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Elementi di Sintesi Sottrattiva e Sintesi per Modulazioni

Enrico Cosimi

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Indice 01 Intro: Premessa. La struttura didattica. L’ambiente di lavoro. Riferimenti. Non solo sintetizzatori. Sintesi sottrattiva (per ora…). All’interno di un sintetizzatore. Navigare nella struttura di un sintetizzatore. Un ultimo avvertimento. Parte I – Sound Sources 02 Oscillatori. Frequenza. Gate Modulation sulla frequenza. 03 Forme d’onda. Sinusoide. Triangolare. Dente di Sega. Quadra. Impulsiva ed Impulsiva Variabile. 04 Pulse Width Modulation. Dual Saw. Shapable Waves. 05 Modulazione di Frequenza. Modulazione di Frequenza Esponenziale in banda sub audio. Modulazione di Frequenza Esponenziale in banda audio. Intonazione percepita nella FM esponenziale. Modulazione di Frequenza Lineare in banda sub audio. Modulazione di Frequenza Lineare in banda audio. Intonazione percepita nella FM lineare. Inquadramento storico. Rapporto di frequenza costante Cf : Mf. Cosa succede quando c’è un’inversione di fase? Spettri armonici e spettri inarmonici. In pratica. 06 Hard Sync. Soft Sync. Implementazioni analogiche. Da un punto di vista tecnico. Phase Modulation. 07 Modellazione fisica delle corde pizzicate. Timbriche percussive. 08 Noise Generator. Rumore bianco, rumore rosa, rumore rosso, rumore a bassa frequenza. Dal punto di vista tecnico. Rumore come sorgente di modulazione. Parte II – Sound Modifiers 09 Filtri. Filtri: concetti di base. Inversione di fase. Filtri Statici e Filtri dinamici. Mode. Low Pass Filter. High Pass Filter. Band Pass Filter. Band Reject Filter. 10 Cutoff. Resonance. 11 Slope. Rapporto dNB/Oct, poli ed ordini. Variazioni nella pendenza. Una conseguenza nella distribuzione dei poli. Envelope Amount. Interazione tra cutoff ed envelope amount. Kybd Track. Diverse inclinazioni. 12 Filtraggio passa banda selettivo. FM Lineare sulla Cutoff Frequency. Modo variabile nel filtro Wah. Un filtro vocale. 13 Il Vocoder come banco di filtri. Funzionamento. Nel dettaglio. Analysis. Synthesis. Ricostruzione del segnale. Equalizzatore parametrico. Equalizzatore grafico. 14 I filtri All Pass ed il Phaser. Dal filtro All Pass al Phaser. Network di All Pass: strutture peak/notch. Filtro a pettine.

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15 Cenni sulla teoria dei filtri digitali. Caratteristiche principali dei filtri digitali. Convenzioni e standards. Il filtro Low Pass digitale. Il filtro High Pass digitale. Altri filtri digitali. Sostituzione dei coefficienti di filtraggio. Filtri FIR Finite Impulse Response. Filtri IIR Infinite Impulse Response ETA. Filtro IIR ETA High Pass. Filtro IIR del secondo ordine con comportamento Band Pass. Pregi e difetti dei filtri FIR e IIR. Filtri Comb. Filtro Comb FIR Positive Summing. Filtro Comb FIR Negative Summing. Filtro Comb IIR. Filtro All Pass nel dominio digitale. 16 Mixer. Panpot. Crossfader. 17 Amplificatore. Comportamento lineare ed esponenziale. Input Gain. Amplitude Control. Peculiarità nelle tecniche di modulazione. Modulazione: differenza tra somma e moltiplicazione delle sorgenti. Somma di modulazioni. Moltiplicazione di modulazioni. 18 Ring Modulation. Amplitude Modulation. Amplitude Modulation in banda sub audio. Amplitude Modulation in banda audio. Identità di frequenza tra Carrier e Modulator. 19 Distorsione non lineare. Waveshaping. I trattamenti più comuni. Clip. Overdrive. Saturate. Shaper Exponential. Wave Wrapper. Rectifier. 20 Chorus, Phaser e Flanger. Raddoppi di segnale, sovrapposizioni e sfasamenti. Stereo Chorus. Phaser. Flanger. Bit Reduction. Sampling Rate Reduction. 21 Variazioni di intonazione con Pitch Shifter e Frequency Shifter. Pitch Shifter. Funzionamento del Frequency Shifter. Differenze tra FS e PS. 22 Linee di ritardo. Cosa è una linea di ritardo. Linee di ritardo statiche e modulabili. Linee di ritardo ricircolanti. Linee di ritardo multitap. Delay Stereo. Parte III – Control Sources 23 Keyboard. CV, Gate, Trigger. La tastiera. Controllo di voltaggio CV. Gate. Trigger. Mono note priority Low, Last e High. Tap Tempo. 24. LFO. Oscillatore a bassa frequenza. Parametri e funzioni. Frequency. Wave. Shape Modulation. Output Type e Offset. Mono Mode/Poly Mode. Reset. Phase. 25 Random Generator. 26 Generatore di Inviluppo. Il generatore di inviluppo digitale nel 1962. Evoluzione dell’inviluppo analogico. Successive evoluzioni dell’inviluppo. Gate Envelope. Envelope D. Envelope AD. Envelope AR, Envelope AHR. Envelope ADSR. Envelope DADSR. Envelope ADR. Envelope ADDSR. Envelope ADSRR. Envelope Multi. 27 Generatore di Inviluppo: parametri significativi. Struttura. Curve Selezionabili. Differenza tra Tempo e Livello. Subordinazione a Gate o a Trigger. Modo Normal o Reset. Unipolarità, Bipolarità ed Inversione. Mode One Shot o Ciclico. Loop Globale o Selettivo.

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28 Interruttori. Comandare più interruttori contemporaneamente. Multiplexer. Switch subordinati a condizioni esterne. Level. Generazione di valori costanti. 29 Step Sequencer. Step e Row. Controllo sull’articolazione. Controllo sul contenuto dei singoli step. La sincronizzazione elementare. 30 Il Sequencer come generatore di forme d’onda. Rapporto Step/Forme d’onda. Rapporto Step/Frequenza. Sequenze multiple in parallelo. Sequenze multiple in serie. Parte IV – Control Modifiers 31 Control Modifiers. Quantizzazione. Tipi di quantizzazione. Glide e Portamento. 32 Interruttori controllati. Controllo dello switch in base ad un valore esterno. Windowing Switch. 33 Sample & Hold. Teoria. Track & Hold. 34 Level Adder e Level Multiplier. Offset sulle modulazioni. Moltiplicazione delle modulazioni. Operatori Logici. Clock Divider. 35 Riferimenti Bibliografici.

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Premessa Per sua natura, la Musica Elettronica è fortemente interdisciplinare: a differenza di quanto succede con un qualsiasi strumento acustico per il quale l’esecutore deve essere a conoscenza del repertorio, della tecnica esecutiva e delle principali linee evolutive che hanno portato alla forma attuale del suo strumento, nella Musica Elettronica il musicista dovrebbe (il condizionale, come si vedrà, è d’obbligo) muoversi con disinvoltura nei confronti dell’Acustica, della Fisica, dell’Ingegneria, dell’Elettronica Fisica, dell’Analisi Numerica, e poi ancora del repertorio, della tecnica esecutiva, nella Composizione, delle principali linee evolutive, dell’estetica elettronica, delle diverse tecniche di sintesi, di sincronizzazione, di campionamento, di trasmissione dati seriale e parallela… Un insieme di conoscenze che molto difficilmente trovano egual spazio all’interno del patrimonio culturale dei diversi musicisti; laddove non è dimostrato che uno scienziato sappia comporre musica di qualità superiore a quella concepita da un manovale, è comunque dimostrato che la conoscenza consapevole della tecnologia e della cultura musicale ad essa afferente permette di abbreviare sensibilmente i tempi necessari al raggiungimento di una determinata consistenza nei risultati pratici. Come dire che per non cadere nelle prime tradizionali, amabili, banalità da neofita è necessario dare un’occhiata a quello che gli altri hanno fatto in alcuni casi meglio in altri semplicemente prima di noi: occorre imparare dalle precedenti esperienze e plasmarle secondo le nostre esigenze. Come al solito, per fare questo, è necessaria un’insostituibile dose di curiosità nei confronti della materia; la stessa curiosità deve muovere tanto il musicista militante quanto colui che (per scelta o per ruolo istituzionale) si trova nella posizione di dover trasmettere ad altri le conoscenze necessarie. Le pagine che seguono vogliono essere, nei loro inevitabili limiti, un semplice strumento per facilitare l’apprendimento e la verifica passo dopo passo delle peculiarità tecniche che governano il funzionamento di una struttura di sintesi tipo. I concetti affrontati sono facilmente esportabili da un ambiente interamente hardware come quello degli apparecchi anni ’70 alle strutture virtuali attualmente diffuse; ma non è difficile verificarne l’applicabilità anche all’interno dei linguaggi di programmazione musicale più comuni. E’ superfluo dire che ciascuno degli argomenti trattati può essere approfondito a dismisura; in linea di massima, si è cercato di fornire una giusta quantità di informazioni, adatte a trasmettere la tecnica ed a suscitare l’interesse di chi debba apprenderla. Insomma: di quello che c’è, serve tutto; poi, volendo, si possono aumentare le dosi a seconda delle necessità personali. Con cadenza costante, sono stati inseriti nel testo esempi di programmazione (le patches di normale utilizzo nella pratica della sintesi) corredati di istruzioni passo dopo passo per la loro realizzazione e verifica operativa. In coda al testo, viene fornita una bibliografia (cartacea e web) per un adeguato approfondimento dei temi affrontati.

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La struttura didattica Imparare la Musica Elettronica, ovvero approfondire l’estetica del linguaggio elettronico - su un piano teorico – e la pratica della tecnica necessaria richiede una quantità di mezzi a dir poco sconsolante: per sua natura, il mezzo elettronico vive solo dove c’è sufficiente tecnologia; una tecnologia che può costare cifre limitate solo dalla decenza o dalla disponibilità contingente. In queste pagine, abbiamo scelto come medium il sistema virtual analog prodotto da Clavia e commercializzato come Nord Modular G2 Demo. Disponibile come shareware al link http://www.clavia.se/products/nordmodular/demo.htm, il programma sfrutta le capacità di calcolo del processore Mac o PC per generare una voce monofonica con struttura modulare, ovvero lascia all’utente la capacità di assemblare il percorso di sintesi desiderato scegliendo tra più di duecento moduli/istruzioni disponibili al suo interno.

La reperibilità a costo zero di questo software, la sua interfaccia grafica di impostazione tradizionale (contrapposta alla meno familiare astrazione di altri linguaggi di programmazione basati sulle vecchie famiglie Music X) e l’enorme diffusione di patches (cioè di timbriche) già disponibili in rete, rendono il Nord Modular G2 Demo uno strumento significativo per la didattica e per l’apprendimento della Musica Elettronica. Purtroppo, c’è sempre un compromesso con cui è necessario fare i conti: la versione Demo del programma è monofonica, cioè può sintetizzare una sola voce per volta; inoltre il programma è volontariamente chiuso nei confronti del mondo esterno, riceve informazioni MIDI dalle eventuali

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periferiche MIDI/USB collegate al Mac/PC, ma non permette il trattamento di segnali audio esterni o la registrazione dei suoni prodotti rimanendo all’interno del dominio digitale.

Queste limitazioni sono assenti dalla versione hardware del prodotto, commercializzato in tre diverse versioni (con tastiera a cinque ottave, a tre ottave o in formato rack/sound engine), che offre una notevole connettività Audio/MIDI ed una facile integrazione all’interno di network musicali pre esistenti. Nella versione hardware, la generazione sonora è affidata ai quattro processori Motorola contenuti nello strumento, mentre l’Editor viene fatto girare sul computer collegato mediante cavo USB e permette la programmazione dettagliata del percorso di sintesi. L’ambiente di lavoro La versione Demo del Clavia Nord Modular G2 ripropone l’interfaccia utente impiegata per l’Editor della versione full function. L’utente può assemblare la propria struttura di sintesi scegliendo tra sedici diversi gruppi di moduli.

Ciascun gruppo contiene una quantità variabile di unità logiche – moduli – che possono essere organizzate secondo i collegamenti decisi dall’utente; l’interfaccia grafica riproduce il normale comportamento dei vecchi sintetizzatori analogici e, pertanto, offre uscite ed ingressi audio, uscite ed ingressi di modulazione, controlli modificabili, switch eccetera.

Le connessioni tra un modulo e l’altro vengono realizzate mediante la consueta tecnica di click and drag con il mouse. Un’uscita può essere collegata ad infiniti ingressi, ma un ingresso può accogliere solo un unico segnale.

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Come per qualsiasi applicativo di sintesi, è consigliabile partire da uno schema a blocchi di massima che faciliti la navigazione all’interno della significativa mole di opzioni offerte al musicista: seguendo lo schema a blocchi, sarà più agevole verificare la consistenza e la congruità delle connessioni via via realizzate. La superficie di lavoro è divisa in due aree: Voice Area e FX Area. I moduli instanziati nella prima area vengono calcolati indipendentemente per ciascuna voce di polifonia richiesta; i moduli instanziati nella FX Area (quale che essi siano) vengono calcolati una sola volta per l’intera patch. Attenzione ! La distinzione è significativa nella gestione delle CPU interne allo strumento hardware; nella versione Demo, rigorosamente monofonica, la cosa è meno significativa. Per ciascuna patch elaborata dall’utente o fornita come esempio, è possibile salvare otto possibili variations, cioè corredi differenti di valori parametrici che sfruttano la stessa struttura di sintesi. Riferimenti Anche se in lingua inglese, è caldamente consigliabile la lettura del manuale di riferimento del Nord Modular; di seguito vengono forniti i link per il suo download. Clavia Nord Modular G2 DEMO homepage http://www.clavia.se/products/nordmodular/demo.htm Clavia Nord Modular G2 DEMO 1.40 Windows http://www.clavia.se/G2/V1_40/SetupModularG2Demo_V140.zip http://www.clavia.se/G2/V1_40/ReadMeDemo.txt Clavia Nord Modular G2 DEMO 1.40 Mac http://www.clavia.se/G2/V1_40/DemoModularG2_V140.dmg http://www.clavia.se/G2/V1_40/ReadMeDemo.txt Clavia Nord Modular G2 Manual http://www.clavia.se/G2/V1_40/G2Manual_V1_4.pdf

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Non solo sintetizzatori La Musica Elettronica si sviluppa seguendo una linea evolutiva che, con significativi ricorsi, alterna hardware e software; oggi è possibile lavorare nel dominio preferito, potendo scegliere letteralmente qualsiasi aspetto peculiare della struttura che si vuole realizzare. Tanta libertà, ovviamente, ha un costo in denaro ed un costo in termini di monte ore necessario all’apprendimento del funzionamento; a parziale consolazione dell’utente, ricordiamo che, come per la bicicletta, una volta acquisito il nucleo dei concetti fondamentali, tutte le biciclette sono uguali e buona parte degli strumenti elettronici hanno comportamenti ricorrenti, siano essi implementati all’interno di una struttura software o realizzati con puro hardware. Sintesi Sottrattiva (per ora…) Oggi lavoriamo principalmente (ma non solo) con strutture di sintesi che ricalcano il funzionamento delle prime macchine analogiche a struttura modulare; la tecnica di sintesi più facilmente utilizzabile è senza dubbio quella definita come Sintesi Sottrattiva, che conferisce estrema importanza alla ricchezza armonica delle sorgenti sonore disponibili ed all’efficacia dei trattamenti ad esse applicati per ottenere il risultato desiderato. Non è l’unica tecnica di sintesi esistente (il loro elenco si allunga quasi costantemente con il progredire delle ricerche) ma è sicuramente una delle più immediate. Si noterà che, passata la fascinazione della sintesi imitativa, appare presto evidente come il sintetizzatore in sintesi sottrattiva sia particolarmente adatto a sviluppare timbriche da sintetizzatore. Nelle pagine che seguono, oltre a passare in rassegna i comportamenti tipici della tecnica sottrattiva, verranno affrontate anche le peculiarità più significative delle cosidette tecniche di sintesi per modulazioni (AM, RM, FM lineare) che possono essere facilmente implementate all’interno di una struttura analogica o virtual analogica. All’interno di un sintetizzatore Negli ultimi quaranta anni, l’evoluzione degli strumenti musicali elettronici ha visto la perenne riconferma dei più importanti concetti operativi sviluppati dai pionieri della sintesi e la codifica di precise categorie operative con cui indicare i ruoli svolti all’interno della struttura di sintesi. E’ quindi possibile parlare di: •

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Sorgenti Sonore (Sound Sources): sono gli elementi che, di fatto, generano il suono che viene successivamente trattato e processato nel circuito di sintesi; gli oscillatori audio, il generatore di rumore e l’eventuale ingresso per segnali esterni sono esempi banali di unità appartenenti a questa categoria. Modificatori per le Sorgenti Sonore (Sound Modifiers): sono gli elementi utilizzati per alterare creativamente il comportamento delle sorgenti sonore; il filtro che elimina determinate armoniche, l’amplificatore che moltiplica il livello del segnale passante, un mixer o un modulatore ad anello appartengono a questa categoria. Sorgenti di Controllo (Control Sources): sono gli elementi – interni alla struttura di sintesi o veri controller esterni – che permettono di pilotare nel dominio del tempo, dell’ampiezza e della frequenza il comportamento delle sorgenti sonore e dei modificatori

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per le medesime; il controller più banale per uno strumento musicale elettronico è la tastiera musicale. Modificatori per le Sorgenti di Controllo (Control Modifiers): al pari dei sound modifiers, i control modifers permettono di alterare il comportamento dei controllers in base alle necessità del musicista. Il glide di tastiera appartiene a questa categoria.

Le pagine che seguono rispetteranno questa divisione concettuale. Navigare nella struttura di un sintetizzatore Inevitabilmente, le prime esperienze con la Musica Elettronica vengono compiute lavorando con strutture di sintesi progettate da altri; a prescindere dalla loro complessità, è importanti riuscire ad identificare senza errori i comportamenti dei diversi componenti, guadagnando così a colpo d’occhio, un’impressione di massima sulle potenzialità che la struttura può offrire. Successivamente, con l’esperienza, si raggiungerà la fase inversa, in cui sarà possibile ipotizzare la struttura di sintesi necessaria partendo dal compito sonoro che gli si intende affidare; la fase della progettazione non può comunque prescindere da un primo stadio di acquisizione pratica con sistemi pre configurati. Di seguito, si riportano quattro schemi a blocchi di diversi strumenti in sintesi sottrattiva commercialmente diffusi. In tutti gli schemi, sono evidenziate in azzurro le sound sources, in giallo i sound modifiers, in verde le control sources; mancano i control modifiers perché inevitabilmente la loro azione è considerata troppo specifica per essere riportata all’interno di uno schema per sua natura tendente alla semplificazione. Il primo esempio è un sistema generico in sintesi sottrativa.

Il secondo esempio riproduce la struttura (molto generalizzata) del polifonico analogico Alesis A6 Andromeda.

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Il terzo schema riproduce la struttura di uno dei quattro program unit instanziabili nel KORG Radias.

L’ultimo schema riproduce la struttura del monofonico analogico Moog Music Little Phatty.

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Un ultimo avvertimento Nelle pagine che seguono, ogni argomento è preceduto dall’indicazione del modulo funzionale e (per facilitarne il reperimento) della famiglia cui appartiene; in questo modo, dovendo sperimentare le peculiarità del controllo di frequenza sull’oscillatore, l’utente è già sensibilizzato a cercare nel gruppo OSC il modulo OSC B, e così via. In coda ad ogni argomento significativo sono posizionate le patches esplicative, con la riproduzione grafica dei collegamenti effettuati e le note che ne guidano il funzionamento. I files veri e propri delle patches sono raggruppati nella cartella corrispondente disponibile per il download.

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