Voce umana

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NOTA: tutti i campioni sonori della voce sono stati eseguiti da Mariachiara Gallo (mezzosoprano) il 04/12/2007. Ingegnere del suono: Valerio Carboni.

La voce è uno “strumento” molto particolare, dato che tutte le sue parti sono contenute all’interno del nostro corpo. Esattamente come nel caso degli altri strumenti, è necessario un elemento “eccitante” (cioè l’aria, che fuoriesce grazie alla spinta del diaframma), un corpo vibrante (in questo caso le corde vocali la cui tensione, lunghezza e spessore determinano l’altezza del suono) e un “ambiente risonante” (rappresentato dalla cassa toracica nonché la cavità orale, quella nasale e diverse piccole altre zone distribuite nella scatola cranica). L’incredibile peculiarità della voce umana sta nel fatto che il “risonatore” principale, la bocca, è mobile, ed è pertanto possibile modificarne la forma nel corso dell’emissione del suono. Ne consegue la possibilità di variarne il timbro con continuità (ad esempio, mantenendo un’altezza costante, passando da una “a” ad una “u”) proprio come se trasformassimo, senza soluzione di continuità, un clarinetto in un flauto. Nelle sezioni seguenti cercheremo di delineare il meccanismo di produzione e modulazione della voce per capire come avviene esattamente questo morphing timbrico.

Sommario

Come si produce la voce

Dai polmoni alle corde vocali: flusso e pressione

  1. La forza che produce la voce e il canto è la forza dei muscoli della cassa toracica. Essi, contraendosi, comprimono i polmoni, e generano quindi un flusso d'aria continuo che dai polmoni risale lungo la trachea. Fino a questo punto nessuna onda sonora è ancora stata generata, ed il flusso d'aria è simile al flusso espiratorio.
  2. Verso l'estremità superiore della trachea l'aria si infrange contro una sorta di "tendina" (le cosiddette corde vocali, anche la loro forma è più quella di pieghe vocali) la cui forma ed apertura è regolabile attraverso un complesso sistema di muscoli. A riposo le corde vocali sono in posizione "aperta" (vedi figura), consentendo il passaggio dell'aria per la respirazione. Quando vengono tese dai muscoli si chiudono in misura variabile, restringendo il passaggio.
  3. Il flusso continuo d'aria che urta le corde vocali subisce un improvviso aumento di pressione, ma, quando la pressione è sufficiente a contrastare la tensione delle corde, si ha il passaggio improvviso dell'aria dalla fessura, con un corrispondente improvvisa diminuzione della pressione per il principio di conservazione dell'energia (che in questo caso prende il nome di teorema di Bernoulli).
  4. Il "fotogramma" precedente immortala il periodo di una singola oscillazione che, da questo punto in avanti, si instaura nelle corde vocali, e nella colonna d'aria che le interessa. Il meccanismo quindi è del tutto analogo a quanto accade negli strumenti a fiato attraverso l'imboccatura, le labbra dell'esecutore, o l'ancia.
  5. La frequenza del suono prodotto dipende quindi, in ultima analisi, dalla frequenza di oscillazione delle corde vocali, la quale, a sua volta, dipende dalla loro tensione, dalla loro densità, e dalla loro lunghezza. Nei maschi adulti le corde vocali sono lunghe circa 17-25 mm, mentre nelle femmine circa 12.5-17.5 mm, il che spiega la differenza di tessitura tra maschi e femmine rispettivamente attorno a 125 Hz e 210 Hz.
"Why did Ken set the soggy net on top of his deck?" "Le boulanger but onze bières"

Dalle corde vocali in su: effetti della risonanza

Dopo che la colonna d'aria è stata messa in vibrazione nella laringe, l'onda sonora deve attraversare ancora diverse regioni interne al corpo umano prima di uscire all'aperto. L'onda prodotta dalla vibrazione delle corde vocali non è di per sé un suono puro, ma contiene diversi armonici, in misura dipendente dai dettagli dell'oscillazione. È l'intensità di queste armoniche componenti ad essere grandemente modulata nel passaggio nelle parti restanti dell'apparato vocale.

  1. Infatti l'onda sonora, dalle corde vocali in su, attraversa sostanzialmente alcune cavità di forma piuttosto complessa, e di geometria variabile grazie alla modificazione della forma delle parti molli (glottide, lingua, palato).
  2. Ogni cavità è soggetta al fenomeno della risonanza (vedi anche risuonatori di Helmholtz). L'effetto netto sull'onda sonora entrante è quindi di smorzarne le componenti spettrali fuori risonanza, ed esaltare quelle prossime alla risonanza.
  3. Per modificare il timbro della voce emessa i cantanti e gli attori imparano molte raffinate tecniche. Per esempio essi sono in grado di sfruttare, oltre alle risonanze della bocca, quelle proprie delle fosse nasali e dei seni paranasali.

A parità di intensità, frequenza della fondamentale, e timbro iniziale, quindi, la voce è ancora soggetta ad una profonda, e controllabile modificazione del suo contenuto spettrale, che permette di articolare moltissimi suoni in forma di vocali e consonanti. La complessità e raffinatezza del controllo di tutti i muscoli impiegati nella fonazione è ancora più evidente osservando i filmati radiografici presentati all'inizio della pagina.

Alcune osservazioni

  1. Finché le corde vocali vengono mantenute a tensione costante, si produce una nota di altezza costante, la cui frequenza corrisponde alla frequenza di oscillazione delle corde vocali.
  2. Finché il flusso d'aria viene mantenuto a pressione costante nei polmoni si produce una nota di intensità costante.
  3. La quantità d'aria necessaria alla produzione della voce è molto piccola rispetto a quella necessaria alla respirazione. Ce ne si può rendere conto facilmente espirando a fondo, ed osservando che anche a polmoni "quasi vuoti" si può ancora produrre e modulare suono per diversi secondi. Questa osservazione rispecchia il fatto che l'onda sonora non consiste nel trasporto del fluido (in questo caso l'aria) che la propaga, ma dall'oscillazione del mezzo. In linea di principio, quindi, non sarebbe nemmeno necessario che l'aria fisicamente uscisse dalla bocca; tuttavia questo accade perché ad ogni apertura periodica delle corde vocali un po' d'aria sfugge (un parametro detto debito glottideo). Un cantante ben addestrato è tuttavia in grado di produrre note anche di grande intensità senza che una fiamma di candela posta davanti alla bocca si muova sensibilmente. La capacità di un cantante di mantenere un suono molto a lungo, quindi, dipende più dall'educazione dei riflessi respiratori che dalla sua capacità polmonare, e comunque è molto più difficile mantenere a lungo un suono grave che uno acuto, perché il debito glottideo è molto maggiore per il primo che per il secondo.
  4. Anche la pressione dell'aria necessaria alla fonazione è piccola rispetto, per esempio, a quella necessaria per suonare uno strumento a fiato. Ad una pressione maggiore, tuttavia, per mantenere la frequenza invariata, deve anche corrispondere una maggiore tensione delle corde vocali. Esiste quindi un intervallo di pressione ottimale, determinato dall'impedenza acustica del tratto vocale.

Il meccanismo fino a qui illustrato spiega il formarsi dell'onda sonora, ma non ancora l'incredibile varietà dei suoni che è possibile produrre. Questi sono in gran parte determinati dal fenomeno della risonanza.

Timbro e colore della voce

Tutte le possibilità di modificare il contenuto spettrale di un suono ne determinano il timbro propriamente detto. Tuttavia, riferendosi alla voce, nel linguaggio musicale si preferisce riservare il termine "timbro" alle caratteristiche intrinseche di una voce, e utilizzare il termine "colore" per indicare le modificazioni volontarie del timbro, per lo più a scopo espressivo.

Esiste un modo semplice di rendersi conto che il colore è una modificazione timbrica, e consiste nell'ascoltare una stessa musica cantata in diverse lingue. Il timbro propriamente detto, e quindi il colore emotivo risultante può subire modificazioni anche sostanziali.

Nell'esempio qui riportato, la celebre ninna nanna di J. Brahms, anche ad un'analisi superficiale è molto evidente la differenza in corrispondenza della parola Rosen nell'originale, che cade sulla parola nanna nella versione italiana. La vocale o lunga in Ro-sen permette di legare i due suoni acuti (Mi♭4 e Re4), che costituiscono il culmine della prima frase. Il picco di maggiore intensità nella versione originale corrisponde proprio alla sillaba Ro- sul Mi♭4, cui segue un secondo picco corrispondente ad en. Nella versione italiana il picco che inizia ad instaurarsi sulla a della sillaba nan- viene subito interrotto dalla doppia n, che sostanzialmente annulla la risonanza della bocca (lasciando solo quella della cavità nasale) e il suono delle due note non è più continuo, malgrado la cantante stia eseguendo un "legato". Lo smorzamento è evidente dal tracciato nel tempo (per l'analisi spettrale si veda la sezione su vocali e consonanti).

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VOX_Sample

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VOX_SampleWET


Le vocali

Si presentano qui alcune caratteristiche acustiche delle vocali. Si vedano anche le pagine Semplici modelli per la voce e La vocale A per maggiori approfondimenti.

Nel parlato

  • Nel parlato le corde vocali vibrano come nel cantato, ma variando di continuo l’intonazione non siamo in grado di percepire delle altezze ben determinate. Tuttavia, in alcune lingue, come il cinese, l'intonazione di una parola ne determina il significato, e, di conseguenza, il cervello si plasma a percepire anche queste piccole differenze. Inoltre, specie negli studi recenti, la relazione tra l'evoluzione della specie umana, e la sua abilità a riconoscere i suoni è stata messa in correlazione con il fatto che l'uomo sembra essere l'unica specie in grado di sviluppare la musica, anche se altre specie, come gli uccelli, sono dotate di capacità di produrre e riconoscere suoni notevolmente più sviluppate.
suoni altezze significati

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ma_cinese.mp3

La sillaba "ma" pronunciata nelle quattro intonazioni del Cinese Mandarino

Image:ma_sign.gif
  • Quando intoniamo la stessa nota con due vocali diverse, lo spettro armonico è costituito dalle medesime parziali. Quel che cambia è la distribuzione dell’energia sulle suddette parziali. Osservando il sonogramma sonogramma riportato qui sotto, infatti, possiamo notare che le righe spettrali corrispondenti alle parziali armoniche sono sempre nelle stesse posizioni (multiple di 220 Hz, che è la frequenza fondamentale pronunciata dalla cantante in questo campione). Ciò che cambia da una vocale all'altra è l'intensità relativa delle parziali.
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VOX_AEEIOOU.mp3

vocali parlate

  • Nelle analisi del linguaggio si usa descrivere più efficacemente la differenza tra le vocali in termini delle cosiddette formanti. Anziché esaminare ogni singola armonica, si preferisce suddividere lo spettro fino a 5500 Hz (5000 per la voce maschile) in bande di larghezza pari a 1000 Hz, e studiare la posizione del baricentro spettrale in ciascuna banda. Questa posizione indica come è distribuita l'energia sonora in ciascuna banda, e, insieme alla variabile tempo, è sufficiente ad identificare univocamente i diversi fonemi in un sonogramma. L'analisi in bande permette di riferirsi alle stesse grandezze, le formanti appunto, indipendentemente dall'altezza della nota pronunciata. Nella figura qui sotto abbiamo estratto le formanti dal sonogramma a lato. Notate che gli assi, come vuole la convenzione in fonologia, sono scambiati: l'orizzontale indica il tempo, e il verticale la frequenza suddivisa nella bande formanti. Nelle seguenti immagini si evidenzia l'utilità pratica di ragionare per formanti: gli spettri di ogni vocale hanno troppi dettagli, per essere confrontati uno ad uno, mentre le formanti danno un'immagine immediata relativa solo alle differenze dovute alla pronuncia. Si noti sempre che, per convenzione l'asse delle frequenze per gli spettri è orizzontale, mentre per le formanti verticale.
spettri Formanti

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vocale a

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vocale e chiusa

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vocale e aperta

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vocale i

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vocale o chiusa

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vocale o aperta

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vocale u

Nel canto

Il canto permette il prolungamento espressivo delle facoltà vocali umane. L'allenamento al canto può richiedere molti anni, e permette al cantante di ottenere prestazioni eccezionali sotto molti punti di vista. L'intensità dei suoni, la loro durata, la capacità di cantare per ore consecutivamente senza perdere la voce, l'abilità di regolare il colore del suono alle esigenze espressive della partitura, la capacità di ottimizzare lo sforzo e il logorio dell'apparato vocale, l'utilizzo efficace di tutte le risonanze corporee per ottenere un timbro gradevole, omogeneo nell'arco della tessitura, sono solo alcuni esempi. Per una larga rassegna di esempi si veda anche il paragrafo timbro e posizioni.

Proprio per la possibilità di variare il colore della voce grande attenzione viene posta nell'educazione alla pronuncia nel canto, in cui, in genere, il numero delle vocali è superiore alle cinque canoniche, che comunque possono richiedere posizioni della bocca affatto differenti a seconda che vengano emesse in un registro grave piuttosto che in uno acuto.

In questo paragrafo ci limitiamo a considerare i rapporti tra canto e intelligibilità delle vocali con un esempio canonico: la scala da Sol3 a Sol4 è cantata usando cinque vocali canoniche. Ascoltando ciascuna scala si riconosce facilmente quale vocale è utilizzata. Tuttavia, isolando solo le note più acute si ha una sorpresa (vedi oltre).

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Nel campione seguente abbiamo isolato i quattro Sol acuti delle scale sopra riportate, e li abbiamo posti in un diverso ordine. Se ascoltate il campione non sarete più in grado di distinguere in quale ordine siano cantate le vocali! Questo effetto non è dovuto ad un errore nel canto, ma, al contrario, ad una buona impostazione. Infatti nell'acuto conviene alla cantante cercare di concentrare tutta l'energia sonora nella fondamentale, perché gli armonici superiori, essendo smorzati con maggiore efficienza, contribuirebbero poco all'udibilità. Oltre a questo fatto, bisogna ricordare che la distinguibilità tra le vocali dipende dalla densità di energia emessa in particolari regioni dello spettro (le formanti). Spostando la fondamentale in una regione più acuta le distanze tra le armoniche aumentano, e meno armoniche cadono nella regione delle formanti, rendendo il suono comunque meno intelligibile. Il fenomeno è già molto evidente in questa tessitura (mezzosoprano), e diventa critico per l'intelligibilità della pronuncia nel registro sovracuto della voce di soprano.

Non vi resta che tirare ad indovinare, con una probabilità di successo dello 0.83%.[1]

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VOX_Vocali_acuto

spettri delle cinque vocali in acuto mediati nel tempo di emissione
In verità un esame accurato dello spettro medio di ogni singola vocale acuta evidenzia minime differenze (segno che non abbiamo barato), ma il fatto è che l'informazione sulla qualità delle vocali, che è contenuta entro le prime cinque formanti, al di sotto dei 5500 Hz è fortemente degradata, perché le armoniche sono maggiormente spaziate tra di loro. Nel nostro caso solo sette armoniche si trovano entro questa banda.

Le consonanti

Il caso delle consonanti è diverso: anche se talora è possibile effettuare una “sonorizzazione” delle stesse, in generale hanno una valenza prettamente rumoristica (soprattutto le sibilanti – “s” e “z” – le labiali – “p” e “b” – e le dentali – “t” e “d”) e costituiscono una “discontinuità” nel corso dell’intonazione delle vocali.

Le consonanti sonore mantengono traccia delle parziali in rapporti armonici, perché sono pronunciate assieme al suono proprio della voce. La "r" dura introduce una modulazione di ampiezza piuttosto rapida (equivalente ad una frequenza di battimento di circa 28 Hz), mentre nella pronuncia della "n" la risonanza della bocca è fortemente smorzata, o del tutto eliminata, a favore della risonanza del naso. Si noti comunque che, in italiano, la lettera "n" corrisponde a tre fonemi nasali distinti: uno dentale, uno velare e uno labiodentale. Per esempio si presti attenzione alla posizione della bocca mentre si pronunciano le parole "analisi", "anche" e "invece". Si noterà che nel primo caso la punta della lingua tocca la parte anteriore del palato e i denti, nel secondo caso è il palato molle a chiudere la cavità orale, e non la lingua, e nel terzo caso il labbro inferiore tocca gli incisivi superiori, cosa che non accade negli altri due casi. Se si cerca di pronunciare "anche" o "invece" usando la sola dentale, anziché le altre versioni, si ottiene una specie di "an-e-che" o "in-e-vece", molto in voga in certi stili di canto degli anni '30.

n dentale n labiodentale n velare
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"n" e "r"

forme d'onda
N R

Le consonanti sorde possiedono uno spettro continuo a larga banda, tipico del rumore. Si nota una chiara differenza nella distribuzione del peso spettrale tra le fricative "s" (come in "senno") e "sh" (come in "scena"), e la dentale "t".

La "t" è un rumore quasi bianco (lo spettro decade solo alle altissime frequenze). D'altro canto, per il principio di indeterminazione classico, un suono molto breve (dura meno di 2 centesimi di secondo) deve possedere componenti di Fourier sparse per tutto lo spettro. La "s" è caratterizzata da un unica banda molto larga tra 5 e 15 kHz, mentre il suono postalveolare "sh" è più ricco alle basse frequenze, e, con il suo picco principale tra 2.5 e 8 kHz, corrisponde ad un rumore colorato più caldo (si veda la pagina suono o rumore?, dove si trovano diversi esempi di rumore).

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"t", "s", "sh"

forme d'onda
T S SH

Caratteristiche acustiche

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VOX_Sib


Timbro e posizioni

Negli esempi seguenti si evidenzia tipicamente l'effetto della tecnica del canto. Il primo vocalizzo, è cantato con voce "impostata", mentre il secondo con voce "normale". L'impostazione della voce consiste nella modificazione della forma e dimensione delle cavità del tratto vocale volta ad accentuarne alcune risonanze naturali. Tipicamente queste risonanze producono un aumento dell'energia emessa in corrispondenza di frequenze ben al di sopra di quella corrispondente alla nota cantata.

Si può ben capire che una buona tecnica nel canto, risultante in una buona "accordatura" delle risonanze del tratto vocale permette al cantante:

  1. di generare un suono più ricco in armonici (quindi di timbro più ricco)
  2. di generare un suono di maggiore intensità a parità di pressione dell'emissione.

Nei due esempi seguenti una nota acuta e una grave (Si♭2 a 229 Hz e un Si♭3 a 458 Hz) sono cantate con lo stesso sforzo soggettivo, ma la prima volta con voce impostata, e la seconda con voce naturale. In entrambi i casi si sente che il suono impostato è più intenso e più ricco, ed in entrambi i casi si vede chiaramente dai sonogrammi che l'effetto dell'impostazione è pressoché identico, nonostante la differenza in altezza tra le due note. L'impostazione consente una maggior concentrazione di energia in corrispondenza della banda tra 2000 e 3000 Hz (terza e quarta formante).

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VOX_AcutoPosizione

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VOX_GravePosizione

Grazie all'addestramento i cantanti riescono a regolare finemente la zona spettrale di cui favorire o sopprimere la risonanza. Questa regolazione ha due funzioni: la prima consiste nel favorire l'emissione agli estremi della tessitura. La seconda consiste nel regolare il colore delle note. Si può infatti distinguere tra timbro e registro. Il timbro è un attributo immodificabile della voce, la qualità che ci fa distinguere la voce di una persona da quella di un'altra. Il registro corrisponde alla particolare sfumatura data alla voce in un certo momento, per fini espressivi. La differenza si chiarisce con gli esempi.

Per semplicità didattica i cantanti individuano tre aree ordinate dal registro più scuro a quello più chiaro:

  1. voce di petto,
  2. voce di gola,
  3. voce di test.

La voce di petto è utilizzata per favorire l'emissione delle note gravi. Quella di gola è prevalentemente adottata nella musica pop, mentre il timbro nasale esalta le alte frequenze.

Nella parte più grave della tessitura la voce di petto di nuovo esalta la terza e quarta formante. Nell'esempio si ascolta un Sol#2 cantato prima con voce naturale, e poi con voce di petto.

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VOX_TestaPetto

Nell'esempio seguente si ascolta una Fa a circa 345 Hz cantato prima volutamente di gola, poi con voce impostata, e infine con registro di testa (nasale). Dal sonogramma si vede chiaramente la differente posizione del baricentro dell'intensità spettrale nei tre casi. L'analisi semplificata in termini delle formanti mostra il cambiamento ancora meglio: il primo caso ha formanti "tipo parlato" (si veda il paragrafo sulle vocali); La voce impostata provoca un addensamento delle ultime due formanti nella regione tra 3 e 4 kHz; la voce di testa provoca invece la soppressione della seconda formante, a favore del peso della terza.

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Effetti

È interessante notare come la voce nel piano diventi praticamente indistinguibile da un suono puro: la quasi totalità dell'energia, infatti, si trova concentrata nella fondamentale. Si parla non a caso di voce "flautata". C'è una differenza di circa 15 dBm tra piano e forte. Nel piano, su una potenza istantanea di -25.610 dB, -25.617 dB appartengono ad una banda di 200 Hz centrata sulla fondamentale, con uno scarto quindi di soli 0.007 dB. Nel forte, invece, questi due valori sono circa -3.961 dB e -4.516 dB, con uno scarto di circa 0.5 dB.

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La gamma dinamica della voce (di circa 15 dB) può anche essere sfruttata in "modulazione di ampiezza" per ottenere effetti quali il crescendo (dal piano al forte), lo sforzando (un forte seguito immediatamente da un piano), e il vibrato, di cui seguono gli esempi.

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Cantare a bocca chiusa non vuol affatto dire impedire l'emissione del suono, tanto che questo effetto è spesso usato nella musica di tutti i generi. Esistono però diversi modi di ottenerlo. Nell'esempio si sente il canto a bocca chiusa e denti stretti, a bocca chiusa, ma con i denti lontani, e a bocca aperta.

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Oltre che attraverso le consonanti mute, l'articolazione dei suoni può avvenire mediante l'interruzione del flusso d'aria compressa dal diaframma, o mediante piccoli colpi della glottide. Nel campione un esempio di tecnica del primo tipo per ottenere l'effetto "staccato".

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Altri effetti

Esiste poi una vasta gamma di effetti che è possibile ottenere utilizzando l'apparato vocale in modo non standard.

  • Nel caso dell’emissione sottovoce, invece, le corde vocali lasciano passare l’aria senza vibrare; ne risulta un’emissione “afona” come un soffio "filtrato" e modulato dalla sola cavità orale, che riesce comunque a variarne il timbro (tanto è vero che distinguiamo vocali differenti anche sussurrando) ma non a conferirle l’intonazione che solo la vibrazione delle corde vocali può produrre.
  • Il falsetto è una particolare modalità di emissione che consente di emettere suoni all'incirca un'ottava sopra il normale registro del parlato. Pur essendo in genere un'abilità innata, questa tecnica è stata ampiamente sfruttata nella musica per permettere a cantanti maschi di interpretare parti in registro femminile, o per ottenere particolari effetti. La voce in falsetto in genere cambia leggermente il proprio timbro, ma, se particolarmente educato, questa tecnica può essere anche utilizzata per ampliare la tessitura senza che il cambiamento di timbro sia particolarmente evidente. Resta invece in genere notevole la differenza timbrica tra una voce maschile in falsetto, una femmile, ed una infantile che cantano le stesse note.

Alcuni cantanti (si pensi ad esempio a Freddy Mercury) hanno fatto del falsetto una specie di firma del proprio stile. Nel falsetto le corde vocali non vibrano per tutta la loro lunghezza, ma, grazie ad una contrazione di alcuni muscoli, restano fisse alle estremità. Questo ne accorcia considerevolmente la lunghezza effettiva vibrante, e quindi ne innalza la frequenza di vibrazione.

  • Le subarmoniche e i doppi suoni. Esistono tecniche, sviluppate per lo più in certe musiche etniche, specialmente in Asia, che consentono di ottenere due voci da un solo cantante. Una "voce" è in realtà un suono grave fisso (bordone), mentre la vera voce melodica è ottenuta accentuando le risonanze della cavità orale alle note corrispondenti alla melodia che si vuole intonare. Un esempio di questa tecnica sopravvive nelle musiche a tenore della Barbagia, poi evolutasi in modo che, in realtà, le diverse voci siano cantate da differenti esecutori (i tenores della tecnica cuncordu).

Esempi sonori si possono trovare a questi link:


  1. esistono infatti 5!=120 possibili diversi ordinamenti di 5 prove distinguibili. L'ordinamento che abbiamo montato è, in realtà A-I-U-O-E.

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