Percezione del suono: L'orecchio umano

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 portando 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 del canale uditivo - C'è una formula empirica che restituisce la frequenza di risonanza [Frequenza di risonanza di un altoparlante ] di un tubo al quale possiamo senz'altro approssimare il condotto uditivo. Ancora numeri, ancora formule ma il risultato di questo calcolo è di importanza assoluta dunque non mollate e seguite fino alla fine!

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):

Equazione 2.1. Calcolo della frequenza di risonanza del canale uditivo 

Dalla lunghezza d'onda ricaviamo la frequenza di risonanza:

Siete ancora vivi? Se lo siete, avete 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. Vedremo in quanti casi viene sfruttata questa grandezza in campo audio e allora sarete contenti di aver superato anche questo ostacolo per arrivare alla conoscenza di questo piccolo ma fondamentale valore.

Il condotto uditivo termina su una membrana, il timpano, che vibra in accordo con il suono che ha raggiunto l'orecchio. Alla 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 di 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).

Questa sezione dell'orecchio è 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. Il motivo per cui l'orecchio umano percepisce le frequenze in modo logaritmico deriva dalla composizione della membrana basilare. I gruppi di ciglia, chiamati bande critiche, infatti sono ognuno sensibili ad una finestra di ampiezza 1/3 di ottava dello spettro di frequenza. In altre parole la membrana basilare è suddivisa in settori ognuno sensibile ad una determinata banda di frequenza ognuna di ampiezza pari a 1/3 di ottava e si comporta come un analizzatore di spettro. Ogni volta che il suono aumenta di un'ottava, viene eccitata una parte della membrana sempre equidistante dalla precedente riproducendo così un comportamento di tipo logaritmico [Decibels ] .