Síntesis (18): más sobre filtros

Hoy volvemos a los filtros: cómo combinarlos, el papel de cada filtro (resonancias o articulación), la importancia de los comb, y menciones a la distorsión en filtros.

En la entrega 7 y siguientes ya hablamos sobre filtros. Combinando en serie o paralelo un filtro paso bajo y otro paso alto, y en función de si la frecuencia de corte de uno es mayor que la del otro, obtenemos distintas respuestas finales, que incluyen paso banda (eliminando el resto), realce de banda (sin eliminar nada), rechazo de banda, o incluso ‘paso nada’ de nula utilidad.

También hay filtros que ofrecen por sí mismos estas respuestas sin necesidad de encadenar y ajusar un LPF y un HPF. No son extraños (incluso en analógico) los filtros ‘multimodo’ en los que podemos escoger si deseamos que opere con un comportamiento LPF (low pass), HPF (high pass), BPF (band pass), o BRF (band reject).

Para los BPF y BRF muy a menudo no especificamos las dos frecuencias ‘límite’ sino que los gobernamos a partir de la frecuencia ‘central’ y la ‘apertura’ o anchura de la banda afectada, que son parámetros generalmente más útiles. Podemos así, por ejemplo, desplazar la banda jugando con un único parámetro.

Pero especialmente cuando entramos en el mundo de los filtros digitales es muy frecuente encontrar otros tipos. La lista de 18 tipos de filtros en el Yamaha MOXF (en realidad común a los basados en el esquema AWM2 de Yamaha) incluye variantes de tipo ‘digital’ y de tipo ‘carácter analógico’ en distintas pendientes (24, 18, 12 db/oct) de LPF, HPF, BPF y BRF, pero incluye también versiones ‘dobles’ como dual LPF, dual HPF, dual BPF, dual BRF, y otras cuantas combinaciones con distintos tipos (LPF + HPF, LPF + BPF, …). Y es una lista relativamente ‘conservadora’, sin esoterismos.

En otros equipos veréis filtros notch (son habituales en modulares analógicos y los veréis también por ejemplo en sintes de renombre como Absynth de Native, Omnisphere de Spectrasonics, o más recientes como Ultra Analog VA-2 de Applied Acoustics , o la emulación de los módulos 4-voice SEM de Oberheim por parte de Arturia, por citar sólo algunos). Un filtro notch permite eliminar una banda muy estrecha de frecuencias. Su uso en sintesis no es el de retirar una frecuencia molesta, están más asociados al tipo de color que se obtiene procesando con los phasers (en los que se provocan varios ‘agujeros’ dentro del espectro). He usado en algunos sintes y samplers Yamaha de los 90 (Emu y Yamaha siempre fueron excelentes en su oferta de tipos de filtrado) nada menos que un ‘double notch’ en el que se ajustaba la frecuencia del primero y la distancia a la que debía estar el segundo. Un doble notch sobre el que se modula con LFOs la primera frecuencia e independientemente la distancia a la segunda es una forma muy interesante de obtener una sonoridad peculiar que recuerda a un phaser. También he podido usar filtros ‘double peaking’ que permiten establecer dos frecuencias de resonancia simultáneas dentro de una respuesta global ‘paso todo’. Y la lista podría seguir creciendo. En muchas workstations veréis que las librerías de presets abusan de lo fácil (como los filtros paso bajo y el uso de muestras), pero que hay encerradas enormes capacidades, entre otras un amplio repertorio de filtros. No pocos de los sonidos más personales y útiles que he creado parte de ondas muy básicas (como variantes de sierras o rectangulares) pero modificadas con filtros exóticos. Una forma de revisitar terrenos conocidos (sonidos clásicos de pads, bajos, leads, …) pero con matices diferenciadores.

Los filtros ‘comb’ son particularmente simples y sin embargo útiles (están descritos en este artículo sobre retardos) permiten generar respuestas en frecuencia en las que se alternan continuamente picos y valles. En algunos sintes modulares y digitales encontraréis filtros ‘comb’ que tienen uso por ejemplo para recrear sonidos de cuerdas pulsadas en un tipo de síntesis que abordaremos en el futuro (Karplus Strong), pero hoy mismo veremos una aplicación poco comentada: su uso para recordar el efecto de excitar el elemento vibrante de un instrumento en diferentes posiciones (como cuando pulsamos una cuerda a distintas distancias del puente).

Los filtros de ‘formantes’ son otros que hemos estudiado recientemente y permiten realzar generosamente a la vez varias (tres, cuatro, o más habitualmente) regiones estrechas de frecuencia. Útiles como vimos para generar sonidos impregnados de un matiz vocálico o, en el caso de filtros más genéricos que ofrezcan libertad al elegir la posición de los realces, para conseguir impartir el efecto de un determinado cuerpo o caja de resonancia.

A la postre (y como se evidencia en algunos diseños digitales modernos) sería posible incluso diseñar una respuesta en frecuencia para un filtro tan arbitrariamente compleja como deseáramos. Otra cosa sería que tuviera interés (seguramente sí) y que fuera fácil de manejar (seguramente no). Mirad por ejemplo los Z-plane filters de Emu (por ejemplo podéis aprovechar que aún está disponible el Proteus VX gratuito que se anunció en su día en hispasonic). En los Z-plane existía una sección paso bajo con resonancia, más varias secciones que podían ajustarse individualmente para realzar/rebajar (peak/notch) determinadas frecuencias o bandas (con anchura y ganancia ajustable). La gracia especial en los z-plane, además de la personalización importante de la respuesta, provenía de ofrecer el control de todas estas secciones mediante parámetros ‘de alto nivel’. Por ejemplo ofrecía unos ‘macro controles’ para mover simultáneamente todas las frecuencias y para profundizar simultáneamente todos los picos/valles. Y además podían mantenerse dos configuraciones diferentes y hacer ‘morphing’ de una a otra con cualquier control, envolvente, etc.

Nos hemos metido ya en sistemas que usan varios filtros de forma compleja, y es por tanto momento de plantear con claridad dos usos muy diferentes que damos a los filtros en síntesis. Importantes como son los distintos tipos de respuesta de los filtros, lo es más pensar y entender qué tipo de acciones queremos pedirles que realicen. A menudo impartiremos cada una de esas dos acciones con filtros diferentes combinados.

Si la frecuencia de corte en un filtro tiene el mismo valor para cualquier nota que se interprete y durante toda su duración, el resultado es que cualquier corte o resonancia que apliquemos afecta siempre a una misma región de frecuencias, no cambia según recorremos el registro del instrumento, sus diferentes notas y octavas.

Eso es útil para conseguir ciertos resultados, especialmente para crear resonancias características. Por ejemplo, en un instrumento de cuerda, la caja de resonancia que es su cuerpo (de forma y dimensiones fijas) potencia algunas regiones del espectro frente a otras. Hay unas frecuencias de resonancia que estarán presentes para cualquier nota que ejecutemos. Imitar ese comportamiento es factible con filtros ‘fijos’ que no modifican su respuesta en frecuencia en función de la nota ejecutada.

Pero bien sabemos que hay más. También necesitamos en muchas ocasiones filtros que varíen, no fijos. Es más que evidente que al hablar bajo o al tocar suave un instrumento obtenemos un sonido menos brillante, lo que obligaría a contar con algún filtro que sí se modifique en su respuesta. Estos otros filtros puestos a actuar como controles de ‘brillo’ (aunque mucho más severos en su acción que un ecualizador) sí necesitan modificar su actuación para poder expresar la dinámica de la interpretación.

Además, muchos (casi todos) los sonidos se reconocen más por cómo varían durante el transcurso de la nota que por como ‘son’ en su estabilización final o por su supuesto comportamiento ‘medio’ durante la duración de la nota. Quitad a una trompeta esos primeros milisegundos en los que su brillo crece progresivamente y será irreconocible como tal. Escucharemos la nota, pero la sensación y definición tímbrica estará perdida. Quizá la confundamos con un oboe o con un tubo de órgano. Las variaciones de timbre ‘intranota’ son esenciales para caracterizar unos sonidos frente a otros. Y eso nuevamente lleva a filtros ‘móviles’. Filtros cuya actuación debe ser variable a lo largo del tiempo. De ahí la importancia de contar con envolventes aplicadas a los filtros (que variarán la frecuencia de corte a lo largo del desarrollo de una nota), y la conveniencia de que esas envolventes sean independientes de las que controlan la intensidad o nivel.

La utilidad de contar con varios filtros es evidente y sobre ella profundizaremos hoy. Un sistema ‘ideal’ de síntesis debería proporcionarnos simultáneamente solución a esas dos cuestiones. Ofrecer filtros (especialmente filtros tipo formantes o resonancias o ‘peaking’) que podamos ajustar a valores esencialmente fijos, y además contar con el suplemento de otros filtros (estos ya sí más simples –paso bajo, etc.-) para recrear las variaciones de brillo o apertura espectral.

Mirad como ejemplo esta imagen (adaptada a partir de http://music.columbia.edu/cmc/musicandcomputers/chapter4/04_04.php) que me parece muy reveladora. Muestra el espectro que generaron dos notas a distancia de cuarta (Do4 y Fa4) de una misma trompeta. Hay un evidente paralelismo en la localización de los realces y valles. Los realces/valles se producen en frecuencias fijas, y por tanto afectan a armónicos de diferente número en cada nota. No es que esta trompeta realce el 5º armónico o el 7º,sino que realza (entre otras) la zona de 1800Hz (y que corresponderá a uno u otro armónico según la nota ejecutada).

Esto nos habla de la necesidad de usar filtros cuya respuesta sea esencialmente ‘fija’, pero también deja claro que el patrón de resonancias puede llegar a ser muy complejo (se trata de múltiples resonancias simultáneas). Generalmente habrá que buscar aquellas principales (más destacadas) y concentrarse en ellas, porque no tendremos capacidad en nuestro sinte de hilar tan fino. Pero el concepto de una resonancia ‘destacada’ no es exclusivamente un concepto de ‘nivel’ sino de cómo destaca respecto a su entorno.

Fijaos en esta representación de la supuesta actuación de la caja de resonancia de un instrumento (ficticio):

Veis 8 posibles resonancias, pero he marcado 4 que apuntaría como destacables. La 3 es la segunda de mayor nivel pero está tan próxima a la 2 que podríamos considerarla ‘embebida’ o ‘eclipsada’ por ella. Aquí también (como en codificación audio) afecta la cuestión del enmascaramiento. Puestos a poder recrear sólo 4 resonancias (y no 8) previsiblemente escogería aquellas que tienen mayor ‘desnivel local’ (no mayor nivel absoluto) y además intentaría que hubiera un cierto ‘reparto’ a lo largo del espectro. Sería seguramente muy poco acertado no recrear la resonancia 8 pese a que es de un factor Q bajo (poca altura y mucha anchura) porque no contar con ella implicaría una pérdida de contenido en esas altas frecuencias y parece demasiado característico para este sonido.

En definitiva, como siempre, es una labor de buen gusto y oído para poder localizar qué necesito respetar y de usar sentido crítico a la hora de priorizar (porque en la práctica no podremos generar el clon perfecto). De tal manera que, mediante un paso bajo y 4 ‘peakings’ podríamos pensar en algo así para aproximar el carácter ‘global’ y las excepciones más destacables:

Pero aún podemos sacar más jugo a la gráfica de las dos notas de trompeta que mostraba antes. Voy a marcar en ella la ubicación aproximada de las que podrían ser sus resonancias principales:

¿Qué os llama la atención? Podéis apreciar algo peculiar: parecen equidistar. Hay un patrón ‘dominante’ de resonancias que siguen un patrón ‘armónico’ (aunque sin relación con la serie armónica de las notas, es un patrón armónico de realces espectrales). ¿Casualidad o algo más? Lo estudiaremos mejor viendo el caso de una cuerda, y nos ofrecerá un recurso útil para poder variar muchísimo el color de un sonido sintético con un elemento sencillo (un filtro comb) y con pocos parámetros. Una herramienta más que poder usar para sonidos vivos, reactivos y expresivos.

Pensad ahora en una cuerda suspendida. Atacamos con la púa en una posición determinada (considerémosla fija) y desplazamos un dedo sobre el mástil para lograr generar las diferentes notas.

Lo que nos interesa pensar de este caso es el efecto que sobre el timbre sonido resultante (que supuestamente queremos sintetizar) tiene el que excitemos la cuerda en esa posición o en otra, algo que varía enormemente el sonido resultante.

Pensemos inicialmente en atacarla más o menos cómo señala la figura anterior, a 1/8 de la longitud total de la cuerda. Cuando estamos produciendo notas graves (longitud útil de cuerda vibrante larga) el punto de excitación está muy ‘al extremo’ y generará un sonido con poco fundamental (porque el punto de máxima vibración para el fundamental es el centro de la cuerda, no su extremo: estamos atacando la cuerda en un punto que no simpatiza tanto con el fundamental). En el otro extremo, cuando tocamos notas agudas, sí podemos estar (en la figura de ejemplo) rascando en posición próxima al centro y el fundamental recibirá más energía de la que hemos comunicado con el desplazamiento mediante la púa.

¿Qué pensáis que sería conveniente? A primera vista parecería que sería necesario que las notas graves tuvieran ‘rebajados’ los niveles de los primeros armónicos y sin embargo las notas agudas tendrían fuertes esos mismos primeros armónicos.¿Tenemos entonces que aplicar algún filtro y hacer trucos con el ‘keyboard scaling’?

Como he comenzado diciendo ‘a primera vista’ ya supondréis que hay gato encerrado. Al estudiarlo con más detenimiento veremos una nueva utilidad de los filtros ‘comb’ para aproximar el efecto de atacar las cuerdas en diferentes posiciones.

Pensad que incidiera justo a 1/8 de la longitud de la cuerda tal como muestra la siguiente figura. Ahí existe un máximo de vibración para el 4º modo (el armónico 4f). Hacia abajo (armónicos 3f, 2f y fundamental) hay cada vez menor capacidad de vibración y por tanto absorberán menos energía de la comunicada por la púa. Si siguiéramos hacia arriba en la serie veríamos que en 5f, 6f, etc. va también bajando el nivel hasta llegar a un nulo en el armónico 8 (atacar la cuerda justo a 1/8 de su longitud significa atacarla en un punto de reposo del armónico 8). Después repite el patrón que se produjo anteriormente. A la postre, el espectro que tiende a producir es del tipo que veis en la figura.

Si ahora pensamos en colocar el dedo, por ejemplo, a mitad de la cuerda y atacamos en la misma posición que antes, esta sería la situación:

El resultado llamativo es que el lugar dónde actuamos acaba imponiendo un patrón regular de picos y valles idéntico para todas las notas que podríamos recrear con un filtro ‘comb’ (sin demasiada realimentación, para no exagerar el efecto). La longitud útil de la cuerda determina la nota producida (la distancia entre las líneas rojas) y la posición ‘relativa’ donde excitamos determina ese patrón de realces que hemos marcado en verde.

La realidad no es tan ‘pura’. Está claro que hay muchos efectos de segundo orden que comunican la vibración de unos modos a otros y hacen menos prominentes esas resonancias (por ello la recomendación de no exagerar la resonancia), pero sí es cierto que se puede observar una tendencia de este tipo: varios realces equidistantes cuya posición depende de dónde fue atacada la cuerda. Del punto en que se la excita. Lo vimos también en la gráfica de las dos notas de la trompeta. Y lo podéis ver en un buen número de sonidos reales.

No hay que olvidar también que hay siempre una tendencia global paso bajo (es mucho más difícil excitar y mantener los modos rápidos de vibración), y que por tanto interesará contar con una última etapa paso bajo:

La oscilación inicial nos ofrece un sonido rico en armónicos, al que podemos imponer primero en un comb el patrón de realces que nos permita jugar (mediante el ajuste del tiempo/frecuencia del comb) con la posición en la que ha sido atacada la cuerda. O si queréis, pensadlo sencillamente como un elemento que permite dar de forma sencilla esa característica de múltiples realces que podemos ajustar en su distancia mediante el retardo del comb y en su profundidad con la resonancia del comb. Finalmente un LPF tradicional nos ayuda a generar el contorno global paso bajo y nos ofrece un punto para poder gobernar fácilmente el brillo ‘global’ del sonido (más brillante en el comienzo y cayendo a un sonido más opaco durante la duración de cada nota, más abierto para notas fuertes y menos para débiles, etc.).

Si quisiéramos aún mayor detalle y riqueza, podríamos introducir además otros filtros que aporten algunas resonancias localizadas para imitar una supuesta caja de resonancia.

De este tipo de equilibrios y juegos que combinan la imitación de efectos que podemos encontrar en los instrumentos reales, la búsqueda de determinadas intenciones sonoras y sobre todo la experimentación hasta dar con resultados interesantes, podréis obtener muchos sonidos interesantes y en los que tengáis grandes posibilidades de control a partir de un número de parámetros y controles reducido.

Desde luego un comb insertado en el camino de cada voz del sintetizador y que pueda ser controlado a través de envolventes y demás es un recurso muy interesante (volveremos sobre ello al hablar de síntesis Karplus Strong). Y aquellos de vosotros que no contáis con la opción de filtro ‘comb’ dentro de la ruta de síntesis de vuestros equipos, echad un vistazo a la sección de efectos. Es muy posible que ahí sí encontréis algún comb. No es lo ideal (porque no podréis controlarlo a nivel de ‘voz’, con envolventes, etc.), pero algo es algo. Desde luego un recurso importante para poder variar el timbre sin recurrir a algo tan manido como el movimiento de la frecuencia de corte del LPF.

En entregas anteriores describimos que muchos filtros de sintetizador distorsionan la señal que los atraviesa.

Pero quisiera también en esta nueva entrega sobre filtros hacer alguna consideración sobre cómo afecta esta distorsión en el caso peculiar de la síntesis. No es lo mismo que la distorsión aplicada por un pedal a una guitarra o por un previo a válvulas sobre una mezcla. El tipo de señal habitual en los sintes afecta mucho a cómo va a resultar la distorsión que a menudo provocan los filtros, al menos con ajustes altos de resonancia. Pensar sobre ello nos ayudará a saber crear arquitecturas de síntesis en las que incorporemos alguna distorsión pero de forma inteligente.

La distorsión en los sintes, al haber un filtro por cada voz y ser por tanto la señal que se filtra ‘monofónica’ (un único oscilador) es distorsión armónica (genera rayas que refuerzan y extienden la serie armónica original del oscilador), y es por ello tolerable en un mayor grado (salvo por la mención ya realizada en su día al posible aliasing en un filtro digital distorsionante).

Igualmente si es un sintetizador polifónico verdadero (no parafónico) hay un filtro por cada voz, y seguimos teniendo una distorsión ‘controlada’.

Pero ¿y si usamos varios osciladores en cada voz (haciendo ‘detune’ o intervalos)? La distorsión genera entonces productos de intermodulación. Y estamos como los guitarristas: si el intervalo es de quinta parece que aquella distorsión todavía aguanta, pero con otros intervalos empieza a generar componentes destacadamente inarmónicas. No necesariamente malo, siempre que se esté buscando esas sonoridades singulares, pero no para el pan del día a día. Veréis que vuestros sonidos son menos tolerantes a incrementar esa distorsión cuando los osciladores no producen la misma nota (o sus octavas).

Toca por tanto ponerse a pensar. Si ese resultado inarmónico os desagrada porque no encaja con el resultado que buscáis hay que saber definir una solución, buscar una alternativa. ¿Queréis el detune o el intervalo entre los osciladores, y queréis una alta resonancia, pero no hay manera de hacerlos combinar porque se empeña en incorporar esa distorsión inarmónica y desagradable?. Ahora que sabéis el origen deberíais poder modificar vuestras decisiones de diseño en la síntesis para evitar el problema.

Por ejemplo, podríais filtrar cada oscilador con un filtro diferente (si lo permite vuestro sinte). Si en la cadena de síntesis sólo hay un filtro, siempre podríais acudir a aprovechar la capacidad multitímbrica ya sea a nivel de ‘preset/patch’ o de ‘combi/performance’. En muchos sintes podéis configurar el que se superpongan varios sonidos a la vez (y esa es una vía para poder tener cada oscilador con un filtro, de forma que la distorsión sea individual sobre cada, y no aplicada a la combinación de las dos señales).

Por ejemplo un ‘patch’ (un sonido) en los sintes recientes de Roland permite combinar 4 ‘tones’ (cada uno de ellos con su juego de oscilador/es, filtro/s, etc., es decir un sinte en sí mismo).

Generar un ‘filtro’ que distorsione no es difícil, pero es todo un arte generar uno que distorsione de una forma ‘atractiva’. No siempre de forma consciente (a veces también el ‘arte’ proviene de un encuentro fortuito, una casualidad, o incluso la experimentación libre), algunos diseños de filtros han resultado especialmente ‘atractivos’ y apreciados. Incluso algo tan ‘sucio’ como la distorsión en los BassLine TB-303 ha encontrado su hueco en determinadas músicas y ha pasado definitorio de un estilo.

Es lo mismo que con la discusión grabación en cinta / digital de los primeros años de llegada del digital, o cualquier otra que queráis pensar semejante (válvulas vs transistores en un amplificador). Los equipos que más fama tienen no son los más limpios y lineales, sino los que aportan (por distorsión, por desajustes de fase, o por otras ‘sutilezas’, que no dejan de ser ‘defectos’ desde el punto de vista de la fidelidad) un alma propia.

Y nos encontramos con los fabricantes de sintes, que quieren vender, e intentan fabricar algo que deseemos comprar. En vista de que se popularizó el sonido de algunos sintes que generaban distorsión en sus filtros, y de que muchos músicos exageraban el uso de la resonancia para buscar ese ‘plus’ que añade la distorsión, los fabricantes pensaron en ofrecer distorsión (sin meterse en los engorros que supone diseñar un filtro altamente resonante y que no esté ‘descontrolado’). No dejarla como un ‘subproducto’ casi casual en el uso del filtro, sino forzarla a conciencia añadiendo un elemento de distorsión independiente al filtro (y por tanto más fácilmente controlable).

He visto por ejemplo diseños de filtros analógicos en los que se puede forzar una reducción de la alimentación de los operacionales para introducir una distorsión ‘ajustable’. Pero el caso más evidente son tantísimos sintes en los que antes o después del filtro encontramos algún elemento añadido de saturación.

Eso incluye infinidad de sintes para líneas de bajo y/o lead que llevan un control de ‘overdrive’. Por ejemplo el Bass Station II de Novation tiene un control OverDrive que permite ajustar el grado de ‘drive’ deseado (y que se aplica antes de pasar por el filtro). En algunos casos, como el Analog 4 de Elektron, se inserta a mitad del camino entre los dos filtros que existen en cada voz (lo que permite ajustar con el primero la banda que se desea distorsionar y con el segundo recortar los excesos de la distorsión). En otros, como el Waldorf Rocket, aparece un mero conmutador para activar o no la distorsión, mientras en el 2-pole incluyen un control ‘drive’ continuo. En el Minimoog y sus derivados, el propio diseño del filtro es propicio a generar cierta distorsión, pero además en muchas de sus versiones tenéis un control dedicado para añadir ‘drive’. También aparecen este tipo de opciones en infinidad de sintes sustractivos digitales. Y así podríamos seguir.

Con esos filtros, y como siempre con cualquier distorsión, el resultado dependerá mucho del tipo de material que estemos procesando, en línea con el debate que antes realizaba sobre si filtramos un único oscilador, o varios, si están formando intervalo o no, si se trata de una señal más compleja y no periódica, etc. Pero en todo caso, ya sea inherente al filtro o como un módulo específico de distorsión insertado en la cadena audio de cada voz del sinte, contar con elementos de control del ‘drive’ o saturación es interesante para muchos sonidos.