Effetti e illusioni

La percezione uditiva è un fenomeno complesso, in cui le caratteristiche fisiche del suono ricevuto, quelle fisiologiche dell'orecchio, e l'attività neurale del cervello interagiscono in modo sottile. In queste pagine vogliamo mostrare come la percezione uditiva non debba essere considerata una immagine fedele del suono ricevuto, ma piuttosto una sua complessa (e non così fedele) elaborazione.

In questa sede distinguiamo effetti e illusioni, intendendo che gli effetti sono percezioni "non fedeli" dovute alle caratteristiche fisiologiche dell'apparato ricevente, mentre le illusioni, al pari delle più popolari illusioni ottiche, sono il prodotto della diretta azione del cervello che non si limita a registrare, ma interpreta i suoni che riceve.

La scala di Shepard

La scala di Shepard^[1] è un esempio classico di illusione di cui esistono molte versioni. Provate ad ascoltare il campione qui sotto, che la riproduce in forma di glissando, e provate a tenere traccia dell'andamento della nota che percepite: sentirete un tono discendente, apparentemente senza fine. In realtà, come svela l'analisi del sonogramma, si tratta di un campione periodico, in cui le armoniche più acute vengono reintrodotte gradualmente, mentre quelle più gravi svaniscono gradualmente. Il cervello àncora la percezione dell'altezza più all'andamento complessivamente discendente, che non alla fondamentale del suono.

Glissando_Shepard.mp3 scala di Shepard. Glissando discendente.

Effetti "di tipo Shepard" si trovano anche utilizzati in musica sotto forma di progressioni modulanti (per esempio nella Fantasia e Fuga in Sol minore per organo BWV 542 di J.S. Bach) o mediante altri espedienti.

• Nella parte finale del brano Echoes dei Pink Floyd un glissando di coro maschile è stato tagliato ad anello, e mixato in modo da dare l'illusione di una salita continua (all'opposto del nostro esempio); esso emerge dalla dissolvenza di una lunga ripetizione guidata dalla chitarra elettrica;
• l'album A day at the races dei Queen si apre e si chiude circolarmente con un piccolo trio strumentale in cui si sente una scala di Shepard eseguita per mezzo di chitarre elettriche.

La fondamentale mancante

Il campione che qui proponiamo ha in sé ben due particolarità paradossali. Si sente la sequenza Do₃ - Re₃ - Mi₃ - Fa₃ - Sol₃ - Sol₂ - Sol₁ - Sol₀ ripetuta due volte. Il Do₃ iniziale corrisponde ad una frequenza di suono puro di 261 Hz, mentre i quattro Sol finali a ottave discendenti corrispondono all'incirca a 384, 192, 96, e 48 Hz.

Le due sequenze sembrano avere un differente timbro, ma le note suonate sembrano essere le stesse (cioè sembrano avere la stessa altezza). Questa è la prima sorpresa. Potremmo pensare che siano due strumenti diversi che eseguono la stessa partitura. Tuttavia, se esaminate il tracciato del sonogramma, troverete che l'unica differenza tra le due sequenze consiste nel fatto che nella seconda è stata eliminata la fondamentale di tutti i suoni. Questo dimostra che il cervello attribuisce l'altezza di un suono basandosi più sui rapporti tra le armoniche di tutto lo spettro, che non sulla sola fondamentale. L'altezza, infatti è attribuita alla frequenza corrispondente alla fondamentale anche se questa non è stata nemmeno fisicamente emessa (si veda la discussione nel dialogo Sulla percezione dell'altezza di un suono composto).

nota frequenza (Hz) Sol3 384 Sol2 192 Sol1 96 Sol0 48

Fondamentale_mancante.mp3 Doppia frase. La seconda ha la fondamentale mancante.

Avevamo promesso due effetti in un solo campione. Il secondo è in realtà implicito, ma lo potete notare ascoltando il campione dagli altoparlanti del vostro computer anziché in cuffia. L'effetto sorprendente è questo: non cambia niente! Si continua a percepire e riconoscere la stessa sequenza di note. I piccoli altoparlanti di un computer non sono in grado di trasmettere nessun suono al di sotto dei 50-60 Hz, però l'ultimo Sol a 48 Hz è ancora percepito alla stessa altezza. Quindi, abbiamo involontariamente scoperto un modo per migliorare le prestazioni degli altoparlanti, sfruttando l'aiuto che ci viene dal nostro sistema percettivo.

Un esempio non "artificiale" di fondamentale mancante si ha nella percezione dell'intonazione dei timpani. Anche in questo caso sentiamo principalmente una nota corrispondente ad un'armonica che non compare nello spettro dello strumento (si veda il suono reale dei timpani).

Senso sonoro e senso musicale

Il seguente semplice esempio dimostra che il nostro sistema uditivo elabora le informazioni sonore in modo completamente diverso per riconoscere il brano (senso musicale), e riconoscere lo strumento (senso sonoro).

Le informazioni sul brano sono contenute nella sua struttura di alto livello, come la sequenza delle note, la melodia, l'armonia, la struttura della composizione. Tutte caratteristiche che fanno parte dell'ambito musicale, e richiedono un'analisi "linguistica" del suono percepito.

Le informazioni sullo strumento riguardano invece la percezione del timbro, e sono codificate nelle caratteristiche acustiche di ogni suono che compone il brano, visualizzabili, ad esempio, per mezzo di uno spettrogramma.

"The Entertainer", di Scott Joplin		Entertainer_orig.mp3 Versione originale	versione originale
L'ordine delle note dell'originale è invertito, ma le singole note non sono modificate		Entertainer_R.mp3 Versione retrograda	si riconosce lo strumento, ma non il brano
L'ordine delle note è lo stesso dell'originale, ma ogni singola nota è eseguita all'indietro nel tempo		Entertainer_I.mp3 Versione invertita	si riconosce il brano, ma non lo strumento

Il terzo suono di Tartini

Il terzo suono è un suono "fantasma" che si percepisce talvolta quando due suoni abbastanza intensi (e ricchi di armonici) giungono all'orecchio simultaneamente. È piuttosto comune ottenere questo suono sul violino suonando note doppie sulla prima e seconda corda.^[2] L'effetto in realtà assume forme diverse, in quanto il terzo suono compare a frequenze pari sia alla somma di (multipli delle) frequenze base, sia alla loro differenza, sia in corrispondenza di altre combinazioni. Nell'esempio sonoro che qui portiamo il terzo suono può essere interpretato come un effetto di fondamentale mancante (si veda il paragrafo precedente). Nell'esempio si sente la sovrapposizione di due onde triangolari ad un intervallo di terza maggiore naturale (v. scala naturale). Le loro fondamentali, a 512 e 640 Hz, stanno in rapporto 5:4. Questo particolare rapporto crea una sovrapposizione di armoniche ad intervalli regolari, il cui massimo comune divisore è 128 Hz (un suono due ottave sotto la fondamentale a 512 Hz).

Nell'esempio che segue riportiamo dapprima separatamente i suoni delle componenti a 512 e 640 Hz. Poi la loro unione. Il terzo suono è udibile solo in cuffia, e a volume sufficientemente alto. Nell'immagine a lato si vede lo spettrogramma del suono composto. Il reticolo evidenzia i multipli della fondamentale mancante a 128 Hz.

terzo_suono_512.mp3 Onda triangolare a 512 Hz	terzo_suono_640.mp3 Onda triangolare a 640 Hz
terzo_suono_512_640.mp3 Sovrapposizione dei due suoni della riga superiore (udibile in cuffia il terzo suono di Tartini quando si ascolta a volume sufficientemente alto)	terzo_suono_128.mp3 Suono di altezza pari a quella del terzo suono percepito nell'esempio a lato

Il terzo suono può anche essere utilizzato per controllare l'intonazione naturale di un intervallo. Nell'esempio che segue, la frequenza della nota più acuta è fatta oscillare di ±20 Hz. Corrispondentemente anche il suono differenza oscilla. La frequenza di battimento che si percepisce è minima quando le note componenti sono accordate ad una terza maggiore naturale.

Mentre la fondamentale mancante è sostanzialmente un'illusione, in certi casi il terzo suono è un effetto fisico. Esso, infatti, si produce anche in casi in cui non è possibile addurre come spiegazione una fondamentale mancante. Nell'aria, ai livelli normali, i suoni si sommano linearmente (v. principio di sovrapposizione): sovrapponendosi non creano frequenze nuove. Il terzo suono nasce quindi dove il suono attraversa un sistema che si comporta in modo non lineare (v. effetti non lineari). Un sistema non lineare distorce il segnale, cioè può aggiungere al segnale in ingresso frequenze che non appartengono al segnale stesso. In particolare, esiste un tipo di distorsione, detta distorsione di intermodulazione, ben nota a chi si occupa di trasmissioni radio, che produce componenti di frequenza pari alla somma e alla differenza tra le frequenze dei suoni in ingresso, oltre ad altre combinazioni come 2f₁ − f₂.

Il sistema non lineare è di solito l'orecchio stesso, in particolare la coclea, il cui comportamento si discosta tanto più dalla linearità quanto più il suono è intenso. Le frequenze così generate non sono illusorie: esistono fisicamente all'interno dell'orecchio e si possono addirittura misurare con un piccolo microfono inserito nel condotto uditivo. Il terzo suono può però nascere anche prima dell'orecchio, se lo strumento o qualcosa a contatto con esso si comporta in modo non lineare, oppure in un impianto di registrazione o di amplificazione spinto ai suoi limiti. In questo caso il terzo suono è già presente nel suono che giunge all'orecchio. Per distinguere i due casi basta registrare il suono a volume non eccessivo e osservarne lo spettro: se il terzo suono nasce prima dell'orecchio, alla sua frequenza compare una riga (si veda anche la domanda sul terzo suono).

L'effetto McGurk

Altre illusioni ad libitum

Il campo della psicologia della percezione è troppo vasto per essere qui affrontato. Tuttavia le illusioni acustiche non godono della notorietà riservata alle illusioni ottiche. Rimandiamo chi fosse interessato al sito di una nota studiosa del campo (Diana Deutsch), che contiene svariati esempi di illusioni acustiche e ampia bibliografia.

Tra esse segnaliamo in particolare:

• il paradosso del tritono: un intervallo pari esattamente a metà ottava (il tritono, appunto) è suonato mettendo due suoni di tipo Shepard in successione fissata, ascendente o discendente, ma viene interpretato anche da musicisti esperti in modo ambiguo. Alcuni percepiscono l'intervallo come ascendente, altri come discendente. In http://www.cs.ubc.ca/nest/imager/contributions/flinn/Illusions/TT/tt.html (in inglese) trovate anche un'app Java per poter sperimentare voi stessi quantitativamente l'effetto.
• la melodia nascosta: dimostra l'importanza delle funzioni di riconoscimento (opposte alla pura registrazione dei suoni). Corrisponde al fatto arcinoto che la conoscenza di un brano lo rende più facile da seguire, ma anche al fatto meno noto che, sparpagliando i suoni di una melodia nota tra diverse ottave, la melodia ci diviene meno familiare, o addirittura irriconoscibile.

Un "effetto" simile trova una splendida applicazione nell'arrangiamento di A. Webern del Ricercar a 6 da Musikalisches Opfer di J.S. Bach. Il celebre tema è spezzato tra strumenti diversi, e su ottave diverse. In particolare le prime cinque note sono affidate al trombone, poi due al corno in Fa, due alla tromba in Do, una di nuovo al corno, ma con un tocco dell'arpa, poi di nuovo quattro al trombone (la prima insieme col corno), tre al corno, e infine le ultime due a tromba e arpa assieme. Esso diviene una musica completamente nuova, anche se basata sulle stesse note. Si noti che tutti gli ottoni suonano con sordina, e questo rende le differenze timbriche molto meno accentuate, favorendo il passaggio fluido da una voce ad un'altra. (Per una rassegna di esempi acustici sulla sordina si veda la pagina tromba).

File:Webern Bach.mp3 Webern_Bach.mp3 estratto da A. Webern, Fuga (ricercata) a 6 voci dal Musikalisches Opfer di J.S. Bach

Verifica la comprensione

Collegamenti

Per l'esame di altri importanti effetti si rimanda alle pagine specifiche

• Mascheramento
• Battimenti
• Bande critiche

Oltre che nel sito di Diana Deutsch, svariati campioni liberamente distribuiti di file acustici contenenti diversi effetti si trovano anche nelle pagine del Kyushu Institute of Design

• Domande e risposte correlate:
  • Perché in una registrazione una parola può sembrare più acuta di un'altra, anche se la sua frequenza fondamentale è più bassa?
  • Esistono armonici "inferiori", cioè suoni a frequenza sottomultipla, generati dall'orecchio?