Synthétiser le son de la musique

1992/09/01 Taylor, Charles Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Irudiak/Soinuak

Dans les années 1930, une sensation assez étrange est apparue entre physiciens et musiciens et je crains que la fierté des physiciens n'ait pas beaucoup à voir. Selon les physiciens, le fonctionnement des instruments était basé sur les théories des vibrations des colonnes et des fils d'air. Le secret des violoncelles et violoncelles réalisés par Antonio Stradivari au XVIIIe siècle ne durerait pas longtemps.

Le débat est devenu à la mode en 1932, lorsque les premiers organes électroniques ont été faites. La progression des physiciens a été remarquable, mais les musiciens ont fait écho aux nouveaux sons. Les physiciens pouvaient analyser les notes simples que produisaient les systèmes mécaniques en jouant dans le laboratoire des instruments authentiques et en expliquer quelques-unes de leurs caractéristiques. La raison des différences de timba entre instruments commençait aussi à être perçue. À partir de ces premières idées sur la nature des sons, on a abordé l'imitation électronique d'une note simple et stable d'un outil conventionnel.

Après soixante ans, l’acoustique a dû reconnaître que la musique “réelle” est extrêmement complexe. Il y a une grande différence entre le son d'un violoniste lorsqu'il joue dans une salle de concert et le son de notes séparées qu'un instrument produit.

Cependant, au cours des 15 ou 20 dernières années, les sons synthétiques qui ont mis au feu les musiciens ont contribué à une meilleure compréhension de la base physique des instruments traditionnels, ce qui a abouti à une meilleure relation entre les membres des deux domaines.

Dans les années 30, les physiciens étudiaient par l'oscilloscope les ondes sonores générées par les instruments de musique

Dans les livres de l'époque sont apparus les vagues de quelques instruments musicaux, reliant la « qualité » du son à la taille de l'onde. Les ondes étaient relativement régulières et, en utilisant une technique mathématique basée sur l'analyse de Fourier, ils ont montré que chaque onde était la somme de plusieurs fréquences. De même, on a constaté que chacun de ces ensembles de fréquences était formé par une fréquence fondamentale et par les harmoniques multiples de celle-ci. Les premiers organes électroniques pouvaient reproduire la forme exacte de l'onde réelle en superposant différentes combinaisons harmoniques sur un type de base. Pourquoi le résultat était-il si pauvre du point de vue musical ?

Le problème était que l'onde décrite pour chaque instrument a été réalisée en étudiant un échantillon très court, souvent seulement des centièmes de seconde. Parce que si nous prenons des échantillons plus longs, comme par exemple ceux de dixième de seconde ou d'une seconde, on voit facilement que les ondes des instruments réels ne sont pas régulières pendant longtemps. Les sons synthétisés des organes électroniques ont été obtenus en étendant l'échantillon en centièmes de seconde à toute la durée de la note et, bien sûr, les résultats ne pouvaient pas être proches du réel. La note qui crée un véritable instrument se caractérise par le début du son. Un système réel ne peut pas commencer à vibrer brusquement et, en outre, il y a une grande différence entre la façon dont commence la vibration d'un instrument à un autre.

Par exemple, lorsque nous soufflons dans le hautbois, la langue de l'instrument se dilate et se ferme. Thus, the air enters the tube not be as continued, as a pressure air could as a succesion. Chaque unité d'air circule dans le tube et lorsqu'il atteint un trou, il s'étend hors de l'appareil. Cependant, une partie de l'énergie reste dans le tube et retourne vers le fond, vers la toile. La langue continuera à vibrer que si l'air retourné frappe la langue au bon moment du cycle vibratoire. L'air doit effectuer entre 10 et 20 déplacements pour s'adapter à la fréquence de vibration de la langue. Pour une note de 440 hertz, 20 déplacements prendront moins d'une vingtaine d'une seconde, mais ce temps est suffisant pour que l'auditeur le perçoive et, après tout, connaisse le son de l'outil, qui est un son initial différent des autres appareils.

Ce son éphémère initial est l'une des caractéristiques les plus remarquables de toute la note, et seulement quand les synthétiseurs ont pu imiter collés à la note stable, il a commencé à obtenir quelque chose comme les sons réels. Au milieu des années 50 ont commencé à imiter ce type de sons, mais les synthétiseurs du marché ont réussi au cours des 10 dernières années.

Un autre événement significatif est le changement d'amplitude ou de « vibration » qui se produit pendant une seconde dans la note d'un instrument. Il peut être un vibrato fait par le joueur lui-même, mais quand il n'est pas fait, il perçoit de petites vibrations. En fait, il est très difficile de contrôler complètement la pression et la vitesse de l'arc sur un instrument à vent ou sur un instrument à cordes. Pour créer une note stable, le joueur doit comparer la note qu'il crée à un moment donné avec celle du moment précédent. Écouter et traiter l'information nécessite un temps compris entre un deuxième et un cinquième, et grâce à la vibration résultante, l'oreille humaine distingue bien le son réel de l'électronique.

Dans les années 30, les échantillons qui ne duraient qu’un centième de seconde ont été désignés comme «image de l’onde de la flûte» ou «image de l’onde de la clarinette». Par conséquent, la seule différence entre deux notes était la fréquence et non la forme. Et ce fut aussi une simplification excessive, car il est donc impossible de créer tout le champ sonore d'un instrument. Dans tout cela, les organes électroniques initiaux avaient tort.

Comme les efforts pour simuler des outils réels, certains progrès de la technologie moderne ont contribué à mieux les connaître. Les analyseurs de fréquence exigeaient de longs échantillons sonores, mais nous disposons actuellement d’analyseurs «en temps réel», pratiquement instantanés. Dans les sons convertis de manière analogique à numérique par de nouvelles techniques, les ordinateurs peuvent effectuer différents types d'analyses. En outre, les vibrations des instruments peuvent être analysées par interférométrie holographique ou simulation par ordinateur.

La clarinette est peut-être l'instrument à vent qui a le plus étudié la physique. À un moment donné, il a été affirmé que le son caractéristique de cet instrument était dû à l'absence d'harmoniques paires. La physique de base montre clairement que le tube cylindrique, fermé à une extrémité, ne produit que des harmoniques impaires, et les physiciens croient que la clarinette, étant cylindrique et avec la langue fermée, agirait ainsi. Cependant, les analyses de fréquences ont démontré l'existence d'harmoniques paires et la composition harmonique différente de chaque note.

Les recherches ont clarifié que le motif est que le tube n'est pas entièrement cylindrique, car les trous qui sont fermés créent des « saignements » dans le tube. La disposition des orifices fermés et ouverts est différente pour chaque note, ce qui influence la composition de l'onde interne du tube et la forme de sortie des sons. Une grande partie du son est extraite des trous ouverts et une interférence se produit entre les ondes qui sont expulsées par les trous adjacents. Pour tout cela, chaque note est “unique”. Les premiers organes électroniques utilisaient la même recette pour toutes les notes.

Dans les instruments à cordes, la façon dont l'âme de l'instrument amplifie les composants harmoniques de la vibration du fil est très important. Et comme dans les instruments à vent, pour chaque note se produit différemment. Un mauvais violon effectue de grands changements d'amplification d'une note à l'autre et il est difficile de contrôler l'instrument. Cependant, une amplification totalement uniforme, qui peut être obtenu électroniquement, produit un son désagréable. Quant à Agi, notre oreille préfère une certaine irrégularité. Nous ne savons pas, cependant, à aimer le joueur et l'auditeur, à quel point ces niveaux d'irrégularité sont nécessaires.

Jusqu'à présent, il n'y a pas de formule pour cela. Le secret du bon violon est dans la texture adéquate des dimensions, dans l'épaisseur et la courbure des plaques de bois, dans les caractéristiques d'élasticité, d'humidité et d'autres matériaux. Les physiciens cherchent comment et dans quoi ils peuvent aider les violonistes à améliorer leurs produits.

Les dernières études d'instruments traditionnels sont utilisées pour la conception d'ordinateurs de pointe. La percée a eu lieu dans le son transitoire initial de la note. Dans un instrument à cordes comme le violon, ce principe est limité par la façon dont l'arc oscille le fil et le corps commence à vibrer. Le bois corporel ne peut pas commencer à vibrer brusquement, les vibrations de la note précédente doivent être interrompues pendant que commencent celles de la nouvelle note. La capacité du corps à changer fréquemment est caractéristique du bon violon. À maintes reprises, les violonistes disent qu’avec un violon qui est si rapide, il est «de réponse plus rapide». C'est l'une des principales caractéristiques d'identité du Stradivarius.

Dans les années 50, des synthétiseurs initiaux ont été construits et utilisés pour changer une note au fil du temps grâce à un outil appelé « envelope shaper » (formateur de surface). C'était un circuit normal qui augmentait et réduisait une note à une vitesse déterminée. Mais jusqu'aux premières années des années 70, personne n'a réalisé que c'était un contrôle très supérieur. Ce qui était vraiment nécessaire était un moyen d'augmenter et de diminuer les différentes harmoniques d'une note à une vitesse différente. Peu à peu, il a été montré que chaque note d'un instrument avait besoin d'une composition harmonique différente et une vitesse d'augmentation et de réduction différente pour chaque harmonique.

Les derniers claviers électroniques, en plus de réaliser ce type de changements dans les composants de la note, peuvent introduire le son de la respiration ou du mouvement des touches du joueur, introduire le son des mouvements de l'instrument ou des touches pour se rapprocher plus du timbre réel de l'instrument. Ils produisent beaucoup de sons impressionnants, mais ils proviennent généralement de banques de sons réels accumulés sur l'ordinateur. Sont-ils de vrais synthétiseurs ou juste des outils qui recueillent, commandent et combinent des échantillons sonores réels ? Les physiciens peuvent difficilement résister à la victoire totale.

Cependant, les synthétiseurs électroniques n'ont pas fait un chemin court depuis les années 30. Dans les années 70, la principale avancée était les éléments de tension électrique contrôlée (les appareils précédents avaient un “cadran” pour contrôler la fréquence ou l'amplitude dans un générateur d'ondes). Dans un élément de tension contrôlée, la fréquence ou l'amplitude varie selon la tension établie. Par exemple, le clavier ne serait qu'un instrument qui applique une certaine tension à un générateur de sons chaque fois qu'une touche est pressée. Le vibrato serait obtenu par une oscillation de la tension qui provoquerait une vibration en fréquence et/ou amplitude.

Dans les années 80, la percée remarquable fut probablement l’Interface Musicale Tresna Digital (MIDI, interface numérique d’instruments de musique). Il s'agit d'un langage numérique ou «protocole» presque universel par lequel presque n'importe quel instrument numérique peut contrôler un autre ou le contrôler par un autre. Par exemple, au Royal Institution Christmas Lectures, on m’a laissé plusieurs instruments de musique électroniques de différents fabricants. Tous ont eu les trois têtes de cinq aiguilles midi-in, midi-through et midi-out. Si nous associons la sortie d'un clavier numérique d'une maison à l'entrée d'un « sampler » numérique d'une autre maison, le clavier pourrait employer les bruits qu'il y a dans le sampler. En utilisant la connexion “Through”, certains instruments peuvent être reliés en chaîne en formant un “orchestre” qui contrôle le premier instrument.

La salle d'enregistrement la plus moderne de la BBC se compose de différents synthétiseurs, samplers et autres sources sonores, toutes reliées entre elles à un clavier complet et à un ordinateur puissant via le système MIDI. Le compositeur peut produire des sons, se mélanger de différentes manières et réaliser une composition complète. Tous les détails sont enregistrés sur l'ordinateur et peuvent être réutilisés, modifiés, agrandis ou remplacés. Lorsque le résultat est correct, il est enregistré sur bande.

Jusqu'à récemment, la plupart des outils électroniques étaient pris à partir du clavier. Grâce au MIDI, on peut le faire de plusieurs façons et le musicien passera plusieurs fois “plus près”. Par exemple, il existe des contrôleurs similaires à la clarinette, avec les clés au même endroit et avec quelque chose de semblable à la buse de la languette simple. L'extrémité est composée de capteurs qui répondent à la pression des lèvres et à la vitesse de l'air et les clés sont des appareils électroniques connectés par MIDI avec le synthétiseur.

Je ne pense pas que les synthétiseurs enlèvent de l'espace aux orchestres réels, mais il est également vrai qu'ils ont des avantages. Un organe synthétiseur n'aura pas, si nécessaire, le son du vrai, mais peut être suffisant à certaines fins. Le clavier électronique vaut bien moins que le piano et peut être équipé d'un système de touches sensible à la force actuellement exercée. On peut dire qu'ils sont équivalents aux harmoniques actuelles d'antan. Mais peut-être le plus intéressant est qu'ils produisent beaucoup de nouveaux sons et un compositeur peut les utiliser avec les sons d'instruments traditionnels.

Quand nous écoutons de la musique ce que fait vraiment notre cerveau, nous ne savons pas pour le moment. La rapidité avec laquelle nous séparons le son produit par les machines est incroyable. La boîte de rythmes qui sont associés à certains claviers en est un exemple. Grâce aux derniers synthétiseurs, nous avons beaucoup augmenté le nombre de sons disponibles, mais je pense que la physique de la musique ne laissera jamais obsolètes les apports des musiciens.