Percezione del

SUONO

L’ORECCHIO UMANO

L'orecchio umano agisce da trasduttore nel trasformare energia acustica, prima in energia meccanica e successivamente in energia elettrica. Una volta che l'energia è stata convertita dalla forma meccanica a quella elettrica dall'orecchio, gli impulsi elettrici arrivano al cervello attraverso delle terminazioni nervose. Qui vengono elaborati permettendo la percezione del suono e, dulcis in fundo, l'ascolto della musica. L'apparato uditivo è composto da tre sezioni: l'orecchio esterno, l'orecchio medio e l'orecchio interno.

L'analisi del funzionamento di queste tre sezioni ci permetterà di capire il meccanismo di percezione del suono e saremo in grado di individuare quali parametri modificare sul suono che stiamo trattando per ottenere il risultato che vogliamo.

Orecchio esterno

Il primo organo che il suono incontra quando raggiunge l'orecchio è il padiglione auricolare. Questo offre una vasta superficie al fronte sonoro e permette di raccogliere un'ampia porzione del fronte d'onda (per ottenere una superficie più ampia si portano le mani alle orecchie come viene istintivo fare quando si ascolta un suono molto debole). Il suono viene riflesso dal padiglione auricolare e concentrato verso il condotto uditivo la cui lunghezza è mediamente pari a 3 cm.

Frequenza di risonanza

Frequenza di risonanza del canale uditivo - C'è una formula empirica che restituisce la frequenza di risonanza di un tubo al quale possiamo senz'altro approssimare il condotto uditivo. La formula in questione dice che un tubo riempito di aria di lunghezza l ha una frequenza di risonanza circa pari a (considerando che la lunghezza del canale uditivo è di circa 3 cm): Dalla lunghezza d'onda ricaviamo la frequenza di risonanza: Abbiamo appena scoperto che la frequenza di risonanza dell'orecchio umano è mediamente di 3KHz. Questo significa che quando un gruppo di frequenze di valore intorno a 3KHz arrivano all'orecchio, il canale uditivo entra in risonanza e dunque quelle frequenze subiscono una naturale amplificazione.

Orecchio medio Il condotto uditivo termina su una membrana, il timpano, che vibra in accordo con il suono che ha raggiunto l'orecchio. Dalla parte opposta del timpano sono collegati tre ossicini chiamati: martello, incudine e staffa. Questi hanno la funzione di amplificare la vibrazione del timpano e ritrasmetterla alla coclea, un ulteriore osso la cui funzione verrà spiegata tra un momento. Questa amplificazione si rende necessaria in quanto mentre il timpano è una membrana molto leggera sospesa in aria, la coclea è riempita con un fluido denso e dunque molto più difficile da mettere in vibrazione. I tre ossicini sono tenuti insieme da una serie di piccoli legamenti che hanno l'ulteriore funzione di impedire che seguano una vibrazione molto ampia con il rischio di rimanere danneggiati nel caso in cui l'orecchio venga sottoposto ad una pressione sonora troppo elevata. Un'apertura all'interno dell'orecchio medio porta alla cosiddetta tuba di Eustachio che consiste in un canale che conduce verso la cavità orale. La sua funzione è quella di dare uno sfogo verso l'esterno in modo da equilibrare la pressione atmosferica ai due lati del timpano (ecco perché sott'acqua è possibile compensare la pressione esterna, che aumenta con la profondità, aumentando la pressione interna tappando il naso e soffiandoci dentro).

Orecchio interno Questa sezione dell'orecchio effettua la conversione dell'energia meccanica in impulsi elettrici da inviare al cervello per l'elaborazione del suono. L'ultimo dei tre ossicini di cui sopra, la staffa, è in contatto con la coclea attraverso una membrana che viene chiamata finestra ovale. La coclea è un osso a forma di chiocciola contenente del fluido (è dotata di tre piccoli canali circolari orientati secondo le tre direzioni dello spazio che vengono utilizzati dal cervello per la percezione dell'equilibrio dunque questa funzionalità esula completamente dalla nostra trattazione). Il fluido riceve la vibrazione dalla staffa attraverso la finestra ovale e la trasporta al suo interno dove è presente il vero organo deputato alla conversione dell'energia meccanica in energia elettrica: l'organo del Corti. All'interno dell'organo del Corti troviamo la membrana basilare che ospita una popolazione di ciglia, circa 4000, che vibrano in accordo con la vibrazione del fluido. Ogni gruppo di ciglia è collegato ad una terminazione nervosa in grado di convertire la vibrazione ricevuta dal fluido in impulsi elettrici da inviare al cervello per essere elaborati e percepiti come suoni.

Naturalmente, una singola frequenza non andrà ad eccitare una ciglia singola, ma ne ecciterà un gruppo. L’estensione delle ciglia eccitate dalla singola frequenza viene denominata banda critica ed è alla base di molti fenomeni di psicoacustica. Infatti, due suoni diversi che eccitano due bande critiche che si sovrappongono vengono interpretati dal cervello in maniera diversa da due suoni le cui bande critiche non si sovrappongono. Quando le bande critiche generate dai due suoni si sovrappongono, nella zona comune lo stesso gruppo di ciglia sta vibrando sollecitato da entrambi i suoni, dunque il cervello non sa a quale dei due associare la vibrazione. Ciò è all’origine di molti fenomeni psicoacustici che, in quanto tali, non appartengono alla realtà del suono ma alla sua interpretazione da parte dell’apparato uditivo. Chiudiamo questa breve descrizione citando il fatto che l’estensione della banda critica diminuisce all’aumentare della frequenza.

Il fenomeno delle bande critiche è all’origine del fenomeno del mascheramento, utilizzato in molti algoritmi di compressione di dati audio [MP3] , che consiste nell’eliminare le informazioni relative a frequenze che cadono nella stessa banda critica, sostituendole con una sola frequenza rappresentativa di tutte. In teoria, essendo le frequenze rimosse appartenenti alla stessa banda critica di quella tenuta come rappresentativa, il suono percepito non verrà degradato più di tanto, mentre l’informazione sonora da memorizzare sarà diminuita, realizzando così la compressione dei dati. Il concetto di banda critica è alla base anche di un altro fenomeno psicoacustico: i battimenti e si verifica quando le due frequenze che originano il battimento ricadono nella stessa banda critica (infatti questo fenomeno si verifica quando le due frequenze sono molto vicine).

Percezione del suono da parte del cervello

Senza entrare in discorsi filosofici che, per quanto interessanti non contribuirebbero a raggiungere le finalità di questo corso, diremo solo che la percezione di un suono, come quella della realtà del resto, è un concetto in gran parte soggettivo. Un suono in sé stesso è quello che è, ma la nostra percezione varia in quanto dipende da innumerevoli variabili. Alcune di queste variabili sono: la nostra posizione rispetto al suono, le condizioni del nostro apparato uditivo e soprattutto la forma che il cervello conferisce al suono. L'udito, al pari della vista che interpreta la luce, è capace di percepire solo una parte delle onde acustiche che ci circondano e dunque restituisce un quadro parziale. Inoltre le onde percepite vengono elaborate dal cervello che così 'interpreta' i suoni che deve elaborare. Nel seguito verrà descritto il comportamento del suono dal punto di vista della sua percezione e si mostrerà come in determinate condizioni sia evidente l'azione del cervello che interpreta la realtà sonora piuttosto che restituirla fedelmente. Un esempio molto eloquente in proposito viene descritto nel seguito e prende il nome di battimenti

Battimenti Quando siamo in presenza di due suoni le cui frequenze differiscono di poco, percepiamo un ulteriore suono simile a un battito il cui ritmo è dato dalla differenza delle due frequenze originarie. Se queste frequenze sono troppo diverse tra di loro il cervello non è più in grado di percepire il suono differenza. Questo dipende dal fatto che le due frequenze, per essere percepite come battimento, debbono eccitare ciglia appartenenti alla stessa banda critica. La frequenza del battimento è pari al numero di volte che le due sinusoidi componenti vanno in fase e fuori fase in un secondo. Vediamo un esempio pratico. Consideriamo due sinusoidi pure di frequenza pari a 400 Hz e 405 Hz. Quando le due sinusoidi vengono sommate danno luogo ad una nuova forma d'onda che viene percepita come battimento

Volume e frequenza percepita

Lo stesso suono viene percepito più acuto se il volume viene aumentato in maniera considerevole. Le ragioni di tale fenomeno non sono ancora del tutto chiare.

Distorsione l suono della distorsione è più o meno quello che esce da un distorsore (per l'appunto) per chitarra elettrica. Dunque il suono lo conoscete, è quello su cui si fonda la storia del Rock (tanto per dire), ma da cosa è generato?

Per capirlo consideriamo la solita sinusoide, essendo poi il caso estendibile ai suoni complessi. Supponiamo che l'uscita di un circuito al quale applichiamo una sinusoide in ingresso non possa superare un certo valore.

Il segnale che avremo in uscita sarà quello di figura di destra cioè una sinusoide a cui è stata 'tagliata via la testa'. Osservando questa forma d'onda si notano le brusche transizioni introdotte dal 'taglio' le quali generano delle frequenze più elevate di quella della sinusoide considerata. Ciò sarà valido per ogni componente sinusoidale del segnale, dunque all'uscita del distorsore il segnale originario sarà arricchito da tutta una serie di alte frequenze, dipendenti dalle frequenze del segnale iniziale, che caratterizzano il suono della distorsione analogica.

Mascheramento

Una frequenza con ampiezza elevata può mascherare frequenze vicine con ampiezze inferiori in quanto frequenze vicine vengono decodificate da ciglia appartenenti alla stessa banda critica.

Questa proprietà viene massicciamente sfruttata per realizzare algoritmi di compressione dei dati audio in formato digitale quali l'MP3 e l'ATRAC impiegato sui sistemi MiniDisc. Tali algoritmi consentono compressioni dell'ordine di 5:1.

Effetto Doppler

Questo fenomeno si verifica quando o la sorgente sonora o l'ascoltatore sono in movimento. Il classico esempio che viene sempre fatto è quello della sirena di un'ambulanza che arriva di gran carriera, ci supera e prosegue sfrecciando via nella notte.

Facciamo riferimento alla figura precedente in cui l'ambulanza è ferma e la sirena emette un suono che, essendo di una certa frequenza, genera dei fronti d'onda a distanza costante l'uno dall'altro.

Quando invece il mezzo è in movimento e si avvicina all'ascoltatore, la stessa sirena genera un suono con dei fronti d'onda più ravvicinati rispetto a quando il mezzo era fermo perché muovendosi comprime i fronti d'onda.

Dato che ora i fronti d'onda sono più ravvicinati percepiamo una frequenza più alta cioè un suono più acuto.

Quando il mezzo ci supera (e sfreccia via nella notte), allontanandosi distanzia i fronti d'onda e dunque in questa fase percepiamo un suono più grave perché ci arriva una frequenza più bassa.

Effetto Haas Prende il nome di effetto Haas un determinato fenomeno fisico che riguarda la percezione del suono da parte del cervello. Consideriamo il caso di un suono generato da una sorgente sonora e immaginiamo di essere in una stanza e di posizionarci ad una certa distanza dalla sorgente. A causa delle riflessioni del suono sulle pareti saremo raggiunti prima di tutto dal segnale proveniente direttamente dalla sorgente e in un secondo momento dalle riflessioni del segnale stesso sulle pareti della stanza. Questo ritardo è dovuto al fatto che il suono riflesso compie un percorso più lungo del segnale diretto. Se i due segnali arrivano con un piccolo ritardo l'uno dall'altro, viene percepito dal cervello un unico suono proveniente da una sola direzione. La direzione individuata dal cervello come quella di provenienza del suono è quella dell'onda che arriva per prima (questo vale anche se l'intensità della seconda onda è maggiore della prima) e per questo motivo questo effetto prende anche il nome di effetto di precedenza. Questo effetto si verifica quando il ritardo tra i due segnali è sufficientemente piccolo, più in particolare deve essere minore di 30-35ms. Questo intervallo temporale viene definito come zona di Haas:

[0 - 35ms]

Quando il ritardo fra i segnali esce dalla zona di Haas avvertiamo due segnali distinti ed entriamo nel caso dell'effetto eco per cui l'ascoltatore percepisce i due suoni come distinti. L'effetto Haas viene sfruttato nei sistemi di rinforzo sonoro sui segnali che vengono spediti alle torri di ritardo

Curve isofoniche Sono grafici molto importanti che permettono di avere un riferimento su come l'orecchio umano reagisca alle diverse frequenze. Sono state ricavate elaborando i dati su un campione statistico sottoposto ad una serie suoni prodotti in una camera anecoica. Tale camera viene disegnata con lo scopo di ridurre al minimo le riflessioni sulle pareti in modo che l'ascoltatore sia raggiunto unicamente dal segnale diretto. Le curve indicano come l'orecchio umano reagisca diversamente alle varie frequenze in termini di intensità sonora percepita. Supponiamo di avere una sorgente sonora in grado di generare onde sinusoidali con frequenza variabile e ampiezza costante. Fissando l'ampiezza per esempio a 80 dBspl noteremmo che un ascoltatore percepisce le basse frequenze come aventi un volume molto basso e man mano che la frequenza viene aumentata avrebbe la percezione che anche il volume aumenta (mentre la pressione sonora realmente generata è sempre di 80 dBspl). Questo comportamento si spiega con il fatto che l'orecchio umano ha una percezione diversa dell'intensità sonora al variare della frequenza.

Le curve isofoniche sono dette tali in quanto indicano il valore di dBspl necessario per percepire un suono sempreallo stesso volume lungo ogni curva. La frequenza di riferimento per ogni curva è 1KHz e a tale frequenza, il valore di dBspl è pari al valore che identifica una particolare curva e che prende il nome di phon. Per esempio la curva isofonica a 40 phon è quella che a 1 KHz ha un'ampiezza di 40 dBspl.

Prendiamo una delle curve, per esempio quella a 80 phon e seguiamola dalle basse verso le alte frequenze. Vediamo che a 20 Hz è necessario produrre una pressione sonora di 118 dBspl e questo ci mostra come l'orecchio umano abbia una minore sensibilità alle basse frequenze. Scorrendo la curva verso le alte frequenze vediamo che affinché l'orecchio percepisca sempre la stessa intensità sonora sono necessari livelli di pressione sonora più bassi. A 1KHz incontriamo il valore di riferimento della curva isofonica che stiamo considerando, dunque 80 dBspl. Oltre questo valore vediamo che la curva ha un minimo in corrispondenza dei 3KHz e vediamo come affinché l'orecchio percepisca sempre la stessa pressione sonora, la frequenza di 3 KHz deve generare 70 dBspl. Confrontando questo valore con quello a 20 Hz notiamo una differenza di circa 50 dBspl in meno, è una differenza enorme. Questo valore di minimo dipende dal fatto che la frequenza di risonanza del canale uditivo è di circa 3 KHz e dunque tale frequenza viene percepita già a bassi valori di dBspl. Oltre i 3 KHz la curva risale mostrando il livello di dBspl necessario per avere la stessa percezione di volume alle alte frequenze. Le curve vengono mostrate per diversi valori di phon in quanto il comportamento dell'orecchio varia ai diversi valori della pressione sonora. Notiamo come per elevati valori della pressione sonora, l'andamento delle curve isofoniche è quasi piatto.

Loudness

Il controllo di loudness negli amplificatori da casa è regolato proprio dall'andamento di queste curve. Quando il volume è molto basso, l'inserimento del circuito di loudness avrà come effetto quello di aumentare le basse frequenze allineandone l'ampiezza con le altre. Per volumi elevati, questo allineamento avviene in modo naturale da parte dell'orecchio e dunque l'azionamento del loudness a questi volumi avrà un effetto pressoché nullo.

La curva isofonica più bassa di tutte (0 phons)

viene denominata soglia di udibilità e indica la più piccola variazione di pressione che l'orecchio è in grado di individuare alle diverse frequenze.

Ricordiamo che queste curve sono ottenute elaborando dati statistici e dunque che i valori che stiamo considerando possono avere differenze anche notevoli da individuo a individuo. Qualche valore di riferimento relativo a questa curva potrebbe essere utile nella pratica:

Per pressioni sonore i cui valori si trovano al di sopra della curva 120 phons l'orecchio comincia a percepire dolore fisico e per esposizioni prolungate si possono generare danni non reversibili. Il volume ideale per eseguire un missaggio (mixdown) è intorno a 80-90 phons. A questi valori il bilanciamento dei volumi delle frequenze è abbastanza uniforme. Se il mixdown venisse eseguito a un volume troppo basso, per esempio a 40 phons, si avrebbe una minore percezione dei bassi e si potrebbe essere tentati ci compensare agendo sugli equalizzatori. Una volta però che il nostro mix fosse riascoltato al 80 phons risulterebbe inondato di bassi...

Fusione binaurale E' quella facoltà del cervello per la quale due segnali simili che arrivano alle due orecchie vengono fusi in un unico segnale; il nuovo segnale è per così dire una creazione del cervello che non esiste nella realtà. Consideriamo per esempio uno xilofono.

Eseguiamo una linea melodica e la registriamo su una traccia, successivamente eseguiamo la stessa linea con qualche leggera modifica e la registriamo su un'altra traccia. Facciamo suonare le due linee contemporaneamente mandando una linea sul canale sinistro e l'altra linea sul canale destro. Quello che ne esce è una terza linea melodica derivante dalla fusione delle due precedenti ma che nella realtà non esiste.

Questo è uno dei segreti della magia della musica: i singoli strumenti eseguono delle linee melodiche e se facciamo attenzione riusciamo ad isolarle ed ad ascoltarle singolarmente, anche quando gli strumenti suonano tutti insieme. Ma quando lasciamo questa prospettiva e ci spostiamo su un piano più astratto, è in quel momento che riusciamo a percepire ciò che non esiste, la combinazione di tutti i suoni che creano un'armonia: è in quel momento che la musica nasce!

Spettro delle frequenze udibili