Musica, maestro!

In questa puntata della nostra rubrica scopriremo come il nostro computer Apple sia in grado di creare della musica, quali sono i suoi (pochi) limiti e le sue molte virtù.

Prima di rivolgere la nostra attenzione al computer, però, rinfreschiamo un poco le nostre conoscenze di acustica risalenti ai tempi della scuola. Come probabilmente saprete, un suono è una onda che viaggia nell'aria: è fatto di compressioni e rarefazioni dell'aria che, viaggiando dal punto d'origine del suono, giungono al nostro orecchio dove stimolano una membrana ed alcuni ossicini che, a loro volta, creano le informazioni nervose che noi percepiamo.
Un suono puro e limpido, come una nota suonata da un pianoforte, è un'onda di forma sinusoidale, come vediamo in figura 1. L'ampiezza di un periodo completo (una oscillazione completa sull'asse x) è chiamato "periodo" oppure "ciclo". L'asse x rappresenta il tempo: il periodo dell'onda è misurato in cicli per millisecondo, e cioé il numero di volte in cui l'onda fa un su e giù completo in un millesimo di secondo. L'unità di misura "ciclo per millisecondo" è chiamata Hertz, abbreviata in Hz.
Per esempio, il do di mezzo di un piano ha una frequenza di 264 Hz, ovvero l'onda vibra e completa il suo periodo 264 volte ogni secondo.

Un computer suonato

Il nostro calcolatore, dal canto suo, può produrre del suono attraverso il piccolo altoparlante che contiene (non sarà alta fedeltà ma, per le sue dimensioni, è un apparecchietto degnissimo). Possiamo chiaramente immaginare che non vi siano difficoltà degne di nota per produrre una nota musicale, dato che l'impulso elettrico ha una forma sinusoidale, cioé una forma facilmente rappresentabile matematicamente. E come ben sappiamo, un calcolatore si trova a suo agio masticando grandi quantità di numeri.
La questione si complica un poco quando vogliamo fare in modo che il nostro Macintosh riproduca un suono dalla forma più complessa, come una parola pronunciata da voce umana, il rumore di uno scoppio o il tintinnio di una finestra infranta. In questo caso la forma dell'onda è ben più complessa, e non ha nulla di regolare o di matematico in se: possiamo però memorizzarne la forma nel calcolatore, e poi manipolarla e farla riascoltare, utilizzando alcuni metodi concettualmente semplici.

Quando memorizziamo un onda sonora in un computer, parliamo di rappresentazione digitale, perchè è basata sui numeri (in inglese, digit, dal latino digitus).

Onda su onda...

La campionatura digitale è rappresentata nella figura 2: l'onda viene memorizzata come una sequenza di numeri interi, corrispondenti al valore dell'onda rilevato a intervalli regolari.
La rappresentazione digitale di un suono è potenzialmente la più perfezionata possibile, perché possiamo ridurre a piacere l'intervallo tra i rilevamenti: è la tecnica usata nei compact disk, dove l'intervallo è tanto piccolo da rendere il rumore residuo inferiore alla soglia di udibilità dell'orecchio umano. D'altra parte, la campionatura occupa un sacco di spazio in memoria (si può risparmiare spazio se si desidera una rappresentazione povera di particolari): pensate che un compact disk, capace di circa cento minuti di suono in rappresentazione digitale, è un disco dalla capacità di 650 megabyte.

In un nastro magnetico come quello dei registratori, invece, il suono è memorizzato in forma analogica. Molto grossolanamente potremmo dire che la onda sonora viene trasformata in una forma manipolabile, un impulso magnetico, che impressiona il nastro. Il nastro può poi venire riletto da una testina che viene sollecitata dall'impressione, e l'impulso così ottenuto viene riconvertito in onda sonora. C'è sempre della perdita di qualità, in questo modo, dato che l'impulso ottenuto alla lettura è solo una approssimazione di quello originale che era stato registrato.
Ovviamente, è possibile trasformare il suono analogico in digitale e viceversa. I Mac moderni, anzi, hanno, già incorporati, i mezzi per effettuare il campionamento.

I Mac si fanno in otto

Ed eccoci arrivati alle capacità dei nostri personal computer. I Macintosh classici (i primi, che usavano il processore 68000) potevano generare sino a quattro onde sonore contemporaneamente (quattro voci, come si dice normalmente). Quando un Mac classico sta emettendo un suono, però, il suo processore centrale dedica gran parte del suo tempo a governare il playback: circa il 50% del suo tempo viene bruciato in questo modo.
Decisamente migliori sono le prestazioni di un Macintosh moderno: in quel caso il computer genera otto voci, che sono raggruppate a due a due per formare così quattro voci stereofoniche. Inoltre, già il Mac II dedicava meno del 10% del suo tempo a gestire il suono, e dunque veniva rallentato di pochissimo. Sui PowerMac il rallentamento è vicino allo zero.

Il calcolatore può generare musica in due modi sostanzialmente differenti. Il più semplice prevede la digitalizzazione del brano musicale, che verrà poi suonato in playback dal personal. Apple chiama il software che lavora in questo modo un Free form synthesizer, cioé un sintetizzatore a forma libera, (la forma dell'onda è libera, cioé può essere una forma qualunque).
Un metodo più sofisticato prevede di campionare uno strumento, digitalizzando tutte le note che esso può produrre, e di memorizzare a parte gli spartiti di tutti i brani musicali che utilizzano quello strumento: per esempio, scrivendo 1 per il primo do, il più basso, 2 per il re successivo e così via. Un modulo software chiamato il Note synthesizer accoppia lo spartito e le tabelle con le note prodotte da più strumenti campionate (chiamate collettivamente banca di dati delle onde), e genera la musica.

Midi e QuickTime, ma non solo

Su queste basi, Apple ha costruito un insieme di strumenti di livello ancora superiore: in primo luogo un pezzo di software basato sul Note synthesizer e chiamato il Note sequencer.
Il Note Sequencer permette di controllare la miscelatura dei suoni, le pause, i semitoni e gli altri elementi che costituiscono una musica complessa, una musica vera ed è alla base del sintetizzatore Midi di QuickTime. Come tutti gli appassionati di musica sapranno, Midi è la sigla di Musical Instrument Data Interface, ovvero interfaccia per i dati di strumenti musicali; si tratta di uno standard mondiale per il collegamento di apparecchiature generatrici di suoni. La potenza del Midi synthesizer dipende totalmente dall'apparecchiatura esterna collegata al personal tramite la scatoletta Midi: l'unico limite superiore è quello di sedici strumenti stereofonici per interfaccia.
Infine, il Mac dispone di un tool del toolbox creato specificamente per ridurre le esigenze di memoria dei suoni digitalizzati: si chiama Mace, sigla che sta a significare Macintosh Advanced Compression and Expansion toolset. Mace è in grado di comprimere sino al 90% l'immagine digitalizzata di un suono, utilizzando complessi e sofisticati algoritmi studiati a questo scopo.