Ondas sonoras sintéticas


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Diferentemente das formas de onda extremamente complexas dos instrumentos acústicos, as formas de onda dos sinais eletrônicos elementares possuem características que podem ser parametrizadas matematicamente sem muita dificuldade


Figura 1 – Formas de onda (à esquerda) e os respectivos conjuntos de harmônicos (à direita) de alguns instrumentos acústicos (imagem reproduzida de Acoustics and Psychoacoustics, Howard/Angus)

Quando as pesquisas de síntese sonora começaram a se consolidar com o uso de equipamentos eletrônicos, os recursos disponíveis eram, essencialmente, circuitos de osciladores e filtros analógicos: as ondas sonoras que podiam ser obtidas por esses meios têm características puramente sintéticas – já que não existem nos instrumentos acústicos – mas, por isso mesmo, despertaram um enorme interesse nos pesquisadores, por causa das sonoridades diferentes que possibilitavam.

Basicamente, as ondas geradas pelos circuitos osciladores eletrônicos são: senoidal, triangular, dente-de-serra e retangular. Pelo nome, já dá para imaginar seus formatos.


Onda Senoidal

A onda senoidal (apresentada na edição 54 de Teclas & Afins) tem como principal característica o fato de não possuir harmônicos, mas apenas a frequência fundamental.

Figura 2 – Forma e espectro da onda senoidal (imagem reproduzida de Nueva Generación de Instrumentos Musicales Electrónicos, J. B. Costa)

Essa onda originalmente era obtida por meio de osciladores sintonizados, que só oscilam numa determinada frequência. No entanto, nos  circuitos que geram onda senoidal por wave shaping (a partir de uma onda triangular, por exemplo) a onda resultante pode até conter alguns harmônicos por conta da distorção, mas esses têm amplitude tão fraca que podem ser desprezados.

O timbre da onda senoidal é considerado um som “puro”, e se distingue pela suavidade. Apesar de não possuir harmônicos, a onda senoidal (Figura 2) é muito útil para sintetizar determinados sons, como, um bumbo (kick), por exemplo, e serve muito bem para complementar determinados timbres, dando-lhes “peso” (grave).


Onda Dente-de-serra

A onda do tipo dente-de-serra ou rampa pode ser gerada por circuitos integradores, que produzem uma rampa ascendente ao carregar um capacitor, que é descarregado rapidamente produzindo uma descida praticamente vertical.

Figura 3 – Forma e espectro da onda dente-de serra (imagem reproduzida de Nueva Generación de Instrumentos Musicales Electrónicos, J. B. Costa)

Essa onda se caracteriza pela riqueza de harmônicos, ímpares e pares, cujas amplitudes decrescem linearmente em relação aos seus índices: a amplitude do 2o harmônico é 1/2 da fundamental, a amplitude do 3o harmônico é 1/3 da fundamental, a amplitude do 4o harmônico é 1/4 da fundamental, etc.

O timbre da onda dente-de-serra é considerado um som “rico”, e se distingue pelo “brilho”, que é resultado da presença de todos os harmônicos. O som da onda dente-de-serra (Figura 3) é um dos timbres sintéticos mais marcantes, sobretudo quando lhe é aplicada ressonância no filtro. Um resultado também muito interessante é obtido quando se somam duas ondas dessa, levemente desafinadas entre si.


Onda Triangular

A onda triangular pode ser obtida por um circuito integrador que carrega e descarrega um capacitor ou pela combinação de duas rampas (ascendente e descendente).

Figura 4 – Forma e espectro da onda triangular (imagem reproduzida de Nueva Generación de Instrumentos Musicales Electrónicos, J. B. Costa)

Ela se caracteriza pela presença apenas de harmônicos ímpares (3x, 5x, 7x etc.), cujas amplitudes decrescem exponencialmente em relação aos seus índices: a amplitude do 3o harmônico é 1/9 da fundamental, a amplitude do 5o harmônico é 1/25 da fundamental, etc. A pouca intensidade dos harmônicos faz que seu timbre seja “suave”, embora com mais “presença” do que a senoidal.

Por causa da ocorrência tímida dos harmônicos, algumas vezes esse timbre pode substituir a onda senoidal, assim como pode simular sonoridades de flauta, por exemplo (Figura 4).


Onda Quadrada

A onda quadrada pode ser obtida por um circuito analógico comparador ou por circuitos contadores digitais. Durante metade do seu ciclo essa onda está em nível “alto” e na outra metade está em nível “baixo”.

Figura 5– Forma e espectro da onda quadrada (imagem reproduzida de Nueva Generación de Instrumentos Musicales Electrónicos, J. B. Costa)

Do mesmo modo que a onda triangular, a onda retangular também só tem harmônicos ímpares (3x, 5x, 7x etc.), porém suas amplitudes decrescem linearmente em relação aos seus índices: a amplitude do 3o harmônico é 1/3 da fundamental, a amplitude do 5o harmônico é 1/5 da fundamental etc.

O timbre da onda quadrada (Figura 5) é muitas vezes descrito como um som “oco”, e se popularizou muito nos primeiros jogos eletrônicos, por ser gerado com facilidade por circuitos digitais.


Onda Pulso

Uma variação da onda quadrada (Figura 6) é a onda do tipo “pulso” (ou retangular), na qual a parte alta e a parte baixa não são iguais, isto é, não são simétricas. Essa assimetria faz que apareçam os harmônicos pares, e as amplitudes dos harmônicos variam conforme a proporção entre a largura da parte alta e da parte baixa.

Figura 6 – Formas e espectros da onda pulso em duas situações (imagem reproduzida de Nueva Generación de Instrumentos Musicales Electrónicos, J. B. Costa)

Essa forma de onda adquire uma característica muito expressiva quando a largura do pulso é modificada continuamente, de forma cíclica, produzindo uma sonoridade bastante rica e envolvente, criando um efeito de dobra. Essa modificação geralmente é realizada por meio de um oscilador auxiliar do tipo LFO.

Obviamente, todas essas formas de onda geradas por circuitos eletrônicos analógicos também podem ser obtidas por processos digitais, usando processamentos matemáticos ou mesmo por samples, e sendo convertidas para sinais analógicos por meio de conversores digital-analógico (DAC).

Entretanto, cabe observar que, a rigor, os processos digitais (ainda) não reproduzem com total fidelidade o comportamento daqueles circuitos, e por causa disso seus resultados são aproximações, ainda que extremamente convincentes. É aí que se fundamenta a questão sobre a diferença entre um sintetizador analógico real e uma simulação digital (um pouco parecido com a polêmica CD x vinil). Mas, por ora, não vamos tratar disso aqui.



Quer saber mais sobre síntese sonora e as ondas sintéticas? Clique aqui, acesse a edição 55 da revista digital gratuita Teclas & Afins e leia o artigo de Miguel Ratton!


Miguel Ratton

Miguel Ratton

Graduado em engenharia eletrônica pela UFRJ, atua há quase trinta anos em projetos e manutenção de equipamentos de áudio e de MIDI, e em projetos de sistemas de sonorização e acústica de estúdios e auditórios. Atualmente também leciona cursos de síntese sonora, áudio e acústica da Yellow (Curitiba). É autor dos livros “MIDI – Guia Básico de Referência”, “Dicionário de Áudio e Tecnologia Musical”, “Fundamentos de Áudio”, dentre outros. Para saber mais, visite ratton.com.br e facebook.com/m.ratton.eng.tec

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