Timbro

19 giugno 2016, 11 luglio 2017

In questa voce anche :  intensità sonora

vedere Inviluppo
vedere Sinusoide
vedere Suono

 

 

Il suono (effetto) si forma all’interno del cervello tuttavia chiamiamo (impropriamente) “suono” le variazioni di pressione dell’aria che ne sono la causa (pressione sonora). Il suono più semplice, o tono puro, è quello prodotto dal diapason: Il tono puro è caratterizzato da:

 

Quantità soggettiva

Descrizione

Quantità oggettiva (misura)

Intensità

 

Debole per un suono appena udibile, fortissima per un suono che provoca dolore. Vedere loudness

Livello di pressione SPL

In dB

Altezza

 

Correlata alla frequenza, le note musicali si distinguono per l’altezza o intonazione (in inglese pitch): note basse o gravi, note alte o acute. Nella tastiera del pianoforte le note bassi sono a sinistra quelle acute a destra. La frequenza si misura in Hertz (Hz) mentre la “frequenza soggettiva” di misura in Mel. La scala degli Hertz e dei Mel non coincidono. Il concetto di altezza si applica a suoni semplici ma anche a certi suoni composti (per esempio un accordo viene riconosciuto sia che venga suonato come primo o secondo rivolto)

Frequenza in Hertz

Durata

 

Il tempo per cui persiste il suono. Si misura in secondi. Più un suono è breve più è difficile riconoscerlo. Al di sotto di una certa durata la sensazione uditiva dipende dall’energia sonora trasportata dall’impulso. Qualsiasi segnale di durata inferiore a circa 15-20 millisecondi appare all’orecchio come un click indistinto. Per discriminare altezza e timbro un suono deve durare almeno 15-20 millisecondi (che è la durata più breve per una nota emessa da una tromba e anche la durata di una consonante).

Tempo in secondi

 

Queste tre quantità (intensità, altezza, durata) sono monodimensionali e possono essere riportate su una scala che va dai valori più bassi a quelli più alti. Per una grandezza monodimensionale ha senso parlare di “maggiore” o “minore”. Per esempio la frequenza di 1000 Hz è maggiore della frequenza di 100 Hz. Il Livello SPL (o l’intensità) prodotto dal martello pneumatico è maggiore del livello di una normale conversazione, ecc..

La nota prodotta dal diapason contiene una unica frequenza (per questo si chiama tono puro). Se osserviamo un tono puro con l’oscilloscopio vediamo una curva perfettamente sinusoidale. La nota emessa da uno strumento musicale contiene una successione armonica di toni puri e si chiama suono composto. La presenza delle armoniche conferisce, al suono composto, una ulteriore qualità detta timbro:

 

 

Quantità soggettiva

Descrizione

Quantità oggettiva (misura)

 Timbro

 

 

è quella caratteristiche di un suono che consente di distinguere suoni di uguale altezza e intensità: per esempio un pianoforte da una tromba o la voce di un individuo da un altro. Il timbro dipende dall’andamento del segnale nel tempo (vedere inviluppo) e si misura con l’analizzatore di spettro.  

 Spettro

Il timbro è caratterizzato dallo spettro e lo spettro si misura con l’analizzatore di spettro.  

 

Un tono puro (il suono prodotto dal diapason) nella sua fase stazionaria non ha timbro: i suoni puri prodotti da diapason uguali sono indistinguibili (nella fase stazionaria). Il timbro è una grandezza multidimensionale e non può essere riportato in una scala di valori come, per esempio, la frequenza. Questo significa che non ha senso dire che un timbro è “maggiore” o “minore” di un altro: il timbro è semplicemente uguale o diverso (al massimo simile). Al massimo si potrà dire se un suono contiene un numero più o meno grande si componenti spettrali. Il timbro di un pianoforte riprodotto dall’impianto stereo è “simile” al timbro del pianoforte ascoltato dal vivo.  Esistono migliaia di pianoforti e ognuno ha un timbro particolare: tutti però sono “simili” nel senso che li riconosciamo tutti come “pianoforte”. Per quanto riguarda invece il timbro della voce il nostro apparato uditivo è molto più selettivo e associa con precisione il timbro di una voce ad una specifica persona.

 

Il riconoscimento della voce ed il riconoscimento dei volti sono essenziali per la sopravvivenza.

 

 

il suono prodotto dal diapason (tralasciando il transitorio di attacco e di decadimento) è un tono puro e non ha timbro.

 

Il diapason produce una unica nota. Il “diapason corista” produce il LA centrale a 440 Hz e viene utilizzato per accordare gli strumenti.

 

Il suono prodotto dall’orchestra dove suonano contemporaneamente strumenti diversi che eseguono note diverse è la sovrapposizione di una moltitudine di suoni composti. In questo caso il concetto di “altezza” perde significato.

 

La definizione classica di timbro è la seguente:

 

Il timbro è quella qualità che consente di distinguere due suoni con la stessa durata, intensità e altezza.

 

In questa definizione non si parla esplicitamente di tempi di attacco e di discesa anche se questi determinano il timbro in modo sostanziale (basta ascoltare una nota di pianoforte eseguita la contrario...il contenuto spettrale è lo stesso ma suona come una fisarmonica).

Questa definizione non fa riferimento a "mono" , "stereo" o alle riproduzione delle dimensioni reali della sorgente.

Tecnicamente il timbro è correlato con lo "spettro complesso" del suono prodotto. 

 

La parola “timbro” non comprende le dimensioni o la posizione della sorgente La differenza di timbro si percepisce confrontando sergenti reali o virtuali, attraverso altoparlanti o in cuffia.

 

Riprodurre durata, intensità, altezza e timbro è una condizione necessaria ma non è sufficiente per ottenere la riproduzione HiFi (e su questo almeno dovremmo essere tutti in accordo).

 

Il passo successivo è riprodurre correttamente la spazialità (il pattern di radiazione sui piani polari) e con essi

la dimensione e la posizione della sorgente (e qui ci può essere chi è più o meno esigente).

 

Quindi un primo modo di descrivere il suono è attraverso Durata, intensità, altezza e timbro. C’è anche un altro modo: utilizzando Attacco, Decadimento, Mantenimento e Rilascio.

In questo caso si fa riferimento all’inviluppo. In sostanza il segnale viene rappresentato dal segnale analitico

 

y = A(t) eif(t)    (segnle analitico)

 

Questa rappresentazione è particolarmente utine nella sintesi dei suoni (sintetizzatore) perché consente di ottenere un suono operando separatamente sull’inviluppo e sulla frequenza istantanea.

 

 

 

Attack = attacco o transitorio di attacco

Decay = decadimento

Sustain = mantenimento o stato stazionario

Release = rilascio o cosa

 

 

Il modo più diretto e completo per ottenere tutte le possibili informazioni su un suono è calcolarne lo spettro complesso attraverso una trasformazione di Fourier. Questo richiede la conoscenza di tutta la storia del suono da esaminare: dal silenzio iniziale, al silenzio finale.

Il suono, per sua natura ha valor medio nullo. Ciò, tra l’altro, esclude che possa essere fedelmente riprodotto da una sorgente cilindrica.

Ma torniamo alla Trasformazione di Fourier. Un importante teorema stabilisce che

 

la Trasformata di Fourier di un segnale, se esiste, è unica.

 

Questo significa che qualsiasi rappresentazione di un segnale nel dominio della frequenza deve essere ottenibile o riconducibile alla sua trasformata di Fourier (sonogrammi, FFT, SFFT, Wavelet, Waterfall, ETC, e chi più ne ha più ne metta).

Questo vale anche per la teoria delle formanti e per tutte quelle tecniche che tentano di stabilire l’evoluzione nel tempo delle componenti spettrali di un segnale. Tutte queste rappresentazioni hanno origine dalla linearità delle Trasformate di Fourier. Vale comunque la pena ricordare che il dominio della frequenza ed il dominio del tempo sono duali.

 

Per quanto riguarda la riproduzione di programmi monofonici: una cosa è riprodurre un programma mono con un solo diffusore, una altra cosa è riprodurre un programma mono con un sistema stereo.

 

Questa differenza (descritta nei manuali della Philips già nel 1969) è stata ripresa e messa  in evidenza anche da Amar G. Bose nei suoi articoli di presentazione della serie 901.

 

Il timbro è soggettivo o oggettivo?

 

Il timbro, per definizione, descrive una differenza tra due suoni. Tale differenza può essere misurata (sia nel dominio del tempo che della frequenza) ed è oggettiva. Qualsiasi differenza di timbro è percepibile? No, come in tutte le cose per essere percepita una variazione deve essere maggiore della JND.

Nel caso di grandezze multidimensionali, come il timbro, la JND dipende dalla frequenza e non è di facile definizione.

Pendiamo per tutti questo esempio:

 

rumore bianco

 

Presentano spettro con lo stesso modulo ma fase diverse

Sweep lineare

Impulso (delta di Dirac)

 

rumore rosa

 

Presentano spettro con lo stesso modulo ma fase diverse

Sweep logaritmico

Impulso (senx(x))

 

Appare quindi evidente che, mutando le relazioni di fase si altera la durata, l’intensità, l’altezza ed il timbro di un suono. Modificando di poco il modulo e mantenendo le relazioni di fase il timbro cambia poco (durata, altezza e intensità cambiano poco).

 

Per quanto riguarda il timbro, le relazioni di fase sono più importanti delle variazioni del modulo.

Va anche tenuto presente che l’apparato uditivo umano è poco sensibile alle variazioni delle fasi relative agli estremi della banda audio. Quindi gli strumenti di misura mostrano alterazioni che molto probabilmente l’apparato uditivo non è in grado di discernere.