psicoacustica e rumore Orecchio Medio Orecchio Esterno

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1 Lezioni di acustica psicoacustica e rumore 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. Orecchio Esterno 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 Orecchio Medio

2 Orecchio Medio 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 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. Orecchio Interno 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). Orecchio Interno

3 Coclea Coclea 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. 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. Coclea Coclea 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. 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.

4 Organo dei Corti Sistema Uditivo Centrale 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. 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. Psicoacustica e funzione uditiva La percezione dell altezza del tono (pitch) Psicoacustica lo studio della funzione uditiva relazione tra le proprietà fisiche del suono e le sensazioni che produce. Funzione uditiva processo che trasforma le onde sonore in segnali neurali che possono essere interpretati dal nostro cervello. 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.

5 La percezione dell altezza del tono (pitch) La percezione dell'intensità (loudness) La percezione dell altezza dipende dall intensità del segnale sonoro; al si sotto di 1 khz l altezza tende a diminuire all aumentare dell intensità; al di 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. Percezione dell intensità di un suono: insieme di proprietà fisiche che 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. La misura dell intensità La soglia di udibilità 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).

6 La soglia di udibilità La soglia di udibilità Le curve da 1 a 6 rappresentano i tentativi di determinare la soglia assoluta di udibilità alle varie frequenze da parte di vari autori. MAP (minimum audible pressure at the eardrum) = minima pressione udibile al timpano; MAF (minimum audible pressure in a free sound field) = minima pressione sonora udibile in un campo libero, misurata nella posizione in cui si trovava la testa dell ascoltatore. Le curve da 7 a 12 rappresentano i tentativi di determinare il limite superiore del campo uditivo, al di sopra del quale i suoni così intensi da creare disagio, fino ad arrivare alla sensazione non uditiva di formicolio e dolore. Curve Isofoniche Il problema fondamentale degli esperimenti di tipo psicoacustico è quello di quantificare le risposte di tipo soggettivo. Diverse strategie sono state sviluppate a partire dei lavori pionieristici di Harvey Fletcher. Una possibilità è semplicemente quella di aggiustare un parametro fisico fino a che una qualità percettiva non può più distinguersi rispetto a quella corrispondente ad uno stimolo di riferimento. Se si fa questo con dei toni puri, partendo da una frequenza di riferimento di 1000 Hz e si varia l ampiezza di un tono puro di frequenza leggermente diversa fino a che entrambi gli stimoli vengono percepiti all ascolto con la stessa intensità, si ottengono le curve di iso intensità, rappresentate qui sopra, che definiscono la scala della loudness misurata in phon. La curva di iso intensità più in basso, corrispondente a 0 phon, determina la soglia di udibilità dei toni puri. Il sistema uditivo umano presenta una sensibilità meno accentuata alle frequenze molto basse (poche decine di Hz) ed a quelle elevate (oltre i 15kHz). Per procurare la stessa sensazione sonora (phon) occorrono, a frequenze diverse, livelli di pressioni sonore diverse suoni di stessa intensità ma frequenza diversa vengono percepiti dall orecchio in modo diverso. Diagramma di Fletcher - Munson

7 Curve Isofoniche 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. 26 Curve Isofoniche Ulteriori informazioni relative alle curve isofoniche: Sono più piatte per livelli sonori elevati si ha una minore sensazione di differenza di livello sonoro in funzione della frequenza. La velocità di crescita del livello sonoro è diversa per suoni di frequenza differente. Si deve ricordare che queste curve sono state costruite per suoni puri, cioè suoni caratterizzati da una singola frequenza. ISO 226: equal Loudness. Nella nuova norma, le curve di egual sensazione sonora hanno cambiato significativamente forma:

8 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) 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. 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 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. Scale di pesatura Frequency Curve A Curve B Curve C Hz db db db 16-56,7-28,5-8,5 31,5-39,4-17, ,2-9,3-0, ,1-4,2-0, ,6-1, ,2-0, ,2-0,1-0, ,7-0, ,1-2, ,6-8,4-8,5

9 Loudness (Intensità) Le curve di iso intensità non costituiscono una appropriata misura dell intensità percepita. Infatti, se si passa dalla curva rappresentata da 10 phon a quella di 20, non significa che l intensità percepita si raddoppia. Per trovare la dipendenza dell intensità soggettiva col livello di pressione acustica conviene supporre che la grandezza psicoacustica Ψ soddisfi una legge di potenza: Ψ = k x I p Se si prendono i logaritmi ai due lati dell uguaglianza si ottiene : log(ψ) = log(k) + p x log(i) questo significa che se si rappresenta l intensità soggettiva ψ in funzione del livello di pressione acustica o intensità in un grafico doppiamente logaritmico, si ottiene una retta. Nella figura si può apprezzare infatti che i dati sperimentali si dispongono lungo una retta. La pendenza di questa retta determina il valore della costante p, che in questo caso risulta di circa 0.3. Con questo valore della costante p si può calcolare di quanto bisogna incrementare il livello di pressione acustica per raddoppiare la sensazione d intensità. Per un valore p di circa 0.3 questo incremento deve essere di circa 9 db. Questo significa che l intensità acustica si deve incrementare di circa 10 volte per ottenere un raddoppio dell intensità soggettiva. Loudness (intensità)