Flauto

Da "Fisica, onde Musica": un sito web su fisica delle onde e del suono, acustica degli strumenti musicali, scale musicali, armonia e musica.

NOTA: tutti i campioni sonori del flauto sono stati eseguiti da Comaci Boschi il 26/10/2007. Ingegnere del suono: Valerio Carboni.

Struttura dello strumento

Il flauto moderno è il flauto traverso: esso si compone di due sezioni cilindriche di tubo metallico unite da una breve sezione conica. Le diverse sezioni sono ad incastro, e costituiscono complessivamente una canna di circa 65 cm. La lunghezza totale della canna può essere leggermente modificata sfilando o inserendo maggiormente la testata nel corpo dello strumento per permetterne l'accordatura.

Flauto vista "esplosa" chiavi
Fl intero 3 med.jpg Fl esploso med.jpg Fl particolare 1 med.jpg
parte 1 parte 2 parte 3
Fl 1 med.jpg Fl 2 med.jpg Fl 3 med.jpg
  • Nella prima sezione cilindrica, tappata ad un'estremità, si trova, lateralmente, l'imboccatura con il foro di ingresso dell'aria.
  • La sezione conica collega il primo tratto alla seconda sezione cilindrica più lunga, e di diametro leggermente più grande.
  • Nella seconda sezione cilindrica, aperta all'estremità, sono praticati i fori per l'intonazione. All'esterno di questa sezione un sistema di leve e valvole serve a controllare l'apertura e la chiusura dei fori.
Imboccatura flauto.gif

Come si produce il suono

  • Come in tutti gli strumenti a fiato il suono è prodotto trasformando un flusso continuo d'aria generato dal fiato dell'esecutore in un flusso oscillante, ed amplificando l'onda di pressione che così si produce attraverso la risonanza del corpo dello strumento. La pressione che l'esecutore deve forzare nella bocca per permettere l'instaurarsi del suono supera la pressione atmosferica di circa l'1% (circa 1 kPa). Le note più acute richiedono che il getto oscilli dall'interno all'esterno con maggior frequenza. Questo è ottenuto dall'esecutore tendendo le labbra, e correggendo la loro posizione rispetto all'imboccatura (cioè variando l'angolo di attacco del flusso d'aria sul bordo dell'imboccatura).
  • Il sistema con cui il flusso continuo viene "spezzato" e reso oscillante differisce da quello usato in altri strumenti quali clarinetto e oboe perché non fa uso di un'ancia. Il flusso viene infatti indirizzato verso un bordo dell'imboccatura, non diversamente da come si fa quando si "suona" una bottiglia vuota. Tuttavia, mentre nel caso della bottiglia la risonanza principale è la risonanza di Helmholtz della (parte libera della) bottiglia, nel flauto la risonanza è quella di una canna cilindrica, la cui lunghezza effettiva, in un dato istante, dipende da quali fori sono tappati, e quali aperti. Una volta fissata la frequenza basa, determinata dalla lunghezza complessiva della canna, tutte le note della scala temperata possono essere prodotte manovrando opportunamente le chiavi ad occludere i fori.

La sorgente delle oscillazioni

Schematicamente possiamo riassumere la formazione del suono nel flauto nelle fasi seguenti.

  1. Il flusso continuo d'aria prodotto dall'esecutore, incanalato nell'imboccatura, si frange contro un bordo acuto. Un particolare fenomeno idrodinamico governa il moto del fluido che, anziché separarsi in parti uguali, tipicamente oscilla passando alternativamente da una parte all'altra. Ogni volta che il flusso si dirige verso l'interno dello strumento vi produce un impulso di pressione maggiore di quella atmosferica, mentre ogni volta che si dirige verso l'esterno produce una depressione.
  2. Il treno di compressioni e depressioni successive ad intervalli regolari costituisce un'onda di pressione nell'aria contenuta nello strumento, cioè un'onda sonora progressiva, che viaggia nel tubo e si riflette alle sue estremità.
  3. Il flauto si comporta, dal punto di vista acustico, come un tubo aperto ad entrambi le estremità (per i dettagli si veda il paragrafo successivo)
  4. Il foro stesso che frange il flusso d'aria funge da radiatore principale del suono, accoppiando le oscillazioni dell'aria all'interno del tubo di risonanza con l'aria circostante. Solo una parte dell'energia proveniente dall'esecutore viene in realtà irradiata sotto forma di suono dai fori di intonazione e dall'apertura terminale, ma molta di più viene dissipata, a causa della presenza degli attriti idrodinamici, durante le molte riflessioni che subiscono le onde stazionarie all'interno del tubo.

Intonazione e risonanze

  • La colonna d'aria in cui si instaurano onde stazionarie all'interno del flauto è un esempio di sistema unidimensionale, la fisica di questo sistema è per molti versi analoga a quella delle corde degli strumenti a corda, ed è illustrata in dettaglio nelle pagine: frequenze proprie delle canne, modi normali di una corda, riflessione nelle corde.
  • Nel flauto, come negli altri legni, la lunghezza efficace della colonna d'aria, e quindi l'altezza della nota prodotta, è regolata dall'esecutore tappando opportunamente i fori. È evidente che la lunghezza efficace della canna può solo essere accorciata a partire dalla lunghezza totale dello strumento. La nota più grave che è possibile produrre è Do4 (261.6 Hz).
  • Il modo più elementare di ottenere una lunghezza di canna inferiore alla lunghezza complessiva dello strumento consiste nel tappare tutti i fori a partire dal più vicino all'imboccatura fino ad un certo punto, e lasciare aperti tutti quelli successivi. In questo modo, il primo foro aperto corrisponde grosso modo alla lunghezza efficace della canna. In prima approssimazione, infatti, il primo foro aperto costituisce un "corto circuito" con l'aria esterna, un punto cioè in cui l'onda di pressione si riflette come farebbe ad un'estremità aperta. In corrispondenza del foro l'aria è praticamente "libera", e la sua pressione è sempre uguale alla pressione atmosferica.
  • Più correttamente però, utilizzando l'analogia elettroacustica, dovremmo dire che il foro costituisce un elemento di bassissima induttanza. Esso cioè si comporta effettivamente come un corto circuito solo alle basse frequenze, mentre ad alte frequenze la sua risposta è più complessa.
  • Ci si rende conto di questa dinamica complessa osservando che la successione di più fori aperti nel flauto (come anche negli altri legni) ha le proprietà di un filtro passa-alto. Quando il musicista utilizza diteggiature con molti fori consecutivi aperti, lo strumento tende ad attenuare le frequenze approssimativamente al di sopra dei 2000 Hz. Per sperimentare interattivamente questo comportamento si possono seguire le istruzioni alla pagina esperienze sui tubi sonori.
  • I fori, nello strumento moderno, sono distanziati in modo da riflettere gli intervalli della scala temperata, tuttavia piccole deviazioni dai toni "prestabiliti" possono essere ottenute modificando il flusso di ingresso dell'aria, per esempio tendendo le labbra, o cambiando l'angolo di attacco all'imboccatura.


La scala cromatica contiene 12 toni, mentre il flautista utilizza solo 9 dita (il pollice destro serve per sostenere lo strumento). Come è possibile produrre tutte le note?
La soluzione sta nel complesso sistema di leve alloggiato all'esterno dello strumento. La sua funzione è precisamente quella di permettere ad un solo dito di manovrare più fori contemporaneamente.

La formazione del timbro

Il flauto normalmente suona eccitando la risonanza fondamentale della colonna d'aria contenuta tra il foro di imboccatura e l'ultimo foro aperto lungo la canna. Il suono è piuttosto puro, ed eccita solo pochi altri modi normali della colonna d'aria, corrispondenti alle prime armoniche superiori della fondamentale.

Esistono due differenti eccezioni a questa situazione, per ragioni completamente differenti:

  1. quando si utilizza uno dei fori di registro: in questo caso il timbro cambia perché si sopprimono alcune serie di armoniche (vedi l'esempio alla fine del paragrafo precedente)
  2. quando si suona molto forte: in questo caso il sistema non risponde in modo lineare, e nello spettro possono comparire componenti non armoniche, cioè frequenze che non sono multiple intere della fondamentale. Gli effetti anarmonici sono comuni a tutti i tubi sonori, e sono dovuti al fatto che i tubi reali si discostano dalle condizioni ideali elencate nella pagina frequenze proprie delle canne. In particolare, ad esempio:
    1. essi non sono esattamente unidimensionali hanno un diametro finito (questo effetto diventa tanto più sensibile quanto più alta è la frequenza di risonanza eccitata)
    2. non hanno esattamente sezione omogenea (in genere si compongono di diversi tratti con piccole differenze nella geometria)

Caratteristiche acustiche

Estratti di esecuzione dal vivo

Un breve brano da Syrinx di C. Debussy è stato registrato in un ambiente quasi privo di riverbero da un microfono molto vicino allo strumento. Il campione corrisponde fedelmente a quanto si percepisce a piccola distanza dallo strumento, mentre non riproduce le condizioni di ascolto in una sala da concerto. Il suono è molto fedele all'originale, ma è molto "secco". Entrambi i canali destro e sinistro sono copie identiche dello stesso segnale. Syrinx.png
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Flauto: da "Syrinx" di C. Debussy (versione "dry")

Una manipolazione elettronica elementare del campione consiste nell'introdurre una compressione dinamica del suono, cioè filtrarne lo spettro in modo dipendente dal tempo e dalle caratteristiche del segnale, così da equilibrarne la dinamica. Si osservi che ora i canali destro e sinistro mostrano piccole differenze. L'effetto netto è quello di introdurre un "ambiente virtuale" di ascolto, che simula un ambiente reale leggermente riverberante, che quindi riproduce più fedelmente il suono che si ascolterebbe in una sala da concerto. Il suono sembra complessivamente più ricco, anche se tutte le altezze e le durate note sono invariate rispetto al campione "dry".

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Flauto: da "Syrinx" di C. Debussy (versione con compressione dinamica)

L'intonazione

L'intonazione, cioè la produzione di suoni di altezza definita corrispondenti alle note di una scala, avviene nel flauto principalmente modificando la lunghezza efficace della canna risonante per mezzo dei tasti. La nota più grave che è possibile eseguire è determinata dalla massima lunghezza della canna, che si ottiene chiudendo tutti i fori, e corrisponde al Do3 a circa 262 Hz. Aprendo progressivamente i fori si "cortocircuita" l'aria all'interno della canna con quella all'esterno. Tuttavia anche l'intensità dell'emissione del fiato, la tensione delle labbra e l'angolo di attacco del flusso d'aria contro l'imboccatura hanno un importante ruolo nella regolazione fine dell'altezza dei suoni.

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In questo esempio l'intonazione viene leggermente modulata variando l'assetto delle labbra, ma non la posizione delle dita

Armonici e risonanze

La risonanza principale del flauto corrisponde con il modo fondamentale della sua canna (il modo la cui lunghezza d'onda corrisponde al doppio della lunghezza della canna efficace). Tuttavia l'esecutore, variando il flusso dell'aria immessa nello strumento, può anche eccitare i modi superiori. Essi corrispondono alla serie dei suoni armonici della nota fondamentale. Si noti che la componente con maggiore energia (colore più chiaro) all'n-esimo passaggio corrisponde con la n-esima armonica della nota fondamentale. L'ultimo armonico è talmente vicino in frequenza al successivo che entrambi vengono eccitati simultaneamente.

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Armonici naturali nel flauto

Un modo curioso per rendersi conto della risonanza propria dello strumento consiste nel... non suonarlo. Infatti semplicemente azionando i tasti che tappano i fori, è possibile percepire un "rumore intonato" in una scala discendente. Ciò che accade è che il piccolo urto tra il tasto e la canna è sufficiente per trasmettere un impulso all'aria in essa contenuta. L'urto produce un rumore pressoché bianco e di brevissima durata (corrispondente ad un'eccitazione impulsiva). La canna fa il resto, selezionando ed amplificando le frequenze corrispondenti alla propria risonanza.

Nei diagrammi qui sotto i colpetti sono evidenti: nel dominio del tempo appaiono come piccole cuspidi, mentre nel dominio delle frequenze come righe orizzontali. Tuttavia, amplificando il segnale, aumentandone la risoluzione in frequenza, e alzando la soglia di visibilità si ottiene un altro spettro che mostra chiaramente la presenza di deboli picchi in successione armonica.

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Flauto: Fruscio per diverse lunghezze della canna

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L'attacco del suono

Come accade per molti altri strumenti, nel caso del flauto il controllo sul suono dura per tutto il tempo dell'emissione stessa. Ciò significa in particolare che una stessa nota può acquistare caratteristiche sempre diverse nel tempo. Nel semplice esempio qui riportato abbiamo cercato di variare solo una caratteristica lasciando tutte le altre pressoché invariate. La stessa nota è emessa con la stessa intensità, ma prima con un tempo di attacco molto breve, poi più lungo. Il tempo di attacco, ricordiamo è il lasso di tempo in cui un suono passa dal regime transitorio ad una condizione stazionaria, e dipende in parte dal tipo di eccitazione esterna, e in parte dalla costante di tempo propria dello strumento stesso. Dal grafico riportato in funzione del tempo si vede che nel primo caso il suono va a regime in un tempo inferiore a circa 0.1 s, mentre nel secondo impiega quasi 0.5 s.

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Flauto: Attacco duro, attacco dolce

Effetti speciali

Il "frullo" è un effetto ottenuto pronunciando la lettera "r" mentre si suona. Il risultato è quello di ottenere una rapida modulazione di ampiezza, che effettua una variazione di circa 2 dBm alla frequenza di circa 25 Hz (cioè tra due massimi consecutivi passano circa 4 centesimi di secondo), contro i circa 830 Hz della nota suonata (un Sol#4).

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Flauto: Frullo

Diversi registri

Dall'analisi del sonogramma è evidente che la spaziatura delle armoniche raddoppia ad ogni ottava. Meno facile è capire se i tre Do sono semplicemente lo stesso suono con le armoniche di frequenza doppia, o se si tratta di suoni completamente distinti. Per decidere questo abbiamo calcolato lo spettro medio nel tempo di ogni emissione, e poi abbiamo diviso per 2 e per 4 le frequenze dei due Do più acuti, inoltre è stata normalizzata l'ampiezza della fondamentale, in modo da poter confrontare i tre spettri sulla stessa scala. Si nota chiaramente che le armoniche decadono tanto più rapidamente quanto più è acuta la fondamentale. A ben pensarci è sorprendente che l'orecchio umano riconosca che si tratta dello stesso strumento ad emettere i tre suoni.

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Flatuo: Do di tre diverse ottave

sonogramma spettri normalizzati
Spettro FL Ottave.png Spettri FL Ottave normalizzati.png

Il vibrato

In questo campione è possibile ascoltare la differenza tra il suono senza e con vibrato. Dai diagrammi è evidente che si tratta di una simultanea modulazione in ampiezza e in frequenza che avvengono simultaneamente. La modulazione di ampiezza è più percepibile, e, come si vede dal diagramma della forma d'onda, avviene in una gamma di circa 3 dBm con frequenza pari a circa 6 Hz. Nel sonogramma la modulazione di frequenza è evidente soprattutto per le armoniche superiori. La fondamentale oscilla di circa 26 Hz con la stessa frequenza della modulazione d'ampiezza.

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Flauto: nota tenuta senza e con vibrato

Particolarità musicali

Introduzione

Tutti conosciamo il timbro del flauto e il suo tradizionale utilizzo in ambito colto e leggero; tuttavia recentemente la ricerca sulle possibilità tecniche dello strumento si è spinta alla scoperta di territori finora inesplorati. Esemplificativa in tal senso la personalissima interpretazione della Bourrée di J. S. Bach ad opera di Jethro Tull e l’innovativo approccio allo strumento da parte del compositore contemporaneo S. Sciarrino, che ha dedicato al flauto un intero ciclo di opere.

L’approccio di Jethro Tull

Jethro Tull effettua una rivisitazione in chiave jazzisitica del brano di Bach inserendo pizzicati, staccati, colpi di lingua, frullati, colpi di tosse e persino suonando e contemporaneamente cantando all’interno dello strumento (che diventa quindi una sorta di cassa di risonanza della voce).

La ricerca di Salvatore Sciarrino e la “forma a finestre”

S. Sciarrino, da Come vengono prodotti gli incantesimi

Lontano dall’attitudine improvvisativa del flautista americano, Sciarrino integra invece questo nuovo vocabolario articolativo in un contesto linguistico affatto diverso. Lo stesso autore ha coniato il termine di “forma a finestre” per meglio inquadrare il principio organizzativo di molte sue composizioni; tale principio consiste nel connotare con estrema chiarezza un gesto musicale per poi passare repentinamente ad un altro gesto altrettanto ben caratterizzato, come un taglio cinematografico, ed il gioco è basato sull’alternanza discontinua e sorprendente di due o più “personaggi” musicali. Naturalmente il “taglio” viene effettuato quando meno te lo aspetti, perfettamente in sintonia con una logica contemporanea (basti pensare allo zapping con il telecomando, che ci apre delle finestre su dimensioni spazio-temporali anche lontanissime, o all'interfaccia grafica a finestre dei moderni PC, basati sullo stesso principio). Nella Canzona di ringraziamento Sciarrino alterna una particolare articolazione ottenuta con tremoli di chiavi ad un’altra basata su armonici acuti, mentre in Come vengono prodotti gli incantesimi il jet-whistle (violenta sventagliata di armonici) “seca”, si alterna e infine si sostituisce ad un ostinato di tongue-ram (colpi di lingua). Oltre ad essere interessante da un punto di vista formale, la ricerca di Sciarrino lo è forse ancor di più da un punto di vista timbrico, inventando dei gesti strumentali talmente pregnanti da evocare strane creature, bestie feroci, l’insistente frinire delle cicale e tante altre situazioni al limite tra il reale e l’immaginario.

S. Sciarrino, da Canzona di ringraziamento

Osservazioni e collegamenti


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