Du son à la synthèse sonore

Le retour des sonorités synthétiques d'instruments " Vintage " dans les productions musicales actuelles, est le prétexte d'un retour aux sources. Pas celles de la fée électricité, mais celles du son. Parler du " son " nous donnera en effet l'occasion d'aborder les différents types de synthèses sonores qui sont à l'origine des instruments et sonorités restitués par les périphériques informatiques et musicaux. Pour l'instant débutons notre enquête par les composantes du son.

La fréquence

A travers les différents commentaires et appréciations que nous pouvons nous faire d'un son (un gros son, un son pourri, un beau son, un son maigrichon, un super son), on pourrait bien croire qu'il soit constitué d'un bloc unique, d'une durée x et d'un volume y. Mais le " Son " est en quelque sorte l'arbre qui cache la forêt : fréquence, timbre, intensité et enveloppe. Un son qui possède une fréquence (on peut également dire une " hauteur ") est celui qui fait vibrer l'air de façon répétitive (pour reprendre l'image de la pierre jetée dans l'eau, elle " fait des ronds dans l'eau ").Lorsque ces vibrations sont essentiellement causées par le hasard, le son est plutôt appelé un "bruit". Si vous vous dites " c'est un do ", vous avez sans doute raison, mais par ailleurs, c'est qu'il existe un son pur dont l'intensité est plus forte que les autres. Ce son distinctif qui détermine la fréquence de la note, est appelé la " fondamentale ". Les sons, dont les fréquences sont des multiples de la fondamentale, constituent les " harmoniques ". Même si la fondamentale d'un son se situe dans les basses fréquences (dans les graves), le son peut inclure des harmoniques dans de nombreuses fréquences supérieures. En temps normal, nous ne distinguons pas ces fréquences (à moins d'y être entraîné), nous entendons toutes les nuances qui forment un son unique avec sa propre couleur tonale. Enfin, rappelons que la fréquence se mesure en Hertz et que nous percevons, en tant que bipède pensant, une plage de fréquence allant de 20 Hz (sons graves) à 20 000 Hz (sons aigus), cette perception se dégradant nettement avec l'âge ou prématurément avec le niveau sonore de certains bals-musette, voiture tunée suréquipées ou baladeurs trafiqués…

Le timbre

Le timbre est un terme générique pour qualifier la qualité d'un son par rapport à un autre son ayant la même intensité et la même fréquence. On parle aussi de " couleur tonale ". Cette notion de qualité réside dans le nombre d'harmoniques présents dans le son, leur fréquences et leur volume par rapport à la fondamentale.

L'intensité

Le terme technique qui s'applique à l'intensité ou le volume sonore est "l'amplitude". Mesuré en Bel, ou plutôt en dixièmes de Bel ou encore Décibels, et même encore et surtout “ dB ”, le volume mesure notre perception de l'intensité du son, et non l'intensité elle même. Ainsi, la valeur de 0 dB a été attribué à un niveau de perception minimum. Il ne faut pas le confondre avec le 0 dB des consoles de mixage et logiciels de traitement sonore, qui pour sa part, concerne un niveau électrique “ optimal ”, celui qui assure le meilleur rapport signal / bruit et qui constitue un moyen de contrôle pour éviter saturation et sous-modulation.

L'enveloppe

La façon dont le volume d'un son augmente et baisse pendant la durée d'un cycle sonore est appelé l'enveloppe. La lecture du son débute tout d'abord par "l'attaque", une durée pendant laquelle la note passe du silence (volume 0) au niveau le plus fort. La pente de cette attaque est plus ou moins forte s'il s'agit d'un son percussif, tel que le piano ou la guitare, ou d'un son soufflé ou frappé avec un archer comme le cors et le violon par exemple. Plus simplement, le son d'un coup de fusil atteint son niveau le plus fort beaucoup plus rapidement qu'une vague d'océan par exemple. Dans un deuxième temps, le son passe par une phase de " déclin " (decay) qui constitue le temps durant lequel le son s'atténue à partir du niveau le plus fort jusqu'au silence. Certains sons ne déclinent pas jusqu'au silence. Pour le violon par exemple,  le son diminue jusqu'à un niveau stable qui est appelé le niveau de tenu ou " sustain " dans la langue de Shakeaspire. Ensuite et pour terminer la partie de l'enveloppe qui vient après la partie "sustain" est appelée le "relâchement de son" ou "release". Celui-ci correspond au temps que le son met pour passer de la tenue au silence. Certains instruments de musique peuvent avoir des enveloppes complexes, mais les étapes que nous venons de décrire ci-dessus Attaque-Decay-Sustain-Release (ADSR), sont les bases des générateurs d'enveloppes couramment utilisées dans la synthèse sonore. Chaque fois que l'enveloppe d'un son passe à travers toutes les étapes, en commençant par le silence et en revenant au silence, on dit qu'il est passé dans un cycle d'enveloppe.

Parmi les procédés qui donnent vie aux instruments électroniques, la synthèse additive est la moins courante. Elle reprend le principe du français Charles Fourier qui énonce que tout son complexe est composé d’harmoniques simples, dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence la plus grave. Techniquement, ce procédé consiste à “ enrichir ” une forme d’onde primaire en la multipliant plusieurs fois par l’ajout d’oscillateurs, jusqu’à obtenir une forme d’onde complexe. C’est le cas du synthétiseur KAWAI K5 (et de sa version expandeur K5ms), un appareil regroupant notamment 126 harmoniques programmables (dont un sera réservé pour créer la fondamentale). La firme Kurzweil a également fabriqué un clavier fonctionnant sur le même principe : le K 150-FS. Selon ses utilisateurs, une véritable “ usine à gaz ” nécessitant (presque systématiquement) l’utilisation d’un ordinateur (Apple II et Mac) pour le réglage de tous ses paramètres : pour commencer, 240 oscillateurs indépendants comprenant 256 phases d’enveloppe d’amplitude chacun. De toutes évidences, une richesse sonore à exploiter au prix cependant d’une mémoire vive trop restreinte semble t-il : 5 mega de RAM en mémoire vive pour un (bon) piano.

La synthèse FM (modulation de fréquence) est également réputée pour sa complexité. Mais on retiendra surtout l’instrument qui l’a rendue célèbre, le synthétiseur Yamaha DX7 dont les “ petits enfants ” sonorisent toujours nos ordinateurs (OPL2, 3 et 4). Le domaine de la diffusion radiophonique utilise ce même procédé : la fréquence d’une onde (la porteuse) varie en fonction d’une autre onde (le modulateur) et le signal ainsi modulé part de l’antenne émettrice jusqu’à votre antenne radio. Evidemment, en musique, les fréquences utilisées sont celles que l’oreille distingue (20 Hz à 22 kHz) et puisque nous parlons musique, revenons au DX7 et à son principe de fonctionnement. Sa “ matière première ” se nomme “ l’opérateur ”. Ce dernier peut être soit défini comme la porteuse ou le modulateur. La combinaison de deux opérateurs (un minimum pour créer un son ! ) peut se faire en chaîne (l’un module l’autre) ou en parallèle (il en résulte alors une onde sinusoïdale “ pure ”), chacun d’entre eux possédant ses propres réglages de hauteur, d’amplitude et d’enveloppe. Le DX7 regroupe six opérateurs agencés différemment entre eux sous la forme de 32 combinaisons appelées algorithmes. Ainsi que nous le mentionnions plus haut, les cartes son standards incluent des générateurs FM regroupant de deux à quatre opérateurs, en plus d’une éventuelle table d’échantillons.

La synthèse sonore la plus répandue est la synthèse soustractive. Le but du jeu consiste à partir d’une onde sonore riche en harmonique, tels que la “ dent de scie ”, “ carré ”, “ triangle ”… et de la filtrer. Nous en détaillons le fonctionnement dans les précédents numéros de Studio Multimédia. Associer cette technique de génération sonore à une poignée de synthétiseurs serait chose difficile. Citons quand même de grands noms tels que Moog (Odyssey), Roland (Jupiter et Juno) et Korg (MS 10 et 20), dont les “ anciens ” synthétiseurs connaissent actuellement une nouvelle jeunesse due aux divers mouvements technos.

La recherche dans le domaine de la synthèse sonore débouche également sur des procédés utilisés par quelques rares instruments à série limité ou encore au stade de prototypes. C’est le cas du VL1 de Yamaha (1994), le premier synthétiseur capable de modéliser les instruments, c’est à dire calculer en temps réel et en permanence les paramètres physiques de tous types d’instruments acoustiques. Bien avant, le clavier de la société PPG utilisait comme source l’échantillonnage numérique de sons (la table d’ondes) Le principe fut repris notamment par Korg et son Wavestation qui y associa une synthèse “ vectorielle ” (sorte de mixage sonore en temps réel). Dans un autre registre, citons également la gamme CZ de Casio, employant la synthèse par distorsion de phase qui permettait la production de formes d’ondes plus complexes que les classiques “ carrés ” et “ triangle ”. Enfin terminons par la technique du morphing de E-Mu système (qui équipe également certaines cartes sons).

Laurent HAVETTE