Prima dei synth, i diapason: il sintetizzatore di Helmholtz e Koenig

Dieci diapason d’acciaio, ciascuno montato davanti a un risonatore cilindrico in ottone, e una tastiera con dieci tasti di legno rivestiti d’avorio. Nella collezione di strumenti scientifici dell’Università di Toronto è conservato un apparecchio lungo poco più di un metro, costruito a Parigi da Rudolph Koenig negli anni Ottanta dell’Ottocento su progetto di Hermann von Helmholtz. Non è pensato per suonare melodie, non ha l’estensione di un pianoforte e non nasce per il palcoscenico. Eppure fa qualcosa che chiunque abbia utilizzato un sintetizzatore può riconoscere: costruisce un timbro sommando suoni semplici.

È il principio della sintesi additiva, che chi suona le tastiere incontra anche senza chiamarlo così, ogni volta che regola i drawbar di un organo Hammond o modifica il livello delle armoniche su un sintetizzatore digitale. La storia di questo apparecchio, nato per studiare il timbro e comprendere perché una vocale suoni diversa da un’altra, conduce a una delle radici meno conosciute della sintesi sonora. Racconta anche la collaborazione, e successivamente il confronto scientifico, tra un grande fisiologo e un costruttore di strumenti formatosi nella liuteria.

La teoria del timbro nata a Heidelberg

Hermann von Helmholtz, nato a Potsdam nel 1821, era medico di formazione, fisico e fisiologo, uno degli scienziati dell’Ottocento capaci di muoversi dall’ottica all’elettricità, fino allo studio della percezione umana. Dal 1858 insegna fisiologia all’Università di Heidelberg, dove prosegue le ricerche sul suono avviate negli anni precedenti. Nel 1863 viene pubblicato il suo Die Lehre von den Tonempfindungen als physiologische Grundlage für die Theorie der Musik, traducibile come La dottrina delle sensazioni sonore come base fisiologica della teoria musicale: un’opera che raccoglie anni di studi e diventerà uno dei testi fondamentali dell’acustica musicale.

Il punto di partenza è questo: un suono musicale periodico complesso può essere descritto come la combinazione di una frequenza fondamentale e di una serie di armoniche, componenti le cui frequenze sono multipli interi della fondamentale. A distinguere il timbro di un clarinetto da quello di un violino, anche quando suonano la stessa nota, contribuiscono in maniera determinante la presenza e l’intensità relativa di queste componenti. Nella realtà intervengono anche altri fattori, come l’attacco, l’evoluzione temporale del suono e le componenti rumorose.

Sul piano matematico, la strada era stata aperta da Joseph Fourier, che nel 1822 aveva pubblicato il suo trattato sulla propagazione del calore, sviluppando strumenti matematici applicabili alla scomposizione dei fenomeni periodici in componenti sinusoidali. Helmholtz applica questi principi all’acustica e alla fisiologia dell’udito, mettendoli alla prova con apparecchi costruiti appositamente.

Uno di questi strumenti lavora in una direzione: i risonatori di Helmholtz, cavità accordate su determinate frequenze, permettono di evidenziare singole componenti presenti in un suono complesso attraverso il fenomeno della risonanza. Sono strumenti di analisi, utili a comprendere la composizione di un timbro. Il sintetizzatore compie il percorso inverso: parte da componenti semplici e le combina per ottenere un suono complesso. Se la teoria funziona, regolando opportunamente le armoniche deve essere possibile riprodurre anche un suono simile a una vocale. È proprio questa la dimostrazione che Helmholtz vuole ottenere.

Come si costruisce un timbro sommando le armoniche

Per comprendere l’importanza dell’esperimento basta immaginare una situazione molto semplice. Si parte da una sinusoide di 100 Hz: un suono puro, privo di armoniche superiori. Aggiungendo una seconda sinusoide di 200 Hz si introduce la seconda armonica, un’ottava sopra la fondamentale. Con una terza componente a 300 Hz si aggiunge la terza armonica, e con una quarta a 400 Hz si arricchisce ulteriormente lo spettro. Modificando il volume di ciascuna componente cambia il timbro complessivo, anche se la fondamentale rimane a 100 Hz.

Il meccanismo è alla base di molte tecniche di sintesi ancora utilizzate. Una forma d’onda a dente di sega ideale, per esempio, contiene armoniche pari e dispari con ampiezze che diminuiscono progressivamente; un’onda quadra ideale contiene soltanto armoniche dispari, con ampiezze inversamente proporzionali al loro ordine. Il carattere dei due suoni dipende proprio dalla diversa distribuzione delle componenti. Naturalmente i sintetizzatori moderni possono modificare molti altri parametri, ma il principio di partenza rimane lo stesso: il timbro di un suono periodico può essere analizzato e ricostruito attraverso le sue componenti armoniche.

Il video seguente permette di osservare il procedimento. Attraverso semplici onde sinusoidali vengono aggiunte progressivamente nuove armoniche, mostrando come cambia la forma d’onda e come si modifica la struttura del suono. È un esempio utile per comprendere ciò che Helmholtz cercava di dimostrare con i suoi diapason.

Questo è anche il motivo per cui l’apparecchio di Helmholtz è così interessante. Invece di disegnare una forma d’onda su uno schermo o modificare parametri con un encoder, permette di costruire il suono attraverso oggetti fisici: diapason, elettromagneti, cavità risonanti e otturatori. In pratica, rende visibile e manipolabile una parte della struttura armonica del suono.

Rudolph Koenig, il liutaio che costruiva strumenti per gli scienziati

Una teoria del genere richiede diapason accordati con una precisione che pochi costruttori dell’epoca erano in grado di garantire. Qui entra in scena Rudolph Koenig, nato a Königsberg, in Prussia, nel 1832 e trasferitosi a Parigi nei primi anni Cinquanta dell’Ottocento. Lavora per diversi anni nella bottega del celebre liutaio Jean-Baptiste Vuillaume, specializzato nella costruzione e nel commercio di strumenti ad arco. Nel 1858 apre una propria attività dedicata alla realizzazione di apparecchi acustici.

La formazione di Koenig non è un dettaglio secondario. La costruzione di strumenti musicali richiedeva una conoscenza pratica delle vibrazioni, dei materiali e delle risonanze, oltre a una notevole precisione nella lavorazione. Competenze che Koenig trasferisce nella produzione scientifica, dove l’accuratezza dell’accordatura diventa indispensabile per verificare sperimentalmente le teorie. Il suo laboratorio parigino si specializza in diapason di precisione, sirene acustiche, risonatori e apparecchi capaci di analizzare o visualizzare il suono.

Il progetto del sintetizzatore, peraltro, precede l’attività di Koenig nella sua forma più conosciuta. Già nel 1857 Helmholtz si era rivolto al costruttore Friedrich Fessel, a Colonia, per realizzare una prima versione dell’apparecchio. Koenig ne avrebbe successivamente costruito diversi esemplari, contribuendo alla diffusione dello strumento nelle università. Nel catalogo del 1865 compare già una delle unità fondamentali del sistema, composta da un diapason e dal relativo risonatore.

Nel catalogo del 1889 la versione completa a dieci armoniche viene proposta a 1.500 franchi, una cifra che ne chiarisce la destinazione: laboratori di fisica, istituti di ricerca e università, più che musicisti e compositori.

La relazione fra Koenig e Helmholtz, tuttavia, non si esaurisce nella collaborazione tra progettista e costruttore. Koenig sviluppa anche una propria attività di ricerca e diventa un critico di alcune interpretazioni teoriche di Helmholtz, soprattutto riguardo ai suoni di combinazione e ad alcuni aspetti della percezione sonora. Sono questioni che nell’Ottocento alimentano un confronto scientifico tutt’altro che marginale. La vicenda dimostra quanto fosse stretto il rapporto tra pratica costruttiva e ricerca: Koenig non si limitava a realizzare strumenti secondo le indicazioni degli scienziati, ma utilizzava i propri apparecchi per mettere alla prova le loro conclusioni.

Fra gli studiosi che hanno ricostruito questa storia figura David Pantalony, curatore e storico degli strumenti scientifici, autore del volume Altered Sensations: Rudolph Koenig’s Acoustical Workshop in Nineteenth-Century Paris, pubblicato nel 2009. Il libro ripercorre la storia del laboratorio parigino e il contributo di Koenig allo sviluppo dell’acustica sperimentale.

Diapason, elettromagneti e una tastiera a dieci tasti

Il funzionamento dell’apparecchio è più ingegnoso di quanto lasci immaginare il suo aspetto da laboratorio ottocentesco. Ogni diapason è accordato su una frequenza appartenente alla stessa serie armonica e viene mantenuto in vibrazione attraverso un sistema elettromagnetico. Nell’esemplare dell’Università di Toronto, ciascuna unità comprende un diapason d’acciaio, due elettromagneti regolabili e un risonatore cilindrico in ottone montato su un supporto. I dieci moduli sono collegati elettricamente e disposti su una base comune.

Per mantenere i diapason in movimento serve una corrente interrotta periodicamente. Le diverse configurazioni storiche prevedono sistemi di comando basati su un diapason maestro o su un interruttore elettromagnetico. La corrente pulsante produce un’eccitazione periodica che può mantenere in vibrazione i diapason accordati sulle frequenze corrispondenti alle componenti armoniche del segnale di comando. Ogni diapason risponde soprattutto in prossimità della propria frequenza di risonanza. Non è quindi necessario colpirli continuamente, come si farebbe con normali diapason utilizzati per l’accordatura.

Un dettaglio interessante riguarda proprio l’esemplare di Toronto, al quale è associato un interruttore elettromagnetico con contatto a mercurio, costruito anch’esso da Koenig. Il dispositivo utilizza un elemento metallico oscillante che apre e chiude il circuito: quando il contatto viene interrotto, l’attrazione elettromagnetica cessa e il movimento meccanico permette di ristabilire il collegamento. Si ottiene così una sequenza di impulsi elettrici. Un sistema ben lontano dagli oscillatori elettronici odierni, ma capace di svolgere la funzione necessaria al funzionamento dell’apparecchio.

Nel video seguente, David Pantalony mette in funzione il sintetizzatore conservato a Toronto. È una dimostrazione particolarmente interessante perché consente di ascoltare le singole componenti e il modo in cui la loro combinazione modifica il suono.

La parte più interessante riguarda il controllo del volume. I diapason vibrano continuamente, ma da soli producono un suono relativamente debole. I risonatori, accordati sulle rispettive frequenze, permettono di renderlo molto più udibile. Ciascuno è provvisto di un otturatore metallico collegato attraverso una cordicella a uno dei tasti. Premendo il tasto si apre il risonatore, lasciando emergere la componente sonora corrispondente; una molla richiude l’apertura quando il tasto viene rilasciato.

La tastiera, quindi, non serve a scegliere le note di una melodia, ma a stabilire quali armoniche far ascoltare e con quale intensità. Il grado di apertura dell’otturatore permette di dosare il contributo acustico di ciascuna componente. È una sorta di mixer meccanico nel quale ogni canale corrisponde a un elemento dello spettro armonico. Volendo utilizzare il linguaggio dei sintetizzatori moderni, i diapason svolgono una funzione paragonabile a quella degli oscillatori sinusoidali, mentre i risonatori e i relativi otturatori costituiscono un sistema di controllo dei livelli.

C’è però una differenza sostanziale rispetto a un normale strumento a tastiera. Le frequenze dei diapason sono fisse, determinate dalla loro costruzione e dalla loro accordatura. Premendo tasti diversi si attivano componenti della serie armonica, non note organizzate per eseguire liberamente una melodia. Il sistema è progettato per studiare e modificare la composizione di un suono, non per passare da un accordo all’altro come su un pianoforte o su un organo.

Perché Helmholtz voleva riprodurre le vocali della voce umana?

Uno degli obiettivi principali dell’apparecchio era comprendere un fenomeno che tutti sperimentano quotidianamente: la capacità di riconoscere vocali differenti anche quando vengono pronunciate o cantate alla stessa altezza. Una «a» e una «u» possono avere la stessa frequenza fondamentale, ma presentano caratteristiche timbriche molto diverse. La spiegazione risiede in larga parte nel modo in cui il tratto vocale, modificando la propria forma, esalta determinate regioni dello spettro.

Queste regioni di risonanza vengono oggi chiamate formanti. Non corrispondono necessariamente a singole armoniche, ma a bande di frequenza nelle quali l’energia acustica viene maggiormente enfatizzata. Modificando la posizione della lingua, l’apertura della bocca e la configurazione delle cavità vocali, cambiano le frequenze di risonanza e quindi il carattere della vocale prodotta.

Helmholtz affronta il problema utilizzando le armoniche come materiale di partenza. Regolandone le intensità, può concentrare l’energia sonora in determinate zone dello spettro e ottenere suoni riconoscibili come vocali. Non si tratta di una riproduzione completa della voce umana: mancano le consonanti, le transizioni naturali tra i suoni e molti aspetti dinamici della fonazione. Il risultato, però, dimostra sperimentalmente che la distribuzione delle componenti spettrali è fondamentale per il riconoscimento del timbro vocale.

Il Whipple Museum dell’Università di Cambridge, che conserva sette moduli di un apparecchio costruito da Koenig, sottolinea proprio questa funzione. L’esemplare comprende una fondamentale e le prime sei armoniche superiori, anche se oggi risultano mancanti la tastiera e il dispositivo di comando. È comunque sufficiente per documentare il principio costruttivo e il ruolo che queste macchine ebbero nello sviluppo degli studi sulla voce e sulla percezione sonora.

Un laboratorio a Toronto e una macchina costosa quanto sofisticata

L’esemplare dell’Università di Toronto permette di ricostruire anche un capitolo della diffusione dell’acustica sperimentale fuori dall’Europa. Nel 1878 James Loudon, professore di fisica e matematica, parte per un viaggio in Europa con un finanziamento di 12.000 dollari destinato all’acquisto di strumenti scientifici. Il suo obiettivo è attrezzare laboratori nei quali gli studenti possano osservare e sperimentare direttamente i fenomeni fisici, seguendo un modello di insegnamento che si stava affermando soprattutto nelle università tedesche.

La bottega parigina di Koenig rappresenta una delle tappe principali di questo programma di acquisti. Nel corso degli anni il laboratorio di Toronto raccoglie una notevole quantità di strumenti del costruttore, dai semplici diapason agli apparecchi più complessi per l’analisi del suono. Anche il sintetizzatore entra in questa collezione, acquistato secondo la documentazione museale tra gli anni Settanta e Ottanta dell’Ottocento e utilizzato principalmente per dimostrazioni didattiche.

Koenig, del resto, non era estraneo alle presentazioni pubbliche. Nel 1882 tiene dimostrazioni di acustica a Toronto, portando con sé strumenti destinati a illustrare fenomeni come i battimenti e i suoni di combinazione. La sua attività univa ricerca, costruzione artigianale e divulgazione scientifica, in un’epoca nella quale vedere e ascoltare un fenomeno fisico attraverso una macchina poteva essere più convincente di molte pagine di formule.

Altri esemplari del sintetizzatore sono sopravvissuti in raccolte scientifiche e museali. Una versione storica costruita da Koenig è conservata nella Putnam Gallery di Harvard, mentre altri apparecchi sono documentati nelle collezioni del Science Museum di Londra e del Teylers Museum di Haarlem, nei Paesi Bassi. Quest’ultimo conserva un esemplare della seconda metà dell’Ottocento, fotografato nell’immagine seguente.

Il progetto non rimase nemmeno un’esclusiva di Koenig: intorno al 1905 la Max Kohl di Chemnitz, in Germania, ne produceva una propria versione con dieci diapason, un dispositivo di comando e una tastiera montati su una struttura in mogano. Un esemplare di questa produzione venne presentato all’asta da Bonhams a New York nel 2014.

Una delle testimonianze più interessanti resta però l’illustrazione pubblicata nel catalogo Koenig del 1889. La disposizione dei dieci moduli, la tastiera anteriore e il sistema di comando permettono di comprendere l’architettura dell’apparecchio molto più chiaramente di quanto possa fare una fotografia scattata attraverso il vetro di una vetrina museale.

Il primo sintetizzatore? Sì, ma con qualche precisazione

Definire quello di Helmholtz il primo sintetizzatore non è del tutto improprio, purché si chiarisca il significato del termine. L’apparecchio sintetizza effettivamente suoni complessi attraverso la combinazione controllata di componenti semplici, come fanno i sintetizzatori additivi. Tuttavia non genera direttamente un segnale audio elettronico, non è uno strumento programmabile e non è progettato per l’esecuzione musicale. Gli elettromagneti servono a mantenere in vibrazione sorgenti acustiche materiali, mentre il suono viene prodotto dai diapason e amplificato dai risonatori.

Il suo principio di funzionamento presenta anche alcuni limiti rispetto ai sistemi moderni. Il numero di componenti disponibili è ridotto, le frequenze sono prestabilite e il controllo dell’ampiezza avviene attraverso dispositivi meccanici. Non è possibile gestire liberamente, per ciascuna armonica, un inviluppo completo con attacco, decadimento, sostegno e rilascio. Né si possono riprodurre con la stessa flessibilità le componenti inarmoniche e rumorose di molti strumenti naturali.

Questi limiti spiegano perché l’apparecchio sia rimasto soprattutto uno strumento scientifico. Ma non ne ridimensionano l’importanza: Helmholtz aveva dimostrato che il timbro poteva essere affrontato come un problema di analisi e ricostruzione delle componenti sonore. Era un passaggio concettuale decisivo, destinato a trovare applicazioni molto più ampie con lo sviluppo delle tecnologie elettriche ed elettroniche.

Dalle ruote foniche ai drawbar dell’organo Hammond

Un ulteriore passaggio si compie quando l’elettricità non serve più soltanto a mantenere in vibrazione una sorgente acustica, ma diventa anche il mezzo attraverso il quale generare e combinare i segnali sonori. Nel 1897 Thaddeus Cahill brevetta il principio del Telharmonium, un imponente strumento elettromeccanico che utilizza generatori elettrici rotanti per produrre frequenze differenti e combinarle in timbri complessi. La seconda versione, completata nel 1906, pesava quasi duecento tonnellate e comprendeva 145 generatori. Dalla Telharmonic Hall di New York la musica poteva essere distribuita attraverso collegamenti telefonici a ricevitori dotati di padiglioni acustici.

L’impresa dovette però confrontarsi con costi elevatissimi, problemi infrastrutturali e interferenze con le comunicazioni telefoniche. Le trasmissioni musicali potevano disturbare le normali conversazioni, causando interferenze sulle linee utilizzate dagli abbonati. Una situazione poco compatibile con le esigenze del servizio telefonico, oltre che con quelle di un’attività commerciale. Il Telharmonium dimostrava comunque che era possibile costruire timbri sommando segnali elettrici, senza ricorrere necessariamente a diapason e risonatori acustici.

Il principio della combinazione di componenti sonore trova una delle sue applicazioni musicali più durature nel 1935, quando Laurens Hammond, con il contributo dell’ingegnere John M. Hanert, introduce il Model A dell’organo Hammond. Anche in questo caso il suono viene generato da ruote foniche, i cui segnali elettrici sono rilevati attraverso pickup elettromagnetici. Il controllo del timbro è affidato ai celebri drawbar, nove per ciascun gruppo di registri, contrassegnati dai piedaggi 16′, 5 1/3′, 8′, 4′, 2 2/3′, 2′, 1 3/5′, 1 1/3′ e 1′.

Il registro da 8′ rappresenta il riferimento fondamentale della nota suonata sulla tastiera, quello da 16′ produce una frequenza un’ottava più bassa e quello da 5 1/3′ una quinta sopra l’8′, corrispondente alla terza armonica della frequenza da 16′. Gli altri registri aggiungono componenti a frequenze superiori secondo rapporti prestabiliti. I nove drawbar non rappresentano quindi semplicemente le prime nove armoniche consecutive di una stessa fondamentale, ma una particolare selezione di registri derivata anche dalla tradizione organaria. Inoltre, a causa dei limiti costruttivi e delle frequenze disponibili nel generatore a ruote foniche, i rapporti armonici reali possono presentare piccole approssimazioni rispetto a quelli teorici.

Chi regola i drawbar di un Hammond compie comunque un’operazione concettualmente molto simile a quella dell’operatore del sintetizzatore di Helmholtz: modifica il peso delle diverse componenti per costruire il timbro. Naturalmente l’Hammond è uno strumento musicale polifonico, capace di suonare melodie e accordi, e dispone di un’architettura completamente diversa. La parentela riguarda il principio acustico, non l’identità dei due meccanismi.

Il video seguente mostra come funzionano i drawbar di un organo Hammond e come il loro movimento modifica la composizione armonica del suono. Una dimostrazione che permette di riconoscere, in uno strumento musicale molto più familiare, lo stesso principio sul quale Helmholtz aveva costruito i suoi esperimenti.

La sintesi additiva nell’era digitale, dal Synclavier alla Kawai K5000

Con l’avvento del digitale, la sintesi additiva acquista possibilità di controllo enormemente più ampie. Nel corso degli anni Settanta diversi laboratori lavorano alla generazione sonora attraverso oscillatori numerici. Ai Bell Labs, Hal Alles sviluppa un sistema digitale capace di utilizzare decine di oscillatori e numerosi parametri di controllo in tempo reale. Il progetto, noto anche come Alles Machine, rappresenta uno dei passaggi importanti nella storia degli strumenti musicali digitali sperimentali.

Nel 1980 arriva il Synclavier II di New England Digital, che utilizza un’architettura digitale basata sulla sintesi additiva e sulla modulazione di frequenza. Il sistema Partial Timbre permette di combinare e controllare diversi elementi timbrici, ampliando notevolmente le possibilità di programmazione. Il principio della somma di componenti rimane riconoscibile, ma viene applicato attraverso la generazione e l’elaborazione numerica dei segnali.

Nel 1996, con l’introduzione della Kawai K5000W, prende forma una famiglia di sintetizzatori digitali dotata di un’architettura additiva particolarmente articolata, alla quale si aggiungeranno le versioni K5000S e K5000R. Ogni sorgente additiva può utilizzare fino a 64 componenti armoniche, selezionando il gruppo delle armoniche da 1 a 64 oppure quello da 65 a 128. Combinando sorgenti impostate sui due gruppi è possibile estendere la ricostruzione a una serie di 128 armoniche. Ciascuna componente dispone di un proprio inviluppo d’ampiezza, mentre un filtro formantico a 128 bande permette ulteriori interventi sulla struttura spettrale del suono. L’architettura consente inoltre di combinare più sorgenti, anche con generazione PCM, all’interno dello stesso programma.

Rispetto all’apparecchio di Helmholtz, il controllo non riguarda più soltanto il livello delle componenti: diventa possibile modificarne individualmente l’evoluzione nel tempo e ottenere strutture timbriche molto più articolate. La differenza non è soltanto quantitativa, ma riguarda soprattutto la possibilità di costruire suoni che cambiano durante la loro durata, anziché mantenere uno spettro sostanzialmente statico.

Per ascoltare alcuni esempi dei risultati ottenibili con questa famiglia di strumenti, il video di RetroSound propone una dimostrazione della Kawai K5000R, versione rack del sintetizzatore. I suoni mostrano la varietà timbrica dell’architettura K5000, nella quale la sintesi additiva può essere utilizzata insieme ad altre risorse sonore.

Il rovescio della medaglia è la complessità della programmazione. Se con dieci diapason basta decidere quali otturatori aprire, con decine o centinaia di componenti armoniche il numero dei parametri cresce rapidamente. Per questo la sintesi additiva moderna viene spesso affiancata da tecniche di analisi spettrale e risintesi, nelle quali un sistema esamina un suono esistente e ne ricostruisce, con diversi gradi di approssimazione, le componenti sonore. Anche qui ritorna, in forma tecnologicamente molto più complessa, la distinzione tra analizzare un suono e ricostruirlo che aveva guidato gli esperimenti di Helmholtz.

La prossima volta che si regola un drawbar o si modifica lo spettro armonico di un sintetizzatore additivo, vale la pena ricordare quella tavola di legno con dieci diapason mantenuti in vibrazione da un sistema elettromagnetico. Un apparecchio nato per studiare la percezione sonora e comprendere la natura delle vocali, che ha contribuito a dimostrare un principio ancora oggi alla base di molte tecniche di sintesi: il timbro può essere costruito controllando le singole componenti che formano un suono. E per farlo, nell’Ottocento, non servivano microprocessori: bastavano una teoria convincente, un’eccellente precisione costruttiva e una notevole quantità di ottone, acciaio e pazienza.