Sintetizzatore

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Il sintetizzatore (abbreviato anche synth dal termine in inglese) è uno strumento musicale che appartiene alla famiglia degli elettrofoni. É un apparato in grado di generare autonomamente segnali audio, sotto il controllo di un musicista o di un sequencer. Questi apparati possono generare imitazioni di strumenti musicali reali o creare suoni non esistenti in natura.

Il sintetizzatore è generalmente controllato per mezzo di una tastiera simile a quella del pianoforte, ma non mancano realizzazioni destinate ad essere gestite mediante il fiato, la pressione, il suono di una chitarra o altri strumenti musicali tradizionali.

[modifica] Breve storia

Agni inizi del novecento il piano sonoro era stato molto sfruttato, si era arrivati ad un punto in cui i suoni e le combinazioni di questi erano state totalmente utilizzate. Infatti il sistema temperato tonale di Bach, che divide la scala in 12 semitoni, pur valido era giunto in saturazione.

Si continuò per molto tempo ancora ad usare il sistema del clavicembalo temperato, ma in quel periodo grazie anche alla letteratura (Proust) e soprattutto alla allora nascente psicoanalisi (Freud) si sentì l'esigenza di scoprire nuove forme. Queste nuove forme dovevano rappresentare l'inconscio cercando l' inaudito (mai sentito), i primi esponenti furono: Ferruccio Busoni ed Edgar Varese. Il limite, se si pensa che siamo agli inizi del novecento, era l'utopia di questa nuova forma che non poteva essere concretizzata. Furono due i musicisti che si accostarono a loro volta a questo argomento, in modi diversi, ma sicuramente con ottimi risultati Claude Debussy e Bela Bartok, tali da far interessare anche la musica cosiddetta colta. Il primo basando la sua ricerca sull'intuizione, il secondo facendo perno sulla ricerca.

Il Futurismo approdò anche nella musica tramite Luigi Russolo utilizzando il rumore della quotidianità tramite degli strumenti chiamati Intonarumori che erano delle grandi scatole generatrici di rumori di cui si variava l'altezza muovendo una particolare leva. Successivamente si ebbero degli strumenti quali Ondes Martenot ed Thelarmonium. Nascono così i primi sistemi elettromeccanici per la produzione di nuovi suoni (nuovi intervalli). Erano essenzialmente dei grandi oscillatori che intonavano il suono a varie altezze, riproducendo tutte le altezze intermedie.

Il cinema ebbe un influenza sullo sviluppo della musica elettronica, ma il primo strumento elettronico efficiente si ha solo nei primi anni 50 con il sintetizzatore di Belar-Olson realizzato negli studi della RCA frutto di una collaborazione fra scienziati e musicisti. Tale strumento raggruppava degli oscillatori analogici di grandi dimensioni per generare il suono, un modulatore ad anello con l'uscita che è la somma e la differenza delle frequenze d'ingresso e diversi filtri d'elaborazione. Ne resta qualche traccia nella colonna sonora di alcuni film di fantascienza di quel periodo: vedi ad esempio Il Pianeta Proibito, di Fred McLeod Wilcox del 1956. Erano delle macchine molto grandi in quanto ogni singolo oscillatore occupava molto spazio, inoltre erano composte da apposite schede perforate che determinavano l'apertura e la chiusura dei circuiti si ebbe così il primo esempio di programmazione.

Tra i primi compositori di musica elettronica ci fu Milton Basset che imitò i suoni dell'orchestra usando strumenti elettronici. Particolare importanza ebbe la città tedesca di Darmstad sede di riunioni di musicisti dal 1956 al 1961 in cui si tennero dei corsi di fondamentale importanza per il futuro, tra i partecipanti ricordiamo: Luigi Nono, Bruno Maderna, Luciano Berio, Pierre Boulez, Karlheinz Stockhausen, John Cage, Edgar Varèse.

Nascono le prime composizioni che non imitano più il suono di strumenti esistenti, ma bensì fanno del timbro il parametro principale della musica : "noi possiamo comporre il suono"; si utilizzano così le componenti microscopiche delle onde sonore a differenza di prima che si componeva su timbri pre esistenti. Anche in America si verifica lo stesso con John Cage che sceglie la casualità nella composizione mentre gli altri coetanei sviluppano la costruzione timbro dopo timbro. In Francia alla fine degli anni 50 negli studi della televisione francese ORTF nasce la Musique concrète (Pierre Henry, Pierre Schaeffer), si usano giradischi rallentati ed ogni tipo di nuove sonorità; si sviluppano studi in tutta Europa, in Italia nasce il Centro di Fonologia Musicale della RAI nei primi anni 60.

Un passo avanti si è verificato negli anni Sessanta, con l'introduzione di versioni ridotte di sintetizzatori, destinati alla creazione di timbriche inusuali, in alcuni gruppi di musica pop; ad esempio i Van der Graaf Generator ed i Pink Floyd.

Verso la fine degli anni Sessanta, comparvero i primi esemplari di sintetizzatori portatili, fabbricati in piccole serie per impiego nella musica dal vivo; precursori di questa generazione furono Robert Albert Moog e Alan R. Pearlman, rispettivamente fondatori delle più note Case produttrici di questi strumenti: Moog Inc. e ARP Instruments.

Il periodo fino alla fine degli anni '70 vide lo sviluppo di strumenti monofonici (possibilità di suonare un tasto solo alla volta) con tecnologia esclusivamente a sintesi sottrattiva (v.), sviluppati su scelte progettuali diverse: ad esempio, i sintetizzatori Moog erano largamente apprezzati per il suono sempre leggermente stonato e pertanto molto ricco, mentre i prodotti ARP avevano fama di estrema intonazione e stabilità.

Un'eccezione riguardava il Mellotron, strumento destinato alla riproduzione di suoni naturali preregistrati; di fatto, lo strumento disponeva di un anello di nastro magnetico per ogni tasto, premendo il quale si poteva suonare lo strumento originale. Naturalmente una tecnica di questo tipo poteva funzionare soltanto con suoni sostenuti, quali orchestre d'archi, cori e così via. Lo strumento era polifonico (possibilità di suonare più tasti contemporaneamente) e quando entrò in mercato fu una vera rivoluzione.

I primi esemplari di sintetizzatore analogico polifonico risalgono all'inizio anni '80, e presentavano generalmente grossi problemi di intonazione e stabilità nel tempo, oltre all'ovvia complessità nel gestire contemporaneamente sia oscillatori che filtri.

Uno sviluppo nel senso dell'intonazione, giunse dall'industria dei semiconduttori, con la produzione di circuiti integrati per la realizzazione di organi elettronici e strumenti analoghi; nei sintetizzatori polifonici del periodo, si otteneva la generazione digitale della forma d'onda, e relativa elaborazione analogica sottrattiva; il risultato era una perfetta intonazione dello strumento, ma contemporaneamente una perdita di corposità del suono, dovuta alla perfetta messa in fase fra i generatori, situazione che non si verifica in natura, come nel caso di una sezione d'archi o di ottoni.

Infatti, in un'orchestra, ogni singolo strumento crea il proprio timbro caratteristico indipendentemente dagli altri; l'insieme di questa ricca struttura armonica genera il suono polifonico al quale siamo abituati.

Una soluzione giunse dalla giapponese Roland, con due serie di strumenti (Juno(vedi Juno 106) e Jupiter) che implementavano una filosofia molto interessante: utilizzo di generatori analogici, mantenuti intonati da un generatore digitale. In questo modo l'intonazione restava propria del sistema digitale, mentre ogni singolo oscillatore poteva produrre la propria forma d'onda in modo asincrono rispetto agli altri, a tutto vantaggio del realismo polifonico.

Ancora, altri produttori svilupparono soluzioni in questa direzione: la ARP Instruments produsse l'ARP Omni, che impiegava un generatore digitale unico, secondo un classico schema da organo elettronico, mentre la tastiera agiva su una serie di formatori d'onda indipendenti. Lo strumento aveva una sezione destinata alla riproduzione di orchestra d'archi e questa tecnica permise allo strumento il raggiungimento di standard di realismo fino ad allora impensabili. Grande cura fu inoltre dedicata al modulo di effetto chorus(timbro che simula il suono prodotto da un coro), che utilizzava tre linee di ritardo in parallelo, rigorosamente tarate su tempi primi fra loro, per evitare qualunque effetto di periodicità e di artificiosità nell'ascolto.

L'ARP Omni, disponendo inoltre di tre sezioni indipendenti (archi, ottoni, bassi), sia per timbro che per tecnologia utilizzata, rappresenta il primo esperimento in scala industriale di strumento multitimbrico (un timbro diverso per ogni nota suonata).

Andando avanti in questa direzione, la ARP Instruments, ora in gravi difficoltà finanziarie [1], cedette il suo ultimo progetto (Chroma) alla americana Fender, che lo mise in commercio nel 1982 ad un prezzo sbalorditivo anche oggi: sedici milioni e mezzo di vecchie lire (di allora)! Il Chroma disponeva di sedici oscillatori analogici, perfettamente intonati come nello stile ARP (impiegando la tecnologia charge-pump), di sedici filtri e sedici amplificatori, tutti controllati mediante un microprocessore, con possibilità di interfacciarsi ad un computer Apple ][ [2] per ottenere una vera polifonia multitimbrica; il risultato era (ed è) del tutto eccezionale sia sotto il profilo tecnico che della performance dal vivo.

Una delle caratteristiche dell'utilizzo del microprocessore, oltre al supporto di memorie per i vari timbri a disposizione del musicista, riguarda la generazione delle modulazioni. In un sintetizzatore analogico, un modulo a controllo di tensione (v.) può essere oggetto di modulazione da parte di più moduli contemporaneamente: Keyboard Follow, LFO, ADSR, controlli estemporanei come pedali di espressione e/o Pitch Wheel e così via. Viene da sé che, trovandosi in un sistema di tipo analogico, la somma di tutte queste variabili porta facilmente ad errori e imprecisioni, che si traducono in inopportune stonature ed effetti non desiderati dal musicista. Il Chroma simulava tutte queste tensioni sotto forma di numeri, eseguendo la somma algebrica dei valori di tutte queste sorgenti modulanti direttamente nei registri del microprocessore, senza errore alcuno. Solo il dato finale veniva convertito in valore analogico (con un DAC a 12 bit) ed inoltrato al modulo da controllare; il risultato era ancora una volta di una precisione straordinaria.

Sempre nel 1982, la giapponese Yamaha segnò un passo importantissimo in questo sviluppo, mettendo in commercio il sintetizzatore DX-7, a modulazione di frequenza a 6 operatori; lo strumento suonava splendidamente e forniva suoni di ricchezza e complessità fino ad allora impensabili (campane, molle d'acciaio, violini con l'attacco dell'archetto e così via). La sua comparsa segnò il declino dei numerosi strumenti a sintesi sottrattiva esistenti all'epoca, e aprì la strada in modo sempre più standardizzato alla tecnologia digitale.

Pochi anni più tardi, fecero la loro comparsa altri tipi di sintesi digitale; in effetti, una volta poste le basi per fabbricare in larga scala strumenti gestiti da microprocessori sempre più potenti, risultò assai semplice adottare tecniche innovative per adattarsi alle crescenti esigenze dei musicisti.

Da menzionare la tecnologia RS-PCM di Roland (1988), che per evitare l'effetto di suono riprodotto (opaco, poco incisivo), tipico dei numerosi campionatori dell'epoca, utilizza un generatore a sintesi additiva, controllato da un profilo descrittivo del suono originale, che poteva risiedere su economiche schedine inseribili. Il risultato è di rara brillantezza e presenza, dovuta alla vera e propria rigenerazione del suono mediante armoniche prodotte all'istante, quindi non riprodotte. Un ulteriore beneficio viene dalla quantità di memoria necessaria per archiviare i suoni o adottarne di nuovi: laddove un campionatore necessita di archiviare le forme d'onda per intero, con grande dispiego di memoria, la tecnica RS-PCM richiede soltanto di memorizzare il modo (il profilo) con cui la sintesi additiva deve essere articolata. Questa tecnica è tutt'ora utilizzata nei pianoforti digitali della stessa Casa.

[modifica] Tecnica

[modifica] Sintesi Sottrattiva

Da un generatore di segnali audio con elevata produzione di armoniche (onda quadra per ottenere armoniche dispari, onda triangolare per armoniche pari, dente di sega o rettangolare per maggiore complessità) si interviene con un sistema di filtri allo scopo di eliminare quelle porzioni del suono che non interessano; si definiscono pertanto filtri passa-basso, passa-banda, passa-alto e arresta-banda, che impiegano algoritmi matematici nei circuiti RC (Resistenza e Condensatore in analogico) per svolgere il proprio lavoro. Un filtro passa-basso ha lo scopo di eliminare in modo controllato le frequenze più elevate, ottenendo così una limitazione delle armoniche rispetto alla fondamentale, cosa che permette di imitare alcuni strumenti musicali tradizionali; un filtro passa-banda, invece, prevede la definizione di una zona intermedia dello spettro acustico, eliminando le frequenze esterne ad essa; il filtro passa-alto elimina in modo controllato le frequenze più basse, ottenendo una progressione di armoniche che non esiste in natura; infine, un filtro arresta-banda svolge un compito inverso rispetto al passa-banda, ovvero elimina solo una porzione intermedia dello spettro acustico, lasciando inalterato il resto del segnale musicale.

[modifica] Sintesi Additiva

Partendo dal presupposto per il quale il timbro caratteristico di un dato strumento è prodotto dalla fondamentale più una determinata distribuzione delle armoniche, è possibile ricreare un suono naturale partendo dalla somma di un certo numero di frequenze fondamentali (segnali sinusoidali) e distribuendole nello spettro sonoro. Tale tecnica, pur permettendo teoricamente di poter riprodurre qualsiasi suono esistente, in realtà è di estrema complessità; infatti, laddove la sintesi sottrattiva agisce su un consistente numero di armoniche, già patrimonio del segnale grezzo originale, qui abbiamo la necessità di controllare un numero elevatissimo di fondamentali, che molto probabilmente andranno modulate individualmente, per ottenere una risposta convincente all'ascolto. Si tratta pertanto di una tecnica complessa, che non ha incontrato molto successo nella produzione industriale di strumenti musicali elettronici (è però interessante nell'ambito della ricerca).

[modifica] Sintesi Granulare

Sistema di sintesi del suono che si basa su una concezione corpuscolare del suono; questo viene quindi generato mediante lo sviluppo di grani sonori che vengono poi sommati per generare suoni complessi.

[modifica] Modulazione di Frequenza e di Fase

Inventata nei laboratori del IRCAM di Parigi, questa tecnica è divenuta di grande popolarità tramite una fortunata serie di sintetizzatori prodotta dalla giapponese Yamaha, a partire dal 1982. Il concetto parte dalla possibilità di modulare la frequenza di una fondamentale, mediante un altro segnale puro (sinusoidale) di frequenza prossima ad essa: sotto questa azione, il segnale modulato modifica la propria fase in funzione del segnale modulante, perdendo così la caratteristica di segnale puro e arricchendosi di nuove armoniche; il risultato è estremamente variabile in funzione del rapporto aritmetico fra le frequenze e dell'ampiezza del segnale modulante: maggiore è l'ampiezza del segnale modulante, maggiore sarà la distribuzione di armoniche nel segnale fondamentale. Ciò permette di ottenere timbriche di eccezionale verosimiglianza, soprattutto operando con combinazioni di più generatori (nel caso di Yamaha, fino ad otto nel sintetizzatore DX-1) e operando sullo schema di combinazione dei generatori (detti operatori), sull'inviluppo di ampiezza e di frequenza degli stessi.

Questo procedimento è molto più vicino alla generazione naturale del suono di quanto si immagini; nel momento in cui il suono viene prodotto, ad esempio con una chitarra acustica, la corda viene spostata dal proprio stato di quiete e rilasciata: ciò provoca un'oscillazione della corda corrispondente alla sua fondamentale, sommata allo "sforzo" del pizzico. In questo esempio, la fondamentale della corda è l'oscillatore modulato, mentre l'andamento nel tempo della componente del pizzico rappresenta l'oscillatore modulante. L'ampiezza di entrambi degrada con l'andare del tempo, fino al naturale smorzamento del suono, ovvero si delineano due differenti curve di inviluppo per i due generatori. Il suono risultante sarà pertanto diversamente colorato in funzione dell'intensità e della modalità (dita o plettro) del pizzico.

Un esempio ancora più evidente lo si trova nella tecnica slap per il basso elettrico, o nelle varianti del pianoforte acustico (piano elettrificato Yamaha, piano a puntine). Nel caso degli archi, è lo sfregamento dell'archetto sulla corda a creare la componente modulante. Non a caso, la modulazione di frequenza e di fase trova l'eccellenza nella riproduzione proprio di queste categorie di strumenti.

[modifica] Campionamento

Un segnale audio può essere registrato sia in modo analogico, trasferendone la modulazione di ampiezza su un supporto magnetico, sia in modo digitale, effettuando una misurazione a campioni della sua ampiezza nel dominio del tempo, e riportandone i valori in un elaboratore, sotto forma di numeri. Se la frequenza di campionamento è sufficientemente elevata (2 volte la frequenza da campionare per un sistema binario, secondo il teorema di Nyquist), il segnale audio può essere così trasferito nella memoria di un elaboratore e successivamente riprodotto, procedendo alla sua rigenerazione inviando, con velocità regolare, i valori misurati ad un DAC (convertitore digitale-analogico), che provvederà a fornire una tensione analogica in uscita, destinata ad essere amplificata ed ascoltata.

Realizzando un registratore digitale di questo tipo, è possibile ottenere una riproduzione eccezionalmente realistica dei suoni con ampiezza costante (es. organo, strumenti a fiato, archi), un po' più complessa invece la riproduzione dei suoni con un andamento variabile nel tempo, come nel caso del pianoforte, degli strumenti a corde pizzicate e delle percussioni.

Un campionatore, quindi, deve necessariamente fornire le opportune possibilità di agire sul segnale campionato, modificandone la distribuzione delle armoniche e dell'ampiezza nel tempo, in modo da restituirgli quella naturalezza corrispondente allo strumento originario.

[modifica] Il Controllo in Tensione (V.C.)

Una quantità di parametri da controllare (intonazione, frequenza dei filtri, ampiezza del segnale, andamento nel tempo e così via) richiederebbe un'operatività estremamente articolata per poter suonare un sintetizzatore in tempo reale; infatti, i primi esperimenti erano realizzati sfruttando la registrazione multitraccia per poter ascoltare insieme il prodotto di più sessioni di registrazione; successivamente, si pensò di poter controllare tutti questi parametri per mezzo di una tensione variabile: il musicista modificava una tensione ruotando una manopola, e una serie di oscillatori poteva variare tutta insieme la propria intonazione. Andando oltre, un secondo problema riguarda la riproduzione delle armoniche nello spettro dell'esecuzione musicale; un sintetizzatore a sintesi additiva, con filtro regolato per produrre un suono di trombone alle basse frequenze, produrrà un suono via via più flebile man mano che ci si avvicina alle note più alte, poiché il filtro ha una frequenza fissa e non si adatta al nuovo segnale che lo attraversa. L'adozione del V.C. ha permesso di realizzare il Keyboard Follow, ovvero una tensione che varia con la posizione del tasto premuto sulla tastiera, che va ad alterare contemporaneamente l'oscillatore controllato in tensione (VCO, Voltage-controlled oscillator) in modo da intonare la nuova nota, ed il filtro (VCF, Voltage Controlled Filter) per adattarlo alla nuova frequenza, per estrarne le armoniche nel modo opportuno. Una terza implementazione del sistema a controllo di tensione riguarda l'unità di amplificazione del suono (VCA, Voltage Controlled Amplifier), permettendo di creare suoni con intensità programmabile e variabile nel tempo.

[modifica] Generatori a bassa frequenza (LFO, Low Frequency Oscillator; modulazione periodica)

Per fornire un effetto piacevole ed espressivo al suono (invero freddo) di una forma d'onda filtrata in modo statico da un sistema di filtri, si possono sommare oscillazioni periodiche a frequenza infrasonica (es. da 0 a 10 Hz) alla tensione che controlla l'oscillatore, il filtro e/o l'amplificatore d'uscita. Gli effetti così ottenuti prendono il nome di vibrato quando il LFO modula la frequenza di lavoro del VCO, tremolo quando il LFO modula l'ampiezza del VCA, mentre la modulazione del filtro (VCF) permette di creare effetti del tipo "wah-wah".

[modifica] Generatori di Inviluppo (modulazione aperiodica o transitoria)

Una caratteristica importante del suono di qualsiasi strumento musicale è l'espressione, ovvero la possibilità, per il musicista, di indurre lo strumento a variare un poco la timbrica, l'intensità e anche l'intonazione durante l'esecuzione, per rendere il suono più gradevole: si pensi ad esempio all'esecuzione di una sonata per pianoforte, o ad un assolo di violino, parti nelle quali la differenza di intensità, di ricchezza acustica e di vibrato permette di sottolineare alcuni passaggi, trasmettendo una determinata emozione all'ascoltatore.

Nel caso dei sintetizzatori, si può intervenire su vari parametri, ma resta sempre il problema delle esecuzioni dal vivo, che richiederebbero una squadra di tecnici per manovrare tutti i controlli nel modo e nella sequenza desiderate dall'esecutore. Inoltre, va osservato che molte di queste variazioni seguono uno schema fisso: si pensi ad esempio all'attacco in crescendo di una sezione d'archi, sempre uguale per ogni tasto che viene premuto.

Per riprodurre questo genere di modulazioni non periodiche, si ricorre a generatori di transitori di tensione, programmabili, in modo da generare il medesimo profilo della grandezza controllata ad istanti preimpostati (es. pressione di un tasto della tastiera). Alla pressione del tasto, il generatore di transienti genera una tensione crescente, che raggiunge un proprio massimo, per poi decadere ad estinguere l'effetto dopo il rilascio del tasto (coda, filtro passa-basso che diminuisce la frequenza di taglio, oscillatore che stona leggermente e così via).

Esistono in genere diversi schemi di generatore di transienti (o di inviluppo): AR, ADSR, AHDSR, AHDBDR e molti altri. L'AR (Attack, Release) definisce un tempo di salita della tensione alla pressione del tasto, ed un tempo di discesa al suo rilascio: adatto quindi per iterazioni semplici quali archi, fiati e voci.

ADSR (Attack, Decay, Sustain, Release) permette di creare un transitorio più vicino a strumenti caratterizzati da un attacco specifico (pianoforte, tromba, percussioni); alla pressione del tasto, la tensione di controllo sale in un tempo definito dal parametro Attack fino ad un picco massimo fisso; subito dopo, la tensione scende con la velocità definita dal parametro Decay, fino a stabilizzarsi sul valore impostato dal parametro Sustain; infine, al rilascio del tasto, il parametro Release provvede a determinare in quanto tempo la tensione controllata ritornerà allo zero.

Quelli più complessi come AHDSR (Attack-Hold-Decay-Sustain-Release) e AHDBDR (Attack-Hold-Decay-Breakpoint-Decay-Release) sono meno diffusi, ma cominciano diffondersi nei più evoluti sintetizzatori assieme alla possibilità di creare inviluppi completamente personalizzati.