Instrumentos eléctricos y electrónicos

En los últimos cien años, la electricidad ha reemplazado a otras formas de energía en numerosas actividades humanas. No es sorprendente, por tanto, que esta corriente haya alcanzado también a los instrumentos musicales.

Clasificación de los instrumentos musicales eléctricos

Con amplificación eléctrica: el sonido, que se produce en algún generador natural, se amplifica utilizando la electricidad.

Con generación eléctrica completa: tanto la vibración inicial como la amplificación se realizan eléctricamente.

Sintetizadores: la electricidad produce la vibración inicial, la amplificación final y también produce las notas.

Instrumentos con amplificación eléctrica

Durante el siglo XIX, empezó a aumentar la demanda de mayor volumen en las representaciones musicales. Como consecuencia se fue concentrando el interés de los fabricantes de instrumentos en la mejora del acoplamiento de la energía de vibración con el aire exterior. De esta forma algunos instrumentos evolucionaron hacia modelos mayores y más costosos, mientras otros mejoraban sus cajas de resonancia.
Con el desarrollo de la tecnología de procesado de señales, aparecieron nuevas posibilidades de solución a estas nuevas necesidades. El proceso podría resumirse de la siguiente forma: la nota es producida por el método tradicional (por ejemplo en la cuerda de un piano) y transformada en una señal eléctrica que después es amplificada para volverla a transformar en una señal acústica.
Existen varias formas de realizar la transformación de una vibración en corriente eléctrica. En todas ellas se utilizan transductores, que son dispositivos que convierten una forma cualquiera de energía en otra. El dispositivo más utilizado en los instrumentos con amplificación eléctrica es el transductor electromagnético.

Se basa en la ley de inducción de Faraday:
Cuando el flujo del campo magnético, Φ, a través de una espira conductora varía con el tiempo, en la espira se induce una fuerza electromotriz, ε, que se opone al cambio de flujo:

La transformación de la vibración de la cuerda en una corriente alterna la realiza un pequeño imán situado directamente bajo las cuerdas. Las cuerdas están fabricadas de acero, y, por lo tanto, pueden ser imanadas. Cuando la cuerda vibra hacia un lado y hacia otro distorsiona ligeramente el campo magnético del imán, siendo detectada esta distorsión por un pequeño arrollamiento de hilo de cobre. El cobre no es un material magnético, por lo que el arrollamiento no se mueve y detecta cambios en el flujo del campo magnético del imán. Estos cambios se convierten en corriente inducida en el arrollamiento con lo que las vibraciones de la cuerda han sido reproducidas.

Instrumentos con generación eléctrica completa

El siguiente paso fue eliminar el generador sonoro (cuerda, varilla,...) y sustituirlo por otro de origen eléctrico. En la actualidad es posible construir circuitos eléctricos que produzcan una señal oscilatoria armónica, es decir con una única frecuencia. Además, es posible combinar este tipo de señales y producir ondas más complejas. Cuando se empezaron a diseñar instrumentos musicales con estos circuitos, hubo que elegir cómo hacer el cambio de frecuencias para conseguir la escala musical. Una forma era utilizar un circuito diferente para cada una de las notas de la escala, y una serie de interruptores para poner en marcha cada circuito. Otra, era el procesado de señales. Las casas comerciales utilizan esta segunda alternativa.

Uno de los diseños de órgano eléctrico consiste en un sistema de alternadores eléctricos, uno para cada nota. Su generador de frecuencias consiste en un eje rotatorio en el que se montan discos cuyo borde exterior está de forma simétrica. La rotación de la cuerda produce un cambio en el flujo del imán permanente a través del arrollamiento, que a su vez induce un voltaje alterno correspondiente a las ondulaciones del disco.

Las salidas de los generadores se mezclan y amplifican. Las variaciones eléctricas se convierten en sonido en los altavoces. Se pueden producir noventa frecuencias diferentes de esta forma, que corresponden a las frecuencias fundamentales y los sobretonos de las doce notas de la octava más alta de la escala temperada de un teclado. El resto de las octavas se consiguen con circuitos divisores de frecuencias. Para mejorar el timbre se utilizan circuitos más complicados. Aunque los órganos electrónicos son los instrumentos más populares de este grupo durante los años 20 y 30 se crearon otros instrumentos como el trautonio, el esterofón, etc.

Sintetizadores

Con el desarrollo de la electrónica y la aparición de las computadoras se pudo empezar a aplicar el conocimiento teórico del análisis espectral, que Fourier había desarrollado anteriormente, y producir sonidos con un contenido armónico cualquiera (síntesis sonora). El éxito empezó a aparecer cuando se descubrió que las notas musicales producidas por un instrumento tradicional cambian continuamente con el tiempo, y que este cambio temporal es característico del instrumento. Por tanto no es suficiente tratar una nota musical como una superposición de armónicos estables, sino que hay que tener en cuenta también los transitorios (ataque y extinción), en los que se producen sobretonos que no son armónicos del fundamental.
Los sintetizadores son aquellos instrumentos que generan sonido utilizando uno o varios métodos de síntesis. Actualmente, la mayoría genera y procesa la señal de forma digital, convirtiéndola en analógica a la salida. La forma más común de sintetizador es la de un órgano electrónico, que incluye un teclado y mandos para controlar el timbre. Podemos clasificarlos en no programables y programables. Los primeros constan de una serie de sonidos “enlatados” que el usuario selecciona pero no puede variar. Los sintetizadores programables pueden crear sus propios sonidos. Constan de tres partes: controles de interpretación musical, controles de programación y sistema de generación sonora.
La síntesis electrónica de sonido puede realizarse generando y modificando todo tipo de sonidos originales. El dispositivo elemental más importante para la síntesis es el oscilador. Su efecto consiste en repetir cíclicamente una forma de onda determinada, produciendo así una oscilación periódica. Esta señal periódica puede variar con sus parámetros de entrada: forma de la onda, frecuencia y amplitud. Los timbres que se obtienen de un oscilador son electrónicos, ya que su espectro es armónico y se mantiene siempre fijo. Sin embargo pueden enriquecerse aplicándoles envolventes y modulaciones a distintos parámetros. Las señales obtenidas con los osciladores pueden ser procesadas para obtener sonidos de determinadas características.

Síntesis sustractiva: en este método se parte de una señal rica en armónicos que se pasa a través de un filtro que modifica su espectro, atenuando ciertos parciales y reforzando otros.

Síntesis adictiva: consiste en sumar una serie de parciales o armónicos sinusoidales, cuyas amplitudes crecen y decrecen durante la emisión de la nota. Es una técnica lenta y de elevado costo, ya que la generación correcta requiere muchos armónicos, lo que exige un volumen computacional considerable.

Síntesis por modulación de frecuencia: es el método que han adoptado la mayoría de fabricantes de sintetizadores de teclado. Consiste básicamente en variar la frecuencia de una forma de onda, denominada portadora, de acuerdo con la amplitud de otra forma de onda, denominada moduladora con frecuencia propia. Se llama índice de modulación al cociente entre la amplitud de la moduladora y su frecuencia. El efecto de esta modulación en el espectro es que se originan otros parciales más agudos y más graves en torno a la frecuencia de la forma de onda, llamadas bandas laterales.

Diagrama de bloques de un sintetizador elemental

El teclado es el controlador más popular para todo tipo de sintetizadores. Se trata de una fuente que suministra tensiones proporcionales a la tecla que se oprime. En los sintetizadores polifónicos, más modernos, se obtienen varias tensiones de control, una para cada tecla pulsada. El teclado también puede proporcionar otras tensiones de control, como puede ser la velocidad de pulsación de la tecla, o la presión sobre la misma, lo que permite aumentar las posibilidades expresivas del sintetizador.
Para el funcionamiento del conjunto de módulos, el teclado suministra varias señales de control:
Un impulso de disparo cada vez que se oprime una tecla, que se utiliza para iniciar los generadores de envolvente.
Un escalón de tensión de duración igual al tiempo que la tecla está pulsada, que permite generar las señales de mantenimiento y relajación del generador ADSR.
Un nivel de tensión discreto correspondiente a la tecla pulsada, de tal modo que 1V corresponde a una diferencia de una octava.
Una señal de control de portamento, que permite generar un deslizamiento entre dos notas.
Una memoria analógica que mantiene la tensión de la última tecla oprimida.

Se trata de la fuente de sonido básica del sintetizador. La frecuencia de la señal que genera se obtiene como suma algebraica de las tensiones de control aplicadas a sus entradas. En los sintetizadores se usan VCO con respuesta exponencial normalizada a 1V/octava. Dispone de varias formas de onda, senoidal, diente de sierra, triangular y cuadrada, y cada una de ellas dará un tipo de sonido peculiar y diferente, dado el distinto contenido armónico que tienen.

Es un dispositivo que permite la combinación de una serie de señales de entrada en las proporciones deseadas de modo que se obtiene otra señal que es la combinación de aquellas.

ADSR es el acrónimo de attack, decay, sustain release, y se refiere a cuatro zonas características de la amplitud de una señal de control. Las zonas ADR se refieren a tiempos, mientras que S se refiere a un nivel. Estos generadores de envolvente controlarán tanto la amplitud de la señal sonora como la respuesta del filtro.

La combinación de un generador ADSR y un VCA imparte a los sonidos que modifica unas determinadas características de ataque y decaimiento en su intensidad, de modo que permite la simulación de la dinámica de diversos instrumentos. También es posible modular en amplitud la señal que se procesa para añadir trémolos y otros efectos que dependerán mucho de la frecuencia de la señal moduladora.

El filtro es un elemento que permite el paso de unas determinadas frecuencias de la señal de entrada, y es el equivalente eléctrico de los resonadores acústicos de los instrumentos tradicionales, como la caja del violín, que da el sonido característico del instrumento. Este filtro se puede configurar en varios modos, paso bajo, paso alto, paso de banda y rechazo de banda, según sea el efecto que deseamos resaltar o atenuar de la onda básica generada por los VCO.
Los parámetros característicos de un filtro son la frecuencia de corte, a partir de la cual la respuesta es la mitad, y la pendiente del filtro, que determina la atenuación de los sucesivos armónicos de la señal de entrada.

Generalmente se compone de varios osciladores independientes, controlados por tensión, con varias formas de onda cada uno, y que se sitúan en la banda de bajas frecuencias, hasta unos 20Hz. Su salida puede usarse tanto para controlar la amplitud, trémolo, como la frecuencia, vibrato, de los VCO, obteniendo sonoridades muy variadas.

Suelen proporcionar ruido blanco y rosa, así como una salida de tensión de control aleatoria, pero ajustable en ciertos parámetros. Estas tres señales sirven para producir sonidos no convencionales similares a los naturales, desde el mar al trueno y el siseo del aire.

Glosario

ADSR. Attack, Decay, Sustain, Release, ataque, decaimiento, sostenimiento y relajación.
Ruido blanco. Teóricamente, una señal que contiene todas las frecuencias. En la realidad se trata de ruido rosa, que es el ruido blaco filtrado dentro del espectro audible.
VCA. Voltage Controled Oscilator, oscilador controlado por tensión.
VCF. Voltage Controled Filter, filtro controlado por tensión.
VCO. Voltage Controled Oscilator, oscilador controlado por tensión.

CB303

Es un módulo de sonido analógico, en el que se ha intentado mantener el sonido duro y la estética en la serigrafía de la maravillosa máquina de los 80, la TB-303.

Características

Alimentación directa a 220V
Entrada de MIDI IN, 5 octavas
Forma de onda cuadrada y diente de sierra
Filtro pasobajo de 24 dB
Salidas: MIDI THRU, OUT, GATE, CV, HEADPHONE

Diagrama de bloques

MIDI a CV-GATE

Los mensajes MIDI que proporcionan los teclados, los secuenciadores o las tarjetas de sonido, solo es información acerca de cómo se ha actuado sobre ellos, no nos envían sonidos como tales; así por ejemplo ante la pulsación de una tecla, crearían un mensaje MIDI compuesto de tres Bytes, el primer byte sería el número de canal que tiene que responder a este mensaje más un código NOTE_ON que informa al equipo receptor que se ha pulsado una tecla; el segundo byte nos informa el número de la tecla que se ha pulsado y el tercero la velocidad con que se ha pulsado. Todo esto es transmitido a través de dos hilos, por tanto los bytes tienen que ser enviados en serie, es decir cada bit del byte por separado y con una velocidad constante de 31250 bits por segundo.
Cualquier sintetizador o máquina de sonido que tenga que ser controlada por MIDI, debe primero transformar los mensajes serie a paralelo y luego interpretarlos. La CB-303, no va a ser menos y por tanto necesita un bloque que realice esto. Este bloque, basado en un microcontrolador 8031, está destinado a recibir los mensajes MIDI de un teclado o de la tarjeta de sonido, de forma que ante los mensajes NoteOn y NoteOff, activa o desactiva la señal de GATE, mientras durase la nota.
El tono de la nota es convertido en una señal lineal desde 0 a -5V, correspondiendo 1 Voltio por octava.
Si la velocidad de la nota es mayor de 120, se activaría la señal de accent.
Si mientras suena una nota, se activa otra, se apaga la primera.
Los mensajes MIDI van destinados a canales de forma que cada uno de ellos responda a sus mensajes: mediante unos microinterruptores, se selecciona el canal al que asociamos el CB-303.

VCO

El sonido es una variación de presión en el aire que recoge nuestro oído, normalmente esta variación de presión la emite un elemento que está en movimiento; si este movimiento es lento, el oído no percibe estas variaciones, pero si el movimiento es repetitivo y con una cierta velocidad, comenzamos a escuchar, primero una vibración sorda y según aumentamos la velocidad se va haciendo un zumbido, después un silbido, hasta que, cuando la velocidad del movimiento es tan alta, ya no podemos oír nada. A las veces que se repiten estos movimientos por segundo es a lo que se llama frecuencia, y al elemento que se mueve, oscilador.
Pues el VCO no es otra cosa que un oscilador controlado por tensión, es decir que podemos aumentar o disminuir su frecuencia, con solo variar la tensión que aplicamos a su entrada. Si la salida de este bloque, la aplicásemos directamente a un amplificador, ya podríamos escuchar las notas musicales, cada una con su propia frecuencia.
Por otra parte tenemos que saber que dos sonidos que tengan la misma frecuencia, pueden parecernos distintos, es decir que tengan distinto timbre, esto se debe a varios factores, pero el principal es la forma en que se realiza el movimiento. Eléctricamente corresponde a la forma de onda que crea el oscilador.
Centrándonos en la CB-303, este es capaz de generar 100Hz por cada voltio que se le aplique a la entrada, y por otra parte, puede generar dos formas de onda diferentes, que son las básicas del TB-303, la onda cuadrada y la onda en diente de sierra.
El original TB-303, tiene una característica, que hace que su sonido sea a veces un tanto especial, que es el deslizamiento entre notas, SLIDE, en este proyecto también se ha implementado, pero de una forma especial, también usada por otros sintetizadores.

Exponenciador

La relación de frecuencias entre dos octavas consecutivas es de 2, y entre una nota y otra es de raíz doceava de 2, de forma que las frecuencias para la nota C de cada octava quedan como muestra la tabla.

Nota	Frecuencia	Nº de nota
C0	16,3516	0
C1	32,7032	12
C2	65,4064	24
C3	130,813	36
C4	261,626	48
C5	523,251	60

Si introdujésemos esta señal directamente al VCO, la nota C1 sonaría con una frecuencia de 100Hz, la C2 con 200, y así sucesivamente, luego necesitamos un circuito que convierta la señal CV a otra que haga oscilar el VCO con la frecuencia correspondiente.
A este circuito que nos referimos es lo que se llama un exponenciador.

VCF

Esta es la parte que más juego nos va a dar a la hora de hacer sonar el aparato.
Este bloque es un filtro controlado por tensión. Un filtro de sonido atenúa todos los sonidos que estén por encima o por debajo de una frecuencia concreta, llamada frecuencia de corte. En nuestro caso, el filtro es un paso-bajo, es decir atenúa las frecuencias que estén por encima; la frecuencia de corte en él es controlada por tensión, mediante un potenciómetro y mediante una envolvente.
La ganancia del filtro, o su atenuación se mide en dB, así por ejemplo un filtro de 6 dB a partir de la frecuencia de corte, por cada octava que se aumente, se atenúa la señal 10 veces. Nuestro VCF tiene una ganancia de 24 dB, que se consiguen colocando cuatro filtros de 6 dB en cascada.
Otra característica que tienen los filtros electrónicos de más de 12 dB, es que si parte de la salida, se vuelve a enviar a la entrada, las frecuencias cercanas a la frecuencia de corte en vez de atenuarse se amplifican, e incluso si ésta realimentación es grande, el filtro se convierte en un oscilador cuya frecuencia de oscilación es igual que la de corte; a esto es a lo que se llama resonancia y que a tantos les encanta.

VCA

El VCA o amplificador controlado por tensión es el bloque destinado a aplicar la envolvente a la señal que sale del VCF. La señal que genera el oscilador es constante, desde que encendemos el aparato hasta que lo apagamos, lo único que cambia es su frecuencia que depende de la señal CV; esto quiere decir que si aplicásemos la señal que sale del filtro directamente a nuestro equipo de música, a nuestro mezclador, o a cualquier otro aparato que nos permitiese reproducirla, nunca dejaríamos de oír la última nota.
Para hacer que una nota comience a sonar, varíe el volumen en su duración y luego se extinga, debemos crear esta variación con una tensión y aplicársela al VCA.
Gráficamente seria esto:

Envolvente

La Envolvente es una tensión de amplitud variable en el tiempo que actúa sobre alguno de los parámetros de los bloques del sintetizador; así por ejemplo, en nuestro proyecto tenemos dos envolventes que se disparan al mensaje NOTE-ON, una de ellas actúa sobre el filtro, variando su frecuencia de corte y la otra actúa sobre el VCA variando su ganancia, esta segunda se desactiva al mensaje NOTE-OFF. Su máximo valor depende de la velocidad de la nota asociada al mensaje NOTE_ON, si la velocidad de esta nota es inferior a 120, el máximo valor de las envolventes es de 5 voltios, mientras que si el valor de la velocidad es mayor de 120, se puede llegar a alcanzar el valor de 10 voltios, este valor se ajusta mediante el potenciómetro de ACCENT. La envolvente que se aplica al VCA es de forma fija, mientras que la que se aplica al filtro, es un decaimiento, cuyo tiempo se ajusta con el potenciómetro DECAY.
Los diagramas de onda de estas dos señales son estas:

El efecto de la envolvente sobre la frecuencia de corte del filtro se controla mediante el potenciómetro de la modulación (ENV MOD).

CRDrums

CR - Drums es una caja de ritmos, en la que he seleccionado los sonidos de percusión que suelen gustar, y tomando como base los diseños de las magníficas TR 606, 808 y 909; se han construido siete pasos analógicos, bass, snare, hi hats, toms y rim.

Características

Alimentación directa a 220V
Entrada de MIDI IN, canal 10
Bass, snare, open hi hat, closed hi hat, low tom, high tom, rim shot
Entrada externa
Salidas: MIDI THRU, OUT, TRIGGER RS, HEADPHONE

Diagrama de bloques

MIDI a TRIGGER

Los mensajes MIDI que proporcionan los teclados, los secuenciadores o las tarjetas de sonido, sólo es información acerca de cómo se ha actuado sobre ellos, no nos envían sonidos como tales; así por ejemplo ante la pulsación de una tecla, crearían un mensaje MIDI compuesto de tres Bytes, el primer byte sería el número de canal que tiene que responder a este mensaje más un código NOTE_ON que informa al equipo receptor que se ha pulsado una tecla; el segundo byte nos informa el número de la tecla que se ha pulsado y el tercero la velocidad con que se ha pulsado. Todo esto es transmitido a través de dos hilos, por tanto los bytes tienen que ser enviados en serie, es decir cada bit del byte por separado y con una velocidad constante de 31250 bits por segundo.
Cualquier sintetizador o máquina de sonido que tenga que ser controlada por MIDI, debe primero transformar los mensajes serie a paralelo y luego interpretarlos. Nuestro proyecto, no va a ser menos y por tanto necesita un bloque que realice esto. Este bloque, basado en un microcontrolador 8031, está destinado a recibir los mensajes MIDI de un teclado o de la tarjeta de sonido. Los canales MIDI, destinados a percusión son el 10 y el 16, el CR-Drums, esta predeterminado para recibir los mensajes por el canal 10 y sólo atiende a los mensajes NOTE-ON, de los instrumentos Bass drum (nota C3), Electric snare (nota E3), Open hi hat (nota Bb3), Closed hi hat (nota F#3), Low Tom (nota A3), High Tom (nota D4), Rim (nota A2); además si la velocidad de la nota es mayor de 100, se activaría la señal de accent.
La señal que dispara los instrumentos es una señal de TRIGGER, de 30 milisegundos

Mezclador

El mezclador es el bloque que permite llevar a la salida todos los instrumentos con su correspondiente nivel.
Además permite mezclarlos con una entrada exterior, a la que también se permite regular el nivel.

Notas

En este apartado mostraré como personalizar cada uno de los bloques, cambiando solamente valores de las resistencias y condensadores, pero intentando no añadir ni quitar nuevos componentes para no complicar la cosa.

En este bloque se pueden cambiar todos o sólo alguno de los valores de los pares resistencia-condensador R15-C9, R16-C10, R17-C11, R18-C12, R19-C13, R20-C16, de forma que se modificara el sonido resultante a la salida.
Comentar que variaciones muy grandes no harán un sonido de charles muy creíble.

Se puede tener un bombo más grave aumentando R59 y más agudo disminuyendo su valor. Recordar que si se varía mucho el valor de esta resistencia, el decaimiento también variará. Cuidado con los sonidos muy graves, por que aunque parezca que una frecuencia de 25 a 80 Hz no se escucha muy alto, los altavoces si que la notan.
Se puede aumentar el decaimiento del bombo aumentando R50 y disminuirlo de la misma forma.

Al igual que el bombo, la frecuencia del sonido básico de la caja se puede variar, cambiando el valor de la resistencia R60.
El decaimiento se puede alargar aumentando R51.
También se puede cambiar el nivel del snapy cambiando el valor de R58.
Por otra parte si se aumenta el valor del condensador C32, también aumentamos el decaimiento del snapy.

Si nos fijamos en los circuitos de los bloques del Open Hi Hat y del Closed Hi Hat, son idénticos, lo único que varía es el valor del condensador que fija el decaimiento: para el Open es C4 y para el Closed C31. (Los esquemas Open y Closed respectivamente)

Como en los Hi Hats, los circuitos del Low y High tom son iguales, sólo cambian los valores de los componentes, de forma que también cambien las frecuencias y los tiempos de decaimiento.
Los Toms son los componentes más complejos de la caja de ritmos, ya que la frecuencia de inicio y la del final son diferentes, cosa que se consigue mediante el transistor Q19 y el tiempo de deslizamiento se regula con el condensador C51
La frecuencia inicial la marca el valor de la suma de las resistencias R107 y R119 y la frecuencia final queda fijada por la resistencia R106.
El decaimiento, o la duración del sonido de estos bloques, lo marca la resistencia R98, entre más grande sea mayor es la duración y al revés.
Los Toms tienen un componente de ruido que dura mucho menos que el sonido principal, este tiempo se regula con el condensador C58. El nivel de ruido se regula con la resistencia R100, cuanto más grande sea menos se notara este efecto. (Los esquemas Low Toms y High Toms respectivamente)