Come gli strumenti musicali producono suono e modellano il loro timbro

La vibrazione è dove inizia ogni suono

Secondo il gruppo Music Acoustics dell'Università del New South Wales, guidato dal fisico Joe Wolfe, la maggior parte degli strumenti dipende dalla risonanza — la capacità di un sistema fisico di immagazzinare energia nella vibrazione a una particolare frequenza. Una corda pizzicata, un'ancia che vibra in un flusso d'aria, o una pelle di tamburo colpita da una bacchetta iniziano tutte come un oggetto vibrante che spinge le molecole d'aria avanti e indietro, creando le onde di pressione che viaggiano verso l'orecchio di un ascoltatore come suono.

Le onde stazionarie determinano l'intonazione

All'interno di una corda o del tubo di uno strumento a fiato, il gruppo UNSW spiega, le onde che viaggiano in direzioni opposte si incontrano e si combinano in uno schema di onda stazionaria, con punti fissi chiamati nodi che si muovono a malapena e altri punti chiamati ventri che oscillano ampiamente. Poiché una corda o una colonna d'aria può vibrare solo in questo modo a determinate frequenze fisse — determinate dalla sua lunghezza, tensione o forma — lo strumento si stabilisce su intonazioni specifiche e ripetibili piuttosto che su rumori casuali.

Gli armonici danno a ogni strumento il suo colore

Una corda o una colonna d'aria vibrante raramente produce solo una frequenza. I materiali Music Acoustics dell'UNSW notano che genera una frequenza fondamentale più una serie di armonici — multipli interi di quella fondamentale. Ad esempio, il sito sottolinea che sulla corda di Do di una viola, i 7° e 11° armonici cadono all'incirca a metà strada tra le note della scala temperata equabile standard, illustrando come le serie armoniche reali non siano perfettamente abbinate alla scala musicale che i musicisti effettivamente usano.

La miscela specifica di questi armonici — quali sono forti, quali sono deboli — è ciò che gli acoustici chiamano timbro o colore del suono. Come descrivono i materiali Music Acoustics dell'UNSW, questa miscela di forza degli armonici è una parte importante di ciò che rende il suono di un flauto e un oboe che suonano la stessa nota scritta chiaramente diverso all'orecchio, anche se il timbro dipende anche da come il suono cambia nel tempo, come discusso di seguito.

Cosa effettivamente avvia la vibrazione

La vibrazione costante e dal suono musicale non inizia da sé — ha bisogno di quello che i ricercatori di acustica chiamano meccanismo di guida non lineare. In una conferenza riassunta dalla Acoustical Society of America, il fisico Thomas Rossing ha descritto come l'attrito di un archetto su una corda di violino, il flusso d'aria attraverso un'ancia di clarinetto, e le labbra vibrative di un trombettista convertono un input costante — movimento dell'archetto o respiro — nell'oscillazione avanti e indietro che produce suono, piuttosto che semplicemente amplificarlo in linea retta.

La Acoustical Society of America attribuisce anche l'antica osservazione, tracciata a Pitagora, che le note suonano piacevolmente insieme quando le loro lunghezze di corda — e quindi le loro frequenze — si allineano in rapporti di numeri interi. Le corde e i tubi reali si discostano leggermente da questo ideale, ma lo stesso meccanismo non lineare che avvia la vibrazione tende anche a trascinare le frequenze naturali leggermente disallineate di uno strumento in un suono quasi esattamente armonico.

Perché una campana non suona come un violino

Non ogni strumento produce armonici ordinatamente armonici. La Acoustical Society of America nota che le campane si comportano in un modo quasi lineare a causa dello spessore del metallo da cui sono fuse, quindi i loro armonici non sono semplici multipli interi della fondamentale — che è esattamente ciò che conferisce a una campana la sua caratteristica qualità 'squillante' piuttosto che un tono musicale pulito. I piatti, secondo lo stesso resoconto, vibrano caoticamente a causa della forte non linearità, producendo il loro caratteristico sibilo scintillante e simile al rumore, mentre i grandi gong si affidano alla moltiplicazione di frequenza non lineare per generare il loro suono denso e complesso.

Come l'estensione di tonalità varia tra famiglie di strumenti

Il design dello strumento fissa anche l'intervallo di intonazioni fondamentali che uno strumento può raggiungere, e quanto lontano i suoi armonici si estendono verso l'alto. I dati di riferimento compilati dal produttore di microfoni DPA Microphones per ingegneri di registrazione elencano i seguenti intervalli di intonazione fondamentale e il limite approssimativo superiore del contenuto armonico per diversi strumenti comuni.

La tabella mostra perché un pianoforte e un violino possono occupare intervalli di tonalità sovrapposti ma comunque suonare diversi: oltre alla nota scritta stessa, ogni strumento aggiunge la sua propria caratteristica diffusione di energia armonica a frequenza più alta sopra.

I corpi risonanti rendono il suono abbastanza forte da sentire

Una corda o un'ancia vibrante da sola sposta pochissima aria e sarebbe appena udibile di per sé. I materiali Music Acoustics dell'UNSW spiegano che il corpo di uno strumento — il pannello posteriore di un violino, la tavola armonica di una chitarra, o la colonna d'aria all'interno del tubo di uno strumento a fiato — ha le sue proprie frequenze di risonanza che amplificano e modellano la vibrazione, irradiandola nella stanza come suono udibile. La stessa fonte nota che nella voce umana, le corde vocali vibrano per produrre il suono grezzo, mentre le risonanze del tratto vocale, chiamate formanti, amplificano selettivamente determinate bande di frequenza per modellare i suoni vocalici e il timbro vocale.

Il timbro non è solo un elenco di frequenze

Il gruppo Music Acoustics dell'UNSW aggiunge che il timbro dipende fortemente da come una nota cambia nel tempo, non solo dal suo spettro di frequenza in un singolo momento. L'inviluppo di un suono — quanto velocemente raggiunge il volume pieno dopo che la corda è pizzicata o il tasto è colpito, come si sostiene, e come svanisce — è parte di ciò che consente agli ascoltatori di riconoscere uno strumento, anche quando il contenuto di frequenza isolato da solo potrebbe apparire simile sulla carta.