Fabio Peron. L orecchio umano. L orecchio esterno. L orecchio umano. Lezioni di acustica. Percezione del suono e Psicoacustica

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1 Acustica 3 4 L orecchio umano Lezioni di acustica. Percezione del suono e Psicoacustica Fabio Peron Università IUAV - Venezia L orecchio umano L orecchio esterno La funzione primaria dell orecchio esterno è quella di incanalare le onde sonore verso la membrana timpanica. Le onde arrivano nella parte più esterna o padiglione, passano per la conca e arrivano finalmente al timpano attraversando il condotto uditivo. Tanto la conca come il condotto uditivo presentano delle risonanze il cui effetto complessivo è quello di amplificare da 10 a 15 db le frequenze comprese tra circa 2 e 7 khz.

2 L orecchio medio La funzione principale dell orecchio medio e quella di adattare l alta impedenza caratteristica dei fluidi all interno della coclea con la bassa impedenza dell aria da dove provengono le onde sonore. Questo adattamento delle impedenze è necessario per assicurare un efficace trasferimento dell energia dal campo acustico agli organi recettori dell orecchio interno L orecchio medio I meccanismi che vengono attuati nell orecchio medio per operare questo adattamento sono fondamentalmente due: a) l effetto leva determinato dalla meccanica degli ossicini b) l innalzamento della pressione dovuto alle differenti aree della membrana timpanica e della finestra ovale. Il primo meccanismo consente un guadagno di circa 3 volte, mentre il secondo può innalzare la pressione nella finestra ovale di circa 15 volte rispetto al valore presente sulla membrana timpanica. La pressione all interno dell udito medio è pressoché costante ed uguale a quella atmosferica grazie al effetto equilibrante del condotto noto come tromba di Eustachio. In tal modo, le differenze di pressione applicate sulla membrana timpanica provocano una forza netta su questa che consente la sua conversione in corrispondenti vibrazioni di tipo meccanico L orecchio interno L orecchio interno L orecchio interno è contenuto nel labirinto osseo all interno dell osso temporale del cranio. L orecchio interno costituisce la parte più importante, complessa e delicata del sistema uditivo periferico. La sua funzione principale e quella di convertire le vibrazione meccaniche in impulsi nervosi che contengono tutta l informazione necessaria per l analisi e la classificazione dei suoni complessi che l udito normale è in grado di riconoscere. L orecchio interno è composto di due parti anatomicamente e funzionalmente ben differenziate: il sistema vestibolare, od organo dell equilibrio, e la coclea, organo dove avviene la transduzione delle vibrazioni meccaniche in impulsi nervosi che si può apprezzare in sezione nella figura sopra. Tanto il sistema vestibolare come la coclea sono innervate dal nervo VIII o nervo stato acustico il quale si divide in diversi rami. Come si vede nella figura, una di queste diramazioni innerva la coclea. I segnali nervosi possono fluire verso il sistema nervoso centrale (connessioni afferenti) o ricevere informazioni da questo (connessioni efferenti). In questa schematizzazione della sezione cocleare si può apprezzare come i giri all interno della chiocciola siano separati in tre regioni. Quelle in giallo formano la scala timpanica e la scala vestibolare e sono riempite da un liquido fisiologico, la perilinfa. In verde viene identificata, invece, la scala media, che è riempita con un altro liquido fisiologico diverso della perilinfa, la endolinfa. Nella scala media si trova l organo fondamentale dell udito interno: l Organo del Corti.

3 L orecchio interno Coclea Le vibrazioni della staffa sono trasmesse all interno della coclea tramite la finestra ovale che separa l orecchio medio dalla scala timpanica. In tal modo si innescano delle onde che si propagano lungo i circa tre giri della scala timpanica, passano attraverso l orifizio noto come elicotrema nella scala vestibolare e da lì ripercorrono indietro i giri cocleari per arrivare finalmente nella finestra rotonda. A causa delle caratteristiche geometriche e meccaniche della coclea, l eccitazione della membrana ovale provoca la formazione di onde stazionarie che raggiungono un massimo d ampiezza in corrispondenza di una posizione particolare lungo la coclea che dipende, a sua volta, dalla frequenza della onda stessa. Nella figura accanto viene schematizzata l onda stazionaria ed il suo inviluppo per diverse frequenze di eccitazione. Coclea Organo del Corti Il comportamento della coclea può essere quindi assimilato ad una catena di filtri passa banda. Tale comportamento ha dato origine alle teorie di pitch (altezza) note come teorie di posizione o spettrali. Tali teorie assumono che sia la regione della coclea a più ampia eccitazione quella che determina l altezza dei suoni. Da questo punto di vista, l udito sarebbe un analizzatore di Fourier, ma, come si vedrà più avanti, la scarsa risoluzione di tale analizzatore non permette di descrivere le reali performance del sistema uditivo. L organo del corti è il sistema dove avviene la trasformazione delle onde meccaniche che si propagano all interno dei fluidi cocleari in impulsi nervosi che sono convogliati dal nervo uditivo. Questo meccanismo è molto complesso ed ancora non completamente chiarito.

4 Sistema uditivo centrale orecchio medio orecchio interno L informazione neurale, efficientemente prodotta dal sistema uditivo periferico, è ulteriormente processata ed analizzata nella corteccia uditiva. E questa la regione dove le sensazioni di tipo psico acustico vengono prodotte. Università IUAV di Venezia - Acustica applicata e Illuminotecnica prof. F. Peron 1 Percezione del suono: l altezza (pitch) Percezione del suono: l intensità (loudness) Lo studio dei meccanismi di percezione dell altezza del tono di un suono (pitch) è necessario per comprendere i processi connessi alla funzione uditiva. Intervallo nominale di udibilità: 20 Hz 20 khz. L altezza di un suono fa riferimento alla tonalità percepita ed è soggettiva; richiede che l ascoltatore esprima un giudizio percettivo. La variazione nell altezza di un suono crea un effetto melodico. La percezione dell altezza dipende dall intensità del segnale sonoro; sotto di 1 khz l altezza tende a diminuire all aumentare dell intensità; sopra di 1 khz tende invece ad aumentare. Un segnale sonoro deve avere una certa durata affinché si formi la percezione dell altezza, altrimenti viene percepito come un click. La natura dello spettro di un tono complesso influisce sulla percezione dell altezza del tono. Ad esempio, un accordo musicale ricco di armonici ci appare più definito in altezza rispetto ad un tono puro della stessa frequenza ed intensità. L altezza di un suono complesso corrisponde alla sua frequenza fondamentale. Un insieme di proprietà fisiche contribuiscono alla formazione di un giudizio soggettivo sulla sensazione di intensità. Definizione formale: attributo della sensazione uditiva in base al quale i suoni possono essere ordinati in una scala che si estende dal più debole al più intenso. L intensità percepita è soggettiva. L intensità percepita può essere misurata in termini di livello di intensità sonora. Intensità sonora energia sonora per unità di tempo che fluisce attraverso un unità di superficie all interno di un campo sonoro. L udito umano è in grado di percepire un ampia dinamica di intensità (rapporto di /1; corrispondente ad un livello di 120 db sopra la soglia di udibilità). Per rappresentare questa estensione dinamica si ricorre ad una scala logaritmica (db). Università IUAV di Venezia - Acustica applicata e Illuminotecnica prof. F. Peron 1 Università IUAV di Venezia - Acustica applicata e Illuminotecnica prof. F. Peron 16

5 Audiogramma normale di Fletcher-Munson Audiogramma normale di Fletcher-Munson Il sistema uditivo umano presenta una sensibilità limitata alle frequenze molto basse (poche decine di Hz) ed a quelle elevate (oltre i 16kHz). Per procurare la stessa sensazione sonora (phon) occorrono, a frequenze diverse, livelli di pressioni sonore diversi suoni di stessa intensità ma frequenza diversa vengono percepiti dall orecchio in modo diverso. Università IUAV di Venezia - Acustica applicata e Illuminotecnica prof. F. Peron 1 Audiogramma normale di Fletcher-Munson Curve isofoniche Gli ascoltatori devono regolare il livello di un tono puro (di frequenza variabile) per uguagliare il livello prefissato di un tono puro a 100 Hz. Il livello sonoro (in phon) del tono a 1 khz è uguale a il suo livello di pressione sonora (SPL) in db. Il procedimento viene ripetuto per diverse frequenze del tono sotto esame si ottiene una curva di uguale livello sonoro con unità di misura il phon. Ad esempio la curva dei 40 phon, identifica i livelli, per ciascuna frequenza, che danno una sensazione uditiva, in termini di livello sonoro, pari a quella data da un suono puro di frequenza pari ad 1 khz e avente livello di pressione sonora di 40 db. La curva della soglia di udibilità, indica il più basso livello sonoro che può essere udito, in funzione della frequenza. C è un intervallo di frequenza in cui siamo più sensibili, dove la soglia di udibilità presenta un minimo; mentre siamo meno sensibili per frequenze molto più alte o molto più basse; quindi la soglia assoluta di sensibilità dipende dalla frequenza. Sono più piatte per livelli sonori elevati si ha una minore sensazione di differenza di livello sonoro in funzione della frequenza. Si deve ricordare che queste curve sono state costruite per suoni puri, cioè suoni caratterizzati da una singola frequenza.

6 Audiogramma normale di Fletcher-Munson Norma ISO 226: Equal Loudness Curves. Le curve di egual sensazione sonora hanno cambiato significativamente forma: Le scale di ponderazione Per collegare tra loro quantità di energia sonora e percezione uditiva, sono state introdotte le scale di ponderazione, tra le quali la scala A è quella maggiormente impiegata per la valutazione del disturbo. Isofonica 40 db normalizzata a 0 db at 1kHz L p (db) Isofonica 40 db Invertita confrontata con la curva A di ponderazione in frequenza 20 Hz khz 10 khz L p (db) A-weighting Hz khz 10 khz Scale di pesatura Scale di pesatura scala A : è derivata dalla curva isofonica di 40 Phon dell'audiogramma di Fletcher-Munson, ed è quindi teoricamente valida se i livelli di pressione sonora non sono elevati. In pratica è utilizzata quasi sempre, anche per livelli sonori elevati. scala B : è derivata dalla curva isofonica di 60 Phon dell'audiogramma di Fletcher-Munson, ed è quindi teoricamente valida per medi livelli di pressione sonora. In pratica è scarsamente utilizzata. scala C : è derivata dalla curva isofonica di 80 Phon dell'audiogramma di Fletcher-Munson, ed è quindi teoricamente valida per elevati livelli di pressione sonora. Viene abbastanza utilizzata anche se spesso è sostituita da una scala di ponderazione piatta (nessuna ponderazione) scala D : vuole simulare il comportamento smorzante dovuto ai muscoli tensori ed è teoricamente utilizzata solo in caso di pressione sonora elevatissima. In pratica è impiegata molto raramente, solo per alcun e misure di rumore di turbine di aereo.

7 Scale di pesatura Un esempio di pesatura Frequency Curve A Curve B Curve C Hz db db db Livelli di alcune sorgenti alle diverse frequenze Limiti di rumorosità: livello ponderato A Studio radiofonico o di registrazione 25 db Sala da concerto o grande auditorio 30 Sala per musica da camera 30 Teatro 30 Chiesa 35 Stanze da letto di appartamento 35 Stanza di hotel 35 Aula scolastica 35 Stanza di ospedale 40 Studio televisivo 40 Sala per conferenze 40 Ufficio 40 Sala di tribunale 40 Biblioteca 40 Ufficio pubblico 45 Banca 45 Supermercato 45 Ristorante 45 Bar 45 Ambiente di soggiorno privato 45 Mensa 55 Garage 60 Officina 60 Laboratorio 60

8 Indice di valutazione del rumore NR Indice di valutazione del rumore NC NR curve NR 25 NR 30 NR 35 NR 40 NR 45 NR 50 NR 60 NR 70 Application Concert halls, broadcasting and recording studios, churches Private dwellings, hospitals, theatres, cinemas, conference rooms Libraries, museums, court rooms, schools, hospitals operating theaters and wards, flats, hotels, executive offices Halls, corridors, cloakrooms, restaurants, night clubs, offices, shops Department stores, supermarkets, canteens, general offices Typing pools, offices with business machines Light engineering works Foundries, heavy engineering works PNC dba Excellent listening conditions less than 20 less than 30 Sleeping, residential, private office, library & classroom spaces Large offices, stores, cafeterias and restaurants Lobbies, laboratory, engineering and secretarial spaces Maintenance, equipment, kitchen and laundry rooms Shops, garages, powerplant control rooms, etc