venerdì 29 aprile 2016

SINTETIZZATORE

Sintetizzatore

Il sintetizzatore Oberheim OB-12
Il sintetizzatore (abbreviato anche in synth dal termine in inglese) è uno strumento musicale che appartiene alla famiglia degli elettrofoni. È un apparato in grado di generare autonomamente segnali audio, sotto il controllo di unmusicista o di un sequencer. Si tratta di uno strumento che può generare imitazioni di strumenti musicali reali o creare suoni ed effetti non esistenti in natura. Attualmente troviamo anche sintetizzatori virtuali (VST, AU, RTAS standard lanciato nel 1997), che assolvono a questo compito interamente a livello software e che si appoggiano su schede sonore interne o esterne collegate ad un Personal Computer.
Il sintetizzatore è generalmente comandato per mezzo di una tastiera simile a quella del pianoforte, comunque non mancano realizzazioni destinate ad essere gestite mediante il fiato, la pressione, le corde di una chitarra o altri tipi di controller come sensori a raggi infrarossi.


STORIA

Telharmonium, Thaddeus Cahill1897

Trautonium, 1928
Le origini del sintetizzatore sono difficili da tracciare, poiché inizialmente la differenza tra questo ed i tradizionali strumenti musicali elettronici è molto flebile.
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 strumenti quali le onde Martenot e il thelarmonium. Naquero 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 primo vero sintetizzatore polifonico fu il Novachord della Hammond Organ Company degli anni quaranta, che non ebbe però particolare fortuna a causa degli alti costi.
Il cinema ebbe un'influenza sullo sviluppo della musica elettronica. Il primo strumento elettronico efficiente si ha solo nei primi anni cinquanta 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, unmodulatore ad anello con l'uscita che è la somma e la differenza delle frequenze d'ingresso e diversi filtri d'elaborazione. 
Nascono le prime composizioni che non imitano più il suono di strumenti esistenti, bensì fanno del timbro il parametro principale della musica: "noi possiamo comporre il suono"; si utilizzano così le componenti microscopiche delle onde sonore, mentre fino ad allora si era composto su timbri preesistenti. 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.
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 progressive; 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 settanta vide lo sviluppo di strumenti monofonici (possibilità di suonare un tasto solo alla volta) con tecnologia esclusivamente asintesi sottrattiva, 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; esso disponeva di uno spezzone di nastro magnetico per ogni tasto non chiuso ad anello, bensì lasciato libero entro apposite guide contenute nel mobile sotto la tastiera vera e propria: premendo i tasti, si poteva suonare lo strumento originale. Naturalmente una tecnica di questo tipo poteva funzionare soltanto con suoni privi di sostegno, di durata limitata ai pochi secondi trasferibili sui segmenti di nastro magnetico. Lo strumento era polifonico (possibilità di suonare più tasti contemporaneamente) e la sua introduzione sul mercato discografico causò un notevole interesse.
Il primo sintetizzatore analogico polifonico prodotto in serie è stato l'Eminent 310, un organo elettronico entrato in produzione nel 1971, dotato di una sezione di string ensemble (simulazione di orchestra d'archi) molto semplice. Il suo uso più celebre si trova nell'album Oxygène di Jean Michel Jarre.
Ma è dall'inizio degli anni ottanta che la produzione di sintetizzatori polifonici prese il via. Gli strumenti prodotti comunque presentavano grossi problemi di intonazione e di stabilità nel tempo, oltre ad avere punti deboli nella gestione in contemporanea di oscillatori e filtri.
Il sintetizzatore viene usato per alcune canzoni italiane di successo (in particolare i brani di Gianna Nannini, Franco Battiato, Max Gazzè, Tiziano Ferro, Raf,Francesca Michielin, Cesare Cremonini, Luca Carboni, Marco Mengoni, Giorgia, Jovanotti, Dolcenera, Max Pezzali), per le sigle dei telegiornali RAI (TG1, TG2,TG3) e Mediaset (TG4, TG5, Studio Aperto) e per le rubriche meteo (Meteo 3, Studio Aperto Meteo, Meteo 4, Meteo 5).

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 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 (è però interessante nell'ambito della ricerca).

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. È inoltre possibile variare frequenza del filtro (cut off) ed 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 nel dominio digitale tramite dsp. Altri parametri fondamentali nella catena di sintesi analogica sono l'inviluppo (ADSR), il controllo del volume (VCA) e gli effetti di vibrato (LFO). 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 ed gli americani Arp 2600 e Sequential Circuits prophet 5. Tra i sintetizzatori digitali a sintesi sottrattiva ricordiamo in Clavia Nord Lead, Roland JP8000 e korg MS 2000.

LE FORME D'ONDA
La forma d'onda è la base per la creazione di un timbro e l'oscillatore dei sintetizzatori analogici ne ha a disposizione poche tra cui scegliere. Le forme d'onda permettono una prima impostazione di partenza del suono lasciando ai filtri il compito di ritoccare la composizione armonica dello spettro sonoro. Pur nella sua semplicità il metodo di generazione di questi sintetizzatori può comunque competere sia nella creazione di timbri ex novo sia nell'emulazione con strumenti che adottano le più recenti e complesse tecniche di sintesi. Il controllo che permette di selezionare la forma d'onda viene generalmente indicato come "Waveform" o “Shape” con visualizzazione dei valori come: 
"Sinusoid" (sinusoidale), "Triangular" (Triangolare), "Sawtooth" (Dente di sega), "Square" (Quadra), "Pulse" (a impulso), "Pulse width modulation" (modulazione di larghezza di impulso), "Lambda", "Noise" (rumore) riportati spesso in formato grafico. 
Ognuna di queste forme d'onda ha un suo spettro armonico, per alcune facilmente immaginabile (sinusoide o noise) per altre più complesso.
La forma d'onda sinusoidale genera un suono puro senza armonici, questo significa che occuperà una sola frequenza dello spettro udibile.
In alcuni sintetizzatori non esiste un selettore di forme d'onda. Si è preferito dotare lo strumento di interruttori o di volumi per ogni singola forma d'onda che contribuiscono a creare il disegno finale.
Il Noise Generator (generatore di rumore) è un altro circuito capace di creare un suono ma a differenza degli oscillatori veri e propri genera un segnale in cui casualmente si alternano tutte le frequenze udibili.
Nei sintetizzatori modulari il Noise Generator è costituito da un modulo distinto da quello degli oscillatore mentre nei sintetizzatori normalizzati spesso si trova tra i controlli riguardanti le forme d'onda dell'oscillatore. Spesso compare la possibilità di scegliere di usare il White Noise (rumore bianco), il nome nasce dall'analogia con la luce bianca che comprende tutti i colori, o il Pink Noise(rumore rosa); quest'ultimo è ponderato per l'orecchio umano, ossia è dotato di un filtro passa basso che bilancia la prevalenza delle frequenze acute presente nella percezione uditiva dell'uomo. Il generatore di rumore viene usato per produrre suoni naturali come vento e mare, per dare una sensazione di irregolarità e di realismo a suoni emulativi, per creare suoni percussivi simili a rullanti e piatti e offre anche altre possibilità se usato come modulo di controllo (vedi sample & hold).

SCHEMA DI UN SINTETIZZATORE
Un semplice sintetizzatore è composto da:
1) una fonte di suono detto oscillatore (VCO), Voltage Controlled Oscillator VCO vuol dire che l’oscillatore è controllato in tensione.
2) un filtro (VCF)
3) un generatore di inviluppo (EG) 
4) un amplificatore d’uscita (VCA).
I primi sintetizzatori prodotti negli anni 60 e 70 usavano una tecnologia costruttiva detta Analogica, Voltage Controlled Oscillator VCO vuol dire che l’oscillatore è controllato in tensione.
I synth prodotti negli anni 80 usavano una tecnologia detta Digitale Digital Controlled Oscillator DCO vuol dire che l’oscillatore è controllato in digitale.
I synth prodotti dagli anni 90 in poi usano una tecnologia totalmente digitale detta Virtual Analog vuol dire che tutto l’oscillatore è emulato digitalmente usando potenti microprocessori chiamati DSP Digital sound processor.
Ognuna di queste tecnologie produce una pasta sonora diversa dalla piu’ sporca e calda dell’analogico alla piu’ precisa e fredda del digitale.
ARMONICI


Armonici naturali
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Tono fondamentale (110 Hz) e primi 15 armonici naturali
Gli armonici naturali sono una successione di suoni (ipertoni) le cui frequenze sono multipli di una nota di base, chiamata fondamentale.
Un suono prodotto da un corpo vibrante non è mai puro, ma è costituito da un amalgama in cui al suono fondamentale se ne aggiungono altri più acuti e meno intensi: questi sono gli armonici, che hanno una importanza fondamentale nella determinazione del timbro di uno strumento e nella determinazione degli intervalli musicali.
I suoni armonici corrispondono ai possibili modi normali di oscillazione di un corpo sonoro (secondo un moto armonico).
Ad esempio, se una corda di lunghezza L emette un Mi (primo armonico), la stessa corda vibra con meno intensità anche a frequenza doppia (pari alla lunghezza L/2, secondo armonico), emettendo un Mi all'ottava superiore, e così via, suddividendo la lunghezza d'onda in multipli interi L/3, L/4, eccetera. Lo stesso principio vale per le colonne d'aria che vibrano all'interno di tubi (come negli ottoni).
SERIE DI FOURIER
Teorema di Fourier: enunciato
Tutta la trattazione svolta nelle precedenti lezioni per la risposta in frequenza, incontra un notevole limite nel fatto di fare riferimento soltanto a segnali di tipo sinusoidale. Tuttavia i segnali sinusoidali non sono affatto così frequenti in pratica. Anzi si potrebbe affermare che probabilmente, a parte la tensione alternata di rete, tutti o quasi tutti gli altri segnali "fisici" non hanno andamento sinusoidale. Così ad esempio non sono sinusoidali i segnali “logici” presenti in un circuito digitale,la tensione prodotta da un microfono, il segnale di una trasmissione radio etc. Di fronte a tutta questa varietà di segnali, le limitazioni imposte dallo studio di un circuito per mezzo della sua risposta in frequenza sembrano dunque davvero eccessive.
Eppure è possibile estendere l'utilizzo della risposta in frequenza a quasi tutti i segnali di interesse pratico. Tale possibilità è offerta da un importantissimo teorema matematico, noto come teorema di Fourier. Esso afferma che:
Qualunque segnale periodico può essere generato sommando insieme tanti segnali sinusoidali (detti armoniche) aventi frequenze multiple intere della frequenza del segnale periodico (detta frequenza fondamentale).
Teorema di Fourier: un esempio pratico
La figura seguente mostra la scomposizione in armoniche (e la relativa ricomposizione) di un'onda quadra:


Si noti che le armoniche sono sinusoidi con frequenza crescente e ampiezza decrescente. la prima armonica, quella avente frequenza uguale a quella del segnale e con ampiezza maggiore, è detta armonica fondamentale. La somma delle armoniche genera progressivamente un segnale che assomiglia sempre di più a un'onda quadra.
Le frequenze delle armoniche sono multipli interi della frequenza del segnale. Ovvero, se ad esempio l'onda quadra ha una frequenza di 10 Hz, le armoniche avranno frequenze 10, 20, 30, 40. 50 Hz e così via.
La figura seguente mostra l'approssimazione che si ottiene sommando fra di loro fino a 200 armoniche:




riguardatevi anche il video in inglese:
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