LA PSICOACUSTICA

La psicoacustica studia le relazioni tra i fenomeni acustici oggettivi e percezione uditiva soggettiva.
E’ possibile identificare in ogni stimolo sonoro tre qualità importanti: l’altezza riguardante la nota fondamentale, l’intensità o pressione acustica e il timbro, questo perché le tre variabili sono legate a proprietà oggettive che possono essere misurate ed espresse con concetti matematici.
Uno stimolo di questo genere è spesso rappresentato con il sasso che cade nell’acqua generando dei cerchi concentrici che rappresentano le onde sonore (rarefazioni e compressioni dell’aria) che arrivano al nostro orecchio ed è rappresentato da forme periodiche e ripetitive come quella visualizzata su un oscilloscopio.
La velocità delle rarefazioni e compressioni dell’aria ci dà l’idea dell’altezza del suono (la frequenza) mentre la differenza tra i due stati di pressione ci rappresenta l’intensità o volume percepito (l’ampiezza) e infine per il timbro si ha una rappresentazione della forma d’onda generata (le caratteristiche di spettro) che è facilmente identificabile in uno strumento musicale o in una voce umana.
Altri parametri non meno importanti per il riconoscimento di un suono sono le variazioni dei tre parametri già esposti durante la durata dello stesso, la dimensione spaziale e cioè l’ambiente che ci circonda e gli effetti transitori.
Per effetti transitori s’intende la dinamica del suono, che deve avere comunque una durata superiore al millisecondo per essere tale, e cioè la variazione di ampiezza dall’inizio alla fine dell’evento e quindi la durata dell’attacco e quella del decadimento che sono ulteriormente suddivise in altre fasi. Sono fondamentali ma meno importanti dato che possiamo sempre modificarle, pensiamo all’uso di un compressore su un suono pulito di chitarra, che porta ad avere sempre lo stesso timbro però compresso nella dinamica e quindi comunque riconoscibile come tale.
Alla presenza di più stimoli sonori contemporaneamente e con frequenze abbastanza simili, il nostro udito, potrebbe non sentire alcune frequenze più deboli che normalmente elaborerebbe, perché coperte da altre, tale fenomeno è chiamato “mascheramento” ed è sfruttato nell’algoritmo di codifica dei file MP3 mentre potrebbe ricreare delle frequenze non presenti nello stimolo sonoro che è sfruttato in alcuni raffinati impianti audio.
Tutti siamo abituati a vivere in un ambiente dove c’è un certo rumore di sottofondo di varia natura e intensità che causa un graduale adattamento cui ci abituiamo senza farci più caso ma siamo molto sensibili alle variazioni improvvise degli stimoli sonori che destano la nostra attenzione, quindi ci si abitua facilmente agli stimoli ripetitivi che risultano noiosi, mentre un suono estremamente variabile nelle sue parti fondamentali ha dalla sua l’imprevedibilità che ci attrae.
Inoltre certe persone possono essere più selettive nei vari suoni riuscendo a isolare, ad esempio, un singolo strumento all’interno di un gruppo musicale per ascoltare una parte per loro più interessante.
Sappiamo che la frequenza più bassa udibile dall’orecchio umano è di circa 20 hz cui corrisponde un periodo, ovverosia il tempo necessario a compiere un intero ciclo del segnale di 50 ms (50 millisecondi), mentre per le frequenze più elevate il nostro orecchio può raggiungere i 20.000 hz, in altre parole un periodo di 50 us (50 microsecondi o milionesimi di secondo). Queste due frequenze sono i limiti di un normale orecchio umano in salute e di persona molto giovane (circa 25 anni).
A causa dei danni all’apparato uditivo sottoposto a troppa pressione acustica continua, oppure per patologie acquisite o anche per semplice età anagrafica il limite superiore tende ad abbassarsi poiché subentra una modifica della struttura che non riesce più a vibrare a quelle frequenze che in genere hanno un’energia stimolante molto bassa e che portano alla perdita dell’intelligibilità all’ascolto nelle persone più anziane cui sia abbassata notevolmente la massima frequenza udibile.

LA PSICOFISICA

La psicofisica studia le reazioni dei soggetti sottoposti a stimoli sonori che sono forniti.
Quest’analisi ci permette di conoscere lo stato di salute dell’apparato uditivo del soggetto per verificare la perdita subita nel corso degli anni o a causa delle condizioni lavorative di uno o entrambi gli orecchi.
Se gli studi sono svolti su un campione di persone che non soffrono di alcun problema uditivo con stimoli semplici e quindi informazioni puramente fisiche e non un brano musicale abbiamo una risposta abbastanza simile da individuo a individuo.
Se invece forniamo agli stessi individui anche informazioni estetiche come appunto, un brano musicale, il sistema nervoso che trasmette al cervello le informazioni, elabora molti più dati portando a risultati spesso completamente diversi dovute sia alla memoria, alla cultura, al subconscio, alla riflessione, al sistema decisionale che logicamente varia da persona a persona.

IL NOSTRO SISTEMA UDITIVO

Abbiamo già detto che la propagazione delle onde sonore avviene per compressione e rarefazione dell’aria dal suo livello di pressione statico e quest’onda sonora trasporta energia meccanica che giungendo al nostro orecchio mette in moto tutto il sistema uditivo che trasforma un movimento meccanico in un segnale elettrico impulsivo dove si hanno un’elaborazione nell’orecchio interno dei parametri fisici relativi alla frequenza, intensità e timbro mentre alle vie nervose sono attribuiti i fenomeni transitori di attacco e decadimento dello stimolo.
Nella corteccia cerebrale avvengono il riconoscimento e l’integrazione di queste informazioni compresa anche la parte estetica.
Il nostro orecchio è quindi un sistema complesso ma non uno strumento di misura e il perché è presto detto.
Possiamo distinguere variazioni d’intensità di circa 130 dB, dove a 0 dB per convenzione abbiamo la soglia di udibilità e a 130 dB la soglia del dolore.

In questa simpatica scala si può vedere come in un bosco si abbia mediamente appena 16 db di pressione acustica, che salgono a 38 dB in una biblioteca, a 66 db in un ufficio oppure 86 dB in una fabbrica fino a superare i 110 dB quando si suona in un gruppo rock.
Se è vero che si possano ascoltare suoni con pressioni sonore superiori agli 80 db è anche vero che sia il nostro udito, sia il nostro sistema nervoso non possono sopportare per lungo tempo queste pressioni, senza che vi siano conseguenze nel breve o lungo termine.
Maggiori di livello sono queste esposizioni a rumori e suoni cui poniamo il nostro udito e minori sono i tempi di sopportazione prima che il nostro sistema intervenga auto-proteggendosi.
La prima difesa che il nostro udito attiva diventando leggermente e temporaneamente sordo e cui dovrebbe seguire una pausa di almeno un quarto d’ora per riprendere il normale funzionamento mentre la seconda è causata dall’ascolto di ronzi e sibili non presenti cui non si dovrebbe però mai arrivare.
L’ascolto per lunghi periodi di musica ad alto volume o rumori in un ambiente lavorativo molto forti e continui potrebbe portare, infatti, a danni permanenti del nostro sistema uditivo.

CURVE DI FLETCHER E MUNSON

La differenza del livello di uno stimolo avviene secondo una curva logaritmica in modo che sia possibile captare suoni o rumori appena percettibili o quelli prossimi al dolore che hanno variazioni di pressione enormemente più alte senza danneggiare il sistema ma tale variazione non avviene nella stessa maniera a tutte le frequenze.
Elaborando i dati raccolti su un campione di tante persone, si è visto che per ottenere la stessa intensità di livello percepito, è necessario aumentare la pressione sonora e quindi lo stimolo a certe frequenze e abbassarlo in altre da cui sono nate le famose curve di Fletcher e Munson.
Queste curve elaborate nel 1933 su un campione di tanti individui, cui era stato chiesto d’indicare, ascoltando dei toni puri in cuffia, il raggiungimento dello stesso livello percepito alle frequenze della gamma audio, hanno reso possibile il grafico sotto riportato dove ogni curva è chiamata isofonica perché allo stesso livello di volume percepito.
Nel 1956 altri due scienziati, Robinson e Dadson, hanno rielaborato queste curve con nuovi test in una camera anecoica (standardizzati poi nel 1986 come ISO 226) che ha portato a risultati sicuramente più precisi, poi rielaborati nel 2003.
Le curve sono comunque conosciute con il nome dei primi studiosi, Fletcher e Munson.

In pratica analizzando dette curve s’intuisce che l’orecchio umano è più sensibile a frequenze di 3-4 Khz ma quella di riferimento scelta è quella centrale di 1 Khz, cosicché a parità di volume percepito alle frequenze di 3-4 Khz sono necessari alcuni dB in meno in qualsiasi condizione di livello.
Allo stesso modo nelle frequenze più basse e a quelle più alte si ha la minore sensibilità perché si richiedono pressioni enormemente superiori per ottenere lo stesso effetto.
In particolare alla frequenza di 16 Khz occorrono fino a 15 dB in più di pressione secondo il livello, mentre alla frequenza più bassa che equivale a 20 hz occorrono anche 70 dB in più con livelli minimi di pressione per superare la soglia d’udibilità comprimendo 120 dB di dinamica in appena 60 dB.
Questo ci fa capire il perché i suoni a basso volume siano privi di corpo mentre ascoltandoli a volumi notevolmente più alti tutto, ci suoni meglio.
Dal disegno sopra ho evidenziato varie regioni colorandole di quattro colori diversi dove in rosso abbiamo un livello medio di 120 dB prodotti, ad esempio, da un combo da 100 watt nei suoi picchi di potenza ascoltato a un metro di distanza dove nella parte superiore più scura il nostro udito presenta una carenza di 5 dB a 80 hz e di 10 dB a 10Khz fuori però dalla gamma dello speaker mentre a 3-4 Khz si ha una maggiore efficienza di circa 15 dB rappresentato in rosso più chiaro.
In giallo abbiamo dei picchi di 1 watt del nostro combo sempre alla stessa distanza precedente e pressione di circa 100 dB con una situazione molto simile a 80 hz e variazioni minori a 4 e 10 Khz e una presenza di maggiore sensibilità di circa 4 dB a frequenze medio-basse dell’ordine di 300-400 hz.
In verde abbiamo la situazione precedente a una distanza di 10 metri che comporta un livello medio di pressione di 80 dB con una piccola perdita a 80 hz e un’ulteriore riduzione a 4 e 10 Khz.
Infine in blu rappresentiamo il combo con i picchi di un watt a una distanza di 100 metri, in spazio aperto, che possiede circa 60 dB di pressione media simile a quella di una conversazione tra persone o al rumore di un ufficio come visualizzato nella precedente tabella.
In quest’ultima situazione a fronte di un maggiore livellamento a 4 Khz si ha una perdita sensibile alla frequenza di 80 hz arrivando a ben 10 dB.
Da ciò che abbiamo visto, possiamo quindi affermare che il nostro sistema uditivo si comporta come un equalizzatore naturale, dinamico poiché funziona differentemente al variare del livello e abbia un espansore (perché occorrerebbe inviare un segnale compresso per mantenere lo stesso livello a bassi volumi) incorporato sulle basse frequenze.
Un saluto a tutti e alla prossima.