La sintesi per modelli fisici usa equazioni ed algoritmi per simulare il naturale processo fisico che genera i suoni. I calcoli matematici sono ricavati dallo studio del comportamento degli strumenti e delle relative onde sonore generate quando si percuote o in qualche modo si "eccita" un corpo. Questo tipo di sintesi quindi, non potrebbe esistere se prima non fosse stato avviato uno studio sulla fisica della generazione delle onde e dell'interazione tra i vari elementi che costituiscono uno strumento. Nel corso dei secoli i fisici hanno cercato di riassumere in formule i comportamenti degli strumenti e dei suoni che da questi si propagano. Un lavoro enorme ha cercato di racchiudere in famiglie i vari strumenti così da creare regole che possano riassumere dei comportamenti comuni. In particolare sono stati fondamentali gli studi sulle equazioni differenziali che ci suggeriscono una previsione dell'andamento di un sistema messo in moto da fattori esterni.

Tra i primi modelli matematici applicati alla sintesi del suono uno che risulta fondamentale ai fini della nostra ricerca è quello di Karplus e Strong del 1983 che definisce il comportamento di una corda pizzicata o percossa.

yamaha vl1 schemaQuesto studio darà il via alla costruzione di software e strumenti di sintesi virtuale. Nel 1994 infatti la Yamaha costruisce il VL1 il primo sintetizzatore commerciale a modelli fisici basati sui modelli di Julius O. Smith III, che aveva a sua volta approfondito e sviluppato gli studi di Karplus e Strong.

Per capire la sintesi per modelli fisici bisogna comprendere l'importanza degli algoritmi. Gli algoritmi cercano di rendere fruibile e manipolabile il complesso meccanismo di generazione del suono. Essi sono basati sull'interazione tra le varie parti che compongono uno strumento virtuale ossia oscillatori virtuali, una serie di filtri e linee di ritardo. Questa interazione crea per esempio la simulazione del decadimento di una corda o la risposta di un corpo come la campana di un trombone.

Cerchiamo di esemplificare la struttura della sintesi anche se le variabili non sono sempre le stesse: per creare un suono si parte dal tipo di emulazione che si vuole ottenere, dato che ogni algoritmo rappresenta meglio un tipo di comportamento fisico. Quindi di solito si dividono gli strumenti in: a corda, percussioni, fiati e ance, sintetizzatori analogici.

Prenderemo ad esempio uno strumento a corda.

Si decide quale deve essere l'agente esterno "Eccitatore" (plettro, dita, arco) e in che modo metterà in moto la corda dello strumento che si sta emulando (nelle vicinanze del ponte o del manico, con differente forza, ecc.).

Si specifica il tipo di corpo risonante "Risonatore" (la corda stessa) e le sue dimensioni (lunghezza, spessore, rigidità, tensione della corda).

Si specificano le variabili del corpo (grandezza, struttura e forma della cassa ed eventuali corde risuonanti per simpatia) che emette il suono detto "Radiatore" (cassa di una chitarra, tavola risonante di un pianoforte).

Infine si decidono le posizioni e le quantità di microfoni e l'"Ambiente" in cui viene ripreso il suono.

Ovviamente le variabili possono essere infinite e calcolate di volta in volta con algoritmi che possono essere più o meno convincenti e anche semplici o difficili da usare.

La progettazione di una catena di sintesi di uno strumento virtuale è molto complessa e si deve decidere cosa inserire come parametro fondamentale per ottimizzare le prestazioni e non creare un sistema mastodontico difficilmente programmabile.

Nel Yamaha VL1 la catena è stata divisa in "Controllers", "Instrument" e "Modifier" il tutto viene poi mandato a un processore di effetti.

I Controllers non sono altro che tutte le possibili periferiche di cui disponiamo per poter influire sui parametri con il nostro corpo (tastiera, rotelle, breath control, pedali, ecc.). I parametri a disposizione da poter controllare sono però, a differenza delle altre sintesi, relativi al funzionamento di uno strumento acustico e quindi possono essere: pressione dell'aria, pressione della bocca sull'ancia, ecc.)

Gli Instruments sono l'insieme degli algoritmi che si occupano della generazione primaria. La bocca e l'ancia, nel caso di uno strumento a fiato, producono la prima forma d'onda "Drivers" e poi eccitano le parti collegate al driver (la campana e il corpo)

I Modifiers sono divisi in 5 stadi "Harmonic Enhancer", "Dynamic Filter", "Frequency Equalizer", "Impulse Expander", "Resonator". Queste sezioni si occupano di gestire la risposta dei corpi alle influenze dei Drivers simulando per esempio la risonanza del metallo di un ottone o la brillantezza di una corda.

Come si può notare la programmazione è molto complessa e come spesso accade per questi strumenti la cosa migliore, per il musicista, non particolarmente interessato alla creazione ex novo di timbri, è partire da uno dei suoni preimpostati e variarne i parametri.

Sin dalle prime produzioni gli strumenti a modelli fisici sono stati costruiti con una particolare attenzione verso i controlli esterni. Nel caso del Yamaha VL1 per esempio, lo stesso manuale ricorda come sia importante utilizzare un "Breath controller" per modificare il parametro della quantità di aria immessa nello strumento, solo così infatti si possono apprezzare fino in fondo le ottime qualità emulative della macchina: Il korg Prophecy è dotato di un nuovo controllo creato dalla fusione di un ribbon e una modulation wheel che permette di modificare 2 parametri contemporaneamente. Evidentemente questi strumenti volevano ridare la possibilità ai musicisti di intervenire, sempre più attraverso il loro corpo, nella modifica in tempo reale del suono, ripristinando e anzi ampliando l'interazione uomo-macchina che si era indebolita con i sintetizzatori digitali a campioni "preimpostati" e poco interattivi.

Con la disponibilità di microprocessori sempre più potenti e a costi contenuti il calcolo in tempo reale di operazioni complesse è più accessibile e lo strumento ideale per operare con la sintesi a modelli fisici diviene il computer. Il PC integra coprocessori matematici capaci di sostenere l'onere di calcolo richiesto e una interfaccia capace di mostrare subito tutte le possibili variabili attraverso il monitor e la grafica.

Si può quindi affermare che ad oggi la sintesi per modelli fisici sia tra le migliori sintesi emulative, anche se la gran parte degli strumenti reali in produzione sono ancora basati sui campioni. La stessa cosa non si può dire dei software che sono sempre più orientati verso i modelli fisici, l'ottimizzazione dei programmi ha reso addirittura più economico, dal punto di vista del consumo delle risorse del computer, l'utilizzo di un software di sintesi virtuale piuttosto che di uno a campioni. Una buona progettazione degli algoritmi infatti, fa si che il software non richieda una enorme potenza di calcolo e che occupi pochi Mbyte di spazio, rispetto ai sintetizzatori basati sulla sintesi per campionamento che hanno invece bisogno di librerie da vari Gbyte (1000 volte di più).

 

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