C’è musica oltre i 20kHz?
Per dare una risposta certa ed inequivocabile bisogna rifarsi a rilevazioni dello spettro audio oltre il limite dei 20kHz, utilizzando apparecchiature costose e sofisticate in grado di evidenziare la banda audio ed i livelli sonori emessi da uno strumento reale ripresi in un ambiente ottimizzato.
Una risposta esauriente ce la fornisce James Boyk del California Institute of Technology, in un lavoro pubblicato nel 1997, con il preciso scopo di indagare su quanta energia sonora fosse ancora emessa dai principali strumenti di una orchestra al di sopra dei 20 kHz.
La ricerca ha stabilito che ogni famiglia di strumenti musicali, archi, ottoni, fiati e percussioni ha almeno un membro che produce suoni al di sopra di tale limite, evidenziando come molti strumenti producono ancora significativi livelli di energia a 40kHz, mentre in alcuni spettri di frequenza l’energia era ancora molto elevata al raggiungimento del limite di misura di questo lavoro, posto a 102,4 kHz.
Lo studio appare interessante pur con le limitazioni degli strumenti di allora, siamo alla fine degli anni 90, per essere stato eseguito in un ambiente che molti considerano sufficientemente naturale, una grande auditorio.
Lo studio parte dalla acquisizione degli spettri di frequenza degli strumenti ripresi con un microfono posto a circa 4 piedi dalla sorgente sonora garantendo in questo modo una libera emissione del suono, non ostacolato cioè da riflessioni (ad eccezione di quella naturale data dal pavimento del palcoscenico) che si arricchisce anche di una naturale dispersione in ambiente.
In fig 1 è presente l’immagine dello spettro in frequenza di una nota di tromba con sordina ripresa a poco più di un metro di distanza. Si nota con chiarezza che la fondamentale (linea nera) è posta piuttosto in basso, a 465, 4 Hz, con un picco massimo posto a circa 2000 Hz del valore di 90.8 dB. Si può notare nel grafico come il suono resti a livelli elevati anche nel range delle frequenze ultrasoniche, tanto che a 50kHz è ancora di circa 12 dB superiore al livello del rumore di fondo. I numerosi picchi con andamento decrescente non sono altro che armoniche individuate con maggiore precisione nelle fig 2 e 3.
La traccia inferiore della fig 1 ( linea azzurra) mostra il rumore di fondo con la tromba in silenzio. Naturalmente questo rumore è presente quando la tromba suona, ed è per questo la traccia superiore è identificato come “Trumpet + Background”.
Ma quei picchi stretti e ravvicinati, evidenziati nella fig 1, sono realmente le varie armoniche che lo strumento produce? Per scoprirlo abbiamo bisogno di allargare quanto più possibile la scala delle frequenze dividendo lo spettro in quattro parti fig 2 e 3 adeguandone anche il livello in modo da avere lo sviluppo delle frequenze allineate sullo stesso grafico.
Per facilitare l’individuazione delle armoniche sono stati inseriti dei marcatori di armoniche che evidenziano come ad ogni picco corrisponda un armonica. In particolare troviamo lo spettro armonico che nel primo grafico in alto di fig 2 è limitato alla frequenza di 8kHz, mentre il secondo grafico in basso rappresenta la porzione di spettro che va dai 15 ai 32kHz.
In fig 3 infine abbiamo il terzo estratto che evidenzia la porzione di spettro che va dai 38 ai 53 kHz che riporta il conteggio delle armoniche con la numero 100 posta a 45.560 Hz.
Il grafico basso di fig 3 mostra che da 55 kHz, le armoniche stanno scomparendo. Si noti che, come illustrato nella fig. 1 la tromba è ancora di circa 12 – 15 dB al di sopra del rumore di fondo a questa frequenza, per questo l’autore sostiene che l’energia a 55 kHz, anche se non più di tipo armonico, fa parte integrante del suono della tromba ecome tale deve essere considerata per il suo elevato livello energetico.
ogni pallino segna una armonica con la 100a posta a 48,540Hz
Questo il caso evidenziato nella ricerca che con lo stesso metodo ha indagato anche per altri strumenti dell’orchestra, suddividendoli in strumenti a sviluppo armonico e strumenti senza armoniche, trovando che le armoniche del corno francese possono estendersi al di sopra del 90 kHz, accreditate di una bassa percentuale di energia in banda ultrasonica; la tromba raggiunge gli 80kHz, violino e oboe prossimi ai 40kHz, mentre un colpo di piatti non mostra segni di esaurimento di energia a 100 kHz. (limite massimo della misura)
La percentuale di energia superiore a 20 kHz è bassa per la maggior parte degli strumenti, ma per un campione di tromba è pari al 2%, per un altro campione è lo 0,5%, per un parlato sibilante è dell’ 1,7% e per il colpo di piatti il 40%. L’energia del piatto non mostra alcun segno di fermarsi raggiunto il limite di misura, quindi la sua percentuale può essere molto più alta. Curiosamente due strumenti, il clarinetto ed il vibrafono non hanno mostrato ultrasuoni.
