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Laboratorio di acustica musicale – Politecnico di Milano

I moderni strumenti ad arco sono il risultato di un’evoluzione tecnica basata sulla sperimentazione empirica di generazioni di liutai, nell’intento di migliorare la proiezione acustica e la qualità del suono. Tuttavia, il modo con cui lo strumento (inteso come “oggetto”) influenza comportamento vibroacustico e resa timbrica è ancora lontano dall’essere compreso, perché la complessità dei fenomeni fisici e percettivi oggetto dell’analisi richiede il contributo di differenti discipline. Di questo si occupa il Politecnico di Milano che, come il laboratorio di diagnostica non invasiva, ha sede nel Museo del Violino. Il laboratorio, infatti, investiga tutti gli aspetti della produzione sonora degli strumenti ad arco non solo raccogliendo e registrando un’enorme e variegata quantità di informazioni, ma analizzandole da un punto di vista complessivo.

Nel secolo scorso avevano già preso avvio varie ricerche sugli strumenti ad arco condotte con approccio scientifico: gli strumenti antichi realizzati dai più grandi maestri liutai erano stati analizzati dal punto di vista della materia, della forma, e delle caratteristiche sonore, usando metodi mutuati dall’acustica, dalla scienza dei materiali, dalla meccanica strutturale e dalla scienza computazionale. Erano state condotte, inoltre, rilevanti ricerche sul comportamento vibrazionale della cassa armonica, sull’interazione fra le corde e l’archetto e sui pattern di radianza, cioè i modi con cui il suono dallo strumento si propaga nello spazio. Oggi l’attività del laboratorio rappresenta un fondamentale passo avanti nell’evoluzione tecnico-scientifica e anche nello sviluppo dei temi culturali cittadini: ha, infatti, aggregato le diverse componenti della società, dell’economia, della ricerca, della formazione e della cultura che operano nell’ambito della musica, degli strumenti ad arco e dell’artigianato musicale. tre sono gli ambiti nei quali sono state condotte le analisi nei primi anni di vita del laboratorio:

  • studio della generazione del suono
  • analisi della radianza acustica
  • analisi timbrica.

Studio della generazione del suono

La prima fase del lavoro del laboratorio è consistita nel comprendere come il suono viene generato e propagato dal violino. Per questo è stata effettuata una preliminare valutazione del comportamento timbrico di uno strumento contemporaneo nei passaggi più rilevanti della sua lavorazione, da quando è legno grezzo a quando è prodotto finito. Attraverso l’uso di strumenti tecnologici evoluti è stato possibile registrare e classificare le vibrazioni della cassa armonica di un violino. Si è compreso come, data la particolare conformazione geometrica dello strumento, alcune proprietà timbriche vengano enfatizzate e altre vengano rese meno evidenti. Soprattutto, si è compreso quali parti della struttura contribuiscano a rendere più o meno rilevanti alcuni comportamenti vibratori, e quale impatto abbiano sulla qualità strumentale percepita. tradizionalmente, per studiare come uno strumento propaga i campi vibratori prodotti, il liutaio ascolta la risposta acustica della struttura vibrante picchiettata con le nocche delle mani. Oggi è possibile avere una panoramica più dettagliata e precisa del fenomeno grazie all’impiego di strumentazione sofisticata per produrre e registrare le vibrazioni, come martelletti strumentati, accelerometri e vibrometri doppler, e di software sviluppati per elaborare i dati acquisiti.

Analisi della radianza acustica

La radianza acustica descrive come lo strumento distribuisce la propria energia acustica nelle varie direzioni. il laboratorio di acustica musicale ha recentemente sviluppato una tecnica innovativa, in grado di misurare questa radianza con altissima risoluzione direzionale, in modo totalmente non invasivo. il laboratorio, infatti, ha recentemente sviluppato una metodologia di analisi dei campi acustici denominata “camera plenacustica”, che oggi sta rivoluzionando il settore dell’acustica applicata. Facendo uso di due camere plenacustiche, di metodologie di ricostruzione del movimento mutuate dal settore della visione artificiale, e di tecniche di geometria computazionale, il laboratorio può ricostruire pattern di radianza ad altissima risoluzione durante la performance del violinista. Di questa metodologia si è parlato molto in conferenze scientifiche internazionali, ed è diventato uno dei risultati di punta del laboratorio. Grazie a questa è stato possibile studiare nel dettaglio le proprietà acustiche e proiettive che caratterizzano i grandi strumenti della tradizione liutaria Cremonese (per esempio lo Stradivari Cremonese 1715). È stato inoltre sviluppato un modello numerico dello strumento, basato sulla geometria ottenuta con un laser scanner 3D e sulle proprietà acustiche dei materiali usati per la sua costruzione. i dati raccolti costituiscono il punto di partenza per un modello vibroacustico di violino, in grado di predire come lo strumento irradi il suono.

Analisi timbrica

Parallelamente alla ricerca vibroacustica, anche il timbro degli strumenti è oggetto di analisi, con l’impiego di metodi mutuati dall’intelligenza artificiale (tecniche di apprendimento automatico). L’analisi timbrica si riferisce a un insieme di tecniche usate per descrivere le qualità del suono degli strumenti musicali, ed è uno degli aspetti più innovativi del laboratorio di acustica musicale del Politecnico di Milano. Le qualità del suono dei violini hanno costituito oggetto di studio per decenni, tuttavia i fenomeni fisici coinvolti nella descrizione delle loro qualità timbriche non sono ancora stati completamente compresi. Per questo tipo di studi, quindi, l’approccio classico basato sullo sviluppo di modelli matematici di fenomeni fisici, non risulta efficace. Più interessante, invece, è un approccio basato sull’estrazione di un insieme molto vasto di descrittori oggettivi specializzati (come per esempio i descrittori spettrali, o energetici, o altro ancora). Il problema sta nel fatto che tali descrittori non sono così semanticamente ricchi in natura e non collimano con le descrizioni, invece, molto usate dai liutai e dai musicisti. Cos’è, per esempio, un suono brillante? e un suono caldo? Cosa lo differenzia da uno freddo? La descrizione dei suoni è infatti solitamente molto soggettiva. Ed è altrettanto soggettiva la scelta dei termini usati per descrivere i suoni stessi. Ciononostante è stato dimostrato che esiste una stretta correlazione fra descrizione timbrica, percezione del suono e fisica. Quello che succede è questo: il nostro cervello elabora gli stimoli provenienti dal sistema uditivo per formulare una corretta descrizione. Ma comprendere quali aspetti del suono influenzino maggiormente la nostra percezione non è compito facile. Questo è il processo che è stato condotto in laboratorio sugli strumenti: per costruire un modello di descrittori è stato dapprima registrato un corpus di suoni acquisiti da violini antichi e moderni: sono stati registrati 13 strumenti antichi (3 Amati, 2 Guarneri del Gesù e 7 Stradivari) e 15 violini moderni dalla collezione del Museo del Violino e della Scuola Internazionale di Liuteria “A. Stradivari” di Cremona, suonati da un musicista professionista e secondo un protocollo specifico. Da ciascuna di queste registrazioni è stato estratto un numero di descrittori: centro di gravità dello spettro, sua distribuzione, rapporto fra l’energia dei componenti armonici e non armonici del suono e così via. Successivamente è stato chiesto a un gruppo di liutai e di violinisti di classificare le qualità timbriche di ciascun violino secondo un questionario standard. L’analisi delle correlazioni permette di stabilire quali sono i descrittori più rilevanti per determinare il timbro. in parallelo a questa analisi è stata messa a punto la cosiddetta “ontologia” del violino. Parte integrante di questa ontologia è un vocabolario di termini comunemente usati per descrivere le proprietà e le qualità di uno strumento musicale in linguaggio naturale. Questo vocabolario, però, è stato integrato con una “metrica”, cioè una descrizione della “prossimità semantica” dei vari termini che lo compongono, e le regole che caratterizzano il contesto discorsivo in cui vengono utilizzate. Questa strutturazione semantica del linguaggio, ottenuta attraverso numerosi questionari compilati da liutai e musicisti, è stata necessaria per comprendere, formalizzare, modellare, e rendere più significative dal punto di vista quantitativo le descrizioni soggettive offerte da liutai e musicisti. tutto questo viene trattato e comunicato facendo uso di linguaggio naturale, più facilmente comprensibile e comunicabile. Sono attualmente in corso ricerche anche sull’uso dell’intelligenza artificiale per predire le caratteristiche timbriche di uno strumento direttamente dai dati vibro acustici acquisti.