La música moderna y de los tiempos actuales busca marcar la diferencia y sellar su estilo propio. Con los avances de los dispositivos eléctricos y electrónicos se ha logrado gran dominio de las ondas electromagnéticas de lo que  muchos científicos y músicos se han aprovechado para el desarrollo de instrumentos musicales capaces de generar sonidos nunca antes escuchados. A estos aparatos capaces de generar sonidos por medios eléctricos y electrónicos son conocidos como sintetizadores.

 

 

 

¿Qué es un sintetizador?

           

             

 

            Como su nombre sugiere, este dispositivo sintetiza el sonido, es decir, lo genera a partir de la combinación de elementos simples (normalmente señales periódicas y funciones matemáticas) que no tienen por que existir fuera de sus circuitos. En realidad, los términos síntesis, y por extensión, sintetizador, no son, hoy en día, plenamente acertados, pues gran parte de los instrumentos digitales actuales no sintetizan totalmente el sonido (no parten de cero), sino que utilizan, recombinan y modifican fragmentos almacenados en su memoria. Sea o no un "genuino" sintetizador, el fin de este concepto alude a la idea de generación de sonidos por medios eléctricos, tal como se discutía anteriormente.

 

 

 

Antecedentes históricos

 

           

            Los primeros instrumentos electrónicos construidos utilizaron una variedad de técnicas para generar el sonido: la rueda del tono (usada en el Telharmonium y el Choralcello) era un disco de metal que rotaba en un campo magnético causando variaciones en una señal eléctrica, una chispa electrónica causaba fluctuaciones directas en el aire (usado únicamente en el "Arco del Cantar" de Duddell en 1899). Elisha Gray creó "el telégrafo musical", un efecto de la tecnología del teléfono.

 

            El "Telharmonium" o "Dynamophone", ideado por Thaddeus Cahill, puede considerarse el primer instrumento musical electrónico significativo. El primer modelo completamente terminado fue presentado al público en 1906 en Holyoke.
El Telharmonium era esencialmente una grupo de 145 dinamos modificados que empleaban un número de ejes especialmente engranados y de inductores asociados para producir las corrientes alternas de diversas frecuencias de audio. Estas señales estaban controladas por un sistema múltiple de teclados sensibles polifónicos y por bancos asociados de controles. El Telharmonium era una estructura inmensa de aproximadamente 200 toneladas de peso y 60 pies de largo. El monstruoso instrumento ocupó un piso entero en la calle 39 de Broadway, Nueva York, durante 20 años. A pesar de las excesivas proporciones del Telharmonium, el sonido que producía era flexible e inusualmente, el instrumento era transportable (se utilizaron 30 vagones de ferrocarril para transportarlo desde Holyoke a Nueva York). Era un instrumento musicalmente avanzado a su época pero muy impopular entre los músicos, que tenían poco tiempo para practicar en un teclado tan inusual. Este factor ayudó a que el instrumento acabara muriendo.
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Telharmonium

            El Choralcello ("voces divinas") era un instrumento electrónico y electro-acústico híbrido. El Choralcello fue diseñado y desarrollado por Melvin Severy con la ayuda de su hermanastro George B. Sinclair. La máquina fue fabricada en Boston como órgano casero y fue presentado al público en 1909. Por lo menos seis de los instrumentos fueron vendidos y continuaron siendo utilizados hasta los años 50.

Choralcello

            El Choralcello era un contemporáneo directo del Telharmonium; aunque no era tan grande, seguía siendo un instrumento enorme que usaba una sistema electromagnético similar al del sonido de la rueda del tono del Telaharmonium. El Choralcello consistía en dos teclados, el superior (del piano) que tenía 64 llaves y el inferior con 88 (piano y órgano), controlando (en modelos más últimos) 88 ruedas del tono y un sistema de las secuencias del piano que vibraban gracias a unos electroimanes y un sistema de martillos. Los teclados también tenían un sistema de paradas al estilo del órgano para controlar el timbre y tono. El Choralcello también incorporó un mecanismo de rodillo de papel al estilo del de la pianola y un sistema de tablero de pedal de 32 notas. La máquina entera podía ocupar dos sótanos de una casa; los teclados y los altavoces eran las únicas piezas visibles del instrumento.

 

            Elisha Gray habría sido conocido por todo el mundo como el inventor del teléfono si Alexander Graham Bell no hubiera llegado una hora antes a la oficina de patentes. En su lugar, entró en la historia como el creador accidental de uno de los primeros instrumentos musicales electrónicos, el telégrafo musical.  Gray descubrió que podría controlar el sonido que vibraba en el circuito electromagnético y al intentarlo inventó accidentalmente un oscilador básico. El "telégrafo musical" utilizaba cañas de acero para que las oscilaciones fueran creadas y transmitidas sobre una línea telefónica a través de los electroimanes. Gray también construyó un dispositivo simple de altavoz en sus últimos modelos, que consistía en un diafragma que vibraba en un campo magnético para hacer el oscilador audible. Después de muchos años de pleito, A. G. Bell fue nombrado legalmente el inventor del teléfono, y en 1872 Gray fundó la Western Electric Manufacturing Company, firma padre de los actuales Western Electric Company. Dos años más tarde se retiró para continuar la investigación independiente y enseñar sus conocimientos en la universidad de Oberlin.

Telégrafo musical

         El Theremin monofónico era un instrumento bastante raro que se tocaba sin que el intérprete tuviera que poner las manos encima. Dos antenas metálicas salían de una caja de madera; la vertical controlaba el tono y la horizontal el volumen. Al mover las manos cerca de las antenas, la capacidad natural del cuerpo del intérprete provocaba fluctuaciones en los osciladores correspondientes, lo que causaba una subida del tono y un aumento del volumen.

 

Termen tocando el theremin

 

            Los circuitos integrados nacieron a principios de los años 60. Robert Moog, Donald Buchla y otros crearon una nueva generación de instrumentos electrónicos de fácil uso, fiables y populares. A finales de 1963, a raíz de un encuentro casual con el profesor de música y compositor experimental HerbDeutsch, Robert Moog apartó los Theremins y los amplificadores portátiles de guitarra para aplicar los osciladores electrónicos a un posible uso musical. Su trabajo en casa le llevó a conseguir la unión de varios circuitos, un par de osciladores, sendos amplificadores y un modulador.
Lo revolucionario del diseño de Moog fue su empleo del control de la tensión para variar el tono del oscilador o el volumen del amplificador. Los instrumentos anteriores, como el Theremin, se basaban en condensadores que modificaban el tono de un oscilador, mientras que los teclados previos sólo recurrían a un conjunto de osciladores, uno por cada tecla, fijados de forma permanente a un tono definido.

Moog Modular Synthesiser (1967)

            El descendiente mas famoso de este sintetizador revolucionario es el llamado MiniMoog, un sintetizador compacto muy versátil cuyos sonidos todavía se pueden escuchar en grupos musicales actuales como los Jaivas. Su aspecto amigable logró que en su momento se volviera un producto muy apetecido dentro del mundo musical.

Mini Moog

 

            La siguiente generación de instrumentos electrónicos fueron los sintetizadores digitales de los años 80. Estos sintetizadores eran de control complejo y se controlaban a partir de un software. Los primeros modelos fueron los Yamaha DX y los sintetizadores de Casio CZ.

         El sintetizador DX7 fue el primero verdaderamente digital y fue lanzado con gran éxito comercial en 1983, vendiendo unas 180.000 unidades. El DX7 utilizó un tipo de modulación de la frecuencia desarrollada por el profesor Juan Chowning en la universidad de Stanford en los años 70. En síntesis de FM los sonidos eran creados por las unidades conocidas como "operadores", que pueden actuar como los moduladores. Cuando está conectado, uno modula el sonido del otro para producir una nuevos echada y tono. El DX7 tiene seis operadores que puedan ser colocados en 32 arreglos ("algoritmos"). El DX7 fue uno de los primeros sintetizadores con un complemento completo de los puertos de MIDI. También tenía un puerto único de la entrada del regulador de la respiración. Este dispositivo permitió al usuario manipular el timbre de los instrumentos usando la presión de la respiración a través de un tubo. El DX7 tiene 16-notas polifónicas, una velocidad de 61, un teclado de aftertouch, 32 de memoria, memoria adicional de cartucho y salida monofónica.

Yamaha DX7

 

 

 

Algunos conceptos de síntesis de sonido

 

 

            Aunque existen diferentes métodos de síntesis de sonido, ciertas técnicas y procesos que permiten la modificación y el enriquecimiento del sonido generado inicialmente son aplicables a casi todos los sistemas. Se pasa a describir algunos conceptos importantes que incorporan la mayoría de sintetizadores actuales, independientemente del método de síntesis que implementen.

 

 

 

Envolvente:

 

           

            En los instrumentos acústicos, el nivel sonoro varía permanentemente a lo largo de la emisión de una nota, y la forma en que lo hace influye poderosamente en su carácter. La envolvente más precisa corresponde a la línea que une los sucesivos máximos de amplitud, pero, para simplificar el procesado de la información, la mayoría de sintetizadores reducen la envolvente a unos pocos fragmentos rectilíneos. En la siguiente figura se muestran los sonidos digitalizados de un piano y una flauta; aunque ambas variaciones de amplitud son complicadas, se pueden observar ciertas tendencias similares.

 

 Sonidos digitalizados de un piano y una flauta

 

 

 

           

            En el piano, el sonido alcanza rápidamente un nivel máximo, seguido de un primer descenso brusco y un segundo descenso más suave durante el que se extingue gradualmente la nota. En la flauta, la fase inicial de ascenso y el primer descenso, son más suaves y prolongadas. Después existe una fase en la cual el sonido se mantiene (mientras el flautista sigue soplando), y el segundo descenso es más rápido que en caso del piano. Con mayor o menor acierto, estas cuatro fases genéricas permiten aproximar la variación de la amplitud en la mayoría de instrumentos acústicos. En esto se basa la envolvente, que trata de simplificar esta variación mediante cuatro valores:

 

1. El tiempo transcurrido entre el inicio de un sonido y el instante en que éste alcanza su nivel

máximo, se denomina ataque.

2. El tiempo del primer descenso recibe el nombre de decaimiento.

3. El nivel al que se mantiene la amplitud, después de este decaimiento, se llama sostenido.

4. Finalmente, el tiempo empleado por el sonido en extinguirse hasta el silencio, se llama

liberación o release.

 

           

            De acuerdo con estos cuatro parámetros, a continuación se muestran las envolventes aproximadas de los sonidos digitalizados de las ondas originales.  La imagen corresponde a una ventana del programa Vienna, que se utiliza para editar y modificar los sonidos de la tarjeta AWE32.

 

 

  

 Envolventes aproximadas de los sonidos originales

 

 

           

            A causa de los nombres de estas cuatro fases, este tipo de envolventes suelen denominarse ADSR. Aunque muchos sintetizadores modernos utilizan envolventes de más de cuatro fases y, por consiguiente, más realistas, su uso en cualquier forma de síntesis sigue siendo fundamental. Algunos sintetizadores permiten además asignar envolventes a la altura o al filtro, para obtener sonido más ricos y variados (en muchos instrumentos, como el piano o el saxofón, la altura y el contenido armónico también varían a lo largo de la emisión de una nota).

 

 

 Modulación de baja frecuencia:

 

           

            Los sonidos naturales jamás son totalmente estables. En ellos, la altura, la amplitud, el contenido armónico, oscilan de forma permanente, enriqueciéndolos. Una forma simplificada de obtener cierta variación en los sonidos sintéticos, consiste en aplicar señales periódicas de baja frecuencia, por debajo de los 15 Hz, que modulen sus diferentes parámetros (cuando la oscilación se aplica a la amplitud se produce el efecto de trémolo y cuando se aplica a la frecuencia, el vibrato). Estas señales moduladoras se llaman LFOs (Low Frequency Oscillator), y en algunos sintetizadores son únicamente sinusoidales, mientras que otros incorporan señales cuadradas, dientes de sierra, triangulares, etc. Cuantos más osciladores de baja frecuencia podamos asignar a cada voz, más rico y variable podrá resultar el sonido final. El motivo de este limite de frecuencia, es que cuando la frecuencia de la moduladora entra en el terreno audible (por encima de los 20 Hz), los efectos producidos son mucho más complejos.

 

 

 

Filtros:

 

           

            El contenido armónico de los instrumentos naturales también es variable en el tiempo. Como es sabido los filtros digitales permiten estas modificaciones tímbricas, atenuando determinadas frecuencias y amplificando otras. Pero, para conseguir efectos variables en el tiempo, es necesario que evolucionen también los parámetros de estos filtros (frecuencia de corte, resonancia, etc.). Las técnicas más frecuentemente aplicadas, consisten en controlar el filtro mediante LFOs (con lo que se consigue el efecto denominado wahwah4), o mediante envolventes.

 

 

 

Integración de estos elementos:

 

           

            En el esquema que se muestra a continuación se esquematiza un sistema de síntesis que incorpora todos los componentes vistos anteriormente (envolvente, moduladoras y filtros). El componente oscilador es el que variará más de un sistema a otro, dependiendo del sistema de síntesis implementado.

 

 

 Esquema típico de un sistema de síntesis.

 

 

 

 

 

 

 

Técnicas de síntesis de sonido

 

 

            En la descripción anterior se vieron formas de modificar y aportar variedad a un sonido. Ahora se verán diferentes alternativas de generación de este sonido base. Se comentarán brevemente aquellos sistemas que han tenido un mayor relieve.

 

 

 

Síntesis aditiva:

 

 

            La síntesis aditiva parte de la idea contenida en el teorema de Fourier, según la cual todo sonido periódico, por complejo que sea, es el resultante de la suma de ondas sinusoidales sencillas de frecuencias múltiplo de una frecuencia base. Conceptualmente la idea es simple, por lo que no es de sorprender que los primeros experimentos utilizaran este método que, como veremos, tiene bastantes inconvenientes por lo que prácticamente no se usa en la actualidad. Los sonidos naturales no son totalmente periódicos, y se pudo comprobar rápidamente que los sonidos periódicos son aburridos y carentes de interés. Esto se resolvió en parte, aplicando diferentes envolventes a cada uno de los componentes armónicos. Para obtener una riqueza sonora mínima, son necesarios muchos armónicos, y aunque esto es fácilmente implementable por software, su implementación por hardware (necesaria para el tiempo real) requiere de un gran número de osciladores, lo que encarece enormemente el sistema. En la siguiente figura se muestra la onda resultante de sumar dos ondas sinusoidales de frecuencia y amplitud diferentes. Esta onda resultante mantiene la frecuencia del componente más grave, pero con el timbre alterado.

 

 

 

 Ejemplo de síntesis aditiva

 

 

 

Síntesis substractiva:

 

 

        Este método de síntesis es justamente seguir el camino inverso de la síntesis aditiva. Se parte de una señal rica en armónicos y se hace pasar por una serie de filtros calibrados en las frecuencias de corte deseadas para lograr la síntesis de gran variedad de sonidos. Este método fue (y en algunos casos sigue) mucho mas utilizado que el método de síntesis aditiva por sus características de implementación que lo hacían esencialmente mas baratas.

 

 

Modulación de frecuencia (FM):

 

 

            Este fue uno de los primeros sistemas que permitió una riqueza sonora considerable, con un pequeño coste computacional. John Chowning, de la universidad de Stanford, patentó este método en 1973, y lo licenció a Yamaha dos años más tarde. La compañía japonesa tardó siete años en diseñar y fabricar el chip que permitiese ejecutar, en tiempo real, el algoritmo Sergi Jordà Puig, Audio digital y MIDI, Guías Monográficas Anaya Multimedia, Madrid 1997 que Chowning había implementado en software. Este fue el chip que se implantó en los primeros sintetizadores digitales comerciales (el mítico DX7), y el que, con ligeras variaciones, se utiliza trece años más tarde en la tarjetas de sonido de gama baja (Sound Blaster 16 y compatibles). En el caso más sencillo, la síntesis FM necesita tan sólo dos osciladores: la señal portadora y la señal moduladora. Parte de la idea de que cuando la moduladora no es una señal de baja sino que entra ya en el rango de las frecuencias audibles (a partir de los 20 Hz) se crean un gran número de frecuencias adicionales que generan un sonido con un gran contenido armónico. La figura siguiente  muestra la onda obtenida de la modulación en frecuencia de las mismas ondas sinusoidales del ejemplo anterior. En este caso, la onda obtenida no mantiene ya la frecuencia de la onda más grave.

 

 

 Ejemplo de síntesis FM

 

 

 

            Este fenómeno no tiene una equivalencia en la naturaleza y, aunque permite generar sonidos de gran riqueza, es difícil programarlo para obtener sonidos imitativos, por lo que hoy en día ha quedado un tanto desbancado.

 

 

Síntesis por tabla de ondas:

 

 

            Los avances tecnológicos de principios de los ochenta hicieron posible la sustitución de las ondas periódicas simples que se venían utilizando como material base, por pequeños fragmentos procedentes de sonidos reales, digitalizados y almacenados en ROM. Estos fragmentos pueden ser tan breves como un ciclo, ya que el sintetizador se encarga de repetirlos periódicamente (de decenas a miles de veces por segundo). Un sintetizador compatible por ejemplo con el General MIDI deberá contener suficientes fragmentos para reconstruir 128 instrumentos, más 59 sonidos de percusión. Esta técnica permite muchas variaciones y refinamientos (como la combinación o la alternancia de varios fragmentos en un único instrumento, mediante sofisticados algoritmos). También utiliza a fondo todos los mecanismos descritos en la post-síntesis (envolventes, filtros y moduladoras). En los sonidos naturales, es frecuente que el timbre varíe mucho en el ataque, permaneciendo

más o menos constante a continuación, por lo que en muchas ocasiones las dos partes se almacenan por separado y el sintetizador las combina en tiempo real.  Más de la mitad de los sintetizadores fabricados en los últimos diez años implementan alguna variante de este método de síntesis. Es también el utilizado en todas las tarjetas de sonido a partir de cierto precio. Sin embargo, la síntesis por tabla de ondas no es ninguna garantía de calidad, como los fabricantes de tarjetas frecuentemente quieren hacernos creer. Un factor decisivo es la cantidad de ROM disponible en la tarjeta: mientras los sintetizadores profesionales no suelen utilizar menos de 4 Mb, en algunas tarjetas esta cifra desciende peligrosamente a los 512 Kb. Igualmente decisiva es la información contenida en esta memoria: si los fragmentos almacenados no poseen una calidad suficiente, o no están bien seleccionados, el resultado sonoro será inevitablemente pobre, independientemente de la cantidad de memoria que  se disponga. Otro factor importante, e igualmente difícil de evaluar a priori, son los algoritmos empleados para combinar y modificar esta información.

 

 

 

El sampler

        Aunque, popularmente, sampler y sintetizador se consideren términos dicotómicos, la técnica básica del sampler no es muy diferente de la utilizada en los sintetizadores de tablas de onda; lo que estos resuelven con ingenio, el sampler lo remedia recurriendo directamente a la fuerza bruta, es decir utilizando cantidades mayores de memoria. De hecho, la barrera que separa los dos sistemas no es del todo precisa, pues aunque normalmente se espera que el sampler almacene las muestras en RAM (y no en ROM) y, por consiguiente, su contenido sea modificable por el usuario, instrumentos como el Proteus de Emu. Systems, que poseen un enorme banco de sonidos digitalizados, son más samplers "cerrados", que sintetizadores de tablas de onda. Por otra parte, mientras que los samplers primitivos se limitaban a reproducir los sonidos digitalizados, los instrumentos actuales ofrecen posibilidades de modificación comparables a las de cualquier sintetizado.

 

 

Antecedentes del sampler:

 

 

            Incluso un instrumento tan genuinamente digital como el sampler, tiene sus precursores analógicos. El invento, de finales de los sesenta, se llamaba Mellotron, y tuvo su época dorada durante el rock sinfónico. Con el aspecto de un órgano electrónico, incorporaba, debajo de cada tecla, un pequeño bucle de cinta magnetofónica y un cabezal. En sus tripas ocultaba pues decenas de “pletinas de casete”, y era, lógicamente, muy caro y difícil de mantener. Los primeros sampler digitales fueron bastante más prácticos, pero no mucho más baratos.

 

 

Funcionamiento:

 

 

            El sampler almacena en su memoria sonidos digitalizados, pero no almacena un sonido para cada altura diferente, pues la cantidad de memoria requerida sería exorbitante. En su lugar, para reproducir un sonido a diferentes alturas, los samplers pueden utilizar dos estrategias: modificar la frecuencia de salida o convertir la frecuencia de muestreo mediante interpolación en tiempo real.

 

· Modificación de la frecuencia de salida: si un sonido digitalizado a 44100 Hz es reproducido a 22050 Hz, la frecuencia resultante será la mitad (sonará una octava más grave y su duración será el doble).

 

· Conversión de la frecuencia de muestreo por interpolación: si al reproducir un sonido, sólo se lee una muestra de cada dos, la frecuencia resultante será el doble (sonará una octava más aguda y su duración será la mitad). Para intervalos menores, en lugar de saltar una de cada dos muestras, se salta una de cada N. Asimismo, si se desea que suene más grave, en lugar de saltar muestras, el sampler repetirá algunas. En ambos casos el sonido resultante se vuelve cada vez más artificial. Por ello, cuando se desea que un sampler emule instrumentos acústicos con calidad y verosimilitud, es necesario introducir en la memoria varios sonidos correspondiente cada uno a diferentes alturas del instrumento original (un sonido cada cuatro o cinco semitonos, por ejemplo). Esto hace que el proceso de creación de instrumentos realistas sea tedioso y complicado, por lo que es muy frecuente utilizar instrumentos creados por profesionales y disponibles en librerías de sonidos en forma de disquetes o de CDROMs. Sin embargo, estas consideraciones no son tan importante cuando se desean crear instrumentos no realistas y personales; allí es donde las posibilidades creativas del sampler permanecen imbatidas.

 

 

 

 

El futuro de la síntesis de sonido

 

 

            Las formas de síntesis que hemos tratado son sólo una pequeña parte de entre las existentes. Muchas de las restantes no han sido implementadas en sintetizadores comerciales y se han utilizado sólo por software, mientras que otras, más recientes, están sólo disponibles en equipos de muy elevado precio. Un ordenador convenientemente programado, es virtualmente capaz de producir cualquier sonido imaginable, familiar o inaudito (aunque no sea capaz de hacerlo en tiempo real, podrá hacerlo en diferido). La única dificultad consiste en decirle como hacerlo o en describir, de alguna forma, el sonido que buscamos. Los nuevos métodos de síntesis sonora, tienden por ello a ser más sofisticados en sus posibilidades, pero buscan interfaces de control más intuitivos. Las técnicas de modelo físico o waveguide parten de los modelos matemáticos que describen la acústica de diferentes instrumentos. Dado que en lugar de intentar imitar el sonido resultante, imitan la forma en que el sonido es generado, permiten definir por primera vez instrumentos sintéticos, a partir de conceptos musicales reales, como la intensidad de soplo en un saxo, la tensión en las cuerdas de una guitarra, o el tamaño de la caja de resonancia de un violín. Estas técnicas están implementadas en costosos sintetizadores, de momento monofónicos (a causa de su elevada carga computacional), aunque ya existe en el mercado la tarjeta AWE64 de Creative Labs anunciada para inicios de 2001, que sintetiza algunas voces con esta tecnología. Diversas técnicas basadas en lo que se denomina análisis/resíntesis, ofrecen unas posibilidades asombrosas a la hora de crear nuevos instrumentos, ya sean imitativos o no, y permiten incluso sintetizar sonidos híbridos que incorporan propiedades de diversos sonidos (es posible crear por ejemplo, instrumentos "parlantes" interpolando sonidos instrumentales con fragmentos hablados o cantados).  Ninguna de estas técnicas ha sido totalmente implementada todavía en tiempo real. La reciente potencia de los procesadores actuales (Pentium, etc.) va a cambiar en breve este panorama, con la implantación de métodos de síntesis por software en tiempo real. Actualmente, existen ya en el mercado varios programas para PC12, que emulan por software (y por una décima parte de su precio en hardware) las prestaciones de sintetizadores profesionales y que, lo único que requieren es el conversor D/A que se encuentra en cualquier tarjeta de sonido de 16 bits. La misma ya mencionada AWE64, implementadas por software algunas de sus nuevas prestaciones (el modelo físico).