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Laboratorio di psicoacustica
Questa è la tua occasione per esplorare l'affascinante mondo dell'udito umano. Tieni le orecchie e la mente aperti durante gli esperimenti.
Nota: se la tua scheda audio include opzioni di elaborazione digitale, come riverbero, chorus o "3D-wide", assicurati di disabilitarli, in quanto ostacolerebbero il corretto funzionamento, in particolare degli esempi binaurali (stereo).
SUONI PURI
Cominciamo con l'ascolto di singole onde sinusoidali pure. La prima è un "la" centrale (440Hz), mentre la seconda è più alta di una quinta giusta, quindi un "mi" (660Hz). Entrambi i suoni sono monofonici, così che sembrano suonare al centro della tua testa (se indossi le cuffie), oppure direttamente di fronte a te (se ascolti attraverso gli altoparlanti).
440Hz (la) onda sinusoidale
660Hz (mi) onda sinusoidale
SOMMA E MISSAGGIO
Il primo esperimento di somma che effettuiamo è quello definito "somma stereofonica". Il "la" (440Hz) è riprodotto sul canale sinistro, mentre il "mi" (660Hz) è riprodotto sul canale destro. Probabilmente riesci a sentire ogni suono singolarmente. Puoi però percepire le due note anche come intervallo musicale, o meglio come un accordo di due note. Limitandoci a queste considerazioni, il tuo cervello somma le due note che arrivano da canali separati in ciascun emisfero cerebrale.
Somma stereo 440/660Hz
Questo esempio, tra l'altro, è utile per controllare la separazione stereofonica del tuo impianto d'ascolto. In alcuni degli esperimenti che seguono, per ottenere i risultati migliori è necessaria una condizione ragionevolmente buona del vero binaurale (canali sinistro e destro indipendenti). Ascolta un solo auricolare per volta (coprendo l'altro con la mano), in ogni auricolare dovresti udire un unico suono, con pochissima interferenza.
Ora sommiamo i due suoni in un unico segnale monofonico (canali destro e sinistro uguali, questa somma è definita come "somma mono o reale"). Acusticamente abbiamo solo sommato i due suoni. Come dimostra il grafico dell'analisi nel dominio della frequenza qui di seguito, il suono risultante contiene solo le due frequenze, a 440Hz ("la") e 660Hz ("mi"). Qui è dove entra in gioco la parola "psico" in psicoacustica.
Somma mono 440/660Hz
È abbastanza comune che a volte si sentano due suoni distinti, proprio come nel caso dell'esperimento di somma stereo. Altre volte il suono più grave può essere predominante, con il suono più acuto che aggiunge unicamente "colore" o modifica il timbro. Ripetendo l'ascolto un certo numero di volte, il suono più acuto tende a "scomparire" completamente, lasciando solo il suono più grave con un timbro un po' più duro, somigliante a un fagotto. Questo non dovrebbe sorprendere, dato che il suono più acuto è collegato armonicamente (anche se indirettamente) al suono più grave. Il cervello sembra sintetizzare l'ottava più alta del "mi" (1320Hz), poi sceglie di percepirla come la terza armonica del suono fondamentale.
In rare occasioni, sembra che sia presente anche un'ottava più bassa del "la" (220Hz). Se fosse il caso, ciò dimostra l'illusione del "basso fantasma". Questo effetto può essere notato anche ascoltando da un impianto stereo con altoparlanti piccoli, incapaci di riprodurre bassi profondi. L'orecchio provvede abbastanza spesso a "riempire " le frequenze mancanti, come se i piccoli diffusori stessero svolgendo un lavoro migliore di quello effettivo.
Questa volta invece di sommare misceliamo i due segnali applicando una non linearità. La funzione utilizzata è un "filtro RMS", che in sostanza quadra ogni punto del segnale sommato.
Le due frequenze originali sono riportate in grassetto, puoi notare che ora vi è una tonica inferiore (frequenza differenziale) di 220Hz ("la"), così come delle frequenze risultanti ogni 220Hz sopra ad essa.
Missaggio mono 440/660Hz
Il suono più alto (660Hz) è apparentemente scomparso del tutto, immerso nella scia delle armoniche create dal processo di miscelazione. Vero che suona un po' come un kazoo, o forse un oboe pompato con gli steroidi?
Il suono ora ha una tonalità decisamente "maggiore", a causa della presenza delle somme che si aggiungono alla terza maggiore per i suoni fondamentali e le quinte giuste. Se non riesci a sentire quello di cui stiamo parlando, ascolta l'esempio successivo, ottenuto dal precedente ma con l'applicazione di un ripido filtro passa-basso, con una frequenza di taglio appena sopra i 1100Hz, che evidenzia il segnale differenziale ("la" = 220Hz) e la quinta giusta ("mi" = 660Hz):
Missato e filtrato
NOTE FANTASMA
Ora, per una possibile spiegazione del fenomeno noto come "note fantasma": è stato riportato, soprattutto da musicisti suonatori di legni, che due strumenti che suonano simultaneamente note diverse possono generare un suono estraneo, ma chiaramente udibile, più alto. L'interpretazione comune è che la nota fantasma rappresenta la somma delle frequenze delle due note "reali".
Ciò che accade, più probabilmente, è che sono le "armoniche condivise", giusto per coniare un termine, le responsabili dell'effetto delle note fantasma. Supponiamo di avere un suono con la sua fondamentale in "la" (440Hz) e un forte contenuto in nona armonica (9 * 440Hz = 3960Hz, che è vicino a una sedicesima maggiore, o un'ottava sopra una nona maggiore). Ora prendiamo una seconda nota, in "mi" (660Hz) e supponiamo che abbia una sesta armonica evidente (una quinta giusta, su di un'ottava). Effettuando un calcolo, ne risulterebbe nuovamente 660Hz * 6 = 3960Hz. In un caso come questo, le due armoniche diverse potrebbero aumentarsi a vicenda, soprattutto in un'immagine stereofonica.
Ecco una dimostrazione. Come si può vedere, il suono dell'oboe prodotto da un sintetizzatore si adatta molto bene ai requisiti di cui sopra (sesta e nona armonica forti). Vediamo se riusciamo a sentire un "si" alto fantasma quando suoniamo simultaneamente un "la" (440Hz) e un "mi" (660Hz). Per prima cosa, le due note separate. Lo spettrogramma del "la" è riportato qui di seguito.
Suono dell'oboe, la (440Hz), mono
Suono dell'oboe, mi (660Hz), mono
Se hai un buon orecchio musicale, potresti riconoscere la nona armonica ("si" alto) nella nota "la". È tuttavia improbabile che lo si senta nella nota "mi", a causa della tendenza della quinta giusta di "nascondersi" nella fondamentale, come nell'esempio di somma mono trattato in precedenza.
Qui subentra un'altra illusione. A causa della seconda e quarta armonica molto forti in questo suono, può sembrare che la frequenza fondamentale sia di un'ottava, o anche di due ottave superiore alla realtà. Fai il confronto con le onde sinusoidali pure che abbiamo ascoltato all'inizio (tracce 1 e 2) e capirai cosa si intende.
Infine, ascolta entrambe le note suonate simultaneamente. Il "la" è posizionato un po' a sinistra del centro dell'immagine stereo, mentre il "mi" è spostato a destra. Senti il "si" alto nel punto morto del campo stereofonico? Questa è la nota fantasma!
Nota fantasma
FREQUENZE DI BATTIMENTO
Un altro fenomeno interessante è quello delle "frequenze di battimento", spesso spiegato come un processo di missaggio psicoacustico. La realtà della percezione della frequenza di battimento è innegabile, come dimostrato dal prossimo esperimento. Anche in questo caso, tuttavia, il fenomeno può essere spiegato senza dover risalire alla non-linearità (missaggio) nella nostra percezione del suono.
Finora abbiamo sperimentato solo suoni con differenza di frequenza (nota anche come frequenza di battimento) piuttosto elevata. Cosa succede se la differenza tra i due suoni è molto piccola, risultante in una frequenza di battimento di pochi Hertz? I due esempi sonori qui di seguito sono a 440Hz e 443Hz - questo rappresenta una differenza di tonalità di circa 12 cent. Se ascolti un paio di volte in successione gli esempi, sentirai la leggera differenza d'intonazione.
440Hz onda sinusoidale
443Hz onda sinusoidale
Adesso ascolta i due suoni sommati in un segnale mono. Non avrai problemi a riconoscere la frequenza di battimento.
440Hz + 443Hz, mono
Cosa succede in questo caso? Sono l'orecchio e il cervello che effettuano un missaggio non lineare per percepire la frequenza differenziale di 3Hz? Forse no. Per una spiegazione alternativa, diamo prima un'occhiata a come appare la forma d'onda nel dominio del tempo:
Per capire meglio cosa capita, diamo un'occhiata alla versione "estesa" qui di seguito. Questa è come potrebbe apparire l'onda se le frequenze sommate fossero a 50Hz e 53Hz.
Nota che l'onda ha un "inviluppo" distinto, o fluttuazione ripetitiva a forma d'onda dell'ampiezza massima. In un certo senso, si comporta come un suono di frequenza unica, modulato dall'inviluppo di 3Hz. Quanto succede, è che l'orecchio percepisce quell'unico suono nel dominio della frequenza, e l'inviluppo nel dominio del tempo.
Questa teoria si basa sulla constatazione che con l'aumento della differenza tra i due segnali, il battimento diventa ovviamente sempre più veloce, per poi diventare una sorta di "gorgheggio". A un certo punto, corrispondente a circa un quarto di un semitono, il suono si modifica da singola nota modulata, in due note distinte, dissonanti.
L'orecchio non riesce a percepire in nessun momento una bassa bassa frequenza. Riportiamo un esempio qui di seguito, si tratta di un "la" (1760Hz) sommato con un suono a 1860Hz. Probabilmente lo senti come un suono singolo, modulato a 100Hz, o come due suoni dissonanti. Tuttavia, non importa quanto ci provi, non sarai in grado di percepire un suono distinto a 100Hz (basso basso). Ci sono varie illusioni legate all'udito, non sono però causate da una risposta non-lineare delle orecchie, del sistema nervoso o del cervello.
1760Hz (A) + 1860Hz, mono
Facciamo un altro esperimento, a questo punto probabilmente il più sorprendente. Sicuramente hai bisogno delle cuffie, in quanto si tratta di un esperimento binaurale. Come in precedenza, usiamo un "la" (440Hz) e un suono a 443Hz, solo che questa volta isoliamo ogni frequenza in un proprio canale - 440Hz nell'orecchio sinistro e 443Hz in quello destro.
440Hz (A) + 443Hz, binaurale
Il risultato sorprendente è che si sente pochissimo "battimento", ammesso di sentirlo. Si sentono piuttosto due suoni distinti un po' dissonanti, oppure lo si può percepire come un unico suono "spalmato" nel campo stereofonico. Qualsiasi gorgheggio residuo percepito è dovuto molto probabilmente alle imperfezioni della separazione stereo nella catena di elaborazione che va dalla registrazione alla riproduzione.
Questo indica che il cervello non fa alcuna somma, per non parlare di missaggio non lineare, su segnali puramente binaurali (orecchio sinistro completamente indipendente dall'orecchio destro). Come nota pratica, se utilizzi l'effetto di battimento per accordare due strumenti tra di loro, sentirai un battimento più netto se entrambi gli strumenti sono vicini tra loro e direttamente di fronte a te (simulando cioè un segnale monofonico) che se fossero posizionati direttamente alla tua destra e alla tua sinistra (generando cioè un segnale binaurale).
NOTE RISULTANTI
Terminiamo questa serie di esperimenti con uno particolarmente interessante. Possiamo dimostrare una "risultante" di un organo con dei mezzi elettronici? Ecco un mp3 con un'imitazione di un diapason di organo a canne. Sono suonati circa due secondi di un "do" basso (la frequenza più bassa è di circa 65.5Hz, vale a dire la gamma di canne da 16'), poi suoniamo il "sol" al di sopra di esso. Riesci a sentire una canna da 32' (un "do" molto basso a 32.75Hz)?
Diapason di un organo, mono
Giusto per riferimento (e per il gusto di farlo) qui sotto mostriamo un sonogramma di questo suono. Il sonogramma è un altro modo di tracciare i suoni nel dominio della frequenza. Esso mostra le modifiche di un suono mentre viene eseguito, e può quindi essere visto come una sorta di "impronta vocale ". Il tempo è tracciato orizzontalmente mentre la frequenza è mostrata in verticale. Il colore indica l'intensità di una certa componente di frequenza in un determinato momento.
Come puoi vedere nel sonogramma, quando inizia a suonare la quinta giusta non c'è nemmeno un accenno ad alcuna ottava più bassa. È ancora una volta la conferma che quello che senti (se lo senti) è il tuo cervello umano al lavoro, e non un fenomeno "fisico".