Psicoacustica – IV

Mascheramenti

Il mascheramento è legato alle bande critiche viste nel precedente articolo e determina la risoluzione del nostro orecchio a filtrare e separare suoni con diverso spettro in frequenza contemporaneamente a diverse intensità sonore.

Un suono è mascherato da un altro quando quest’altro è ad un livello sufficientemente alto secondo diversi principi.

Il mascheramento è una vera e propria interferenza sulla percezione del suono, ed è un fenomeno composto da uno più suoni mascherati (che è il/i suoni che vogliamo sentire) ed da uno o più suoni mascheranti (che è quello/i che vogliamo sentire).

Questo fenomeno è molto complesso, dipende dalla composizione in frequenza dei vari suoni, dalla differenza temporale di arrivo alle nostre orecchie, da se arrivano ad entrambe le orecchie o sono separati, quindi anche direzione di provenienza, dalla differenza del livello di intensità sonora.

In un contesto generico la percezione (come concentrazione a rilevarlo) dal suono più debole si sposta al suono più forte, la nostra attenzione uditiva si sposta quindi sul suono con maggiore intensità.

Vari studi hanno portato a definire che:

  1. Due suoni puri con valori di frequenza vicini sono più facilmente mascherabili rispetto a toni con frequenze molto differenti (A.1 – A.2).
  2.  Un suono puro maschera più efficacemente un suono di frequenza più alta che uno di frequenza più bassa (A.3 – A.4).
  3.  Più è alto il  livello di intensità del suono mascherante e tanto più range di frequenze riuscirà a mascherare (A.5 – A.6).
  4. In caso di un suono mascherante con una stretta larghezza di banda, questo è più efficacie rispetto ad un suono puro tonale o di ancor più stretta banda. Non è comunque un effetto simmetrico rispetto alla frequenza di centro banda come invece accade per la definizione delle bande critiche allo stesso livello di intensità sonora (in cui aumentando la larghezza di banda si percepiva un sempre più alto livello di intensità sopra alla frequenza della banda critica), ma è asimmetrico (all’aumentare della larghezza di banda non aumenta la sensibilità dell’orecchio a mascherare), in quanto si mascherano sempre meglio le alte rispetto alle basse. Aumentando poi il livello del segnale mascherante aumenta anche l’effetto asimmetrico mascherando sempre più la parte bassa rispetto a quella alta. L’effetto mascherante quindi tende a bilanciare l’instabilità di percezione data dalle bande critiche.
  5. Aumentando la larghezza di banda del suono mascherante aumenta anche l’efficacia di mascheramento di un tono puro, fino al limite dato dalla larghezza della banda critica del suono mascherante, oltre a cui l’effetto di mascheramento non ha più valore, la banda critica del suono mascherante determina il limite di mascheramento oltre il quale il mascheramento avviene per differenza di intensità come regolato dalle bande critiche.
  6. Il mascheramento di un suono puro dato dal Rumore Bianco (quindi un suono con larghezza di banda completa per tutta la banda audio udibile e con tutte le frequenze allo stesso livello di intensità), è in rapporto lineare con la soglia uditiva, e maschera qualsiasi suono puro a qualsiasi frequenza.
  7. Quando un suono di bassa intensità e breve durata è seguito da un’altro suono (mascherante) di alta intensità entro i 25 ms, quest’ultimo suono maschera tanto più efficacemente il suono precedente tanto più breve è il tempo di arrivo, tanto più differenza di intensità c’è tra i due, tanto più le frequenze sono vicine, tanto più larga è la banda del suono mascherante ed il tempo di presenza. Questo fenomeno è detto Mascheramento Retrogrado.
  8. Al contrario il mascheramento avviene anche quando il segnale di intensità più bassa (mascherato) segue sempre a breve distanza di tempo il segnale mascherante più intenso e di sufficiente durata. Questo fenomeno è detto Mascheramento Antegrado o Residuo.

n.b. Per questi motivi quando si processa (equalizza) un segnale audio, se cerchiamo di dare troppe basse frequenze è facile perdere focalizzazione verso le alte, mentre al contrario il fenomeno è più contenuto. Lo stesso lavorando sulle medie che essendo ancora più vicine alla banda di frequenza delle alte incidono ancora maggiormente. Lo stessa cosa vale per interazione di queste 3 parti di banda di frequenze.

A.1 File composto da due toni 500 Hz e 1.500 Hz con i 1.500 Hz attenuati di 6 dB.

A.2 File composto da due toni 1.000 Hz e 1.500 Hz con i 1.500 Hz attenuati di 6 dB.

A.3 File composto da due toni 100 Hz e 1.000 Hz con i 100 Hz attenuati di 6 dB.

A.4 File composto da due toni 1.000 Hz e 5.000 Hz con i 5.000 Hz attenuati di 6 dB.

A.5 File composto da 3 toni 500 Hz – 1.000 Hz – 5.000 Hz in cui 1.000 Hz è 6 dB più intenso.

A.6 File composto da 3 toni 500 Hz – 1.000 Hz – 5.000 Hz in cui 1.000 Hz è 10 dB più intenso.

Battimenti

Il fenomeno dei battimenti è la percezione di un suono oscillatorio, questo avviene quando due suoni (es. due toni) hanno la stessa intensità ma frequenze poco distanti, tanto più l’intensità è elevata, le frequenze sono vicine, e lo spettro è verso le alte frequenze e tanto maggiore sarà questo tipo di percezione oscillatoria.

Il tipo di oscillazione che si percepisce è definito dalla formula (f1+f2)/2. In cui si evince come la frequenza percepita sia la media delle due frequenze, oscillante tra la frequenza più bassa e quella più alta. Il livello di intensità percepito varia nel tempo (con frequenza oscillatoria) secondo la formula (f1f2)/2 e cioè la semi-differenza del livello di intensità delle due frequenze, tra un valore massimo che risulta il doppio livello di intensità della singola frequenza ed uno minimo pari a 0.

Per fare un esempio se abbiamo due frequenze f1 = 1.000 Hz   f2 = 1.004 Hz, la frequenza centrale del battimento risultante sarà 1.002 Hz e la sua ampiezza oscillatoria varia nel tempo con una frequenza di 2 Hz.

In figura 1 un esempio grafico del battimento, in cui si vedono le singole frequenze prese in esame e la risultante a livello di percezione sonora.

Fig. 1 beatadd.png

A.7 File di esempio Battimenti, in cui abbiamo due toni puri a 1.000 Hz e 1.004 Hz.

Questo fenomeno ha differenza di quanto si possa credere non è un errore di risoluzione del nostro orecchio ma più un fenomeno fisico che lega frequenze cosi vicine.

Difatti analizzando lo spettro audio realizzato come somma di queste due frequenze di esempio (fig. 2-3-4 ) di cui prendo 3 istanti per dare una concreta rappresentazione grafica, si ha che la forma d’onda risultante va via via a creare un ciclo in cui in un determinato range di tempo si trovano in fase ed un’altro in contro fase (è questo che da l’oscillazione di ampiezza percepita), questo tempo è determinato dalle formule viste precedentemente, per che questo avvenga è necessario anche un tempo minimo di riproduzione, in cui se troppo breve si andrebbe a percepire solo la parte in fase di partenza di generazione dell’onda (all’inizio sono sempre in fase), mentre in caso di tempi di partenza differenti, questo tempo di ritardo farà dipendere la partenza del fenomeno di oscillazione percepita.

Fig. 2 L’oscillazione dei due toni di esempio che partono allo stesso istante con la stessa intensità parte sempre in fase per poi via via determinare un sempre più sfasamento avendo differenti lunghezze d’onda (vanno a formare il timbro sonoro risultante dalla somma delle due frequenze).fase.JPG

Fig. 3 Tempo in cui le due frequenze si portano in opposizione di fase.controfase.JPG

Fig. 4 Vista totale in cui si notano i range di tempo in fase e controfase.totale.JPG

Quanto sopra considera un somma perfetta delle due frequenze che arrivano ad entrambe le orecchie, mentre per un ascolto binaurale differenziato, quindi una frequenza ad un orecchio e l’altra frequenza all’altro orecchio non provoca questo effetto, ma vengono percepite separate secondo la legge che regola come visto la risoluzione delle nostre orecchie (A.8).

A.8 Esempio di file da ascoltare in cuffia (per ascolto binaurale), in cui nel left c’è la frequenza di 1.000 Hz e nel right la frequenza di 1.004 Hz.

Si evince che è un fenomeno esclusivo che avviene solo fisicamente, quindi all’esterno delle nostre orecchie.

n.b. Tramite test eseguiti è stato decretato che questo fenomeno, è inoltre non generato dalla distorsione e non linearità del fluido in cui si propagano le onde sonore, e nemmeno dalla riproduzione tramite ad esempio due altoparlanti e due amplificatori separati, ma quanto più dalla stessa sorgente che genera questi due toni (quindi singolo elemento), questo a confermare che la non linearità dei componenti utilizzati non aiuta questo fenomeno, tanto più il livello di distorsione prodotto da un singolo componente, es. distorsione di un altoparlante, che a sua volta produce frequenze armoniche anche ravvicinate, può facilmente portare a percepire battimenti, non solo nella banda audio udibile, ma anche in alcune frequenze ultrasoniche, che come accennato nei precedenti articoli, in certi contesti sono ritenute percepibili.

n.b Il battimento aiuta la percezione delle frequenze ultrasoniche, che si presentano però come armoniche di un segnale distorto, percepite come aria, respiro, quindi non disturbanti l’ascolto, anzi spesso come aggiunta appunto di apertura.

Risposta Soggettiva all’Impulso

E’ dimostrato che la sensazione sonora non dipende dalla durata del suono, questo solo fino ad un minimo di tempo, inferiore al quale entrano in gioco la risoluzione e capacità rilevatorie del nostro sistema uditivo.

E’ stato studiato che da 0 ms fino a 100 ms all’aumentare della durata dell’impulso aumenta anche il livello di sensazione sonora percepito.

Per la sperimentazione è definito il livello di intensità di un suono puro stazionario confrontato con un impulso alla stessa frequenza ma di durata differente.

Differenti sono i test eseguiti ed illustrati in figura 5.

Fig. 5 (da Manuale di Acustica Applicata).

20180521_123155.jpg

Sull’asse verticale abbiamo il livello in dB che rappresenta la differenza tra il livello del segnale stazionario e quello dell’impulso. Sull’asse orizzontale abbiamo invece la durata dell’impulso. Le rette (curve) tracciano il tempo del livello di sensazione sonora dell’impulso quando percepito come quello stazionario di riferimento.

Come si nota nell’estrema sinistra sono indicate anche le soglie minime di reazione del nostro apparato uditivo, nei soggetti giovani una volta che il suono raggiunge il nostro sistema centrale il tempo di reazione a percepirlo è inferiore ai 50 microsecondi, mentre nei soggetti più anziani a qualche microsecondo in più fino ad una media massima di 100 microsecondi.

Si notano le varie curve-rette di sperimentazione fatte nel corso del tempo, da cui si può evincere che ad un raddoppio della durata si necessita di un calo di 3 dB della sensazione sonora. Quindi più è breve l’impulso e più deve essere intenso per poterlo percepire uguale. Queste curve si basano sul livello di intensità del segnale stabile, da cui si evince che più è alto e più a quello impulsivo servirà tempo per poter essere percepito in egual modo (anche con 1 secondo di impulso).

Ogni linea presenta alla sua estremità una curvatura, queste curvature sono dette Costanti di Tempo, ed indicano il limite per cui l’orecchio comincia a mediare il suono percepito.

In figura 6 (da Manuale di Acustica Applicata) si vede invece una rappresentazione grafica dei tempi di risposta del nostro apparato uditivo.

Fig. 6 20180521_134132.jpg

E’ stato stimato che il tempo necessario al suono una volta entrato nel nostro orecchio esterno per arrivare all’orecchio medio sia di circa 50 microsecondi, mentre il tempo di trasduzione del segnale da acustico in movimento meccanico dei 3 ossicini e trasferimento all’orecchio interno è di circa 35 microsecondi, in cui ha effetto se attivato sopra agli 85 dB come definito nella prima parte di questa serie di articoli, l’intervento dello Stapedio (per alcuni 150-200 ms, per altri 300 ms). Una volta che il suono raggiunge l’orecchio interno, questo per essere trasdotto in impulsi elettrici ed arrivare al nostro cervello impiega circa 30 microsecondi. Il tempo di reazione del nostro cervello a dare a noi la comprensione e sensazione del suono è di circa 35 ms.

n.b. Le costanti di tempo che si trovano nelle strumentazioni di misura come ad esempio la Impulse a 35 ms, sono definite rilevando una media di valori dalle costanti di tempo della risposta all’impulso tra i 20 ms e 100 ms. Lo stesso per le altre costanti come la Fast a 125 ms e la Slow a 1 secondo, si riferiscono sempre a medie di queste analisi al fine di evidenziare la risposta uditiva (per avere dei riferimenti generici per tutte le tipologie di tempo di impulso) a queste tipologie di impulsi (vedremo questo argomento quando parleremo di fonometri e analisi e taratura impianto audio). Tuttavia leggendo quanto segue si capisce come questi tempi di analisi siano eccessivi e vadano a mediare troppo la reale sensibilità di percezione umana.

Questa sensibilità dell’orecchio si ritiene essere data dalla rete nervosa cocleare e cervello per valori di impulso di decine di millisecondi, mentre per valori di decine di microsecondi si pensa sia data dall’apparato dell’orecchio interno.

La frequenza presa in esame fa dipendere la sensazione sonora, è stato comunque stimato che rimanendo all’interno del tempo impiegato dalla coclea per effettuare il processo di trasduzione e trasferimento impulsi al cervello si riesce oggettivamente a valutare la reale risposta agli impulsi delle nostre orecchie (quindi il tempo che impiega il nostro sistema uditivo a rilevare il suono), questi valori si aggirano dai 50 microsecondi in giù.

Anche il tempo di salita dell’intensità sonora e cioè quanto tempo impiega il suono dal silenzio ad arrivare al suo valore massimo, fa variare i parametri di risposta all’impulso. E’ stato studiato che l’orecchio medio per tempi di salita superiori ai 200 ms tende a ridurre la pressione sonora verso l’orecchio interno.

n.b. Per questi motivi quando si fanno analisi del livello di pressione sonora e sempre in considerazione di emulare l’ascolto umano sia che ci si trovi entro gli 85 dB consigliati prima dell’intervento dello Stapedio, sia oltre gli 85 dB attraverso la risposta all’impulso (come vedremo meglio quando parleremo di taratura impianti audio), è importante per la risposta all’impulso utilizzare strumentazione e metodi di generazione che non impieghino un tempo di salita superiore ai 200 ms di tempo, cosi da evitare l’intervento dell’attenuazione dell’orecchio medio, che è impossibile da prevedere, dipendendo da molteplici fattori, come intensità, frequenza, ampiezza di banda e tempo di generazione (sempre di salita si parla e non di discesa in cui è possibile invece stabilire il giusto tempo a seconda del tipo di suono e quantità di suono da analizzare che si vuole prelevare). Come vedremo anche il tipo di finestra di analisi e suo tempo di intervento è fondamentale per una corretta misura (in quanto spesso per avere un riferimento chiaro di quello che accade è necessario mediare temporalmente i campioni di analisi prelevati, altrimenti si vedrebbero solamente valori che variano molto rapidamente nel tempo senza dare a noi possibilità di identificarli ed analizzare fenomeni acustici come ad esempio risonanze, rumori, ecc…).

Vista l’impossibilità di determinare la lunghezza dell’impulso adatta ad emulare la risposta dell’orecchio in quanto dipendente da molteplici fattori, e soprattutto non avendo uno strumento di analisi (microfono) in grado di compensare la risposta all’impulso per suoni di breve durata (avendo anche di suo un certo tempo di salita e discesa, smorzamento e livelli di distorsione per i suoi incidenti sul suo diaframma, che si utilizzi l’impulso o rumore rosa come rilevatore del livello di pressione sonora/risposta in frequenza dell’impianto audio ma anche caratteristiche della risposta ambientale (come vedremo meglio quando parleremo di acustica architettonica), visto anche che il suono è un segnale continuo che dura spesso più di 1 secondo, meglio utilizzare diversi valori di comparazione per poi definirne una media (come ad esempio misurare con costanti di tempo a 35 ms (in cui rientra anche la dinamica degli strumenti più rapidi come le percussioni, 125 ms, 1 s.). Per la risposta all’impulso il valore massimo di analisi limitato a 35 ms e 125 ms (di cui 125 ms facciamo durare l’impulso) che lo consideriamo come limite oltre il quale si andrebbe seguendo sempre il grafico in figura 5 a superare i 200 ms.

n.b. Vedremo poi come l’attacco soprattutto di strumenti a percussione sia molto più rapido (pochi ms), ma non possiamo analizzarlo correttamente per via di ciò che abbiamo appena visto, ma possiamo invece sfruttare questo tempo di attacco processandolo in frequenza e dinamica per far risaltare questo particolare range di tempo e dare a noi una maggiore sensazione di presenza. L’attacco di uno strumento (come vedremo quando parleremo di mixaggio) determina il grado di percezione di presenza dello strumento stesso, se è troppo lento o troppo breve si percepiscono fenomeni distorti, irreali e poco naturali (questo dipende dal tipo di strumento e molti altri fattori che vedremo).

Riflesso Aurale e Compressione Naturale

Il Riflesso Aurale è l’intervento del meccanismo di difesa delle nostre orecchie, riguardo come già diverse volte accennato l’intervento (contrazione) dello Stapedio, ma anche Tensore del Timpano a comprimere il movimento della membrana timpanica e Catena di Ossicini al fine di proteggere l’orecchio interno da sovraccarichi e possibili danneggiamenti. Questo avviene esclusivamente per frequenze inferiori a 1 Khz – 2 Khz.

Il livello di pressione sonora a cui è ritenuto parta l’intervento di compressione naturale si aggira attorno agli 85 dB per suoni tonali e 70 – 80 dB per suoni a larga banda.

n.b. 85 dB è un riferimento più che valido in considerazione di un segnale audio musicale, in quanto che i test sono stati svolti considerando un rumore bianco, primo di dinamica e variazioni dello spettro sonoro.

Il riflesso è involontario e crociato, quindi attivandosi in un orecchio il sistema automaticamente fa intervenire anche quello dell’altro orecchio, anche se non interessato direttamente da questo livello di pressione sonora.

Il livello di contrazione è molto vario e dipende da tanti fattori, principalmente i fattori che legano la sensazione sonora, quindi frequenza, larghezza di banda e composizione spettrale, intensità sonora, durata, e questi sono sviluppati principalmente entro i 500 ms di durata. Per suoni di durata superiore ai 500 ms la forza di contrazione è legata principalmente all’aumentare dell’intensità.

Il primo intervento di contrazione si ritiene avvenire già dopo 10 – 15 ms con un tempo di salita verso la completa contrazione di circa come visto 150 – 300 ms (tutti questi fattori dipendono dallo stato fisico, età, condizione della persona).

n.b. Per la taratura dei sistemi di diffusione sonora il tempo di salita della contrazione è trascurabile in quanto incide poco sull’effettiva protezione dell’udito dagli sbalzi di pressione sonora.

E’ poi stato studiato che se il segnale audio prosegue oltre i 15 minuti, la contrazione tende via via a rilassarsi e tornare a 0 fino ad una successiva pausa e nuovo stimolo.

n.b. Su quest’ultimo dato non ci sono valori chiari e precisi, per cui trascurabili per la taratura degli impianti audio, in cui comunque bisogna dare più valore al difetto di percezione che si ha nei primi 15 minuti in cui il nostro ascolto è condizionato da questi muscoli tensori.

Distanza di Ascolto e Filtri Naturali

Come vedremo meglio quando parleremo di acustica, ogni frequenza ha una sua lunghezza d’onda, che determina lo spazio energetico occupato da essa. Più la frequenza è bassa e maggiore sarà la sua distanza e quindi il suo valore energetico (e altrettanto maggiore dovrà essere l’energia per generarla in caso la si voglia riprodurre artificialmente, ad esempio con altoparlanti come vedremo in altre argomentazioni).

Per fare alcuni esempi si parla di 17 mm per i 20 KHz (massima frequenza udibile) e 17,2 m per i 20 Hz (minima frequenza udibile), in realtà questo dipende fortemente dalla velocità del suono e quindi anche dalla temperatura, umidità ed altri fattori che vedremo.

Considerando ad esempio l’aria, il suono viaggia e si trasmette attraverso la vibrazione delle molecole che compongono il fluido (aria), e più cicli si ripetono e più questo suono arriverà lontano, ad ogni ripetizione di ciclo si ha però una perdita energetica, sia naturale per composizione chimica-atomica delle particelle d’aria, che per via della temperatura, umidità ecc.. che vedremo sempre in acustica. Questo significa che i 20 Hz compiono 17,2 metri con 1 ciclo (gli hertz definiscono il numero di cicli al secondo), mentre i 20 Khz per compiere 17,2 metri devono fare circa ben 1.011 cicli, considerato come detto che ogni ripetizione di ciclo si ha una perdita energetica, si può facilmente intuire come le alte frequenze difficilmente arriveranno a lunghe distanze con la stessa intensità delle frequenze basse.

In figura 7 un esempio grafico di quanto appena detto.

Fig. 7  cicli.JPG

Bene, questo è il motivo per cui le basse frequenze sono più percepibili a maggiori distanze.

Questi fattori dipenderanno fortemente anche dal tipo di direttività (una maggiore direttività consente alle frequenze di arrivare più lontano, e per questo ascoltando un altoparlante in certi casi sono le medie e alte frequenze ad essere percepite più lontano ), ma anche dal mezzo di trasmissione del suono, dalla presenza di turbolenze (vento), dall’inversione termica (temperatura e altitudine), dalla presenza di eventuali ostacoli.

Le frequenze alte essendo cosi piccole e leggere sono maggiormente gestibili sui fattori appena visti e per questo sono utilizzate per le trasmissioni radio.

Se con le nostre orecchie ci portiamo ad esempio a metà della lunghezza d’onda di quella frequenza (nel caso dei 20 Hz ci posizioniamo a 8,6 m dalla sorgente ), percepiremo solo la metà del suo valore energetico, mentre per vie di mezzo valori intermedi. Oltre la lunghezza d’onda di ogni frequenza considerata percepiremo sempre valori intermedi in base al numero di cicli sviluppati da ogni frequenza.

In figura 8 un esempio grafico di quanto appena detto.

Fig. 8 contr.JPG

La costruzione di diffusori acustici (come vedremo meglio quando parleremo di diffusori audio) è tale da consentire (secondo gli standard) di percepire un suono più lineare possibile ad 1 metro di distanza. Per quanto riguarda sistemi complessi come ad esempio l’installazione di un impianto audio per evento live (ma applicabile ad un qualsiasi contesto), la distribuzione dei diffusori acustici e loro parametri costruttivi, insieme a strumenti di analisi e correzione, permettono di andare a realizzare un tipo di dispersione sonora tale da ottimizzare l’ascolto in più punti all’interno di un area di riferimento.

Quando parleremo di acustica architettonica vedremo invece come la dimensione strutturale di un ambiente incide con la risposta in frequenza massima percepibile. Per fare un esempio se l’area dell’ambiente confinato in cui ci troviamo è inferiore a 17,2 m, non potremmo mai percepire correttamente la frequenza di 20 Hz, in quanto tale frequenza non riuscirà a distribuire la sua energia all’interno di quello spazio e verrà filtrata. Un po come visto con la posizione dell’ascolto in base alla lunghezza d’onda. L’ambiente in cui il suono si propaga fa da filtro per lunghezza d’onda superiori alla sua area.

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