Strumenti musicali

Questo articolo è estratto da The Audio Expert di Ethan Winer. Puoi leggere di più su questo libro sul sito web di Ethan: http://ethanwiner.com/book.htm

Per gli strumenti ad arco come violini e violoncelli, la qualità del tono, o timbro, è influenzata dalla posizione della corda in cui si trova l'arco, da quanto forte viene premuto contro la corda e da quanto velocemente viene strofinato lungo la corda. Questi tre parametri variano il timbro attraverso tutta la sua gamma di possibilità. Qui, il timbro descrive i volumi relativi della nota fondamentale e dei suoi molti multipli armonici.

Con gli strumenti a fiato, la forma delle labbra e della bocca e la forza con cui si soffia determinano il timbro. Soffiare più forte crea armoniche che sono più forti rispetto a quando si soffia con meno forza. Lo stesso vale per strumenti pizzicati come la chitarra o il banjo: colpire la corda più forte o vicino a un'estremità crea un contenuto armonico più forte. Lo stesso principio si applica agli strumenti acustici. Maggiore è la forza con cui si soffia in una tromba o un oboe, o si colpisce un tamburo, più brillante sarà il suono. Anche i soprano dei tamburi variano in livello a seconda di dove si colpiscono e di quanto forte. Colpire un tamburo vicino al bordo rende i soprano più forti rispetto alla fondamentale, rispetto a colpirlo vicino al centro. Questo vale praticamente per ogni altra fonte sonora acustica che si verifica in natura.

Molte persone non si rendono conto che apprendere a controllare l'arco è la parte più difficile di suonare un violino o un violoncello. L'arco è la voce dello strumento, e tutto il resto è secondario. Certamente, ci vogliono anni per sviluppare il controllo motorio fine necessario per posizionare le dita esattamente nel posto giusto sul manico - essere sbagliati di appena pochi millimetri può rendere una nota seriamente stonata. Ma controllare l'arco è ancora più difficile. È simile per strumenti a fiato come il sax e l'oboe. Dopo un anno o due, uno studente dedicato può imparare a mappare le note sulla partitura stampata con i tasti equivalenti automaticamente senza pensarci. Ma sviluppare il necessario controllo del respiro e della bocca è molto più difficile, richiedendo migliaia di ore di pratica nel corso di molti anni per padroneggiarlo veramente.

Tipi di Strumenti

Ci sono due tipi fondamentali di strumenti musicali: strumenti a percussione, dove il suono viene generato una volta e poi svanisce autonomamente come nel caso di un pianoforte o di un piatto, e strumenti sostenuti dove il musicista ha controllo continuo sulla durata, il volume, il timbro e il vibrato come nel caso di un violino o di un trombone. Ad esempio, un violinista può iniziare una nota dolcemente utilizzando una velocità dell'arco lenta, poi aumentare il volume tirando l'arco più rapidamente, quindi aumentare la brillantezza della nota avvicinando l'arco al ponticello, infine aggiungendo un vibrato che gradualmente diventa più veloce. Queste variazioni nel tempo rendono la musica più espressiva e quindi più interessante da ascoltare.

Gli strumenti a percussione possono anche essere suonati in modo espressivo e sostenuto, come un roll su un tamburo rullante o timpano, dove il tamburo viene colpito ripetutamente. Un roll può anche cambiare la qualità tonale nel tempo, variando la forza con cui colpisci il tamburo e dove, così come la velocità di ripetizione del roll. Allo stesso modo, i mandolinisti creano un tremolo sostenuto pizzicando ripetutamente la stessa nota rapidamente, per continuare la nota indefinitamente. Ma a mio avviso, gli strumenti rientrano in queste due categorie di base - percussivi e sostenuti.

Oltre a controllare il tono con la tecnica di suono, un altro fattore che influisce sul timbro di uno strumento percepito da un pubblico o un microfono è la sua direttività. Come con i diffusori, le piastre di legno vibrante di un violino irradiano in modo più direzionale ad alta frequenza. Sotto circa 400 Hz, i violini irradiano quasi omnidirezionalmente, ma a 4 o 5 KHz quasi tutto il suono va verso l'alto in un fascio stretto, con pochissima energia inviata in avanti. Gli strumenti a ancia come il clarinetto e il sax eseguono anche irradiazioni in diverse direzioni a diverse frequenze, così come da diverse parti dello strumento a seconda dei tasti premuti. In una sala da concerto, l'intero spettro sonoro raggiunge il pubblico in gran parte tramite riflessi dal muro del palcoscenico dietro ai performer, e dal soffitto flared e dai muri laterali angolati.

I capitoli precedenti hanno spiegato che un analizzatore FFT può mostrare la quantità di energia a diverse frequenze in una registrazione, e questo strumento può anche analizzare l'output degli strumenti musicali. Comprendere lo spettro degli strumenti aiuta a diventare un miglior programmatore di sintetizzatori, ingegnere di missaggio, arrangiatore orchestrale, o semplicemente un ascoltatore più informato e appassionato. Ad esempio, un basso elettrico ha spesso meno energia alla frequenza fondamentale rispetto alle prime armoniche, a seconda di dove lungo la sua lunghezza la corda è pizzicata. Molta della pienezza degli strumenti bassi è determinata dal livello della seconda armonica, quindi portarla in evidenza con l'EQ può rendere il mix solido senza fare affidamento su frequenze molto basse che sono difficili da riprodurre da molti diffusori a volumi elevati.

La figura 1 mostra lo spettro del mio basso elettrico Fender Precision che svolge una nota A bassa, quando pizzicato con un dito direttamente sopra il pickup. Puoi vedere che i componenti armonici secondo e terzo sono più forti della fondamentale. Tuttavia, pizzicare la corda più lontano dal ponticello, più vicino al centro della corda, crea un tono più morbido avente più fondamentale con armoniche più soffici. Pizzicare una corda con meno forza riduce anche il contenuto armonico.

Figura 1: A seconda di dove pizzichi una corda e con quale forza, la frequenza fondamentale può essere più flebile rispetto ad alcune armoniche. Questa FFT mostra lo spettro di una nota A bassa su un Fender Precision Bass quando pizzicata con un dito, senza EQ applicata. Puoi vedere che la seconda armonica a 110 Hz è circa 7 dB più forte della fondamentale a 55 Hz e la terza armonica a 165 Hz è circa 3 dB più forte della seconda armonica.

La figura 2 mostra un FFT della stessa nota A bassa registrata da un pianoforte a coda Yamaha. Di nuovo, la fondamentale è più flebile della seconda armonica, che a sua volta è più flebile della terza armonica. Tuttavia, un pianoforte ha un suono più brillante di un basso elettrico suonato con le dita (anziché con un plettro), e questo è riflesso nel fatto che le armoniche superiori calano di livello molto meno rapidamente rispetto a un basso elettrico.

Figura 2: Le note basse su un pianoforte spesso hanno meno energia alla frequenza fondamentale rispetto alle prime armoniche, sebbene le armoniche più alte calino meno rapidamente rispetto a un basso elettrico.

La Serie Armonica è Stonata

Le corde vibranti su un violino o una chitarra, e l'aria vibrante negli strumenti a fiato e a ottone, creano armoniche, chiamate anche soprano, che seguono una serie matematica specifica. La frequenza più bassa è la fondamentale, e ogni armonica è un multiplo intero di quella frequenza. Le armoniche delle onde statiche come la dentata e il pulse seguono anch'esse la stessa serie. La Tabella 1 mostra la serie armonica di una nota A bassa la cui frequenza fondamentale è 55 Hz, e ogni armonica è 55 Hz più alta della precedente.

Tabella 1: La serie armonica della maggior parte degli strumenti musicali segue questa stessa sequenza di base, diventando stonata a qualche frequenza più alta. Questa tabella mostra le prime 15 frequenze prodotte da una nota A bassa, e puoi vedere che l'intonazione della quinta armonica è fuori di quasi un percento. All'11ª armonica, che può essere udibile su uno strumento sonoro brillante suonando una nota bassa, la frequenza è fuori di tre percento. La distanza musicale tra due note adiacenti è di circa sei percento, quindi tre percento è seriamente stonato!

Le armoniche di solito diventano più flebili man mano che salgono, quindi una singola nota non suona necessariamente stonata con se stessa. Anche se l'11ª armonica è fuori di tre percento, che è molto a metà di un intervallo musicale, su questo particolare pianoforte e posizione del microfono è 11 dB più flebile della fondamentale. È anche parzialmente mascherata da tutte le altre armoniche che sono in sintonia.

Le note fondamentali disponibili sugli strumenti a ottone seguono anch'esse la serie armonica mostrata nella Tabella 1. Consideriamo il corno, che è simile a una tromba, ma senza valvole per variare la lunghezza del tubo. I corni possono suonare solo note nella serie armonica, che il musicista seleziona regolando la forma della bocca e delle labbra, conosciuta collettivamente come embouchure. Ci sono molti “standard” ben noti nella letteratura del corno, come Taps e Reveille. Tutte le melodie da corno contengono solo la stessa gamma limitata di note - fondamentalmente le note dell'accordo di una tonalità maggiore. Man mano che un corno suona note più alte, le fondamentali sono intrinsecamente stonate, richiedendo al musicista di regolare la sua embouchure, e di soffiare più forte o più delicatamente per forzare l'intonazione corretta. Quando un musicista regola l'intonazione di una nota in questo modo, si dice che “lippa” la nota.

Per inciso, una singola nota suonata su una chitarra può sembrare stonata se le corde sono vecchie. Le corde spesso si allungano in modo non uniforme, creando una o più porzioni più sottili. A seconda di dove si trovano i punti sottili lungo la lunghezza della corda, alcune delle prominenti armoniche basse possono sembrare stonate rispetto alla fondamentale. È molto difficile accordare una chitarra con corde vecchie!

Come usato qui, il termine “armonico” si riferisce alla serie naturale degli overtones di una corda vibrante, o della colonna d’aria vibrante in uno strumento a fiato. Un altro tipo di armonico è creato artificialmente con strumenti a corda posizionando leggermente un dito sulla corda in posizioni specifiche mentre si pizzica o si suona con l’arco. Toccare leggermente una corda in un punto a metà della sua lunghezza genera una nota un'ottava più alta della corda aperta. Premere con fermezza la corda contro il manico produce una nota con le solite armoniche, ma questo tipo di armonico è più vicino a un'onda sinusoidale pura. Altre posizioni lungo il manico fanno lo stesso - posizioni comuni sono 1/3 e 1/4 della lunghezza, ma funzionano anche altre divisioni intere. In effetti, fare ciò a 1/7 della lunghezza del manico crea la stessa settima musicale stonata (più due ottave) dell'overtones che si verifica naturalmente all'interno di una singola nota.

Temperamento Equabile

Il temperamento equabile è un metodo di accordatura che utilizza un intervallo fisso tra note adiacenti, piuttosto che seguire la serie armonica naturalmente presente. Il temperamento equabile divide un'ottava in dodici intervalli equidistanziati, chiamati semitoni musicali. Il rapporto esatto tra una nota e la nota superiore successiva è 1,0595 a 1, dove 1,0595 è la dodicesima radice di 2. I tasti su un manico di chitarra sono disposti in questo rapporto, e tutti i moderni misuratori di accordatura utilizzano questo metodo per mostrare se l'intonazione è troppo alta o troppo bassa.

Centinaia di anni fa, gli strumenti a ottone non avevano valvole. Come un corno, i primi corni e trombe potevano produrre solo un numero limitato di note specifiche. Anche se un corno F senza valvole può suonare un Do alto, quella nota è stonata rendendo il corno inadatto a suonare musica nella tonalità di Do. Così, i musicisti dovevano possedere più strumenti, ciascuno progettato per suonare in una tonalità diversa, o inserire croci sostituibili - brevi sezioni di tubo - per variare la lunghezza complessiva del tubo. Cambiare i croci durante una performance richiede tempo, quindi le valvole furono aggiunte a trombe e corni francesi intorno al 1815. Questo ha anche permesso ai musicisti di suonare note nella scala equabile piuttosto che solo note nella serie armonica.

Il concetto di temperamento equabile risale a migliaia di anni fa, ma J.S. Bach lo ha sostenuto e reso una realtà moderna. Il suo Clavicembalo ben temperato del 1722 è una serie di 24 pezzi - uno in ciascuna tonalità maggiore e minore - scritti per gli strumenti a tastiera della sua epoca. Questo ha avuto un grande impatto musicale e tecnico, perché ha permesso alle composizioni musicali di modulare in tonalità lontane senza che alcuni strumenti suonassero stonati.

Un altro metodo di accordatura chiamato giusta intonazione accorda le quinte a frequenze armoniche esatte. In tal caso, la nota E più bassa nella Tabella 1 sarebbe accordata a 165 Hz invece di 164,8 Hz. I musicisti a corda spesso accordano i loro strumenti in questo modo suonando le corde aperte adiacenti mentre ascoltano i toni di battimento - un lento cambiamento di volume mentre due note si avvicinano a un perfetto unisono. Suoni entrambe le note contemporaneamente e regoli l'accordatura di una fino a quando il pulsare rallenta fino a fermarsi. Non c’è differenza tra suonare due note contemporaneamente con tonalità leggermente diverse, o una nota che è modulata in ampiezza da un effetto tremolo lento. Il suono risultante, l'onda sonora e lo spettro sono identici.

Un'altra tecnica di accordatura utilizza le armoniche per ottenere un perfetto unisono. Toccare leggermente una corda A della chitarra al settimo tasto crea una nota E un'ottava e mezza più alta della corda aperta. Toccare leggermente la corda E sotto la A al suo quinto tasto crea la stessa nota E. Così puoi suonare entrambe le armoniche, una dopo l'altra lasciando entrambe continuare a suonare, e accordare una delle due corde fino a quando il battito rallenta fino a fermarsi. L'accordatura tramite armoniche è particolarmente utile per i bassi, perché la nostra percezione dell'intonazione è scarsa alle basse frequenze.

Molti musicisti suonano intenzionalmente note leggermente acuti o flat per espressione o effetto. Se non per tutta la durata della nota, possono scorrere verso una nota da un tono più basso. Suonare una nota leggermente flat può proiettare un senso di calma, e suonare leggermente acuto aggiunge tensione. Ancora una volta, parlo di quantità estremamente piccole, nell'ordine di cinque o dieci centesimi - 1/100 di un semitono musicale. Suonare intenzionalmente stonato è facile con strumenti senza tasti come il violino o il violoncello, e i musicisti a fiato lo fanno variando la loro embouchure. I chitarristi cambiano l'intonazione in quantità grandi o piccole piegando le corde, che è uno dei motivi per cui le loro corde possono allungarsi in modo non uniforme come menzionato in precedenza. I musicisti possono anche suonare leggermente dietro il tempo, o un po’ in anticipo - diciamo, 10 a 30 millisecondi - per aggiungere un senso di calma o tensione.

Strumenti “Wood Box”

Così come per le stanze d’ascolto, anche gli strumenti realizzati con una "scatola" di legno cavo di qualche tipo hanno modi risonanti le cui frequenze sono correlate alle dimensioni della scatola. Per evitare che le risonanze modali rendano alcune note molto più forti di altre, violini, chitarre e altri strumenti “wood box” sono progettati con una forma curva irregolare. Questi strumenti hanno ancora modi, ma le curve continue lungo i lati minimizzano un forte accumulo a frequenze singole e i loro multipli.

Similmente alle stanze, quando un modo risonante è vicino, ma non esattamente a, una frequenza che viene suonata, il risultato è una frequenza di battimento stonata causata dalla differenza di frequenza. Questo produce un effetto noto come tono lupo, ed è più evidente nei violoncelli e nei bassi acustici rispetto a strumenti “wood box” più piccoli. In molti violoncelli, una forte risonanza si verifica da qualche parte tra l'E a 164,8 Hz e il F# a 185 Hz. Se la risonanza è esattamente accordata con la frequenza di una nota standard o meno, quella nota suonerà più forte delle altre, e sarà più difficile per il musicista controllarla con l'arco. Anche i violoncelli di alta qualità possono avere toni lupo, e sono disponibili vari dispositivi che si attaccano al corpo del violoncello o a una corda bassa per ridurre l'effetto.

Gli strumenti “wood box” hanno anche uno o più fori nella tavola frontale per permettere alle frequenze più basse di fuoriuscire. Le chitarre acustiche tipicamente hanno un foro rotondo singolo di circa quattro pollici di diametro, e gli strumenti nella famiglia del violino hanno due fori a forma di “f” in minuscolo, chiamati appropriately, fori F. Tutti gli strumenti “wood box” producono suono utilizzando lo stesso principio di base del violoncello mostrato nella Figura 3. Quattro o più corde sono tese rigidamente sopra il manico, con entrambe le estremità ancorate solidamente dai piroli di accordatura e dal pezzo della coda. La lunghezza vibrante attiva delle corde è compresa tra il nut a un'estremità vicino ai piroli di accordatura e il ponticello che poggia sul corpo. Questi tengono anche le corde in posizione lateralmente. Gli stessi nomi sono usati per i pezzi correlati su chitarre acustiche e banjo, anche se su quegli strumenti il ponticello e il pezzo della coda sono un'unità unica chiamata sella. Il muto per violoncello mostrato qui è un piccolo blocco di gomma che viene posizionato sul ponticello per attutire parzialmente la sua vibrazione.