La synthèse additive

Aujour­d’hui, nous allons rencon­trer l’an­cêtre toujours verte de toute créa­tion sonore synthé­tique, la synthèse addi­tive.

Descrip­tion

À l’in­verse de la synthèse sous­trac­tive, qui consiste à retran­cher des éléments d’un signal sonore harmo­nique­ment riche comme l’on sculpte un bloc de marbre, la synthèse addi­tive part du prin­cipe de l’em­pi­le­ment de signaux simples pour créer un son riche.

Ce mode opéra­toire repose essen­tiel­le­ment sur les travaux de Joseph Fourier, que nous avons déjà briè­ve­ment évoqué dans cette série. C’est lui qui a – rappe­lons-le – décou­vert que tout signal sonore complexe pouvait être réduit à un groupe de sinu­soïdes simples. Il est donc rapi­de­ment venu à l’idée de beau­coup de parcou­rir le chemin inverse et de recréer les sons complexes ainsi précé­dem­ment analy­sés, à partir de l’em­pi­le­ment de leurs sinu­soïdes élémen­taires. Il est à noter toute­fois que toute analyse présente des limites dans sa réso­lu­tion, et qu’à cause d’elles l’on ne peut jamais repro­duire à l’iden­tique un son précé­dem­ment analysé. Mais le prin­cipe même de la synthèse addi­tive était déjà appliqué en musique bien avant que Fourier ne four­nisse une base théo­rique. 

Un ancêtre inat­tendu

En effet, on peut tout à fait affir­mer que l’un des tout premiers instru­ments de synthèse addi­tive a été… l’orgue d’église, eh oui ! Et ceci pour plusieurs raisons.

Tout d’abord, comme pour une onde simple en synthèse sonore, le son produit par l’orgue peut-être main­tenu ad libi­tum. Il ne varie pas en ampli­tude tant que le doigt est enfoncé, contrai­re­ment au piano par exemple.

La seconde et prin­ci­pale raison en revient à l’or­ga­ni­sa­tion de l’ins­tru­ment en diffé­rents « jeux » ou groupes de tuyaux produi­sant chacun un timbre parti­cu­lier. Ces groupes, et donc ces timbres, peuvent être mélan­gés et équi­li­brés entre eux à volonté par l’or­ga­niste, via les registres, les fameuses « tirettes ». 

L’ère moderne

En 1896 appa­raît le premier instru­ment de l’ère moderne, « élec­trique » : le Telhar­mo­nium, inventé par l’Amé­ri­cain Thad­deus Cahill, qui en élabo­rera une seconde version en 1906. Cet énorme instru­ment de 7 tonnes (et dont la diffu­sion sonore se faisait… via les lignes télé­pho­niques !) fonc­tion­nait selon le prin­cipe des roues phoniques. Une roue cran­tée tourne devant un bobi­nage (comme sur les guitares élec­triques). Les crans de la roue créent des varia­tions de tension pério­diques qui sont traduites par le bobi­nage en tensions élec­triques, elles-mêmes trans­for­mées en son via un ampli­fi­ca­teur. La fréquence dépend de la vitesse de rota­tion et du nombre de crans de la roue.

Quel rapport avec la synthèse addi­tive, me deman­de­rez-vous ? Tout simple­ment le fait qu’en dehors des fréquences fonda­men­tales, l’ap­pa­reil était capable de produire un certain nombre d’har­mo­niques, modi­fiant ainsi le timbre géné­ral par ajouts de fréquences supplé­men­taires.

Ce même prin­cipe sera repris dans les années 30 par l’in­gé­nieur Laurens Hammond dans la fabri­ca­tion des célèbres orgues du même nom, dont le plus réputé est le modèle B3.

Mais le tout premier véri­table synthé addi­tif sera le Bell Labs Digi­tal Synth de l’in­gé­nieur Hal Alles, appelé aussi Alles Machine ou Alice. 

Ce synthé possé­dait une archi­tec­ture parti­cu­liè­re­ment complexe basée sur 72 oscil­la­teurs contrô­lés numé­rique­ment – dont une partie dédiée à la produc­tion des fréquences fonda­men­tales et l’autre à celle des harmo­niques – 32 filtres program­mables (synthèse sous­trac­tive, quand tu nous tiens…) et 256 géné­ra­teurs d’en­ve­loppe. Sans le numé­rique, la gestion d’une telle complexité de para­mé­trages n’au­rait même pas été envi­sa­geable (cf article 10 sur la poly­pho­nie).

 Mais entre­temps, les ingé­nieurs de l’en­tre­prise Fair­light travaillaient sur le Quasar M-8, qui devait permettre de synthé­ti­ser en temps réel n’im­porte quel son à partir de l’ad­di­tion d’un nombre quasi illi­mité d’har­mo­niques. Toute­fois, ce noble projet s’est heurté aux contraintes tech­niques de l’époque. Et il démontre l’as­pect para­doxal de la synthèse addi­tive. En effet, bien que son prin­cipe soit le plus ancien, il s’avère être le plus complexe à mettre en œuvre.

Les initia­teurs de l’aven­ture M-8 se sont alors déci­dés à « tricher » en quelque sorte et à se consa­crer à l’éla­bo­ra­tion du Fair­light CMI (Compu­ter Musi­cal Instru­ment), la première machine fonc­tion­nant selon le prin­cipe de la lecture d’échan­tillons, que nous étudie­rons dans le prochain article. 

Mais l’un des appa­reils les plus popu­laires fonc­tion­nant sur le prin­cipe de la synthèse addi­tive est le Kawai K5, apparu en 1987.

Ses capa­ci­tés de synthèse excep­tion­nelles, basées entre autres sur la possi­bi­lité de choi­sir entre 126 harmo­niques pour chaque fonda­men­tale et de leur attri­buer des enve­loppes sépa­rées, ont même réussi à faire oublier une ergo­no­mie pas toujours très intui­tive.