Struttura dello strumento

Si tratta di strumenti piuttosto compatti, in cui una imboccatura stretta e corta conduce ad una camera di risonanza tondeggiante. Contrariamente a quasi tutti gli altri strumenti a fiato la camera risonanza non è cilindrica, e quindi le sue frequenze proprie sono date dalla sua risonanza di Helmholtz. Mentre nel fischietto questa frequenza è invariabile, nell'ocarina si possono produrre diverse frequenze aprendo o tappando diversi fori praticati nel corpo dello strumento.

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.

Vediamo questo meccanismo più in dettaglio.

La sorgente delle oscillazioni

• Il flusso continuo d'aria prodotto dall'esecutore, incanalato nell'imboccatura, si frange contro un bordo acuto.
• Parte del flusso entra nella camera di risonanza, e ne accresce la pressione.
• Quando la pressione nella camera eguaglia la pressione del flusso d'aria, la camera non può accogliere altra aria, e il flusso si indirizza verso l'esterno dello strumento.
• L'aria nella camera, compressa come una molla, si può ora decomprimere producendo un'onda di pressione.
• Quando la pressione nella camera è di nuovo scesa a sufficienza il flusso d'aria può di nuovo entrarvi dall'imboccatura, producendo una seconda compressione, e ricominciando il ciclo. La frequenza complessiva del ciclo dipende sostanzialmente dalle dimensioni della cavità, essendo determinata dalla risonanza di Helmholtz di quest'ultima.

Il foro stesso che frange il flusso d'aria funge da radiatore principale del suono, accoppiando le oscillazioni dell'aria all'interno della camera di risonanza con l'aria circostante.

La formazione del timbro

• È da notare che le dimensioni complessive della cavità sono in generale molto minori della lunghezza d'onda del suono prodotto. Quindi le risonanze degli armonici superiori che si avvertono normalmente in ambienti più grandi come una stanza (si veda onde stazionarie in 3D, acustica architettonica) avvengono a frequenze estremamente elevate.
• Per questo motivo la produzione di armonici superiori è fortemente inibita dall'inertanza del foro radiante. Infatti, ad alte frequenze l'impedenza acustica dello strumento è determinata sostanzialmente dall'inertanza del foro (cioè, in ultima analisi, dalle sue dimensioni).
• Di conseguenza il suono emesso da questi strumenti è sostanzialmente un suono puro alla frequenza fondamentale della cavità.

Note caratteristiche

Caratteristiche acustiche

Come già osservato, date le ridotte dimensioni della cavità risonante rispetto alle lunghezze d'onda emesse, in questi strumenti si ha una forte attenuazione delle armoniche superiori alla fondamentale. Come risultato il suono si avvicina molto ad un suono puro, come dimostrano le forme d'onda riportate nel seguito.

Bottiglie come risuonatori

${\displaystyle f}$ (Hz) ${\displaystyle V}$ (l) ${\displaystyle {\frac {f}{f_{0}}}}$ ${\displaystyle {\sqrt {\frac {V_{0}}{V}}}}$ 119 1 1 1 151 ${\displaystyle {\frac {2}{3}}}$ 1.27 1.22 209 ${\displaystyle {\frac {1}{3}}}$ 1.76 1.73

Abbiamo "suonato" una bottiglia di plastica da 1.5 l di forma piuttosto irregolare. Il corpo è all'incirca un parallelepipedo solcato da diverse scanalature. Un tronco di piramide lo collega all'imboccatura. Suonando la bottiglia vuota, e poi riempiendola ad 1/3 e 2/3 di litro otteniamo le frequenze approssimative di 119, 151 e 209 Hz. I rapporti con la frequenza più bassa sono quindi pari a 1, 1.27, 1.76. Tali rapporti sono in buon accordo con i rapporti dell'inverso della radice del volume 1, 1.22, 1.73 previsti dalla legge dei risuonatori di Helmholtz. Si osserva tuttavia che, per una sperimentazione più rigorosa bisognerebbe utilizzare una bottiglia più rigida, che non partecipi alla vibrazione con la sua elevata cedevolezza. In tutti gli esempi sono chiaramente visibili, oltre alla fondamentale, anche diverse armoniche superiori. Il rumore a larga banda, invece, è associato alla parte turbolenta del moto del flusso d'aria che si frange sul bordo dell'imboccatura.

forma d'onda	sonogramma	Audio
		BOT_Grande.mp3 BOT_Grande

forma d'onda	sonogramma	Audio
		BOT_GrandeUnTerzo.mp3 BOT_GrandeUnTerzo

forma d'onda	sonogramma	Audio
		BOT_GrandeDueTerzi.mp3 BOT_GrandeDueTerzi

Suoni armonici

Per realizzare questi campioni abbiamo utilizzato una bottiglia di plastica da mezzo litro. La sua frequenza fondamentale corrisponde a circa 199 Hz. Ovviamente questo valore non è direttamente confrontabile con quello della bottiglia più grande, in quanto tutte le misure sono diverse, e non solo il volume d'aria racchiuso. Si osserva che la fondamentale della bottiglia corrisponde a circa 200 Hz. Il suono fondamentale è accompagnato da soli quattro armonici superiori visibili, e da una sequenza di bande di fruscio ad alta frequenza.

forma d'onda	sonogramma	Audio
		BOT_Piccola.mp3 BOT_Piccola

Anche da uno strumento così rudimentale si possono ricavare suoni armonici. Nell'esempio acustico qui riprodotto abbiamo soffiato con forza nella bottiglia da mezzo litro. L'ascolto e l'analisi del sonogramma rivelano che il suono più forte, udibile nella sezione centrale del campione, corrisponde ad una frequenza di 1150 Hz. Verso la fine del campione, nel breve tempo in cui il flusso d'aria torna alle basse velocità emerge di nuovo la fondamentale a 199 Hz. Ascoltando con molta attenzione, e osservando il sonogramma, si può anche isolare una seconda armonica più acuta proprio all'inizio, al centro di una banda attorno ai 2970 Hz. Essa conferisce un colore sibilante al fischio. Altre bande larghe e inarmoniche fanno parte del fruscio del fischio, mentre è visibile, anche se poco udibile nel campione non filtrato, una sequenza di deboli righe in rapporti armonici con la riga a 1150 Hz.

forma d'onda	sonogramma	Audio
		BOT_PiccolaArmonico.mp3 BOT_PiccolaArmonico

Approfondimenti e collegamenti

• Ti invitiamo a leggere la fondamentale pagina Suono e risonanza nella quale troverai enunciati i principi generali del funzionamento di uno strumento musicale. Tale lettura ti aiuterà a meglio apprezzare le peculiarità dello strumento descritto in questa pagina

• La pagina sulla risonanza di Helmholtz chiarisce ulteriormente il meccanismo di produzione degli suono degli "strumenti" di questa pagina

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