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Come ascoltiamo - L'ascolto e la vita

1.5. Come ascoltiamo

Prima di analizzare cosa ascoltiamo, è bene vedere come ascoltiamo, ossia come la nostra struttura fisica e cerebrale ci metta in condizione di percepire suoni. Molti sono i trattati di fisiologia umana che descrivono alla perfezione l'anatomia dell'apparato uditivo. Ora ci occupiamo solamente del modo in cui il sistema uditivo interpreta il suono. Questa disciplina è chiamata psicoacustica e mette in relazione le grandezze acustiche oggettive, a valori ottenuti mediante il sondaggio soggettivo, psicologico e fisiologico.

1.5.1. L'ascolto umano inizia dall'orecchio

Ma come si comporta il nostro orecchio nel presentarci i suoni? La natura ha voluto provvedere anche a questo, ossia ha fatto in modo che al nostro sistema di trasduzione arrivasse un'informazione sonora già filtrata da delicatissime e stupefacenti strutture meccaniche.

Anatomia dell'orecchio
Anatomia dell'orecchio

Il nostro orecchio è composto da tre parti:

  • Orecchio esterno : Corrisponde alla parte visibile di tutto l'apparato, che influenza non poco l'aspetto estetico di un soggetto. Trattasi di un particolare convogliatore meccanico che focalizza parte delle onde acustiche verso la cavità interna contribuendo alla percezione di due fondamentali aspetti della comprensione sonora, la localizzazione spaziale e l'enfatizzazione di alcune frequenze.
    Il padiglione dell'orecchio
    Il padiglione dell'orecchio
    La riflessione multipla sulla cavità del padiglione, irregolare ma incredibilmente geometrica, convoglia le piccole onde, per lo più corrispondenti alle alte frequenze, verso l'interno del condotto uditivo creando una sorta di amplificazione intorno alle frequenze comprese tra i 2,5 e i 3 KHz, probabilmente non a caso importanti per il riconoscimento delle grida di un neonato e in generale utili per la comprensione del linguaggio specie su alcune consonanti. L'altro fondamentale lavoro che svolge il padiglione in particolare, è quello della localizzazione, ossia del riconoscimento della provenienza del suono, svolto appunto attraverso il convogliamento delle onde sul fuoco del foro del canale in modo da poter cogliere la direzione verticale di provenienza dei suoni.
  • Orecchio medio : E' la parte dell'orecchio che trasmette l'energia meccanica dal mezzo gassoso (l'aria circostante) al mezzo liquido: avviene per via del timpano e di un sistema di ossicini che trasmettono la pressione dell'onda all'orecchio interno con un incredibile sistema di adattamento di impedenza, riducendo le ampiezze ricevute a favore della loro forza, inoltre si comporta da interprete per le frequenze più basse, di estesa lunghezza d'onda, portandole a proporzioni meccaniche adeguate. L'ultima importante funzione è quella di proteggere l'apparato dalle forti pressioni, corrispondenti ad alti volumi, irrigidendo la muscolatura che vincola i movimenti degli ossicini chiamati staffa, incudine e martello. Qui l'orecchio si comporta da compressore, e se ne può rilevare l'effetto ascoltando con attenzione ad alti volumi di suono.
  • Orecchio interno : E' caratterizzato da un delicatissimo sistema idraulico composto di migliaia di minuscole ciglia, circa 25.000, che vengono pettinate dal flusso del liquido messo in movimento dalla spinta della finestra ovale. L'incredibile progettazione naturale sta nel fatto che una bassa frequenza, quindi con una maggior potenza, tende a raggiungere la parte terminale di una conchiglia (in latino coclea, da cui il nome scientifico) sensibilizzando le ciglia più grandi. Cosa contraria avviene per le alte frequenze, mettendo in movimento le prime e sottilissime ciglia. Questo delicato meccanismo è messo in pericolo dalla possibilità di addensamento delle ciglia che potrebbero provocare l'insensibilità alle frequenze più alte, provocando un ascolto detto sordo. Questo effetto potrebbe anche essere temporaneo dopo una lunga esposizione a volumi eccessivi.

La costituzione di queste tre parti dell'intero apparato produce delle importanti anomalie nella regolarità dell'ascolto: va detto infatti che il suono così come è nella realtà non potremmo mai conoscerlo, e, riprendendo un concetto già espresso in precedenza, ogni uomo ha facoltà diversa nel praticare l'ascolto, e questo già a partire dalle cause meccaniche della trasduzione.

1.5.2. L'ascolto umano non è lineare

  • “Uno stimolo deve essere aumentato di una frazione costante del suo valore perché la differenza cominci a diventare percepibile.”

    Wilhelm Weber (1800-1882)
    Wilhelm Weber (1800-1882)
  • “Ogni qualvolta si raddoppia la potenza del suono la sensazione di intensità aumenta di una quantità costante.”

    Gustav-Theodor Fechner (1801-1887)
    Gustav-Theodor Fechner (1801-1887)
  • “Alla presenza di un suono puro, l'altezza tonale e l'intensità soggettiva sono legati variando l'una in funzione dell'altra, così come tra le frequenze stesse, il rapporto di 2:1 corrisponde all'intervallo musicale di un'ottava.”

    Herman-Von Helmhotz (1821-1894)
    Herman-Von Helmhotz (1821-1894)

Questi enunciati potrebbero essere sufficienti a descrivere la non linearità dell'orecchio, ma vanno invece corredati da altri piccoli fattori che contribuiscono a valorizzarli.

Immaginiamo di stare in una stanza buia; appena accendiamo una lampadina la nostra percezione cambia sensibilmente, lo stesso avviene se dopo la prima ne accendiamo una seconda. Comincia ad essere un incremento di sensazione ridotto quando da dieci lampadine ne accendiamo un'undicesima.

Via via che il numero delle lampade accese aumenta dovranno essere molte di più le lampade da accendere per avere la prima iniziale sensazione e per notare la stessa differenza. Questo esperimento dimostra che la nostra sensazione umana non risponde linearmente agli stimoli. La nostra mente segue un ritmo, ordinato per convenzione da un operatore matematico chiamato Logaritmo (logos = mente e arithmos = numero) numero della mente, come volle chiamarlo Nepero. (si veda l'appendice) Questa caratteristica umana, fa sì che i due più importanti parametri del suono, ossia intensità e frequenza, rispondano esattamente nella maniera sopra citata.

Il rapporto sensazione-stimolo
Il rapporto sensazione-stimolo

Infatti in prossimità degli stimoli inferiori nella banda, gli incrementi percepibili sono ridotti, mentre con l'aumento dell'intensità e della frequenza verso gli estremi del campo udibile risultano di grande separazione prima che diventino rilevabili. Il campo udibile è compreso tra una pressione di 20 micropascal ed un massimo di 100 Pascal corrispondenti alla soglia di udibilità minima e quella del dolore, un frazionamento convenzionalmente stabilito tra 0 e 120 Phon. Questa pressione, deve prevedere un'oscillazione del mezzo radiante tra circa 20 e 20000 cicli al secondo (Hertz = Hz). Questa mutazione della risposta uditiva nel range delle possibilità umane è ben rappresentato dalla curva di indagine media elaborata da Fletcher e Munson e che viene comunemente denominata grafico delle curve isofoniche, cio è di uguale sensazione d'intensità alle varie frequenze. Il grafico riportato è completo e non necessita di ulteriori approfondimenti in relazione al nostro corso. Se pur da questa media sono nate tutte le unità di misura con lo scopo di avvicinare la sensazione umana al rigore scientifico, questi risultati sono soggetti a variazioni via via che gli studi si approfondiscono e che le possibilità tecnologiche avanzano.

Il rapporto sensazione-stimolo
Il rapporto sensazione-stimolo

1.5.3. L'ascolto umano è influenzato dall'orecchio esterno

Il complesso apparato dell'orecchio esterno, contemporaneamente alle importanti funzioni che svolge per favorire l'ascolto, contribuisce però a deformare la curva di una già improbabile linearità d'ascolto. Questo avviene per via di riflessioni, assorbimento, diffusione, diffrazione, interferenza e risonanza. Gli esperimenti dicono che il livello di pressione sonora, misurato dentro il meato acustico a cinque millimetri dall'estremità aperta, varia al variare della frequenza, pur mantenendo costante il livello dello stimolo acustico alla sorgente. In particolare esso risulta praticamente inalterato fino a circa 1.500 Hz, viene attenuato di 10 dB a 10 kHz, e così via, come mostra il grafico. L'influenza del padiglione auricolare, è particolarmente rilevante per le frequenze medio-alte, enfatizzando le componenti di frequenza attorno ai 2500 Hz.

Risposta ottenuta dopo il condotto uditivo
Risposta ottenuta dopo il condotto uditivo

1.5.4. L'ascolto umano è sensibile alla fase

La stessa non linearità dell'orecchio produce controfasi già monoauralmente: quel che arriva al timpano è una complicatissima risultante di onde ribaltate di fase, di modificazioni ottenute dal viaggio nel condotto uditivo e di onde ritardate quindi in maniera diversa a seconda della proveninenza. Possiamo dichiarare, da esperimenti fatti da Schroeder, che il nostro orecchio è sordo ai microsfasamenti, presenti sulle frequenze più alte, mentre comincia ad essere sensibile a sfasamenti relativi a frequenze più basse.

Risultanze medie di sfasamenti monoaurali
Risultanze medie di sfasamenti monoaurali

Per quanto riguarda invece la lettura degli sfasamenti in forma binaurale, dovuta a differenti percorsi del suono diretto e di quello riverberato prima di giungere alle due orecchie, è il metodo (unita alla valutazione della differenza d'intensità) con cui l'uomo percepisce la direzionalità sul piano orizzontale. Una certa precarietà di queste teorie è dovuta alla difficoltà di poter effettuare una misurazione oggettiva.

1500 Hertz = banda di transizione alla lunghezza d'onda della testa di 18 cm

1.5.5. L'ascolto umano soffre le bande critiche

Misurare il comportamento della membrana basilare e delle ciglia è molto complicato. Nonostante questo gli effetti che da essi dipendono sono sensibili, causando anomalie di ascolto. E' importante introdurre a questo punto il concetto di ”Banda critica”: si tratta di una porzione della banda udibile che si estende al crescere della frequenza. L'orecchio, come già illustrato, non è lineare nel sensibilizzarsi alle intensità, ma dipende dalle frequenze, e ne risulta interdipendente. Questo suo comportamento si complica quando riceve due o più suoni di differente frequenza. Prendendo ora il caso di due suoni, ognuno di essi preso singolarmente risponde a soglie di sensibilizzazione diverse; considerandoli invece in azione contemporanea la somma delle loro intensità produce risultati psicoacustici diversi in funzione dell'ampiezza di ognuno di essi e dell'intervallo di frequenza che li separa. La banda critica è proprio questo spazio che separa le due frequenze, e quindi la somma dell'intensità soggettiva delle frequenze contenute in essa. Per necessità sperimentali, le Bande critiche sono state divise in 24 nell'intera banda udibile, ed hanno diversa larghezza. Se l'intervallo fra i due toni è superiore ad una determinata banda critica la sensazione sonora istantanea è pari alla somma delle sensazioni che si avrebbero separatamente da ognuna di esse. Se invece l'intervallo di frequenza scende al disotto di quella determinata banda critica, l'intensità della sensazione sonora risulta inferiore alla somma ed il risultato sarà pronosticabile applicando la legge di potenza di Stevens (prettamente scientifica e non utile al nostro corso). La larghezza della banda critica cambia col cambiare della frequenza. Riguarda quindi un irregolare riconoscimento delle intensità che il nostro orecchio è portato a sommare. Bisogna inoltre onorare i nuovi studi, come quelli fatti da A.Tomatisse e J.Hirsh che teorizzano sull'utilità delle bande critiche per la difesa del sistema uditivo, nonché l'adattamento ai suoni della natura. Se due suoni hanno una differenza di frequenza maggiore della larghezza di banda critica vengono percepiti come consonanti, ma se invece la differenza delle loro frequenze è minore della larghezza di banda critica (o, come si dice, ricadono nella stessa banda critica), provocano una sensazione di dissonanza.

Consonanza e dissonanza in base alle bande critiche
Consonanza e dissonanza in base alle bande critiche

Da questo grafico, possiamo notare come due suoni, con frequenza diversa, siano tra loro dissonanti o consonanti in base alla loro distanza, specificando che la consonanza è possibile solo quando sono all'unisono o all'estremità della banda critica.

Divisioni delle bande critiche
Divisioni delle bande critiche

1.5.6. L'ascolto umano è determinato dal mascheramento

L'ascolto di un suono utile può essere disturbato o impedito quando sopraggiunge nello stesso momento un secondo suono, o diversi di essi. Tralasciando la sua natura, esso è comunque una fonte di disturbo. Questa interferenza sulla nostra concentrazione d'ascolto prende il nome di mascheramento uditivo . E' un fenomeno, e questo non è nuovo, piuttosto complesso, per il quale ci limiteremo a dire che in presenza di un rumore mascherante le soglie di udibilità di un suono mascherato variano dipendentemente da alcuni fattori, come altezza, intensità, relazione tra i due e il mondo sonoro circostante. Questa variazione, corrispondente ad un incremento, dipende dalla seguente equazione: M = Lm -Lo dove Lm è il livello della soglia in presenza del suono mascherante, ed Lo è il livello della soglia in assenza di esso. La risultante è chiamata Soglia mascherata.

Grafico del mascherameno
Grafico del mascherameno

Il fenomeno del mascheramento fisiologico è determinato da numerose variabili che confermano l'aver a che fare con una disciplina complessa; dalla sua analisi è stato possibile sviluppare algoritmi matematici per creare gli attuali sistemi di compressione del suono come l'ATRAC e l' M-PEG basati appunto sulla psicoacustica del mascheramento, arrivando fino a compressioni di 10:1 con cali di qualità davvero minimi.

I suoi effetti sull'ascolto, possono invece riassumersi in tre caratteristiche particolari:

  1. Il mascheramento è più evidente se la frequenza del suono mascherato è maggiore del mascherante
  2. Il mascheramento aumenta con l'aumentare del livello del mascherante.
  3. L'effetto di mascheramento è tanto più grande quanto più mascherante e mascherato sono vicine in frequenza.

1.5.7. L'ascolto umano riscontra i battimenti

In presenza di due suoni, con una ristretta differenza di frequenza, si avverte una modulazione oscillante di frequenza pari alla differenza tra le due. Nel caso di suoni molto deboli il fenomeno dei battimenti tende a sparire appena le due frequenze si distanziano di pochi cicli, nei suoni forti, invece, il battimento si avverte tanto distintamente che risulta essere un effettivo terzo suono che per quanto sia provocato da una risultanza acustica, è classificato come un fenomeno di mediazione uditiva del nostro orecchio, causa la relazione tra il lavoro delle ciglia e il riconoscimento delle bande critiche.

1.5.8. L'ascolto umano è sensibile ai ritardi

Dal nome dello studioso Haas, si enuncia che le onde riflesse in un ambiente, che giungano a noi dopo almeno 30 ms (millisecondi) di ritardo dal suono diretto, si avvertono come un'eco, ossia suono distinto; ovvero, un ritardo compreso tra i 15 e i 40 ms può produrre una perdita di direzionalità, la definizione si riacquista quando il ritardo sarà minore, o maggiore ma non ancora percepito come un'eco.

Effetto Haas
Effetto Haas

Le riflessioni del suono che ci giungano entro i 30 ms sono fuse nella percezione del nostro sistema uditivo insieme al suono diretto modificandone invece la timbrica.

1.5.9. L'ascolto umano è sensibile al tempo di percezione.

Il sistema uditivo è caratterizzato anche da una certa inerzia che si manifesta sia all'inizio (attacco) che alla fine (estinzione o rilascio) di un'eccitazione. La durata dei suoni influisce sulla valutazione dell'intensità e dell'altezza. Affinché un suono venga riconosciuto deve avere una durata minima che può essere tanto più breve quanto più alta è la sua intensità. Riducendo, però, la durata si riduce anche la sensazione di intensità. Affinché l'altezza del suono venga percepita è necessario che esso abbia, indipendentemente dalla sua frequenza, una durata minima di 10 ms. Al di sotto di questo valore la sensazione è quella di un impulso di rumore. E' pure verificato che la sensazione di suono persiste per circa 150 ms anche dopo che l'eccitazione sonora è cessata. Inoltre si tende a sopravvalutare la durata dei suoni brevi e sottovalutare quella dei suoni lunghi. I risultati statistici affermano che l'udito umano non riscontra differenza di tempo di attacco se due stimoli arrivano all'orecchio entro 70 ms. Ciò accade a tutte le intensità di emissione delle sorgenti acustiche.

In un suono sono definiti:

  • Attacco (in inglese ”attack”): in cui l'ampiezza gradualmente varia da zero al massimo;
  • Decadimento (”decay”): in cui l'ampiezza diminuisce fino a un certo livello
  • Costanza, sostegno (”sustain”): in cui l'ampiezza si mantiene pressappoco costante
  • Estinzione, rilascio (”release”): in cui l'ampiezza gradualmente diminuisce fino a scomparire sotto la soglia di udibilità o risulta mascherata dal rumore di fondo.
L'evoluzione di un suono
L'evoluzione di un suono

1.5.9.1. Teoria di Chion (1997)

Animazione: Orecchio più veloce dell'occhio.

Linearizzazione: Il suono sincrono impone un'idea di successione.

Vettorializzazione: Il suono genera un orientamento temporale e l'immagine viene vettorializzata dal suono.

1.5.10. L'ascolto umano è sensibile allo spazio

L'identificazione spaziale di una sorgente sonora prende il nome di stereofonia. La nostra anatomia, costituita da due trasduttori (le orecchie) permette di valutare la direzione di provenienza di un suono sul piano orizzontale sulla base di differenze timbriche e di intensità (la testa funge da filtro per l'orecchio in ombra), e di differenza di tempo d'arrivo (a regime statico si parla di differenza di fase). La direzionalità sul piano verticale è garantita dai microritardi introdotti dalla particolare forma del padiglione auricolare (pinna). La distanza è invece valutata sulla base delle esperienze del soggetto sul rapporto suono diretto/suono riverberato e, più facilmente della direzione, può essere oggetto di errore. L'intensità non pare influire sull'identificazione della provenienza dei suoni quando la lunghezza delle onde percepite comincia a superare la distanza fra le due orecchie, poiché riducendo gli effetti della differenza di fase, la capacità di riconoscimento spaziale diminuisce progressivamente fino alle basse frequenze dove diventa problematica (questo spiega in parte l'utilizzo di subwoofer singoli). Grande importanza hanno, nella stereofonia, i fenomeni di riflessione delle onde nell'ambiente e la capacità della testa di ruotare e muoversi per acquisire maggiori informazioni e stimare meglio la provenienza dei suoni.

1.5.10.1. La segregazione del suono, o teoria di Yost

E' una moderna teoria di ascolto che riguarda la localizzazione del suono da parte dell'orecchio; essa sostiene che il lavoro fatto dal nostro apparato uditivo sia in grado di riconoscere i connotati originali di una sorgente anche dall'unica, complessa onda risultante che ha raggiunto l'orecchio. Questo processo avverrebbe identificando gli attacchi, le armonizzazioni e la localizzazione. Molti dubbi sono stati espressi sulla validità di questa tesi, pur tuttavia alcune dimostrazioni hanno confermato elementi della sua validità. Inimmaginabile, e solo ipotizzato il modo in cui il sistema d'ascolto possa fare questo processo.

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Corso Audio Multimediale di Marco Sacco
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Cos'è Audiosonica

Audiosonica è un sito dedicato all'Ingegneria del Suono. All'interno del sito è disponibile il CAM Corso Audio Multimediale, un corso di Ingegneria del Suono consultabile (con alcune limitazioni) gratuitamente online. La versione senza limitazioni denominata ECO-SISTEMA CAM è disponibile in download a pagamento nei formati html, pdf A4, epub e mobi.

Il corso è adottato in varie forme da molte scuole di tecnica del suono, che sono elencate in una apposita sezione.

Vi sono poi altre sezioni con approfondimenti tecnici e notizie sempre inerenti al mondo dell'ingegneria del suono e anche una sezione dedicata ail'audio professionali con il sistema operativo Linux.

 

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