Il mese scorso abbiamo analizzato il funzionamento di alcuni blocchi elementari (che da ora in poi chiameremo componenti) usati in tutti i sintetizzatori: ora vedremo come combinare questi blocchi per generare il suono desiderato.
Cominciamo col chiarire un concetto di importanza fondamentale: la modulazione. Sappiamo già che i componenti di un sistetizzatore possono essere controllati attraverso alcuni loro parametri: ad esempio si può controllare un oscillatore stabilendo l’ampiezza e la frequenza di oscillazione, oppure un filtro passa basso attraverso la frequenza e la pendenza di taglio. In ogni caso per ogni parametro sussistono due possibilità: o lo si mantiene costante nel tempo oppure lo si fa variare. Ma in questo secondo caso, in che modo viene variato? Anche qui ci sono due possibilità: o viene controllato direttamente dall’esecutore attraverso un qualche tipo di comando
(potenziometri, joystick, leve, pulsanti, ecc…) oppure viene controllato da un altro generatore si segnale, ad esempio un altro oscillatore o un altro generatore di inviluppo.
Veniamo all’esempio chiarificatore: supponiamo di avere un’oscillatore
(che chiamiamo oscillatore A) che produce sempre una frequenza fissa
(ad esempio un LA a 440Hz). Se volessimo dare la possibilità ad un suonatore di controllare il volume del suono prodotto, basterebbe collegare un potenziometro al controllo di ampiezza dell’oscillatore.
In questo modo, agendo sulla manopola del potenziometro, si varia l’ampiezza della forma d’onda prodotta dall’oscillatore e di conseguenza il suo volume.
Supponiamo invece di volere ottenere un suono vibrato; bisogna far variare periodicamente ed in maniera abbastanza rapida (ad esempio 4 o
5 volte al secondo) l’ampiezza dell’oscillatore. E’ sufficiente prendere un oscillatore (che chiamiamo B) e fissare la sua frequenza a
4-5Hz e collegare la sua uscita al parametro ampiezza dell’oscillatore
A. In pratica succede che l’oscillatore B decide qual’è l’ampiezza con cui A deve oscillare. Si dice che B modula A in ampiezza.
Più in generale un componente B modula un componente A quando il valore prodotto da B fa variare uno o più parametri di A. In parole molto semplici, modulare significa far variare un parametro.
La sintesi additiva ha un principio di funzionamento costruttivo, nel senso che crea lo spettro di un suono generando le armoniche principali e sommandole assieme.
Un esempio molto semplice di questo modello di sintesi è il seguente: si considera lo spettro del suono che si vuole ricostruire e si guarda la frequenza e l’ampiezza di ogni armonica. Poi, per ogni arminica, si utilizza un generatore sinusoidale la cui frequenza e ampiezza di oscillazione sono quelle dell’armonica considerata. Infine i suoni prodotti dagli oscillatori vengono sommati insieme. In questo modo è stato sintetizzato un suono il cui spettro è simile a quello del suono considerato originariamente.
Proviamo ora a creare uno spettro che varia dinamicamente. In genere in un suono naturale le armoniche di frequenza più elevata tendono a smorzarsi più rapidamente, quindi potremmo pensare di riprodurre lo stesso effetto fornendo il parametro ampiezza di ciascun oscillatore attraverso un generatore di inviluppo; i generatori collegati agli oscillatori di frequenza più bassa avranno un tempo di release lungo mentre man mano che vengono collegati ad oscillatori di frequenza più alta avranno un tempo di release sempre più breve.
Per modo che un suono sia brillante e pulito, è necessario che il suo spettro sia molto ricco di armoniche; quindi si vede subito che questo metodo di sintesi non è molto efficace perchè è necessario utilizzare un numero elevatissimo di generatori.
Invece di ricreare lo spettro armonica per armonica, è molto più conveniente cercare dei sistemi che permettano di generare molte armoniche con pochi oscillatori. Queste tecniche sono nate con fini completamente diversi, ma sono state presto adattate nel campo della generazione del suono.
La prima è la modulazione d’ampiezza (AM: Amplitude Modulation), che permette di raddoppiare le armoniche contenute in un segnale. Un modulatore di questo tipo è costituito da un oscillatore sinusoidale la cui frequenza di oscillazione è fissata su un certo valore (che chiamiamo Fo); il suono di cui si vuole ampliare lo spettro, detto segnale modulante, controlla invece l’ampiezza dell’oscillatore sinusoidale. In pratica il segnale modula in ampiezza un oscillatore sinusoidale. Lo spettro prodotto da questo modulatore è così costituito: un armonica di frequenza Fo più lo spettro del segnale originario con frequenza traslata di Fo e il suo simmetrico rispetto all’armonica di frequenza Fo. Naturalmente, agendo su Fo si può controllare la posizione dello spettro traslato sulle frequenze.
Molto più diffusa è la modulazione di frequenza (FM: Frequency
Modulation) che, tanto per citare un suo utilizzo, è alla base di tutte le schede audio Adlib, SoundBlaster e compatibili. Ad esempio, se non avete una scheda dotata di wavetable, tutta la musica che c’è in KULT è prodotta dai 9 modulatori FM (ciascuno formato da due oscillatori) presenti nella scheda audio. Questa modulazione è molto versatile e permette di ottenere una gamma notevole di timbriche.
La struttura di un modulatore FM è molto simile a quella di un AM anche se i risultati ottenuti sono molto diversi. In pratica un oscillatore sinusoidale produce una forma d’onda con ampiezza predeterminata mentre la sua frequenza di oscillazione è stabilita dalla forma d’onda del segnale modulante. Il risultato di questa modulazione è che ogni armonica nello spettro del segnale modulante viene moltiplicata un numero infinito di volte all’interno dello spettro risultante. Molte di queste armoniche si estendono oltre la banda di udibilità dell’orecchio umano, quindi le armoniche percepite saranno in numero finito (anche se molto elevato).
Un altro modo per aggiungere armoniche in una forma d’onda semplice è quello di distorcere il segnale con un waveshaper. Anche una semplice onda sinusoidale, che è composta soltanto da un’armonica, puo guadagnare uno spettro molto ricco.
Un waveshaper produce tante più armoniche quanto più il suo grafico è spigoloso, frastagliato ed irregolare, ma comunque è bene non esagerare mai con la complessità; anche forme molto semplici possono già dare risultati sorprendenti. Ad esempio la distorsione delle chitarre elettriche può essere grossolanamente approssimata ad un waveshaper con grafico di forma quadrata; è una forma semplice ma il risultato è veramente notevole.
Fin’ora abbiamo creato spettri cercando di sintetizzare un numero sempre più elevato di armoniche. Esiste invece un approccio che è esattamente l’opposto. Si parte da un suono eccessivamente carico di armoniche e con l’uso di filtri si eliminano blocchi di armoniche dallo spettro.
Per creare suoni con un eccesso di armoniche vengono usati due tipi diversi di generatori: i buzzer o i generatori di rumore.
I buzzer hanno il vantaggio di essere pitched, cioè di avere già una loro intonazione, quindi i filtri hanno solo il compito di modellare lo spettro per ottenere la tonalità timbrica desiderata. Per ottenere un suono brillante si può ad esempio usare un filtro passa alto che elimina le frequenze più basse. Per ottenere un suono più aggressivo si possono togliere le frequenze centrali (da 800Hz a 2KHz circa) con un filtro elimina banda.
Se invece la sorgente è un generatore di rumore, i filtri hanno l’arduo compito di creare un intonazione. In genere si usano filtri passa banda con una banda strettissima. Ad esempio per sintetizzare un
LA a 440Hz si potrebbe pensare di usare un filtro passa banda centrato sui 440Hz e con una larghezza di banda di 10-15Hz. In questo modo l’orecchio capisce che la frequenza fondamentale è di 440Hz anche se ha l’impressione di un suono molto “soffiato”.
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Queste sono solo alcune delle tecniche di sintesi; i suoni prodotti dai modulatori possono essere a loro volta sommati, filtrati, modulati nuovamente per ottenere una sempre maggiore varietà timbrica.
L’argomento è veramente vasto ma ritengo inutile continuare a trattarlo in via teorica: il miglior modo per capire bene questi concetti è quello di utilizzare un sintetizzatore vero e per cominciare vanno benissimo anche quelli nelle schede audio. Ci sono moltissimi programmi shareware che permettono il completo controllo degli oscillatori contenuti nelle schede Adlib, Sound Blaster e compatibili.
