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Sintesisonora - Tommaso Rosati
ADDITIVA SOTTRATTIVA RM-AM FM WAVESHAPING MODELLI FISICI GRANULARE PER CAMPIONI SINTESI SONORA Tommaso Rosati 2 SINTESI SONORA Concetti di base FILTRO Un filtro è un dispositivo che agisce prevalentemente su alcune frequenze contenute in un suono attenuandone o enfatizzandone l’ampiezza*. Filtro Amp Hz Amp Hz * e/o cambiandone la fase. Tommaso Rosati SINTESI SONORA Concetti di base INVILUPPO L’inviluppo è l’andamento dell’ampiezza di un suono (o di un altro parametro) dall’inizio della sollecitazione dello strumento fino all’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 3 FINE sollecitazione Tommaso Rosati Concetti di base LFO (Low Frequency Oscillator) SINTESI SONORA Per LFO 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 OUT 4 Tommaso Rosati 5 SINTESI SONORA Concetti di base VC (Voltage Control, Controllo in Tensione) 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) Tommaso Rosati Tecniche di Sintesi SINTESI SONORA Tecniche Lineari Tecniche Non Lineari ADDITIVA, SOTTRATTIVA, GRANULARE RM, FM, WAVESHAPING 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. 6 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. Tommaso Rosati 7 SINTESI SONORA 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 OUT VCA Tommaso Rosati Sintesi Additiva Hammond Organ B3 (Model A from 1935) 8 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi Sottrattiva 9 SINTESI SONORA 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 ADSR E’ un sistema di sintesi lineare. OUT VCF VCA Tommaso Rosati Sintesi Sottrattiva Minimoog Model D (1971) 10 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi Sottrattiva ANALOG in Ableton Live 11 SINTESI SONORA Tommaso Rosati 12 SINTESI SONORA 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 Tommaso Rosati 13 SINTESI SONORA 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 Tommaso Rosati 14 SINTESI SONORA Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation) Ring Modulator, studio di Colonia (1955) Tommaso Rosati 15 SINTESI SONORA 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 16 Tommaso Rosati 17 SINTESI SONORA 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 Tommaso Rosati 18 SINTESI SONORA Sintesi FM (frequency modulation) 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 Tommaso Rosati 19 SINTESI SONORA Sintesi FM (frequency modulation) 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 Tommaso Rosati 20 SINTESI SONORA Sintesi FM (frequency modulation) 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 21 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 Tommaso Rosati 22 SINTESI SONORA Sintesi FM (frequency modulation) C:M = Rapporto armonico x I = Indice di modulazione Modulante x + Carrier OUT x Tommaso Rosati Sintesi FM (frequency modulation) YAMAHA DX7 (1982) 23 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi FM (frequency modulation) FM8 vst di Native Instruments 24 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi FM (frequency modulation) Operator in Ableton Live 25 SINTESI SONORA Tommaso Rosati 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 26 SINTESI SONORA Tommaso Rosati 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…) 27 SINTESI SONORA 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 28 SINTESI SONORA ESECUTORE ECCITATORE RISONATORE DAMPING Tommaso Rosati SINTESI SONORA 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 Tommaso Rosati SINTESI SONORA 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): OUT Delay time = 1000ms freq. che voglio ottenere Tommaso Rosati Sintesi Modelli Fisici algoritmo di Karplus - Strong (KS) Drum Synth Kplus in Ableton Live 31 SINTESI SONORA Tommaso Rosati 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. 32 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi Modelli Fisici 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. 33 SINTESI SONORA Energia ECCITATORE non lineare RISONATORE lineare OUT Feedback Tommaso Rosati Sintesi Modelli Fisici YAMAHA VL1 (1993) - Waveguide synthesis 34 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi Modelli Fisici TENSION e COLLISION in Ableton Live 35 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi Granulare 36 SINTESI SONORA Georges-Pierre Seurat - Una domenica pomeriggio sull'isola della Grande-Jatte Tommaso Rosati 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 37 SINTESI SONORA Dimensione grani Inviluppo grani Densità di riproduzione Posizione nello spazio dei grani Tommaso Rosati Sintesi Granulare Generatore di grani SINTESI SONORA I grani possono essere ricavati da vari tipi di sorgente: Suoni di sintesi 38 Campioni audio Tommaso Rosati Sintesi Granulare Generatore di grani SINTESI SONORA Si può impostare una dimensione di ogni grano (1-100ms). lunghezza grano lunghezza grano 39 Tommaso Rosati SINTESI SONORA Sintesi Granulare Generatore di grani 40 Ad ogni grano si applica un’inviluppo. Questi i tipi di inviluppo più comuni: Gaussian envelope Trapezoidal envelope Hanning envelope Triangular envelope Tommaso Rosati Sintesi Granulare Player dei grani 41 SINTESI SONORA 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 offset t offset t Tommaso Rosati SINTESI SONORA Sintesi Granulare Player dei grani 42 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 Tommaso Rosati Sintesi Granulare N. di istanze = Densità dei grani Tipo di inviluppo dei grani Lunghezza dei grani 43 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi Granulare GRANULATOR II in Ableton Live by Robert Henke 44 SINTESI SONORA Tommaso Rosati 45 Tommaso Rosati Sintesi per Campioni Nella sintesi per campioni un suono (solitamente di pochi SINTESI SONORA 1 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. 46 2 Registrazione dei campioni Riproduzione dei campioni Tommaso Rosati 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. 47 SINTESI SONORA Tommaso Rosati SINTESI SONORA Sintesi per Campioni 2 Riproduzione dei campioni 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. 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. 48 che nota è? DO4 +2st RE4 Tommaso Rosati Sintesi per Campioni SINTESI SONORA Solitamente si fanno varie operazioni sul campione: Crop (taglio) si può in questo modo scegliere la porzione di suono da riprodurre Inviluppo ADSR 49 si imposta un inviluppo al campione Tommaso Rosati Sintesi per Campioni Loop si può impostare una porzione di campione da looppare in caso di pressione continuata del tasto (sustain) End point 50 SINTESI SONORA si può impostare il punto del campione da cui ripartire quando si lascia il tasto (release) Tommaso Rosati Sintesi per Campioni SINTESI SONORA Filtri e/o effetti si possono impostare filtri (vedi slides Filtri) effetti (vedi slides Delay) per i campioni riprodotti. Filter 51 OUT Tommaso Rosati Sintesi per Campioni MELLOTRON M400 (1970) 52 SINTESI SONORA 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 (7), fino a che il tasto viene rilasciato. Tommaso Rosati Sintesi per Campioni KONTAKT di Native Instruments 53 SINTESI SONORA Tommaso Rosati Sintesi per Campioni SAMPLER in Ableton Live 54 SINTESI SONORA
