Onde, suono e vibrazioni: strumenti classici ed elettrici

Se un giorno qualcuno dovesse chiedervi: “Qual è la differenza più evidente tra la musica di Andres Segovia e Mark Knopfler?” Cosa rispondereste?

Personalmente, per rispondere a questa domanda, la prima cosa che farei sarebbe cercare qualche video in cui loro suonano, in modo da:

• carpirne la tecnica (sono entrambi chitarristi che non utilizzano il plettro per suonare),
• definirne lo stile (Segovia è uno tra i più famosi chitarristi classici spagnoli, mentre Knopfler è il primo chitarrista dei Dire Straits
• scegliere dei brani da portare ad esempio (“Asturias” per Segovia, “Sultans of Swing” per Knopfler).

In realtà la risposta è molto meno musicale.

Segovia suona spesso una chitarra classica non elettrificata, Knopfler, invece, suona una chitarra elettrica.

Era semplice, ma lo è veramente? Quali sono le differenze tra gli strumenti, ma soprattutto c’è della fisica da studiare per capire le cose un po’ meglio? Assolutamente sì!

Decidete il sottofondo musicale che preferite e preparatevi. Partiamo.

Le onde sonore: frequenza, ampiezza ed energia

Molto, ma molto in breve, un’onda sonora è un movimento di atomi e/o molecole nello spazio, una vibrazione attorno a un punto fermo (di riposo).

Queste oscillazione possono essere di diverse tipologie e, se sono periodiche, hanno una frequenza, che è la grandezza fisica associata ai fenomeni periodici che descrive la quantità di volte che il fenomeno si ripete in un periodo temporale. La frequenza si misura in Hertz [Hz=1/s] (l’inverso dei secondi).

Un’altra grandezza importantissima per le onde periodiche è l’ampiezza, che è lo spostamento massimo dal punto di riposo nel mezzo fisico.

Cosa c’entra tutto questo con la musica? Le note sono a tutti gli effetti delle onde sonore.

Il do centrale, ossia quello che si trova al centro di qualsiasi pianoforte, ha una frequenza di 261,626 Hz.

Maggiore è la frequenza, più la nota è acuta. Minore è la frequenza, più la nota è grave. “E il volume di una nota?“. Il volume, più correttamente “intensità” o “livello sonoro”, è direttamente proporzionale all’ampiezza. Letteralmente, più l’aria si sposta a causa dell’onda sonora, più il volume è alto. L’intensità si misura in decibel (dB), in rapporto alla pressione sonora (che invece si misura in Pascal [Pa=N/m²].

I più attenti avranno notato comparire il Newton [N] nell’unità di misura della pressione sonora. Il Newton è l’unità di misura dell’intensità di una forza. Dove c’è forza, c’è lavoro (prodotto tra forza e spostamento), e dove c’è lavoro, c’è energia.

L’energia del suono: risonanza acustica, vibrazioni e artigianato

Parlando di onde sonore, è necessario introdurre il concetto di risonanza acustica. La risonanza è un fenomeno fisico correlato alle oscillazioni. Un’oscillazione, se sollecitata da un fenomeno caratterizzato dalla stessa frequenza, risulta amplificata nell’intensità.

Ci sono diversi tipi di risonanze in fisica, un’esempio classico è la risonanza meccanica che si crea nel sistema dell’altalena. Chi oscilla (il fenomeno oscillante) e chi spinge (il fenomeno esterno che sollecita).

La risonanza acustica è una risonanza meccanica a tutti gli effetti, ed è utilizzata da tempo nell’artigianato degli strumenti musicali.

Immaginando lo strumento come un sistema fisico composto da:
– elemento vibrante
– risuonatore acustico
– adattatori di impedenza acustica

L’elemento vibrante produce l’onda sonora, il risuonatore amplifica il suono emesso vibrando alla stessa frequenza e gli adattatori facilitano la trasmissione dell’energia tra la sorgente e il risuonatore.

Torniamo alla nostra chitarra classica. L’elemento vibrante, le corde, producono un suono a seconda della corda scelta (che ha una frequenza di vibrazione basata sulla accordatura) e a seconda del tasto premuto sul manico (che riduce la lunghezza della corda aumentando la frequenza di vibrazione, rendendo il suono più acuto. La cassa di risonanza della chitarra è detta risuonatore libero, perché risponde a varie frequenze e non solo a frequenze specifiche (risuonatore accordato).

Siamo abituati a vedere il foro della cassa di risonanza poco dopo il manico, per permettere alle onde sonore di penetrare all’interno della cassa, in modo da facilitare la risonanza.

Tuttavia, la chitarra elettrica la cassa di risonanza non la ha. Ma senza la cassa di risonanza, come fa una chitarra elettrica a emettere suono?

Un passo indietro: il campo magnetico e la sua intensità

Prendiamo un magnete permanente (la cosa più vicina alla magia che abbiamo sulla Terra).

Questo magnete permanente ha un polo positivo e un polo negativo, ed emette un campo magnetico con una intensità che si misura in Ampere su metro [A/m]. Questa intensità rappresenta la capacità del campo di produrre una certa densità di flusso.

Fondamentalmente, il magnete emetterà un campo che avrà una forma più o meno come quella in figura.

Le linee che circondano il magnete sono definite linee di campo magnetico, sono linee chiuse senza fine né inizio che percorrono il materiale e ne definiscono l’intensità di campo. Il campo dei magneti permanenti ha una forma definita proprio dalla forma del magnete stesso (magneti cilindrici, ad anello, a ferro di cavallo, etc).

Ma che c’entra tutto questo con il pick-up?

Abbiamo stabilito che alla base del suono ci sono le vibrazioni, e che ci deve essere un modo per amplificare le vibrazioni delle corde di una chitarra elettrica senza una cassa di risonanza. Vi stupirà sapere che alla base del funzionamento del pick-up c’è una legge fisica abbastanza famosa: la legge di Faraday-Neumann (il corollario di Lenz, per i più pignoli).

La legge di Faraday stabilisce che il valore di una forza elettromotrice indotta è direttamente proporzionale alla variazione di flusso di campo magnetico. Quindi, in breve, le variazioni di un campo magnetico possono comportare spostamenti di carica elettrica, e viceversa.

Bene, è arrivato il momento di parlare del single coil.

Pick-up single coil, musica elettromagnetica

Il pick-up magnetico, o, più comunemente, single coil, è costituito da un filo di rame avvolto attorno a dei magneti permanenti, le parti metalliche che spesso si notano al di sotto delle corde dello strumento. Il filo avvolto costituisce una singola bobina (da cui il nome single coil)

Il funzionamento è abbastanza semplice: il pick-up è posizionato sul corpo dello strumento, sotto le corde.

il posizionamento del pick-up, che sia verticale o orizzontale, influisce sul suo funzionamento. Le corde sono fatte di materiali metallici ferromagnetici (nickel o acciaio). Quando pizzichiamo la corda questa inizia a vibrare e questa vibrazione altera la forma del campo magnetico. Questa alterazione del campo magnetico genera una variazione di flusso, che genera quindi una forza elettromotrice nella bobina. Lo spostamento di carica nella bobina, quindi, è un segnale elettrico che riflette la vibrazione della corda.

Questo segnale elettrico potrà essere amplificato grazie ad apparecchiature elettroniche, analogiche o digitali.

Piezoelettrici e ottici, pick-up per tutti i gusti

Se vi steste chiedendo se esistono altre tipologie di pick-up, ecco una breve lista finale per soddisfare le vostre curiosità

• Pick-up piezoelettrici, tipicamente utilizzati su strumenti acustici o elettrificati. Sono dispositivi costituiti da cristalli, come il titanato di bario, capaci di generare un segnale elettrico in risposta a uno stress meccanico, come ad esempio la vibrazione di una corda. La vibrazione della corda, a contatto con l’elemento piezoelettrico, sviluppa una differenza di potenziale tra le facce del cristallo. Queste due facce sono collegate elettricamente, collegamento che permette il passaggio di cariche e la generazione del segnale elettrico.
• Pick-up ottici, che si basano sulla stessa tecnologia del mouse ottico. La vibrazione, infatti, interferisce con un fascio di luce emesso da un LED. Queste variazioni vengono captate da un sensore ottico (fotodiodi o foto transistor), e vengono convertite in un segnale elettrico.

FONTI

https://web.archive.org/web/20180824234551/http://invention.si.edu/invention-electric-guitar/p/35-invention
ELEMENTI DI FISICA ONDE – Ivan Cervesato
https://lawingmusicalproducts.com/dr-lawings-blog/how-does-a-pickup-really-work
https://www.yamaha.com/en/musical_instrument_guide/electric_guitar/mechanism/mechanism003.html
Alessandro Esseno, L’evoluzione degli strumenti a tastiera nella musica Pop-Rock-Jazz, 2015
https://www.machinedesign.com/automation-iiot/sensors/article/21831577/baumer-electric-an-overview-of-proximity-sensors
https://it.wikipedia.org/wiki/Humbucker