Psicoacustica – II

Analizzato il funzionamento del nostro apparato uditivo andiamo ora a capire quali sono le caratteristiche e modalità di percezione soggettiva dell’insieme orecchie-cervello (da considerarsi come un unico sistema percettivo).

 

Percezione Sonora

E’ provato tramite studi scientifici su un grande campione di persone che l’uomo è in grado di percepire suoni a partire da uno spostamento della membrana timpanica pari a 10-11 m. Al contrario l’uomo è in grado di percepire suoni senza provare dolore fino ad uno spostamento della membrana timpanica pari a 6 volte superiore il minimo percepibile. Siamo poi in grado di percepire variazioni di ampiezza (quindi di spostamento della membrana timpanica) inferiore ad ogni 10% di spostamento.

Per quanto riguarda la frequenza l’uomo è in grado di percepire una frequenza minima (più bassa) di circa 16 Hz – 20 Hz ed una frequenza massima (più alta) di circa 16 Khz – 20 Khz. In un soggetto adulto a causa della presbiacusia (che vedremo più avanti in questa serie di articoli), la soglia massima si abbassa in media a circa 10 Khz – 12 Khz.

Tutti questi valori (soprattutto i minimi e massimi) dipendono fortemente come visto anche nella prima parte in questa serie di articoli, dall’invecchiamento, dallo stress, dallo stato fisico e psichico, dai danni subiti all’apparato uditivo. Possono poi variare con il tempo, la mattina avere una certa sensibilità, la sera dopo una giornata di stress un’altra, ecc…

A.1 Segnale audio con frequenza 20 Hz

A.2 Segnale audio con frequenza 16.000 Hz

n.b. Per sentire queste frequenze è necessario avere un sistema di riproduzione audio in grado di farlo (che sia cuffia, che sia amplificatore-diffusore), oltre che riuscire a percepirle con le proprie orecchie. E’ importante non applicare alcun tipo di filtro e processamento.

Frequenze inferiori a quelle percepibili sono definite Subsoniche o Infrasoniche,mentre frequenze superiori a quelle percepibili sono definite Ultrasoniche.

n.b. Le frequenze subsoniche sono generalmente prodotte dagli eventi naturali come terremoti, maree, burrasche, ma anche condizionatori ed aerei, comunque grandi superfici che generano elevati valori energetici, in quanto come vedremo quando parleremo di acustica, le frequenze basse, soprattutto quelle subsoniche hanno elevate lunghezze d’onda e necessitano di un elevato contributo energetico per essere riprodotte, tale che ancora oggi si fa molta fatica a riprodurle con gli altoparlanti in modo lineare, mentre si riesce attraverso i sonar. Gli unici esseri viventi in grado di riprodurre e percepire frequenze subsoniche sono le balene. Sono frequenze note per generare soggezione, ansia e paura nell’uomo, questo anche se non percepite. Studi di Psicoacusica Transizionale (che vedremo meglio più avanti), hanno dimostrato che anche se non li percepiamo sono suoni che mettono comunque in vibrazione il nostro apparato uditivo, il quale (soprattutto il vestibolo del labirinto cocleare) così fortemente sollecitato (soprattutto ad alti valori di pressione), da a noi un senso di vertigini, nausea e mal di testa, aumenta il livello di produzione ormonale nelle capsule surrenali e nell’ipofisi. Spesso questo viene sfruttato nel cinema per creare effetti di paura ed ansia. E’ stato provato che anche il nostro cuore produce un certo livello di infrasuoni ed anche le fibre muscolari quando sfregano tra di loro durante il movimento.

Per quanto riguarda le frequenze ultrasoniche, queste sono invece più facili da riprodurre in quanto molto meno energia serve e tanto più facile è gestirne il loro sviluppo e propagazione soprattutto nell’aria. Sono utilizzate soprattutto per la trasmissione audio-video in radiofrequenza (tv, radio, cellulari, ecc..), ed in apparecchiature mediche per lo studio dell’organismo, delle malattie, per radiografie, ecc..in quanto essendo molto piccole, elevati valori di frequenza riescono ad attraversare ma anche riflette all’interno del nostro organismo, ma anche qualsiasi materiale.

Anche e soprattutto nell’universo con le sue radiazioni si trovano frequenze subsoniche ed ultrasoniche.

Le frequenze ultrasoniche pur non essendo percepibili tendono per risonanza a stimolare i neuroni del cervello, che come vedremo possono incidere sullo stato psico-fisico di ogni individuo.

Entrambe se troppo intense e di lunga durata possono con il tempo portare a danni non solo alle orecchie ma anche ad organi e sistema nervoso.

Una considerazione va fatta per le frequenze ultrasoniche, alcuni test hanno dimostrato che se ascoltiamo un ultrasuono (entro i 25 KHz), diretto e pulito verso le nostre orecchie, questo non è udibile, ma se lo stesso viene ascoltato insieme ad un livello di rumore/distorsione generato da una sorgente che riproduce basse frequenze lo è. Probabilmente la distorsione armonica caratteristica dell’orecchio (che vedremo più avanti) sommata a quella armonica dei valori di distorsione dell’altoparlante, associata al livello di percezione di un segnale di maggiore intensità come può essere la presenza di un rumore, ma soprattutto al fenomeno dei battimenti che può generarsi (che vedremo più avanti) contribuisce a dare un tipo di sensazione sonora tale da permetterci di percepire se pur minimi, valori di pressione sonora ultrasonica.

Il nostro udito ha la sua maggiore sensibilità in frequenza medio-alta, sia per via della risonanza del condotto uditivo che per via della struttura cocleare dell’orecchio interno che fornisce una maggiore sensibilità in prossimità della finestra ovale e minore sensibilità all’apice del percorso cocleare.

In figura 1 una rappresentazione della sensibilità dell’orecchio in base alla distanza di interesse nell’attività cocleare.

Fig. 1 cocleare risposta.JPG

Un’altra caratteristica del nostro apparato uditivo è la selettività in frequenza, siamo quindi in grado di distinguere più suoni se questi presentano uno spettro sonoro differente (si pensa fino a 3 suoni differenti contemporaneamente, tutto il resto rimane più o meno mascherato in base sia alla composizione dello spettro che alla sua intensità).

A.3 Audio con 5 frequenze contemporanee in cui è possibile distinguerne 3 chiaramente, mentre le altre 2 rimangono più mascherate.

Per quanto riguarda l’intensità se due suoni presentano lo stesso spettro in frequenza facciamo molta più fatica a distinguerli, il segnale più debole viene sempre mascherato da quello più intenso.

 

Bande di Percezione Logaritmica

La sensibilità del sistema nervoso centrale determina una percezione della risposta in frequenza non lineare ma logaritmica. Nonostante le frequenze alte siano percepite per un’attività in prossimità della finestra ovale da parte della coclea (come visto con quindi maggiore sensibilità) mentre al contrario le basse, il sistema nervoso determina una tipologia di filtro opposto.

In pratica siamo più sensibili a variazioni di frequenza nella parte bassa e meno in quella alta.

Si dice quindi che l’uomo percepisce i suoni per bande di frequenza.

In figura 2 un’illustrazione della sensibilità del nostro udito in base alla frequenza presa in esame.

Fig. 2

Banda Terzi di Ottava Frequenza (Hz)
16
31,5
63
125
250
500
1.000
2.000
4.000
10° 8.000
11° 16.000

Quella di figura 2 è una schematizzazione generica definita e strutturata per Bande in Ottave, ed evidenzia il fatto che al raddoppio della frequenza presa in esame si ha una sensazione di percepire un raddoppio della tonalità.

Si notano 11 bande di sensibilità percettiva, da qui si capisce anche come per passare dalla 1° alla 2° ottava ci siano molte meno frequenze rispetto a passare dalla 7° alla 8°, questo significa che più piccole variazioni di frequenza nelle prime ottave saranno percepite meglio rispetto alle stesse variazioni di frequenza ma ad ottave superiori.

Per fare alcuni esempi 90 Hz e 100 Hz riesco a distinguerli chiaramente, ma 8.000 Hz e 8.010 Hz non riesco a distinguerli, sono percepiti in egual modo.

A.4 Frequenza Audio di 90 Hz

A.5 Frequenza Audio di 100 Hz

A.6 Frequenza Audio di 8.000 Hz

A.7 Frequenza Audio di 8.010 Hz

Sono state proposte anche frazioni della banda di ottave sia per avvicinare la reale percezione uditiva dell’uomo (le bande di ottave sono molto generiche e limitate alla sola percezione di un senso di raddoppio dell’altezza della frequenza), che per lavorare più finemente attraverso la strumentazione.

In figura 3 l’illustrazione di una frazione della banda di ottave in Terzi di Ottava, che rappresenta esattamente una divisione in terzi della banda in ottava appena vista.

Fig 3

Banda Terzi di Ottava Frequenza (Hz)
16
20
25
31,5
40
50
63
80
100
10° 125
11° 160
12° 200
13° 250
14° 315
15° 400
16° 500
17° 630
18° 800
19° 1.000
20° 1.250
21° 1.600
22° 2.000
23° 2.500
24° 3.150
25° 4.000
26° 5.000
27° 6.300
28° 8.000
29° 10.000
30° 12.500
31° 16.000

La divisione in bande per terzi d’ottava fa risultare 31 bande differenti.

Si possono trovare anche frazioni per 1/6 d’ottava, 1/12 d’ottava, 1/24 d’ottava e cosi via.

A livello di strumentazione, queste sopra sono le bande più utilizzate per poter lavorare sull’audio con componenti analogici, in campo digitale non ci sono invece limiti e si riesce come vedremo in altre argomentazioni a lavorare anche sulla singola frequenza.

In realtà la sensibilità dell’orecchio è molto più varia e risolutiva, questi valori sono presi come riferimenti per poterli poi utilizzare in strumentazioni atte a lavorare il suono tramite strumenti di analisi, misura, registrazione e processazione.

n.b. E’ per questo motivo che molti strumenti musicali (come il pianoforte), la stessa notazione musicale, strumenti di misura e rilievo sonoro sono costruiti considerando l’utilizzo di range di frequenze per ottave o frazioni d’ottava, al fine di dare una corretta percezione del suono, chiaro e definito, poter lavorare con il suono con riferimenti ed in modo fedele alla nostra percezione, poter misurare emulando il reale ascolto umano.

1 Khz è detto frequenza di centrobanda. Questo perché nella divisone in bande delle frequenze percepite, si trova in mezzo, anche se in realtà, è stato studiato che la frequenza di centro banda, cosi come è percepita, si presenta a 1.013 Hz. Essendo però un valore non unitario, e non quantificabile nei sistemi di misurazione e controllo, viene preso per difetto ad 1 Khz.

 

Bande di Frequenza

Con il tempo e tutto è molto soggettivo, sono stati definiti dei range di frequenza associati a come noi percepiamo questi suoni, e che ritroviamo per comodità in tutte le strumentazioni che lavorano con l’audio, chi più chi meno, ma anche chi nulla, è importante però conoscere questi aspetti per capire bene di che frequenze stiamo parlando e come poter lavorare al meglio nelle fasi di analisi e processamento di un segnale audio.

In figura 4 la tabella illustrativa.

Fig. 4 schema delle bande in frequenza.png

Nella prima riga (in giallo) sono elencate bande di riferimento per terzi d’ottava in questo caso dalla frequenza di 1 Hz a quella di 16.000 Hz.

Nella seconda riga (in verde) abbiamo invece la lunghezza d’onda delle frequenze di ogni ottava (ma questo lo vedremo quando parleremo di acustica).

Nella terza riga (in azzurro) abbiamo come accennato la divisione delle bande di frequenza in base alla sensazione sonora percepita.

Sotto ai 20 Hz non percepiamo e quindi parliamo di frequenze subsoniche.

Da 20 Hz a 40 Hz definiamo una banda di Bassi Profondi in quanto queste frequenze le percepiamo molto in basso nel nostro fisico, più di corpo che di testa.

Da 40 Hz a 160 Hz la percezione rimane più di corpo che di testa, ma un po più in alto rispetto alle precedenti, la chiamiamo allora Bassa.

Da 160 Hz a 315 Hz la percezione si alza e arriva in gola, questa banda di frequenze la chiamiamo Medio Bassa.

Da 315 Hz a 2.500 Hz la percezione si alza in gola e bocca fino a cominciare a risuonare in testa, sul naso e nelle orecchie, la chiamiamo Media.

Da 2.500 Hz a 5.000 Hz la percezione si alza ulteriormente e dalla risonanza sulle orecchie si assottiglia verso una percezione di taglio sottile all’interno del condotto uditivo, la chiamiamo Medio Alta.

Da 5.000 Hz a 10.000 Hz la percezione comincia a faticare nel riconoscere in modo definito il suono, questo diventa arioso, percepito sulla nostra fronte, la chiamiamo Alta.

Da 10.000 Hz a 20.000 Hz ci sono gli estremi della banda di percezione, definiti essenzialmente come aria nella parte superiore della nostra testa, la chiamiamo Altissima.

In figura 5 un riassunto di quanto appena detto.

Fig. 5

 

Bande di Frequenza e Sensazione Sonora

 

Frequenza (Hz)

Sensazione sul Corpo

Definizione

20 – 40 Corpo – Bacino Basso Basse Profonde
40 – 160 Corpo – Bacino Alto Basse
160 – 315 Bacino Alto – Gola Medio Basse
315 – 2.500 Gola – Testa/Naso – Orecchie Medie
2.500 – 5.000 Orecchie Medio Alte
5000 – 10.000 Fronte Alte
10.000 – 20.000 Fronte Superiore Altissime

In figura 6 un esempio grafico.

Fig. 6 eerwewer.JPG

Questo fenomeno di percezione-sensazione è maggiormente rilevabile da un ascolto in campo libero tramite diffusore acustico rispetto ad un’ascolto binaurale in cuffia, in quando l’onda energetica in campo libero (senza riflessioni) impatta su tutto il corpo umano rendendolo parte attiva della sensazione sonora, mentre in cuffia è diretto verso le sole orecchie. In campo diffuso (ambiente riflesso) questo è alterato dalle riflessioni ed interferenze ambientali, compreso eventuale rumore di fondo.

n.b. Per rilevare correttamente le frequenze alte ed ancor più altissime, è spesso necessario trovarsi con l’orecchio direttamente sull’asse di emissione di quel suono (essere con l’orecchio perpendicolari alla sorgente emittente), in quanto avendo una lunghezza d’onda molto piccola, se ci troviamo con la testa di fronte alla sorgente (quindi con le orecchie parallele) è facile che quelle frequenze impattano sulla nostra testa senza riuscire a girarla ed entrare nel condotto uditivo. Questo dipende fortemente dalla direttività di queste frequenze, determinata anche dalle dimensioni della sorgente emittente (vedremo questo in altre argomentazioni).

Nella quarta riga (in viola) abbiamo una rappresentazione più generica di quanto sopra, è divisa in decadi.

Sotto i 20 Hz sono frequenze subsoniche, da 20 Hz a 200 Hz le raggruppiamo nelle frequenze Basse, da 200 Hz a 2.000 Hz le raggruppiamo nelle frequenze Medie, da 2.000 Hz a 20.000 Hz le raggruppiamo nelle frequenze Alte.

Nella quinta riga (in blu) queste frequenze sono ancora più raggruppate, in Basse da 20 Hz a 630 Hz e Alte da 630 Hz a 20.000 Hz.

n.b. Queste sensazioni appena viste sono in riferimento ad un ascolto tramite diffusori acustici posti all’interno di un ambiente in campo libero, quindi privo di riflessioni, l’aggiunta di riflessioni e ambienti molto riverberanti, faranno variare anche se di poco questo tipo di percezione. Ancor più per un ascolto binaurale (in cuffia), questo tipo di sensazioni sono percepite al minimo in quanto in cuffia il corpo e la testa non sono minimamente interessati ad interferire. In cuffia gli unici elementi che interferiscono con la propagazione dell’onda sonora sono il padiglione auricolare ed il condotto uditivo, mentre con l’ascolto tramite diffusori acustici, anche la testa ed il corpo entrano in gioco riflettendo, difrattendo e vibrando con le onde sonore che impattano su di essi.

Un ascolto in cuffia è più chiaro, dettagliato e preciso in quanto il suono subisce meno delle interferenze esterne e la struttura degli altoparlanti è più semplice da realizzare al fine di ottenere una risposta in frequenza più lineare possibile e più ampia dinamica.

Un ascolto tramite diffusori acustici in ambiente è invece più naturale e dimensionale in quanto il suono che arriva alle orecchie è composto anche dallo spettro di riverbero, eco, risonanze dell’ambiente in cui ci si trova, e per cui come vedremo meglio più avanti è maggiormente percepibile la localizzazione ed estensione dei suoni. E’ più emozionale in quanto come detto anche il corpo è parte della trasmissione della sensazione sonora percepita. Ma è molto più complessa la realizzazione di altoparlanti in grado di rispondere fedelmente alla riproduzione del suono, soprattutto per spingere il suono a grandi distanze come in ambiente live.

 

Livello di Sensazione Sonora (Loudness)

La sensazione sonora è il comportamento soggettivo che ognuno ha nel percepire e quindi determinare l’intensità di un suono. Questa varia in base a molteplici fattori, oltre a quelle fisiche e psichiche anche dalla durata dell’impulso sonoro, composizione dello spettro, rumore di fondo, qualità dell’impulso.

Quello che rileva il nostro orecchio non è quello che effettivamente capiamo di aver percepito, ma in generale è sempre un valore medio di tante informazioni.

Nel 1937 Fletcher e Munson stabilirono sulla base di test di analisi su di un determinato campione di persone, una serie di curve chiamate Curve Isofoniche o di Loudness.

In figura 7 una rappresentazione delle curve isofoniche di Fletcher e Munson.

Fig. 7 curve munson

In pratica il test effettuato si basa su un tipo di ascolto Binaurale (in cuffia, quindi separando in modo diretto le due orecchie, ma riceventi lo stesso segnale contemporaneamente, all’orecchio sinistro arriva il suono della cuffia di sinistra e all’orecchio destro il suono della cuffia di destra, comunque sempre in modo da determinare una percezione monofonica). Questo test parte dalla frequenza di centrobanda di 1 Khz e viene posta ad un determinato livello di intensità, viene poi stabilito quanta intensità serve alle altre frequenze per eguagliare il livello di intensità percepito alla frequenza di 1 Khz, alternando un frequenza pura alla frequenza di riferimento di 1 Khz al determinato livello di intensità.

n.b. In realtà il tipo di ascolto influenza molto la percezione, quindi se è binaurale, se è monoaurale (un solo orecchio per volta) ma sempre ascoltato in cuffia, oppure ascoltato da un altoparlante in campo libero o diffuso, in quanto che anche la testa è un elemento riflettente e crea diffrazione per i segnali che impattano su di essa, mentre per un ascolto in cuffia le maggiori interferenze sono derivate dalle riflessioni del padiglione auricolare e condotto uditivo.

n.b. La risposta in frequenza percepita con diffusori esterni è differente rispetto a quella percepita per ascolto binaurale, e questi fenomeni di riflessione e diffrazione incidono molto, come ad esempio la maggiore sensibilità verso i 3 KHz è determinata soprattutto in ascolto tramite diffusore acustico da un picco di risonanza.

Il Phon è stato definito come unità di misura per il livello di sensazione sonora. 1 Phon = 1 dB.

Per semplicità ed una rappresentazione grafica chiara sono stati fatti test e tracciamento curve per ogni 10 dB di incremento. I valori limite sono posti a 0 Phon che considera il minimo livello udibile e 120 Phon che considera il massimo livello udibile prima di percepire dolore.

Le varie curve rilevate come quelle della figura 6, sono ponderate in base a come se l’ascolto fosse da un altoparlante in campo libero (ambiente privo di riflessioni, es. camera anecoica).

Per fare un esempio l’intensità del suono di 1 Khz percepito a 40 dB è uguale all’intensità di un suono a 100 Hz percepita a 51 dB (11 dB di differenza).

All’aumentare del livello di intensità si nota come soprattutto in bassa frequenza vi sia un più rapido aumento della sensibilità rispetto a tutto il range delle altre frequenze (curve più ravvicinate). Mentre in alta frequenza le curve diventano sempre più parallele ad indicare una sempre minore sensibilità. Questo porta a capire e rilevare tramite le curve ai più alti livelli una sempre più maggiore linearità della risposta.

Più il livello di pressione sonora incidente sulle orecchie è alto e più la nostra percezione è lineare.

Nel corso del tempo grazie al miglioramento dei processi tecnologici, per misure più precise ed attendibili, queste curve sono poi state rifinite, come quelle adottate dallo standard internazionale ISO-226 realizzate nel 1956 da Robinson e Dadson (fig. 8).

Fig. 8 image014.jpg

Il Phon di 0 è stato sostituito con la dicitura MAF ad indicare la curva di riferimento per il minimo valore percepibile (Minimum Audible Field), in questo caso non assoluto, ma mediato relativamente ad un ascolto tramite diffusori in campo libero, in cui incide anche la minima riflessione ambientale, rifrazione, diffrazione della nostra testa.

Lo 0 dB assoluto è stato studiato attraverso un ascolto binaurale, quindi privo di riflessioni e con un ascolto indipendente delle nostre orecchie come prima accennato, e fa parte della normativa ISO-389.

Le più recenti sono le ISO-226:2003, riviste nel 2003 e sono rappresentate in figura 9.

Fig. 9 1052px-Curve_isofoniche.svg.png

Secondo studi fatti sono paradossalmente curve più simili a quelle redatte da Fletcher e Munson nel 1937 che a quelle redatte da Robinson e Dadson nel 1956 (in cui le differenze massime arrivano anche a + 10/ + 15 dB (in questo caso però erano svolte tramite sorgente esterna in campo libero, che come detto da una differente sensazione sonora), mentre le nuove sono eseguite tramite un mix tra il test binaurale e quello da sorgente in campo libero.

 

Limiti di Intensità Sonora

Il limite massimo della pressione sonora percepibile prima che questa si trasduca in dolore è stato appurato sia attorno ai 130 dB – 140 dB. Spesso però il limite è associato ad una soglia di fastidio situata a circa 120 dB.

La minima variazione di pressione sonora percepibile che definisce il livello a 0 dB è di circa 2×10-5 Pascal (Pa), (considerando la frequenza di centrobanda di 1 Khz).

Mentre quella massima è di circa 60 – 63 Pascal (Pa).

Tra la soglia uditiva a 0 dB e la soglia del dolore si estende la soglia uditiva.

Di seguito in figura 10 una tabella identificativa di comparazione dei livelli di pressione sonora in riferimento ad un suono tipico di una sorgente sonora cui siamo abituati a sentire nella vita quotidiana.

Fig. 10 esempi suoni

n.b. Il concetto di dBA verrà visto più avanti.

 

Sensazione Sonora (Son)

E’ appurato che per ogni incremento di 10 dB della pressione sonora si percepisce esattamente un raddoppio della sensazione sonora (come se il volume fosse raddoppiato). Questo definisce il fatto come detto anche precedentemente, che il livello di pressione sonora incidente sulle nostre orecchie non è in uguale relazione con la sensazione sonora percepita, ma è esponenzialmente lineare.

Per determinare un parametro in grado di poter definire la relazione che lega il livello di pressione sonora, in questo caso il livello di sensazione sonora (Phon) in quanto dipende dalla frequenza presa in esame e dal suo livello di intensità, e la reale sensazione sonora percepita, è stata creata una formula con unità di misura il Son, redatta dalla normativa ISO-131.

S = 2(P-40)/10   dove S è il Son e P è il livello Phon di sensazione sonora.

Per fare un esempio prendendo la banda dei 40 Phon nelle curve isofoniche, avremo un Son pari a 1, a 50 Phon pari a 2, a 60 Phon 2 e cosi via.

Se dal Son vogliamo trovare il corrispettivo valore in Phon:

Phon= log S = 0,03 (P-40)

In figura 11 una rappresentazione grafica dell’andamento della sensazione sonora in base al livello di pressione sonora incidente sulle nostre orecchie.

Fig. 11 image024.jpg

In realtà questi valori dipendono fortemente anche dal tipo di suono, se impulsivo, se stazionario, dal tipo di ascolto e dalla caratteristiche spettrali di quel suono.

La normativa ISO-532 definisce alcuni termini di analisi per queste situazioni più complesse.

A.8 Esempio tono ad 1 Khz.

A.9 Esempio tono 1 Khz a -10 dB rispetto al precedente.

 

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