Heading

Qualcosa sul suono

Prima, un po’ di informazioni sul suono. Se metti delicatamente un dito su un altoparlante, lo sentirai vibrare – se sta suonando una nota bassa ad alto volume puoi vederlo muoversi. Quando si muove in avanti, comprime l’aria accanto ad esso, il che aumenta la sua pressione. Una parte di quest’aria fluisce verso l’esterno, comprimendo lo strato d’aria successivo. Il disturbo nell’aria si diffonde come un’onda sonora itinerante. Alla fine quest’onda sonora causa una piccolissima vibrazione nel timpano – ma questa è un’altra storia.

Frequenza

In qualsiasi punto dell’aria vicino alla fonte del suono, le molecole si muovono avanti e indietro, e la pressione dell’aria varia su e giù di quantità molto piccole. Il numero di vibrazioni al secondo è chiamato frequenza (f). Si misura in cicli al secondo o Hertz (Hz). L’altezza di una nota è quasi interamente determinata dalla frequenza: alta frequenza per un’altezza alta e bassa per una bassa. 440 vibrazioni al secondo (440 Hz) si sente come la nota A nella chiave di violino, una vibrazione di 220 Hz si sente come il A un’ottava sotto, 110 Hz come il A un’ottava sotto e così via. Possiamo sentire suoni da circa 15 Hz a 20 kHz (1 kHz = 1000 Hz). Un controfagotto può suonare il Bb0 a 29 Hz. Quando questa nota è suonata forte, si possono sentire i singoli impulsi di alta pressione emessi quando l’ancia si apre e si chiude 29 volte al secondo. Le orecchie umane sono più sensibili ai suoni tra 1 e 4 kHz – circa da due a quattro ottave sopra il Do medio. Questo è il motivo per cui i suonatori di ottavino non devono lavorare così duramente come i suonatori di tuba per essere ascoltati. (Questo link converte note, frequenze e numeri MIDI.)

La famiglia di strumenti a fiato

Alcuni dei fiati sono mostrati nell’immagine a destra. (Clicca sulla figura per una versione ingrandita.) Un metro a sinistra dà la scala. Da sinistra a destra ci sono fagotto, clarinetto, sassofono contralto, cor anglais, oboe e flauto. Sono mostrati approssimativamente in ordine di gamma: le note più basse sono Bb1 (58 Hz) sul fagotto, C#3 (139 Hz) o D3 sul clarinetto A o Bb, C#3 sul sassofono alto, E3 (165 Hz) sul cor anglais, Bb3 (233 Hz) sull’oboe, B3 o C4 (262 Hz) sul flauto. Il quadro non è completo: al flauto potrebbe essere aggiunto l’ottavino (un’ottava più alta), il flauto contralto (una quarta più bassa) e il flauto basso (un’ottava più bassa). Allo stesso modo ci sono il clarinetto soprano, contralto e basso; la musetta, l’oboe d’amore e l’oboe basso, il controfagotto e diversi sassofoni: sopranino, soprano, contralto, tenore, baritono, basso e contrabbasso (in questa immagine, i crooks (sottili tubi di metallo che uniscono l’ancia al corpo) sul fagotto e sul cor anglais sono stati ruotati di 90° per mostrare la loro forma. Con gli strumenti posizionati come mostrato, l’archetto del fagotto sporgerebbe normalmente verso l’osservatore, e l’archetto del cor anglais si piegherebbe verso l’esterno).

Gli strumenti a fiato hanno una colonna d’aria lunga e sottile. La nota più bassa viene suonata con tutti i fori di tono chiusi, quando la colonna è più lunga. La colonna viene accorciata aprendo i fori in successione, partendo dall’estremità aperta. All’altra estremità c’è qualcosa che controlla il flusso d’aria: un getto d’aria per la famiglia dei flauti e canne per gli altri legni. Esamineremo questi elementi a turno.

La colonna d’aria determina l’altezza

Un’onda sonora può viaggiare lungo il tubo, riflettere ad un’estremità e tornare indietro. Può poi riflettere all’altra estremità e ricominciare da capo. Per una nota nel registro più basso del flauto, il viaggio di andata e ritorno costituisce un ciclo della vibrazione. (Nel registro più basso dei clarinetti, sono necessari due giri: vedi Flauti vs clarinetti). Più lungo è il tubo, più lungo è il tempo impiegato per il viaggio di andata e ritorno, e quindi più bassa è la frequenza. Negli strumenti a fiato, la lunghezza effettiva viene cambiata aprendo e chiudendo i fori per le dita o i fori per le chiavi lungo il lato. Questo è il modo in cui l’altezza viene cambiata all’interno dello stesso registro dello strumento: tutti i fori chiusi danno la nota più bassa, e aprendo i fori successivamente dall’estremità inferiore si ottiene una scala cromatica. (L’uso di diteggiature semplici e incrociate per cambiare la lunghezza dell’onda stazionaria è discusso molto più dettagliatamente e con esempi specifici in Acustica del flauto, e i principi sono gli stessi per tutti i fiati). Cambiare la lunghezza effettiva della canna non è l’unico modo di cambiare l’intonazione, comunque: su qualsiasi strumento a fiato, di solito si può suonare più di una nota con la stessa diteggiatura.

La serie armonica

Le onde sonore che vanno su e giù per lo strumento si sommano per dare un’onda fissa, un modello di vibrazione dell’aria nello strumento. Sono possibili diversi modelli di questo tipo. Su un flauto, con tutte le chiavi abbassate, si possono suonare circa sette o otto note diverse. Le loro altezze (approssimative) sono date qui sotto. Le frequenze di questi suoni sono multipli interi della frequenza della più bassa (f1). Le chiamiamo la serie armonica. Prova a suonare la serie su qualsiasi strumento, senza cambiare la diteggiatura. Noterete il mezzo diesis sulla settima. (Per maggiori dettagli, vedi Acustica del flauto e Acustica del clarinetto

Otto armoniche della nota più bassa su un flauto.

Armoniche e i diversi fori dello strumento

Perché l’aria nel flauto può vibrare in questi modi diversi? Beh, il tubo è aperto all’aria ad entrambe le estremità, quindi la pressione è abbastanza vicina a quella atmosferica, ma l’aria è libera di muoversi dentro e fuori. All’interno del tubo la pressione può essere più alta o più bassa, ma l’aria è meno libera di muoversi. Il diagramma a sinistra mostra i diversi modelli di vibrazione o modi che soddisfano la condizione del flauto: pressione zero e vibrazione massima alle due estremità. Il grafico in alto è il modello di un’onda la cui lunghezza è il doppio di quella del flauto (2L, diciamo), il secondo ha lunghezza d’onda 2L/2, il terzo 2L/3, e così via. La frequenza è la velocità del suono divisa per questa lunghezza d’onda, e questo dà la serie armonica f1, 2f1, 3f1 ecc. (Questa è una leggera semplificazione: il nodo di pressione è un po’ fuori dal tubo, e quindi L, la lunghezza effettiva del tubo che dovrebbe essere usata in questi calcoli, è un po’ più lunga della lunghezza fisica del tubo. L’effetto finale è circa 0,6 volte il raggio ad un’estremità aperta).

Questi grafici mostrano l’andamento delle onde nelle tre colonne d’aria più semplici: cilindro aperto, cilindro chiuso e cono. La linea rossa rappresenta la pressione sonora e la linea blu rappresenta la quantità di vibrazioni dell’aria. Questi tubi hanno tutti la stessa nota più bassa o fondamentale. Si noti che la lunghezza d’onda più lunga è il doppio della lunghezza del cilindro aperto (es. flauto), il doppio della lunghezza del cono (es. oboe), ma quattro volte la lunghezza aperta del cilindro chiuso (es. clarinetto). Così un flautista o un oboista suona il C4 usando (quasi) tutta la lunghezza dello strumento, mentre un clarinettista può suonare circa il C4 (scritto D4) usando solo metà dello strumento (cioè togliendo il giunto inferiore e la campana). Importante: in tutti e tre i diagrammi, la frequenza e la lunghezza d’onda sono le stesse per le figure in ogni riga. Quando guardi i diagrammi per il cono, questo può sembrare sorprendente, perché le forme sembrano piuttosto diverse. Questa distorsione della semplice forma sinusoidale è dovuta alla variazione della sezione trasversale lungo il tubo. Vedi Tubi e armoniche, dove questo punto è discusso in dettaglio.

C’è una discussione più dettagliata delle onde stazionarie nei tubi nell’introduzione all’acustica del flauto, nell’introduzione all’acustica del clarinetto e nell’introduzione all’acustica del sassofono, che hanno anche una discussione sull’uso dei fori di registro per produrre armoniche. Gli effetti dei diversi fori sono discussi più in dettaglio in Tubi e armoniche.

Fluti contro strumenti ad ancia

Gli strumenti ad ancia sono diversi: l’estremità nella bocca del suonatore non è aperta all’aria esterna, quindi l’aria non è massimamente libera di muoversi dentro e fuori. La pressione non è fissa a quella atmosferica – infatti può avere il suo valore massimo in questa estremità chiusa. Consideriamo il clarinetto: è principalmente cilindrico ed è aperto all’aria esterna all’estremità della campana, ma chiuso all’estremità della bocca.

I modelli di vibrazione che il clarinetto può suonare sono mostrati nel diagramma al centro. L’onda più bassa è lunga quattro volte il tubo (4L’), la successiva è 4L’/3, la successiva 4L’/5 ecc. Quindi produce solo i membri dispari della serie armonica (vedi sopra). Due conseguenze: primo, che un clarinetto può suonare quasi un’ottava più bassa (il doppio della lunghezza d’onda) di un flauto della stessa lunghezza. In secondo luogo, “sovrabbonda di una dodicesima” – devi salire di 12 gradini della scala (3 volte la frequenza) prima di poter riprendere la stessa diteggiatura. Questo è spiegato più in dettaglio nell’introduzione all’acustica del clarinetto.

I fori degli strumenti a fiato. I diametri sono esagerati. Il flauto (in alto) e il clarinetto (al centro) sono quasi dei cilindri. L’oboe, il sassofono e il fagotto sono quasi conici (a destra). (Vedi anche Tubi e armoniche e Flauti contro clarinetti.)

Fori conici: oboi, fagotti e sassofoni

Che dire di oboi, fagotti e sassofoni? Come il clarinetto, sono chiusi da un lato e aperti dall’altro, ma la differenza è che le loro colonne d’aria hanno la forma di un cono. La pressione risultante e le vibrazioni del movimento dell’aria sono mostrate nel diagramma di destra. Quando queste onde escono nel mondo esterno, hanno le stesse frequenze di quelle di un tubo aperto della stessa lunghezza. Così un oboe, che ha circa la stessa lunghezza del flauto o del clarinetto, ha una nota più bassa vicina a quella del flauto e, come il flauto, suona tutta la serie armonica. Per dire di più ci vuole la matematica. I flautisti possono controllare quale modello di vibrazione o modo producono attraverso il modo in cui soffiano. Negli strumenti ad ancia, c’è un foro di ottava o di registro che aiuta ad ottenere le note più alte. Il suo scopo è quello di aprire il tubo all’aria esterna in uno dei punti in cui la pressione dell’aria dovrebbe essere atmosferica per le vibrazioni alte.

Fluti

Per creare l’atmosfera, ascolta il flautista Geoffrey Collins suonare un po’ di Debussy.

Mi aspetto che la maggior parte di noi abbia suonato una nota soffiando sulla cima di una bottiglia. L’aria nella bottiglia è elastica e può vibrare, un po’ come una molla con una massa sopra. Quando si soffia attraverso la parte superiore della bottiglia, il flusso d’aria dalle labbra può essere deviato verso l’alto o verso il basso dall’aria che si espande e si contrae nella bottiglia. Quando il flusso viene deviato verso il basso, una parte di esso entra nella bottiglia, aumentando la vibrazione. Così la potenza del flusso d’aria può sostenere la vibrazione nella bottiglia. (Per un’analisi del suono prodotto soffiando attraverso la parte superiore di una bottiglia, vedi Risonanza di Helmholtz).

Il bocchino del flauto (schema sotto) funziona sullo stesso principio – un getto d’aria fa passare un volume d’aria (l’aria nel tubo dello strumento) che può vibrare. Questo è un resoconto troppo semplificato, quindi segui questo link per un’introduzione più dettagliata all’acustica del flauto.

Il getto d’aria o l’ancia eccita la vibrazione

Ance Le ance sono fatte di canna elastica e possono vibrare da sole. Attaccate allo strumento, sono (di solito!) costrette a vibrare alla frequenza naturale dell’aria nel tubo. Quando la pressione scende, l’ancia tende a chiudersi e a far entrare meno aria, quando la pressione sale l’ancia si apre un po’ e fa entrare più aria. Ancora una volta la potenza del flusso d’aria dai polmoni del suonatore è usata per sostenere la vibrazione nell’aria nello strumento. (Questo è spiegato più in dettaglio nell’introduzione all’acustica del clarinetto.)

Si può fare una doppia canna con una cannuccia di plastica. Tagliate una punta a forma di V sull’estremità della cannuccia come mostrato nel diagramma a destra. Metti l’estremità tagliata in bocca, premi leggermente con le labbra e soffia. Il suono probabilmente assomiglia a quello di un oboista principiante! Si può “accordare” tagliando pezzi dell’altra estremità, e con un veloce lavoro di forbici si può anche suonare una piccola melodia – a condizione che le note vadano solo verso l’alto!

Il clarinetto

Per creare l’atmosfera, ascoltate Catherine McCorkill suonare un paio di frasi dal concerto di Mozart.

Il clarinetto ha una sola ancia che oscilla dentro e fuori, tagliando e aprendo il flusso d’aria mentre la pressione nel tubo va su e giù, quindi in linea di principio il funzionamento è molto simile a quello delle ance doppie. I clarinetti sono di varie dimensioni, dai soprani che sono grandi 3/4 di quello normale, ai clarinetti contrabbassi che sembrano l’incubo di un idraulico. Abbiamo visto sopra che il clarinetto ha solo i membri dispari della serie armonica, quindi il divario tra il primo registro e il secondo è un rapporto di frequenza di tre (un dodicesimo musicale, o 19 semitoni). Tutti gli altri suonatori di legni possono suonare una scala di un’ottava e poi usare (quasi) le stesse diteggiature per il registro successivo. Un clarinettista deve salire di dodici gradini della scala per ripetere le diteggiature. Poiché questo supera il numero di dita dei suonatori standard, i clarinetti hanno quattro o cinque tasti per le piccole dita e tasti extra per le nocche degli indici. (Vedi anche l’Introduzione all’acustica del clarinetto.)

Il sassofono

Per creare l’atmosfera, ascolta un movimento di un quartetto per sassofono, flauto, fagotto e violoncello.

Il sassofono ha un bocchino e un’ancia molto simile a quella del clarinetto, ma è approssimativamente un tubo conico (come l’oboe e il fagotto) piuttosto che un cilindro (come il clarinetto). Quindi suona tutti gli armonici e ha un’ottava tra il primo e il secondo registro. Vedi l’Introduzione all’acustica del sassofono. (Vedi anche Tubi e armoniche per alcune spiegazioni sull’importanza della canna conica e come cambia gli armonici).

Il sassofono ha un angolo della canna più grande (e quindi un diametro più largo alla campana) di qualsiasi altro strumento a fiato e questo rende possibile suonare piuttosto forte. Come i clarinetti, i sassofoni si dividono in una grande famiglia, dai piccoli sopranini agli enormi contrabbassi. Abbiamo appena pubblicato una banca dati sull’acustica dei sassofoni. Vedi questo sito francese di sassofoni per una grande serie di foto sulla fabbricazione dei sassofoni.

Ance doppie: Oboi e fagotti

Nell’oboe e nel fagotto il suono è prodotto da un’ancia doppia (vedi il diagramma e le fotografie sopra). Il fagotto è il basso della famiglia dei fiati – un lungo tubo conico piegato, alesato e forato in quattro pezzi di acero. Entrambi hanno fori conici, come il sassofono, ma il loro angolo minore li rende meno rumorosi del sassofono. Qualitativamente, l’ancia doppia condivide molte delle proprietà dell’ancia singola. Tuttavia, la geometria è più complicata. Inoltre diversi effetti che abbiamo trascurato qui diventano importanti nelle ance doppie.

Più sui fiati

• Un’introduzione all’acustica del flauto
• Un’introduzione all’acustica del clarinetto
• Un’introduzione all’acustica del sassofono
• Flauti contro clarinetti: una spiegazione della differenza tra canne chiuse e canne aperte e le loro serie armoniche.
• Canne e armoniche. Perché gli strumenti conici chiusi (come l’oboe e il sassofono) hanno la stessa serie di risonanze degli strumenti cilindrici aperti (come il flauto)? (Questa sembra essere una delle domande più frequenti nell’acustica musicale.)
• Accordare gli strumenti a fiato.
• Fondamenti di acustica musicale.