Strumenti Musicali - Voce [PDF]

Zitiervorschau

Acustica degli Strumenti musicali - la voce Bibliografia: University of New South Wales; Department of Music Acoustics: http://www.phys.unsw.edu.au/music/ Dr. Dan Russell, Grad. Prog. Acoustics, Penn State, http://www.acs.psu.edu/drussell/ La scienza del suono - Zanichelli Campbell and Grated - The musician’s guide to acoustics - Oxford Press Fletcher and Rossing - The physics of musical instruments - Springer-Verlag, New York, 1991 Cingolani S., Spagnolo R. - Acustica Musicale e Architettonica - Ed. Utet Università A. Frova - Fisica nella musica - ed. Zanichelli “Fisica Onde Musica” http://fisicaondemusica.unimore.it/ Morse - Vibrations and sound - Mc Graw Hill, 1948

Immagini, animazioni e video: Joe Wolf - licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Australia License Dr. Dan Russell, Grad. Prog. Acoustics, Penn State, http://www.acs.psu.edu/drussell/ Joe Wolf - licensed under a Creative Commons Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 2.5 Australia License http://fisicaondemusica.unimore.it: Licenza Creative Commons: Attribuzione - Non commerciale Condividi allo stesso modo 2.5 o successive.

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Anatomia dell’apparato fonatorio

Cartilagini della laringe

Cartilagini della laringe

Muscoli della laringe

Muscoli della laringe

Corde vocali - anatomia Le corde vocali sono strutture complesse ed intricate composte da strati di muscoli, elastina e fibre di collagene. Lo strato più esterno è chiamato epitelio ed è spesso 0.05 - 0.10 mm. Sotto di esso c’è un tessuto chiamato lamina propria, composto di tre strati: superficiale intermedio profondo Lo strato superficiale, solitamente spesso 0.5 mm, è formato da fibre di elastina. Lo strato profondo, oltre di fibre di elastina, è composto anche da fibre di collagene. Lo strato profondo è composto da sole fibre di collagene. Gli strati intermedio e profondo sono insieme circa 1 - 2 mm di spessore. Le fibre di elastina permettono l’estensione e la elongazione, mentre le fibre di collagene soni pressochè inestensibili e limitano quindi l’estensione. Oltre allo strato profondo c’è il muscolo tiro-aritenoideo, spesso approssimativamente 7-8 mm.

Tipi di emissione A seconda che le corde siano o no messe in oscillazione l’emissione è del tipo “sonora” e “non-sonora”. La vibrazione delle corde vocali può accompagnarsi o meno all’articolazione all’interno del tratto vocale; se le corde vocali vibrano contemporaneamente all’articolazione nel tratto vocale, avremo consonanti sonore. La maggior parte delle differenze fra i suoni dipende quindi dalla posizione assunta dagli organi articolatori all’interno del tratto vocale o sopralaringeo. Le consonanti sono prodotte creando un ostacolo al passaggio dell’aria tale da produrre rumore, tramite l’avvicinamento di due articolatori all’interno del tratto vocale o tramite un blocco al passaggio dell’aria; le vocali invece sono prodotte creando configurazioni del tratto vocale che modificano le proprietà acustiche dell’apparato fonatorio, modificandone le risonanze.

Sorgente glottica

Sorgente sopralaringea

vibrazione delle corde vocali

ostacolo nel tratto vocale

vocali

+

-

consonanti sonore [ v, g, b, d, dz ]

+

+

consonanti sorde [ f, k, p, t, ts ]

-

+

La sorgente L’aria dai polmoni passa attraverso le corde vocali, le quali agiscono come una valvola oscillante che permette il passaggio di piccole quantità di aria periodicamente ad una frequenza f0. Per fare questo agiscono i muscoli aritenoidei i quali spostano la posizione delle cartilagini aritenoidee in modo che le corde vengano in contatto tra loro (adduzione). La tensione muscolare modifica la lunghezza effettivamente vibrante delle corde, impedendo il passaggio dell’aria nella rimanente parte di esse.

(a) la pressione sottoglottica tende a muoverle verso l’alto e a distanziarle tra loro. (b) Questa differenza di pressione produce un flusso ad alta velocità (freccia blu). L’effetto Bernoulli crea una suzione (frecce nere) che tende a riavvicinare le corde, insieme alla tensione delle corde stesse. Questa alternanza di forze crea una serie di cicli di apertura e chiusura delle corde, coadiuvati da: - elasticità delle corde stesse (ulteriore forza di richiamo) - massa delle corde (inerzia) - inerzia del flusso d’aria, che mantiene una alta velocità anche quando le corde si stanno chiudendo La frequenza della fondamentale nel parlato è tipicamente da 50 a 250 Hz per gli uomini e da 120 a 500 Hz per le donne, con valori medi rispettivamente pari a 120 Hz e 220 Hz , il che corrisponde ad una differenza di altezza pari circa ad un’ottava. Nel cantato il range varia da 50 a più di 1500 Hz, a seconda del tipo di voce. Considerando una velocità del suono di 340 m/s la lunghezza d’onda della fondamentale in questo caso sarà mediamente da 1 a 3 m, arrivando fino a 0,3 m per i sovracuti. Quindi nella maggior parte dei casi la lunghezza d’onda è molto più grande della lunghezza delle corde, che è tipicamente da 0,15 a 0,20 m.

(a) Immagine laringoscopica delle corde vocali distanziate durante la respirazione; (b) addotte durante la fonazione normal_larynx-0.mp4 Vocal Folds

Geometria delle (Coleman, 2011)

corde

vocali

durante

un

ciclo

Durante il ciclo di fonazione le corde assumono diverse geometrie per via della loro natura elastica e della loro forma. La parte inferiore si avvicina e si chiude prima di quella superiore.

Modello di simulazione del tratto vocale e delle corde a una massa

Modello di simulazione del tratto vocale e delle corde a tre masse

Glottogramma Mostra la variazione nel tempo del flusso attraverso la glottide e quindi la forma d’onda del flusso glottale.

Glottogrammi di fonazione a livello forte e piano Il flusso decresce rapidamente dal massimo al minimo nella fonazione ad alti livelli di volume, e lentamente a bassi livelli. Questo ci dice che le corde si chiudono molto più rapidamente quando il volume è alto.

Analizzando i seguenti glottogrammi, relativi ad una voce non educata che emette a diversi livelli di dinamica, osserviamo che solo nell’emissione ad alti livelli il flusso raggiunge lo zero, mentre a bassi livelli le corde non si chiudono completamente. Questa è una caratteristica delle voci non educate.

Dai glottogrammi possiamo quindi dedurre due importanti informazioni: (1) (2)

La rapidità di chiusura delle corde, che si riflette nel contenuto armonico L’ampiezza del flusso, che stabilisce l’ampiezza della fondamentale

Il flusso d’aria attraverso la glottide è approssimativamente proporzionale all’area dell’apertura glottica. Quest’ultima, come risulta da misure effettuate da filmati o da fotoglottografi, è approssimativamente triangolare. La forma d’onda di conseguenza è approssimativamente triangolare, e la forma del vertice è spesso appuntita. Lo spettro sarà quindi composto da sole armoniche dispari decrescenti in ampiezza come 1/n2, ovvero con pendenza -12 dB/ottava.

L’ampiezza delle armoniche superiori nello spettro decresce con pendenza 12 dB/ottava. La loro importanza relativa cresce con il livello dinamico da pp a ff.

Glottogrammi per canto in falsetto e modale

Meccanismi delle corde vocali e registri Le corde vocali possono vibrare in almeno quattro modi distinti, chiamati meccanismi (Roubeau et al., 2004; Henrich, 2006). Meccanismo 0 (M0) : vocal fry’. La tensione è cosi bassa che la vibrazione non è periodica, di conseguenza i suoni non hanno altezza definita chiaramente. Le corde vocali sono corte e spesse, e la fase di chiusura è molto lunga in ogni ciclo. E’ anche chiamato ‘creak’.

EGG and DEGG for the M0 laryngeal mechanism (Roubeau, 2009)

Meccanismo 1 (M1) : modal. E’ di solito associato con il registro di petto per le donne e per la voce normale per gli uomini. E’ utilizzato per produrre suoni di altezza medio-bassa. In M1 tutta la lunghezza delle corde è in vibrazione e la frequenza è regolata dalla tensione muscolare e dalla pressione dell’aria. La fase di chiusura della glottide è di solito di maggior durata che quella di apertura. Produce uno spettro ricco di armonici e sono presenti differenze di fase nell’allineamento verticale delle corde.

EGG and DEGG for the M1 laryngeal mechanism (Roubeau, 2009)

Meccanismo 2 (M2) : falsetto. E’ associato con il registro di testa nelle donne (frequenza medio-alte) e il falsetto negli uomini (frequenze alte). In M2 vibra solo una parte della lunghezza delle corde, all’incirca pari a 2/3. La glottide è aperta per una parte del periodo. La durata della fase di apertura della glottide è sempre maggiore di quella di chiusura. Produce uno spettro ricco di armonici. Non sono presenti differenze di fase nell’allineamento verticale delle corde.

EGG and DEGG for the M2 laryngeal mechanism (Roubeau, 2009)

Meccanismo 3 (M3) : whistle. Viene utilizzato per produrre i suoni nel registro altissimo, chiamato anche ‘flageolet’. Le corde sono molto sottili e tese, e in alcuni casi non si chiudono mai. Non sono ancora chiare le dinamiche di questo meccanismo.

EGG and DEGG for the M3 laryngeal mechanism (Roubeau, 2009)

Sebbene alcune persone usino M0 nel parlato, specialmente alla fine delle frasi, e i soprani di coloratura utilizzino M3 nel loro range più acuto, i meccanismi più utilizzati sia nel parlato che nel cantato sono M1 and M2. Il passaggio tra i due meccanismi avviene generalmente alla frequenza di circa 350-370 Hz (F4-F#4) (Sundberg, 1987), che è sovente indicato come 'break' nella voce. Nel canto, gli uomini utilizzano M1 e M2, a seconda della tessitura, mentre le donne utilizzano M1, M2 ed M3. La transizione può essere critica, ragione per cui molti cantanti estendono un range nel loro canto per evitare la transizione. In alcuni casi come nello yodel, la transizione è accentuata e valorizzata. La figura seguente è il sonagramma di un glissando che si estende nei quattro meccanismi:

High Speed Video of the Vocal Folds

Il fattore più importante nella frequenza della fondamentale e quindi del tipo di voce è la lunghezza delle corde vocali. Tipicamente negli uomini le corde sono il 60 % più lunghe che nelle donne, il che spiega la differenza tra le fondamentali maschili e femminili Considerando le corde vocali come delle corde ideali la frequenza della fondamentale è data dalla formula:

f0 =

1 2L

T µ

dove f0 è la frequenza della fondamentale L la lunghezza σ la tensione ! µ la densità La lunghezza delle corde influisce significativamente anche sul timbro, modificando il contenuto di armonici. Il tratto vocale è l’altro fattore che influisce maggiormente. Le dimensioni infatti modificano le risonanze e influiscono fortemente suo timbro. Le dimensioni della laringe negli uomini sono mediamente il 40 % più grandi delle donne. Questi due fattori, benchè importanti, non sono tuttavia sufficienti a spiegare completamente la enorme varietà timbrica della voce umana.

Modello sorgente-filtro

Modello sorgente-filtro Il modello sorgente-filtro descrive i suoni parlati e cantati come il prodotto di tre termini:

sorgente x filtro x efficienza di radiazione In decibel questo diventa:

sorgente (dB) + filtro (dB) + efficienza di radiazione (dB) Lo spettro della sorgente decresce con pendenza 12 dB/ottava, mentre l’efficienza di radiazione della bocca cresce con pendenza 6 dB/ottava. Quindi lo spettro complessivo decresce con pendenza 6 dB/ottava. Il suono della sorgente viene amplificato a determinate frequenze dal “filtro”, le cui caratteristiche dipendono dalla posizione degli organi vocali. In questo modello le interazioni tra a le onde nella bocca e la sorgente vendono trascurate. Anche se semplificato, questo modello descrive molte caratteristiche della voce come la produzione di vocali.

Modelli del tratto vocale Il tratto vocale consiste nella laringe, nella oro-faringe e nella cavità orale e, se il velo palatale è abbassato, la rino-faringe e la cavità nasale. Può essere modellizzato in prima approssimazione come un tubo cilindrico aperto-chiuso.

risposta ad un ingresso sinusoidale di un tubo cilindrico aperto-chiuso. In questo modello geometricamente semplificato, ottenuto rettificando il tratto vocale, la lunghezza tipicamente varia tra 15 e 20 mm e la sezione è determinata dalla geometria degli organi quali la lingua, la bocca. Nella versione più semplice consideriamo in un cilindro della lunghezza di circa 170 mm e del raggio di circa 15 mm chiuso alla glottide ed aperto alla bocca. Le frequenze di risonanza (corrispondenti in questo caso ai massimi dell’impedenza) sono: f1 = v/4L, f3 = 3v/4L = 3f1, f5 = 5v/4L = 5f1, etc. (I minimi dell’impedenza sono a metà tra due massimi successivi).

Risposta ad un ingresso con forma d’onda triangolare di un tubo cilindrico aperto-chiuso.

Modifica delle risonanze

Mediante aggiustamenti degli organi che lo compongono, è possibile modificare le ampiezze delle risonanze che producono le formanti nello spettro sonoro. Le frequenze delle formanti sono fondamentali sia per il riconoscimento del parlato che per il canto.

Prima formante: la posizione della lingua è tra un nodo e un antinodo, perciò ha poca influenza. Il parametro che ha più influenza è l’apertura della bocca.

Seconda formante: dipende fortemente dalla posizione e dalla forma della lingua, che si trova in corrispondenza di un antinodo di pressione.

Terza formante: dipende dalla posizione e dalla forma della punta della lingua, che si trova in corrispondenza di un antinodo di pressione.

Frequenze medie per le prime tre formanti (F 1, F 2 e F 3) per alcune vocali cantate da tenori. f1, f2, and f3 sono le frequenze delle prime tre risonanze di un tubo cilindrico aperto-chiuso. Nelle vocali, R1 assume valori tipicamente 200 Hz (piccola apertura della bocca) a 800 Hz. L’apertura della bocca comporta un aumento proporzionale di R1 (variazione della sezione a livello di nodo di pressione). L’apertura della bocca influenza anche R2 ma quest’ultima dipende maggiormente dalla posizione in cui la lingua impone la maggiore costrizione. Valori tipici di R2 nel parlato sono tra circa 800 e 2000 Hz. http://fisicaondemusica.unimore.it/Semplici_modelli_per_la_voce.html http://fisicaondemusica.unimore.it/La_vocale_A.html

Modelli del tratto vocale: cilindro con costrizione Una costrizione in corrispondenza di un nodo ha come conseguenza una diminuzione della frequenza corrispondente. Al contrario, una costrizione in corrispondenza di un antinodo comporta un aumento di frequenza (Howard and Angus, 2009). La costrizione può essere rappresentata fisicamente dalla glottide o dalla variazione dell’apertura della bocca o dalla posizione della lingua.

Linea tratteggiata: cilindro Linea continua: cilindro con costrizione ad un estremo, a livello della glottide (raggio = 2 mm; lunghezza effettiva = 3 mm) Ringfrm.mov http://fisicaondemusica.unimore.it/Canna_cilindrica_modificata.html

Tratto vocale rettificato

Configurazioni di tratto vocale per alcune vocali inglesi

Sonagrammi delle sette vocali italiane pronunciate da un soggetto maschile. Sono evidenziate le prime quattro formanti F1, F2, F3, F4 http://fisicaondemusica.unimore.it/Semplici_modelli_per_la_voce.html http://fisicaondemusica.unimore.it/La_vocale_A.html

Vocal Tract Tuning by Soprano Singers

Quando un soprano canta nella tessitura più acuta emette note le cui fondamentali sono al di sopra della prima risonanza del tratto vocale (≅ 500 Hz). Questo fa sì che il suono perda la possibilità di essere amplificato dalla prima formante, e quindi perda volume. I soprano mettono in atto un meccanismo di aggiustamento del tratto vocale (apertura della bocca, che comporta un allargamento della faringe, e in corrispondenza accorciamento del tratto vocale) in modo tale da aumentare la frequenza della prima risonanza R1. Questa frequenza viene sintonizzata alla frequenza della fondamentale che stanno cantando f0, in un range che va all’incirca fino a 1 KHz (R1 - f0 tuning). Di conseguenza però le frequenze delle risonanze R2, R3, R4 vengono avvicinate tra loro, dando luogo ad un’unica formate alla frequenza all’incirca 3000 Hz. Un altro meccanismo di sintonia è utilizzato in alternativa e consiste nel sintonizzare la seconda risonanza R2 (che dipende soprattutto dalla posizione della lingua) con il primo armonico della nota emessa (R2 - 2f0 tuning). Questi meccanismi comportano il vantaggio di acquisire il volume necessario per essere chiaramente udibili al di sopra dell’orchestra, ma per contro, alterando la frequenza delle formanti, ha lo svantaggio del rendere difficile il riconoscimento delle vocali cantate. Nel registro altissimo (da C6 in su, quindi all’incirca sopra ai 1000 Hz) avviene un meccanismo simile ma che comporta la modifica della frequenza della seconda risonanza R2, la quale viene sintonizzata con la fondamentale della nota emessa f0 . http://www.phys.unsw.edu.au/jw/soprane.html#soundfiles

Differenti strategie di sintonizzazione delle risonanze del tratto vocale con le componenti del suono emesso (Kob et al (2011). Voci gravi: sintonizzano R1 o R2 agli armonici della voce. Acuti (specialmente nel belting e nel canto Bulgaro): R1 - 2f0 Soprano: R1 - f0 fino a C6; oltre C6 R2 - f0.

Long-time-average-spectra of (a) a piece of orchestral music (dotted curve); (b) an operatic tenor with orchestral accompaniment (solid curve)