Cómo funcionan los sintetizadores sustractivos
Existe cierto número de enfoques para la creación de sonido con un sintetizador (consulte Otros métodos de síntesis). Aunque hay muchas diferencias entre los modelos de sintetizador, la mayoría siguen una arquitectura parecida y un flujo de señal que se basa en principios de síntesis sustractiva.
Cuando a Miguel Ángel se le preguntó cómo podía crear a David a partir de un bloque de piedra, él contestó: “Desecho cualquier parte que no se parezca a David”.
En resumen, así es como funciona la síntesis sustractiva: se filtran (se cortan) las partes del sonido que no se quieren escuchar. En otras palabras, se eliminan las partes del espectro de frecuencia, que constan del tono fundamental y los armónicos asociados.
El enfoque sustractivo a la síntesis asume que es posible aproximarse a un instrumento acústico con un simple oscilador, que produce ondas con distintos espectros de frecuencia. La señal se envía del oscilador a un filtro que representa las resonancias y las pérdidas dependientes de la frecuencia en el cuerpo del instrumento. La sección del amplificador del sintetizador modula con el tiempo la señal filtrada (o sin filtrar).
Las características distintivas del timbre, la entonación y el volumen de un instrumento real pueden, en teoría, recrearse mediante la combinación de estos componentes de manera que parezca un comportamiento natural del instrumento que se intenta emular.
No obstante, en realidad, y dado que los sintetizadores sustractivos no son ideales para emular instrumentos del mundo real, ningún clarinete sintetizado engañará a nadie, en concreto ahora que existen bibliotecas de sonido de multigigabytes disponibles para samplers como el EXS24 mkll.
El verdadero punto fuerte de los sintetizadores sustractivos es que ofrecen una paleta de sonidos única en sí misma.
Todos los sintetizadores analógicos y analógicos virtual emplean la síntesis sustractiva para generar sonido.
Visión general de los componentes de un sintetizador sustractivo
El panel delantero de la mayoría de los sintetizadores sustractivos contiene una colección de señales similares que generan y procesan módulos, que se complementan con cierto número de módulos de control y modulación. Los módulos que procesan y generan señales suelen ir de izquierda a derecha, duplicando el verdadero flujo de señal del sintetizador.
- Osciladores: generan la señal básica. Suele ser una onda rica en armónicos (consulte la sección Osciladores). Muchos sintetizadores ofrecen más de un oscilador.
- Filtro de sección: se usan para modificar la señal básica mediante el filtrado (eliminación) de porciones del espectro de frecuencia. Muchos sintetizadores ofrecen un único filtro, que se aplica de manera universal a todas las señales del oscilador. Los sintetizadores de multioscilación pueden proporcionar numerosos filtros, permitiendo que la señal de cada oscilador se filtre de forma diferente (consulte Filtros).
- Sección del amplificador: se utiliza para controlar el nivel de la señal con el paso del tiempo. El amplificador integra un módulo conocido como envolvente, que se divide en varios elementos que facilitan el control del nivel para las porciones del inicio, la mitad y el final de su sonido. Los sintetizadores simples suelen ofrecer una envolvente simple, que se usa para controlar el oscilador (y el filtro) a lo largo del tiempo. Los sintetizadores más complejos pueden integrar múltiples envolventes (consulte Envolventes en la sección del amplificador).
- Moduladores: se usan para modular los componentes del procesado y generación de señal. Las modulaciones pueden ser generadas automáticamente por una máquina a través del componente de un sintetizador o activadas manualmente mediante una rueda de modulación, por ejemplo. La mayoría de los sintetizadores cuentan con un componente llamado LFO (oscilador de baja frecuencia, por sus siglas en inglés) que proporciona una onda que modula la señal. Consulte Modulación.
- Controles globales: afectan a las características globales del sonido de su sintetizador, como portamentos entre notas, inflexión de tono, reproducción monofónica o polifónica y muchas otras (consulte Controles globales).
Osciladores
El oscilador genera la señal de audio de un sintetizador. Generalmente se elegiría de una selección de ondas que contienen distintos tipos y cantidades variadas (más o menos) de armónicos. Las relaciones de nivel entre el tono fundamental y los armónicos de la onda elegida son responsables del timbre o el color básico del sonido.
Ondas de sintetizador comunes
A continuación se explican las ondas más comunes de un sintetizador.
Una onda sinusoidal, limpia y de sonido claro, no contiene más armónicos que el primero; en otras palabras, constituye el tono fundamental. La onda sinusoidal (utilizada de forma independiente) puede utilizarse para crear sonidos “puros” como silbidos, el sonido que produce un dedo mojado sobre el borde de un vaso de cristal o un diapasón, entre muchos otros.
Una onda de diente de sierra, clara y de sonido limpio, contiene armónicos pares e impares. Es ideal para la creación de secuencias de caracteres, un sonido de colchón, un bajo o un instrumento de viento-metal.
Una onda cuadrada, profunda y amaderada, puede contener una amplia gama de armónicos impares. Resulta útil para la creación de instrumentos de lengüeta, colchones y bajos. También puede utilizarse para simular bombos, congas, tom-toms y otros instrumentos de percusión, a menudo mezclados con otra onda del oscilador, como un ruido.
La onda cuadrada puede reestructurarse para crear ciclos de ondas (o pulsos) más rectangulares en muchos sintetizadores, utilizando un control de modulación del ancho de pulso (PWM). Cuanto más rectangular sea la onda, más nasal sonará. Al modularla así, la onda cuadrada se conoce como onda de pulso, y contiene menos armónicos. Puede utilizarse para sonidos de lengüetas, bajos e instrumentos de viento-metal. Consulte Ondas remodeladas.
Como la onda cuadrada, una onda triangular contiene únicamente armónicos impares. Dado que los armónicos más altos de una onda triangular se producen más rápidamente que los de una onda cuadrada, la onda triangular suena más suave. Resulta ideal para la creación de sonidos aflautados, de colchón y “ohs” vocales.
El ruido resulta útil para imitar sonidos de percusión, como cajas, o sonidos de viento y de olas rizándose, entre otros.
- Ruido blanco: la onda de ruido más común que se encuentra en un sintetizador. El ruido blanco contiene todas las frecuencias (a nivel completo) alrededor de una frecuencia central.
- Ruido rosa y rojo: estos colores de ruido también contienen todas las frecuencias, pero no se encuentran a nivel completo en el espectro de frecuencia. El ruido rosa disminuye el nivel en 3 dB por octava (de frecuencias más elevadas). El ruido rojo disminuye el nivel en 6 dB por octava.
- Ruido azul: el ruido azul, que es el contrario del rosa, aumenta el nivel de todas las frecuencias en octavas más elevadas en 3 dB.
Existen otros colores de onda de ruido, pero no suelen encontrarse comúnmente en los sintetizadores.
Ondas remodeladas
Es posible deformar las ondas básicas para crear ondas nuevas. Esto resulta en un timbre diferente, o en un color tonal, expandiendo así la paleta de sonidos que puede crearse.
Existen muchas formas de remodular una onda. La más evidente sería alterar la anchura del pulso de una onda cuadrada, tal como se trata en el apartado Ondas de sintetizador comunes. Otras opciones para alterar las ondas incluyen el cambio del ángulo de la fase, el cambio del punto de inicio de un ciclo de ondas o simplemente la combinación de ondas múltiples en sintetizadores de multi-oscilación.
Al remodular las ondas en estas formas o en otras, las relaciones entre el tono fundamental y otros armónicos cambia, alterando así el espectro de frecuencia y el sonido básico producido.
Filtros
El propósito del filtro en un sintetizador substractivo es eliminar porciones de la señal (el espectro de frecuencia) que envían los osciladores. Tras el proceso de filtrado, una brillante onda en diente de sierra se convierte en un sonido suave y cálido, sin agudos marcados.
Las secciones de los filtros de la mayoría de los sintetizadores sustractivos contienen dos controles primarios conocidos como frecuencia de corte, a menudo llamado simplemente corte, y resonancia. Otros parámetros de los filtros incluyen la unidad y la pendiente. La sección del filtro de la mayoría de los sintetizadores puede modularse por medio de envolventes, LFO, el teclado u otros controladores, como la rueda de modulación.
Tipos de filtros
Existen varios tipos de filtros. Cada uno produce un efecto diferente sobre las distintas porciones del espectro de frecuencia:
- Filtro de paso bajo: las frecuencias bajas pasan; las frecuencias altas se atenúan.
- Filtro de paso alto: las frecuencias altas pasan; las frecuencias bajas se atenúan.
- Filtro de paso de banda: solo pasan las frecuencias dentro de una banda de frecuencia.
- Filtro de supresión de banda: solo se atenúan las frecuencias dentro de una banda de frecuencia.
- Filtro de todo paso: pasan todas las frecuencias en el espectro, pero la fase de salida se modifica.
Frecuencia de corte
La frecuencia de corte, tal como el nombre sugiere, determina dónde se corta la señal. Los sintetizadores simples solo ofrecen filtros de paso bajo. Por tanto, si una señal contiene frecuencias que varíen de 20 a 400 Hz, y si se establece una frecuencia de corte de 2.500 Hz, las frecuencias por encima de 2.500 Hz se filtran. El filtro de paso bajo permite frecuencias por debajo del punto de frecuencia de corte de 2.500 Hz para pasar de manera natural.
La siguiente figura muestra la visión general de una onda de diente de sierra (A = 220 Hz). El filtro está abierto, con la frecuencia de corte ajustada a su valor máximo. En otras palabras, esta onda no se filtra.
La siguiente figura muestra una onda en diente de sierra con la frecuencia de corte del filtro ajustada a cerca del 50% del valor. Este ajuste del filtro resulta en la supresión de frecuencias superiores y en el redondeo de los bordes de la onda en diente de sierra, haciendo que parezca una onda sinusoidal. Sónicamente hablando, este ajuste hace que el sonido sea mucho más suave y menos metálico.
Como se puede ver en este ejemplo, el uso de filtros para cortar porciones del espectro de frecuencia altera la forma de la onda, cambiando así el timbre del sonido.
Resonancia
El control de la resonancia enfatiza o suprime las señales que hay alrededor de la frecuencia de corte. La imagen de abajo muestra una onda de diente de sierra de ES1 con un ajuste alto de resonancia y la frecuencia de corte en torno a 660 Hz, lo que representa cerca de un 60%.
Este ajuste del filtro de la resonancia resulta en señales mucho más brillantes y discordantes, cercanas a la frecuencia de corte. Las frecuencias por debajo del punto de corte no se ven afectadas.
De nuevo, el resultado general del uso de una resonancia de filtro es un cambio en la forma básica de la onda y, por tanto, de su timbre.
Se pueden utilizar ajustes para resonancias altas de los filtros hasta un grado tan extremo que el filtro comienza a oscilar por sí mismo, dando lugar a que el filtro genere una onda sinusoidal.
Unidad
La unidad añade cierta cantidad de ganancia a la onda al entrar en el filtro (control de ganancia de entrada), saturando por tanto el filtro y distorsionando la onda. Esta distorsión de la onda cambia el timbre del sonido, haciéndolo mucho más discordante. Consulte Ondas remodeladas para obtener más información sobre las distorsiones de onda.
La figura muestra una onda de diente de sierra sin filtrar, con la unidad configurada a cerca del 80%. Fíjese en que los ciclos de onda tocan la parte más elevada y la más baja de la gama dinámica del filtro.
Pendiente de filtro
Tal como se trató anteriormente, un filtro cortará la señal a la frecuencia de corte establecida. Este corte no se produce abruptamente, sino más bien en una pendiente dada que se mide en decibelios (dB) de reducción de ganancia por octava. Por decirlo de otra forma, se puede definir la inclinación de la pendiente en el punto de frecuencia de corte eligiendo una pendiente más dura o más suave.
Envolventes en la sección del amplificador
El módulo del amplificador de un sintetizador es responsable del control del nivel (o de la potencia) de la señal en el tiempo.
Hablando en un contexto musical, imagine que sostiene el sonido de un violín, que lentamente se eleva hasta un pico (o nivel máximo) al atravesar una cuerda suavemente con el arco, durante cierto periodo hasta que aparta el arco de la cuerda, y en ese momento se corta de forma abrupta. En comparación, al golpear una caja con un palillo se obtiene un nivel de pico muy rápido, sin porción sostenida, y el sonido muere inmediatamente (aunque sí que habrá cierta cantidad de tiempo de caída, el tiempo que cuesta que caiga desde ese nivel del pico). Como puede ver, estos dos sonidos tienen características muy diferentes a lo largo del tiempo.
Los sintetizadores imitan estas características sónicas proporcionando control sobre diferentes partes del nivel de un sonido (inicio, centro y final) a lo largo del tiempo. Este control se logra gracias a un componente llamado generador de envolvente.
Controles de la envolvente del ataque, la caída, el sostenimiento y la liberación (ADSR)
A continuación se muestra un oscilograma de un tono percusivo en el que el nivel se eleva de inmediato hasta el punto más alto de su gama para después decaer. Si traza un cuadro alrededor de la mitad superior del oscilograma, puede considerarla como la “envolvente” del sonido (una imagen que visualiza el nivel como una función de tiempo). El generador de envolventes es el encargado de ajustar la forma de esta envolvente.
El generador de envolventes suele integrar cuatro controles (ataque, caída, sostenimiento y liberación, comúnmente abreviado como ADSR).
- Ataque: controla el tiempo que tarda la pendiente inicial en pasar de una amplitud cero a 100% (amplitud plena).
- Tiempo de caída: determina el tiempo que se tarda en la caída desde una amplitud al 100% hasta el nivel de sostenimiento designado.
- Sostenimiento: ajusta un nivel de amplitud firme producido al mantener pulsada una tecla.
- Liberación: ajusta el tiempo que tarda el sonido en caer desde el nivel de sostenimiento hasta una amplitud cero al soltar la tecla.
Si se suelta una tecla durante la fase de ataque o caída, la fase de sostenimiento suele saltarse. Un nivel de sostenimiento cero producirá una envolvente de piano (o percusiva), sin nivel fijo continuo, ni siquiera al mantener pulsada un tecla.
Uso de la envolvente para controlar los filtros
Los generadores de envolventes no se limitan a controlar la amplitud de la señal. También pueden controlar la elevación y la caída de la frecuencia de corte del filtro, o modular otros parámetros. En otras palabras, los generadores de envolventes pueden utilizarse como fuente de modulación (o como “mando a distancia” de un parámetro dado, si se prefiere).
Este aspecto de los sintetizadores (la modulación) se trata en la siguiente sección.
Modulación
Sin modulación, el sonido tiende a ser aburrido y fatigante para el oído. También suena sintético, en vez de natural, en ausencia de algún tipo de modulación sónica. El tipo de modulación más evidente es el vibrato, que es utilizado por los músicos de cuerda de las orquestas para añadir animación al tono de un instrumento.
Para hacer que los sonidos resulten más interesantes, se pueden utilizar varios controles de sintetizador para modular los parámetros de sonido básicos.
Direccionamiento de la modulación
Muchos sintetizadores, incluyendo el ES1, el ES2 y el EXS24 mkll sampler, integran un enrutador de modulación.
El enrutador le permite direccionar una o más fuentes de modulación a uno o más objetivos de modulación, o destinos, si lo prefiere. Por ejemplo, puede cambiar objetivos de modulación, como el tono del oscilador o la frecuencia de corte del filtro, utilizando fuentes de modulación que incluyen:
- Modulación de la velocidad: el impacto de su teclado al tocar (más fuerte o más suave).
- Escalado de teclas: la posición que juega en el teclado.
- Uso de los controles: Éstos pueden incluir la rueda de modulación, los controladores de cinta o los pedales adjuntos a su teclado.
- Modulación automática: puede utilizar generadores de envolventes o LFO para modular señales de forma automática.
Enrutado de la modulación en el ES1 y ES2
El ES1 y el ES2 facilitan una forma sencilla de enrutar un control (una fuente de modulación) a una parte del motor del sonido (un objetivo de modulación). Para más datos sobre el uso de los recursos de modulación y otros parámetros, consulte las secciones ES1 y Botones “On/Off” de los osciladores.
Puede realizar el direccionamiento de la modulación en el ES1 seleccionando un objetivo de modulación en la columna izquierda o derecha de botones en la sección del Enrutador. Se utiliza la columna de la izquierda para ajustar un objetivo de modulación, cuya cantidad puede controlarse a través de la rueda de modulación de su teclado. El objetivo que se elija en la columna de la derecha responderá dinámicamente a la velocidad del teclado. La cantidad, o la gama, de esta modulación viene determinada por las dos flechas mostradas en los reguladores (Int via Whl e Int via Vel). La flecha superior determina la cantidad máxima de modulación, y la flecha inferior determina la cantidad mínima de modulación.
El ES2 facilita diez direccionamientos de modulación, en columnas. Aunque pueda parecer algo intimidante al principio, cada columna de direccionamiento es bastante parecida a los controles de modulación del ES1. Fíjese en el primer direccionamiento, a la izquierda en la figura inferior:
El objetivo de la modulación es Pitch123. El tono (el parámetro de la frecuencia) de los osciladores uno, dos y tres se ve afectado (por LFO2, la fuente de modulación).
LFO2 es la fuente de modulación. Las dos flechas de la columna de la derecha indican la cantidad de modulación. Para intensificar la modulación, arrastre la(s) flecha(s) superior y/o inferior hacia arriba/abajo, aumentando así la gama de la cantidad de modulación. La flecha superior determina la cantidad máxima de modulación, y la flecha inferior determina la cantidad mínima de modulación.
El control de Via es el ModWhl. La cantidad de modulación (cuya gama está determinada por los reguladores que se encuentran a la derecha del canal) se controla directamente a través de la rueda de modulación de su teclado. Cuando la rueda de modulación se encuentra en su ajuste mínimo, en la parte inferior de su trayecto, la cantidad de modulación del tono del oscilador es mínima, o está desactivada/no hay ninguna modulación. Según se va subiendo la rueda de modulación, la frecuencia de los tres osciladores está directamente controlada por el LFO dentro de la gama determinada por los reguladores.
Fuentes de modulación comunes
Esta sección destaca las fuentes de modulación que suelen encontrarse en la mayoría de los sintetizadores.
Controladores de modulación
Las fuentes de modulación pueden ser desencadenadas (y a menudo lo son) por algo que haya hecho usted, como una nota tocada en el teclado o un movimiento en la rueda de modulación.
Por ello, la rueda de modulación, las franjas de inflexión de tono, los pedales, el teclado y otras opciones de entrada se conocen como controladores de modulación, o simplemente controladores.
Tal vez el mejor ejemplo de un controlador de modulación en acción sea el uso de un teclado sensible a la velocidad, configurado para controlar el filtro y las envolventes de nivel. Cuanto más fuerte golpee las notas, más sonoro y brillante será el sonido. Consulte Uso de las envolventes para la modulación.
Uso del LFO para modular sonidos
Una fuente de modulación que se encuentra en prácticamente todos los sintetizadores es el LFO (oscilador de baja frecuencia). Este oscilador se utiliza solo como fuente de modulación y no genera ninguna señal audible que forme parte del sonido de su sintetizador real, porque es demasiado bajo para escucharse. No obstante, puede afectar a la señal principal al añadir vibrato, barridos de filtro, etc.
El LFO suele ofrecer los siguientes controles:
- Onda: le permite elegir el tipo de onda (la onda triangular y la cuadrada son las más comunes). Las ondas triangulares suelen utilizarse para barridos de filtro (cambios lentos en la frecuencia de corte del filtro) o cuando se simula la sirena de una ambulancia (cambios lentos en la frecuencia del oscilador). La onda cuadrada es útil para cambios rápidos entre distintos tonos (vibratos u octavas, por ejemplo).
- Frecuencia/ritmo: determina la velocidad de los ciclos de onda producidos por el LFO. Cuando se configura con valores bajos, se producen rampas muy lentas, lo que facilita la creación de sonidos como olas del mar (cuando se elige ruido blanco como onda del oscilador principal).
- Modo Sincro: le permite elegir entre una ejecución libre (un ritmo del LFO definido por el usuario) o la sincronización con una fuente de tempo externa (como una aplicación host).
El LFO también puede controlarse con un generador de envolventes en algunos sintetizadores. Como ejemplo de dónde podría resultar útil, imagine un sonido de sección de cuerda sostenido, en que el vibrato se introduce aproximadamente un segundo en la porción sostenida del sonido. Si esto ocurre automáticamente, le permite tener las dos manos sobre el teclado.
En cierto tipo de sintetizadores, se incluye un sencillo generador de envolventes para este propósito en particular. A menudo, esta envolvente consiste solo en un parámetro de ataque, u ocasionalmente incluye opciones de tiempo de caída y de liberación. Estos parámetros actúan de la misma forma que los parámetros de la envolvente de amplitud (consulte Envolventes en la sección del amplificador), pero están limitados al control de las modulaciones del LFO.
Uso de las envolventes para la modulación
El principal generador de envolventes de un sintetizador no solo controla los niveles a lo largo del tiempo, sino que también se usa con frecuencia para modular otros parámetros de sonido al pulsar o soltar las teclas de un teclado.
El uso más común de la modulación de la envolvente es controlar la frecuencia de corte del filtro y los parámetros de la resonancia con la velocidad del teclado o con las fuentes del escalado de modulación del teclado (consulte Direccionamiento de la modulación).
Controles globales
Esta sección cubre los controles globales que afectan a la señal de salida general de su sintetizador.
El control global más obvio es el control del nivel, que configura la potencia general de su sonido. Para más información sobre el control del nivel, consulte Envolventes en la sección del amplificador.
Otros controles globales clave incluyen los siguientes:
- Portamento: se usa para ajustar la cantidad de tiempo necesarios para que el tono de una nota se deslice hacia arriba o hacia abajo hasta el tono de otra nota. Este control es útil para imitar instrumentos de viento que se deslizan de nota en nota, más que para pasar directamente a otro tono claro y distintivo.
- Inflexión/inflexión de tono: este control suele estar incorporado en la rueda de inflexión de tono de un teclado. Como su propio nombre indica, al mover la rueda arriba y abajo a partir de su posición central, se produce una inflexión de tono (la frecuencia del oscilador) que aumenta o disminuye. El parámetro de la inflexión/inflexión de tono suele tener un límite superior e inferior de una octava, pero en general se configura a unos tres semitonos arriba o abajo. Esta configuración resulta ideal para la simulación de las fluctuaciones de tono pequeñas (o extremas) que se producen en ciertos instrumentos, como al moverse entre notas con una trompeta, o al mover las cuerdas durante un intenso solo de guitarra.
- Voces: los sintetizadores tiene un límite para el número de notas que pueden producir de forma simultánea. La producción de notas de forma simultánea se conoce como polifonía (literalmente, “varias voces”) del instrumento. El parámetro de las voces establece un límite superior al número de notas que se pueden tocar en un tiempo dado.
- Unísono: se utiliza para “apilar” voces, con la voz del unísono oyéndose una octava por encima de la frecuencia de la nota interpretada. Dado que se utilizan dos voces al tocar una nota, el unísono produce dos efectos: hace que el sonido resulte más rico y más lleno, y divide en dos la polifonía.
- Modo de accionamiento: el modo de accionamiento determina cómo se gestiona la polifonía cuando el número de notas tocadas supera el número de voces disponibles. El modo de accionamiento le permite también asignar el modo Legato. Básicamente, este control cambia la forma en que el sintetizador responde a su técnica de interpretación, y es inapreciable cuando simula instrumentos monofónicos, como flautas, clarinetes y trompetas. Al usar el control del modo de accionamiento, si asigna prioridad a una última nota, una nota reproducida será cortada por otra nota en reproducción.
- Prioridad de la última nota: cuando se accionan notas nuevas mientras se reproducen voces, el sintetizador libera polifonía (voces) deteniendo las notas que se reprodujeron antes. Éste es el modo de accionamiento por defecto de los sintetizadores Logic Pro cuando se encuentran en modo monofónico.
- Prioridad de la primera nota: las notas que se reprodujeron antes no se detienen. En este modo necesita detener las notas en reproducción para poder reproducir otra nueva una vez alcanzado el límite de la polifonía (voces) del instrumento.
Nota: El parámetro del modo de accionamiento también puede permitirle establecer prioridades para notas de tono más alto o más bajo al reproducirlas monofónicamente (una voz cada vez) en los diseños de ciertos sintetizadores.
Existen muchos otros controles globales en distintos modelos de sintetizador que producen cierto impacto sobre el sonido general.