antecedentes 1 . ¿Qué es un sintetizador?
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.

4 Osciladores 2 . Módulos elementales de síntesis
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

5 Osciladores 2 . Módulos elementales de síntesis Sinusoidal Cuadrada
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.

6 Osciladores 2 . Módulos elementales de síntesis 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.

7 2 . Módulos elementales de síntesis
Osciladores La especificación de un oscilador siempre supone poder definir al menos los siguientes parámetros: La frecuencia La amplitud La forma de onda La fase inicial

8 Osciladores de baja frecuencia
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.

9 Generadores de ruido 2 . Módulos elementales de síntesis
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

10 Generadores de ruido 2 . Módulos elementales de síntesis 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.

11 Generadores de función
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.

12 Envolvente 2 . Módulos elementales de síntesis
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.

13 Envolvente 2 . Módulos elementales de síntesis
En todo sonido podemos distinguir una serie de fases de desarrollo en función del tiempo: La Fase de Ataque, la fase inicial de ascenso. Attack La Fase de Caida, primer descenso. Decay La Fase de Sostenido, fase en la cual el sonido se mantiene. Sustain La Fase de Salida, o segundo descenso. Release

14 Envolvente 2 . Módulos elementales de síntesis
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

15 Filtros 2 . Módulos elementales de síntesis
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.

16 Filtros 2 . Módulos elementales de síntesis
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

17 Integración de estos elementos
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.

18 Control midi 2 . Módulos elementales de síntesis
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.

19 Síntesis aditiva 3 . 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)

20 Síntesis aditiva 3 . 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.

21 Síntesis aditiva 3 . 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 ….

22 Síntesis sustractiva 4 . 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 .

23 Síntesis sustractiva 4 . 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

24 5 . Síntesis por 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.

25 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.

26 Modulación 5 . Síntesis por 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.

27 Modulación en anillo 5 . Síntesis por modulación
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)

28 5 . Síntesis por modulación
Modulación en anillo

29 Modulación en amplitud
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.

30 Modulación en amplitud
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.

31 Modulación en frecuencia
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.

32 Modulación en frecuencia
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.

33 Modulación en fase 5 . Síntesis por modulación
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.

34 Otros tipos de síntesis digital
Tabla de onda Modelo físico Granular Técnicas espectrales El sampler