1 TEMA 5. Síntesis y generación digital de sonido 1.¿Qué es un sintetizador? 2.Módulos elementales de síntesis. 3.Síntesis aditiva. 4.Síntesis substractiva

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TEMA 5. Síntesis y TEMA 5. Síntesis y generación digital de generación digital de sonidosonido1.1. ¿Qué es un sintetizador?¿Qué es un sintetizador?2.2. Módulos elementales de síntesis.Módulos elementales de síntesis.3.3. Síntesis aditiva.Síntesis aditiva.4.4. Síntesis substractiva.Síntesis substractiva.5.5. Síntesis por modulaciónSíntesis por modulación6.6. Otros tipos de síntesis.Otros tipos de síntesis.

Referencias: 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”. Miller Pukette. “Theory and Techniques of Electronic Music”.

http://www-crca.ucsd.edu/~msp/techniques.htmhttp://www-crca.ucsd.edu/~msp/techniques.htm..

– Emilia Gomez Gutierrez. Síntesis por modulación.Emilia Gomez Gutierrez. Síntesis por modulación.

– http://www.iua.upf.es/~egomez/teaching/sintesi/http://www.iua.upf.es/~egomez/teaching/sintesi/SintesisModulacion.pdfSintesisModulacion.pdf

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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 sonidostotalmente nuevos, así como, dependiendo del método que utilicen,imitar o reproducir sonidos de instrumentos ya existentes con mayoro menor fidelidad

1 . ¿Qué es un sintetizador?

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AntecedentesAntecedentes

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.

1 . ¿Qué es un sintetizador?

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Un Un sintetizadorsintetizador genera el sonido a partir de la combinación de genera el sonido a partir de la combinación de elementos simples, que se denominan generadores unitarios, tales elementos simples, que se denominan generadores unitarios, tales como osciladores, funciones matemáticas, filtros y envolventes.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 crearnuevos sonidos de complejidad mayor

2 . Módulos elementales de síntesis

OsciladoresOsciladores

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OsciladoresOsciladoresSinusoidalSinusoidal

– Es la Es la más simple de todasmás simple de todas las ondas. Es una las ondas. Es una frecuencia purafrecuencia pura, que , que no contiene ningún armónicono contiene ningún armónico, por lo que su sonido es el más , por lo que su sonido es el más "delgado" de los cuatro. "delgado" de los cuatro. Moduladora tradicionalModuladora tradicional en Sintesis FM en Sintesis FM

Cuadrada Cuadrada – Sonido llenoSonido lleno, por el , por el gran número de armónicosgran número de armónicos y a la intensidad de y a la intensidad de

cada uno de ellos. Su sonido se acerca al del cada uno de ellos. Su sonido se acerca al del clarineteclarinete..

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Diente de sierraDiente de sierra– Sonido, Sonido, lleno, aunque no tanto como el de la cuadradalleno, aunque no tanto como el de la cuadrada, se , se

acerca más al de acerca más al de saxosaxo o al del o al del oboeoboe. .

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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La especificación de un oscilador La especificación de un oscilador siempre supone poder definir al siempre supone poder definir al menos los siguientes parámetros:menos los siguientes parámetros:– La frecuenciaLa frecuencia– La amplitud La amplitud – La forma de ondaLa forma de onda– La fase inicialLa fase inicial



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Osciladores de baja Osciladores de baja frecuenciafrecuencia

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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Generadores de ruidoGeneradores de ruido

Generan señales de igual intensidad en todo Generan señales de igual intensidad en todo el rango de frecuencias. Son de gran el rango de frecuencias. Son de gran importancia para la emulación de sonidos de importancia para la emulación de sonidos de percusiónpercusión, en especial platillos, y efectos , en especial platillos, y efectos tales como tales como barridos de frecuenciabarridos de frecuencia o o emulaciones de sonidos de la naturaleza emulaciones de sonidos de la naturaleza tales como tales como olasolas, , truenostruenos etc …. etc ….

– Ruido BlancoRuido Blanco

– Ruido RosaRuido Rosa


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Generadores de ruidoGeneradores de ruidoRuido 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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Son otro tipo de módulos de síntesis, Son otro tipo de módulos de síntesis,

que a través de funciones matemáticas que a través de funciones matemáticas o procedimientos específicos definen o procedimientos específicos definen envolventes y otras transformaciones envolventes y otras transformaciones de sonido y control.de sonido y control.

La longitud de las tablas de función se La longitud de las tablas de función se especifica generalmente con un especifica generalmente con un número de muestras igual a una número de muestras igual a una potencia de dos.potencia de dos.


Generadores de funciónGeneradores de función

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EnvolventeEnvolvente

En los instrumentos acústicos, el En los instrumentos acústicos, el nivel nivel sonorosonoro varía permanentemente a lo varía permanentemente a lo largo de la largo de la emisión de una notaemisión de una nota, y la , y la forma en que lo hace influye forma en que lo hace influye poderosamente en su poderosamente en su definición y definición y caráctercarácter. .

El sonido puro producido por un El sonido puro producido por un oscilador es oscilador es monótono,monótono, lo resolvemos lo resolvemos aplicando envolventes.aplicando envolventes.


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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


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• 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 pianoEn el piano, el sonido alcanza rápidamente un nivel máximo, , el sonido alcanza rápidamente un nivel máximo, seguido de un primer descenso brusco y un segundo descenso más seguido de un primer descenso brusco y un segundo descenso más suave durante el que se extingue gradualmente la nota.suave durante el que se extingue gradualmente la nota.

En la flautaEn la flauta, la fase inicial de ascenso y el primer descenso, son , la fase inicial de ascenso y el primer descenso, son más suaves y prolongadas. Después existe una fase en la cual el más suaves y prolongadas. Después existe una fase en la cual el sonido se mantiene (mientras el flautista sigue soplando), y el sonido se mantiene (mientras el flautista sigue soplando), y el segundo descenso es más rápido que en caso del pianosegundo descenso es más rápido que en caso del piano


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FiltrosFiltros

Los sonidos están compuestos por varias frecuencias Los sonidos están compuestos por varias frecuencias diferentes, estas se pueden pasar por diferentes tipos de diferentes, estas se pueden pasar por diferentes tipos de filtros para eliminar determinados rangosfiltros para eliminar determinados rangos

Clasificación:Clasificación:

– El filtro paso-bajoEl filtro paso-bajo, deja pasar las frecuencias por debajo de un , deja pasar las frecuencias por debajo de un determinado valor, denominado determinado valor, denominado frecuencia de cortefrecuencia de corte..

– – El filtro paso-altoEl filtro paso-alto, realiza la labor opuesta, ya que únicamente , realiza la labor opuesta, ya que únicamente

deja pasar las frecuencias superiores a la frecuencia de corte.deja pasar las frecuencias superiores a la frecuencia de corte.

– El filtro paso-bandaEl filtro paso-banda, deja pasar la banda central del espectro , deja pasar la banda central del espectro de frecuencias, eliminando el resto. de frecuencias, eliminando el resto.

– El filtro rechazo de bandaEl filtro rechazo de banda, actúa de forma inversa al de pasa-, actúa de forma inversa al de pasa-banda. banda.


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FiltrosFiltros

El El contenido armónicocontenido armónico de los instrumentos naturales es de los instrumentos naturales es variable variable en el tiempoen el tiempo. En el momento de pulsar una tecla del piano se . En el momento de pulsar una tecla del piano se referencian una serie de frecuencias que cambian en su fase de caída. referencian una serie de frecuencias que cambian en su fase de caída.

Se pueden aplicar Se pueden aplicar envolventes al filtroenvolventes al filtro para que actúe en un para que actúe en un determinado determinado momento de la pulsaciónmomento de la pulsación, obteniendo así un , obteniendo así un filtrado filtrado variable en el tiempovariable en el tiempo


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Integración de estos Integración de estos elementoselementos 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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Control midiControl 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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Síntesis aditivaSíntesis aditiva

Parte del teorema de Fourier :

Cualquier sonido periódico puededescomponerse en sonidos sinusoidalesde frecuencias múltiplos de la frecuenciafundamental

Por consiguiente, a partir de la suma de ondassinusoidales se puede en teoría, reconstruircualquier sonido (periódico)

3 . Síntesis aditiva

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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.


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Costosa (en implementación, en cálculo y en control)

gran número de osciladores necesarios para obtener sonidosricos (una decena como mínimo)

complejidad que comporta el control sobre todos estosparámetros (amplitud de cada oscilador)

para obtener sonidos variables en el tiempo (normalmente losmás interesantes), se deberá controlar individualmente y deforma continua la evolución de cada una de estas amplitudes

Por estas razones, aunque las técnicas aditivas sonconceptualmente posibles en el dominio analógico y digital (un oscilador físico para cada armónico) se buscaron técnicas más económicas y rentables sustractiva ….


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Síntesis sustractivaSíntesis sustractiva

La síntesis sustractiva necesita menos osciladores que la síntesisaditiva, ya que en principio bastaría con una única forma de ondarica 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.

4 . Síntesis sustractiva

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Síntesis sustractivaSíntesis sustractiva

Aunque menos sistemática que la síntesis aditiva basada en lateoría 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

4 . Síntesis sustractiva

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ModulaciónModulación

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.

5 . Síntesis por modulación

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Síntesis por modulaciónSíntesis por modulación Las señales unipolares se sitúa siempre en valores positivos Las señales unipolares se sitúa siempre en valores positivos

de la amplitud frente a la bipolar que se articula en valores de la amplitud frente a la bipolar que se articula en valores positivos y negativos de la señal.positivos y negativos de la señal.

Hasta el momento las señales unipolares las hemos utilizado Hasta el momento las señales unipolares las hemos utilizado como envolventes mediante envolventes.como envolventes mediante envolventes.


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ModulaciónModulación Para realizar síntesis de sonido por modulación Para realizar síntesis de sonido por modulación

necesitamos por lo menos dos osciladores que generan necesitamos por lo menos dos osciladores que generan ondas sinusoidales puras. ondas sinusoidales puras.

La idea de síntesis por modulación consiste en utilizar La idea de síntesis por modulación consiste en utilizar una de las dos señales (moduladora) para hacer variar una de las dos señales (moduladora) para hacer variar (modular) uno de los parámetros del otro oscilador (modular) uno de los parámetros del otro oscilador (portadora). (portadora).

En función de los parámetros que estemos variando En función de los parámetros que estemos variando diremos que efectuamos modulación en amplitud, en diremos que efectuamos modulación en amplitud, en frecuencia o en fase.frecuencia o en fase.

Una modulación lenta ( LFO) en amplitud se Una modulación lenta ( LFO) en amplitud se corresponde con un trémolo y en frecuencia con corresponde con un trémolo y en frecuencia con vibrato. vibrato.


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Modulación en anilloModulación 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)


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Modulación en anilloModulación en anillo


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Modulación en amplitudModulación 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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Modulación en amplitudModulación 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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Modulación en frecuenciaModulación 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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Modulación en frecuenciaModulación 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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Modulación en faseModulación 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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Otros tipos de síntesis Otros tipos de síntesis digitaldigital

Tabla de onda Modelo físico Granular Técnicas espectrales El sampler

6 . Otros tipos de síntesis digital

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