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Techniques de Synthèses

Vous trouverez ici un aperçus des techniques de synthèse développés jusqu`à ce jour avec quelques exemple de synthétiseurs.

La synthèse additive

Le théorème de Fourier
C'est en 1812 que le physicien Jean-Baptiste Joseph Fourier mit à jour les bases de la composition d'un son :
"Tout mouvement périodique complexe se décompose en une somme de mouvements périodiques simples(sinusoïdes) appelés harmoniques, et dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence la plus basse (la plus grave), appelée fondamentale".

Les valeurs de ces multiples s'expriment en rangs harmoniques. Par exemple, pour une fondamentale à 440 Hz, la fréquence de l'harmonique de rang 2 est égale à 880 Hz (440 x 2), celle de l'harmonique de rang 3 est de 1 320 Hz (440 x 3) celle de l'harmonique de rang 4 est de 1760 Hz(440x4) etc...
Toute la différence entre deux sonorités périodiques de même hauteur (déterminée par la fréquence de la fondamentale) est fonction du rang des harmoniques présents (fréquences), ainsi que de leurs amplitudes. Il s'agit de la notion de timbre, qui fait la différence entre un la joué au piano et un la joué au xylophone (c'est pourtant la même note, donc la même fondamentale). Si les mouvements apériodiques se décomposent également en un ensemble de mouvements périodiques simples, leurs fréquences ne sont plus des multiples de la sinusoïde la plus grave, mais des partiels. C'est notamment le cas dans les sons de percussions. Le son produit est dit alors inharmonique (ce qui ne l'interdit pas d'être éventuellement harmonieux).
Si la synthèse additive est la synthèse la plus simple du point de vue théorique, elle est en revanche une des plus complexes à mettre en pratique de par sa définition : pour créer un son par synthèse additive, il suffit d'ajouter les harmoniques souhaités à une fréquence fondamentale, mais il est difficile de calculer l'amplitude , la fréquence et les variations temporelles de ces harmoniques. Seule les systèmes numériques ont la puissance de calcul et la précision nécessaire à la création sonore par synthèse additive.

Si le synthétiseur idéal à synthèse additive existait il serait constitué d'autant d'oscillateurs sinusoïdaux que nécessaire , destinés à produire les harmoniques . Il existe quelques systèmes à synthèse additive, possédant des fonctions avancées et des capacités de calcul très importantes. Citons la célebre 4X de lRCAM, le synthétiseur Axcel de la firme canadienne Technos ainsi que la série des Computer Musical Instruments de la société australienne Fairlight, qui sont des centrales de production musicale intégrant échantillonneur, séquenceur et modules de synthèse . Le prix prohibitif de ces machines les réserve aux studios professionnels et aux centres de recherche musicaux.
Outre les synthétiseurs à synthèse additive composés d'électronique numérique, il existe des logiciels informatiques permettant de faire de la synthèse additive. Toutefois, ils ne travaillent pas en temps réel : une fois les calculs effectués, il est nécessaire de transférer les données vers un échantillonneur qui sera alors capable de les jouer.
Certains échantillonneurs intègrent également la "transformée de Fourier", fonction permettant de séparer d'un son, sa fondamentale et l'ensemble de ses harmoniques. On peut alors travailler chacune d'entre elles individuellement avant de recomposer la forme d'onde.

Les synthétiseurs:

RMI: Harmonic Synthesizer
Kurzweil: K150
Fairlight: CMI
Kawai: K5, K5m, K5000R, K5000S
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La synthèse soustractive

Le principe de la synthèse soustractive consiste à filtrer des signaux riches en harmoniques. Simple à mettre en oeuvre et économique, la synthèse soustractive s'est naturellement imposée sur les premiers synthétiseurs, dès les années soixantes.

Sources sonores
La synthèse soustractive peut prendre une autre source que le classique oscillateur délivrant des formes d'ondes périodiques simples, que celui-ci soit analogique ou numérique. A partir de la fin des années quatre-vingts, nombre de synthétiseurs à synthèse soustractive ont utilisé des échantillons numériques comme source de synthèse. Il peut s'agir d'échantillons d'instruments acoustiques ou électriques, pris séparément (piano, guitare, orgue...) ou enregistrés ensembles (section de cuivres, de cordes...), mais également de voix ou de bruits divers

Description d'un filtre
En synthèse soustractive l'élément le plus important est le filtre. L'efficacité d'un filtre est fonction de sa pente exprimée en décibels par octave (dB/octave) ou en pôle. Le terme "pôle" fait référence au schéma typique d'un filtre ayant une pente de 6 dB/octave. Ainsi, on trouve des filtres 1 pôle , 2 pôles (12 dB/octave), 3 pôles (18 dB/octave) et 4 pôles (24 dB/octave). Additionner les pôles revient à placer des filtres identiques en série.

Il existe deux grandes familles de filtres ayant chacune un champ d'action différent sur le contenu harmonique d'un son et pouvant être assemblées afin de créer des filtres hybrides. Le filtre le plus répandu sur les synthétiseurs soustractifs est le passe-bas qui, comme son nom l'indique, agit sur les hautes fréquences du signal. L'autre type de filtre est le passe-haut, ayant une action inverse. Si l'on connecte en série un filtre passe-bas avec un filtre passe-haut, on obtient un filtre passe-bande. Enfin, la mise en parallèle de ces mêmes filtres donne naissance au filtre à réjection de bande, ou Notch.

Sur un synthétiseur soustractif, deux paramètres principaux permettent d'ajuster l'effet de filtrage : la fréquence de coupure qui est la fréquence à partir de laquelle le filtre va entrer en action, et la résonance (disponible sur certains instruments), qui permet de faire entrer le filtre en auto-oscillation. Celui-ci se comporte alors comme un oscillateur. Il est également possible de modifier l'évolution temporelle de l'effet en adjoignant au filtre une enveloppe d'amplitude.

Les synthétiseurs:

Tous les analogiques "vintage" : ARP (2500, 2600, Axxe, Odyssey, Omni-2 ?, Quadra, Solina ?, etc), Elka (Synthex, etc), Kawai (100-F, etc.), Korg (MS-10, MS-20, PS-3100, PS-3200, PS-3300, Mono/Poly, Polysix, Trident, etc.), Moog (modular, minimoog, polymoog ?, etc.), Oberheim (2-voices, 4-voices, OB-X, OB-XA, etc), Rhodes (Chroma), Roland (SH-5, SH-7, SH-9, SH-101, System-100, Jupiter-4, Jupiter-6, Jupiter-8, Juno-6, Juno-60, etc.), Sequential Circuits (Pro-One, Prophet 5, Prophet 10, etc.), Yamaha (CS-5, CS-10, CS-15, CS-40, CS-70, CS80, SY-1, SY-2, etc.), etc.
Les analogiques à commande numérique MIDI: Roland (Juno-106, JX-8P, JX-10, etc.), Oberheim (Matrix-6, Matrix-12, Xpander, Matrix-1000, etc.), Sequential Circuits (Prophet600, SixTrak, etc.), etc.
Alesis Andromeda A6 (sorti en 2001)
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La synthèse FM

La théorie
La synthèse par modulation de fréquence a été mise au point au début des années soixante-dix par l'américain John Chowning à l'université de Stanford aux Etats-Unis.
Naturellement liée aux technologies numériques, seules capables de fournir la précision nécessaire, la synthèse FM utilise un pricipe de modulation analogue à celui que l'on utilise en radiotransmission : on fait varier la fréquence d'une onde périodique, la porteuse, en fonction de l'amplitude d'une autre onde, la moduleuse. La différence entre radiotransmission et synthèse FM réside dans les gammes de fréquences employées et dans la méthode d'exploitation de la modulation : la "bande FM" utilise une porteuse dont la fréquence varie de 87.5 à 108 MHz et une moduleuse qui se situe entre 15 Hz et 20 kHz (la gamme de fréquences audibles). En synthèse FM, porteuse et moduleuse travaillent toutes deux dans la gamme des fréquences audibles.

L'utilisation
Un rapport rationnel de modulation entre porteuse et moduleuse va générer des harmoniques. Pour obtenir des partiels, afin de créer des sons percussifs par exemple, le rapport de modulation se devra d'être irrationnel.
Malgré la simplicité théorique du système et le peu de calculs nécessaires à l'obtention d'un signal, programmer un son par synthèse FM demeure toutefois une tâche délicate car l'intuition n'est pas de mise : une légère modification d'un seul paramètre peut modifier radicalement la sonorité finale, ce qui n'est pas le cas pour d'autres procédés de synthèse.

Ce fut Yamaha qui commercialisa les premiers synthétiseurs opérant par modulation de fréquence. Après s'être assuré l'exclusivité du brevet, la firme japonaise a présenté en 1983 le DX9, rapidement remplacé la même année par un modèle plus performant, le DX7.

Le DX7 intègre six oscillateurs numériques nommés opérateurs générant une forme d'onde sinusoïdale périodique de fréquence et d'amplitude ajustables. Chacun de ces opérateurs peut être défini comme porteur (il délivre alors une onde porteuse) ou comme modulateur (délivrant une onde moduleuse). Le schéma de connexion entre oscillateurs est dénommé algorithme. Chaque opérateur est associé à une enveloppe qui permet de faire varier son amplitude lorsqu'il est modulateur ou son volume lorsqu'il est porteur.

Les synthétiseurs:

Yamaha: 6 opérateurs: DX1, DX5, DX7, DX9, TX802, TX816, SY/TG77, SY/TG99, etc. 4 opérateurs: DX21, TX81Z, FB01, YS100, YS200, etc.
Elka: EK22, EK44
Korg: 707, DS8
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La synthèse par distorsion de phase

C'est en 1984, avec la commercialisation du Casio CZ 101, que la synthèse par distorsion de phase fit son apparition. Un concept original alliant l'ergonomie de l'analogique et la richesse des oscillateurs numériques. Compatible avec l'ensemble des modèles de la série CZ, la synthèse par distorsion de phase utilise un algorithme qui provoque une distorion de la phase du signal d'origine : des oscillateurs numériques lisent à une vitesse inverse à celle de la fréquence désirée des listes de valeurs correspondant à l'amplitude d'une onde sinusoïdale. Pour distordre la phase, il suffit donc de faire varier la vitesse de lecture. Ce procédé permet de générer toutes les formes d'ondes périodiques simples (dents de scie, carré, impulsions...) mais aussi des formes d'ondes plus complexes composées d'ondes simples (double sinus, trapèze, dents de scie plus carré, etc.).
La synthèse par distorsion de phase est une exclusivité de la marque japonaise Casio.

Les synthzétiseurs:

Casio série CZ (expandeurs série VZ)
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La synthèse à tables d'ondes Wavetable Synthesis

La synthèse à table d'ondes est une amélioration de la synthèse soustractive, dont le but est de ramener de la section filtre vers la section oscillateur le lieu de détermination du son.
Le principe de la table d'onde est simple : à la place d'une forme d'onde cyclique (carré, sinus ou triangle), on trouve une suite de formes d'ondes, chacune légèrement différente de la précédente. Le synthétiseur utilise cette suite de forme d'ondes (appellé table) de façon soit statique (une onde en boucle), soit dynamique en assignant un modulateur (LFO, enveloppe) au balayage de la table d'onde, c'est à dire une lecture successive d'un certain nombres des ondes de la table. De plus ces synthés sont capables de passer progressivement d'une forme d'onde à une autre par une interpolation ou un morphing. Si cette méthode ne permet pas une imitation réaliste de sonorités acoustique (piano , cuivres etc...), son potentiel créatif est énorme et original.

Les synthétiseurs:

Ensoniq: VFX, série TS
Korg: Wavestation, WS-A/D, WS-SR
PPG: Wave 2.3
Waldorf: Wave, Microwave
Waldorf Bloefeld wavetable synthesizer
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La synthèse vectorielle

La synthèse vectorielle a pour base le mélange manuel, grâce à un joystick, de quatres oscillateurs à formes d'ondes différentes, synchronisées et désaccordables. Le mouvement du joystick peut être commandé par la modulation d'un LFO. La synthèse vectorielle est plus un système de contrôle du son qu'un système de modification ou de création du timbre final par des processus électroniques.

Les synthétiseurs:

Korg: Wavestation, WS/AD, WS/SR
Sequential Circuits: Prophet VS
Yamaha: SY22, TG33, SY35
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La synthèse L.A. Linear Arithmetic

La synthèse L.A. (Linear Arithmetic) est le nom qu'a utilisé Roland dans les années 80 pour baptiser son approche des synthétiseurs numériques. Cette synthèse consistait à combiner une banque d'attaques de sons échantillonnés avec des formes d'ondes synthétiques et simples. En gros le principe est semblable à un bon sampler qui utilise plusieurs partie d'ondes pour les divers partie de enveloppe du son. LA ne s'occupe que de 2 partie l'attaque et le reste de enveloppe plus simple.

Les synthétiseurs:

Roland:D50, D10, D110, D20, D70, CM32L, D5 ou MT-32.
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La synthèse waveshaping

Le waveshaping est une méthode capable de transformer des formes d'ondes en temps réel afin d'animer ou de transformer leur contenu en fréquence. Le waveshaping rajoute au son d'origine des harmoniques complémentaires.

Les synthétiseurs:

Korg: 01/W et série T
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La synthèse par morphing

La synthèse par morphing, développée par le constructeur américain E-Mu, utilise comme base technique le composant nécessaire à la synthèse soustractive, c'est-à-dire le filtre. La synthèse par morphing implique l'utilisation des technologies numériques, seules capable de générer les calculs nécessaires. En effet, le morphing ne se limite pas au classique filtre 4 pôles de la synthèse soustractive, mais offre plusieurs filtres ayant des pentes pouvant atteindre 14 pôles. Le processus de morphing consiste donc à créer une transition d'un état de filtres à un autre, divers paramètres permettant de régler la vitesse de transition, le nombre d'étapes et les profils de filtrage pour chacune de ces étapes. Nombre de schémas de connexion entre filtres sont possibles.

Les synthétiseurs:

E-Mu
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Les lecteurs d'échantillons

La lecture d'échantillons
Constituant la majeur partie des instruments électroniques actuels, la lecture d'échantillons est un moyen facile de fabriquer des synthétiseurs à synthèse soustractive. En effet, plutôt que de fabriquer des formes d'ondes originales et évolutives, on s'est dit qu'il était interessant de stocker une multitude d'échantillons sonores et de s'en servir de base pour créer des timbres complexes. Cette technique a rendu très réalistes les instruments basés sur ce principe. A cause du caractère reconnaissable d'un certain nombre d'échantillons, il est parfois difficile de créer des sons radicalement nouveaux. Cette synthèse selon les marques a pris des dénominations diverses : PCM et AI2 pour Korg, AWM et AWM2 pour Yamaha, VAST pour Kurzweil etc...

Les synthétiseurs lecteur d'échantillons simples:
Le propre d'un lecteur d'échantillons est de fournir un maximum de sons prêts à l'emploi, dans les styles divers et variés, de la panoplie philharmonique (E-Mu Proteus 2, E-Mu Virtuoso 2000, E-Mu Planet Earth, Roland M-SE1, Roland M-OC1, etc.) à la compilation des Synthé Story (Roland JD-800, Roland M-VS1, E-Mu Vintage Keys, etc.). La programmation de cette catégorie d'instrument n'est pas aussi poussée que sur de véritables synthétiseurs, puisque les formes d'ondes de l'oscillateur sont figées en ROM et aucune modification de celles-ci n'est possible. Les sons conservent invariablement la même allure…

Les lecteurs d'échantillons avancé:
Ces lecteurs d'échantillons ou échantillonneurs (samplers) sont avec des modules de filtrage d'enveloppe(s) et de LFO(s) qui permettent de modifier le son initial. Le Roland D50 ou le Korg M1 ouvrirent cette voie. Cette synthèse selon les marques a pris des dénominations diverses : PCM pour Roland, AI et AI2 pour Korg, AWM et AWM2 pour Yamaha, V.A.S.T. pour Kurzweil etc…

Les synthétiseurs:

E-Mu: Proteus 1 et 2, Virtuoso 2000, Planet Earth, Vintage Keys
Roland: M-SE1, M-OC1, etc JD-800, M-VS1
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Les échantilonneurs et samplers

Le Mellotron (1962) est un peu le père des samplers , il utilise des bandes magnétiques continue comme supports aux échantillons analogiques. Le temp de chargement de sons étais très long.

Les échantillonneurs permettent d'enregistrer et de configurer personnellement les sons enregistrés. Les manipulations ont progressivement évolué avec l'avancé de la technologie numérique et l'informatique. Des instruments mythiques tell que le Mirage de Ensoniq et le Fairlight sont à l'origine de toute une palette de produits divisé 2 groupes les instruments musicaux et les boites à rythme pour sample de rythme.

Les samplers:
E-mu system: E4XT,ESI 2000, E-5000, ESI-6400
Yamaha: A4000, A5000, EX5
Kurzweil : K2000, K2500 ( propre format de son)
Akai:: S1000, S3000, S5000, S6000
Ensoniq: ARS10,
Korg: Triton

Drum and groove sampler:
Ensoniq:ASR-X pro
Yamaha:SU700
Akai: MPC60, MPC200,MPC3000
Roland:SP-808
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La synthèse à modélisation virtuelle

La supériorité des instruments acoustiques sur les synthétiseurs tient surtout dans leurs grandes possibilités expressives : ils répondent de manière sensible à toutes les sollicitations du musicien. La synthèse par modélisation virtuelle est un procédé de synthèse acoustique offrant un réel contrôle expressif du son produit. La synthèse par modélisation intègre en fait deux modèles de synthèses utilisant le même principe mais n'offrant pas les mêmes contrôles ni les mêmes sonorités : le procédé dit à oscillations entretenues est particulièrement destiné à concevoir des sons d'instruments à cordes frottées ou à vent. Le procédé dit à oscillations libres, est lui réservé aux sons percussifs et aux cordes frappées. Cette synthèse utilise comme source des modèles de phénomènes physiques observés sur des instruments acoustiques et traduits en algorithmes. La grande nouveauté du procédé inventé par Yamaha est sa capacité à travailler en temps réel, procédé qui nécessite des unités de calcul particulièrement performantes. En effet, l'instrument modélisé sous forme de calculs mathématiques est recalculé en permanence dans son intégralité. Une fois l'algorithme choisi (tel type de corps d'instrument), le son est créé à partir de divers paramètres : la pression, qui est l'énergie produite sur l'instrument, l'embouchure, qui est le type de contrôleur virtuel de l'instrument (le bec d'une flûte, l'archet d'un violon...), l'amortissement de l'air dans le corps de l'instrument... Ces contrôleurs peuvent être associés de multiples façons. D'autres modules assistent les contrôleurs tels que l'ajout de souffle, le filtre (à l'instar de la synthèse soustractive), la hauteur et le vibrato. L'ensemble de ces paramètres est modifiable en temps réel.

Le premier synthétiseur à modélisation virtuelle commercialisé fut le VL 1 de Yamaha, en 1994. Polyphonique à deux voies, c'est un istrument soliste. Dès l'année suivante, d'autres constructeurs se mirent aussi à ce type de synthèse et proposèrent des claviers moins onéreux pour une partie modélisation plus limitée que celle du VL 1, mais offrant d'autres procédés de synthèse complémentaires (c'est le cas du Prophecy de Korg).

Les synthétiseurs:

Korg: Prophecy
Yamaha: VL1
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La synthèse à modélisation analogique virtuelle

Cas particulier de la synthèse précédente, cette technique permet de simuler l'architecture de générateurs sonores propres aux machines analogiques d'antan, mais de façon numérique. Les composants des synthétiseurs analogiques n'existent que virtuellement sous forme d'instructions logicielles assemblées par des spécialistes en traitements numériques des signaux. Par ce moyen on échappe aux inconvénients liés à l'utilisation des circuits analogiques comme l'instabilité de l'accordage ou la difficulté d'enregistrement précis des réglages. De plus les vitesses de calcul des circuits DSP actuels permettent d'aller au delà des performances des premiers synthétiseurs analogiques (exemple :le contrôle virtuel des paramètres de synthèses par Midi).

Synthétiseurs à modélisation analogique virtuelle
Les Nordlead et les Nord Modular de Clavia, le JP-8000 de Roland, l'AN1X de Yamaha et le SuperNova de Novation sont des synthétiseurs à modélisation analogique virtuelle. On trouve actuellement de plus en plus d'applications uniquement logicielle donc sans Hardware qui utilise la puissance du processeur d'un ordinateur et qui simule virtuellement un synthétiseur.

Les synthétiseurs:

Clavia: Nordlead 2,Nordlead 2X,Nordlead 3,Nord Modular G2
Rolandle JP-8000
Yamaha: AN1X
Oberheim:'OB-12
Novation: SuperNova
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La resynthèse additive

La resynthèse se base sur l'analyse d'un signal samplé découpé en fréquences et amplitude et recomposé par un synthése additive se la transformé de Fourrier. L'intéret de la resynthèse est que le profile des harmoniques peut être retravaillé en temp réel. La resynthèse est d'ailleur une partie de certains procédés de morphing. Si l'idée semble simple l'application du principe n'a pu se faire qu'avec l'émergence et la puissance de calcule des ordinateurs. Ceci explique aussi le prix élevé par exemple du Synclavier qui se vendait dans les années 80 jusqu'à 200.000 Dollars.
Actuellement cette forme de synthèse revient sous forme de synthétiseur virtuel dans Cube. Je pense qu'avec la puissance croissante de nos futurs processeurs , nous verrons émerger de nouveau produits utilisant cette technologie..

NED:Synclavier II
Technos:Acxel (1987)
Virsyn: Cube (VST)
Camel audio: Cameleon 5000 (vst)

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Synthèse de résonance neuronal (la resynthèse soustractive)

La resynthèse soustractive est le terme que permet le mieux ou le plus simplement à expliquer cette technologie. Dévellopé par Axel Hartmann et son équipe d'ingénieur depuis 2000, ce système exploite les éléments actifs en temp réel c'est à dire les DSP pour moduler le son. L'analyse du son est convertis en fonctions mathématique dynamiques et non en structure rigide comme une série de sinus ou une série de byte comme le sampling. Le principe utilse les mathématique de filtre de résonnace (d'où le rapprochement avec la synthèse soustractive) et une connexion de type neuronal entre les modules. Par ce principe le filtre peut soit être un filtre pour une source d'onde ou devenir lui-même une souce d'onde selon les données qui lui sont transmise. L'interconnexion se base sur le schémas de neuron c'est à dire d'échange d'information dyamique quasi organique.Pour se faire une idée , il faut l'avoir entendu. Une simulation plus ou moins rigide peut être obtenu avec la synthèse à modélisation analogique virtuelle. L'usage en est assez simple un joystick control un morphing entre 4 sources d'onde et un joystick control un morphing entre 4 types de filtre (présentation simplifié).

Les synthétiseurs:
Hartmann: Neuro , Neuron Vst
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La synthèse hybride

Certains constructeurs ont mélangé différents type de synthèse afin d'augmenter la potentialité créatrice du synthétiseur: soustractif + échantillons, soustractif + table d'ondes, soustractif + vectoriel, soustractif + échantillons + FM, etc. On retrouve ce genre de configuation sur les Workstations moderne, un séquenceur est généralement inclus dans ce genre d'appareille.

Les synthétiseurs:
Korg M1
Kurzweil : K2000, K2500
NED:Synclavier I et II
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La synthèse virtuelle

La sythèse virtuelle se base sur l'utilisation de l'ordinateur et de logiciels modulaires tell que par exemple REAKTOR 5.0 ,Synthedit ,Synthmaker etc. qui permettent de reproduire des divers procédés de synthèse et de filtre de toute forme et de les recomposer dans des ordres nouveau pour la création d'un nouvel instrument. Des logiciels tel que Csound vont encore plus loins et utilise directement un language de programmation pour définir un son, fabriquer des routines personnels et créer de nouvelles idées. Une rubrique particulière a été mis en place pour ce sujet.

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Avec les remerciemments à Claude Borne auteur de la base de cet article.