Lab timbro

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

Modifica del timbro di un suono: sintesi delle onde

  1. Istruzioni
    • Clicca qui per avviare l'applet e seleziona nella finestra "Trasformazioni" Cancella tutto
    • Seleziona con il mouse Suono;
    • Agendo direttamente sulle palette delle ampiezze costruisci un suono complesso (cioè costituito dalla sovrapposizione di varie armoniche).
    • Modifica il peso delle varie ampiezze ed osserva come si modifica la forma d'onda ed ascolta la variazione prodotta nel suono. Fai la stessa cosa modificando le fasi delle varie armoniche.
    • Prova a costruire un suono aventi solo le armoniche dispari (dovresti ottenere un suono "nasale" tipo quello del clarinetto).
    • Divertiti in ogni caso a variare tutti i parametri possibili cercando di cogliere gli effetti sul suono (e sulla forma d'onda) delle operazioni che stai compiendo.
    • Seleziona nella finestra forme d'onda: Strumento: Flauto, Strumento: Oboe, Strumento: Clarinetto
    • Ascolta i diversi timbri dei suoni prodotti, sei soddisfatto del risultato?
  2. Osservazioni
    • Si ha l'impressione, avendo la "ricetta giusta", cioè conoscendo il valore dell'ampiezza e delle fasi delle varie armoniche, di poter "sintetizzare" il suono di qualsiasi strumento musicale. (In effetti le forme d'onda dell'oboe, del clarinetto e del flauto sono state costruite in questo modo).
    • Ciò è vero solo in parte: l'applet è in grado di analizzare e sintetizzare solo funzioni periodiche che, teoricamente, hanno un'estensione nello spazio e una durata nel tempo illimitata. Ogni suono emesso da uno strumento musicale ha, come spiegato nella pagina dai suoni alla musica, giocoforza, una fase di attacco, una durata e una fase di decadimento ed è quindi un'onda non periodica. Negli strumenti (che chiameremo ad evoluzione controllata) in cui si può "far durare" il suono , nel senso che l'esecutore può fornire l'energia al sistema oscillante per un certo lasso di tempo, (es. nei fiati e negli archi) le fasi di attacco e di decadimento hanno minor importanza nella determinazione del timbro rispetto agli strumenti "percussivi" (che chiameremo ad evoluzione libera)in cui l'energia fornita all'oscillatore è concentrata in un lasso di tempo minimo.
    • In ogni caso anche per gli strumenti riprodotti (ad evoluzione controllata) avrai trovato il timbro solo lontanamente somigliante a quello di uno strumento reale. Evidentemente nella determinazione del timbro non si può prescindere dalle fasi di attacco, di decadimento del suono. Inoltre un suono reale (ne troverai molti esempi nella pagina percezione del timbro) contiene armoniche spurie generate dai "rumori" meccanici delle parti mobili dello strumento.
    • quando uno strumentista genera un suono, egli può modificare, a parità di nota eseguita (cioè fissata la frequenza della prima armonica), il modo in cui si distribuisce l'energia nelle varie armoniche (addirittura sopprimendone alcune). Una delle finalità della tecnica esecutiva (in una visione estremamente riduzionistica) consiste nell'acquisizione di un controllo completo del timbro del suono prodotto. Ogni strumento musicale pone, all'esecutore, problemi tecnici peculiari che derivano dalla diversa modalità di produzione del suono. Si pensi
      • al "tocco" del pianista;
      • all'attacco del suono di un trombettista che può essere rapido, producendo un "clic" caratteristico, o più diluito nel tempo;
      • alla diverse modalità con cui un violinista utilizza l'archetto per produrre effetti timbrici caratteristici;
      • alla diversità timbrica del suono di una chitarra a seconda venga suonata con il plettro o con le dita;
      • alla diversità timbrica del suono prodotto dal piatto di una batteria a seconda che venga percosso nel centro o vicino al bordo.
  3. Argomenti correlati: Teorema di Fourier, Indeterminazione, Percezione del timbro

Relazione tra timbro e fase delle armoniche

  1. Clicca qui per avviare l'applet e scegli l'onda "seno", attiva il suono, ed usa ripetutamente il pulsante "cambia fase".
    • Dopo cinque clic la funzione si è trasformata in un coseno. Il suono però non cambia. Non abbiamo modificato né frequenza, né ampiezza, ma solo la forma d'onda. Tuttavia il timbro del suono non è cambiato.
    • Perché? l'orecchio umano è quasi insensibile alla fase delle onde sonore, quindi segnali che differiscono solo per la fase sono percepiti come identici (per una discussione estesa vedi l'onda sonora e percezione del timbro).
  2. Scegli di nuovo un'onda complessa come il dente di sega, e attiva il suono. Per questa esperienza ti consigliamo di ascoltare in cuffia, prima però regola il volume perché questo suono può essere fastidioso se il volume è troppo alto.
    • Ora prova a cambiare liberamente le fasi delle componenti di Fourier cliccando e trascinando il mouse.
    • Questa volta dovresti sentire leggeri cambiamenti nel timbro del suono.
    • Perché? questa volta non stai modificando la fase complessiva di tutto il segnale, ma le fasi relative delle componenti. Questo produce un cambiamento sostanziale della forma d'onda, che l'orecchio è in grado di cogliere (per una discussione estesa vedi l'onda sonora e percezione del timbro).
  3. Scegli ora un'onda complessa, ed usa ripetutamente il pulsante "cambia fase". In questo caso osserva che tutte le componenti di Fourier cambiano fase.
    • Un'operazione semplice sull'onda può diventare complessa nello spazio di Fourier, ma può accadere anche il viceversa. Per questo la serie di Fourier è molto usata in fisica.

Timbro e vocali

  1. Clicca qui per avviare l'applet e scegli l'onda "AAAA". Essa simula la vocale A pronunciata da una voce maschile.
  2. Passa alla forma d'onda "OOOO" e confronta i cambiamenti nello spettro.
    • L'apparato vocale umano è in grado di variare lo spettro dei suoni base emessi dalle corde vocali modificando la forma delle cavità nella bocca e della faringe (i cantanti hanno sviluppato tecniche sofisticate per ottenere una maggior varietà di effetti, vedi voce umana). Il suono prodotto dalla vibrazione delle corde vocali passa attraverso un insieme di cavità risonanti che ne esaltano alcune armoniche, e ne attenuano altre, creando quelle che noi percepiamo come differenti vocali. Per approfondimenti vedi risonanza, cavità risonanti
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