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Timbro e spettro di un segnale sonoro

Si definisce timbro la qualità percepita di un suono che ci permette di distinguere due suoni che hanno la stessa altezza e la stessa intensità. In parole più semplici il timbro è la qualità  del suono che ci permette di distinguere la voce di un violino da quella di un flauto, quando i due strumenti stiano emettendo una stessa nota. Il timbro ci permette di distinguere l'uno dall'altro i diversi strumenti che compongono un'orchestra anche questi suonano insieme.

Semplificando molto il timbro di uno strumento è dovuto, in larghissima parte, alla composizione spettrale del suono che esso emette. In pratica quando uno strumento emette una nota di una determinata frequenza, esso, a causa dei vincoli imposti dalla "geometria" delle parti oscillanti degli strumenti musicali, genera, insieme alla nota fondamentale, più note tutte di frequenza multipla intera della fondamentale stessa (armoniche). Per esempio la figura seguente mostra lo spettro della stessa nota emessa da un flauto e da un violino:

Come si può vedere, le note musicali (rispetto ai toni puri di cui abbiamo parlato prima e che sono segnali sinusoidali) sono segnali periodici non sinusoidali composti da più armoniche:

La figura seguente mostra per esempio gli spettri della stessa nota (un Si bemolle a 466Hz) eseguita su tre strumenti diversi:

Ad ogni composizione spettrale corrisponde una ben precisa forma d'onda ottenuta "sommando" le varie armoniche. Dunque il timbro di uno strumento è dovuto, in larghissima parte, alla forma d'onda del suono emesso. Di seguito riportiamo le forme d'onda dei tre suoni precedenti:

Spettrogramma

In realtà lo spettro fornisce soltanto una rappresentazione statica di una singola nota musicale. Producendo suoni musicali, rumori o parlato non si ha quasi mai a che fare con una singola nota costante nel tempo, ma piuttosto con sequenze di noti o accordi (note prodotte simultaneamente).

Ciò implica che in generale lo spettro di un suono reale cambia nel tempo. Per rappresentare uno spettro in evoluzione nel tempo si usa un grafico particolare detto spettrogramma (detto anche sonogramma).

Speech Spectrogram (spectrum8.png) 

La figura qui sopra mette a confronto lo spettrogramma di un suono (in alto) con la forma d'onda nel tempo del suono stesso (in basso). Osserviamo che:

 

In pratica lo spettrogramma fornisce ad ogni istante di tempo la scomposizione spettrale del suono. La figura seguente mostra invece una rappresentazione tridimensionale di uno spettrogramma, dove l'intensitÓ delle diverse componenti spettrali viene rappresentata con l'altezza delle righe:

 

Per approfondire: Voice Viewer, un piccolo programma gratuito (per Windows, non necessita di installazione) per tracciare in tempo reale lo spettrogramma della vostra voce attraverso un microfono.

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