Lo studio del suono e delle sue caratteristiche rientra nella branca della fisica nota, appunto, come fisica acustica. Il suono è comunemente definito come un moto vibratorio prodotto e condotto per mezzo di corpi elastici: un corpo si definisce elastico quando, investito da una perturbazione (lo scostamento di un fenomeno dal suo andamento regolare), modifica la propria forma e il proprio volume, riprendendo le caratteristiche originarie al cessare della perturbazione stessa. L’entità e la durata della deformazione saranno direttamente proporzionali alla forza impressa sul corpo o mezzo. Affinché sia prodotto un suono, è pertanto necessaria la presenza di un corpo elastico che entri in vibrazione (sorgente) sotto effetto di una forza, facendo in modo che tale perturbazione si trasmetta e si propaghi attraverso un ulteriore mezzo elastico (mezzo di propagazione, generalmente l’aria), raggiungendo e mettendo in vibrazione un nuovo corpo elastico (ricevitore). La propagazione è difatti uno spostamento di energia, tanto più rapido quanto più stretti sono i legami costituenti il mezzo di propagazione, per cui più veloce nei corpi solidi (ad esempio 6000 m/s nel granito), meno rapida in quelli liquidi (1450 m/s in acqua), ancor meno in aria (valore variabile in base ai livelli di temperatura, pressione, umidità47).
Ogni particella elastica, investita da una forza perturbante, compie un movimento
oscillatorio che la spinge in una posizione distante da quella assunta in fase di quiete48,
per poi tornare nella posizione iniziale, compiere un movimento nel verso opposto, e ritornare infine allo stato di riposo. La particella eccitata entra a contatto con quelle ad essa attigue, creando una sorta di effetto a catena, per cui tutto il corpo elastico verrà coinvolto da tale andamento, iniziando a vibrare. Si creano in questo modo zone di maggiore addensamento (condensazione), alternate a zone di rarefazione, mentre in assenza di suono la posizione delle particelle sarà di reciproca equidistanza. È per questa natura legata al comportamento fisico della materia che la propagazione del suono viene percepita e rappresentata sottoforma di onde, o meglio di oscillazioni.
47 La velocità di propagazione del suono in aria secca, a temperatura ambiente (20°C) è di 344 m/s. 48 Risale già a Vitruvio la scoperta di una certa analogia fra il meccanismo di propagazione del suono e
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Figura 1 – Oscillogramma di un’onda sinusoidale in funzione del tempo
Nella Figura 1 si osserva la rappresentazione grafica dell’andamento di un’onda sonora in funzione del tempo (oscillogramma); le caratteristiche dell’onda, desumibili da tale rappresentazione, risultano fondamentali ad ottemperare qualsiasi analisi condotta sul suono: l’asse delle ascisse rappresenta il tempo espresso in secondi, l’asse delle ordinate l’ampiezza dell’onda (o intensità, espressa in deciBel, dB), determinata dalla forza impressa sulla sorgente sonora (distanza b-B, d-D, f-F, h-H). I punti A, C, E, G e I rappresentano i momenti di quiete o riposo dell’onda, mentre B, D, F e H i momenti di perturbazione. Dal punto A al punto E l’onda compie un’oscillazione completa49,
definita come periodo. Il numero di oscillazioni complete compiute in un’unità di tempo (generalmente corrispondente a un secondo) determina la frequenza del suono (espressa in Hertz, Hz), mentre la distanza fra due creste (B-F, o D-H) rappresenta la distanza percorsa dall’onda nel compimento di un periodo, ed è nota come lunghezza d’onda (espressa in lambda, λ).
Il suono esemplificato in precedenza è costituito da un’onda sinusoidale semplice e periodica; si parla di andamento periodico in riferimento ad onde in cui ogni ciclo risulta simmetrico, in durata e ampiezza, rispetto a quello precedente e quello immediatamente successivo; i suoni aperiodici sono, al contrario, caratterizzati da periodi totalmente asimmetrici e sempre differenti, composizione caratteristica dei
rumori. Bisogna specificare che i suoni presenti in natura, e i suoni stessi del
linguaggio, essendo soggetti a fenomeni di diffrazione, riverberazione, eco,
49 Partenza da un punto di quiete (A) e ritorno alla stesso stato di quiete (E), passando per un ciclo di
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assorbimento o interferenze varie, vengono costantemente alterati. Per tale ragione, è raro, in primis, riscontrare suoni costituiti da un’onda semplice, dal momento che la quasi totalità dei suoni conosciuti è costituita da onde complesse, risultanti dalla somma di più onde semplici (toni puri)50. Inoltre, tutti i suoni sono soggetti a fenomeni di smorzamento, il che significa che, col progressivo allontanamento dalla sorgente sonora, i cicli compiuti non sono più completamente simmetrici gli uni rispetto agli altri, ma vengono pian piano a modificarsi, facendo sì che il suono non risulti sempre esattamente periodico.
Si può concludere sostenendo, quindi, che quando si parla di suoni linguistici si ha a che fare con suoni complessi e semi-periodici.
Analisi del suono
Per poter analizzare le caratteristiche di un suono, così come di un segnale vocale, si ricorre ad una serie di rappresentazioni grafiche di supporto, le quali permettono di esaminare le caratteristiche energetiche e frequenziali dell’intero segnale sonoro o di singole porzioni, sia in modo statico (in un preciso momento) che in funzione del tempo. L’oscillogramma, proposto poc’anzi (Figura 1), fa parte di tali rappresentazioni, restituendo su piano cartesiano (ampiezza/tempo) i valori di frequenza, periodicità o intensità dell’onda sonora. Fra le rappresentazioni statiche del suono, si annovera invece il cosiddetto spettro di potenza (Figura 2). Uno spettro si limita alla raffigurazione di una porzione specifica di segnale ed è costituito dai valori
50 Le caratteristiche delle singole onde componenti sono ricavabili mediante calcoli matematici, noti nel
complesso come Fast Fourier Transformation (FFT), ‘trasformata di Fourier’, tramite cui è possibile risalire alle frequenze fondamentali e ai valori di intensità delle singole onde semplici. La frequenza di un’onda complessa si identifica con la frequenza più bassa fra le armoniche componenti, conosciuta come frequenza fondamentale. Il valore delle frequenze delle altre armoniche sarà sempre un multiplo intero della prima, per cui se la prima formante avrà un valore F0, le successive armoniche varranno
rispettivamente 2F0, 3F0, etc. Il valore dell’intensità di un’onda complessa sarà invece equivalente alla
somma algebrica delle ampiezze delle singole armoniche prese punto per punto, se queste saranno tra loro in concordanza di fase (la vibrazione inizia nello stesso istante e con pari frequenza); l’intensità equivarrà alla differenza algebrica delle ampiezze delle singole armoniche prese punto per punto, se queste saranno invece in discordanza di fase, ovvero se le vibrazioni dei toni componenti inizieranno in momenti differenti, causando un cosiddetto sfasamento, calcolabile come la distanza esistente fra semplici.
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di intensità di ogni singola formante o tono componente dell’onda complessa nel tempo di circa 100 ms.
Figura 2 – Spettro di potenza (da Ferrero, 1979)
Unendo fra loro i punti di massima intensità raggiunta da ciascuna armonica si ottiene l’inviluppo spettrale, un linea che collega tutte le sommità dei picchi di frequenza raggiunti da ogni componente.
Volendo esaminare le stesse caratteristiche energetiche dell’onda, ma in funzione del tempo, occorrerebbero tanti spettri di potenza per quanti millisecondi compongono il suono. Una rappresentazione di questo genere esiste, ed è conosciuta come sonogramma, spettrogramma o spettro di segnale51 (Figura 3). In effetti, lo
spettrogramma non corrisponde ad altro se non a tantissimi spettri di potenza affiancati tra loro ed osservati dall’alto, e consente di esaminare il suono attraverso tre dimensioni: quella della frequenza (asse verticale), quella dell’intensità (zone di annerimento, corrispondenti ai picchi di intensità individuati dall’inviluppo) e quella del tempo (asse orizzontale).
Figura 3 - Esempio di sonogramma o spettrogramma di un segnale vocale
51 Delattre (1966) ricorda che i primi sonogrammi furono presentati nel 1947 da Potter, Copp e Green e
che andarono a sostituire l’analisi di immagini ottenute tramite i raggi-X, le quali non permettevano un’analisi del suono a livello acustico, ma si limitavano all’identificazione dei movimenti articolatori.
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In un sonogramma pertanto sono presenti tutte le armoniche, ma sono messe in evidenza solo quelle più intense, andando a costituire le cosiddette formanti del suono. La frequenza fondamentale sarà conosciuta come F0, le successive formanti messe in
evidenza vengono numerate in progressione (F1, F2, F3 etc.).
Filtri
Un filtro è un «dispositivo che permette di modificare determinate componenti o caratteristiche di un segnale sonoro»52. Dal momento che il suono è caratterizzato da frequenze e intensità specifiche, ogni filtro consente di operare su queste componenti in vari modi, a seconda del tipo di filtro considerato. Dato un suono e stabilito uno specifico valore di riferimento in frequenza, definito frequenza di taglio, esistono filtri in grado di trasmettere una larghezza di banda che comprenda tutte le frequenze al di sotto (filtro passa basso) o al di sopra (passa alto) del valore in Hz considerato; i filtri
passa banda, invece, consentono il passaggio di tutte le frequenze comprese tra due
valori di riferimento, o permettono di eliminare tutte quelle comprese fra essi (filtro
elimina banda) trasmettendo solo i valori al di sotto e al di sopra delle frequenze di
taglio date53. Un filtro passa-banda può anche essere identificato utilizzando il valore medio in frequenza (frequenza centrale), tra quelli espressi dalle due frequenze di taglio con cui opera. Le formanti rappresentate all’interno di un sonogramma non corrispondono ad altro se non alle frequenze centrali di un filtro; in riferimento al segnale vocale, dal momento che ogni filtro rafforza solo determinate frequenze e che, come già sostenuto, le frequenze formanti di un suono periodico o semi-periodico sono sempre dei multipli interi della frequenza fondamentale, ne consegue che è la stessa cavità orale ad agire come un filtro, rafforzando soltanto le frequenze vicine a quella che gli è propria (F0).
52 Definizione di filtro, Enciclopedia Treccani online, http://www.treccani.it/enciclopedia [10/07/2016] 53 Per ulteriori approfondimenti si rimanda a Galatà (2013), Romito (2000) e Ferrero et al. (1979).
45 Risonatori
Il rafforzamento di una determinata frequenza o gamma di frequenze è da imputare, nello specifico, al ruolo dei risonatori. Un risonatore è un oggetto elastico capace di entrare in vibrazione, se eccitato da un’onda sonora che abbia una frequenza uguale alla propria frequenza centrale. Il risonatore può anche essere costituito da una cavità, che amplifica determinate frequenze di un’onda sonora: una massa d’aria delimitata da superfici solide entra in 'risonanza' grazie al verificarsi di riflessioni multiple che si sommano 'in fase' quando la dimensione del risonatore sia un multiplo intero della lunghezza d'onda del suono eccitante. Il risultato sarà un’onda sonora con la stessa frequenza, ma con maggiore intensità, in quanto risultante della somma algebrica delle intensità delle diverse onde componenti.54
Nei suoni verbali, le cavità dell’apparato fonatorio umano assumono proprio la «funzione di filtri o di casse di risonanza che risuonano a determinate frequenze e che, rafforzando una serie di armoniche, danno origine a quelle che vengono definite formanti»55.