Come convertire un segnale elettrico in suoni

In alcuni esperimenti scientifici e in alcuni settori della scienza si possono misurare dei segnali, tipicamente sotto forma di una tensione o di una resistenza variabile, fluttuante nel tempo, acquisiti tramite appositi sensori. Talvolta, può essere interessante provare a trasformare questi segnali in suoni, ottenendo sequenze più o meno musicali. Quindi non stiamo parlando della conversione di un segnale ad alta o a bassa frequenza nel range udibile, bensì della conversione di un segnale in note tramite un controller “trigger-MIDI” e la successiva conversione del segnale MIDI in suono tramite un modulo sonoro.

Per trasformare in suono un segnale elettrico – ad esempio, sotto forma di una tensione variabile oppure di una resistenza variabile (le due cose sono collegate, per la Legge di Ohm) – occorre innanzitutto un controller MIDI. Un controller MIDI è, in pratica, qualsiasi hardware oppure software che genera e trasmette dei dati MIDI (Musical Instrument Digital Interface) a dispositivi abilitati MIDI, in genere per attivare suoni e per controllare i parametri di un’esecuzione di musica elettronica.

I controller MIDI, di solito, non creano o producono suoni musicali da soli. I controller MIDI hanno in genere un tipo di interfaccia che l’esecutore preme, colpisce, soffia o tocca. Questa azione, grazie a un convertitore trigger-MIDI, genera dei dati MIDI (ad es. note suonate e loro intensità), che possono quindi essere trasmessi a un modulo sonoro o sintetizzatore compatibile MIDI tramite un cavo MIDI. Il modulo sonoro o il sintetizzatore a sua volta produce un suono che viene amplificato attraverso un altoparlante.

Gli stadi principali della conversione di un segnale elettrico in musica utilizzando la tecnologia MIDI a livello hardware. Potrebbero inoltre essere presenti ulteriori stadi, quale amplificazione e filtro/i (ad es. passa-basso).

In pratica, per convertire un segnale elettrico (ad es. un segnale che varia in modo non periodico, bensì fluttuante) in musica, occorre un sistema a tre stadi. I primi due stadi sono (1) acquisizione del segnale (ad es. tramite un sensore) e (2) conversione in segnale MIDI tramite un convertitore trigger-MIDI. Lo stadio (3) traduce il segnale MIDI in suono tramite moduli sonori (in pratica, ciò può essere fatto con un PC, un sintetizzatore, etc.): vedi qui il ns. articolo Come usare la tecnologia MIDI nella musica.

Naturalmente, la conversione dei suoni in musica o in qualcosa che vi assomiglia non può essere effettuata, in generale, con il semplice uso di un convertitore trigger-MIDI, perché richiede la scelta di un opportuno schema di mappatura dati-suoni; in compenso, in linea di principio può essere effettuata anche via software (a differenza dell’amplificazione del segnale). Abbiamo illustrato in un certo dettaglio come affrontare il problema nell’articolo Come trasformare i dati in musica: la sonificazione, che puoi trovare qui.

I convertitori trigger-MIDI: come funzionano

Quando tu colpisci il sensore di un pad o un tamburo acustico, si genera una tensione. Ma questa tensione deve essere trasformata in messaggi MIDI di note per attivare un suono da una sorgente MIDI di suoni (ad es. un computer o una DAW). Perciò, la tensione proveniente da ogni sensore, chiamata “segnale di trigger”, è inviata all’ingresso di un cosiddetto “convertitore trigger-MIDI”. Questo convertitore invia messaggi MIDI a uno o più moduli sonori, che rispondono suonando note specifiche.

Un esempio di frontalino di convertitore trigger-MIDI che semplifica la riproduzione e l’attivazione di moduli e campionatori MIDI da un set di batteria acustica o l’espansione della gamma di suoni dei set di batteria elettronica. 

Quando setti un convertitore trigger-MIDI, assegni numeri specifici di note MIDI a ogni trigger di ingresso (ad esempio a ogni determinato intervallo di tensione). Il convertitore utilizza queste istruzioni per determinare quali note MIDI inviare quando i segnali arrivano all’ingresso trigger del convertitore stesso. In pratica, quando tu colpisci un pad, il convertitore misura la tensione del segnale di trigger in arrivo e invia l’appropriato messaggio “Note On” con un valore di Velocità.

Come l’intensità del colpo sul pad aumenta, così fa anche la tensione e il corrispondente valore della Velocità. Alcuni convertitori inviano anche messaggi Aftertouch e di Modulation in risposta al variare della pressione su un pad con un sensore del tipo Force Sensing Resistor (FSR). Infatti, diversamente dai tastieristi, i percussionisti non possono sostenere il suono di una nota tenendo premuto a lungo un tasto e devono accettare il rapido decadimento di tutti i suoni percussivi.

Un esempio di sensore “Force Sensing Resistor” (FSR), cioè con resistenza sensibile alla forza applicata. Se ne possono trovare diversi tipi in vendita ad es. qui.

Usando un convertitore trigger-MIDI, comunque, i percussionisti possono usare suoni che non decadono finché non viene ricevuto un messaggio “Note Off”. Per evitare di sostenere le note per un tempo indefinito, la maggior parte dei convertitori trigger-MIDI dispongono di un settaggio del tempo di gate. Questa funzione invia automaticamente un messaggio “Note Off” alla sorgente di suono triggerata dal convertitore dopo un periodo di tempo specificato.

Alcuni convertitori trigger-MIDI più sofisticati, inoltre, possono inviare note differenti a seconda dell’intensità del colpo. Per esempio, colpire il pad in modo leggero potrebbe generare un suono rullante spazzolato, mentre colpirlo in modo più forte potrebbe generare un suono rullante netto. Ciò è chiamato “commutazione di velocità”. Una caratteristica correlata è la “miscelazione di velocità”, in cui un colpo più forte aggiunge suoni differenti a una base di suono leggero.

La commutazione di velocità e la miscelazione di velocità possono essere applicati anche ai canali MIDI (per un’introduzione alla tecnologia MIDI clicca qui): un forte colpo invia lo stesso messaggio “Note On” di un colpo debole, ma la nota viene inviata su un canale differente. Usando questa strategia, un colpo leggero potrebbe ad esempio far suonare un flauto su un modulo sonoro sul canale 1, mentre un colpo forte aggiunge o fa cambiare il suono in quello di una tromba sul canale 2.

Un pad e drum controller, che trasforma in segnale MIDI i segnali elettrici forniti dai sensori di tali strumenti musicali. 

Per quanto riguarda ad es. più specificamente i drum controller, ne esistono tre tipi di base: controlli integrati, pad individuali, trigger per tamburi acustici. I controller integrati includono da 8 a 12 pad in un singolo case, insieme con un convertitore trigger-MIDI interno. Alcuni moderni controller integrati, come il Roland-SPD-8, includono anche un modulo sonoro interno per tamburo (talvolta chiamato “cervello del tamburo”), che dunque è controllato dai propri stessi pad.

I pad individuali sono montati sui rack di una batteria o sul sostegno dei tamburi di un set di batteria. Ciascun pad ha una o più uscite trigger che lo connettono all’ingresso trigger di un convertitore trigger-MIDI o di un controller integrato usando cavi audio standard con jack da ¼ di pollice. Questi pad sono disponibili in diverse forme, incluse rullante, piatto, etc. Un esempio di pad è il Roland KD-7 Kick-controller: un pad grancassa che crea il suono nel momento in cui il battente colpisce il trigger.

Il pad di grancassa Roland KD-7 Kick-controller. Il segnale di trigger viene inviato al modulo sonoro Roland che lo riproduce.

I trigger per tamburi acustici sono montati direttamente sui tamburi anziché usare un pad di gomma. Questi trigger piezoelettrici sono attaccati in qualche modo su ciascun tamburo della batteria. Quando il tamburo viene colpito, il trigger piezo invia una corrispondente tensione al convertitore trigger-MIDI. Nel caso dei trigger acustici, tuttavia, spesso i loro livelli di tensione non si adattano bene agli ingressi di trigger di alcuni convertitori, perciò esistono dei trigger con tensione regolabile.

Anche una chitarra può essere dotata di pickup piezoelettrici speciali che digitalizzano l’uscita dello strumento e gli consentono di suonare i suoni di un sintetizzatore. Questi assegnano un canale MIDI separato per ogni stringa e possono dare al musicista la possibilità di attivare lo stesso suono da tutte e sei le corde o di suonare un suono diverso da ciascuna. Ma oggi esistono anche violini, violette, violoncelli, contrabbassi e mandolini equipaggiati con pickup MIDI.

Un diverso tipo di sensore per il pilotaggio del convertitore trigger-MIDI si ha nei “wind controller MIDI”, che consentono a dei dispositivi di essere suonati con lo stesso tipo di espressione e articolazione disponibile per i musicisti di strumenti a fiato e ottoni. Un wind controller tipico ha un sensore che converte la pressione del respiro in informazioni sul volume e può consentire il controllo del tono attraverso un sensore di pressione delle labbra e una rotella del pitch-bend.

Un esempio di wind controller MIDI.

I due tipi di dispositivi che generano dati MIDI

Esistono, fondamentalmente, due tipi base di dispositivi che generano dati MIDI: strumenti musicali MIDI e controller MIDI. Gli strumenti musicali MIDI, noti anche come sintetizzatori, sono disponibili in diverse forme e dimensioni. La loro principale caratteristica – o ciò che li differenzia dai controller MIDI – è che generano suoni e dati MIDI. Il classico sintetizzatore MIDI è la tastiera elettronica, simile a un piccolo pianoforte. Quando si preme un tasto sulla tastiera, si sente un tono.

La maggior parte delle nuove tastiere sono dotate di centinaia di suoni ed effetti di strumenti preimpostati diversi tra cui scegliere. Ma, quando si preme un tasto su un sintetizzatore MIDI, oltre a creare un tono udibile, si creano anche dati MIDI. Se dunque si collega la tastiera a un computer, è possibile registrare quei dati MIDI su un programma di sequenziamento. Oppure puoi collegare quella tastiera a un altro dispositivo, come una drum machine o un campionatore, e controllare quel dispositivo tramite comandi MIDI.

Nel corso degli anni, molti strumenti convenzionali sono stati convertiti in sintetizzatori MIDI. Ci sono speciali sintetizzatori per chitarra che hanno pad sensibili al tocco invece dei tasti. Sugli strumenti a corda, i tasti sono le parti sollevate sul collo che lo dividono in elementi fissi musicali. Su una chitarra, ad esempio, ogni tasto rappresenta un semitono. Ci sono sintetizzatori di strumenti a fiato che sembrano clarinetti di plastica, ma possono essere regolati per suonare come un sassofono. Ed i drum set completi possono essere costruiti con drum pad, piatti e high-hat MIDI.

Il controller di un sintetizzatore di chitarra.

Quindi un controller MIDI sembra proprio un sintetizzatore MIDI, solo che non emette alcun suono da solo. Pensalo come un joystick o un mouse. Esso genera solo dei dati MIDI puri che possono essere interpretati da un computer o da un sintetizzatore MIDI abilitato per la produzione dell’audio. Oggi ci sono controller MIDI speciali – per lo più tastiere – dotati di manopole e fader per manipolare gli strumenti che stanno emulando o controllando. Non hanno centinaia di suoni ed effetti precaricati perché generano tutto il loro audio attraverso hardware e software di terze parti.

La motivazione originale per inventare il MIDI era che i musicisti volevano essere in grado di controllare più strumenti elettronici da un unico dispositivo. Questo dispositivo, generalmente una tastiera, è chiamato controller. Diverse sezioni della tastiera possono essere assegnate per controllare diversi strumenti. Ad es. il registro inferiore controlla la drum machine, il registro centrale controlla un sintetizzatore Moog e il registro superiore suona un flauto elettronico. Il controller stesso non genera alcun suono. Invia semplicemente i messaggi MIDI dicendo agli altri strumenti cosa suonare.

Puoi usare il controller a tastiera MIDI anche per programmare i ritmi di batteria, cambiare il tono, attivare loop di campionamento o modulare l’intonazione. Le funzioni possono essere aggiunte e modificate singolarmente, quindi non è necessario registrare nuovamente la parte principale. È un po’ come sovrapporre  dei vestiti: la tua maglietta di base è la tua traccia principale e gli effetti MIDI sono come la giacca, le scarpe e gli accessori. Una tastiera MIDI ti consente di essere creativo con la tua produzione musicale, aggiungendo più personalità, complessità e unicità ad ogni traccia.

Una tastiera controller MIDI USB collegata a un computer. Ne trovi diverse qui.

I controller MIDI, come i sintetizzatori MIDI, sono disponibili in tutte le forme e dimensioni. Ci sono controller MIDI che sembrano chitarre, clarinetti e batteria. Inoltre ci sono pedali speciali ed elaborate console di controllo con dozzine di manopole e fader per un mixaggio di qualità professionale. Ci sono anche speciali console MIDI per controllare l’illuminazione del palco durante uno spettacolo. La maggior parte dei musicisti amatoriali ha un controller a tastiera MIDI nel proprio studio di casa.

Il controller a tastiera MIDI è una tastiera in stile pianoforte, che si collega al computer, di solito tramite un cavo USB. La maggior parte delle tastiere MIDI non emettono alcun suono da sole. Inviano semplicemente dati MIDI al tuo software di creazione musicale. Il suono reale viene generato all’interno del tuo computer da diversi tipi di software come plugin, strumenti virtuali (VSTi), librerie Kontact, etc. Quindi, se hai un pianoforte virtuale VSTi installato sul tuo computer, puoi usare il controller della tastiera MIDI per suonarlo in tempo reale come se suonassi un vero pianoforte.

L’unica differenza è che il software genera il suono e tu lo controlli tramite il controller della tastiera MIDI, mentre un vero pianoforte è, beh, suonato nel mondo “reale”. La maggior parte delle normali tastiere e sintetizzatori hardware possono funzionare anche come controller di tastiera MIDI: hanno un’uscita MIDI-out che vi permette di collegarla al computer in modo da poterla usare come tastiera MIDI. Molte tastiere MIDI sono inoltre dotate di varie manopole e cursori, che possono essere programmati per controllare diversi parametri dei tuoi strumenti virtuali.

Esistono anche software che permettono di trasformare un segnale audio in segnale MIDI, il che apre nuove possibilità di creare musica con segnali elettrici non vocali.

Ad esempio, se hai un cursore del volume nel tuo sintetizzatore virtuale e vuoi controllarlo in tempo reale (mentre suoni), puoi ruotare uno dei cursori o manopole sulla tua tastiera MIDI e voilà: puoi modificare il tuo sintetizzatore in tempo reale. Ma puoi fare musica senza un controller a tastiera MIDI? Molte persone, quando hanno iniziato a fare musica, non avevano una tastiera MIDI: solo il loro computer, con tastiera, mouse e un software standard. Con quella configurazione, si poteva fare!

La maggior parte delle Digital Audio Workstation (DAW) usate per registrare, montare e riprodurre hanno una vista delle note (spesso chiamata piano roll) in cui è possibile posizionare le note una per una tramite il mouse. Inoltre, molte DAW – come FL Studio, ad esempio – hanno un’opzione integrata per usare la normale tastiera del computer come tastiera di piano virtuale. Esatto, la stessa tastiera che usi per chattare e inviare e-mail può essere utilizzata per inviare informazioni MIDI a FL Studio.

Ad esempio, è possibile impostare la lettera “Q” sulla tastiera del computer sulla nota C uguale, la lettera “W” sulla nota D e così via e così via. Da lì, puoi suonare una melodia tramite quei tasti mappati. Come puoi vedere, non è necessaria una tastiera MIDI per creare musica stimolante sul tuo computer. Tuttavia, colpire una tastiera reale dà una sensazione completamente diversa. Solo per questo motivo, consiglierei di procurarti la tua prima tastiera MIDI se te lo puoi permettere.

Un esempio di Digital Audio Workstation (DAW).

Suonare melodie e linee di basso, dal vivo, con controller MIDI dà più di un “tocco umano” rispetto alla programmazione con mouse e tastiera del computer. Inoltre, col tempo, molto probabilmente imparerai a suonare un po’ il pianoforte, quindi è una progressione naturale e prima avviene, meglio è. Se sai già suonare il pianoforte direi che una tastiera MIDI è un must per te. Renderà il processo di creazione di musica non solo più divertente ma anche più efficiente. La programmazione con il mouse e il computer richiede MOLTO tempo e talvolta può rovinare il processo / l’atmosfera.

In conclusione, non tutte le tastiere sono controller MIDI e non tutti i controller MIDI sono tastiere. Se vuoi suonare ed eseguire la tua melodia preferita, vorrai una tastiera. Ma per portare davvero quella traccia al livello successivo (pensa: aggiungere effetti sonori o modulazioni), vorrai avere un controller MIDI. Un controller MIDI è un modo semplice per sequenziare musica e suonare strumenti virtuali sul tuo Mac o PC. Funziona inviando dati MIDI (Musical Instrument Digital Interface) a un computer oppure a un sintetizzatore, che quindi interpreta il segnale e emette un suono.

Hai mai visto i tastieristi usare un laptop sul palco? Spesso hanno una tastiera normale su cui suonare e una tastiera MIDI che consente loro di creare e campionare una tonnellata di suoni. Sebbene entrambe dispongano di un set di chiavi riproducibili, una tastiera elettronica funziona come un dispositivo autonomo, mentre un controller MIDI deve essere collegato quanto meno a un computer o tablet. I controller MIDI richiedono di solito anche l’uso di una DAW (Digital Audio Workstation).

Uno studio musicale “fai-da-te” per la produzione di musica.

Dal segnale MIDI al suono: il “modulo sonoro”

Una volta che il convertitore trigger-MIDI o, più in generale, il controller MIDI ha prodotto un segnale MIDI, per trasformare quest’ultimo in suono occorre un cosiddetto “modulo sonoro”. Un modulo sonoro è uno strumento musicale elettronico senza un’interfaccia utilizzabile dall’uomo (tipo una tastiera musicale in stile pianoforte). I moduli sonori devono essere gestiti utilizzando un dispositivo collegato esternamente, che è spesso un controller MIDI, di cui il tipo più comune è la tastiera musicale (anche se vengono utilizzati anche controller per fiati, controller per chitarra e drum pad elettronici).

Un altro modo comune di controllare un modulo audio è tramite un sequenziatore, ovvero un hardware o un software progettato per registrare e riprodurre informazioni di controllo per l’hardware che genera suoni (ad esempio, un DJ può programmare una linea di basso e utilizzare il modulo audio per produrre il suono). Le connessioni tra moduli audio, controller e sequenziatore sono generalmente realizzate con la tecnologia MIDI (Musical Instrument Digital Interface), che è un protocollo standardizzato progettato a tale scopo, che include porte (jack) e cavi speciali.

Un esempio di software di sequenziatore.

Un modulo sonoro può anche essere indicato come “generatore di suoni”, “modulo synth”, “generatore di suoni MIDI” o “sintetizzatore montato su rack”. Un modulo sonoro presenta gli stessi vantaggi, rispetto a uno strumento completamente integrato, come qualsiasi sistema con un design modulare:

  • Costo: un modulo sonoro è più economico di uno strumento comparabile dotato di un controller.
  • Spazio: un modulo sonoro occupa meno spazio di uno strumento dotato di controller.
  • Portabilità: un artista che va in tour può portare solo i suoi moduli sonori, a condizione che un controller MIDI sia fornito come attrezzatura “backline” (ad esempio una tastiera MIDI). Molti studi professionali hanno un pianoforte da palco MIDI a portata di mano.
  • Espandibilità: molti moduli audio possono essere espansi con suoni e memoria.

I moduli audio sono spesso montabili su rack e possono utilizzare numerosi tipi di tecnologie per produrre i loro suoni. Un modulo audio può essere un sintetizzatore analogico o digitale, un campionatore o un rompler. I moduli per batteria elettronica sono moduli audio specializzati in suoni di batteria e percussioni. Essi possono essere attivati ​​da pad trigger esterni o pickup collegati a una batteria acustica, nonché tramite pad controller MIDI. I moduli per batteria si distinguono dalle drum machine per la mancanza di trigger dedicati integrati e la mancanza di un sequenziatore integrato.

Un esempio di modulo audio.

Un modulo audio può avere tutte le altre funzionalità della versione dotata di controller, ma spesso ha un display più piccolo o controlli di programmazione limitati. In questo caso, lo strumento e altri suoni possono essere caricati tramite MIDI o media esterni. In alcuni casi, i moduli audio hanno una capacità estesa di suoni rispetto alla versione dotata di controller. Negli anni 2010, i moduli audio hardware sono stati in gran parte sostituiti con equivalenti software (“sintetizzatori software”), a causa della maggiore velocità e potenza di elaborazione dei computer e della loro riduzione del prezzo.