Qual'è il principio fisico alla base di un sintetizzatore?

Non si può parlare di un singolo principio che fa funzionare tutti i sintetizzatori, beh oramai quelli moderni sono tutti digitali ma guardando indietro possiamo elencare diverse modalità di funzionamento.

Cerchiamo di fare una lista dei principali anche se sarà un po' lunga:

• Sintesi sottrattiva

Da un generatore di segnale con elevata produzione di armoniche (ad esempio onda quadra, onda triangolare, dente di sega, etc) si interviene con un sistema di filtri allo scopo di modificare il timbro e quindi la forma d'onda. Esempi di sintesi sottrattiva si possono ritrovare anche negli strumenti musicali tradizionali dove la selezione del timbro è ottenuta in maniera meccanica tramite la cassa armonica come nella chitarra o nel violino. Inoltre è possibile variare la frequenza del filtro (cut off) e il fattore di merito Q (Peak o resonance) tramite opportuni controlli. I filtri possono essere realizzati con tecnologia analogica (reti RC o componenti discreti) oppure con tecnologia digitale tramite dsp. 

I primi sintetizzatori a sintesi sottrattiva erano implementati tramite sistemi modulari analogici dove era possibile interconnettere e controllare ogni modulo a piacimento. In seguito sono stati sviluppati i primi sintetizzatori normalizzati dove l'utente poteva scegliere fra alcune configurazioni di base scelte dal costruttore. Una grande rivoluzione è stata l'implementazione della sintesi sottrattiva nel dominio digitale, dove un semplice DSP può sostituire le funzioni di centinaia di moduli analogici. 

Alcuni esempi di celebri sintetizzatori analogici a sintesi sottrattiva sono:

I sistemi modulari Moog, i giapponesi Korg Monopoly e Roland Jupiter-8, e gli americani Arp 2600 e Sequential Circuits prophet 5. 

Tra i sintetizzatori digitali a sintesi sottrattiva vi sono: 

Il Clavia Nord Lead, il Roland JP8000 e il Korg MS 2000.

• 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. Questa tecnica, pur permettendo teoricamente di riprodurre qualsiasi suono esistente, in realtà è di estrema complessità; infatti al contrario di quanto accade nella sintesi sottrattiva dove si agisce su un consistente numero di armoniche già patrimonio del segnale grezzo originale, nella sintesi additiva si ha la necessità di controllare separatamente un numero elevatissimo di componenti 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, con la notevole eccezione dei vari tipi di organi elettronici, però è interessante nell'ambito della ricerca.

• Modulazione di Frequenza e di Fase

Il concetto parte dalla possibilità di modulare in banda audio la frequenza di una fondamentale mediante un altro segnale. Per effetto della modulazione il segnale modulato modifica la sua 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 a sei 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; ad esempio nel momento in cui il suono viene prodotto con una chitarra acustica, la corda viene spostata dal suo 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 e l'andamento nel tempo della componente del pizzico rappresenta l'oscillatore modulante. L'ampiezza di entrambi decade con l'andare del tempo fino al naturale smorzamento del suono, quindi 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. 

• Campionamento

Un segnale audio può essere registrato sia in modo analogico 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 (campionamento PCM). Se la frequenza di campionamento è sufficientemente elevata (almeno 2 volte la massima frequenza contenuta nel segnale da campionare secondo il Teorema del campionamento di Nyquist-Shannon), il segnale audio può essere così trasferito nella memoria di un elaboratore e successivamente riprodotto procedendo alla sua rigenerazione inviando, con velocità costante, i valori misurati ad un Convertitore digitale-analogico (DAC) che fornisce la 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 deve necessariamente fornire le opportune possibilità di agire sul segnale campionato per modificare la distribuzione delle armoniche e dell'ampiezza nel tempo in modo da restituirgli quella naturalezza corrispondente allo strumento originario.

• Il Controllo in Tensione (C.V)

Una certa 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 sua intonazione. 

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, produce 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, tensione che altera contemporaneamente la frequenza dell'oscillatore controllato in tensione (VCO, Voltage-controlled oscillator) per intonare la nuova nota e il filtro (Voltage-controlled filter, VCF) per adattarlo alla nuova frequenza ed estrarre 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.

• Generatori a bassa frequenza (LFO, Low Frequency Oscillator; modulazione periodica)

Per fornire un effetto piacevole ed espressivo al suono di una forma d'onda filtrata in modo statico da un sistema di filtri si possono sommare oscillazioni periodiche a frequenza subsonica (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".

• Generatori di Inviluppo (modulazione aperiodica o transitoria)

Una caratteristica importante del suono di qualsiasi strumento musicale è l'espressione, ovvero la possibilità che il musicista ha 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: ad esempio nell'esecuzione di una sonata per pianoforte o di un assolo di violino le variazioni di intensità, di ricchezza acustica e il vibrato permettono 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 molte di queste variazioni seguono uno schema fisso: per esempio l'attacco in crescendo di una sezione d'archi è sempre uguale per ogni tasto che viene premuto.

Per riprodurre questo genere di modulazioni non periodiche si ricorre a generatori programmabili di transitori di tensione in modo da generare il medesimo profilo della grandezza controllata a istanti preimpostati: alla pressione del tasto il generatore di transienti genera una tensione crescente che raggiunge il suo 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 il tempo di salita della tensione alla pressione del tasto e il tempo di discesa al suo rilascio ed è adatto a 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 al 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 la tensione torna a zero in un tempo definito dal parametro Release.

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.

• Distorsione di fase - Phase Distortion

Presente nei sintetizzatori CASIO della serie CZ, sul mercato a partire dal 1984, è una differente implementazione di un principio analogo alla sintesi FM tipica della serie DX della Yamaha. È decisamente più impegnativa per l'utente in sede di programmazione.

La più semplice configurazione per la sintesi FM, che non è dominio esclusivo delle macchine digitali, prevede che vi siano due oscillatori di cui uno prende il nome di modulatore e l'altro di carrier. Per comodità del programmatore nelle macchine digitali questi oscillatori sono ordinati in blocchi con generatori di inviluppo, mixer e amplificatori, che prendono il nome di operatori. Questi possono essere collegati tra loro in varie configurazioni utilizzando gli algoritmi, una sorta di patch prestabilite analogamente a quanto si farebbe in un sintetizzatore analogico modulare. Per prevedere con certa precisione la variazione del contenuto armonico in base ai valori inseriti, il sintetista deve possedere alcune nozioni di matematica non proprio elementari, quali per esempio le funzioni di Bessel.

Inoltre all'interno del DX7, in vendita a partire dal 1983, in ognuno dei sei operatori era implementata la sola forma d'onda sinusoide ed erano disponibili vari algoritmi. Diversamente nella distorsione di fase, sebbene gli oscillatori in gioco siano solo due e l'uno possa modulare l'altro, dalle loro tavole possono essere lette onde molto più complesse delle semplici sinusoidi un po' come nel TX81Z, macchina a quattro operatori sul mercato a partire dal 1986. Esistono sistemi FM Synclavier che arrivano a gestire fino a dodici operatori.

Dalla variazione della lettura dei dati dalle tavole deriva il caratteristico suono della serie CZ, capace di emulare senza troppi calcoli per il programmatore anche il comportamento dei filtri risonanti grazie a delle funzioni a "finestra" che consentono una variazione del contenuto armonico di partenza, enfatizzando certe frequenze, anche con un solo oscillatore, e non due operatori come nella sintesi FM.