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Synthèse sonore

Présentation générale

 

La synthèse sonore musicale regroupe l'ensemble des procédés et algorithmes destinés à produire des sons musicaux.
Ces procédés peuvent être fondés sur l'analyse et la synthèse d'un modèle de signal : on estime et on reconstruit des formes d'onde qui sont ensuite utilisées pour fabriquer le son. Par exemple, on peut réaliser une synthèse additive d'un son de cloche en sommant ses composantes élémentaires sinusoïdales, dont on a préalablement ajuster les amplitudes et temps de décroissance. Dans cette catégorie rentrent les différentes synthèses additives telles que la synthèse granulaire (on somme des "grains sonores", c'est à dire des formes d'onde localisées à la fois en temps et en fréquence) et la synthèse à Forme d'Onde Formantique, utilisée notamment pour générer et contrôler des voix chantées. Il faut également citer une méthode de synthèse très répandue : la synthèse par table d'onde dite encore "par échantillonnage", qui consiste simplement à relire à des cadences variables des formes d'onde enregistrées. Elle est intégrée dans la plupart des cartes son du commerce.
Un autre type de procédé s'appuie sur l'analyse et la synthèse d'un modèle de production : on s'intéresse alors à décrire un système d'opérateurs qui, excités par une action du musicien, vont produire le son. Un représentant historique de cette classe, et encore très utilisé, est la synthèse par modulation de fréquence dans laquelle un ensemble d'oscillateurs modulés et modulant sont connectés. Le clavier DX7 de Yamaha, produit à fin des années 70 est le plus célèbre succès commercial de ce type de synthèse (en analogique à l'époque). La synthèse dite "source/filtre" ou encore soustractive est également une synthèse par modèle de production, très utilisé dans le domaine de la parole (le codeur GSM est basé sur ce type de synthèse) : le son est produit par filtrage d'un signal source par un filtre variant dans le temps. Enfin vient la synthèse par modèle physique. Celle-ci est multiforme : modélisation par guides d'ondes ou lignes de transmission, discrétisation des équations de propagation mécano-acoustiques, interconnexion d'éléments physiques élémentaires, représentation du système par ses modes propres...
La qualité d'une synthèse peut être mesurée suivant deux critères : sa précision qui juge de sa capacité à ressembler perceptivement à un son réel et son expressivité qui est reliée à la variabilité spectrale et temporelle des sons produits. La plupart des synthèses ne parviennent pas à souscrire simultanément à ces deux critères. La synthèse additive par exemple, peut atteindre une excellente en précision mais elle reste en général pauvre du point de vue de l'expression (le contenu spectral ne varie que peu avec la force d'excitation). En revanche la synthèse FM est réputée pour sa richesse expressive (sa non linéarité intrinsèque lui confère une grande variabilité de timbre) et la possibilité de fabriquer des sons inouïs dans le monderéel mais elle reste inopérante pour produire un son de piano acoustique. La synthèse par mod è le physique contourne ce compromis expressivité/précision mais cette double performance est obtenue au prix d'une complexité accrue. Cependant cette complexité est de moins en moins hors de portée de la puissance des micro-ordinateurs actuels. C'est pourquoi les "softsynths" actuels s'intéressent à ce type de technique qui est un des fer de lance de la recherche scientifique sur le sujet.

 

Pour la petite histoire

 

Historiquement, la synthèse FM et la synthèse par table d'onde sont les plus anciens et les plus développés commercialement. La première parce qu'elle produit des sons riches et expressifs pour une faible complexité de calcul, la deuxième en raison de l'abaissement des coûts de la mémoire. Une tendance des "softsynths" actuels est de simuler les anciens synthétiseurs analogiques (Moog, Roland Jupiter, Prophet 5) en proposant des modules élémentaires interconnectables et une variété d'effets (filtres, boucles, ...). A côté de ces free (WaveCraft) ou sharewares (VAZ, Virtual Waves, Reaktor, Rebirth), on trouve d'autres logiciels qui intègrent une partie "modèles physiques" (Tassman, Attack).

Références bibliographiques

Livres

 

Roads C., "L'audionumérique", Dunod, 1998
Kahrs M. et Brandenburg K., "Applications of digital signal processing to audio and acoustics", Kluwer Academic Press, 1998
Zoelzer, U., /Digital Audio Signal Processing, /John Wiley & Sons, Chichester, 1997.

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