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Principes de fonctionnement d’un synthétiseur (2): Les oscillateurs

Arp 2600 synthétiseur section oscillateurs

L’élaboration des ondes à la base du son d’un synthétiseur se situe dans la section des oscillateurs. Comme on l’a vu précédemment, l’oscillateur s’appelle le VCO dans le cas d’un synthétiseur analogique. Il détermine la hauteur des sons ainsi que leur forme d’onde.

La qualité sonore d’un synthétiseur va dépendre des performances de ses oscillateurs. D’ailleurs le nombre d’oscillateurs à disposition est étroitement lié aux possibilités sonores du synthétiseur.

Un autre type d’oscillateur incontournable sur un synthé est le LFO (Low Frequency Oscillator), oscillateur basse fréquence. Contrairement aux autres, ce n’est pas un générateur de sons (puisque il joue à des fréquences inférieures à 20 Hz, inaudibles) mais un modulateur. Je n’en parlerai donc pas dans cet article et un article ultérieur sur les modulations lui sera consacré.

Les commandes de la section Oscillateur

Sélection du type d'onde

L’onde sinusoïdale est bien sûr la forme la plus pure et simple d’un son. Elle constitue le socle des synthèses FM et additive. Mais dans le cas classique de la synthèse soustractive, elle ne peut s’utiliser seule mais plutôt en addition d’autres ondes au spectre riche en harmoniques. Il faut d’ailleurs noter qu’une onde sinusoïdale seule ne peut pas donner de son musical car celui-ci sera forcément composé d’harmoniques.

Il faut donc donner au musicien la possibilité de prélever la forme d’onde qui lui convient le mieux, parmi quelques formes simples, faciles à élaborer.

Pour un synthétiseur analogique, le choix des formes disponibles est presque toujours le même, à savoir: sinusoïde, triangle, dent de scie, carrée, rectangulaire avec la fonction PWM (voir plus loin pour le détail de chacune d’elle).

Dans le cas d’un synthétiseur numérique et les plugins d’aujourd’hui, le choix peut devenir bien plus drastique avec parfois même le choix de pouvoir importer nos propres sons!

Volume

En présence de plusieurs oscillateurs, le réglage du volume de chacun d’eux (et parfois aussi de leur panoramique) est utile afin de réaliser un pré-mixage des sons provenant de différentes formes d’ondes avant le cheminement du signal global vers les modules suivants (filtres, …).

Tuning

Le tuning est le réglage qui permet d’accorder l’instrument à la bonne fréquence, en amont du réglage de la fréquence pour chaque oscillateur. On ne va pas forcément retrouver ce réglage pour des synthétiseurs numériques.

Le réglage sera positionné par défaut sur le La 440 Hz, et pourra se modifier sur une plage de quelques demi-tons en plus ou en moins.

Fréquence

Le réglage du pitch (la hauteur) d’un oscillateur se fait normalement sans difficulté sur toute l’étendue des fréquences audibles. Plusieurs types de réglages plus ou moins fin permettent d’y parvenir:

– Réglage d’octave en octave aussi appelé Range

 La tessiture réelle d’un synthétiseur est sans rapport avec les dimensions apparentes de leur clavier (s’il en a un). Généralement, sur les claviers de taille réduite (de 3 à 5 octaves), un “sélecteur d’octaves” est disponible pour transposer les notes jouées d’un ou plusieurs octaves (vers le haut ou le bas), ce qui permet de dépasser la tessiture du piano.

Le Range sur les Moogs est noté: 2, 4, 8, 16, 32. Cela fait référence à la taille des tuyaux d’orgues en pieds.

– Réglage plus fin en intervalles de demi-ton (semi-tone, 12 st = 1 octave) aussi appelé Transpose

– Réglage encore plus fin qui s’appelle souvent Tune, detune ou Pitch ou Fine avec une unité en cents (100 cents = 1 demi-ton).

L'entrée de modulation

Le cas le plus typique de modulation sur l’oscillateur est de faire légèrement varier la fréquence (avec un LFO) pour créer l’effet bien connu du vibrato. Cette entrée de modulation pourra se faire de diverses manières suivant le type de synthé ou la représentation graphique du plugin.

Un autre cas classique de modulation dans la section oscillateur est le réglage de la largeur d’impulsion de l’onde carrée vers une onde rectangulaire: Pulse width (PWM) ou parfois appelé “Symmetry” (voir plus bas). Peut être commandé par un LFO. L’idée est que l’on peut simuler tout type de signal continu de contenu harmonique différent en agissant sur le rapport cyclique de l’onde rectangulaire en question, sans en changer la fréquence ni l’amplitude générale.

Les formes d'ondes principales

Dent de scie (SAW tooth)

Oscillateur SAW d'un synthétiseur

C’est le point de départ standard pour les sons de synthé. La dent de scie possède un timbre riche en harmoniques (puisqu’elles y sont toutes représentées), bien strident. Elle répond donc bien à des filtrages drastiques.

La forme de la dent de scie n’est jamais aussi parfaite que sur l’image ci-dessus car cela impliquerait une série d’harmoniques à l’infini. Ses formes ne sont donc pas parfaitement droites et c’est ce qui fait la spécificité et la couleur sonore de tel ou tel synthétiseur analogique.

L’onde en dent de scie est parfaite pour obtenir des sons de cordes frappées ou frottées, des sons de cuivres (avec un tuyau conique)/Brass, ou encore des Pads et des basses Funk.

Carrée (SQUARE ou Pulse Wave)

Oscillateur carrée d'un synthétiseur

C’est l’autre forme la plus utilisée, riche aussi bien que moins complexe que la dent de scie car elle ne possède que les harmoniques impaires lui donnant ce timbre creux. A l’instar de la dent de scie, l’onde carrée parfaite (avec des fronts de montée et descente parfaitement verticaux) n’existe pas.

L’onde carrée est utile pour obtenir des sons de clarinette, de tuyau d’orgue, de clavinet ou encore en électro pour des sons de pads ou de basses en drum’n’bass. On peut obtenir avec l’onde carrée des sonorités assez pures.

Une option importante avec l’onde carrée est la modulation de largeur d’impulsion ou PWM (Pulse Width Modulation):

PWM

Penses l’onde carrée comme un interrupteur étant allumé puis éteint (de haut en bas). La forme typique de l’onde carrée passe exactement le même temps en position haute que basse.

Mais ce n’est pas une règle absolue! Et le PWM va donc permettre à la proportion en position haute ou basse de varier: à 50%, c’est l’onde carrée classique, à 1% l’onde est la plupart du temps en position basse et très peu souvent en position haute. C’est ce que appelle alors une onde rectangulaire.

La largeur d’impulsion a un effet drastique sur le timbre. Elle peut être modulée avec un LFO afin de créer de riches textures ondulantes. Mais elle est aussi utile en tant que paramètre statique.

Une onde carrée avec une légère largeur d’impulsion est le meilleur point de départ pour des sons vocaux ou nasaux.

Effet PWM: l’audio commence avec l’onde carrée (100%) vers l’impulsion (0%) pour revenir au carré (100%):

Triangle (TRI)

Oscillateur TRI d'un synthétiseur

L’onde triangle sonne comme une onde carrée fortement filtrée. Comme la carrée, l’onde triangulaire possède seulement les harmoniques impaires. Mais ces dernières sont bien moins “agressives” à l’oreille car les harmoniques supérieures sont moins fortes en intensité (elles décroissent de manière exponentielle alors que pour l’onde carrée c’est de manière linéaire).

L’onde en triangle est un bon choix si un filtre additionnel n’est pas disponible et qu’on a besoin d’un son plus intéressant qu’un sinus.

Sinus (SIN)

Oscillateur SIN d'un synthétiseur

C’est la plus simple de toutes les formes d’onde, un son pur sans harmoniques. Une seule fondamentale (à la fréquence de l’onde) la représente.

Rappelles-toi la théorie de Fourier qui nous dit que des formes d’onde plus complexes découlent simplement de l’addition de centaines (même de milliers!) d’ondes sinusoïdales individuelles. C’est d’ailleurs le principe de base de la synthèse additive.

Mais dans le cas d’un synthétiseur analogique soustractif on ne la retrouvera jamais comme source d’oscillateur principal. En effet, l’absence d’harmoniques à retirer en fait une onde obsolète en phase de filtrage. Bien qu’elle peut sembler utile pour créer des sons de basse ou de sub, elle engendre un son trop doux voire terne sur le timbre. De plus, il est risqué de l’utiliser seule car la plupart des systèmes d’écoute au spectre plus restreint seront incapables de restituer le son à cause de cette absence d’harmoniques supérieures. Une solution est de la saturer par diverses manières pour rajouter des harmoniques (effet de saturation ou distorsion, synthèse FM, …).

Néanmoins, elle constitue le corps de base en synthèse additive et FM.  De plus, elle peut être utilisée pour grossir le son ou pour des sons de flûtes ou de synthé Lead.

Bruit (NOISE)

En plus de ces quatre types d’onde, on retrouve souvent un générateur de bruit! Il existe une variété de bruits, généralement dénotés par leur couleur.

Le bruit blanc se déploie avec toutes les fréquences à égale intensité, ce qui le rend plutôt agressif à l’oreille.

Le bruit rose est comme un bruit blanc qui a été filtré pour correspondre aux caractéristiques naturelles de notre audition. Il est donc plus doux et généralement plus plaisant.

L’utilité du générateur de bruit est multiple: adoucir un patch, lui apporter des aiguës additionnels, créer des delays modulés comme le flanger ou le phaser qui sortent du lot… Le bruit est aussi et surtout très utile à la portion d’attaque d’une note. Dans la plupart des instruments, il y a une grande part de bruit inharmonique juste au moment de la transitoire d’attaque, avant que la note ne se déploie pleinement. C’est pourquoi la synthèse sonore de percussions utilise largement des oscillateurs de bruit pour reproduire leur attaque caractéristique (on filtre le bruit pour arriver au résultat voulu).

Beaucoup de synthés vont inclure une section séparée d’oscillateur juste pour le bruit. Et si tu as de la chance, il sera doté de sa propre enveloppe.

Mélange de deux oscillateurs et commandes additionnelles

Le fait de disposer de plusieurs oscillateurs n’est pas anodin. C’est en fusionnant plusieurs signaux que l’on va obtenir un spectre plus riche et un son plus “épais”. Mais attention! Tout n’est pas aussi simple. Car d’abord, si les fréquences de deux oscillateurs sont très différentes et sans relation, le son obtenu sera dissonant.

Quand deux oscillateurs jouent en même temps, il est bon d’une manière générale de désaccorder (“detuner”) l’un des deux autour de 10 cents (on obtient un chorus), +15 cents maximum car au-delà ça risque de sonner faux. On detunera plutôt vers le haut. On peut aussi appliquer un LFO sur le pitch d’un des oscillateurs pour arriver à une sorte de detune mais tout en gardant la justesse du son.

En combinant les ondes, considères la série harmonique de chacune d’elles (la visualisation de leur spectre avec un analyseur FFT peut aider). Une combinaison utile est une onde carrée avec une dent de scie un octave au-dessus. Le résultat est une série harmonique complète, avec les deux oscillateurs s’imbriquant l’un dans l’autre et ne jouant jamais la même harmonique.

Oscillateurs synchronisés, fonction "Sync"

L’autre effet est que si les deux oscillateurs ont des fréquences proches, on obtient une sorte de battement… sauf grâce à cette fonction! Lorsque deux oscillateurs sont synchronisés, si on change l’accordage d’un des deux, le timbre de l’autre change. Cela donne un son plus pointu.

Dans un synthé analogique de type Moog, les trois oscillateurs fonctionnent toujours. C’est en appuyant sur une touche que l’on va générer une note. On aura donc parfois les oscillations en phase, parfois pas donc notre son va changer à chaque moment. On peut essayer de remédier à cela en “detunant” un des oscillateurs ou, pour un meilleur résultat, synchroniser les oscillateurs. Mais c’est ce qui fait aussi la richesse du son analogique.

Fonction "Hard Sync"

Le but ici est qu’un oscillateur synchronise l’autre. A chaque fois que l’oscillateur arrive à la fin de sa modulation, il oblige l’autre à recommencer sa modulation. Le premier n’est pas relié à une sortie mais son pitch nous donnera la note; l’autre est relié à la sortie et son pitch nous donnera le timbre. (utile pour des gros sons de basse).

Modulateur en anneau (Ring modulator)

Il s’agit d’un module à deux entrées (deux VCO callés sur deux fréquences différentes) et une sortie (le VCA). Par exemple, si 440 et 220 Hz sont envoyés vers le “ring modulator”, il en ressort simultanément deux fréquences: 440+220 = 660 Hz et 440-220 = 220 Hz.

Si les deux VCO ne sont pas dans un rapport harmonique (partiels), on a l’apparition de ce que l’on appelle des “side-bands” et on entend plus la fréquence fondamentale. Cela donne un son métallique ou de bois, utile pour l’émulation de sons de cloches ou de gongs! On peut aussi remplacer l’un des deux VCO par un fichier audio (effet de voix ou drums métalliques…).

J’ai parlé jusque là essentiellement de synthèse sonore dite soustractive. C’est le type de synthèse de loin la plus répandue dans les sons de synthétiseur obtenus. Toutefois, à l’heure du numérique, la majorité des VSTi propose la possibilité de tester différents types de synthèse au sein du même plugin. Ainsi, dans la section Oscillateur du synthé, on aura notamment l’option de générer le son en mode synthèse FM. Ce qui est très courant aujourd’hui est aussi la possibilité de “morphing” entre différentes formes d’onde et la modification de la forme d’onde en temps réel, ce qui constitue la base de la synthèse à tables d’ondes.

Ces autres formes de synthèse sonore seront vus plus en détail ultérieurement.

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