Una breve introduzione alla lettura degli spettrogrammi (detti anche sonogrammi) che si trovano in molte pagine di questo sito. Alcuni degli spettrogrammi sono animati, mentre altri sono immagini statiche. In entrambi i casi l'animazione seguente è di aiuto alla lettura, e contiene suggerimenti sull'interpretazione dello spettro di un segnale. Per una galleria di spettrogrammi cerca tra i disegni, o vedi direttamente le pagine sugli strumenti musicali.

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1. L'asse verticale è l'asse dei tempi. Lo zero si trova in alto e il tempo scorre verso il basso. L'unità di misura sono i millisecondi.

2. Man mano che il tempo passa questa linea di riferimento scorre verso il basso e indica l'istante al quale si riferisce lo spettro.

3. Questo numero indica i millisecondi trascorsi dall'inizio al punto in cui si trova la linea bianca di riferimento.

4. Questo numero indica la frequenza a cui si trova il cursore.

5. Questo è l'asse delle frequenze (in Hz).

6. L'asse delle frequenze si riferisce anche a questo riquadro, in cui è disegnato lo spettro del suono istante per istante.

7. Attenzione: in questo riquadro l'asse verticale non indica più il tempo, ma l'ampiezza delle componenti dello spettro. L'ampiezza è misurata in una scala in dB il cui zero indica il valore massimo.

8. Mentre la linea di riferimento si muove nel tempo, lo spettro del suono cambia. Nel riquadro superiore si vedono gli spettri a tutti i tempi... ...invece in quello inferiore si vede solo lo spettro all'istante presente.

9. In questo caso lo spettro è costituito da un segnale irregolare di piccola ampiezza, dato dal rumore di fondo, e da una serie di picchi ben distinti e spaziati regolarmente in frequenza.

10. La scala di colori mette in relazione le ampiezze dello spettro nel riquadro inferiore con le ampiezze del sonogramma nel riquadro superiore.

Che cosa si legge in uno spettrogramma

• Un suono periodico, come una nota suonata o cantata, contiene solo frequenze multiple della sua frequenza fondamentale (si veda teorema di Fourier). Nello spettro appare quindi come una serie di picchi equidistanti e nello spettrogramma come una serie di righe parallele all'asse dei tempi: la distanza in frequenza tra due righe vicine è uguale alla frequenza fondamentale, cioè dà l'altezza della nota. Per esempio picchi a 220, 440, 660 Hz... indicano una nota di 220 Hz.
• Quando l'altezza cambia, come nella scala cantata dell'esempio, tutte le righe si spostano insieme e la loro distanza cambia.
• Un rumore non ha righe distinte: la sua energia è distribuita su un'ampia banda di frequenze e nello spettrogramma appare come una zona colorata uniforme (si veda suono o rumore?).
• Il colore, o l'altezza dei picchi nello spettro, indica quanto è intensa ciascuna componente: le ampiezze relative delle armoniche determinano in gran parte il timbro.

La finestra di analisi

Per calcolare lo spettro di un suono un programma come Audacity prende un tratto del segnale (la finestra) di un certo numero di campioni e ne calcola la trasformata di Fourier. Il risultato è una media su quel tratto. Cambiando dimensione o tipo della finestra si cambia il modo in cui i campioni vengono pesati. Quindi cambia anche lo spettro: non è un errore, sono misure diverse. Lo spettrogramma ripete questo calcolo su finestre successive, e la scelta della finestra ne determina l'aspetto.

• Risoluzione in frequenza e in tempo. Con la frequenza di campionamento usuale (44100 campioni al secondo) una finestra di 512 campioni dura circa 12 ms, una di 2048 campioni circa 46 ms. La finestra più breve distingue frequenze distanti almeno qualche centinaio di Hz: due picchi a 200 e 400 Hz appaiono come un'unica "collina". La finestra più lunga li separa bene, ma segue peggio le variazioni rapide del suono. Non si può migliorare una risoluzione senza peggiorare l'altra (vedi indeterminazione frequenza-tempo). Per la voce sono ragionevoli finestre di qualche decina di millisecondi.
• Confronti. Per confrontare spettri diversi conviene usare sempre la stessa finestra (dimensione e tipo).
• Suoni che cambiano. Lo spettro di un tratto lungo, come un'intera parola, è una media e non dice nulla sull'ordine temporale: un suono e lo stesso suono riprodotto al contrario hanno lo stesso spettro di ampiezza. Per seguire l'evoluzione nel tempo serve lo spettrogramma.
• Valori negativi in dB. Lo zero della scala corrisponde al massimo che il sistema può rappresentare, quindi un picco a −15 dB non è "inaudibile": è 15 dB sotto il massimo. Il livello assoluto dipende da come è stato registrato il segnale.
• Altri algoritmi. L'autocorrelazione, offerta da alcuni programmi in alternativa allo spettro, misura un'altra cosa: quanto il segnale somiglia a se stesso spostato nel tempo. È utile per stimare il periodo (e quindi l'altezza) di un suono, ma non dice quali frequenze contiene.

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Approfondimenti e collegamenti

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