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

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

2 Concetti di base FILTRO Tommaso Rosati 2 Un filtro è un dispositivo che agisce prevalentemente su alcune frequenze contenute in un suono attenuandone o enfatizzandone l ampiezza*. Amp Filtro Amp Hz Hz * e/o cambiandone la fase.

3 Concetti di base INVILUPPO Tommaso Rosati 3 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 decay R release S sustain t INIZIO sollecitazione FINE sollecitazione

4 Tommaso Rosati 4 Concetti di base LFO (Low Frequency Oscillator) 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). SUONO LFO per esempio fa oscillare il volume da - a 0 db a una frequenza tra 0 e 15 Hz VOL OUT

5 Tommaso Rosati 5 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)

6 Tommaso Rosati 6 Tecniche di Sintesi Tecniche 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. Tecniche Non Lineari 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

7 Tommaso Rosati 7 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. + OUT ADSR VCO VCA

8 Tommaso Rosati 8 Sintesi Additiva Hammond Organ B3 (Model A from 1935)

9 Tommaso Rosati 9 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. VCO 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. Filter + ADSR ADSR VCF VCA E un sistema di sintesi lineare. OUT

10 Tommaso Rosati 10 Sintesi Sottrattiva Minimoog Model D (1971)

11 Tommaso Rosati 11 Sintesi Sottrattiva ANALOG in Ableton Live

12 Tommaso Rosati 12 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 SUONO Amp. OUT Modulante RM fa oscillare il volume da -1 a 1 AM fa oscillare il volume da 0 a 1 La frequenza deve essere maggiore di 15 Hz

13 Tommaso Rosati 13 Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation) RM AM la modulante (M) va da -1 a 1 (segnale bipolare) la modulante (M) va da 0 a 1 (segnale monopolare) Carrier Banda laterale Banda laterale Banda laterale Banda laterale Carrier C-M C C+M f C-M C C+M f

14 Tommaso Rosati 14 Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation) Ring Modulator, studio di Colonia (1955)

15 Tommaso Rosati 15 Sintesi RM (ring modulation) e AM (amplitude modulation) FREQUENCY SHIFTER audio effect in Ableton Live

16 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. frequenza di base del Carrier + Tommaso Rosati 16 frequenza definitiva del Carrier Carrier OUT Modulante

17 Tommaso Rosati 17 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 Bande laterali C-4M C-3M C-2M C-M C C+M C+2M C+3M C+4M f

18 Tommaso Rosati 18 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 C-2M C-M C C+M C+2M C+3M C+4M f

19 Tommaso Rosati 19 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 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.* * 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) C-4M +40 C-3M C-2M C-M C C+M C+2M C+3M C+4M f

20 Tommaso Rosati 20 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). I = D 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

21 Tommaso Rosati 21 Sintesi FM (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

22 Sintesi FM (frequency modulation) x Tommaso Rosati 22 C:M = Rapporto armonico I = Indice di modulazione Modulante x + x Carrier OUT

23 Tommaso Rosati 23 Sintesi FM (frequency modulation) YAMAHA DX7 (1982)

24 Tommaso Rosati 24 Sintesi FM (frequency modulation) FM8 vst di Native Instruments

25 Tommaso Rosati 25 Sintesi FM (frequency modulation) Operator in Ableton Live

26 Tommaso Rosati 26 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

27 Tommaso Rosati 27 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 ) ESECUTORE ECCITATORE RISONATORE DAMPING AMBIENTE OUT Parametri Caratteristiche fisiche esecutore: bocca, labbra, braccio Tipo di eccitatore: plettro, pizzicato, ancia, colonna d aria, bacchetta 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

28 Sintesi Modelli Fisici Tommaso Rosati 28 ESECUTORE ECCITATORE RISONATORE DAMPING

29 Sintesi Modelli Fisici algoritmo di Karplus - Strong (KS) Noise Tommaso Rosati 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. OUT Delay time DELAY /! 1000 Frequenza

30 Sintesi Modelli Fisici algoritmo di Karplus - Strong (KS) Noise Tommaso Rosati 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. Delay time DELAY /! 1000 Frequenza 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 1000ms Delay time = freq. che voglio ottenere

31 Tommaso Rosati 31 Sintesi Modelli Fisici algoritmo di Karplus - Strong (KS) Drum Synth Kplus in Ableton Live

32 Tommaso Rosati 32 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.

33 Tommaso Rosati 33 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. Energia ECCITATORE non lineare RISONATORE lineare OUT Feedback

34 Tommaso Rosati 34 Sintesi Modelli Fisici YAMAHA VL1 (1993) - Waveguide synthesis

35 Tommaso Rosati 35 Sintesi Modelli Fisici TENSION e COLLISION in Ableton Live

36 Tommaso Rosati 36 Sintesi Granulare Georges-Pierre Seurat - Una domenica pomeriggio sull'isola della Grande-Jatte

37 Tommaso Rosati 37 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

38 Tommaso Rosati 38 Sintesi Granulare Generatore di grani I grani possono essere ricavati da vari tipi di sorgente: Suoni di sintesi Campioni audio

39 Tommaso Rosati 39 Sintesi Granulare Generatore di grani Si può impostare una dimensione di ogni grano (1-100ms). lunghezza grano lunghezza grano

40 Tommaso Rosati 40 Sintesi Granulare Generatore di grani Ad ogni grano si applica un inviluppo. Questi i tipi di inviluppo più comuni: Gaussian envelope Trapezoidal envelope Hanning envelope Triangular envelope

41 Tommaso Rosati 41 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 offset t offset t

42 Tommaso Rosati 42 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

43 Tommaso Rosati 43 Sintesi Granulare Tipo di inviluppo dei grani N. di istanze = Densità dei grani Lunghezza dei grani

44 Tommaso Rosati 44 Sintesi Granulare GRANULATOR II in Ableton Live by Robert Henke

45 Tommaso Rosati 45

46 Tommaso Rosati 46 Sintesi per Campioni Nella sintesi per campioni un suono (solitamente di pochi 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. 1 2 Registrazione dei campioni Riproduzione dei campioni

47 Tommaso Rosati 47 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.

48 Tommaso Rosati 48 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. 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. RE4 DO4 +2st

49 Tommaso Rosati 49 Sintesi per Campioni Solitamente si fanno varie operazioni sul campione: Crop (taglio) si può in questo modo scegliere la porzione di suono da riprodurre Inviluppo ADSR si imposta un inviluppo al campione

50 Tommaso Rosati 50 Sintesi per Campioni Loop si può impostare una porzione di campione da looppare in caso di pressione continuata del tasto (sustain) End point si può impostare il punto del campione da cui ripartire quando si lascia il tasto (release)

51 Tommaso Rosati 51 Sintesi per Campioni Filtri e/o effetti si possono impostare filtri (vedi slides Filtri) effetti (vedi slides Delay) per i campioni riprodotti. Filter OUT

52 Tommaso Rosati 52 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 (7), fino a che il tasto viene rilasciato.

53 Tommaso Rosati 53 Sintesi per Campioni KONTAKT di Native Instruments

54 Tommaso Rosati 54 Sintesi per Campioni SAMPLER in Ableton Live