Síntesis (4): más allá de la serie armónica

Cerramos hoy el recorrido ‘elemental’ por ejemplos de análisis de sonidos, acercándonos a algunos que no se definen sólo por una serie armónica más o menos completa. En el menú de hoy: clarinete, flauta, piccolo, tuba, glockenspiel, claves y plato. Con cada uno, ejemplo de algunas 'rarezas' posibles y habituales en el sonido de tantos instrumentos.

Continuaré con el uso de grabaciones ilustrativas tomadas de EBU-SQUAM, (unas grabaciones gratuitas para uso no comercial ya comentadas en la parte 2) e incluso titularé varios apartados con otros tantos nombres de instrumentos. Os recomiendo que escuchéis esas grabaciones junto con la lectura del artículo. Para facilitarlo he creado varios vídeos (pero quizá prefiráis la escucha de las grabaciones originales para mejor calidad). A través de estos ejemplos continuaremos la reflexión sobre aspectos destacables en el sonido y vamos educándonos en una escucha analítica, tan necesaria para sintetizar (ya sea síntesis imitativa o creativa).

La próxima entrega abordará ya un primer tipo de síntesis (la aditiva), sin descartar realizar en el futuro nuevos análisis.

La primera entrega dio lugar en los comentarios a un interesante debate sobre la necesidad de considerar no sólo los sonidos (por más que habituales) en los que está presente una serie armónica y en consecuencia se produce una muy evidente ‘afinación’ o sensación de nota concreta, sino de ir más allá para poder también atender otro tipo de sonidos igualmente musicales, como lo son por ejemplo, tantísimas percusiones, en los que la afinación es difusa o inexistente, aunque pueda haber todavía una sensación de ‘altura’ (sonidos más graves o agudos, pese a no ofrecer una sensación decididamente afinada). Hay todo un universo de sonidos que no forman estrictamente una serie armónica pura, ni completa, o directamente sonidos con estructura inarmónica o con componentes destacadas (protagonistas) de ruido. Todos ellos tienen, por supuesto, interés y uso musical.

Esta primera fase que hoy cerramos (los 4 artículos visitando sonidos diversos) deberían servir para que conozcáis mejor cómo debéis abordar la ‘escucha analítica’ de un sonido. Se puede disfrutar mucho descubriendo ‘a oreja’ (completada con herramientas de visualización gráfica de espectros, formas de onda, etc.) cómo son las ‘tripas’ de los sonidos. Y creedme que es muy interesante ese esfuerzo cara a la síntesis. Si extendéis los ejemplos de estudio que hemos realizado a otros instrumentos, otras grabaciones, con vuestras propias herramientas, etc., tenéis una forma divertida de desarrollar un oído sensible a los matices y capaz de relacionarlos con sus orígenes y causas.

El que yo use unas u otras herramientas no debe confundiros. Cualquiera será válida (unas más cómodas que otras) si tenemos la posibilidad de mostrar formas de onda, espectros y espectrogramas. Otras virguerías pueden ser bienvenidas pero eso es lo esencial. Esta vez en los vídeos estoy usando Voxengo SPAN, un plugin gratuito -sabéis que intento siempre ir a lo gratuito/barato para que todos podáis acceder-. Lo estoy usando desde un editor audio de Adobe, aunque podríais usar también cualquier otro, un DAW, etc. Pero como SPAN muestra el eje de frecuencia en escala lineal, a veces completo con imágenes fijas desde Audacity, de nuevo gratuito.

Por cierto, en los vídeos, estoy usando SPAN ajustado para ‘Hi Res’ (alta resolución) en la presentación del espectro y manteniendo un ajuste que lleva por defecto (y que podríais modificar y anular) que da lugar a que realce las componentes agudas al visualizar. Eso hace que todos los espectros aparenten un brillo extraordinario que no llegamos a oír, pero es una manera de poder ‘ver’ en la zona alta del espectro, que de otra forma quedaría muy pobre en nivel. Las imágenes fijas con Audacity no tienen este realce artificial, para que podáis contrastar.

Como fuentes de grabaciones que podáis analizar, además de las EBU-SQAM ( http://tech.ebu.ch/publications/sqamcd ), pueden ser aún mucho más interesantes las que nos recomendó el hispasónico lgarrido (hay notas aisladas una a una):

Universidad de Iowa http://theremin.music.uiowa.edu/MIS.html

Philharmonia Orchestra http://www.philharmonia.co.uk/thesoundexchange/make_music/samples/library/

También lgarrido nos recomendó un soft gratuito que parece excelente para analizar (aunque aún no me he puesto con él): http://sonicvisualiser.org/ (entre otras cosas sí visualiza espectros con ejes lineales de frecuencia)

Vamos con los ejemplos de hoy.

El clarinete es un instrumento en el que siempre reparamos al hablar de síntesis. ¿Porqué? Porque genera una serie armónica dominada por los armónicos impares. Ya veremos que esto lleva, al sintetizarlo con analógicos o sustractivos, al empleo del pulso cuadrado en los osciladores. Por eso no quería dejar de mostrarlo.

Estoy usando en este vídeo como fuente la grabación 16 de la serie EBU-SQAM.

Podéis ver cómo de forma sistemática en los primeros diez armónicos el 1 es mucho más fuerte que el 2, el 3 que el 4, etc. Hay un dominio claro de armónicos impares, en la parte de los primeros armónicos. El que los armónicos superiores aparezcan ya más ‘equilibrados’ no quita el que en conjunto los armónicos primeros y más fuertes tienen esa característica de dominio de los impares. Esa ‘preferencia’ por los impares en el clarinete está detrás del reconocible sonido ‘a tubo’, un tanto ‘hueco’ (os reto a que lo expreséis mejor) en comparación con otros vientos que guardan una mayor uniformidad pares/impares.

Pero es más, fijaos en el video en cómo se ‘mueven’ (cambian de nivel) los armónicos pares e impares: podréis apreciar que los primeros impares comparten una forma de movimiento que es diferente (de diferente velocidad) a la que comparten los pares. Este hecho (que los impares comparten una vida, un desarrollo -una envolvente- diferenciada de la de los pares) colabora perceptualmente a su ‘separación’. En una escucha atenta, podréis notar cómo se diferencian ambas contribuciones (pares e impares) y podéis oírlas como dos elementos separados. El sonido de los pares ‘crece’ más tardíamente que el de los impares (que aparece temprano). Y quien golpea primero, golpea dos veces: es más importante perceptualmente el juego de los impares que llegamos a oír 'antes'.

Pensando en la síntesis, podréis obtener un clarinete de mucha más calidad y expresividad si usáis dos osciladores. Uno generando (con un pulso cuadrado) los armónicos impares. Otro generando un diente de sierra pero una octava por encima (así generará los pares). Y tenéis en la mezcla de ambos osciladores un control magnífico de expresión para el clarinete: aplicad una envolvente con un ataque más lento al oscilador dos, para recrear el efecto que hemos visto/oído en el vídeo. Pero no paréis ahí: será mucho mejor controlar la intensidad del osc2 mediante la rueda de modulación, porque así podréis decidir cuándo dais entrada o no a los armónicos pares (lo que implica diferentes técnicas e intensidades de soplo sobre el clarinete). Os permitirá que cada nota tenga su propio color y velocidad de aparición de los pares (en lugar de un comportamiento mecánico y homogéneo al dictado de una envolvente).

Lógicamente, el exceso de armónicos que presentarán el pulso y el diente de sierra reclaman un filtro.

¿Queréis un lfo? Salid de lo elemental. Lo clásico es aplicarlo a la afinación y/o la intensidad y/o al corte del filtro. Buscad otro juego y usadlo, por ejemplo, de forma simultánea para controlar esa mezcla osc1 / osc2. Quedará mucho más rico, personal y natural.

Y seguid así dejando volar vuestra inteligencia y vuestra emoción…

Y con este análisis y planteamiento sobre un instrumento acústico y su emulación, ¿no habéis ganado también nuevas ideas con las que animar sonidos claramente electrónicos y no imitativos?

Y también pensad por un momento ¿podrías tener este tipo de comportamiento en una arquitectura basada 100% en muestreo -vaya, en un ‘sampler’-. Un sampler os da un retrato perfecto pero de una naturaleza muerta. Un sintetizador, os permite expresión, vida, comunicación. Y eso sobrepasa (cara a la comunicación humana) la pretendida ‘precisión’ del retrato que es el muestreo.

Haced cantar a un clarinete creado según estas pautas y su credibilidad y su vida lo harán preferible a tantísimos muestreados.

El clarinete nos mostraba una cierta autonomía de los armónicos impares/pares y como instrumento de viento tenía (aunque no lo citáramos) una componente de ruido acompañándolo. Lo identificaremos mejor en esta flauta y este piccolo. Son sonidos caracterizados por una serie armónica que viene acompañada del ruido del soplido.

Estoy usando en este vídeo como fuente la grabación 13 de la serie EBU-SQAM para la flauta y la 12 para el piccolo.

Seréis perfectamente capaces en una escucha atenta de aislar la componente de ruido de la componente ‘tonal’. En el espectrograma lo véis con facilidad: rayas armónicas y entre medias energía que no llega a formar rayas nítidas, sino que actúa como bandas de ruido.

Ese ruido no está por todo el espectro, no es (ni suena ni lo vemos así) un ruido blanco que esté presente por todas las frecuencias. Es un ruido claramente coloreado (‘filtrado’). Es un ruido que suena ‘a tubo’, que lleva la huella de las resonancias propias del tubo (las cuales por cierto cambian cuando modificamos la longitud efectiva del tubo al pasar de una a otra nota).

Os he marcado en el vídeo también el hecho de que los armónicos no están quietos, bailan. Recrear una distribución de energía sobre armónicos y usarla de forma fija (como hacían tantos sintes: los Korg DW, los Kawai K3, … -de ellos entre otros os hablo en la proxima entrega-) es muy insuficiente, queda muy artificial, porque falta esta ‘animación’. El timbre nunca está definido sólo por una distribución de energía, sino además (y yo diría, sobre todo) por cómo ese distribución se ‘mueve’ (el caso más evidente el de los metales cuyo brillo crece progresivamente –por eso siempre los recreamos con un filtro sometido a una envolvente que vaya abriendo la frecuencia de corte-).

Pero lo principal en este vídeo es la cuestión del ruido. Por eso he incluido el piccolo. Nuevamente oiréis con facilidad de forma separada la parte tonal y la ruidosa. En el piccolo (mucho más que en el ejemplo de la flauta) notaréis que el ruido también ‘canta’. No es un ruido siempre igual, acompañando aburridamente a cualquier nota. Es un ruido que, aunque no dé afinación, sí provoca una sensación de altura. Somos capaces de reconocer en esta melodía de piccolo un ruido que ‘sube’ y ‘baja’ de altura de forma casi paralela a la propia melodía.

Si véis el espectrograma en el vídeo, localizaréis rayas armónicas evidentes y entre ellas unas también muy evidentes bandas de ruido concentrado. Son ‘casi’ unos armónicos ausentes y ocupados (sustituidos) por ruido de banda estrecha (pero ruido en todo caso). Lo veréis quizá mejor aquí:

He podido (desde el editor de audio que uso) seleccionar, para que las oigáis separadamente, algunas de esas bandas de ruido. ¿Interesante verdad? Tenemos una alternancia casi perfecta de parcial ruidoso, parcial tonal, parcial ruidoso, parcial tonal… Y se alternan de una forma que es casi armónica: en cierta medida parece, en la nota que he escogido, que los parciales impares son ruidosos y los pares tonales (espero que lleguéis a verlo).

De nuevo una buena fuente de ideas para la creación sonora. Una forma de crear ese ruido estructurado espectralmente en forma de bandas cuasiarmónicas, sería filtrar ruido blanco a través de un delay realimentado (de forma que se cree un ‘comb filter’). Si de momento estas ideas y palabras no os dicen nada, no os preocupéis, la serie de artículos llegará a ello (al fin y al cabo nos reúnen las ganas de aprender ¿no?).

Seguimos con ejemplos con vientos. Ahora la tuba de la grabación 24 EBU-SQAM. Este es el vídeo que os he preparado con ella:

En el comienzo del vídeo podéis escuchar perfectamente como cada ataque de una nueva nota lleva aparejado un ruido de ‘pertardo’ opaco: es el ‘pooh-pooh’ con el que soplan por la embocadura. El esfuerzo inicial por romper la resistencia del tubo a vibrar y conseguir un ataque rápido, conlleva que el primer exabrupto de aire desde la boca se propaga y llega a ser audible, sin que aún se haya formado la vibración estable y periódica que llega inmediatamente a continuación y nos da la sensación de nota.

Los ruidos de ataque o en general los comportamientos muy ‘peculiares’ en los primeros milisegundos de cualquier nota son lo habitual. Ya lo mencionamos en otro artículo anterior, pero aquí lo ilustramos y lo oímos (pensad igualmente en el martillo del piano, las llaves de la flauta, el esfuerzo inicial del pellizco en un pizzicato, el ‘tang’ de arranque en una guitarra con púa…).

Reproducir esas peculiaridades del ataque es importante, y, por ejemplo, fue la base del tremendo éxito de Roland D50 (ya lo destriparemos en otra entrega, en la que aprenderemos sus estrategias para la síntesis y cómo podemos seguir aplicándolas en otros instrumentos).

En la tuba (como veis/oís en el vídeo) hay ese ruido de ‘explosión’ inicial, más el característico soplido de fondo propio de vientos. Podéis ver representado en el vídeo como la energía inicialmente distribuida en forma de ruido (como un contínuo sin unos picos/armónicos nítidos) rápidamente se ‘reagrupa’ para constituir unas rayas armónicas.

Conseguir algo como eso (el que el ruido se ‘autodirija’ hacia la formación de rayas armónicas) es algo, por ejemplo, muy asequible con técnicas de síntesis FM (como la de los DX de Yamaha). Y si: de nuevo debo emplazaros a próximas entregas en las que estudiaremos en detalle ese tipo de síntesis.

Hacia el final del vídeo selecciono sólo un fragmento de muy inicial arranque de la nota y vemos / escuchamos el ‘petardo’ al que me refería.

¿Qué conclusiones podemos ir sacando? Muy al estilo del mencionado D50 (y tantos otros) hay que ser capaces de identificar esos elementos que van conformando el sonido. En este caso tenemos (al menos):

• El petardo al arrancar (muy filtrado, muy opaco, pero explosión de ruido al fin y al cabo)
• El propio sonido ‘tonal’ con su serie armónica (que tiene un ‘ataque’ veloz pero no instantáneo)
• El soplido de fondo

Nos encontramos con que un sonido reúne diferentes componentes que requieren (cada una) una forma distinta de reconstruirlas: un ruido muy filtrado y con una envolvente impulsiva para el petardo, una forma de onda cíclica para obtener la parte armónica pero sometida a una envolvente diferente (con un ataque apreciable, no instantáneo), y un ruido coloreado suave de fondo para el soplido constante de acompañamiento.

No parece por tanto ninguna exageración que en tantos y tantos sintes (el propio D50 y todos los posteriores de Roland, por ejemplo) usen en un único sonido (‘patch’ en términos de Roland) hasta 4 elementos (‘tones’) que son, cada uno, un sintetizador completo en sí mismo. Se trata de tener suficientes ‘ramas’ en paralelo para poder recrear cada uno de estos elementos básicos necesarios para el sonido completo.

Un instrumento que siempre me ha gustado analizar y mostrar es el glockenspiel. Cada uno es un mundo, como sucede con las campanas.

Son instrumentos en los que el elemento que suena ya no es una línea (una cuerda, o una ‘línea’ de aire en un tubo). Son tridimensionales y por ello se produce una explosión geométrica en el número de combinaciones de los modos de vibración.

Nos pasa lo mismo con las barras y tubos golpeados. Lógicamente los de mayor uso son creados con dimensiones y materiales que favorecen el que de entre todos los modos posibles destaquen más unos cuantos que puedan constituir una sensación de nota o musical privilegiada. Pero la ‘rebeldía acústica’ de la materia está ahí y en ellos siempre en mayor o menor medida veremos componentes que no son modelables como una serie armónica pura, sino como una colección de rayas inarmónicas (al menos en el ataque, aunque luego vayan estabilizándose a un patrón en el que sólo sobreviven parciales que podrían ser armónicos de algún fundamental).

En este caso parto de la grabación 35 EBU-SQAM y os he preparado este vídeo.

En este caso vemos un sonido inicial muy ‘acampanado’, muy inarmónico, con diversidad de rayas espectrales que representan otros tantos modos de vibración que no son armónicos entre sí. Hay tanta densidad y variedad de rayas que realmente podríamos casi hablar de ruido más algunos parciales tonales.

Pero la mayor parte de esos parciales se agotan de forma muy temprana, sólo acompañan el inicio de la nota y luego se extinguen. Los primeros en desaparecer son los de frecuencias más agudas, salvo algunas privilegiadas que corresponden a modo muy principales de vibración y que por tanto están capacitados para sobrevivir.

Queda así finalmente un patrón mucho más escaso de rayas dispersas, lejanas, y con clara dominancia de unas que destacan muy por encima de cualquier otra. La extinción de la nota es muy larga y en ella ya quedan casi solos los principales parciales.

Este ejemplo del glockenspiel, es también muy evidente sobre el carácter no estático de los sonidos. Es lo habitual que evolucionen a lo largo del tiempo (y por ello son las envolventes y su uso un aspecto esencial en la síntesis).

Como os decía hay glokenspiels muy diferentes, pero generalmente comparten el hecho de que (más allá de la muy primera actividad –el percutido que desencadena el sonido-) se observa en ellos varios parciales que son rayas espectrales bastante limpias y estilizadas pero que no completan una serie armónica, son armónicos bastante aislados, separados entre sí.

Recuerdo haber analizado años atrás uno que tenía sólo una cantidad de energía significativa sobre los armónicos 5, 8 y 13 (algún otro también pero desaparecía rápidamente, y especialmente fuerte el 8). Es como si el ‘peine’ armónico hubiera perdido casi todas sus púas: ni el fundamental, ni los otros primeros armónicos aparecían por allí. Tampoco había dos armónicos consecutivos (cuya distancia sí sería la de la frecuencia fundamental). Sólo existían unos pocos y desperdigados armónicos, suficientes sin embargo para generar una correcta sensación de estar escuchando la nota correspondiente a la frecuencia fundamental ausente. La presencia de esos armónicos 5, 8 y 13 (no por casualidad primos entre sí) daba lugar a que la combinación de todos ellos sí manifestara (vista en el tiempo) un ciclo resultante cuyo periodo era el correspondiente al fundamental.

Vamos con unos últimos ejemplos centrados en el reino de los ruidos (que a veces no lo son tanto como pensamos). El primero son unas claves (esos dos palitos de madera que tantísimos escolares usan sin que nadie les haya enseñado como sujetarlos sin agarrar, casi ‘suspendidos’, para que puedan vibrar con mayor libertad).

Las que uso en el vídeo provienen de EBU SQAM grabación 26

En el espectrograma destaca enseguida la presencia de unos parciales, principalísimamente uno. Centrando la escucha sobre él, descubrimos con mayor claridad que se trata de un parcial bastante inestable (como si hubiera, en términos de síntesis, algún LFO por ahí). Pero también podemos escuchar que en el ataque estos parciales tonales vienen afectados de un pequeño ‘estiramiento’ de tono, nacen ligeramente por debajo de la afinación a la que inmediatamente desembocan (necesitaríamos reconstruir eso con elementos de síntesis, típicamente una envolvente aplicada a la afinación).

En el vídeo escucháis también el ruido. En un momento determinado retiro las dos componentes tonales más fuertes y escuchamos el ruido (y su color) que acompaña permanentemente como un rumor en este sonido.

A continuación os muestro el espectro variando a lo largo del tiempo. Se puede ver que esos ‘parciales’ arrastran a su alrededor bandas de ruido concentradas, pero lo más interesante es estudiar dónde están colocados los tres picos que llegamos a identificar como parciales principales: en frecuencias que corresponden aproximadamente a La#, Re# y el Do de la siguiente octava.

Entre los muchísimos ruidos y objetos percutidos posibles, al final el uso musical ha hecho una selección en la que han prevalecido instrumentos como estas claves que ofrecen alguna relación peculiar con otros sonidos musicales: esos parciales en La#, Re# son los más fuertes y están a distancia de cuarta (una distancia de las de mayor 'consonancia'). Por ejemplo podrían ser concebidos como parte de la serie de un Re# más grave, frente al que Do estaría actuando como sexta mayor.

Para entenderlo mejor sin meternos en excesivo detalle, esos tres parciales son una selección de tres armónicos que no son contiguos, pero tampoco están elegidos por casualidad, son tres parciales que con esa escasez de rayas son sin embargo capaces de generar la sensación de una afinación subyacente, que podemos reconocer a oído con facilidad.

Eso se consigue por el diseño, dimensiones, etc. de las claves: esa es la 'clave' de su éxito. como instrumento.

Si las claves, siendo de percusión, se nos acabaron revelando como un instrumento ‘bastante’ afinado o congruente con una serie armónica, vayamos ahora a otro generalmente percibido como de carácter más nítidamente ruidoso. Un plato, que tomo de la grabación 31 EBU SQAM para preparar este vídeo:

¿Ruido y sólo ruido? Al menos es evidente que es ruido coloreado. Pero además al llegar a la cola (y en similitud a algo que ya hemos visto en otros instrumentos) a medida que el ‘baquetazo’ inicial va quedando atrás y dejamos que la vibración en el plato se pueda estabilizar y concentrar sobre sus modos propios de vibración, se empieza a detectar que la regularidad geométrica de sus formas conlleva también una regularidad sonora.

Notaréis como la retirada progresiva del ruido permite escuchar cada vez mejor cómo se va concentrando el sonido sobre un conjunto de parciales cada uno de ellos ‘tonal’, pero no dispuestos en forma de serie armónica (lo que se evidencia por el carácter marcadamente ‘acampanado’ de ese agregado de parciales).

Podéis ver comentado sobre el propio vídeo qué sucede al usar baqueta dura en lugar de blanda, así como en un redoble (os lo dejo ya para que lo escuchéis y leáis ahí).

Hemos dedicado 4 entregas a pensar, analizar y escuchar sonidos. Podríamos seguir, pero ganas tenemos todos (yo el primero) de ir a por la síntesis ya, cosa que haremos en la siguiente. Y ¡gracias por aguantar hasta aquí!