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Ogni suono è composto da una o più onde sinusoidali.
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Da quel gruppo di onde sinusoidali, quella con la frequenza più bassa è chiamata fondamentale, ogni altra onda sinusoidale al di sopra di quella è chiamata armonico.
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Gli overton che sono multipli interi della fondamentale sono chiamati armoniche. La fondamentale è considerata un armonico, il primo armonico, ma non un armonico.
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Le caratteristiche di questi armonici (come quantità, ampiezza e frequenza) sono ciò che dà a ogni suono un timbro specifico. Ecco perché una chitarra e un pianoforte suonano in modo diverso, anche quando suonano la stessa nota.
Che cos'è un suono "sporco"?
È tutta una questione di armonici.
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Quanti armonici. Un suono con più armonici tenderà a suonare più sporco di uno con meno armonici.
Frequenza degli armonici e loro relazione con la fondamentale. Da due suoni con uguale quantità di armonici, quello con meno armoniche (meno armonici che sono multipli interi della fondamentale) tenderanno ad essere percepiti come più sporchi.
Intensità degli armonici. Gli armonici più forti avranno un'influenza maggiore sul timbro di un suono rispetto a quelli più bassi.
Quindi, si tratta sia di quantità che di qualità.
Queste 3 sono quelle che considero le dinamiche più importanti che definiscono la sporcizia di un suono.
C'è un concetto più approfondito, scientifico, chiamato rugosità uditiva, introdotto da Helmholtz nel 1885 che prende in considerazione altre cose, come le fluttuazioni di ampiezza dello spettro e l'instabilità del tono. Puoi leggere ulteriori informazioni al riguardo qui, qui e qui.
Vedere e sentire armonici, suoni sporchi e puliti
(controlla i tuoi livelli sonori prima di riprodurli)
Ecco come suona un'onda sinusoidale:
https://soundcloud.com/jcpedroza/sine-wave-in-c-523-25hz
Ecco come suona un'onda quadra:
Entrambi sono alla stessa frequenza (nota): DO 523,25Hz, ma l'onda quadra ha molti più armonici dell'onda sinusoidale (il seno non ha armonici e solo un'armonica). Riesci a notare come l'onda quadra sia molto più "sporca" dell'onda sinusoidale, che è molto più "pulita"?
Usando il software, possiamo "vedere" questi armonici e la forma d'onda del suono .
Questa è la forma d'onda di un'onda sinusoidale:
Ed ecco il contenuto armonico di un'onda sinusoidale.
Qui possiamo vedere chiaramente che l'onda sinusoidale ha una sola armonica, la fondamentale, e non ha armoniche. È quel picco a circa 523 Hz.
Ora vediamo la forma d'onda di un'onda quadra:
E le sfumature dell'onda quadra:
L'onda quadra ha molte più sfumature! Suona "più sporco".
Sappiamo che la frequenza degli armonici e la loro relazione con la fondamentale possono anche scolpire quanto sporco viene percepito un suono, non è solo questione di quantità.
Qui abbiamo un suono con una frequenza fondamentale di 500 Hz e le sue prime 4 armoniche a 1000, 1500, 2000 e 2500 Hz, e ogni armonico con un'ampiezza di 1 / n. Questi sono multipli interi della fondamentale.
E qui abbiamo un suono simile con una fondamentale di 500 Hz, con i suoi primi 4 armonici, e ogni armonico con un'ampiezza di 1 / n. L'unica differenza è che la frequenza degli armonici è stata leggermente modificata. Le nuove frequenze armoniche sono: 995, 1515, 2020 e 2450 Hz, non sono più multipli interi della fondamentale.
Il primo suona più pulito del secondo perché nel primo tutti gli armonici sono armonici, tutti gli armonici sono multipli interi della fondamentale. Al contrario, nessuno degli armonici del secondo suono è un multiplo intero del fondamentale, che si traduce in un suono più sporco.
Fare un po 'di sporco
Noi può sentire e vedere come un suono "pulito" diventa "più sporco" aggiungendo ogni armonico individualmente nel tempo.
Questa è un'onda sinusoidale (suono pulito) che si trasforma in un'onda quadra (suono sporco) per un periodo di 20 secondi, stessa nota DO 523,25Hz (ATTENZIONE, il volume alla fine è significativamente più alto che a all'inizio, fai attenzione ai livelli sonori locali!):
Notate come il suono diventa più sporco man mano che aggiungiamo più armonici, mentre il suono si trasforma da un'onda sinusoidale in un'onda quadra?
Qui possiamo vedere come vengono aggiunti gli armonici nel tempo. Dall'alto verso il basso è: a 0, 5, 10, 15 e 20 secondi:
Sporco e acustico
Questa differenza di armonici si può trovare anche negli strumenti acustici. Diamo un'occhiata agli armonici di 3 strumenti: un clarinetto, un pianoforte e una tromba, tutti suonati in Do 261,62 Hz.
Clarinetto:
Piano:
Tromba:
Possiamo vedere che la tromba è molto più ricca nel contenuto armonico rispetto al clarinetto e al pianoforte; la tromba è "più sporca".