Laboratorio di Fenomeni ondulatori II anno CdL in Fisica
Introduzione
I suoni a frequenza determinata, quali quelli emessi nel pronunciare le vocali ad intonazione fissa o da uno strumento musicale che suona una sola nota, possono essere analizzati in termini di forma d’onda e di spettro delle armoniche. In questo modo si può determinare il timbro specifico della sorgente (voce o strumento). Tale analisi è alla base degli algoritmi di riconoscimento vocale (individuare le differenze spettrali a parità di suono/parola emessa), di comando vocale (riconoscere le sillabe in base alla loro struttura invariante) e sintesi vocale (riprodurre una parola a partire da un testo).
Misura 5 – Spettro sonoro.
Obiettivi
MISURA: Determinare la forma d’onda e le ampiezze delle armoniche di suoni di diversa natura acquisiti attraverso un microfono.
ELABORAZIONE: Analizzare il segnale ottenuto nel tempo ed in frequenza.
Figura 1. Schema di connessione Strumenti e materiali necessari
• Oscilloscopio digitale
• Microfono amplificato
Procedura di misura
1) Montare l’apparato come in Figura 1:
a) connettere il microfono al canale 1 dell’oscilloscopio b) accendere l’amplificatore del microfono
2) Oscilloscopio:
a) Verificare che il canale 1 sia attivo.
b) Impostare la scala dei tempi a 10 ms.
c) Impostare la scala verticale per i canali CH1 su un fondo-scala opportuno.
CH1
Amplificatore
Microfono
d) Impostare l’offset del canale CH1 su 0.000 V.
e) Impostare la modalità di trigger su Autolevel per il canale CH1 e l’edge sul CH1.
3) Porre il microfono accanto alla bocca lateralmente, pronunciare una vocale a scelta con tono continuo ed impostare la scala dei tempi in modo da avere fra 5 e 15 oscillazioni per ogni divisione orizzontale. Verificare che la scala verticale sia adatta a misurare l’intensità del segnale proveniente dal microfono (non eccedere con l’intensità!). Il segnale acquisito in funzione del tempo, che corrisponde a f(t), è quello prodotto dal microfono come trasduttore del segnale sonoro.
4) Attivare il menu Math al centro fra i cursori di controllo verticale CH1 e CH2 ed impostare su FFT (verificare sul sottomenu che le impostazioni siano quelle standard attraverso la softkey preset). Il grafico che si sovrappone al precedente corrisponde alla trasformata di Fourier di f(t), ovvero a F(ν) con ν la frequenza.
5) Impostare la modalità di Saving dei dati nel menù File – Save/Recall in modo che i dati siano salvati su Floppy Disk nel formato CSV.
6) Emettere i seguenti suoni con intensità e tono simili e, dopo pochissimi secondi, quando sullo schermo appaiano decine di oscillazioni di grande ampiezza, bloccare la misura agendo sul tasto [Run/Stop] e salvare su Floppy Disk i dati premendo il tasto [Quick print]. I dati salvati su floppy corrispondono a quanto presente sullo schermo dell’oscilloscopio ovvero a f(t) e F(ν): è quindi importante che siano visibili sia il segnale acquisito dal microfono che la FFT dello stesso.
a) Fischio continuo (1a misura).
b) Studente A
i) Vocale “o” (2a misura) ii) Vocale “a” (3a misura) iii) Vocale “u” (4a misura) c) Vocale “o”
i) Studente B (5a misura) ii) Studente C (6a misura)
NO SI
Posizione del microfono (vista dall’alto)
iii) Studente D (7a misura)
Percorso alternativo o aggiuntivo:
Al posto dei passi b) e c) si possono eseguire i seguenti passi:
b’) Suonare con lo strumento A le seguenti note della stessa ottava i) DO (2a misura)
ii) FA# (3a misura) iii) SI (4a misura)
c’) Suonare con 3 strumenti diversi la stessa nota i) Strumento A (5a misura)
ii) Strumento B (6a misura) iii) Strumento C (7a misura)
Elaborazione
Elaborare i dati in modo da rispondere alle seguenti domande:
1) Confrontare per via grafica i dati salvati f(t) relativi misure individuando le differenze in forma d’onda e periodo
a. Sequenza studente A, diverse vocali (Strumento A, diverse note);
b. Sequenza vocale “o”, diversi studenti (Strumenti diversi, stessa nota);
c. Confronto vocale “o” studente A – fischio (Strumento A prima nota, fischio)
Si consiglia di normalizzare i dati per una migliore rappresentazione e di visualizzare 3 o 4 periodi in modo da apprezzare la forma d’onda.
2) Utilizzare i dati F(ν) forniti dalla routine FFT per ottenere lo spettro in frequenza delle vocali (note) emesse nelle sette misure e confrontare per via grafica e tabulare i dati ottenuti sia in valori assoluti che in termini relativi (Att.ne: le misure dell’intensità dello spettro sono riportate in dBV*).
3) Attraverso l’analisi comparata degli spettri F(ν), descrivere la composizione degli spettri delle misure 2, 3, 4 in termini di quantità armoniche presenti e loro intensità relative. Si consiglia di utilizzare gli spettri in frequenza relativa alla fondamentale per eliminare la dipendenza dall’eventuale variazione del tono utilizzato nell’emettere le vocali.
4) Discutere le differenze e le similitudini fra gli spettri delle misure 2, 5, 6, 7 al variare della sorgente (studente o strumento). Si consiglia di utilizzare gli spettri in frequenza relativa alla fondamentale per eliminare la dipendenza dall’eventuale variazione del tono utilizzato nell’emettere le vocali.
* L’intensità misurata in decibel (dBV) è pari a con A0 ampiezza relativa ad un segnale di 1 Vrms (rms = root mean square) ovvero ad un segnale A0=1,44 V.
Tabelle dati
Misura 1 Misura 2 Misura 3 Misura 4 Misura 5 Misura 6 Misura 7 Amp Fondamentale
Freq Fondamentale Amp 2° armonica Freq 2° armonica Amp 3° armonica Freq 3° armonica Amp 4° armonica Freq 4° armonica Amp 5° armonica Freq 5° armonica Amp 6° armonica Freq 6° armonica Amp 7° armonica Freq 7° armonica Amp 8° armonica Freq 8° armonica Amp 9° armonica Freq 9° armonica
Tabella misure assolute
Misura 1 Misura 2 Misura 3 Misura 4 Misura 5 Misura 6 Misura 7
Amp Fondamentale 1 1 1 1 1 1 1
Freq Fondamentale 1 1 1 1 1 1 1
Amp 2° armonica Freq 2° armonica Amp 3° armonica Freq 3° armonica Amp 4° armonica Freq 4° armonica Amp 5° armonica Freq 5° armonica Amp 6° armonica Freq 6° armonica Amp 7° armonica Freq 7° armonica Amp 8° armonica Freq 8° armonica Amp 9° armonica Freq 9° armonica
Tabella misure relative
