L'acustica si occupa sostanzialmente di fenomeni ondulatori nell'aria o in altri materiali (acqua, legno etc) che consentono al nostro orecchio di ricevere la pressione esercitata su questi materiali e di inviare al cervello un impulso corrispondente.
In acustica ci occupiamo perciò di frequenze, lunghezze d'onda, riflessioni e così via da un punto di vista strettamente fisico e - potremmo dire - oggettivo: un diapason, ad esempio, produce oggettivamente una vibrazione di 440 Hz con una certa intensità sonora misurabile.
Tutto ciò si può analizzare con strumenti della Fisica e si possono attribuire unità di misura certe a grandezze come la frequenza o la pressione sonora.
Ma cosa accade quando questi fenomeni giungono all'orecchio umano?
Cosa avviene nel cervello?
Cos'è ciò che noi chiamiamo "suono" e che certamente non interpretiamo come una pressione o come una vibrazione, ma come un'esperienza di tipo unico e indefinibile? E perchè il suono influisce sui nostri stati d'animo?
Tutto ciò rientra nello studio della psicoacustica, una scienza sperimentale che cerca di approfondire la conoscenza dei fenomeni sonori in rapporto all'uomo che li percepisce.
In questo tutorial affronteremo una breve introduzione ad alcuni concetti psicoacustici fondamentali con l'intento in seguito di approfondire l'argomento.
Sensazione sonora e phon
Negli anni ’30 fu pubblicato un fondamentale studio sulla sensazione sonora, realizzato da Fletcher e Munson presso i laboratori Bell. Questo studio, in seguito ulteriormente perfezionato, è oggi alla base delle curve di sensazione rappresentate nel grafico che segue, note come curve di Fletcher e Munson.
Lo studio venne affrontato con una metodologia che è quella tipica della psicoacustica: numerose persone furono sottoposte a fenomeni sonori, e ne furono raccolte le dichiarazioni riguardo alle loro sensazioni.
In questo caso furono verificate le sensazioni riguardo all'ampiezza dei suoni - quello che viene comunemente detto "il volume" - rispetto alla frequenza del suono.
Le curve del grafico sono infatti anche dette curve di isofonia ad intendere che ogni curva rappresenta un certo "volume" percepito.
Notiamo che la tabella è stata talmente confermata in seguito nell'esperienza che oggi costituisce lo standard internazionale ISO 226: ciò è indicativo di quanto lo studio della psicoacustica non sia solo una curiosità psicologica, ma uno studio di importanza fondamentale per numerosi aspetti.
Per definire la tabella è stata scelta la frequenza di riferimento di 1000 Hz: il valore di livello di pressione sonora (in dB SPL) assunto da ogni curva isofonica (curva di uguale sensazione) alla frequenza di 1000 Hz definisce il livello di sensazione sonora in phon.
Cerchiamo di comprendere come va letto il grafico. Un’onda sonora di livello di pressione sonora, ad esempio, 40 dB, alla frequenza di 1000 Hz, definisce la sensazione che chiameremo di 40 phon (per cui in questo caso il valore in dB coincide con quello in phon): questa, seguendo la curva di Fletcher e Munson che passa per l’ascissa 1000 Hz e per l’ordinata 40 dB, sarà ad esempio la stessa sensazione di intensità che produce all’orecchio dell’ascoltatore una frequenza di 100 Hz emessa con circa 53-54 dB di pressione sonora. Analogamente, la sensazione che dà una sorgente di circa 105 dB a 20 Hz sarà la stessa di, ad esempio, una sorgente di circa 52 dB a 3000 Hz, ovvero, come vediamo dal grafico, una sensazione di 60 phon: che corrisponde, per definizione, alla sensazione data da una sorgente di 60 dB a 1000 Hz, come si può verificare.
Questi dati sono sperimentali e possono variare da individuo a individuo, e sono addirittura soggetti a variazioni nel tempo a lungo termine, passando cioè da generazione a generazione (a causa delle abitudini di vita e delle differenze culturali, nonché dei possibili cambiamenti della fisiologia stessa dell’apparato uditivo); sono però molto utili per determinare alcuni fatti di carattere generale.
Ad esempio, ed è l’osservazione più importante, si vede bene che bisogna aumentare molto il “volume” delle frequenze basse perché diano una sensazione sonora simile a quella data dalle frequenze medie, e c’è addirittura un picco di sensibilità nella zona della voce umana, che, come abbiamo già notato nel tutorial sull’orecchio umano, è situata nelle frequenze da circa 2 a circa 5 kHz. Da queste frequenze in poi le curve ricominciano a salire, indicando che la sensibilità alle frequenze alte è minore rispetto a quelle medie.
Con l’avanzare dell’età dell’individuo queste curve si modificano con ulteriori perdite di sensibilità verso il basso e verso l’alto (intorno ai 60 anni un uomo non sente al di sopra dei 10 kHz, salvo casi eccezionali).
Si noti che la regione al di sopra della prima curva di Fletcher e Munson (quella a 0 phon) e al di sotto dell’ultima (quella a 120 phon) è la cosiddetta area di udibilità dell’orecchio umano. Nel grafico che segue quest’area è rappresentata in grigio. Le frequenze al di sotto della più bassa udibile (circa 20 Hz) si dicono infrasuoni, quelle al di sopra della più alta (circa 20 kHz) si dicono ultrasuoni. La prima curva (quella a 0 phon) si dice soglia di udibilità, quella più alta (120 phon) si dice soglia del dolore (poiché a certe pressioni l’apparato uditivo corre rischi di rottura).
Sensazione sonora e son
Un’altra unità di misura usata per la sensazione di intensità sonora è basata sull’osservazione che un raddoppiamento della sensazione è associato in genere ad un incremento della pressione sonora di circa 10 dB, e viceversa si avverte un dimezzamento della sensazione con un decremento di circa 10 dB. È stato dunque introdotto il son, che è definito operativamente ponendo la sensazione di 1 son uguale a quella avvertita da una persona che ascolta un suono del livello di 40 phon.
2 son saranno la sensazione raddoppiata, 0,5 son la sensazione dimezzata. Per chiarire bene il rapporto tra phon e son, vediamo una tabella con le corrispondenze tra valori in phon e in son. Notate che per scatti di 10 phon si ha un raddoppiamento del livello in son.
Altezza in funzione della frequenza: il mel
L’altezza di un suono, intesa come percezione psicoacustica, è principalmente funzione della frequenza, ma non in modo strettamente lineare. Per misurare questa sensazione di altezza è stata introdotta un’unità di misura detta mel.
Si è stabilita come altezza di riferimento di 1000 mel la sensazione data dai 1000 Hz a 60 dB. Una scala sperimentale dei mel è rappresentata nel grafico. Al variare della pressione sonora la curva subisce delle variazioni.
Per comprendere però quanto sia complessa la questione dell’altezza soggettiva di un suono, si tenga conto dell’esperimento che segue.
Si pongono due sorgenti sonore a distanza uguale ma in direzione diverse di fronte ad un ascoltatore, come in figura.
Le due sorgenti emettono segnali puri a 168 Hz la prima e a 318 Hz la seconda. Se i segnali restano a volume abbastanza basso, essi risultano discordanti all’orecchio e producono una sensazione di fastidio nell’ascoltatore.
Si vedrà però che, aumentando progressivamente il volume delle due sorgenti, la sensazione dell’altezza dei segnali tenderà a scendere: il segnale di sinistra arriverà ad un certo punto a dare la sensazione di 150 Hz, quello di destra la sensazione di 300 Hz: essi dunque risulteranno piacevolmente combinati.
Si può verificare che ripetendo lo stesso esperimento con due frequenze più alte si avrà lo stesso effetto, solo che le note daranno l’impressione di salire in frequenza quando sarà alzato il volume, invece di scendere in frequenza.
Questo fenomeno ci dimostra quanto una semplice misurazione fisica di un avvenimento sonoro non renda conto di ciò che sente un ascoltatore, infatti un'analisi oggettiva restituirebbe a qualsiasi volume il risultato di due frequenze di 168 Hz e 318 Hz.
Inoltre bisogna dire che l’origine fisiologica di questo fenomeno psicoacustico è controversa, il che la dice lunga su quanto ancora c'è da capire sull'orecchio umano e su come il cervello interpreta i suoi segnali.
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