Synth e drum machine digitali

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A un certo punto la tecnologia digitale ha cominciato ad essere abbordabile. Si era a cavallo tra gli anni ’70 e gli ’80. Le capacità di calcolo e di memorizzazione non erano eccessive ma si aveva, per la prima volta, la possibilità di memorizzare e quella di calcolare.

Nella memoria si possono mettere sia dati che successioni organizzate di calcoli (quelle cose che gli informatici chiamano algoritmi) e questo, come è facile intuire, apre un mondo di possibilità.

Per la prima volta, con una architettura generica (approfondiremo poi ma tutti i computer sono fatti, più o meno, nello stesso modo) si potevano creare delle macchine virtuali, che rispondendo a diversi requisiti, forniscono applicazioni diverse.

Si cominciò con gli effetti. Celebre è il Lexicon 480 che, prodotto negli anni ’80 (verso la fine) trova ancora spazio negli studio più blasonati (c’è chi lo definisce “Il riverbero”).

Non tardarono ad arrivare i sintetizzatori, i campionatori e tutte le combinazioni possibili di queste tecnologie che hanno portato alla definizione di varie tecniche di sintesi.

Tra i campionatori citiamo il CMI Fairlight e tra i sintetizzatori ibridi lo Yamaha DX7 che con la sintesi a modulazione di frequenza e i suoi operatori combinati in vario modo, ha contribuito non poco al suono di quegli anni.

Campionatori

Sapete già che prendendo un numero adeguato di campioni è possibile ricostruire completamente la forma d’onda di un segnale limitato in banda (Teorema del campionamento). I campionatori sfruttano questa possibilità essendo dotati di una memoria veloce (Random Access Memory o RAM) su cui caricare i campioni da suonare e una memoria più lenta ma più estesa (Mass Memory) dove può risiedere un data base più esteso da cui estrarre i campioni necessari alla performance specifica.

L’applicazione che viene in mente più rapidamente è quella di registrare suoni naturali che è poi possibile riprodurre alla pressione di un tasto. Questo, che in principio è un ragionamento corretto, trova una serie di difficoltà pratiche quando ci si misura con:

  1. articolazioni dinamiche
  2. modalità esecutive
  3. estensione
  4. interazioni e risonanze

Vediamo con un po’ di dettaglio in più.

Articolazioni dinamiche: uno strumento musicale risponde in modo diverso al variare della intensità della sollecitazione del musicista. Un tamburo (ma il discorso vale in generale) percosso con delicatezza esprime un contenuto armonico e un andamento dell’inviluppo molto diversi da quelli dello stesso tamburo suonato con maggiore veemenza. Ne consegue che, per una stessa nota, se si vuole essere realistici, devono essere caricati più campioni da attivare in funzione della intensità che si vuole riprodurre.

Modalità esecutive: molti strumenti consentono tecniche esecutive diverse. Si pensi al pizzicato degli archi che è certamente molto diverso dal suono generato con l’archetto ma anche allo slap del basso o al tapping della chitarra. Ne consegue che, un campionatore che si rispetti deve poter riprodurre tutti gli stili esecutivi di un determinato strumento.

Estensione: una volta memorizzato un campione è possibile variare la frequenza di riproduzione modificando la velocità di lettura della memoria. Questa variazione rende però sempre più innaturale il suono riprodotto (effetto voce di Paperino, per intenderci) al punto da rendere sconsigliabile variazioni troppo estese. Va poi considerato che l’evoluzione timbrica, ad esempio, di un pianoforte suonato al primo tasto è estremamente diversa da quella dello stesso strumento suonato all’ottantottesimo tasto. Ne deriva che, anche per coprire l’intera estensione dello strumento c’è bisogno di campioni specifici.

Interazioni e risonanze: un aspetto sul quale i campionatori non danno risposte adeguate è quello che riguarda le interazioni tra le varie parti di uno strumento e le risonanze e i battimenti che si creano quando si suona uno strumento reale (i battimenti sono delle oscillazioni che si generano a frequenza pari alla somma e alla differenza di due suoni vicini in frequenza). Suonando un accordo, ad esempio, su una chitarra, si attivano una serie di fenomeni fisici (dovuti alle vibrazioni delle strutture che compongono lo strumento) che dipendono da molti fattori (posizione sulla tastiera scelta dal musicista, tipo di rivolto, intensità dello stimolo dato con la mano destra, uso del plettro o delle dita). Tutti questi fenomeni (che esistono per tutti gli strumenti reali) non possono essere riprodotti campionando le singole note. La soluzione a questo problema è… non campionare ma ricorrere alla modellazione fisica (argomento di uno dei prossimi articoli).

Risulta chiaro, quindi, che un campionatore che si rispetti deve:

  • avere una libreria di campioni molto vasta da poter richiamare in base alle necessità (si arriva tranquillamente ai TeraByte)
  • avere una memoria RAM molto generosa e veloce (32GigaByte sono ormai quasi la norma)
  • avere algoritmi di riproduzione che selezionino il giusto campione in base alle articolazioni simulate con la periferica di input che, quasi sempre, è una tastiera 

Inutile dire che il progresso in questo ambito è stato grande e adesso è possibile avere strumenti virtuali (con costi molto abbordabili) basati sul campionamento che funzionano talmente bene da essere indistinguibili da quelli reali (specialmente per alcune tipologie di strumenti).

Digressione sulle unità di misura

Come già detto il Bit è una cifra binaria (che può essere 1 o 0). Quattro bit insieme formano una Word (poco usata) e otto bit formano un Byte.

Siccome l’aritmetica digitale è in base due (binaria) si definisce:

1KiloByte = 1KB = 210 Byte (1 KB è quindi pari a 1024 Byte)
1MegaByte = 1MB =  220 Byte (1MB è quindi pari a 1048576 Byte)
1GigaByte = 1GB = 230Byte (1GB è quindi pari a 1073741824 Byte)
1TeraByte = 1TB = 240Byte (1TB è quindi pari a 1099511627776 Byte)

Altri tipi di sintesi
In ambito digitale è ovviamente possibile realizzare altri tipi di sintesi.

La sintesi sottrattiva è analoga a quella vista la volta scorsa con i circuiti analogici. Si costruiscono algoritmi che riproducono gli oscillatori, i generatori di inviluppo e modulazione e i filtri e il gioco è fatto. Va da se che, in digitale, è molto semplice generare forme d’onda complesse, filtri di vario tipo (passa basso, passa banda, passa alto e combinazioni) e generatori di inviluppo e modulazione molto articolati. Con la attuale capacità di calcolo è poi superato il limite relativo alla polifonia (i synth digitali suonano tranquillamente 128 note contemporaneamente) e diventa possibile la politimbricità (suoni diversi generati contemporaneamente da una sola macchina. Tutte queste cose sono possibili anche in analogico ma richiedono la moltiplicazione dei componenti e, di conseguenza, degli ingombri e dei consumi.

In questo senso diventa praticabile la sintesi additiva che consiste nel sovrapporre (sommare) una serie di segnali (più o meno semplici) per generare suoni che riproducono quelli naturali o suoni completamente nuovi.

Una estremizzazione della sintesi additiva può essere considerata la sintesi granulare. Con questa tecnica si predono campioni brevi (fino a 50ms) di suoni (naturali o meno) in varie condizioni (ogni campioni di questo tipo è definito “grano”) questi vengono ulteriormente elaborati con tutte le tecniche consentite dalla tecnologia digitale, sommati e riprodotti a generare sonorità particolari e, direi, spesso lontane dal mondo reale. Va da sé che l’applicazione di effetti di modulazione e ritardo, in questo caso (ma anche negli altri), aiuta a generare atmosfere particolari.

Ricorrendo agli algoritmi è sempre possibile la sintesi per modulazione (di frequenza o di fase) grazie alla quale è possibile realizzare cluster di operatori che fungono da portante e modulante. In quest’ottica il segnale portante può essere modulato (la sua frequenza o fase variano in funzione dell’intensità del segnale modulante) da un altro segnale e questa operazione può essere realizzata più volte connettendo in modo opportuno gli oscillatori (il DX7, che però è ibrido, ne ha sei). I suoni che si ottengono, molto caratteristici, sono ricchi di armoniche e… difficili da programmare perché la modulazione è un processo molto meno intuitivo rispetto alla sintesi sottrattiva o al campionamento.

Abbiamo accennato ai circuiti ibridi. Questi sono operatori (oscillatori e amplificatori) analogici a controllo digitale. Si parla, quindi, di:

  • DCO: Digital Controlled Oscillator
  • DCA: Digital Controlled Amplifier

per indicare circuiti che possono venire controllati da segnali digitali che, come avete a questo punto capito, sono molto più facili da gestire.

La combinazione delle tecniche di cui sopra ha portato alla produzione di macchine molto complesse che vanno sotto il nome di Workstation. Sono le ammiraglie di ogni produttore, in genere costose, e raccolgono il meglio che ogni azienda è in grado di dare per quanto riguarda tipo e assortimento di suoni e possibilità di gestione della performance.

Un altro vantaggio della tecnologia digitale è la possibilità di memorizzare le configurazioni di moduli e i parametri di questi. I suoni generati possono quindi essere richiamati al tocco di un pulsante e… suonare.

Utilizzando dei componenti particolari detti encoder è possibile generare un codice digitale che definisce in modo univoco la posizione di potenziometri e switch analogici. Con questi componenti si riesce a memorizzare anche i suoni generati da componenti analogici e quindi a dare la possibilità di recall ai circuiti analogici.

Negli ultimi anni c’è un ritorno alle tecnologie analogiche che, per effetto della tecnologia SMD (Surface Mounted Device) riescono a unire i pregi delle sonorità analogiche (preferibili secondo molti) con la praticità di memorizzazione tipica dei sistemi digitali. Tutto ciò a prezzi molto concorrenziali. Questo ha generato un nuovo mercato che strizza l’occhio anche al mondo dei DJ che hanno modo di aggiungere alla loro performance a base di parti già registrate (vinile, CD, file) anche contributi originali suonati con synth e campionatori.

Terminiamo qui il discorso sui synth digitali. La prossima volta ci dedichiamo a capire come costruire il synth dei nostri sogni guardando alle possibilità offerte dai sistemi modulari.

Sono un ingegnere elettronico con la passione per la musica ed il suono. Mi sono avvicinato alla musica da autodidatta (salvo una breve parentesi alla University of the Blues di Dallas) e ho suonato nei peggiori locali italiani (con casuali puntate all'estero).
Ho costruito la mia prima radio FM appena finita la terza media. Ho continuato con amplificatori a valvole e transistor fino ad arrivare alla produzione di circuiti integrati.
Collaboro da anni con varie riviste (cartacee e web) di musica nelle quali mi occupo di recensioni di strumenti musicali e sistemi per l'elaborazione del suono. Trovate le mie pubblicazioni su Accordo (accordo.it), la rivista Chitarre (dal 2010 al 2015) e su Audio Central Magazine (audiocentralmagazine.com).
Produco musica da un po' nello NTFC Studio che serve sostanzialmente per le produzioni di NTFC Band.

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