Da "Fisica, onde Musica": un sito web su fisica delle onde e del suono, acustica degli strumenti musicali, scale musicali, armonia e musica.
Vibrazioni, bang supersonici e sorgenti di rumore impulsivo
In questo filmato diverse sorgenti di rumore impulsivo e di rumore per vibrazione e risonanza sono illustrate attraverso il commento di filmati ad alta velocità. Essi permettono di vedere fenomeni che il nostro occhio non è in grado di risolvere, ma il nostro orecchio sì. Si veda anche la pagina su suono e risonanza.
Nei seguenti paragrafi abbiamo prodotto alcuni esempi acustici per cercare di mettere alla prova la tradizionale distinzione tra suono e rumore.
Tre "Pezzi" facili
In molte trattazioni elementari del problema si afferma che ciò che sembra caratterizzare il suono rispetto al rumore è la sua descrizione in termini di un'onda periodica. Lo spettro deve contenere solo suoni puri (componenti sinusoidali) di frequenza multipla di una frequenza fondamentale.
Di seguito sono illustrati grafici di onde periodiche e non, con i relativi spettrogrammi e il corrispondente sonoro (clicca sulle immagini per ingrandirle, e sul file audio per ascoltarlo. Se vuoi maggiori informazioni su come si legge uno spettrogramma visita questa pagina con le istruzioni)
Grafico
Spettrogramma
Audio
puro_220_Hz.wav
Suono puro (sinusoide) a 220 Hz.
triangolo_220_Hz.wav
Onda triangolare con fondamentale a 220 Hz.
rumore_bianco.wav
Rumore bianco (spettro uniforme).
Innanzitutto notiamo che non ogni suono associato ad un'onda periodica è "gradevole" (molti ascoltatori trovano fastidiosi la sinusoide e l'onda triangolare, e, certamente, al di là del giudizio soggettivo di gradevolezza, essi risultano "oggettivamente" noiosi). Se ci limitiamo a questi esempi, però, sembra confermata l'associazione più elementare: ad un'onda periodica si associa un'altezza ben definita, mentre al rumore bianco non sembra possibile attribuirla. Per esempio non sembra avere senso chiedersi se esso è più o meno acuto della sinusoide. Per mettere alla prova la definizione dobbiamo tuttavia considerare qualche esempio più complesso.
"Pezzi" meno facili
La questione è un po' più complessa. Anche prescindendo dal giudizio estetico dei suoni ottenuti, la periodicità dell'onda non è condizione sufficiente per chiamare suono ciò che udiamo. Infatti non è detto che all'interno delle frequenze udibili onde periodiche generino necessariamente suoni. Prova ad ascoltare l'esempio AUDIO di seguito riportato
Grafico
Spettrogramma
Audio
battimenti_220_245_Hz.mp3
Sovrapposizione di due suoni puri a 220 e 245 Hz
Pur in presenza di un'onda periodica (il grafico non lascia dubbi) penso tu faccia fatica a chiamare suono ciò che hai udito. Hai ascoltato quello che in acustica si chiama un battimento. In questo caso la sensazione di rumore (pur in presenza di onde periodiche) è dovuta ad un fatto percettivo: il nostro sistema uditivo viene "confuso" se investito da suoni di frequenze troppo vicine, e, incapace di discriminare la loro altezza, percepisce un suono di altezza intermedia, ma dal carattere "ruvido", rumoroso, appunto.
Ecco come suonano le due componenti prese isolatamente (se vuoi approfondire il discorso visita la pagina relativa alle bande critiche e ai battimenti)
puro_220_Hz.mp3
Suono puro a 220 Hz
puro_245_Hz.mp3
Suono puro a 245 Hz
Il "rumore armonico"
È facile accorgersi che la periodicità (esatta) non è nemmeno condizione necessaria per distinguere il suono dal rumore. Ciò per due ordini di motivi:
il sistema percettivo sembra tollerare piccole deviazioni dalla periodicità (se sei interessato ad approfondire la questione visita la pagina sulla percezione dell'altezza);
nessun suono ha una forma d'onda esattamente periodica. Una funzione periodica è qualcosa di dato da sempre e per sempre, mentre il suono è qualcosa che nasce, evolve nel tempo e muore. D'altronde quale sensazione di noia ci comunicherebbe un suono perennemente uguale a se stesso!
Certamente se nel fenomeno sonoro non è presente, nemmeno lontanamente, nessuna periodicità si parla di rumore. In questo caso l'onda sonora ha un contenuto spettrale continuo, costituito da componenti di qualsivoglia frequenza all'interno di una banda più o meno larga.
È infatti possibile produrre esempi di onde non periodiche che il nostro orecchio considera un suono gradevole e consonante come questo:
Grafico
Spettrogramma
Audio
rumore_armonico_2.wav
Rumore armonico. Bande attorno a Do1 Do2 Mi♭3 Sol3 Si♭3 Do4. Larghezza di ciascuna banda 2 Hz.
rumore_armonico_10.wav
Rumore armonico. Bande attorno a Do1 Do2 Mi♭3 Sol3 Si♭3 Do4. Larghezza di ciascuna banda 10 Hz.
rumore_armonico_20.wav
Rumore armonico. Bande attorno a Do1 Do2 Mi♭3 Sol3 Si♭3 Do4. Larghezza di ciascuna banda 20 Hz.
rumore_armonico_40.wav
Rumore armonico. Bande attorno a Do1 Do2 Mi♭3 Sol3 Si♭3 Do4. Larghezza di ciascuna banda 40 Hz.
rumore_armonico_100.wav
Rumore armonico. Bande attorno a Do1 Do2 Mi♭3 Sol3 Si♭3 Do4. Larghezza di ciascuna banda 100 Hz.
Il rumore armonico si ottiene sovrapponendo diverse bande di rumore bianco, ciascuna centrata sulla frequenza di una nota; negli esempi qui sopra le bande sono centrate sulle note di un accordo Do-Mi♭-Sol-Si♭ su più ottave (66, 131, 311, 392, 466 e 523 Hz). Quando le bande sono idealmente strettissime lo spettro diventa identico a quello di un suono gradevole, mentre quanto più le singole bande sono larghe, tanto più sopravviene il carattere di rumore. In tutti i casi l'onda sonora risultante possiede componenti periodiche, ma in senso stretto non è mai esattamente periodica, perché una componente casuale è sempre presente, tranne che nel limite di bande infinitamente strette.
Il rumore armonico sembra svelare una caratteristica fondamentale della percezione che convoglia l'informazione sul grado di consonanza o gradevolezza di un'onda sonora. Questa informazione è di valore inestimabile per i musicisti. Si vedano a tale proposito le pagine armonia e suoni armonici e consonanza e dissonanza.
In conclusione
Gli esempi mostrano che la distinzione tra suono e rumore non dipende da una sola proprietà fisica dell'onda. In generale chiamiamo suono un'onda il cui spettro è fatto di poche componenti ben separate e in rapporti (quasi) armonici, a cui l'orecchio associa un'altezza definita; chiamiamo rumore un'onda la cui energia è distribuita in modo continuo su bande larghe di frequenza, a cui non si riesce ad associare un'altezza. Tra i due estremi c'è però una gradazione continua (lo mostrano i rumori armonici) e il giudizio finale dipende anche dalla percezione: due componenti periodiche troppo vicine in frequenza, come nei battimenti, danno una sensazione "ruvida" anche se l'onda è periodica.
Verifica la comprensione
La sovrapposizione di due suoni puri a 220 e 245 Hz è un'onda periodica? Perché all'ascolto sembra "ruvida"?Risposta. Sì: entrambe le frequenze sono multiple di 5 Hz, quindi l'onda si ripete ogni 1/5 di secondo. Le due frequenze però sono troppo vicine perché l'orecchio le separi: si sente un suono di altezza intermedia la cui intensità oscilla 25 volte al secondo (245 − 220 = 25 Hz), cioè un battimento rapido, che percepiamo come ruvidità.Ha senso chiedersi se un rumore bianco è più acuto o più grave di una sinusoide a 220 Hz? Perché?Risposta. No. Il rumore bianco ha uno spettro uniforme: contiene componenti di tutte le frequenze udibili con la stessa intensità media e non ha alcuna periodicità, quindi l'orecchio non gli associa un'altezza definita da confrontare con quella della sinusoide.Nei rumori armonici della tabella la larghezza delle bande passa da 2 a 100 Hz. Che cosa cambia nello spettro e nel suono che si sente?Risposta. Con bande strette lo spettro è quasi fatto di righe (come quello di un accordo) e si sente un suono gradevole di altezza definita. Allargando le bande l'energia di ogni nota si distribuisce su un intervallo di frequenze sempre più ampio, l'onda diventa sempre meno regolare e il carattere di rumore prende il sopravvento.La nota di un vero strumento musicale è un'onda esattamente periodica?Risposta. No: una funzione periodica si ripete identica da sempre e per sempre, mentre una nota nasce, evolve e si spegne. È quasi periodica solo nella sua parte stabile. L'orecchio tollera queste piccole deviazioni dalla periodicità e le percepisce come un suono di altezza definita.
