Per parlare del principio di funzionamento del VOCODER è necessario, prima, parlare brevemente degli organi di fonazione che rendono possibile l'emissione della voce e la sua articolazione delle parole.

Definiamo i polmoni come fonte dell'energia (l'aria inspirata) utile a mettere in vibrazione le corde vocali e tralasciamo subito questa parte del sistema non essenziale ai fini di ciò che vogliamo dire.

Le corde vocali, posizionate nella laringe, forniscono la frequenza, cioè il "suono alle diverse altezze" che ci è indispensabile per parlare e cantare.

La frequenza generata dalle corde vocali passa attraverso un sistema di risonatori: cavità faringea, epiglottide, lingua, cavità orale, labbra, velo pendulo, cavità nasali.

Tutte queste parti sono comandate dal cervello che provvede a coordinare i loro movimenti per determinare l'articolazione della parola.

Semplificando al massimo potremmo dire che: le corde vocali producono il suono che viene chiamato "portante"
Tutte le altre parti che intervengono a modificare il timbro, l'intensità e la scansione della portante fanno parte di un sistema chiamato "modulante".

Diciamo subito, in addizione a questa semplificazione forse un poco eccessiva, che la frequenza, della portante, cioè l'altezza dei suoni emessi dalle corde vocali, pue variare indipendentemente dal comportamento del sistema modulante.

D'altra parte il sistema modulante può agire nella fonazione anche in mancanza di una frequenza portante emessa dalle corde vocali. Quando emettiamo una "esse" (sibilante) le corde vocali sono aperte e non producono suono. E' invece il fruscio dell'aria erogata dai polmoni che viene "modulato" dal sistema modulante. E non è difficile rendersene conto emettendo una "esse" prolungata e modificando la posizione delle labbra e della cavità orale. Il fruscio, pur rimanendo tale, cambierà di timbro risultando "modulato ".

Anche lo scacciapensieri può essere citato a questo proposito. La sua lamina d'acciaio, sollecitata dal dito dell'esecutore, produce un suono di frequenza fissa che diventa portante mentre adeguati posizionamenti del sistema modulante ne cambiano il timbro.

Ora sappiamo che "parlare" significa trasmettere informazioni attraverso una portante (frequenza emessa dalle corde vocali o sibilo d'aria) modulata da un sistema di filtri controllati e coordinati dal cervello che conosce la informazione da trasmettere.

Nella costruzione e nel perfezionamento degli strumenti musicali l'uomo, più o meno coscientemente, ha sempre preso a modello la voce. La duttilità, la estrema varietà di articolazione, l'infinita gamma di atteggiamenti espressivi della voce umana sono sempre stati la meta ultima da raggiungere.

E' vero che l'uomo attraverso la vasta gamma distrumenti che ha saputo sviluppare ha raggiunto una più ampia estensione, una dinamica più vasta, pur tuttavia l'ambizione di possedere uno strumento capace di imitare la voce non è mai stata accantonata.

E ciò ancor prima che l'elettronica ci abituasse a considerare possibile anche ciò che fino a ieri sembrava impossibile.

Così anche il VOCODER ha i suoi lontani parenti " a manovella ": le macchine parlanti.

Nel 1779 la Imperial Accademy of St. Petersburg pose questo tema al suo Premio annuale: " Quali sono natura e caratteristiche delle vocali a, e, i, o, u, che le rendono così diverse tra loro? Può essere costruito uno strumento come una canna d'organo del registro vox humana che riproduca il suono delle vocali? "

Il premio di quell'anno fu vinto da un certo Christian Gottlieb Kratzenstein che costruì una serie di risonatori acustici in qualche modo simili alla cavità orale. Essi fungevano da modulante (statica) mentre la portante veniva fornita da un'ancia tipo quelle delle armoniche a bocca. (fig. 1).
Fig. 1

Circa nel medesimo periodo il viennese Wolfgang von Kempelen costruì una vera e propria macchina parlante la cui versione perfezionata fu poi presentata nel 1791.

La macchina, per quel che se ne può dedurre, doveva fornire prestazioni molto interessanti per quel tempo. Essa era provvista di un mantice, di un'ancia per la produzione della portante, di alcuni dispositivi per ottenere rumori utili all'imitazione dl consonanti e di un gruppo modulante costituito da un risonatore floscio (di stoffa) sagomabile con una mano nonché da un piccolo risonatore per i suoni nasali.

La macchina ebbe una edizione successiva ad opera di Sir Charles Wheat Stone e, fatto forse non privo di positivi stimoli, fu vista da Alexander Graham Bell ad Edimburgo durante gli anni della sua giovinezza. (fig. 2).

Forse però i tempi non erano ancora maturi per l'avvio di uno studio metodico della fonazione e la macchina non destò molto interesse tra gli scienziati dell'epoca.

L'argomento fu ripreso solo all'inizio del nostro secolo con la realizzazione di protesi per i laringectomizzati; ma ben presto il problema dovette essere completamente reimpostato alla luce delle nuove e grandi possibilità introdotte dall'avvento dell'elettronica.
Fig. 2

Il VODER è un apparato costituito da circuiti elettronici controllati mediante comandi manuali.

Un oscillatore a frequenza variabile ed un generatore di rumore bianco forniscono le portanti.

Un gruppo di filtri agiscono da modulante. Un amplificatore con relativo altoparlante forniscono il suono. (fig. 3).

Tutte queste parti sono schematizzate nel disegno dove sono riportati anche i comandi:

A) Una tastiera ad undici pulsanti, dieciper selezionare e combinare i filtri più uno " stop " per il silenzio.
B) Tre pulsanti per selezionare l'articolazione dei gruppi di consonanti.
C) Una barra comandabile con il polso per selezionare le due portanti.
D) Un pedale per variare la frequenza dell'oscillatore.

Il VODER (Voice Operation Demonstrator) fu presentato alla Fiera Mondiale di New York nel 1939 suscitando molta curiosità ed interesse. Una dimostratrice, dopo un periodo di apprendimento non certo breve, fu in grado di dimostrare l'apparecchio formando parole e brevi frasi intelligibili.

Fig. 3

Contemporaneo al VODER, anzi, suo predecessore per alcuni aspetti, è il VOCODER.

Entrambi sono il frutto di uno studio metodico di tutti i fenomeni inerenti alla fonazione e di una sistematica codificazione dei parametri che li caratterizzano.

Anche il VOCODER, realizzato da H. Dudley presso i laboratori della Bell Telephone è dotato, come il VODER di circuiti, per la generazione delle portanti e di circuiti modulanti per modificare tali portanti.

Caratteristiche delle portanti, loro scelta e comportamento dei circuiti modulanti non sono però determinati dall'intervento di un operatore sui comandi meccanici: il VOCODER estrae le istruzioni per autocontrollarsi dalla lettura di una "voce che viene immessa nell'apparecchiatura mediante microfono, nastro magnetico od altro mezzo.

Si può quindi configurare un VOCODER come un apparato in grado di realizzare due procedimenti conseguenziali: uno di analisi: consistente nella lettura di un segnale in ingresso dal quale estrae informazioni utili ad una sua ricostruzione, e uno di sintesi, consistente appunto nella ricostruzione, mediante i circuiti di cui è dotato, di un segnale in uscita uguale (o molto simile) al segnale letto in ingresso.

Il procedimento è piuttosto complesso ed impiega circuiti elettronici molto sofisticati, tuttavia possiamo cercare di descriverlo anche senza entrare in particolari tecnici. II segnale in ingresso viene " letto " da due gruppi di circuiti:

1) il pitch detector, che rileva la frequenza della portante e ne ricava una informazione dinamica sotto forma di un livello di tensione, che segue le variazioni di frequenza della portante.

2) Una batteria di filtri (solitamente da 12 a 24) ciascuno dei quali rileva presenza ed entità di segnale entro la sua banda e da ciò deriva, sempre sotto forma di tensione, una informazione dinamica che simula il comportamento del gruppo modulante.

Prima di proseguire occorre fare una precisazione.

Si è appena parlato di variazioni di frequenza della portante ed è appunto utile precisare che la portante è a sua volta, prima ancora di essere modulata, un elemento variabile.

Pensiamo ad una persona che parla in modo inespressivo: la sua portante avrà una frequenza statica.

Un parlare espansivo, declamato, espressivo, avrà invece una portante che varia di frequenza a seconda degli accenti tonici e della intensità declamatoria.

Il " recitar cantando " già presuppone un controllo cosciente della frequenza della portante, mentre nel canto la portante assume addirittura un profilo melodico.

Da ciò risulta chiara la necessità di rilevare la frequenza della portante se si vuole ricostruire con sufficiente approssimazione un fenomeno complesso come il parlare con tutte le sue inflessioni.

Mentre il segnale di ingresso viene solitamente soppresso, le informazioni ricavate dalla sua lettura vengono inviate ai circuiti di sintesi che sono in grado di reagire ad esse "in tempo reale ".

Noi potremo quindi ascoltare, contemporaneamente alla nostra voce, la sua ricostruzione effettuata dal VOCODER.

Le informazioni provenienti dal pitch detector sono destinate a modificare la frequenza dell'oscillatore, quelle provenienti dai filtri sono invece inviate ad un gruppo di filtri modulatori uguali, per numero e caratteristiche, a quelli preposti alla lettura del segnale in ingresso.

Il trasformismo verbale

É possibile introdurre in un VOCODER un testo ed ottenerne un altro completamente cambiato nelle sue caratteristiche fonetiche senza comprometterne l'intelligibilità.

Qualche esempio: se introduco un testo letto da una voce maschile e provvedo, agendo sugli appositi comandi, ad elevare almeno di una ottava la frequenza della portante otterrò in uscita il medesimo testo, ma letto da una voce femminile.

Se introduco un testo letto con estrema enfasi e neutralizzo il circuito pitch detector avrò in uscita una lettura sciatta, senza espressione nè convinzione.

Un VOCODER serve dunque per caratterizzare qualsiasi personaggio anche mediante la " costruzione " di una sua specifica dizione. E non è poco se si pensa alle molteplici applicazioni che simili procedimenti possono trovare nella sonorizzazione di films e produzioni audiovisive in genere.

Uno strumento che canta

Ora supponiamo di operare in altro modo: escludiamo il pitch detector ed il generatore di portante del VOCODER, introduciamo nell'apposito ingresso un segnale audio proveniente ad esempio da un organo elettronico, ad un altro ingresso del VOCODER sarà collegato un microfono che ci servirà per "pronunciare " le parole.

Operando in queste condizioni accade che il segnale proveniente dall'organo funge da portante: quindi se premo più tasti contemporaneamente avrò contemporaneamente più portanti o, se vogliamo, una portante polifonica; la voce trasmessa al VOCODER mediante il microfono viene " letta " dal gruppo di filtri analizzatori d'ingresso ed i dati ricavati vengono trasmessi ai filtri di uscita che agiranno sulla portante conferendo ad essa i caratteri di timbro e scansione presenti nella voce recitante.

Sincronizzando adeguatamente gli accordi eseguiti sull'organo con le parole pronunciate si avrà, quale risultato in uscita, l'effetto di un coro. Le sue frequenze sono determinate dai tasti della tastiera dell'organo mentre il testo risulterà essere quello pronunciato dal dicitore.

Basterà ora immaginare quante e quali varianti sono praticabili per intuire la varietà di applicazioni di un VOCODER...

Vogliamo immaginare la fonazione, indipendentemente da un qualsiasi testo, e sfruttare la ricchezza delle sue inflessioni quali accenti, attacchi mordenti, variazioni di ampiezza ecc. ed applicare tutto questo alle armonie piene che si possono ottenere dalla tastiera di un organo ?

La versatilità e la capacità espressiva di questo modo di suonare è inimmaginabile e ancora tutta da scoprire.

Molte e molte altre applicazioni si possono prevedere per un VOCODER ma tutto quello che si poteva dire a parole è stato detto. Per andare oltre è necessario avere sottomano l'apparecchiatura e sperimentarne le applicazioni per valutarne i risultati.