STEP #04 - Il principio fisico

Sebbene vi siano quattordici strumenti caratterizzanti la famiglia dei sassofoni - di cui sei sono ancora in uso - , la loro anatomia risulta essere pressochè uguale.

     Illustrazioni di due sassofoni: a sinistra, un sassofono soprano, a destra un sassofono tenore. Immagini di www.recsando.org/asso/banda/Strumenti/Saxofono.asp

Il sassofono è composto da cinque elementi principali: il bocchino (o imboccatura), il collo, il fusto, le chiavi e la campana. Negli strumenti di uso più comune (contralto. tenore e baritono), il bocchino e il collo sono separati e vengono montati sul corpo prima che lo strumento venga suonato. Corpo, chiavi e campana, invece, costituiscono un corpo unico.

• L'ancia

 L'ancia è una lamina sagomata di legno ricavato dai fusti di canna comune. Ne esistono anche in altri materiali - plastica, fibra di vetro o carbonio -, poichè sono più omogenee e si adattano meglio del legno alle condizioni estreme di temperature e umidità, ma non hanno lo stesso calore timbrico del legno.Il suo scopo è quello di vibrare quando il flusso d'aria la investe. È il cuore del funzionamento del sassofono insieme all'imboccatura.

• Il bocchino - imboccatura

Pezzo realizzato in ebano, metallo, quarzo, legno oppure vetro, grazie al quale il sassofonista vi appoggia le labbra. Esso è fissato all'estremità più sottile dello strumento. I materiali influiscono poco sulla qualità del timbro: sono le caratteristiche costruttive a farlo, principalmente la cameratura interna, l'angolazione del tetto. In altre parole, è la libertà data all'ancia di vibrare. Queste vibrazioni - scientificamente è più appropriato parlare di onde di pressione - si espandono nella cavità interna provocando una risonanza, la quale viene trasmessa dall'imboccatura al collo del sassofono.

• La legatura

                                          

 Pezzo in metallo che serve per serrare e calettare l'ancia al bocchino. Permette l'interazione tra i due pezzi.

• Le chiavi

   

Le chiavi servono per chiudere e aprire i fori presenti nel fusto dello strumento, allo scopo di variare la lunghezza della colonne d'aria in risonanza all'interno dello strumento producendo così note di diversa altezza. I sassofoni moderni hanno in media 23 piattelli premuti da nove dita del musicista: il pollice destro viene usato come punto di appoggio per assicurare 'equilibrio dello strumento. Il pollice sinistro poggia su un apposito bottone e concorre a controllare lo strumento azionando il "portavoce": è un tipo di chiave che permette l'esecuzione delle note nella seconda ottava, anzichè la prima, a parità di posizione. Ogni chiave è associata ad un dito ben preciso, e la posizione dei piattelli favorisce l'ergonomia dello strumento.

• Il collo, fusto e campana

Costituiscono il "corpo" del sassofono: qui avviene la diffusione e l'espansione delle onde di pressione emesse dal musicista attraverso l'ancia vibrante. In base al tipo di sassofono, varia la lungheza del fusto e l'apertura della campana, dove fuoriuscirà la nota suonata.

Meccanismo di funzionamento

Il percorso del flusso d'aria emesso dal musicista si può suddividere in due parti.

Nella prima, che riguarda solo l'ancia con la relativa imboccatura, avviene la formazione delle onde di pressione che infine genereranno il suono. Si può immaginare il flusso d'aria emesso dal musicista come un flusso stazionario, imperturbato. Nel momento in cui esso attraversa la fessura formata dall'ancia e il bocchino, esso inizia a vibrare. Questa vibrazione nasce dall'effetto delle forze di pressione le quali, per effetto venturi - derivante dal principio di Bernoulli, e per  il quale si trovano molte applicazioni, prima su tutte lo sviluppo di portanza sull'ala di un aeromobile -, creano una differenza di pressione che permette all'ancia di flettersi e quindi iniziare a vibrare, appoggiandosi sull'imboccatura.

Si può notare dal grafico, che mette in relazione la pressione P generata dal flusso d'aria, e la velocità U del flusso stesso, che nel primo tratto, la pressione agente sull'ancia è quasi direttamente proporzionale ad U: ciò significa che, in qualche modo, più forte il musicista soffia, maggiore sarà la frequenza di vibrazione dell'ancia. Tuttavia, nella seconda metà del grafico, entrambe P ed U tendono a zero: infatti, se si raggiunge una velocità U troppo elevata - cioè se si soffia troppo forte -, le forze di pressione P saranno così elevate, da spingere l'ancia sempre più verso la superficie dell'imboccatura, fino a far chiudere la fessura. In altre parole, non si svilupperà alcuna vibrazione e, quindi, alcun suono. 

È possibile riscontrare questo fenomeno solamente soffiando all'interno dell'imboccatura non montata al collo del sassofono: si udirà un sibilo.

Nella seconda parte del percorso, avviene la "conversione" delle onde di pressione formatesi nell'imboccatura, nel suono ormai comune del sassofono. Innanzitutto, la diffusione delle onde è influenzata dalla geometria del condotto all'interno del fusto. Ad esempio, per il flauto,  avente una sezione cilindrica costane, la diffusione delle onde avviene secondo una funzione sinusoidale della pressione - P(x)=P0 * sin(kx), dove P0 è il valore della pressione atmosferica standard, k è l'inverso della lungheza d'onda λ pari a k=2π/λ. Poichè la sezione del sassofono è divergente, cioè essa aumenta fino alla campana, la propagazione delle onde non avrà un andamento esattamente sinusoidale. Sapendo che all'imboccatura la pressione sia uguale a 0, perchè l'ancia vibrando tende a chiudere il foro di accesso al flusso d'aria, e che la pressione all'uscita (campana) è uguale a Po pressione atmosferica, si è arrivato a dimostrare che la legge che governa la propagazione delle onde è pari a P(x)=Po * sin(kx)/x*n. In questo modo si soddisfa la suddetta condizione, ed in più si aggiunge un termine n che rappresenta il numero di nodi della funzione, cioè i punti di intersezione con l'asse x, e quindi i punti in cui la funzione P(x) assume il valore P0: ad ogni distanza dei nodi sono posti i fori per le chiavi del sassofono!

La frequenza caratteristica della funzione P(x) è pari a f=n*v/2*L , dove v è la velocità del suono a 20°C (343,7 m/s), ed L è la lunghezza dello spazio percorso dalle onde, quindi della colonna d'aria all'interno del fusto del sassofono. La conferma scientifica della correttezza della funzione trovata P(x) si riscontra facendo suonare il sassofono senza premere su alcun tasto (quindi non tappando alcun foro): la frequenza udita è relativa alla nota prodotta, e cioè la nota più grave che il tipo di sassofono può riprodurre, poichè se L è massimo, f è minimo. Perciò ogni tipo di sassofono, possiede la propria frequenza, e quindi la propria nota di riferimento: questo è il motivo per cui si classificano! Si nota, infine, che man mano che si modifica il valore di L - e, quindi, si preme una tasto diverso sulle chiavi - il valore di f, e quindi la nota emessa, varia!

      Scala di note musicali con la rispettiva frequenza. Fonte: www.tangatamanu.com/sounddesign/12musivisual/midi.html           

Sitografia:

• https://it.wikipedia.org/wiki/Sassofono                          <ultimo accesso 28/11/2021>
• https://www.phys.unsw.edu.au/jw/saxacoustics.html, articolo della Scuola di Fisica di "The University New South Wales", Sydney, Australia.                    <ultimo accesso 28/11/2021>

Bibliografia

• Chen, J.M., Smith J. and Wolfe, J. (2009) "Saxophone acoustics: introducing a compendium of impedance and sound spectra" Acoustics Australia.