A síntese aditiva é um dos processos mais antigos utilizados para a implementação de instrumentos eletrônicos. Ela foi usada no Telharmonium, ainda no século XIX, e também no famoso órgão Hammond. É um dos processos de síntese mais poderosa, apesar da sua implementação e operação serem muito complicadas.
Para que se possa entender o processo de síntese aditiva, é preciso primeiro conhecer alguns conceitos básicos sobre a composição do som.
De acordo com o teorema do matemático francês J.B. Fourier, qualquer forma-de-onda pode ser expressada como a soma de uma série de sinais senoidais – chamada de série de Fourier – onde cada sinal possui seus coeficientes específicos de freqüência, amplitude e fase.
A representação gráfica da série de Fourier é mostrada na Fig.1, e os sinais individuais que estão sendo somados são senóides com freqüências múltiplas inteiras de um sinal de freqüência fundamental. A essas freqüências damos o nome de harmônicos, sendo que o sinal de freqüência fundamental é considerado como o primeiro harmônico (freq ×1), o sinal com o dobro da freqüência fundamental é o segundo harmônico (freq ×2), e assim sucessivamente.
Teoricamente, a série nunca termina, possuindo infinitos harmônicos. Nos sons acústicos em geral, à medida que a ordem dos harmônicos aumenta, suas amplitudes vão diminuindo (como no exemplo da Fig.1), de forma que a influência de um único harmônico no resultado final da soma é sempre menor do que a influência da fundamental. Isso não quer dizer que um harmônico não tenha influência no som; pelo contrário: a presença dos harmônicos, e as respectivas amplitudes que eles possuem, é extremamente relevante para a característica timbral de determinado som, e é por isso que o timbre do som é também chamado tecnicamente de composição harmônica.
É importante salientar que, na maioria dos sons naturais, cada harmônico se comporta diferentemente no decorrer do tempo em que o som ocorre. Isso quer dizer que ao se tocar uma nota no piano, por exemplo, as amplitudes de alguns harmônicos caem mais lentamente do que as de outros, o que faz com que a composição harmônica, como um todo, seja diferente a cada instante do som (Fig.2).
Como já citamos no artigo anterior, uma das desvantagens da síntese subtrativa é que ela parte de uma forma-de-onda fixa, que quando processada no filtro, as amplitudes de seus harmônicos mantêm-se nas mesmas proporções, não sendo possível obter o comportamento real, ilustrado no gráfico da Fig.2. Mesmo usando a ressonância no filtro, não se consegue esse comportamento.
No processo de síntese aditiva, no entanto, desde que se tenha o controle separado de cada harmônico, modelando-os com osciladores senoidais individuais, pode-se criar as variações reais de composição harmônica de qualquer som. O grande problema da implementação da síntese aditiva é justamente a complexidade desse controle individual de harmônicos.
Processos primitivos de síntese aditiva
O primeiro instrumento musical a usar a síntese aditiva foi o Telharmonium, patenteado em 1897 por Tadheus Cahill, e só apresentado ao público em 1906. Ele utilizava 145 dínamos, rotores e bobinas especiais, que produziam diferentes freqüências de áudio, que podiam ser combinadas para enriquecer a composição harmônica dos timbres.Mas o exemplo mais clássico do uso de síntese aditiva é o órgão Hammond, fabricado nos EUA entre 1935 e 1974.
Assim como o Telharmonium, o Hammond usa sinais produzidos por geradores dotados de rodas dentadas, chamadas de Tone Wheels (“rodas de tons”). Junto a cada roda há um captador magnético, semelhante ao usado numa guitarra, de forma que quando a roda gira, a passagem dos ressaltos junto ao captador faz surgir neste uma corrente alternada com forma-de-onda praticamente senoidal (Fig.4). A freqüência deste sinal é determinada pelos números de ressaltos existentes na roda. No total, são 91 rodas, todas no mesmo eixo e girando na mesma velocidade, mas como cada uma tem um número diferente de ressaltos, as freqüências geradas por elas são diferentes. Dessa forma, 61 rodas geram as freqüências fundamentais das 61 notas para a faixa de 5 oitavas, e as outras 30 rodas geram harmônicos e sub-harmônicos. Os sinais de cada gerador são ajustados por controles deslizantes (drawbars), que atuam atenuando ou não cada harmônico.
É importante observar que o esquema de síntese aditiva utilizado pelo Hammond é “estático”, isto é, a composição harmônica ajustada através dos drawbars permanece inalterada durante toda a execução da nota. Isso não é nenhum demérito para o Hammond, até porque seus timbres característicos são imitados até hoje, mas não lhe permite criar sonoridades mais complexas no que diz respeito a variações timbrais no decorrer do tempo. Para isso, os drawbars teriam que se mover, gradual e adequadamente, durante toda execução da nota, manipulando assim durante o tempo a intensidade de cada harmônico.
A tecnologia digital na síntese aditiva
Mais uma vez, a tecnologia digital trouxe novos horizontes para a síntese de sons. Com o advento dos DSPs, tornou-se viável a geração de sons eletrônicos por processo aditivo. Vários instrumentos comerciais já surgiram, embora nenhum tenha efetivamente “decolado”, provavelmente por causa da complexidade que é a programação de um timbre composto por vários harmônicos.
Um dos primeiros equipamentos digitais a oferecer recursos de síntese aditiva foi o Fairlight CMI, produzido na Austrália entre 1980 e 1984. Utilizando o microprocessador Motorola 68000, ele processava a síntese por software, e possibilitava controlar o comportamento de até 64 harmônicos do som, através de um monitor de vídeo com uma caneta especial, que permitia desenhar graficamente as envoltórias de cada harmônico. Era uma máquina poderosa, mas muito complexa e, sobretudo, cara: cerca de 25 mil dólares naquela época. O próprio Kim Ryrie, um dos criadores do Fairlight, certa vez afirmou que, mesmo com sons interessantes, era extremamente difícil de se fazer algum som rico e aproveitável.
Um instrumento muito popular que permite trabalhar com síntese aditiva é o famoso DX7, da Yamaha. Embora seu esquema de síntese seja baseado em modulação de freqüência (FM; veremos com detalhes em outra oportunidade), é possível gerar timbres com total controle de até 6 harmônicos, usando-se o algoritmo 32, onde os seis operadores estão alinhados, de forma que seus sinais são somados: se eles forem ajustados adequadamente para gerar freqüências harmônicas, tem-se então um processo de síntese aditiva limitado a seis harmônicos, mas bastante interessante. Com esse algoritmo, pode-se gerar sons de Hammond bastante realistas. Talvez um dos melhores exemplos atuais de síntese aditiva seja a série Kawai K5000. Ele permite processar individualmente 128 harmônicos, podendo-se configurar a envoltória de amplitude de cada harmônico (Fig.6). Isso permite a criação de texturas bastante ricas, mesmo com durações muito longas.
A estrutura de uma voz do K5000 contém até seis sources, que podem ser wavesets de síntese aditiva ou amostras (samples) PCM. Cada waveset pode controlar 64 harmônicos (1 a 64, ou 65 a 128), e o timbre gerado pelo waveset pode ser moldado por um filtro de 128 bandas, chamado de “Formant Filter”, capaz de simular características tonais naturais, tais como o tubo de um clarinete ou o corpo de um violão. Em seguida, o sinal vindo do waveset ou do gerador de PCM passa por módulos “tradicionais” de filtro e amplificador, num processamento típico de síntese subtrativa.
Como já foi dito acima, o grande problema da síntese aditiva é a sua complexidade de edição, em comparação com o já tão difundido processo subtrativo. Isso explica a dificuldade de penetração no mercado que tem o Kawai K5000 que, apesar de sua poderosa máquina de síntese, é um instrumento complicado para o usuário comum
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