Musique électronique et synthèse sonore

Oscilloscope
 

Introduction

"Musique électronique" est une expression très générale pour décrire tout un univers musical fait de synthétiseurs analogiques et numériques, d'effets électroniques, de communication entre ces appareils et des ordinateurs (système MIDI) et de nombreux systèmes de traitement du son.

Les premiers synthétiseurs étaient analogiques, et pour la plupart basés sur les principes de Robert MOOG et Donald BUCHLA, qui furent dictés dans les années 60 et appliqués jusqu'au début des années 80 avec bien entendu toutes sortes d'améliorations. Puis arrivèrent les synthétiseurs numériques, ouvrant la voie à une infinie variété de synthèse sonore et l'échantillonnage. De même les effets qui étaient analogiques devinre plus puissants à l'âge du traitement numérique du signal. Le second événement majeur après la synthèse numérique fut la naissance du standard MIDI, car il devint possible de faire communiquer les synthétiseurs avec des ordinateurs.

En 10 à 15 ans, les synthétiseurs ont évolués très rapidement. La qualité des sons qu'ils produisaient au début était assez pauvre comparés à leurs homologues analogiques, qui bénéficiaient de 30 ans d'amélioration technique. Mais ils peuvent aujourd'hui produire, en plus des sons typiquement numériques, à peu près les mêmes sons que les vieux synthés car ils peuvent utiliser les mêmes techniques de synthèse par simulation numérique de circuits électroniques analogiques. C'est la raison pour laquelle je pense qu'il peut être utile de décrire ces principes ici. Je continuerai ensuite sur les autres aspects de la musique électronique ainsi que je le suggère au-dessus.
 

Synthèse de son analogique

On a coutume de dire qu'un son est un signal avec une certaine amplitude et une fréquence. En réalité, un son harmonieux est plutôt un signal composite avec une fréquence fondamentale et plusieurs fréquences harmoniques qui sont en général multiples de la fréquence fondamentale. Chacune de ces fréquences correspond à une certaine amplitude, qui est généralement variable. De plus, une composante inharmonique comme du bruit peut entrer dans la composition du signal. Vous l'avez compris, un son musical est quelque chose de complexe, et c'est donc difficile à synthétiser.

La façon la plus accessible de synthétiser un son musical est de partir d'un signal comportant un grand nombre d'harmoniques et de filtrer plus ou moins de ces harmoniques pour obtenir le son souhaité. Cette méthode, connue sous le nom de synthèse soustractive, fut bien évidemment utilisée dans les premiers synthétiseurs modulaires.

Un son étant principalement une question de variations d'amplitude, de fréquence, et de réparition d'harmoniques (timbre) appliquées sur un signal périodique, le modèle de synthétiseur inventé par Robert MOOG consiste à utiliser des oscillateurs à fréquence variable, des amplificateurs variables et des filtres variables qui peuvent être contrôlés au moyen de tensions. Cette structure générale peut être symbolisée de la façon suivante :
 

Moog structure

Un synthétiseur est bien sûr beaucoup plus complexe que cela, mais ce diagramme général est approprié pour une première approche.

Le clavier génère une tension dépendante de la touche qui est envoyée à un oscillateur commandé en tension (VCO = Voltage-Controlled Oscillator). Ce VCO génère un signal de base (carré, sinus, triangle ou dent de scie) à une fréquence proportionelle à la tension du clavier. Cela donne le ton du son à générer.

Ensuite le signal est envoyé sur un filtre commandé en tension (VCF = Voltage-Controlled Filter) qui module le taux d'harmoniques dans le signal. Il s'agit le plus souvent d'un filtre passe-bas. Si sa fréquence de coupure est fixée au minimum, seuls les quelques premiers harmoniques passent (Voire même seulement le fondamental), et le son est très pur, très doux. Si elle est fixée au maximum, tout passe à travers le filtre et le son est beaucoup plus "agressif".

Le signal est finallement envoyé à un ampli commandé en tension (VCA = Voltage-Controlled Amplifier), qui donne à la note ses propriétés dynamiques. Le son ne doit pas apparaitre et disparaitre immédiatement. L'ampli est donc piloté de telle sorte que le son apparaisse à une certaine vitesse et disparaisse à une autre vitesse. C'est ce que l'on appelle l' "enveloppe" du son. Une enveloppe peut se réduire à 4 intervalle principaux : Attaque, Décroissance, Soutien et Relâchement.

ADSR

L'attaque est le temps choisi pour que le son atteigne son niveau maximum à partir de 0.
La décroissance est le temps choisi pour que le son faiblisse depuis son niveau maxi jusqu'à son niveau de soutien.
Le soutien est le niveau vers lequel le son tendra à aller pendant la décroissance, et le niveau nominal en maintenant la touche indéfiniment.
Le relâchement est le temps choisi pour que le son diminue depuis le niveau courant jusqu'à 0.
L'ADSR est associé à un signal binaire égal à 1 pendant ADS (note ON) et à 0 pendant R et plus (note OFF). Ce signal binaire est appelé le "Gate" (la porte).

Un ADSR peut aussi contrôler un VCF pour changer le timbre sonore dans le temps. Cela produit des effets très intéressants.
De plus, des oscillateurs à basse fréquence (LFO = Low Frequency Oscillator) peuvent être utilisés pour moduler le VCO, le VCF ou/et le VCA, afin de générer des sons plus complexes. Les modules de base de la structure de MOOG peuvent être multipliées pour améliorer la qualité de la synthèse : Plusieurs VCO en parallèle dont la fréquence est légèrement décalée pour produire un effet de phasing, ou un autre VCF en parallèle avec le premier et qui serait un passe-bande au lieu d'un passe-bas... Les possibilités de cette structure sont quasi-illimitées.
 

Quelques autres points :

Un VCO peut avoir une entrée modulation de largeur d'impulsion (PWM = Pulse Wave Modulation), qui permet en fait de moduler le rapport cyclique du signal de sortie rectangulaire. Cela produit un son très intéressant lorsque la source de modulation est un LFO. C'est un son riche en phasing, comparable à celui produit par deux oscillateurs légèrement désaccordés.

Toutes les tensions de commandes doivent correspondre à des variations exponentielles, car la perception humaine des sons est logarithmique aussi bien en fréquence (par octave) qu'en intensité (décibels). Par exemple, le VCO doit générer une fréquence exponentielle telle que la tension d'entrée suive une règle de variation de 1V/Octave. Pour l'intensité, une loi de variation appliquée au VCA pourrait être quelque chose comme 12 dB/V.

Certains modules spéciaux peuvent être ajoutés pour élargir les possibilités de l'instrument. Un générateur de bruit peut améliorer la synthèse d'instruments à vent, et autoriser certains effets spéciaux. Un générateur d'effets transforme considérablement le son d'un synthé analogique : Chorus, flanger et écho sont particulièrement efficaces.
 

Maintenant que les principes essentiels ont été expliqués, voici un exemple de diagramme d'un synthétiseur analogique :

Example of synthesizer structure

Le clavier délivre une tension qui commande la fréquence des signaux générés par les VCO, et le décalage de la fréquence de coupure du VCF pour obtenir le même effet de filtrage quelque soit la hauteur de la note. Il délivre aussi le signal Gate pour déclencher les générateurs d'enveloppe ADSR.
Les signaux carré et dent-de-scie des sorties VCO sont envoyés à un mélangeur où ils sont individuellement dosés.
Les deux VCO son légèrement décalés en fréquence pour produire un effet de phasing. Ce décalage de fréquence peut être variable dans le temps au moyen d'un LFO connecté sur l'entrée de modulation de fréquence d'un des VCO. Un autre moyen de produire un effet de phasing (ou de renforcer le phasing lorsque la méthode précédente est déja utilisée) consiste à connecter un LFO à une entrée PWM.
Un bruit blanc peut être ajouté (également individuellement) à la forme d'onde complexe résultante, et on obtient un son brut qui doit maintenant être filtré et formé en amplitude.
Le filtrage du son est réalisé par le VCF qui est manuellement réglé à une fréquence de coupure glissante, proportionnelle au fondamental.
Néanmoins, cette fréquence de coupure peut être modulée par un LFO ou/et par un ADSR en fréquence. Cela autorise un changement dynamique du timbre sonore.
Le son est finalement envoyé à un VCA commandé par un ADSR et un LFO (utile pour réaliser une modulation d'amplitude - AM).

Un tel synthétiseur est capable de produire une grande variété de sons, mais ces sons seront fortement améliorés si vous ajoutez un module d'effet, produisant au moins un chorus et un écho.
 

Polyphonie

Le synthé ci-dessus est un synthétiseur monophonique, ce qui signifie qu'une seule note peut être jouée à la fois.

Une des méthodes pour réaliser la polyphonie consiste à générer les 12 notes supérieures du clavier avec des générateurs carrés et de diviser ces signaux successivement pour obtenir les octaves inférieurs. Mais cette méthode est connue pour donner des résultats médiocres du point de vue de la qualité de la synthèse.

La meilleure méthode se base sur l'utilisation d'un générateur sonore complet pour chacune des voies de polyphonie. Quand une touche est pressée, le premier générateur est assigné à la génération de la note correspondante. Quand une seconde note est pressée tout en continuant de presser la première, le second générateur est assigné à la génération de la note correspondante et les deux signaux sont mélangés. Et ainsi de suite jusqu'au dernier générateur disponible. Six générateurs sonores sont suffisants.

Si les boutons de commande et les potentiomètres sont multipliés par le nombre de voies, cela conduit à un synthétiseur cher et complexe, mais avec l'avantage majeur d'être multitimbral : différents sons peuvent être programmés par groupes de voies et ces groupes peuvent être assignés à différentes parties du clavier splitté (scindé).

Mais les boutons de commande et les potentiomètres peuvent aussi commander l'ensemble des générateurs. Dans ce cas, leurs sons sont identiques. Le synthétiseur polyphonique est plus simple à fabriquer, donc moins cher. Il est aussi plus facile à utiliser puisqu'il n'y a pas besoin de réaliser les mêmes réglages sur tous les modules pour bénéficier de la polyphonie maximale.
 

 

C'est tout ce que je peux vous dire pour le moment. Si vous souhaitez que cette rubrique continue, faites-le moi savoir !
 
 




 
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