Generalmente, il sintetizzatore è considerato dai «non addetti ai lavori» come qualcosa di misterioso, pertanto lo scopo di questa prima parte dell'articolo è illustrare in forma semplificata il funzionamento e le caratteristiche di quest’apparecchiatura.
Un sintetizzatore può essere definito come uno strumento musicale elettronico, le cui caratteristiche sonore possono essere variate dall'estro di chi lo suona.
Questa caratteristica lo rende «diverso» dagli strumenti tradizionali.
Ad esempio, il sintetizzatore, è differente dagli organi elettronici poiché questi ultimi hanno una definita predisposizione di voci, generalmente simile per tutti gli organi reperibili in commercio, mentre il sintetizzatore non ha caratteristiche tonali fisse.
Può quindi essere usato per imitare gli strumenti musicali convenzionali ed anche per riprodurre suoni e rumori diversi generabili solo con mezzi elettronici.
Il sintetizzatore è quindi uno strumento estremamente versatile la cui utilizzazione va dall'accompagnamento, allo utilizzo come strumento solista.
Ciascun suono è caratterizzato da tre parametri dipendenti:
PITCH - controllo di frequenza, serve per accordare le note del sintetizzatore alla scala cromatica.
TONE COLOUR (timbro) - che fornisce le caratteristiche timbriche del suono.
VOLUME - che caratterizza il piano e il forte, di ciascuna nota generata.
Se questi parametri,
frequenza fondamentale - contenuto armonico - ampiezza del segnale
sono controllati con precisione, un particolare suono, può essere accuratamente sintetizzato.
Convertitore esponenziale
Particolare attenzione va dedicata al controllo in tensione delle caratteristiche dei VCO e VCF.
In molte applicazioni è sufficiente una caratteristica «lineare», nel senso che la frequenza è proporzionale alla tensione (1 V = 1 Hz, 2 V = 2 Hz, ecc.).
Tuttavia in campo musicale non serve una relazione lineare, bensì una relazione esponenziale, come appunto sono gli intervalli musicali.
Infatti, la frequenza raddoppia nel passaggio da una nota di un’ottava alla nota corrispondente nella ottava superiore:
LA1 = 27,5 Hz LA2 = 55 Hz LA3 = 110 Hz LA4 = 220 Hz ecc.
Se costruiamo un grafico sistemando la frequenza sull'asse V e le ottave sull'asse X, otteniamo la curva visibile in figura 1.
Fig. 1 - Relazione esponenziale fra le espressioni delle frequenze di un suono in ottave ed in hertz.
Tuttavia è comodo per chi suona avere un controllo proporzionale tensione/ottava anziché tensione/ frequenza. La figura 2 mostra il grafico relativo ad un principio di controllo in cui, aumentando la tensione di 1 V, la frequenza ·aumenta di una ottava. Tale sistema di controllo è adottato dalla maggior parte dei costruttori di sintetizzatori musicali.
fig. 2 - Curva caratteristica del controllo lineare tensione/ottava.
Un andamento lineare tensione/ ottava può essere ottenuto facendo precedere un VCO 'lineare (oscillatore controllato in tensione) e un CCO lineare (oscillatore controllato in corrente) da un convertitore esponenziale la cui uscita raddoppia ad ogni volt di incremento in ingresso (figura 3).
Fig. 3 . Composizione a blocchi di un modulo VCO.
Il convertitore esponenziale può essere preceduto da un sommatore. Il quale permette di sommare alla tensione di controllo principale una o più tensioni di OFFSET (spostamento) che permettono di spostare verso le tonalità acute o basse le ottave della tastiera. Oppure, ottenere effetti simili al vibrato.
Controllo di frequenza tramite tastiera
Esistono diversi modi per variare le tensioni di controllo dello strumento. Poiché la maggior parte degli strumenti musicali sono accordati sulla scala temperata (normale scala usata per la musica occidentale), sembra logico impiegare tale scala per suonare il Sintetizzatore; la scelta più ovvia è quella di usare una normale tastiera per organo con contatti elettrici.
Il circuito della tastiera (figura 4) consiste in un partitore di tensione formato da resistori di uguale valore collegati ad un generatore di corrente costante. Poiché ogni ottava è formata da 12 semitoni (e quindi dodici contatti elettrici). Ai capi di ciascun resistore deve essere presente una differenza di potenziale di 1/12 di V, pari a 0,83 V. Premendo un tasto si seleziona la tensione corrispondente che è applicata tramite la barra comune di connessione al circuito controllato in tensione.
Negli organi elettronici l'estensione limitata della tastiera è ovviata selezionando le voci per mezzo di registri.
In un sintetizzatore, l'estensione della tastiera si ottiene sommando una tensione continua (OFFSET) all'ingresso del circuito VCO.
Ad esempio. Con lo standard descritto. Un OFFSET di + 1 V sposta la scala di una ottava più in alto.
Flg. 5 - Controllo di trasposizione relativo ad singolo VCO..
Fig. 4 · Schema di principo del partitore resistivo per ottenere le tensioni di controllo della tastiera
Vantaggi del controllo esponenziale
La figura 6, illustra uno dei principali vantaggi del controllo esponenziaossibilità di far lavorare più moduli controllati in tensione, conservando l'accordo prestabilito fra essi. Nel caso raffigurato, si tratta dile, cioè la p tre VCO.
F/g. 6 -Realizzazione di un accordo con l’impiego di tre VCO.
Il primo ingresso dei VCO è comune ed è connesso alla tastiera. Il secondo ingresso è Indipendente e collegato a una tensione continua variabile (OFFSET) diversa per ciascun VCO. Il terzo ingresso è comune ai tre VCO ed è connesso a una tensione continua variabile (trasposizione simultanea)
Supponiamo che le tensioni “ DC OFFSET”, siano regolate in modo che le frequenze generate dai VCO adiacenti siano separati di un’ottava, ad esempio 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz. Se la tensione sulla tastiera aumenta di 1 V, le frequenze dei VCO passano rispettivamente a 2 kHz. 4 kHz. 8 kHz. rimanendo ancora separate di una ottava. Ciò non è possibile nel caso di un controllo lineare frequenza/tensione.
Naturalmente ciò non è limitato agli accordi per ottava. Agendo sui vari controlli di “DC OFFSET”, è possibile realizzare innumerevoli tipi di accordo fra VCO, accordo che verrà mantenuto al variare della tensione fornita dalla tastiera.
Inoltre, modificando il valore della tensione di OFFSET comune ai tre VCO, è possibile trasporre in alto o in basso le ottave della tastiera sempre conservando I ‘accordo prestabilito.
Filtri controllati in tensione
I circuiti VCF impiegati nei sintetizzatori sono generalmente filtri passa-basso. Uno schema generale della loro applicazione è visibile in figura 7.
Una tensione continua variabile, “ DC OFFSET”, è usata per impostare la frequenza di taglio del filtro, o meglio, il suo rapporto con la frequenza del segnale generato dal VCO; tale rapporto rimane costante al variare della frequenza generata dal VCO stesso, a sua volta dipendente dalla tensione di controllo proveniente dalla tastiera.
In tal modo è mantenuto costante il contenuto armonico del segnale allo spstarsi della frequenza.
Amplificatori controllati in tensione
La funzione del VCA è controllare la durata e l'ampiezza dinamica del suono, ad esempio il suo inizio, il suo permanere nel tempo e il suo decadimento.
Il VCA è controllato unicamente dal generatore d’inviluppi, la cui tensione in uscita nel tempo ha la forma corrispondente alla voluta intensità del suono nel tempo.
Anche in questo caso. Il generatore d’inviluppi deve essere sincronizzato con l’inizio della nota, attraverso l'impulso di “trigger” generato dalla tastiera.
Attraverso i generatori di Inviluppo (normalmente chiamati ADSR) il musicista può manipolare a piacere la dinamica dell'intensità e del contenuto armonico del suono generato.
Intensità e contenuto armonico, sono i due parametri che determinano i diversi suoni prodotti, come, negli strumenti tradizionali, intensità e contenuto armonico, differenziano il suono di strumenti accordati sulla stessa nota.
Schema a blocchi di un sintetizzatore musicale
La figura 8, mostra i blocchi circuitali fondamentali ed alcuni circuiti ausiliari componenti il sintetizzatore. Alla base della figura ci sono la tastiera e i suoi circuiti d’interfacciamento; questi consistono in un partitore di tensione, un generatore di tensione di «gate», due generatori di inviluppo e uno per il VCA ed uno per il VCF.
Fig. 8 - Schema a blocchi del sintetizzatore in versione minima.
Come generatori di frequenze abbiamo tre VCO ed un generatore di rumore, che fornisce un segnale composto da molte frequenze casuali sommate tra loro; Il generatore di rumore può essere collegato al VCA o al VCF per riprodurre effetti particolari quali vento, pioggia, applausi. Ecc.
Inoltre vi sono tre LFO (Low Frequency Oscillators), oscillatori a frequenza molto bassa, utilizzati per ottenere vibrato e tremolo, generando segnali per la modulazione periodica delle tensioni di controllo dei vari blocchi.
Infine abbiamo un generatore di rumore (NOISE VOLTAGE GENERATOR), che, opportunamente filtrato, produce una tensione di controllo casuale.
Il segnale dei VCO e del generatore di rumore è filtrato dal VCF e modulati in ampiezza dal VCA.
Il blocco ADRS (Attacco, Decadimento, Sostegno, Rilascio), se connesso al VCA, controlla l’inviluppo in ampiezza del suono per la durata prefissata; se connessa al VCF, controlla la frequenza di taglio del filtro nel tempo per la durata prefissata.
Aspetti pratici
La complessità del sintetizzatore richiede alcune basilari conoscenze di elettronica, senza le quali la sua realizzazione diviene molto difficoltosa.
Ne sconsigliamo la costruzione ai lettori che non hanno alcuni strumenti essenziali, quali l'oscilloscopio, il multimetro digitale e Il frequenzimetro, in mancanza dei quali le operazioni di taratura dei diversi circuiti divengono impossibili.
Nei capitoli successivi, saranno descritti i diversi circuiti elementi che formano il sintetizzatore, soffermandoci in particolare sulla spiegazione tecnica del loro funzionamento, sulle loro caratteristiche tecniche e sulle operazioni di messa a punto.
Riccardo Monti