Programmare un sintetizzatore – parte 2: filtro e inviluppo

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Fig.1 – Tipici controlli di una sezione filtri

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Fig. 2 – Quattro tipi di filtro: low pass, high pass, band pass e band reject. Foto: http://www.soundonsound.com

Proseguiamo il nostro viaggio all’interno del sintetizzatore, e iniziamo a mettere le mani sulle manopole dei filtri! Come abbiamo fatto nella prima parte di questo speciale, forniremo esempi audio per ogni tipo di filtro. Se avete già letto l’articolo sugli equalizzatori, alcuni concetti espressi qui vi saranno familiari. Rispetto ad un equalizzatore, tuttavia, il filtro usato per programmare un sintetizzatore è concepito per intervenire in modo più drastico sul suono di partenza. 

Iniziamo quindi a elencare i filtri più comuni che troveremo sui nostri sintetizzatori.

Filtro low-pass (passa basso)

Il filtro low pass è un filtro che esclude la parte alta dello spettro di frequenze della nostra forma d’onda base. In pratica, il suono diventerà più cupo e meno squillante.

Filtro high-pass (passa alto)

Come si intuisce dal nome, è l’opposto del low-pass, ed elimina la parte bassa dello spettro di frequenze della forma d’onda di partenza. Il suono sarà squillante, con meno basse.

Filtro band-pass (passa-banda)

Questo filtro opera in modo simile ad un equalizzatore parametrico, ed agisce intorno ad una data frequenza, con un raggio di intervento variabile in base al parametro Q (nel caso del sintetizzatore viene chiamato “resonance”, lo vedremo tra poco).

Filtro band-reject (elimina banda)

E’ l’inverso del passa-banda. In questo caso le frequenze attorno al punto di cutoff vengono attenuate, mentre tutto il resto dello spettro viene lasciato inalterato.

I parametri base del filtro: cutoff resonance

Fino ad ora abbiamo visto le tipologie di filtri: vediamo ora in che modo possiamo utilizzarli per dare forma al suono. I filtri hanno sempre almeno due parametri, cutoff e resonance.

  • Cutoff: la frequenza dalla quale il filtro inizia ad agire (nel caso di hi-pass e low-pass), oppure la frequenza attorno a cui il filtro lavora (band-pass, band reject). A differenza di un equalizzatore, questo valore spesso non è indicato in Hertz, ma su una scala numerica. Un filtro di questo tipo non serve a effettuare interventi di correzione su un suono, ma a scolpirne la timbrica, per cui un indicazione precisa della frequenza non è sempre necessaria.
  • Resonance: operando sul valore “resonance” andiamo ad enfatizzare l’intervento del filtro. Come vediamo in figura 2, la tipica curva di un filtro (in questo caso low-pass) presenta un picco in corrispondenza della frequenza di cutoff. Per determinare l’intensità di questo picco si utilizza il parametro “resonance”. Alcuni filtri low-pass possono entrare in self-oscillation con valori di resonance molto alti: in pratica si ottiene un suono simile alla forma d’onda sinusoidale sulla frequenza di cutoff.

Negli esempi audio seguenti possiamo ascoltare un filtro low-pass con diversi valori di resonance e cutoff

Esempio 1 – Low pass con cutoff a crescere e resonance a zero
Filtro low-pass con parametro resonance a zero. Nell’esempio i valori di cutoff passano da 20Hz (valore minimo) a 22kHz (valore massimo)

 

Esempio 2 – Low pass con cutoff a crescere e resonance a zero
Filtro low-pass con parametro resonance al 50%. Nell’esempio i valori di cutoff passano da 20Hz (valore minimo) a 22kHz (valore massimo). Notate come la timbrica del suono cambi sensibilmente rispetto al primo esempio, all’aumentare del cutoff la mutazione timbrica è più evidente

Modificare il suono nel tempo: gli inviluppi

ADSR

fig.3 – L’inviluppo ADSR.

Questi sono gli elementi che agiscono sulla timbrica di base del nostro suono, e lavorano sulle frequenze. Per trasformare il suono nel dominio del tempo dobbiamo utilizzare i generatori di inviluppi. 

Possiamo definire l’inviluppo come un grafico che descrive le variazioni di un parametro del nostro suono nel tempo. Vediamo meglio di cosa si tratta, e iniziamo a descrivere le quattro fasi fondamentali di un inviluppo:

Attack: fase iniziale del suono, l’attacco, cioè quel segmento temporale che parte da zero. Facciamo un esempio con uno strumento acustico: un rullante della batteria avrà un attacco rapido, perchè si tratta di un suono percussivo. Non appena la bacchetta colpisce la pelle, il suono “esplode” in modo estremamente rapido (pochi millisecondi). Al contrario, un flauto può avere un attacco più lento, basta dosare il fiato nel modo corretto e il suono andrà a crescere gradualmente.

Decay: è il segmento che segue l’attacco, ed in pratica è il tempo impiegato per passare dal picco massimo iniziale alla fase successiva. Un esempio di suono con un decadimento piuttosto evidente e caratteristico è quello della tromba: dopo un rapido picco iniziale (attacco), il suono subisce un lieve calo prima di stabilizzarsi ed entrare nella fase di sustain.

Sustain: è il periodo in cui il suono resta costante. Un suono tipo organo ha un sustain infinito, non decade finché non rilasciamo il tasto. Un pianoforte invece ha un sustain limitato nel tempo, che dura finché la corda resta in movimento.

Release: è il tempo impiegato dal suono a raggiungere il silenzio una volta che rilasciamo il tasto. Sempre nel caso del pianoforte, è il tempo impiegato dallo smorzatore per bloccare la vibrazione una volta rilasciato il tasto.

Modificando l’inviluppo possiamo quindi determinare l’evoluzione del nostro suono nel tempo. Impostando un sustain massimo andremo a creare un suono continuo, tipo organo. Se aumentiamo leggermente il tempo di attacco e di rilascio il nostro suono assomiglierà di più a un ensemble di archi, mentre se impostiamo un attacco veloce, un sustain lungo ma non infinito e un decadimento rapido ci ritroviamo nel territorio “corde pizzicate” (piano, chitarra eccetera).

Questo tipo di inviluppo è detto inviluppo di ampiezza (amplitude envelope), perché agisce sulle variazioni di ampiezza del suono. Ma cosa succede se applichiamo un generatore di inviluppo al controllo di un filtro?

…Ve lo raccontiamo nella prossima puntata! 🙂


Programmare un sintetizzatore – parte 1: forme d’onda

Il sintetizzatore è uno strumento relativamente recente, ma dalla diffusione enorme nella musica contemporanea. Non stiamo parlando solo dei classici sintetizzatori a tastiera, ma anche delle loro versioni “virtuali” inserite nei software di produzione audio, o sotto forma di plugin. Oggi inizieremo ad esplorare le componenti principali di un sintetizzatore, partendo dalla sezione oscillatori.

Specifichiamo che stiamo parlando di strumenti basati sulla sintesi sottrattiva: esistono altre forme di sintesi (additiva, FM,  granulare, a modelli fisici) più complesse e meno diffuse, di cui ci occuperemo in futuro.

I moduli di sintesi: oscillatori, filtri, generatori di inviluppo, LFO.

Un sintetizzatore è composto da più blocchi: non a caso i modelli storici erano chiamati “modulari”, proprio per la loro struttura in sezioni separate. I blocchi base sono:

  • OSCILLATORI (Oscillator) – generano una forma d’onda di base, diciamo un suono grezzo che verrà modificato dai blocchi successivi
  • FILTRI (Filter) – simili a quelli incontrati nell’articolo dedicato agli equalizzatori, si occupano di modificare lo spettro di frequenze del suono generato dall’oscillatore.
  • GENERATORE DI INVILUPPO (Envelope Generator) – modifica l’evoluzione del suono nel tempo, definendo il tempo di attacco, rilascio, decadimento e sostegno.
  • LFO (Low Frequency Oscillator) – Simile all’oscillatore. Non produce un suono, ma genera una forma d’onda che servirà a modulare il suono prodotto dagli altri blocchi, ad esempio producendo un vibrato o cambiando ritmicamente le impostazioni del filtro.
  • MIXER – Gestisce i volumi dei vari oscillatori

Programmare un sintetizzatore: gli oscillatori e le forme d’onda base

Partiamo dunque dall’oscillatore. Questo elemento è in grado di generare una serie di forme d’onda (cioè di timbriche) base. Vediamo quelle più utilizzate, fornendo una rappresentazione grafica e un esempio audio.

 

sinusoide

Sinusoide

Gli appassionati di matematica potranno trovare qualche minuto di sano divertimento su questa pagina di Wikipedia. Per tutti gli altri, diciamo che la forma d’onda sinusoidale è completamente priva di armonici, per questo è meno usata nella sintesi sottrattiva. E’ invece la base della sintesi additiva, poiché sommando più sinusoidi possiamo teoricamente creare qualsiasi altro tipo di onda (vedi teorema di fourier). La sinusoide è molto usata negli LFO, in quanto offre un tipo di modulazione che si presta molto bene per effetti di vibrato.

onda quadra

Onda quadra

L’onda quadra si ottiene da una somma di infinite sinusoidi.  Ovviamente questo non è realizzabile fisicamente, e quella che sentiamo è un’approssimazione, come possiamo vedere dal grafico in cui gli “spigoli” della forma d’onda non sono perfettamente squadrati. L’onda quadra è composta da sole armoniche dispari.

Onda triangolare

Onda Triangolare

L’onda triangolare ha un contenuto armonico simile all’onda quadra. Tuttavia in questo caso le armoniche superiori si attenuano più rapidamente, restituendo un timbro molto diverso dall’onda quadra.

dente di sega

Onda a dente di sega

L’onda a dente di sega contiene tutte le armoniche, sia pari sia dispari. Offre il segnale di partenza più ricco per le modifiche successive, e per la sua vaga similitudine con la timbrica degli strumenti ad arco  è il punto di partenza più usato per la programmazione di pad .

rumore

Rumore 

Oltre ai generatori di forma d’onda spesso i sintetizzatori offrono anche un generatore di rumore. Viene usato soprattutto per suoni di tipo percussivo (ad esempio è possibile sintetizzare il suono di un piatto o di un rullante agendo su filtri e inviluppo) oppure, opportunamente dosato e modulato, per dare un carattere più particolare a lead e pad. In teoria il rumore bianco è costituito da uno spettro uniforme su tutte le frequenze: anche in questo caso, il principio non è realizzabile in pratica e quello che riusciamo ad ottenere è un’approssimazione.

Questo è tutto per oggi: nella prossima puntata scopriremo come modificare le forme d’onda con filtri e generatori di inviluppi, e nelle puntate successive ci dedicheremo alla programmazione di alcune timbriche di base.


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