Synthèse soustractive : oscillateur, filtre et VCA expliqués
Oscillateur, filtre, VCA, enveloppes et LFO : comment fonctionne la synthèse soustractive, avec un schéma de la chaîne et trois recettes pour programmer ses sons.
La synthèse soustractive est la méthode de la grande majorité des synthés analogiques, du Minimoog de 1970 aux polyphoniques actuels. Son principe tient en une image : on part d’un son riche en harmoniques, produit par un oscillateur, puis on en retire une partie avec un filtre, comme un sculpteur enlève de la matière, avant de donner une forme dans le temps au volume avec un amplificateur piloté par une enveloppe. Trois blocs, quelques réglages : les maîtriser suffit pour programmer ses propres basses, nappes et solos plutôt que de dépendre des presets.
Le principe : partir d’un son riche
Tout son musical se décompose en une fondamentale, la fréquence qui donne la hauteur de la note, et des harmoniques, des fréquences multiples de la fondamentale qui donnent le timbre. Un la à 110 Hz contient ainsi des composantes à 220, 330, 440 Hz et au-delà. Plus un son contient d’harmoniques aiguës, plus il paraît brillant ; moins il en contient, plus il paraît rond ou sourd.
La synthèse soustractive exploite cette idée dans un seul sens : l’oscillateur fournit beaucoup d’harmoniques, le filtre décide lesquelles on garde. C’est l’inverse de la synthèse FM, qui crée des harmoniques en modulant des ondes simples, ou de la synthèse additive, qui les empile une à une.
L’oscillateur et ses formes d’onde
L’oscillateur (VCO, pour voltage controlled oscillator : oscillateur dont la hauteur se pilote par une tension) produit une forme d’onde répétée à la fréquence de la note jouée. Chaque forme a sa signature harmonique :
| Forme d’onde | Harmoniques présentes | Caractère | Usages typiques |
|---|---|---|---|
| Dent de scie | toutes, d’amplitude décroissante (1/n) | brillant, cuivré | cordes, cuivres, basses, nappes |
| Carrée | impaires seulement (1/n) | creux, boisé | clarinette, basses, sons « 8 bits » |
| Impulsion (rectangle étroit) | variables selon la largeur | nasal, fin | clavinet, sons percussifs, PWM |
| Triangle | impaires, très faibles (1/n²) | doux, proche de la flûte | sifflements, sub-basses |
| Sinusoïde | aucune, la fondamentale seule | pur, sans timbre | sub-basse, source de modulation |
| Bruit | toutes les fréquences au hasard | souffle | vent, caisses claires, cymbales, transitoires |
La dent de scie est la matière première par excellence : elle contient tout, donc le filtre a de quoi travailler. Plusieurs réglages enrichissent encore la source :
- le désaccord (detune) : deux oscillateurs légèrement décalés battent entre eux et épaississent le son ;
- le sous-oscillateur : une onde une ou deux octaves sous la note, pour le poids dans le grave ;
- la modulation de largeur d’impulsion (PWM) : la largeur de l’onde carrée varie en continu, ce qui donne un effet de chorus naturel ;
- la synchronisation (sync) : un oscillateur force l’autre à redémarrer son cycle, d’où les solos agressifs typiques des années 1980.
Un mélangeur (mixer) dose ensuite les oscillateurs et le bruit avant le filtre. Pousser son niveau sature parfois légèrement l’entrée du filtre, une saturation recherchée sur certains instruments.
Le filtre : le cœur du son
Le filtre (VCF) atténue une partie du spectre. Le plus courant est le passe-bas : il laisse passer les graves et retire les aigus au-dessus d’une fréquence choisie. Deux réglages font l’essentiel du travail :
- la fréquence de coupure (cutoff) : le point à partir duquel le filtre agit. Basse, le son est sourd ; haute, il est ouvert et brillant ;
- la résonance (resonance, emphasis ou Q) : elle accentue les fréquences juste autour de la coupure. À fond, beaucoup de filtres analogiques auto-oscillent et produisent une sinusoïde jouable comme un oscillateur supplémentaire.
La pente : 12 ou 24 dB par octave
La pente dit à quelle vitesse le filtre atténue au-delà de la coupure. Un filtre à 2 pôles retire 12 dB par octave : le son reste plus ouvert, plus « nasal », comme sur le filtre multimode de l’Oberheim SEM. Un filtre à 4 pôles retire 24 dB par octave : le grave reste plein mais les aigus disparaissent nettement, comme avec le célèbre filtre en échelle (ladder) du Minimoog. Aucune pente n’est meilleure qu’une autre : elles servent des sons différents, et beaucoup de synthés récents permettent de choisir.
Les autres types de filtres
- passe-haut : retire les graves, pour alléger une nappe ou un son de cymbale ;
- passe-bande : ne garde qu’une zone autour de la coupure, pour des timbres téléphoniques ou vocaux ;
- coupe-bande (notch) : creuse une zone étroite, utile en mouvement pour un effet de phasing.
Dernier réglage à connaître : le suivi de clavier (key tracking). Il ouvre le filtre à mesure qu’on joue aigu, pour que les notes hautes ne paraissent pas étouffées.
L’amplificateur et les enveloppes
L’amplificateur (VCA, voltage controlled amplifier) règle le volume de la voix. Seul, il ne fait rien d’intéressant : c’est l’enveloppe qui lui donne une forme dans le temps, avec ses quatre étapes attaque, decay, sustain et release, détaillées dans notre article sur l’enveloppe ADSR. Une attaque nulle donne un son percussif, une attaque lente une nappe qui gonfle.
La plupart des synthés soustractifs ont une seconde enveloppe dédiée au filtre. Avec un réglage de quantité (amount), elle ouvre la coupure à chaque note puis la referme : c’est le « wah » d’une basse funk ou le « pluck » d’un son de harpe. Certains filtres acceptent une quantité négative, qui referme le filtre à l’attaque au lieu de l’ouvrir ; le Behringer Polyeight, par exemple, propose une commande d’enveloppe positive ou négative.
Le LFO : le mouvement
Le LFO (low frequency oscillator) est un oscillateur trop lent pour s’entendre, de quelques dixièmes de hertz à quelques dizaines. On ne l’écoute pas : on s’en sert pour faire varier un autre paramètre. Selon sa destination, il produit :
- sur la hauteur de l’oscillateur : un vibrato ;
- sur la coupure du filtre : un wah cyclique ;
- sur le VCA : un trémolo ;
- sur la largeur d’impulsion : la PWM évoquée plus haut.
Assigner une molette ou l’aftertouch à la quantité de LFO permet de doser l’effet en jouant ; notre guide sur l’aftertouch et le MPE détaille ce que chaque clavier transmet.
La chaîne complète
Mis bout à bout, ces blocs forment une voix. Un synthé monophonique en a une ; un polyphonique en aligne plusieurs, une par note jouée simultanément, comme l’explique notre article sur polyphonie et paraphonie.
Sur un synthé semi-modulaire ou un système Eurorack, ces liaisons passent par des câbles et des tensions de contrôle, ce qui permet de les réordonner librement ; notre article sur le CV/Gate explique ce principe.
Trois recettes pour démarrer
Partir d’un patch « initialisé » (oscillateur en dent de scie, filtre ouvert, enveloppes neutres), puis appliquer ces réglages :
| Son | Oscillateurs | Filtre | Enveloppes |
|---|---|---|---|
| Basse ronde | dent de scie + sous-oscillateur à −1 octave | passe-bas 24 dB, coupure basse, résonance faible | filtre : decay court, sustain bas, quantité moyenne ; ampli : attaque nulle, sustain maximal |
| Nappe de cordes | deux dents de scie légèrement désaccordées | passe-bas 12 dB, coupure moyenne, suivi de clavier à moitié | ampli : attaque et release longues ; LFO lent et léger sur la hauteur |
| Solo acide | une dent de scie ou une carrée | passe-bas, résonance élevée | filtre : decay court, quantité forte, accentuée par la vélocité ; glissando (portamento) court |
Ces valeurs sont des points de départ : chaque filtre réagit à sa manière, et c’est précisément ce qui donne leur caractère aux instruments.
Où pratiquer
Presque tous les synthés analogiques fonctionnent ainsi, des modèles d’entrée de gamme présentés dans notre guide du premier synthé aux grands polyphoniques comme le Roland JUPITER-08. Pour approfondir la théorie, la série « Synth Secrets » de Gordon Reid, publiée par Sound On Sound et consultable en ligne, reste la référence la plus complète sur le sujet. Les prochains articles de la rubrique Synthèse soustractive détailleront chaque bloc, filtre en tête.