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La percezione uditiva Dalle onde acustiche a musica e linguaggio.

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Presentazione sul tema: "La percezione uditiva Dalle onde acustiche a musica e linguaggio."— Transcript della presentazione:

1 La percezione uditiva Dalle onde acustiche a musica e linguaggio

2 Cenni di acustica

3 La natura del suono fisica: il suono è una perturbazione dellaria, che non implica la presenza di un essere vivente (SI) psicologia: se nessuna persona è nel raggio di 70 Km, la risposta e NO biologia: magari un uccello o una volpe era abbastanza vicino da ascoltare

4 La natura fisica del suono Il suono nellaria: onde che trasportano energia lontano dalla sorgente (oggetto che vibra) –vibrazione = movimento rapido avanti e indietro di un oggetto o di una sua parte (punta del diapason) –onda = disturbo che viaggia lontano dalla sorgente in tutte le direzioni (onde sullacqua) connessione tra vibrazione e onda –londa non trasporta del materiale, ma solo un segnale –ogni oggetto sulla traiettoria dellonda inizia a vibrare (anche i muri) londa si trasforma in calore –quando londa è passata, ogni cosa sulla traiettoria torna alla posizione originale

5 tra le cose sulla traiettoria vi può essere il timpano dellorecchio inizia un processo molto complicato –riconoscimento della voce di una persona nota –riconoscimento del suono di uno strumento (addirittura dello strumentista) nel linguaggio esistono molti aggettivi (più poetici che precisi) per descrivere i suoni –voce: seduttiva, piena, fragorosa, sciropposa, rauca... –musica: suadente, festante, sommessa, austera, ma esiste una caratterizzazione oggettiva ?

6 Come ci arrivano i suoni Musica –combinazione intenzionale di suoni che si sceglie di ascoltare per fruizione estetica –i suoi effetti piacevoli dipendono solitamente da un pattern disciplinato di suoni Parlato –molto in comune con la musica, ma con differenti propositi –comunica le idee mediante parole piuttosto che mediante emozioni direttamente

7 Il rumore termine usato in modo vago per indicare tutti gli altri suoni si intende specialmente quelli non organizzati, non piacevoli, o non voluti musica e rumore –il confine tra musica e rumore non è ben definito ogni nuova generazione di teenager sembra apprezzare musica che i vecchi giudicano da mal di testa molti brani che diventano degli standard sono stati considerati oltraggiosi alle prime esecuzioni –in genere, quasi tutti i suoni udibili possono apparire tra le pagine di un compositore

8 Il suono in azione produzione: come viene creato –ha a che fare con la vibrazione... –... qualcosa che va avanti e indietro velocemente propagazione: come viaggia –non si vede viaggiare (onde sulla superficie dellacqua) –propagazione del suono regolata da equazioni lineari percezione: come agisce su sensi e emozioni –come le orecchie percepiscono il suono –come nervi e cervello elaborano linformazione sonora Produzione e percezione non sono lineari

9 Esempi di produzione e percezione: altezza e volume Altezza, pitch, tono musicale: la sensazione di altezza o gravità del suono –connessa alla frequenza di vibrazione –fine sx e fine dx su una tastiera, alti e bassi –altri fattori oltre alla frequenza giocano un ruolo nella percezione dellaltezza Volume, loudness, intensità sonora: sensazione di forza o debolezza nel suono –non è detto che unonda sonora che trasporta due volte lenergia fisica di unaltra venga percepita il doppio più forte

10 0 + - Produzione del suono tutte le sorgenti sonore (musicali) oscillano –lancia di un oboe –la colonna daria in un flauto –la corda di una chitarra ogni vibrazione è detta ciclo –dalla posizione di riposo verso una direzione –ritorno indietro verso la posizione di riposo –dalla posizione di riposo verso la direzione opposta –ritorno indietro verso la posizione di riposo –... e tutto ricomincia! ogni segnale sonoro comprende molti cicli

11 Il moto armonico semplice Tempo Ampiezza Frequenza Lunghezza donda rappresenta la vibrazione corrispondente al suono più semplice movimento sinusoidale e onda seno La scienza delle onde sonore è costruita sulle onde sinusoidali Forma donda Fase

12 Parametri delle onde sinusoidali frequenza: numero di cicli in un secondo –si misura in hertz: 1 Hz = 1 ciclo/secondo ampiezza: dimensione delloscillazione –si può misurare in mm (ma vedi più avanti) fase: posizione dellonda rispetto a un istante –si può esprimere in termini dellangolo in relazione allinizio dellonda –0 positivo a 0 gradi –primo picco a 90 gradi –0 negativo a 180 gradi –...

13 I suoni puri Onda sinusoidale a 660 Hz Onda sinusoidale a 440 Hz Onda sinusoidale a 220 Hz Sono molto simili al suono prodotto da un diapason

14 Frequenze caratteristiche

15 Insiemi di più suoni consonanza e dissonanza di suoni –dipende dal rapporto tra le frequenze dei due suoni –i = f / f 0 –f = frequenza del suono in esame –f 0 = frequenza di riferimento –suoni gradevoli in presenza di rapporti semplici unisono = due suoni con la stessa frequenza

16 Gamma dei suoni nella musica occidentale la scala temperata (per esigenze musicali) notadoremifasollasido i19/85/44/33/25/315/82 frequenze delle note della terza ottava (do centrale del pianoforte) e frequenza campione do re3293,66 mi3329,63fa3349,23 sol3392,00la3440,00 si3493,88do4523,20

17 I suoni in natura I toni puri (onde sinusoidali) sono noiosi (senza carattere): la forma donda si impongono degli extra movimenti allonda sinusoidale di base flautotrombasax sopranoviolinotuba La 4 (440 Hz), 8msLa 2 (110 Hz), 40 ms

18 La forma donda È quel parametro che permette di discriminare tra – suoni emessi da sorgenti diverse –anche se con la stessa intensità e frequenza corrisponde a grandi linee al parametro percettivo del timbro due elementi contribuiscono a queste complesse forme donda (e quindi al timbro) –nel dominio della frequenza, le componenti spettrali –nel dominio del tempo, i transitori

19 Propagazione del suono: onda sonora compressioni e rarefazioni dellaria onda di tipo longitudinale (vs. trasversale) movimento come fluttuazioni di densità dellaria le fluttuazioni sono rilevate dai microfoni

20 Unaltra onda longitudinale

21 Lunghezza donda del suono: da 2cm a 20m Raggio Cresta

22 Velocità del suono v=344 m/s (3 sec per fare 1 Km ) –aria secca, temperatura ambiente (T=20 o C) –distrazione in fondo alle sale da concerto –si può misurare la distanza di un temporale lontano laria è un mezzo non dispersivo : tutti i suoni, indipendentemente dallaltezza, viaggiano nellaria alla stessa velocità –sarebbe un dramma sedere lontano dallorchestra la velocità dipende dalla temperatura e dal mezzo –a 30 o C, v=350m/s (2% più veloce che a 20 o C) –1000m/s (He), 270m/s (CO 2 ), 1500m/s (H 2 O)

23 La forza del suono ampiezza dello spostamento –misura dello spostamento di ogni unità daria dalla posizione a riposo durante la vibrazione –misura molto piccola per suoni ordinari (ordine di 1 ) –difficile da misurare ampiezza della pressione –max incremento della pressione dellaria (rispetto alla pressione atmosferica) in una compressione –misura piccola (1/10 6 della pressione atmosferica) –misurabile facilmente grazie ai diaframmi dei microfoni

24 Alcune misure reali forza –unità di misura: newton (1/2 Kg ~ 5 N: un flauto) –direzione della forza –assunzione: forza applicata a un punto (NO tensione ) pressione: forza applicata a una superficie –p=F/S (forza per unità di superficie - N/m 2 ) –unità di misura comune: atmosfera (10 5 N/m 2 - pressione esercitata normalmente dallaria su ogni superficie) Una forza di 24 N esercitata su unarea di 6 m 2.

25 Esempio: peso di una donna su un tacco sottile 50 Kg (500 N) distribuiti su unarea di 2 cm 2 (0,0002 m 2 ) può ammaccare un pavimento più di una zampa di elefante ( N su 0,1 m 2 ) pressione –elefante: / 0,1 = N/m 2 –donna: 500 / 0,0002 = N/m 2 (25 volte in più)

26 Pressione esercitata dallaria una atmosfera = 10 5 N/m 2 (pressione esercitata normalmente dallaria su ogni superficie) –oggetti e superfici non si deformano con tale pressione perché questa agisce in direzioni opposte –mancanza di tale equilibrio provoca disastri (tornado) laria è elastica: comprimendola in un volume inferiore, reagirà con pressione maggiore –tale fenomeno è fondamentale per la propagazione del suono (compressione e espansione dellaria) –ampiezza di pressione delle onde sonore da 0,01 N/m 2 (10 -7 =0, atm) a 1 N/m 2 (10 -5 =0,00001 atm) –10 -5 atm: compressioni 1,00001 atm ; rarefazioni 0,99999 atm

27 La misura dellintensità sonora Intensità sonora e pressione sonora –lenergia E trasportata da unonda sonora (in Joule=N*m) –energia in una locazione per unità di tempo: potenza P = E / t (in Watt=J / s) –indipendenza dalla superficie: intensità I = P / S = = E / t S (in Watt / m 2 ) Come per la luce, variabilità immensa fra suono appena udibile e suono che produce dolore fisico (rapporto )

28 SIL (Livello di intensità sonora) e decibel Il bel non è una quantità di suono; è una relazione tra due suoni! –1 bel = rapporto di 10 a 1 tra due intensità –1 dB = 1/10 bel Se I y / I x =10, allora SIL y - SIL x = 10 dB Se I z / I y =10, allora SIL z - SIL y = 10 dB I z / I x =100, ma SIL z - SIL x = 20 dB Cosa vuol dire quel suono è oltre 75 dB ? –numero di decibel = 10 log (I / I 0 ) –I = intensità sonora in esame –I 0 = intensità di riferimento (0, = W/m 2 )

29 SIL e SPL Livello di intensità sonora (SIL) –SIL = 10 log (I / I 0 ) con I 0 = W/m 2 Livello di pressione sonora (SPL) –SPL = 20 log (p / p 0 ) con p 0 = N/m 2

30 Esempio Un suono di 90 dB (possibile in performance musicali) –una pressione 10 4,5 volte più forte di p 0 –pressione 0,32 N/m 2 Se misuriamo in termini di intensità (W/m 2 ) –un suono 10 9 volte più forte di I 0 (= W/m 2 ) –intensità W/m 2 Confronto: intensità della luce solare (10 +3 W/m 2 ) –1 milione di volte in più –90 dB è una piccolissima energia (è un suono forte!) Le nostre orecchie sono potentissimi rilevatori!!!

31 Intensità caratteristiche

32 Intensità in musica Sotto i 50 dB raramente utili –mantenere più bassi i sistemi di ventilazione –impedire i movimenti del pubblico Sopra i 100 dB è dannosa (115 dB concerti rock) –70 dB tipica intensità media (mf o mp) –60, 50, 40 per p, pp, ppp –80, 90, 100 per f, ff, fff Sono valori che esagerano le differenze –in pratica unorchestra sinfonica suona tra 65 e 80 dB –90 è sicuramente fff e 100 potrebbe essere ffff –un solo scende a 50 dB, 40 sono in pratica non udibili

33 I domini di tempo e frequenza: transitori e spettro di Fourier transitorinel dominio del tempo: i transitori –fondamentali per il riconoscimento degli strumenti fonemi –nel linguaggio assumono delle forme precise: i fonemi –anche i transitori si possono analizzare con Fourier spettronel dominio della frequenza: lo spettro fase –lanalisi di Fourier: un segnale qualsiasi può essere espresso come una somma di sinusoidi di differente ampiezza e fase trasformata di Fourier –la trasformata di Fourier esegue la traduzione tra i domini del tempo e della frequenza

34 I transitori di attacco e di estinzione Quattro fasi fondamentali: –Attacco (attack): ampiezza varia da zero al massimo –Decadimento (decay): ampiezza diminuisce fino a un certo livello –Costanza (sustain): ampiezza pressappoco costante –Estinzione (release): ampiezza diminuisce fino a zero

35 Vari transitori AttackDecaySustainRelease FlautoTromba Violino Pianoforte Contrabbasso Organo Blocchi di legno

36 AttackDecaySustainRelease Esempio: chitarra

37 Spettro di Fourier

38 Onde periodiche Unonda che ripete per sempre lo stesso pattern è detta unonda periodica –il periodo P è il tempo che impiega per completare il suo (ciclo) pattern di base –la frequenza f = 1 / P indica quante volte al secondo il pattern si ripete Le onde periodiche sono i mattoncini di base delle onde complesse Viceversa le onde complesse si possono vedere come composte da più onde periodiche

39 Combinazione di onde periodiche Si considerano due onde sinusoidali con frequenze differenti –Es.: f1 = 243,72 Hz f2 = 539,08 In generale la combinazione non è periodica –Es. f2 / f1 = 2, –Ogni volta che la prima onda completa un ciclo, la seconda ne completa due più una frazione –Non succede praticamente mai di trovare una periodicità

40 Scegliendo le onde in modo attento, si ha una combinazione periodica Es. (a) 440 Hz (b) 220 Hz (c) 110 Hz In questo modo, mentre la prima fa 4 cicli, la seconda ne fa 2, e la terza 1: è facile ritrovarsi una periodicità! (a) (b) (c) (d) Combinazioni di onde periodiche con rapporti di frequenza interi

41 Dominio della frequenza Frequenza Ampiezza

42 In generale Il caso più generale: unonda completa un ciclo, unaltra ne completa due, … –f 1, f 2 = 2 f 1, f 3 = 3 f 1, …, f n = n f 1 –La combinazione è periodica, con periodo P=1/f 1 –Questo insieme di frequenze è la serie armonica Un insieme di onde sinusoidali le cui frequenze appartengono a una serie armonica si combineranno per formare unonda complessa, la cui frequenza è la frequenza fondamentale della serie

43 Le componenti individuali possono avere ampiezza e fase qualsiasi; ciò contribuisce a determinare la forma dellonda complessa. Il suono combinato di una serie armonica è un suono a regime (no transitori) NON VI SONO ECCEZIONI alla regola: TUTTE le forma donda periodiche possono essere costruite in questo modo

44 Invertiamo la questione Si considera un qualsiasi suono a regime (periodico) complesso a piacere –si può SEMPRE suddividere in un certo numero di componenti sinusoidali –le uniche sinusoidi necessarie sono quelle che formano una serie armonica Una forma donda periodica qualsiasi di periodo P può essere costruita a partire da un insieme di onde sinusoidali le cui frequenze formano una serie armonica con f 1 = 1 / P

45 Teorema di Fourier Una forma donda periodica qualsiasi di periodo P può essere costruita a partire da un insieme di onde sinusoidali le cui frequenze formano una serie armonica con f 1 = 1 / P Ogni onda sinusoidale avrà una sua fase e ampiezza, e anche queste possono essere estratte dalla forma donda complessa.

46 Fourier Sintesi di Fourier: combinare onde sinusoidali per formare onde complesse Analisi di Fourier: individuare le componenti sinusoidali di una forma donda complessa Spettro di Fourier: linsieme delle ampiezze delle onde sinusoidali (componenti di Fourier) che formano unonda complessa

47 Onde sinusoidali e suoni reali Unonda sinusoidale semplice può essere prodotta da un diapason o da un sintetizzatore elettronico La gamma di suoni di Dafne e Chloe (Ravel) o Ko Ko (C. Parker) potrebbe essere creata da un enorme complesso di musicisti con diapason Occorrerebbe una precisione sovrumana!

48 Onde non periodiche (es. i transitori) come somma di componenti di Fourier Un insieme di onde sinusoidali le cui frequenze non appartengono a una serie armonica si combinano per creare unonda complessa non periodica. Questa suonerà impura o instabile in un qualche modo. Una forma donda non periodica può essere costruita a partire da un insieme di onde sinusoidali (le cui frequenze non formano una serie armonica). Ogni componente ha una sua ampiezza e fase (determinabili dalla forma donda complessa).

49 Due possibilità Le componenti non sono multiple di un singolo numero –es. 243, , ,92 … Hz –descrizione dei suoni transitori delle percussioni –spettro enarmonico Spettro continuo con componenti a ogni frequenza –rumore continuo (ad esempio, rumore bianco)

50 Onda sinusoidale n dB Lo spettro contiene soltanto la fondamentale

51 Onda a impulsi Tutte le armoniche tranne il reciproco del ciclo dellimpulso e i suoi multipli (es. T = 0,2 s; n = 1 / 0,2 = 5) n dB 510

52 Rumore bianco (o casuale) Stessa forza a tutte le frequenze Non è rappresentato da una serie armonica; combinazione di sinusoidi a tutte le frequenze E ciò che si ascolta alla radio o alla TV tra le stazioni Il rumore rosa e lanalogia con i colori dellarcobaleno e la luce bianca n dB

53 Considerazioni intuitive La forza di una componente è una misura di quanto londa complessa si comporta come la componente Londa varia lentamente e con forme arrotondate: richiede solo le prime armoniche Londa cambia rapidamente: ha componenti forti che cambiano rapidamente

54 Concetti principali dellacustica Parametri fisici del suono –Frequenza di vibrazione - Altezza del suono –Ampiezza della vibrazione - Intensità del suono Forma donda nel dominio del tempo Spettro di Fourier nel dominio della frequenza –Timbro


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