Sin Tes i Sonora

ADDITIVA SOTTRATTIVA RM-AM FM WAVESHAPING MODELLI FISICI GRANULARE PER CAMPIONI

SINTESI SONORA

Tommaso Rosati SINTESI SONORA

Concetti di base FILTRO

Un filtro filtro è è un dispositivo che agisce prevalentemente su alcune frequenze contenute in un suono attenuandone o enfatizzandone l’ampiezza*.

Filtro Amp

Amp

Hz

Hz


Concetti di base FILTRO

Un filtro filtro è è un dispositivo che agisce prevalentemente su alcune frequenze contenute in un suono attenuandone o enfatizzandone l’ampiezza*.

Filtro Amp

Amp

Hz

Hz


Concetti di base INVILUPPO

L’inviluppo inviluppo è è l’andamento dell’ampiezza di un suono (o di un altro parametro) parametro) dall’inizio della sollecitazione dello strumento fino all’ all’estinzione estinzione del suono stesso (o dell’altro parametro a cui è stato applicato). A

a

attack

D

R

decay

release

S

sustain

t INIZIO sollecitazione

FINE sollecitazione

Tommaso Rosati

Concetti di base LFO (Low Frequency Oscillator)

SINTESI SONORA

Per LFO LFO si si intende un oscillatore utilizzato per modulare un parametro del nostro sistema di sintesi. La frequenza dell’oscillatore deve necessariamente collocarsi al di sotto della frequenza minima udibile (di solito hanno valori di frequenza tra 0 e 15 Hz).

LFO

SUONO

per esempio fa oscillare il volume da -! a 0 dB a una frequenza tra 0 e 15 Hz

VOL VO L OUT


Concetti di base VC (Voltage Control, Control, Controllo in Tension Tensione) e)

Il VC è Il VC è il sistema con il quale i synth analogici controllano i vari parametri. Può essere regolato per esempio con un knob o anche con la tastiera musicale, nel caso dell’intonazione. Per esempio con la tastiera di un synth posso controllare generalmente 3 parametri

VCO [voltage control oscillator] regola l’intonazione della nota

VCF [voltage control filter] regola i parametri del filtro

VCA [voltage control amplitude] regola i di ampiezza di uscita (inviluppo)


Tecniche di Sintesi Tecniche Lineari

Tecniche Non Lineari

Prendono il nome dal fatto che, basandosi su operazioni di somma e differenza, a un aumento della complessità dell'algoritmo corrisponde un aumento proporzionale e lineare della complessità del suono prodotto. Ad esempio, se nell'additiva classica sovrappongo 5 sinusoidi otterrò un suono con 5 componenti; se ne sovrappongo 10 avrò un suono con 10 componenti.

Queste tecniche si ottengono essenzialmente mediante distorsione di un segnale da parte di un altro. Come tali non sono lineari perché il risultato sonoro non varia in proporzione alla complessità dei segnali coinvolti ma segue relazioni di altra natura. Ad esempio se in FM si aggiunge più di una modulante, il numero delle componenti non varia proporzionalmente, ma aumenta in misura esponenziale. In tal modo, la comprensione del metodo è meno intuitiva, ma è possibile generare segnali con molte componenti armoniche o inarmoniche, con poche risorse.

ADDITIVA, SOTTRATTIVA, GRANULARE

RM, FM, WAVESHAPING


Sintesi Additiva Si tratta di una tecnica di sintesi sonora basta sulla somma di un certo numero di onde sinusoidali (o anche onde più complesse). Pur permettendo teoricamente di poter riprodurre qualsiasi suono esistente, in realtà per timbri complessi è molto onerosa da un punto di vista computazionale. Questo perché i timbri complessi hanno un grande numero di componenti che oltretutto cambiano continuamente nel tempo. Per creare un timbro complesso con l’additiva abbiamo quindi la necessità di controllare un numero elevatissimo di componenti, che andranno modulate individualmente.

E’ un sistema di sintesi lineare.

VCO

+ ADSR VCA

OUT


Sintesi Additiva

Hammond Organ B3 (Model A from 1935)


Sintesi Sottrattiva Da uno o più generatori di segnale con elevata produzione di armoniche (ad esempio onda quadra, triangolare, dente di sega…) si interviene con un

sistema di filtri allo scopo di modificare il timbro in uscita. __ I filtri hanno un inviluppo che ne pilota generalmente il cutoff ( VCF). __ Il sintetizzatore in sottrattiva può avere LFO che modulano parametri come ad esempio l’intonazione (vibrato) o il volume di uscita (tremolo). __ Alla fine della catena troviamo sempre un VCA in schema ADSR che modula l’ampiezza di uscita del sintetizzatore.

VCO

+ Filter ADSR

VCF

ADSR

E’ un sistema di sintesi lineare. OUT

VCA


Sintesi Sottrattiva

Minimoog Model D (1971)


Sintesi Sottrattiva

ANALOG in Ableton Live


Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation) La modulazione di ampiezza è una tecnica di sintesi che pone una sinusoide a controllo dell’ampiezza di un suono. Il risultato è la creazione di due bande frequenziali laterali ad ognuna delle parziali in ingresso. La sola differenza tra AM e RM sta nei valori di oscillazione della sinusoide modulante (da 0 a 1 ho AM e da -1 a 1 ho RM). La differenza di risultato è che nel caso dell’AM oltre alle due bande laterali mantengo anche la parziale originale, nell’RM invece questa scompare. L’ampiezza totale delle parziali create e/o mantenute rimane sempre uguale all’ampiezza della parziale originale; questo significa che l’energia della parziale originale si distribuisce sulle nuove parziali.

Carrier

Modulante

SUONO RM fa oscillare il volume da -1 a 1

Amp.

AM fa oscillare il volume da 0 a 1

OUT

La frequenza deve essere maggiore di 15 Hz


Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation) RM

AM la modulante (M) va da 0 a 1 (segnale monopolare)

la modulante (M) va da -1 a 1 (segnale bipolare)

1 0 -1

1 0 -1

Carrier Banda laterale

Banda laterale

Banda laterale

Banda laterale

Carrier C-M

C

C+M

f

C-M

C

C+M

f


Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation)

Ring Modulator, studio di Colonia (1955)


Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation)

FREQUENCY SHIFTER audio effect in Ableton Live

Tommaso Rosati

Sintesi FM

(frequency modulation) Una forma d’onda semplice (Carrier) viene modificata modulando la sua frequenza con una sinusoide di modulazione (Modulante), ottenendo una forma d'onda e un timbro più complessi. Nella sintesi di suoni armonici il segnale di modulazione deve avere una relazione armonica con il segnale portante originale. Al crescere della modulazione della frequenza aumenta anche la complessità del suono ottenuto. E’ un sistema di sintesi non lineare.

SINTESI SONORA

frequenza di base del Carrier

Modulante

+ frequenza definitiva del Carrier

Carrier

OUT


Sintesi FM (frequency modulation)

Una FM creata con 2 sinusoidi (C=carrier e M=modulante) crea una serie di bande laterali intorno a C multiple di M.

Carrier Bande laterali

C-4M

C-3M

C-2M

Bande laterali

C-M

C

C+M

C+2M

C+3M

C+4M

f



POSIZIONE DELLE BANDE (C:M)

La posizione delle bande dipende dal rapporto che c’è tra Carrier e Modulante (C:M ratio). Quando questo valore è un numero intero (per es. 4:1) l’FM genera uno spettro armonico. C= 800 Hz M= 200 Hz Rapporto 4:1

C-4M 0

C-3M 200

C-2M 400

C-M 600

C 800

C+M 1000

C+2M 1200

C+3M 1400

C+4M 1600

f



POSIZIONE DELLE BANDE (C:M)

Quando il C:M ratio invece non è intero (per es. 8:2.1) ottengo uno spettro inarmonico. C= 800 Hz M= 210 Hz Rapporto 4:1.1 * Allo stesso modo una banda viene riflessa se si va a trovare sopra la frequenza di Nyqvist cioè metà della frequenza di campionamento (vedi slide Campionamento)

Quando una banda va a trovarsi sotto la frequenza zero viene “riflessa” e invertita di fase. Per esempio -40 diventa 40 Hz invertito di fase.*

C-4M +40 C-3M 170

C-2M 380

C-M 590

C 800

C+M 1010

C+2M 1220

C+3M 1430

C+4M 1640

f



QUANTITA’ di BANDE (I=Indice di Modulazione)

Il numero di bande presenti nel timbro è controllato dall’Indice di Modulazione (I). D ___ I = M

Deviazione tra C e M Frequenza di M

Con l’aumentare dell’indice di modulazione si formano sempre più bande laterali e l’energia del Carrier viene via via distribuita sulle bande create.

f

Tommaso Rosati

Sintesi FM

SINTESI SONORA

(frequency modulation) Le funzioni di Bessel del primo tipo e di ennesimo ordine descrivono il comportamento delle bande laterali nella sintesi FM. L’argomento variabile di queste funzioni è l’indice di modulazione (I). Si usano per predire il funzionamento delle patch di sintesi FM.

f


Sintesi FM

C:M = Rapporto armonico

(frequency modulation)

x

I = Indice di modulazione

Modulante

x x + Carrier

OUT



YAMAHA DX7 (1982)



FM8 vst di Native Instruments



Operator in Ableton Live


Sintesi Modelli Fisici La sintesi per modelli fisici usa equazioni ed algoritmi per simulare il naturale processo fisico che genera i suoni. I calcoli matematici sono ricavati dallo studio del comportamento degli strumenti e delle relative onde sonore generate quando si percuote o in qualche modo si "eccita" un corpo. Si può dividere in 2 stadi principali: eccitatore (comportamento non lineare) e risonatore (comportamento lineare). Infine si può modellizzare anche il comportamento dell’ambiente e quindi di come si acquisisce il suono (microfoni, pickup…).

ECCITATORE

RISONATORE

AMBIENTE

OUT


Sintesi Modelli Fisici In ogni stadio di sintesi possiamo avere parametri diversi che vanno a modificare le variabili delle funzioni matematiche. Con questo tipo di sintesi si possono creare strumenti virtuali con caratteristiche impossibili da realizzare nella realtà (corde lunghe molti metri, casse di risonanza molto piccole o molto grandi, materiali di costruzione impossibili da reperire…)

Parametri

ESECUTORE

Caratteristiche fisiche esecutore: bocca, labbra, braccio…

ECCITATORE

Tipo di eccitatore: plettro, pizzicato, ancia, colonna d’aria, bacchetta…

RISONATORE DAMPING

AMBIENTE OUT

Dimensioni, forma e materiale del corpo risonante. Impedenza alla propagazione del suono nel risonatore data da dimensioni, materiale e forma… Tipo di sistema di ripresa del suono: pickup, microfono… Distanza tra i microfoni, tra corpo risonante e microfoni…

Tommaso Rosati

Sintesi Modelli Fisici

SINTESI SONORA

ESECUTORE

ECCITATORE

RISONATORE

DAMPING


Sintesi Modelli Fisici algoritmo di Karplus - Strong (KS) Nata nel 1983 con lo scopo di simulare con bassi costi computazionali una corda pizzicata o una semplice percussione. Usa un generatore di rumore, una linea di ritardo digitale e un filtro passa-basso (LPF). 1) Viene generato un rumore bianco 2) Questa eccitazione è portata in output e simultaneamente in retroazione in una catena di ritardo (delay line). 3) L’uscita del delay è portata ad un filtro. Di solito si tratta di un filtro passa basso del primo ordine. 4) L’output filtrato è simultaneamente mixato in output e all'indietro in retroazione nella catena dei ritardi.

Noise

Frequenza

DELAY

OUT

Delay time

/! 1000


Sintesi Modelli Fisici algoritmo di Karplus - Strong (KS) Noise

Il filtro passa basso (LPF) si occupa di togliere gli armonici più alti e creare un timbro più vicino agli strumenti tradizionali, in cui gli armonici si attenuano via via che ci allontaniamo dalla fondamentale.

Frequenza

DELAY

Delay time

/! 1000

L’intonazione del sintetizzatore avviene modificando il ritardo del delay in funzione della frequenza (nota) scelta. Il procedimento è lo stesso usato per intonare un filtro Comb (Filtro a pettine): 1000ms OUT

Delay time =

freq. che voglio ottenere

Tommaso Rosati

Sintesi Modelli Fisici algoritmo di Karplus - Strong (KS)

Drum Synth Kplus in Ableton Live

SINTESI SONORA


Sintesi Modelli Fisici Massa - Molla (mass-spring) tutte le parti di uno strumento sono considerate come sequenze di massa-molla. Oggetti cioè rigidi collegati ad altri oggetti rigidi attraverso molle elastiche. Lo spostamento dalla posizione di equilibrio di una molla viene trasmesso alla massa che attutisce una parte di energia e ne trasmette un’altra alla molla successiva. Può essere considerato anche un reticolo di molle sia in 2 che in 3 dimensioni. Sintesi Modale prende l'avvio dalla considerazione che la struttura della maggior parte degli strumenti acustici e di molti oggetti vibranti sia costituita in realtà da un insieme di elementi e quindi possa essere scomposta in una serie di sottoinsiemi elementari modellizzabili, ciascuno dei quali caratterizza la produzione sonora complessiva tramite le proprie caratteristiche intrinseche e di interazione con le altre parti.


Sintesi Modelli Fisici Energia

Modello MSW (McIntyre, Schumacher e Woodhouse) analizza in maniera molto approfondita la genesi e lo sviluppo dinamico di una forma d'onda rispetto a le leggi fisiche ad essa correlate; il modello risultante necessita di una eccitazione di tipo non lineare e di un risonatore con caratteristiche lineari. Un'eccitazione con queste caratteristiche può essere ottenuta tramite un oscillatore ed un processore non lineare (per esempio con waveshaping) per simulare la generazione e la distorsione del segnale stesso, mentre il risonatore può essere realizzato mediante un filtro sufficientemente sofisticato.

Modello a guida d’onda (waveguide) Per guida d’onda si intende il modello computazionale del mezzo attraverso cui si propaga l’onda. Per esempio il tubo di un flauto o la corda di una chitarra; l’idea è quella di simulare il percorso dell’onda sonora attraverso il corpo risonante. Ottengo i seguenti stadi: Eccitazione - Delay - Giunzioni di dispersione (damping) - filtri.

ECCITATORE non lineare

Feedback

RISONATORE lineare

OUT



YAMAHA VL1 (1993) - Waveguide synthesis



TENSION e COLLISION in Ableton Live


Sintesi Granulare

Georges-Pierre Seurat - Una domenica pomeriggio sull'isola della Grande-Jatte


Sintesi Granulare La sintesi granulare sviluppa l’idea di creare suoni complessi a partire da una grossa quantità di suoni semplici chiamati grani. Essi sono di durata compresa tra 1 e 100 millisecondi e possono essere combinati e riprodotti in sequenza e/o sovrapposti a velocità, fase e volume variabili. Il risultato non è un unico tono, ma una nuvola di suoni.

Generatore di grani

Player dei grani

OUT

Dimensione grani Inviluppo grani

Densità di riproduzione Posizione nello spazio dei grani


Sintesi Granulare Generatore di grani

I grani possono essere ricavati da vari tipi di sorgente:

Suoni di sintesi

Campioni audio



Si può impostare una dimensione di ogni grano (1-100ms).

lunghezza grano

lunghezza grano



Ad ogni grano si applica un’inviluppo.

Questi i tipi di inviluppo più comuni:

Gaussian envelope

Trapezoidal envelope

Hanning envelope

Triangular envelope


Sintesi Granulare Player dei grani

Esistono tre tipi di riproduzione dei grani: - Sincrona (Pitch Synchronous Granular Synthesis) la distanza o offset tra i grani è costante - Quasi-sincrona (QSGS) la distanza tra i grani è quasi costante - Asincrona (ASGS) la distanza tra i grani non è costante

Sincrona

Asincrona

a

a

t

t


Sintesi Granulare Player dei grani

Nel suonare i grani si possono impostare vari parametri: - Densità dei grani (quantità di istanze del player che suonano in contemporanea) - Posizione nello spazio dei grani (indicazione della posizione spaziale di ogni grano eseguito) Right

Left


Sintesi Granulare Tipo di inviluppo dei grani

i n a r g i e d à t i s n e D = e z n a t s i i d . N

Lunghezza dei grani


Sintesi Granulare

GRANULATOR II in Ableton Live by Robert Henke

Tommaso Rosati


Sintesi per Campioni Nella sintesi per campioni un suono (solitamente di pochi

1

Registrazione dei campioni

secondi o frazioni di secondo)

viene registrato e poi riprodotto intonato con la nota scelta in fase di esecuzione. Può essere inoltre processato attraverso filtri ed effetti. Il campione può essere riprodotto al contrario (reverse) rallentato, velocizzato, sezionato. Questo segnale audio può essere ripetuto infinite volte in modo ciclico ed è possibile ripetere anche solo una determinata porzione dell'intero campione.

2

Riproduzione dei campioni


Sintesi per Campioni 1

Registrazione dei campioni Esistono tre tipi di registrazione dei campioni: - Single-sampled si registra un solo campione che servirà, in fase di riproduzione, per generare tutte le note

- Multi-sampled si registra un campione per ogni nota dello strumento

- MultiLayer-sampled

si registrano più campioni per ogni nota, di solito note a dinamiche diverse

Più sono i campioni e più fedele all’originale sarà la sintesi in fase di riproduzione. Questo perché ad ogni variazione di dinamica dell’esecutore, per esempio, corrisponderà un campione differente. Gli strumenti reali infatti quando sono sollecitati a differenti dinamiche non si limitano a una nota con volumi diversi ma il timbro stesso dello strumento varia notevolmente. E’ così che per esempio un pianissimo fatto su un violino non ha lo stesso timbro di un fortissimo sullo stesso violino. Di solito con dinamiche più forti si ottiene un timbro più ricco in parziali e viceversa con dinamiche più basse il timbro risulta in genere essere più povero in parziali.


Sintesi per Campioni 2

Riproduzione dei campioni

che nota è?

Prendiamo per esempio il Single-sampled. La prima cosa da fare è quella di dire al nostro software imputato alla riproduzione (sampler) quale nota abbiamo registrato come campione. In questo modo il software si incarica di trasporre la nota in caso di pressione di altri tasti.

DO4

Esempio:

Registro un DO4 del violoncello. Il sampler sa che se premo il DO4 sulla mia tastiera deve riprodurre il campione così com’è stato registrato. Se invece premo un RE4 deve trasporre il campione di due semitoni (st) verso l’alto prima di riprodurlo.

+2st

RE4


Sintesi per Campioni Solitamente si fanno varie operazioni sul campione: Crop (taglio)

Inviluppo ADSR

si può in questo modo scegliere la porzione di suono da riprodurre

si imposta un inviluppo al campione


Sintesi per Campioni Loop

End point

si può impostare una porzione di campione da looppare in caso di pressione continuata del tasto (sustain)

si può impostare il punto del campione da cui ripartire quando si lascia il tasto (release)


Sintesi per Campioni Filtri e/o effetti si possono impostare filtri (vedi slides Filtri) effetti (vedi slides Delay) per i campioni riprodotti.

Filter

OUT


Sintesi per Campioni

MELLOTRON M400 (1970)

Il funzionamento interno del Mellotron. La pressione di un tasto (1) agisce su due viti (2) che collegano una superficie a pressione (3) con la testina (5) e la rotella di pitch (4) con un rullo in continua rotazione (6). Il nastro viene tirato dal rullo ad una velocità controllata, tramite una molla di tensione (8 - 10), e collocato temporaneamente in un alloggiamento apposito


Sintesi per Campioni

KONTAKT di Native Instruments

Sin Tes i Sonora

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