Caratteristiche di un programma musicale

Per analizzare con maggior facilità le caratteristiche del suono emesso da uno strumento musicale, è utile provvedere alla sua trasformazione in segnale elettrico.

Il segnale elettrico che si origina dalla conversione di una emissione sonora, ottenuta disponendo nella posizione prescelta un microfono di caratteristiche opportune, viene comunemente denominato segnale audio.

Analizzato nel dominio della frequenza (ad esempio impiegando un analizzatore di spettro) un segnale audio presenta una propria distribuzione spettrale, più semplicemente detta spettro, continuamente variabile nel tempo, mentre se analizzato nel dominio del tempo (ad esempio impiegando un oscilloscopio) esso presenta una apparentemente indecifrabile successione di frastagliature di livello più o meno ampio, cui si attribuisce il nome di andamento temporale.

Si consideri un esempio “elementare” di segnale audio, quello rappresentante l’esecuzione di una nota mediante uno strumento musicale; esso è caratterizzato da tre fasi distinte, cui possono essere attribuite, in ordine cronologico, le seguenti denominazioni:

a)   un transitorio di attacco, proprio dei primi istanti dall’inizio dell’esecuzione, ovvero dalla prima apparizione di un segnale elettrico; 

b)  una fase di quasi-stazionarietà, il segnale musicale tende a evidenziare stabilmente alcuni suoi tratti distintivi;

c)  un transitorio di decadimento, il segnale si smorza sino ad azzerarsi.

La durata di ciascuna di queste fasi non è mai precisamente quantificabile, ma lo è solo con un certo grado di approssimazione ed inoltre è estremamente variabile da strumento a strumento.

Per la completa comprensione delle caratteristiche e delle peculiarità del suono di uno strumento musicale si è soliti procedere ad un esame specifico per ognuna delle tre fasi, anche se indubbiamente attacco e fase di quasi-stazionarietà rivestono una importanza più spiccata di quella attribuibile al transitorio di decadimento.

Supponendo di “fotografare” un segnale musicale in un certo istante nella sua fase di quasi-stazionarietà ed analizzandolo nel dominio della frequenza, si può constatare la presenza di più componenti di vario livello e diversa frequenza.

In genere, la componente di frequenza inferiore viene denominata fondamentale o armonica principale o ancora prima armonica (nel lessico dei musicisti si parla invece di suono armonico principale), le altre componenti, che hanno la particolarità di presentare frequenze ottenibili moltiplicando un numero intero per la frequenza della fondamentale, sono dette armoniche (suoni armonici o ipertoni nel lessico dei musicisti) e vengono classificate a seconda del loro “ordine di apparizione”.

DISTRIBUZIONE SPETTRALE DELLE VARIE COMPONENTI SONORE PER UNA NOTA DI SOL  SUONATA CON UN FLAUTO TRAVERSO

Così, la seconda armonica presenta una frequenza pari a due volte quella della fondamentale, la terza armonica presenta una frequenza pari a tre volte quella della fondamentale, e così via.

In realtà, non sempre tutto ciò trova un puntuale riscontro. Esistono casi di strumenti musicali, come ad esempio il pianoforte, in cui la relazione tra fondamentali ed armoniche è meno precisa; in certi strumenti a percussione, poi,  il suono è composto anche di componenti di frequenza inferiore alla fondamentale, componenti cui viene assegnato il nome di subarmoniche.

Tutto questo induce a concludere che il contenuto spettrale di un segnale musicale “elementare” nel senso già precisato può essere visto come costituito di una fondamentale e di più componenti di frequenza non necessariamente correlata con quella della fondamentale. A queste ultime l’Acustica riserva la denominazione generica di parziali.

In definitiva, il suono di ogni strumento musicale è caratterizzato da una gamma di componenti sonore la cui frequenza può essere racchiusa con soddisfacente approssimazione entro un certo intervallo.

Altre importanti caratteristiche del suono di uno strumento musicale sono:

-         la dinamica, intesa come il rapporto, espresso in decibel, tra il massimo ed il minimo valore di pressione sonora rilevabile a distanza opportuna. Al di là di quello che si può essere portati a credere, la dinamica di uno strumento musicale non è mai molto elevata. Ciò che invece è molto elevata in certi strumenti (soprattutto a percussione) è la massima pressione sonora prodotta.

-         l’attacco, in quanto estremamente variabile da strumento a strumento e come tale di per sé essenziale nel processo di riconoscimento dello strumento musicale; attacchi molto rapidi sono di norma accompagnati da intense parziali di ordine e frequenze elevate, i cui livelli possono superare di svariate volte quelli tipici delle medesime componenti osservati nella successiva fase di quasi-stazionarietà.

lo smorzamento, anch’esso non di rado essenziale nel processo di riconoscimento dello strumento musicale

Generalmente, peraltro, un programma musicale vede la partecipazione di più strumenti musicali allo stesso tempo, dunque molte delle grandezze precedentemente introdotte subiscono importanti modificazioni o perdono addirittura di significato pratico.

La dinamica, per esempio, può ampliarsi in modo particolare, in quanto si incrementa il divario tra minimo e massimo livello. Per fare un esempio, la dinamica di un tamburo è di poche decine di decibel ma se a suonare con esso è un triangolo, la dinamica dell’insieme può raggiungere facilmente i 120 dB.

Molto importante diviene la gamma di frequenze, una sorta di finestra in cui sono contenute tutte le componenti, fondamentali ed armoniche, degli strumenti musicali dell’insieme considerato.

Distribuzione spettrale media di programmi musicali

Il contenuto in frequenza, o distribuzione spettrale, di un programma musicale dipende dal genere di musica e dal tipo di strumenti musicali impiegati.

Poiché il livello delle varie componenti sonore varia nel tempo, la distribuzione spettrale si modifica istante per istante. E’ comunque possibile stabilire un andamento medio del livello sonoro in funzione della frequenza, spesso utile per comprendere i requisiti di un eventuale impianto di amplificazione. 

Relazione tra fattori del suono e grandezze fisiche

Le peculiarità del suono di uno strumento musicale possono essere descritte sia in termini di aspetti legati alla sua percezione, sia in termini di osservazioni nei domini del tempo e della frequenza.

Ci si può chiedere a questo punto se esista la possibilità di collegare in via diretta ed inequivocabile le sensazioni uditive con precise osservazioni fisiche. La risposta, in senso assoluto, è negativa: in ogni caso si dovrà accettare una certa dose di approssimazione.

La sensazione di altezza di un suono è tipicamente legata alla frequenza della fondamentale. Più acuto è il suono percepito, più elevata è la frequenza della sua fondamentale

Ciò è tanto più vero se la frequenza della fondamentale è compresa nell’intervallo di frequenze per le quali la sensibilità dell’orecchio umana è massima.

Esistono però strumenti musicali dal suono ingannevole.

Il flauto dolce basso, per esempio, dà l’impressione di suonare un’ottava più in basso di quanto la frequenza della sua fondamentale non indichi; in tal caso l’errore di valutazione dell’orecchio ammonta ad una non trascurabile percentuale: il 100%.

La sensazione di volume di un suono, percepito in un ambiente ed in una posizione prestabilita, è in genere legata al valore efficace del livello della pressione sonora rilevato nel medesimo punto.

Il grado di approssimazione aumenta all’aumentare della complessità del suono percepito: suoni costituiti di una fondamentale e di un gran numero di armoniche sono quelli più difficilmente misurabili in termini di volume sonoro.

Ancora una volta, una stima risulta meno ardua se le frequenze delle armoniche (compresa la prima, cioè la fondamentale) sono comprese nell’intervallo di frequenze per le quali la sensibilità dell’orecchio umana è massima.

La durata di un suono è data dall’intervallo di tempo che separa l’istante di inizio dell’esecuzione e l’istante in cui tutte le sue componenti presentano un livello sonoro inferiore alla rispettiva soglia di percezione.

Questo ovviamente implica precise definizioni inerenti ambiente e posizione di ascolto, ed inoltre rimane il fatto che persone diverse possono attribuire ad un medesimo suono durate anche di gran lunga differenti, anche a parità di caratteristiche del campo sonoro in cui esse si trovano immerse.

Il timbro di un suono è principalmente legato alla distribuzione dei livelli delle sue parziali, armoniche o meno.

Ciò non sempre è vero. In taluni casi, il principale contributo alla timbrica è insospettabilmente dato dalle peculiarità dell’attacco. Una conferma di questo si ha registrando una nota di piano e riproducendola al contrario: il suono, pur mantenendo la medesima distribuzione dei livelli, ricorda più quello di un armonium che non quello di un pianoforte.

E’ inoltre da rammentare che, per quanto sia dimostrabile che girando attorno ad uno strumento musicale (e a chi lo suona) la distribuzione dei livelli delle sue componenti subisce variazioni anche consistenti, il suo riconoscimento ad occhi chiusi non risulta mai compromesso.