Negli ultimi decenni la tecnologia è progredita oltre ogni previsione: la multimedialità, le comunicazioni, Internet, l’automazione e la robotica, l’intelligenza artificiale, sono tutti obiettivi che risultavano impensabili fino a pochi anni fa. Sono stati raggiunti molti altri traguardi importantissimi, ma, purtroppo non altrettanto conosciuti: uno di questi è l’elettronica applicata alla musica.
Ormai è normale sentire degli effetti speciali o più semplicemente degli strumenti sintetizzati nei brani musicali; non si pensa più che dietro a tutta la musica che sentiamo oggi si nasconde una enorme quantità di tecnologia. Si pensi solo a tutta la strumentazione presente in una sala di incisione: veri gioielli di tecnologia dentro a delle colonnette piene di potenziometri ed indicatori, sono continuamente all’opera col fine di migliorare sempre di più la qualità del suono prodotto. Oppure si pensi a come lavorano oggi gli arrangiatori: non hanno più tavoli ricoperti da decine di fogli con le partiture, ma hanno dei comodissimi programmi che permettono di trasformare il computer in un fedele aiutante.
Il mio intento è quello di far conoscere gli aspetti più interessanti di questo argomento attraverso una serie di articoli. In questa prima parte verrà presentata una introduzione generale: verrà spiegato cos’
è un suono e com’è percepito dall’orecchio umano. Queste sono nozioni fondamentali per potere comprendere i principi di funzionamento delle più moderne tecnologie.
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Consideriamo inizialmente come è possibile descrivere un suono in termini numerici. Un suono è prodotto da una sorgente oscillante. Le vibrazioni creano uno spostamento nelle molecole dell’aria che sono vicine alla sorgente sonora creando alternativamente rarefazioni e compressioni con la stessa legge di variazione delle vibrazioni. In questo modo si creano delle zone in cui la pressione dell’aria è inferiore alla media ed altre regioni in cui la pressione è superiore.
Le zone rarefatte e compresse si propagano nell’aria sotto forma di un onda acustica nella stessa maniera in cui le onde si spostano sulla superficie del mare. Quando un’ onda sonora raggiunge una superficie
(es. il timpano dell’orecchio o un microfono) questa comincia a vibrare con la stessa legge di variazione dell’onda. In questo modo l’energia acustica è trasferita da una sorgente ad un destinatario.
La caratteristica di variazione della pressione prodotta da un suono è chiamata la forma d’onda del suono.
La forma d’onda può essere rappresentata su un riferimento cartesiano in cui l’asse delle ascisse rappresenta il tempo e quello delle ordinate la pressione. Quando il grafico è al di sopra dell’asse delle ascisse si ha una compressione; quando il grafico scende al di sotto dell’asse delle ascisse si ha una rarefazione. Analizziamo ad esempio un segnale sinusoidale. Questo segnale è caratterizzato da una forma d’onda molto arrotondata, senza spigoli e quindi non presenta improvvisi cambiamenti di pressione nell’aria. Quando la forma d’onda
è in un punto vicino allo 0 ha una pendenza abbastanza ripida e questo indica che la pressione stà cambiando rapidamente. Nei punti vicino alle creste e alle valli dell’onda, la pressione varia molto più gradualmente. Una forma d’onda sinusoidale è molto difficile da generare con mezzi meccanici mentre è facilmente ottenibile con strumenti elettronici.
La forma d’onda segue un moto oscillatorio; viene definito ciclo la parte dell’onda che effettua un’oscillazione completa. Si definisce periodo (T) la durata in secondi di un ciclo. Nel caso particolare di un segnale sinusoidale, la posizione all’interno di un periodo del segnale può essere identificato con un angolo; un periodo intero corrisponde a 360 gradi; nel caso della sinusoide il primo picco si presenta a 90 gradi, il primo punto a 0 a 180 gradi e la prima valle a
270 gradi.
L’orecchio umano riesce a percepire onde acustiche con periodo che varia fra i 50 msec e i 50 usec. E’ definita frequenza la quantità di cicli che si ripetono in un secondo ed è misurata in Hz (cicli al secondo). Possiamo ad esempio dire che l’orecchio umano riesce a percepire i suoni compresi fra i 20Hz e i 20KHz anche se questi valori variano a seconda dell’ascoltatore o delle condizioni di ascolto. Una variazione nella frequenza di un suono si traduce in una variazione del tono della nota. Una frequenza elevata corrisponde alla sensazione di un suono acuto e viceversa.
L’ampiezza dell’onda indica la quantità di energia acustica che un suono possiede e viene espressa con l’unità di misura della pressione, cioè N/m2. La soglia di udibilità ha un’ampiezza di 0.00002N/m2.
L’ampiezza dell’onda di traduce nella sensazione di intensità del suono. L’intensità è percepita in maniera logaritmica nel senso che la differenza fra due valori dipende dal loro rapporto. Ad esempio la differenza fra 10 e 20 è la stessa di quella fra 40 e 80 perchè il loro rapporto è 1:2. Per confrontare due livelli di intensità vengono usati i dB (Decibel) che sono proporzionali al logaritmo del rapporto fra le due intensità secondo la legge 10*log(I1/I2). Dal momento che l’intensità rappresenta una potenza, sarà il quadrato dell’ampiezza; per cui l’ampiezza in dB viene espressa dalla relazione 20*log(A1/A2).
Il raddoppio dell’ampiezza di un segnale corrisponde all’incremento di
6dB. Dal momento che i dB indicano la differenza di intensità fra due segnali, sarà necessario prendere un livello di riferimento. Nel campo acustico il riferimento è la soglia di udibilità che vale naturalmente
0dB. A titolo indicativo, una conversazione normale ha un’intensità di circa 60dB mentre la soglia di dolore è di 120dB.
Abbiamo detto che la frequenza di un segnale acustico influenza il tono e l’ampiezza modifica l’intensità. L’ultima caratteristica è la forma dell’onda e da questa dipende la percezione del timbro del suono. Molto spesso non viene studiata la direttamente forma d’onda di un suono, ma si preferisce osservare il suo spettro ottenuto mediante l’analisi di Fourier. Una forma d’onda sinusoidale, ad esempio, da una sensazione di un suono cupo; notiamo che il suo spettro è formato da una sola armonica, la fondamentale. Una forma d’onda squadrata invece ha un suono molto più brillante; si può dimostrare che il suo spettro si estende all’infinito. In generale, più lo spettro di un’onda acustica è esteso e vario, più il suono che produce risulta brillante.
Il concetto di timbro verrà analizzato molto più in dettaglio in una delle prossime puntate.
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