Il suono semplice

Ciao e benvenuto su gregorioferraris.com. Oggi voglio introdurti il suono semplice, questo fantastico fenomeno che tutti noi conosciamo ma troppo spesso non sappiamo come funziona.

E’ dal tempo della Grecia classica che viene studiato il fenomeno sonoro e come appliccarlo, anche con ottimi risultati rispetto alle conoscenze del tempo. Grazie alle loro conoscenze i greci riuscirono a creare anfiteatri con un raffinato sistema di amplificazione acustico e simulazione del riverbero. Tutta via solo in tempi più recenti siamo riusciti a comprendere davvero il funzionamento fisico del suono.

Il suono viene studiato in due discipline diverse. L’acustica è la disciplina che studia il fenomeno fisco in se. La psicoacustica invece studia interazioni suono/cervello indagando quali stimoli sonori corrispondono a nostre percezioni. Sono due branche di ricerca senza dubbio molto interessanti, ma per i fini di questo articolo analizzeremo solo le basi del suono come fenomeno fisico.

Il fenomeno è molto complesso, e non basterà sicuramente un solo articolo per trattarlo in maniera esaustiva. Tuttavia credo che sia indispensabile la conoscenza delle basi del suono per tutte le persone appassionate di musica, così da poter

Cos’è il suono? La definizione

Per parlare di suono diamo subito la definizione di suono come fenomeno fisico.

suono La sensazione uditiva e le vibrazioni di un mezzo (per lo più l’aria, ma anche mezzi elastici qualunque) che possono produrre tale sensazione. Per estensione, tutte le vibrazioni propagantisi in un mezzo, anche se non udibili per frequenza o intensità. Le vibrazioni possono essere eccitate nel mezzo o a esso trasmesse dalle vibrazioni di un corpo (sorgente sonora) e a loro volta eccitano l’orecchio (generalmente per azione diretta sul timpano).

Treccani

A cosa serve conoscere il suono?

Il suono è una materia prima per noi fonici ma anche per produttori e musicisti. Il nostro lavoro si basa esclusivamente su di esso. Quando si parla di Sound Engineering e produzione musicale ogni cosa è relazionata al suono. La conoscenza delle basi del fenomeno sonoro è applicabile a molti campi, quali la fisica e la progettazione ingegneristica di sofware e hardware. Tuttavia qui analizzerò l’utilità del sapere in ambito musicale e audio in genere.

Come un panettiere non potrà mai fare un buon pane senza conoscere le farine e il lievito, un fonico (o un produttore) non potrà mai fare un buon mix senza conoscere il suono.

Mixare meglio materiale audio

Banalmente ogni musica e ogni sincronizzazione audio e video è un interazione di più suoni tra di loro. Senza conoscere le basi di quello che si usa si rischia di incorrere in problemi ed errori. L’interazione di diversi suoni tra di loro è un fenomeno fisico e psicoacustico molto complesso. Senza un adeguata preparazione i risultati ottimali non saranno mai raggiungibili.

Capire l’acustica degli ambienti

L’acustica dei luoghi è fondamentale per la riuscita di un progetto che si basa su del materiale audio. Sapere come il suono interagisce con l’ambiente e fondamentale. Una cattiva comprensione del comportamento del suono può vanificare un progetto ben studiato e su cui magari si è investito anche del denaro.

Saper regolare la propria strumentazione

Tutte le apparecchiature che sono usate per fare musica si basano sul suono. Anche questo è molto banale, ma più complesso di quanto sembra. Gli strumenti musicali, I programmi e le attrezzature audio in genere sono basati proprio sulla rappresentazione sonora in diverse tecnologie.

Senza conoscere come è fatto il suono non si possono padroneggiare davvero quello che succede nel nostro lavoro. Anche per i musicisti quando devono tarare i loro strumenti è importante. Poter conoscere i veri effetti delle operazioni sul propio suono suono è fondamentale per poter fare ragionamenti con conclusioni positive. Il settare strumenti secondo schemi predefiniti è può dare sonorità accettabili, ma non porteranno una personalizzazione del proprio sound.

Comporre meglio un brano

Conoscere come funziona il suono può aiutare anche a prendere scelte compositive azzeccate. Ogni volta che uno strumento produce suono si relaziona con tutta la composizione, quindi conoscere il comportamento del suono in relazione agli altri suoni del brano diventa imporrante. Poter giocare con la separazione o la fusione dei suoni della composizione è utile per raggiungere lo scopo desiderato dal brano. Conoscendo il suono un arrangiatore o un producer può scegliere quali timbriche fare eseguire certe partiture per fare emergere un suono o nasconderlo fondendosi con gli altri.

Il suono come fenomeno oscillatorio

Il suono per esistere necessita di tre cose:

  • una sorgente vibrante che origina la vibrazione
  • un mezzo in cui propagarsi
  • un orecchio che lo decodifica in uno stimolo biochimico che viene inviato al cervello

Ogni suono nasce da una vibrazione; un corpo in movimento trasmette la vibrazione all’aria intorno a se. Le particelle d’aria adiacenti alla sorgente vibreranno in maniera “empatica” con essa, trasmettendo a loro volta la loro vibrazione a le particelle d’aria a loro adiacenti. In altre parole significa che le vibrazioni della sorgente saranno trasmesse all’aria circostante, i cui atomi e molecole inizieranno a oscillare intorno alla posizione di stabilità; oscillando solleciteranno le particelle d’aria a loro vicine che inizieranno a oscillare a loro volta. Questo processo genera delle fasi di compressione e rarefazione della pressione atmosferica, in grado di compiere grandi distanze nel mezzo di propagazione.

simulazione di spostamento di particelle d’aria

La gif qua sopra mostra bene cosa succede quando le particelle d’aria sono sottoposte a stimolo oscillatorio. Se concentri la tua attenzione su un singolo puntino potrai vedere che ondeggia avanti indietro intorno a un centro di equilibrio.

Possiamo paragonare le molecole d’aria a un elastico teso. Quando mettiamo in vibrazione un elastico esso si muoverà avanti e in dietro in uno spazio specifico, per poi fermarsi quando l’energia che ha accumulato l’elastico viene dissipata completamente.

Il suono: la danza delle particelle

Il nome di questo capitolo è ispirato dall’ononimo capitolo de “Il manuale di acustica” di F. A. Everest, credo che esprima bene il concetto. Questa danza delle particelle può avvenire in 3 modi. I 3 modi indicano le modalità di propagazione sonora rispetto alla sorgente.

Il primo modo in cui le particelle “danzano” sono le orbite circolari. In questo tipo di propagazione le particelle si muovono in tutte le direzioni rispetto la direzione del suono. L’effetto ricorda quello di un sasso che cade in acqua e crea cerchi concentrici che si dipartono dal punto in cui la pietra entra in contatto con l’acqua.

La seconda “danza” è trasversale rispetto alla direzione di propagazione del suono. In questa propagazione le particelle si muovono in direzione trasversale (90°) rispetto alla direzione del suono.

Il terzo e ultimo “ballo” prevede invece un movimento delle molecole d’aria longitudinale rispetto alla direzione del suono. In questa modalità le molecole si muovono il parallelo alla direzione di trasmissione il suono. E’ il modo in cui le molecole si muovono nei gas, come l’aria.

Il suono semplice: la sinusoide

La sinusoide è il suono più semplice che esiste, anche se a dire il vero in natura un suono sinusoidale non esiste. Infatti un suono del genere è producibile solo in laboratorio tramite apparecchiature elettroniche.

Il suo nome deriva dalla rappresentazione grafica che si usa per rappresentare questo tipo di suono.

Per descrivere il movimento delle particelle d’aria si può disegnare un grafico circolare. Rappresentiamo l’evoluzione in un piano cartesiano con il punto di massima compressione sulle ordinate positive, e quello di massima decompressione sulle ordinate negative. Le quattro aree che il piano crea sono rispettivamente le fasi che compie la molecola d’aria durante il fenomeno sonoro. Dalla posizione di stabilità alla massima compressione, dalla massima compressione alla stabilità, dalla stabilità alla massima decompressione e per finire dalla massima decompressione alla posizione di partenza. La forma che ne viene fuori e un cerchio in quanto l’oscillazione tende sempre a riportare le molecole d’aria alla stabilità.

Onda sinusoidale

Il suono un fenomeno che si evolve nel tempo. Ma un piano cartesiano classico non riesce a descrivere l’evoluzione temporale di un suono. Per questo si è adottato un grafico che presenta sulle ordinate la pressione a cui sono sottoposte le molecole d’aria e sulle ordinate il tempo.

onda sinusoidale nel tempo

Con questa rappresentazione riusciamo a descrivere tutti i parametri del suono in maniera accurata. Infatti per noi che lavoriamo a stretto contatto con materiale audio descrivere il suono è fondamentale. Per descrivere il suono si usano 3 parametri: l’ampiezza, la frequenza e la fase.

L’ampiezza

Ampiezza del suono
Ampiezza del sono.

L’ampiezza è un fenomeno che noi tutti conosciamo ampiamente. Le particelle d’aria vengono mosse da una certa energia impartita dalla sorgente. L’energia che le particelle d’aria ricevono è proporzionale allo scostamento dalla loro posizione di equilibrio. Più la molecola si disposterà dalla posizione originale più il suono sarà intenso.

L’ampiezza è quel parametro che descrive la sensazione di volume che noi percepiamo.

Le unità di misura dell’ampiezza

Lo spostamento di una molecola d’aria provocata da normale suono è piccolissima, nell’ordine di un micron (un millesimo di millimetro). In base a come stiamo analizzando il suono possiamo misurare l’ampiezza del suono con varie unità di misura. Tutta via le più usate sono sostanzialmente 2.

Parlando di energia si utilizza il Newton (N) come unità di misura. Il Newton corrisponde all’energia necessaria per imprimere a un Kg di massa un accellerazione di un metro al secondo quadrato.

Il Pascal (Pa) è un sistema di misura internazionale utilizzato per esprimere la pressione. Un pascal equivale alla pressione esercitata da 1 Newton/metro quadro.

Il sistema di misurazione più usato è quindi il pascal, che permette di valutare l’effetto dell’energia del suono su una superficie equivalente al metro quadro.

Le soglie della percezione

Anche se lo spostamento delle particelle d’aria è di dimensioni fisiche di un micron, il nostro orecchio riesce a discernere una grossa gamma di sensazioni di volume piccolo spazio. Noi consideriamo la pressione atmosferica come il silenzio, la pressione atmosferica esercita una pressione sulle superfici di circa 100.000 N /m2.

La soglia di udibilità e di circa 0.000025 -n/m2, questo vuol dire che la percezione del umore inizia anche con una minima oscillazione di pressione (0,000000025%).

Il nostro orecchio a un limite anche superiore entro quale l’esposizione a tale potenza provoca danni all’udito irreparabili. Come soglia del dolore in media si riesce a sopportare pressioni fino a 30 N / m2 , che sono ancora una percentuale minima rispetto alla pressione atmosferica (0,03% circa).

(Riferendoci all’energia del suono credo sia più corretto parlare di variazione di pressione rispetto alla preessione atmosferica media. Un suono alla soglia di udibilità varia di +/-0.000025 N/m2 mentre un suono che genera dolore varia di +/- 30 N/m2 la pressione atmosferica standard. Tutta via non avendo trovato fonti che approfondiscono l’argomento preferisco riportare quello che c’è scritto sul libro. Ndr)

La scala di valori di pressione udibili dal nostro orecchio, dal suono più debole a quello pi forte da noi udibile, comporta un valore elevatissimo. Il rapporto tra suono più debole udibile e quello in grado di provocarci danni all’udito è di circa 1.000.0000:1. (Audio e multimedia, V. Lombardo e A. Valle , III edizione, pag 8) Questo vuol dire che il suono più flebile che siamo in grado di sentire trasporta una potenza potenza più piccola di un milione di volte minori rispetto al suono che ci crea dolore.

I decibel

Per poter ottenere una scala di valori ridotta è stata utilizzata la misura dei decibel. I decibel riescono a ridurre tutte le potenze in gioco in usa serie minima di valori grazie alla loro natura logaritmica.

Oltre che a comprimere la scala dei valori possibili, i dB sono molto utili per rappresentare come il nostro orecchio percepisce il volume. Esistendo diverse tipologie di decibel preciso che qui accenno solo i dBspl, ovvero quelli inerenti alla pressione sonora (Sound Pression Level)

Il decibel equivale alla decima parte di un Bel. La scala dei decibel è una scala logaritmica. A differenza delle scale esponenziali dove la successione di valori interni alla scala è costante, la scala logaritmica è costituita “gradini” di valore sempre più distanziati tra loro.

curva logaritmica
curva logaritmica

Il decibel poi esprime una relazione tra valori e non un valore assoluto. A differenza di quello che si crede normalmente il dB è un valore adimesionale, quindi non ci dice nulla sulla potenza del suono, ma la sua relazione con un valore di riferimento. Come valore di riferimento è stato scelto la pressione atmosferica standard.

La formula per calcolare i dBspl è la seguente:

dBspl=20 Log (p/p1)

dove:

  • p è la pressione da convertire in decibel
  • P1 è la pressioen di riferimento

Esistono poi vari tipi di decibel usati per scopi diversi. Sia segnali acustici, che digitali che elettronici usano i dB per esprimere il valore. I decibel sono un argomento complesso da affrontare in questo articolo, e meritano più attenzione. Se ti interessa approfondire questo argomento ne ho parlato più approfonditamente qui.

Ampiezza di picco

Esistono due tipi di misurazioni di ampiezza, una è relativa alla sua ampiezza reale. Questo tipo di ampiezza viene definita di picco perchè misura l’energia trasportata nel momento di massima compressione della pressione atmosferica. Il valore di picco è usato per i calcoli fisici in quanto descrive l’ampiezza effettiva del suono.

Ampiezza RMS

Però il valore di picco non descrive accuratamente la nostra sensazione, per questo si è dovuto sviluppare un metodo per comprendere meglio la nostra sensazione sonora.

Tutta via il nostro orecchio non percepisce il singolo picco di compressione, ma ben si una media del valore di tutti i picchi. Per rappresentare più fedelmente è stato introdotta la misurazione RMS (Root Mean Square) che tengono conto dei paramenti percettivi.

Per ottenere il valore RMS di un segnale come quelli che stiamo esaminando è necessario fare radice quadrata della media dei quadrati di tutti i valori del suono. Non è molto importante saper sviluppare il calcolo ma più tosto capire cosa esso comporta. Il rapporto per un onda sinusoidale è un valore fisso, che corrisponde a un rapporto 0.707:1 rispetto al valore di picco. Noi quindi non percepiamo il valore del picco ma la sua media. Supponendo di avere un suono di picco di 10 dB noi percepiremo 7,07 dB RMS.

La frequenza

Frequenza del suono
frequenza del suono

La frequenza descrive invece la lunghezza fisica della perturbazione sonora. Ovvero quanto spazio serve alla vibrazione per compiere il suo ciclo e tornare in posizione di stabilità. Viene solitamente calcolato a partire dal punto di massima compressione a quello successivo. Matematicamente si segna la lunghezza d’onda con la lettera greca lamda.

lambda

La lunghezza d’onda descrive il valore tonale del suono. Sarà la lunghezza d’onda a darci le informazioni sul tono e sulla nota del suono. La lunghezza d’onda è direttamente proporzionale alla percezione uditiva che ne ricaviamo. In altre parole a lunghezze d’onda maggiori corrisponde un suono più grave, viceversa a frequenze d’onda più corte la sensazione uditiva sarà più acuta.

Il suono propagandosi a velocità costante, dipendente dal mezzo, possiamo calcolare anche quante volte esse compie il suo ciclo in un determinato arco di tempo. Per questo parliamo di Hertz ovvero cicli al secondo; gli Hertz vengono segnati con la sigla Hz. Diversamente per la sensazione uditiva il rapporto tra lunghezza d’onda e frequenza inversamente proporzionale; maggiore sarà la lunghezza d’onda minore sarà il suo valore in Hz. Così 20 Hz avranno una lunghezza d’onda maggiore dei 100 Hz, che saranno a loro volta caratterizzati da una lunghezza d’onda maggiore dei 1.000 Hz.

La formula per calcolare la frequenza in Hz partendo dalla lunghezza d’onda è molto semplice:

frequenza (Hz) = velocità del suono (m/s) / lunghezza d’onda

Non bisogna fare confusione tra lunghezza d’onda è velocità di propagazione. Un onda di 20 Hz non va più lenta rispetto a un onda di 2.000 Hz, semplicemente è più lunga. Essendo più lunga ci metterà più tempo a svilupparsi, ma la sua velocità di propagazione sarà sempre analoga a quella da 2.000 Hz.

La banda passante dell’orecchio

Anche se l’argomento interazione tra suono e orecchio non è nella trattazione di questo articolo trovo utile dare qualche informazione al riguardo.

Il nostro orecchio percepisce mediamente frequenze tra i 20 Hz e i 20kHz. La risposta dell’orecchio e del tutto soggettiva quindi i dati variano leggermente da individuo a individuo. Crescendo la risposta dell’orecchio alle alte frequenze diminuisce, anche in base a quanto spesso siamo esposti a rumori troppo forti. Non abbiamo la stessa percezione di tute le frequenze, il nostro orecchio è più sensibile alle medio-alte frequenze, che sono frequenze che ci rendono più nitido l’ascolto di un suono. Infatti il range di frequenze intorno hai 2/3 kHz è definito “presenza”.

I suoni a bassissima frequenza (sotto hai 20 kHz) sono percepiti poi a livello corporeo. Questi suoni a bassissima frequenza pare che creino degli stimoli fisici e psicologici variegati. Meno conosciuto invece è l’effetto di suoni ad altissima frequenza, secondo alcuni studi pare che siamo fisicamente in grado di percepire alte frequenze anche sopra i 20 kHz. Secondo alcuni studi (National Institute of Multimedia Education, Chiba-Shi 260, Giappone) pare anche che in questo caso esista una correlazione tra presenza delle alte frequenze e sensazioni psicofisiche legate all’ascolto, ma il dibattito scientifico è ancora in corso.

swap di frequenze udibili

La fase

Questo parametro è forse il più difficile da spiegare. Per l’ampiezza e la frequenza il loro effetto sulla nostra percezione sono chiaramente percepibili, quindi è più intuitivo capire l’effetto dei due parametri. La fase è un parametro temporale che indica in che punto della sinusoide stiamo la misurando. La fase invece non ha effetti di per se udibili sul singolo suono. Per poter udire gli effetti della fase è necessario mettere in contrasto due sinusoidi simili in ampiezza e frequenza ma con un diverso momento di origine. La differenza di fase viene misurata in gradi (°).

Ci sono due tipi di interazione principale tra le fasi dei segnali.

Costruttiva: quando l’interazione di fase di due o più segnali è costruttiva questo vuol dire che la differenza di fase e minima. il risultato è l’aumentare dell’ampiezza del suono. In caso di correlazione di fase perfetta tra due sinusoidi uguali l’incremento del suono sarà di 3 dB.

Distruttiva: un interazione di fase distruttiva avviene quando la differenza di fase dei due segnali è molta. Con interazione di fase distruttiva si intende una correlazione tra le fasi dei due segnali che porta una decrescita nell’ampiezza del suono. Con un inversione di fase di 180° il risultato della somma di due frequenze con ampiezza è frequenza identica è il silenzio assoluto.

Ovviamente la realtà è più complessa di questi due casi limite. Infatti i risultati di un interazione di fase coprono l’intero spettro di varianti dalla perfetta correlazione all’inversione di fase di 180°. L’interazione di fase è poi strettamente dipendente dalla frequenza e dall’ampiezza dei due segnali.

La velocità del suono

Aereo che supera la velocità del suono
Aereo che supera la velocità del suono

Come abbiamo visto per diffondersi un suono necessità di un mezzo. Nello spazio, per esempio, non esiste alcun tipo di fenomeno sonoro. Questo perché le molecole nello spazio sono così rarefatte che non possono interagire tra di loro. La prossima volta che vedrai una rumorosissima esplosione nello spazio, in un film di fantascienza, potrai sorridere per l’inesattezza scientifica.

Tabella con la velocità di propagazione del suono in diversi materiali
diversa propagazione del suono in diversi materiali

La velocità di propagazione di un onda sonora è strettamente collegato alle condizioni e il mezzo di propagazione. Infatti la velocità del suono varia al variare della temperatura, della densità e le caratteristiche elastiche del mezzo.

Quindi per calcolare la velocità del suono è necessario usare dei valori di riferimento standard. Si è quindi deciso di calcolare la velocità con delle condizioni medie, una temperatura di 0°e una pressione atmosferica costante. A queste condizione la velocità di propagazione del suono è di 331 metri al secondo. La temperatura dell’aria varia la velocità del suono di 0.6 m/s ogni grado di variazione dello standard. La temperatura influenza in maniera direttamente proporzionale la velocità del suono. All’aumentare della temperatura la velocità del suono aumenterà, viceversa al diminuire della temperatura il suono sarà trasmesso più lentamente.

Anche se non è una temperatura impossibile la velocità del suono di riferimento viene solitamente calcolata alla temperatura di 20° a pressione atmosferica standard. Questa temperatura rappresenta una buona media delle temperatura presenti sulla terra e quindi offre la possibilità di fare calcoli più realistici. A questa temperatura il suono viaggia a 344 m/s.

Tabella della velocità del suono in aria a diverse temperature.
tabella tratta da Wikipedia

Anche la pressione atmosferica influisce sulla velocità di trasmissione del suono, tuttavia le pressioni atmosferiche che si incontrano normalmente sulla terra non influenzano la velocità in maniera importante.

Il suono complesso

Voglio concludere questo viaggio nel mondo del suono introducendoti il prossimo argomento: il suono complesso.

Finora ho infatti sempre analizzato una sinusoide pura, il così detto suono semplice. Come ho accennato più volte durante l’articolo, questo suono non esiste in natura.

Tutti i suoni, i rumori e le voci che noi possiamo sentire sono composti da tutte (o quasi) le frequenze dello spettro audio. Le varie sinusoidi che compongono un suono reale sono caratterizzati tutti da un’ampiezza, una fase e una frequenza diversa. Tutte le frequenze si fonderanno un singola onda da un andamento meno prevedibile della sinusoide.

somma di 3 sinusoidi semplici in un suono complesso.
Somma di 3 sinusoidi

Questo fenomeno è già noto da tempo ed analizzato da Fourier. Il matematico elaborò un calcolo in grado di scomporre un segnale oscillatorio complesso in tutte le sue componenti più semplici, la trasformata di Fourier appunto.

Conclusioni

Con questo articolo ho voluto affrontare questo affascinante argomento. Anche se noi lo diamo per scontato l’analisi e lo studio del suono ha occupato le menti di alcuni dei più brillanti studiosi della storia.

Come ho più volte ribadito nell’articolo la conoscenza delle basi fisiche del suono è una delle condizioni necessarie per aggiungere valore al proprio lavoro. E’ un argomento complesso che sicuramente necessiterà di approfondimenti maggiori in futuri articoli.

Spero che la prossima volta che ti approccerai a un brano o un mix audio le informazioni che ti sto offrendo potranno fare la differenza.

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Stay tuned

Il suono le fonti.

Manuale di acustica – F. A. Everest

Audio e multimedia -V. Lombardo & A. Valle

Imparare la tecnica del suono – M. Sacco

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