Strumenti Musicali - Voce

7/30/2019 Strumenti Musicali - Voce

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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 musicians 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 Universit

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 Licensehttp://fisicaondemusica.unimore.it: Licenza Creative Commons: Attribuzione - Non commerciale -

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Acustica degli Strumenti musicali - la voce


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Anatomia dellapparato fonatorio


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Cartilagini della laringe


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Cartilagini della laringe


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Muscoli della laringe


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Muscoli della laringe


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Corde vocali - anatomia

Le corde vocali sono strutture complesse edintricate composte da strati di muscoli,elastina e fibre di collagene.Lo strato pi esterno chiamato epitelio ed

spesso 0.05 - 0.10 mm. Sotto di esso c untessuto chiamato lamina propria, composto ditre strati:

superficialeintermedioprofondo

Lo strato superficiale, solitamente spesso 0.5

mm, formato da fibre di elastina. Lo stratoprofondo, oltre di fibre di elastina, compostoanche da fibre di collagene. Lo stratoprofondo composto da sole fibre dicollagene. Gli strati intermedio e profondosono insieme circa 1 - 2 mm di spessore.

Le fibre di elastina permettono lestensione ela elongazione, mentre le fibre di collagenesoni pressoch inestensibili e limitano quindi

lestensione. Oltre allo strato profondo c ilmuscolo tiro-aritenoideo, spessoapprossimativamente 7-8 mm.


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Tipi di emissione

A seconda che le corde siano o no messe in oscillazione lemissione del tipo sonora e non-sonora.

La vibrazione delle corde vocali pu accompagnarsi o meno allarticolazione allinterno del tratto vocale;se le corde vocali vibrano contemporaneamente allarticolazione nel tratto vocale, avremo consonantisonore. La maggior parte delle differenze fra i suoni dipende quindi dalla posizione assunta dagli organiarticolatori allinterno del tratto vocale o sopralaringeo.

Le consonanti sono prodotte creando un ostacolo al passaggio dellaria tale da produrre rumore,tramite lavvicinamento di due articolatori allinterno del tratto vocale o tramite un blocco al passaggiodellaria;

le vocali invece sono prodotte creando configurazioni del tratto vocale che modificano le propriet

acustiche dellapparato fonatorio, modificandone le risonanze.

+-consonanti sorde

[ f, k, p, t, ts ]

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

-+vocali

ostacolo nel tratto vocalevibrazione delle corde vocali

Sorgente sopralaringeaSorgente glottica


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La sorgente

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


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(a) la pressione sottoglottica tende a muoverle verso lalto e a distanziarle traloro.

(b) Questa differenza di pressione produce un flusso ad alta velocit (frecciablu). Leffetto Bernoulli crea una suzione (frecce nere) che tende ariavvicinare le corde, insieme alla tensione delle corde stesse. Questaalternanza di forze crea una serie di cicli di apertura e chiusura delle corde,coadiuvati da:- elasticit delle corde stesse (ulteriore forza di richiamo)- massa delle corde (inerzia)- inerzia del flusso daria, che mantiene una alta velocit anche quando lecorde si stanno chiudendo

La frequenza della fondamentale nel parlato tipicamente da 50 a 250Hzper gli uomini e da 120 a 500 Hz per le donne, con valori medirispettivamente pari a 120Hz e 220Hz , il che corrisponde ad una differenzadi altezza pari circa ad unottava. Nel cantato il range varia da 50 a pi di1500Hz, a seconda del tipo di voce.Considerando una velocit del suono di 340 m/s la lunghezza donda dellafondamentale in questo caso sar mediamente da 1 a 3 m, arrivando fino a0,3 m per i sovracuti. Quindi nella maggior parte dei casi la lunghezzadonda molto pi grande della lunghezza delle corde, che tipicamente

da 0,15 a 0,20 m.


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(a) Immagine laringoscopica delle corde vocali distanziate durante la respirazione; (b) addotte durantela fonazione

normal_larynx-0.mp4Vocal Folds
http://../Immagini%20e%20video/Strumenti%20musicali/Voce/Vocal%20Folds.mp4http://../Immagini%20e%20video/Strumenti%20musicali/Voce/normal_larynx-0.mp4


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Geometria delle corde vocali durante un ciclo(Coleman, 2011)

Durante il ciclo di fonazione le corde assumonodiverse geometrie per via della loro natura elastica edella loro forma.La parte inferiore si avvicina e si chiude prima di quellasuperiore.


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Modello di simulazione del tratto vocale e delle corde a una massa
http://../Immagini%20e%20video/Strumenti%20musicali/Voce/1mass.gif


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Modello di simulazione del tratto vocale e delle corde a tre masse
http://../Immagini%20e%20video/Strumenti%20musicali/Voce/modello%203%20masse.gif


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Glottogramma

Mostra la variazione nel tempo del flusso attraverso la glottide e quindi la forma donda del flussoglottale.


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Glottogrammi di fonazione a livello forte e piano

Il flusso decresce rapidamente dal massimo al minimo nella fonazione ad alti livelli di volume, elentamente a bassi livelli. Questo ci dice che le corde si chiudono molto pi rapidamente quando ilvolume alto.


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Analizzando i seguenti glottogrammi, relativi ad una voce non educata che emette a diversi livelli didinamica, osserviamo che solo nellemissione ad alti livelli il flusso raggiunge lo zero, mentre a bassilivelli le corde non si chiudono completamente. Questa una caratteristica delle voci non educate.


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Dai glottogrammi possiamo quindi dedurre due importanti informazioni:

(1) La rapidit di chiusura delle corde, che si riflette nel contenuto armonico(2) Lampiezza del flusso, che stabilisce lampiezza della fondamentale

Il flusso daria attraverso la glottide approssimativamente proporzionale allarea dellaperturaglottica. Questultima, come risulta da misure effettuate da filmati o da fotoglottografi, approssimativamente triangolare. La forma donda di conseguenza approssimativamentetriangolare, e la forma del vertice spesso appuntita. Lo spettro sar quindi composto da solearmoniche dispari decrescenti in ampiezza come 1/n2, ovvero con pendenza -12 dB/ottava.
http://../Immagini%20e%20video/Acustica%20generale/Fourier-triang_animaz.mpg


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Lampiezza delle armoniche superiori nello spettro decresce con pendenza 12 dB/ottava. La loroimportanza relativa cresce con il livello dinamico da pp a ff.


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Glottogrammi per canto in falsetto e modale


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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 cosi bassa che la vibrazione non periodica, di conseguenza isuoni non hanno altezza definita chiaramente. Le corde vocali sono corte e spesse, e la fase di chiusura molto lunga in ogni ciclo. E anche chiamato creak.

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


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



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Meccanismo 2 (M2) : falsetto. E associato con il registro di testa nelle donne (frequenza medio-alte) e ilfalsetto negli uomini (frequenze alte). In M2 vibra solo una parte della lunghezza delle corde, allincirca pari a2/3. La glottide aperta per una parte del periodo. La durata della fase di apertura della glottide sempremaggiore di quella di chiusura. Produce uno spettro ricco di armonici. Non sono presenti differenze di fasenellallineamento verticale delle corde.

http://../Immagini%20e%20video/unsw/human_sound_manM1M2/human-sound_manM1M2.htmlhttp://../Immagini%20e%20video/unsw/human_sound_M1M2/human-sound_m1m2.html


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



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Sebbene alcune persone usino M0 nel parlato, specialmente alla fine delle frasi, e i soprani di coloraturautilizzino M3 nel loro range pi acuto, i meccanismi pi utilizzati sia nel parlato che nel cantato sono M1 andM2. Il passaggio tra i due meccanismi avviene generalmente alla frequenza di circa 350-370 Hz (F4-F#4)(Sundberg, 1987), che sovente indicato come 'break' nella voce.

Nel canto, gli uomini utilizzano M1 e M2, a seconda della tessitura, mentre le donne utilizzano M1, M2 edM3.La transizione pu essere critica, ragione per cui molti cantanti estendono un range nel loro canto per evitarela transizione. In alcuni casi come nello yodel, la transizione accentuata e valorizzata.La figura seguente il sonagramma di un glissando che si estende nei quattro meccanismi:

High Speed Video of the Vocal Folds
http://www.phys.unsw.edu.au/http://../Immagini%20e%20video/Strumenti%20musicali/Voce/High%20Speed%20Video%20of%20the%20Vocal%20Folds.mp4


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Il fattore pi importante nella frequenza della fondamentale e quindi del tipo di voce la lunghezza dellecorde vocali. Tipicamente negli uomini le corde sono il 60 % pi lunghe che nelle donne, il che spiega ladifferenza tra le fondamentali maschili e femminili

Considerando le corde vocali come delle corde ideali la frequenza della fondamentale data dallaformula:

dove f0 la frequenza della fondamentaleL la lunghezza la tensione

la densit

La lunghezza delle corde influisce significativamente anche sul timbro, modificando il contenuto diarmonici.Il tratto vocale laltro fattore che influisce maggiormente. Le dimensioni infatti modificano le risonanze einfluiscono fortemente suo timbro. Le dimensioni della laringe negli uomini sono mediamente il 40 % pigrandi delle donne.Questi due fattori, bench importanti, non sono tuttavia sufficienti a spiegare completamente la enormevariet timbrica della voce umana.

f0=

1

2L

T


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Modello sorgente-filtro


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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 lefficienza di radiazione dellabocca cresce con pendenza 6 dB/ottava. Quindi lo spettro complessivo decresce con pendenza 6dB/ottava. Il suono della sorgente viene amplificato a determinate frequenze dal filtro, le cui caratteristichedipendono dalla posizione degli organi vocali.

In questo modello le interazioni tra a le onde nella bocca e la sorgente vendono trascurate. Anche sesemplificato, questo modello descrive molte caratteristiche della voce come la produzione di vocali.


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Modelli del tratto vocale

Il tratto vocale consiste nella laringe, nella oro-faringe e nella cavit orale e, se il velo palatale abbassato,la rino-faringe e la cavit nasale. Pu essere modellizzato in prima approssimazione come un tubo cilindricoaperto-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 determinata dalla geometria degli organi quali la lingua, labocca. Nella versione pi semplice consideriamo in un cilindro della lunghezza di circa 170 mm e del raggiodi circa 15 mm chiuso alla glottide ed aperto alla bocca. Le frequenze di risonanza (corrispondenti in questocaso ai massimi dellimpedenza) sono: f1 = v/4L, f3 = 3v/4L = 3f1, f5 = 5v/4L = 5f1, etc. (I minimidellimpedenza sono a met tra due massimi successivi).


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Risposta ad un ingresso con forma donda triangolare di un tubo cilindrico aperto-chiuso.


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Prima formante: la posizionedella lingua tra un nodo e unantinodo, perci ha pocainfluenza. Il parametro che hapi influenza lapertura dellabocca.

Seconda formante: dipendefortemente dalla posizione e dallaforma della lingua, che si trova incorrispondenza di un antinodo dipressione.

Terza formante: dipende dallaposizione e dalla forma dellapunta della lingua, che si trovain corrispondenza di unantinodo di pressione.

Modifica delle risonanzeMediante aggiustamenti degli organi che lo compongono, possibile modificare le ampiezze delle risonanzeche producono le formanti nello spettro sonoro. Le frequenze delle formanti sono fondamentali sia per ilriconoscimento del parlato che per il canto.
http://../Immagini%20e%20video/unsw/human_sound_erformants/human-sound_er_formants.htmlhttp://../Immagini%20e%20video/unsw/human_sound_erformants/human-sound_er_formants.htmlhttp://../Immagini%20e%20video/unsw/human_sound_erformants/human-sound_er_formants.htmlhttp://../Immagini%20e%20video/unsw/human_sound_erformants/human-sound_er_formants.htmlhttp://../Immagini%20e%20video/unsw/human_sound_erformants/human-sound_er_formants.html


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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. Lapertura dellabocca comporta un aumento proporzionale di R1 (variazione della sezione a livello di nodo di pressione).Lapertura della bocca influenza anche R2 ma questultima dipende maggiormente dalla posizione in cui lalingua 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.htmlhttp://fisicaondemusica.unimore.it/La_vocale_A.html
http://fisicaondemusica.unimore.it/La_vocale_A.htmlhttp://fisicaondemusica.unimore.it/Semplici_modelli_per_la_voce.html


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Modelli del tratto vocale: cilindro con costrizione

Una costrizione in corrispondenza di un nodo ha come conseguenza una diminuzione della frequenzacorrispondente. Al contrario, una costrizione in corrispondenza di un antinodo comporta un aumento difrequenza (Howard and Angus, 2009). La costrizione pu essere rappresentata fisicamente dalla glottide odalla variazione dellapertura della bocca o dalla posizione della lingua.

Linea tratteggiata: cilindroLinea continua: cilindro con costrizione ad un estremo, a livello dellaglottide (raggio = 2 mm; lunghezza effettiva = 3 mm)Ringfrm.movhttp://fisicaondemusica.unimore.it/Canna_cilindrica_modificata.html
http://../Immagini%20e%20video/Strumenti%20musicali/Voce/ringfrm.movhttp://fisicaondemusica.unimore.it/Canna_cilindrica_modificata.html


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Tratto vocale rettificato


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Configurazioni di tratto vocale per alcune vocali inglesi


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Sonagrammi delle sette vocali italiane pronunciate da un soggetto maschile. Sono evidenziate le primequattro formanti F1, F2, F3, F4

http://fisicaondemusica.unimore.it/Semplici_modelli_per_la_voce.htmlhttp://fisicaondemusica.unimore.it/La_vocale_A.html
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Vocal Tract Tuning by Soprano Singers

Quando un soprano canta nella tessitura pi acuta emette note le cui fondamentali sono al di sopra dellaprima risonanza del tratto vocale ( 500 Hz). Questo fa s che il suono perda la possibilit di essere amplificatodalla prima formante, e quindi perda volume.I soprano mettono in atto un meccanismo di aggiustamento del tratto vocale (apertura della bocca, checomporta un allargamento della faringe, e in corrispondenza accorciamento del tratto vocale) in modo tale daaumentare la frequenza della prima risonanza R1. Questa frequenza viene sintonizzata alla frequenza dellafondamentale che stanno cantando f0, in un range che va allincirca fino a 1 KHz (R1 - f0 tuning). Diconseguenza per le frequenze delle risonanze R2, R3, R4 vengono avvicinate tra loro, dando luogo ad

ununica formate alla frequenza allincirca 3000 Hz. Un altro meccanismo di sintonia utilizzato in alternativa econsiste nel sintonizzare la seconda risonanza R2 (che dipende soprattutto dalla posizione della lingua) con ilprimo armonico della nota emessa (R2 - 2f0 tuning). Questi meccanismi comportano il vantaggio di acquisire ilvolume necessario per essere chiaramente udibili al di sopra dellorchestra, ma per contro, alterando lafrequenza delle formanti, ha lo svantaggio del rendere difficile il riconoscimento delle vocali cantate.Nel registro altissimo (da C6 in su, quindi allincirca sopra ai 1000 Hz) avviene un meccanismo simile ma checomporta la modifica della frequenza della seconda risonanza R2, la quale viene sintonizzata con lafondamentale della nota emessaf0 . http://www.phys.unsw.edu.au/jw/soprane.html#soundfiles
http://www.phys.unsw.edu.au/jw/soprane.html#soundfiles


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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 - 2f0Soprano: R1 - f0 fino a C6; oltre C6 R2 - f0.


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

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