I ricercatori di acustica scompongono accuratamente il suono nelle sue tre componenti fondamentali

Aug 22, 2023

13 luglio 2023

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dall'Università di Aalto

Da oltre 200 anni i ricercatori cercano modi per scomporre il suono nei suoi ingredienti di base. Nel 1820, lo scienziato francese Joseph Fourier propose che qualsiasi segnale, compresi i suoni, potesse essere costruito utilizzando un numero sufficiente di onde sinusoidali. Queste onde suonano come fischi, ognuna ha la propria frequenza, livello e ora di inizio e sono gli elementi costitutivi di base del suono.

Tuttavia, alcuni suoni, come il flauto e una voce umana sussurrata, potrebbero richiedere centinaia o addirittura migliaia di sinusoidi per imitare esattamente la forma d'onda originale. Ciò deriva dal fatto che tali suoni contengono una struttura meno armonica, più rumorosa, dove tutte le frequenze si presentano contemporaneamente. Una soluzione è dividere il suono in due tipi di componenti, sinusoidali e rumorose, con un numero minore di onde sinusoidali sibilanti e combinate con rumori variabili, o sibili, per completare l'imitazione.

Anche questo modello sonoro "completo" a due componenti presenta problemi con l'attenuazione degli inizi degli eventi sonori, come le consonanti nella voce o i suoni di batteria nella musica. Un terzo componente, denominato transitorio, è stato introdotto intorno al 2000 per aiutare a modellare la nitidezza di tali suoni. I soli transitori suonano come clic. Da allora in poi il suono è stato spesso diviso in tre componenti: seno, rumore e transitori.

Il modello a tre componenti di seno, rumore e transitori è stato ora perfezionato dai ricercatori dell’Aalto University Acoustics Lab, utilizzando idee provenienti dalla percezione uditiva, dalla logica fuzzy e dalla ricostruzione perfetta. La loro ricerca è pubblicata sul Journal of the Audio Engineering Society.

Il ricercatore dottorando Leonardo Fierro e la professoressa Vesa Välimäki si sono resi conto che è importante il modo in cui le persone sentono i diversi componenti e separano fischi, clic e sibili. Se un clic si diffonde nel tempo, inizia a suonare e ad avere un suono più forte; al contrario, concentrarsi su suoni molto brevi potrebbe causare una certa perdita di tonalità.

Questa intuizione della percezione uditiva è stata abbinata alla logica fuzzy: in qualsiasi momento, parte del suono può appartenere a ciascuna delle tre classi di seni, transitori o rumore, non solo a una di esse. Con l'obiettivo di una ricostruzione perfetta, Fierro ha ottimizzato il modo in cui il suono viene scomposto.

Nel metodo avanzato, i seni e i transitori sono due caratteristiche opposte del suono e al suono non è consentito appartenere a entrambe le classi contemporaneamente. Tuttavia, uno qualsiasi dei due tipi di componenti opposti può ancora verificarsi contemporaneamente al rumore. Pertanto, l’idea di logica fuzzy è presente in modo limitato. Il rumore funziona come un collegamento confuso tra i seni e i transitori, descrivendo tutte le sfumature del suono che non vengono catturate da semplici clic e fischi. "È come trovare il pezzo mancante di un puzzle per collegare quelle due parti che prima non combaciavano", afferma Fierro.

Questo metodo di scomposizione avanzata è stato confrontato con i metodi precedenti in un test di ascolto. A undici ascoltatori esperti è stato chiesto individualmente di ascoltare diversi brevi brani musicali e i componenti da essi estratti utilizzando metodi diversi.

Il nuovo metodo si è rivelato vincente per scomporre la maggior parte dei suoni, in base alle valutazioni degli ascoltatori. Solo quando c'è un forte vibrato in un suono musicale, come in una voce cantata o nel violino, tutti i metodi di scomposizione faticano, e in questi casi alcuni metodi precedenti sono superiori.

Un caso d'uso di prova per il nuovo metodo di scomposizione è la modifica della scala temporale del suono, in particolare il rallentamento della musica. Questo è stato testato in un test di ascolto preferenziale rispetto al metodo precedente del laboratorio, che è stato selezionato come la migliore tecnica accademica in uno studio comparativo alcuni anni fa. Ancora una volta, il nuovo metodo di Fierro si è rivelato chiaramente vincente.