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Percezione

Psicoacustica

La psicoacustica mira a stabilire le relazioni tra le nostre sensazioni uditive e le caratteristiche fisiche degli stimoli acustici. Queste relazioni sono ottenute mediante tecniche di psicologia sperimentale. La risposta statistica di un gran numero di ascoltatori a stimoli ben definiti è stata accertata, senza necessariamente cercare di spiegare il meccanismo proprio del funzionamento dell'orecchio.

Gli stimoli sono suoni puri, suoni casuali, parlato, ecc. Le risposte degli ascoltatori devono rivelare se un suono è udibile o meno, mostrare se vi sia una modifica o meno delle sensazioni uditive, classificare i suoni percepiti in base ad un scala, ecc.

La modalità di ascolto è molto importante e deve essere specificata. Viene fatta una distinzione tra ascolto con le cuffie, ascolto in campo libero e ascolto in un campo sonoro diffuso o semi-diffuso. Una ricca serie di esempi sonori, che copre la maggior parte dei seguenti effetti psicoacustici, è consultabile qui.

 

Campo uditivo

L'insieme delle gamme di frequenza e di intensità dei suoni udibili è conosciuto come campo uditivo. È delineato in basso dalla soglia di udibilità e in alto dalla soglia del dolore. Per un ascoltatore tipo, la soglia di udibilità è il livello minimo di pressione sonora di un suono specifico capace di evocare una sensazione uditiva. Il suono che raggiunge le orecchie tramite altri percorsi, quali ad esempio la struttura ossea, è considerato trascurabile. La soglia del dolore, per un ascoltatore tipo, è il livello minimo di pressione sonora di un suono specifico che stimoli l'orecchio a una sensazione di dolore.

Nella gamma di frequenze da 2 a 4kHz, dove l'orecchio è più sensibile, la gamma dinamica corrispondente alla differenza tra la soglia del dolore e la soglia di udibilità è di circa 140dB.

Il nostro udito si deteriora normalmente con l'età: si tratta della presbiacusia. Questa evoluzione si manifesta in una perdita uditiva. Questa perdita viene espressa in decibel definendo di quanto la soglia di udibilità dell'orecchio alterato supera la soglia standard di udito per una frequenza specifica. La presbiacusia è più marcata negli uomini che nelle donne: questo si spiega con esposizioni al rumore diverse durante la nostra vita. È quindi dimostrato che una lunga esposizione al rumore intenso, sul lavoro ad esempio, accelera il processo di invecchiamento del nostro udito e può causare perdite d'udito superiori al normale. Perdite di circa 25dB possono provocare un deterioramento sensibile nella corretta comprensione del parlato.

 

Intensità sonora

L'intensità sonora, o volume, è il parametro della sensazione uditiva per cui i suoni possono essere ordinati su una scala che va da soffuso a forte. Essa dipende principalmente dalla pressione sonora dello stimolo, ma anche dalla sua frequenza, dalla forma d'onda e dalla durata.

L'intensità sonora è caratterizzata da curve di intensità parificata (vedi immagine sotto), che mostrano i relativi valori di livello di pressione sonora e la frequenza necessari per causare un livello di intensità sonora specifico. Le curve di intensità parificata dipendono dallo stimolo e dalla modalità di ascolto.

Più in generale, il livello sonoro di un suono, espresso in phon, corrisponde al livello di pressione sonora di un onda progressiva libera, a una frequenza di 1000 Hz, sottoposta frontalmente ad ascoltatori otologicamente normali e giudicata altrettanto forte quanto il suono sconosciuto.

Intensità sonora

 

Tonalità

La tonalità è il parametro della sensazione uditiva per cui i suoni possono essere ordinati su una scala, detta scala psicoacustica, che va da grave ad acuto. La tonalità ci permette di riconoscere una melodia. L'altezza di un suono puro dipende principalmente dalla frequenza, in progressione non lineare, ma anche dalla pressione sonora, e in modo molto diverso da una persona all'altra.

Per un suono armonico, la tonalità è praticamente quella della fondamentale, anche se quest'ultima è assente: il nostro orecchio è quindi sensibile agli intervalli di frequenza tra armoniche. Si può osservare che la tonalità dipende anche dalla ampiezza delle armoniche: eliminando certe armoniche, ad esempio con dei filtri, si modifica la tonalità.

La tonalità dei suoni armonici dipende dall'ampiezza dei suoni puri presenti e dai loro intervalli di frequenza. L'altezza di un suono casuale dipende dalla gamma di frequenze entro cui i componenti hanno ampiezze relativamente grandi. Alcuni suoni hanno formanti diverse, il che significa che la loro tonalità è ambigua. Allo stesso modo, filtrando dei suoni percussivi (ad esempio lo xilofono) cambiamo la loro tonalità.

 

Tonalità armonica

Oltre alla tonalità definita sopra come scala psicoacustica, vi è la tonalità armonica o musicale, che corrisponde ad una scala di frequenze logaritmica. La tonalità armonica della musica polifonica occidentale e di altra musica tradizionale è basata sull'intervallo di ottava: due suoni con un rapporto di ottava sono percepiti come simili, o addirittura sembrano miscelati insieme, sia che si sentano simultaneamente o successivamente. L'unisono d'ottava di voci o strumenti consiste nel far loro eseguire la stessa melodia, ma ad una o più ottave superiori o inferiori: si sente una sola melodia.

Se 2 suoni con un intervallo di ottava sono considerati equivalenti, ciò porta a una tonalità musicale relativa, che significa che l'intervallo fra questi due suoni è riferito alla stessa ottava.

La tonalità armonica costituisce una scala fonetica solo per gli ascoltatori con orecchio musicale. Un ascoltatore con orecchio assoluto è in grado di riconoscere la tonalità armonica di ogni singolo suono. Questa sembra essere una qualità innata. Un orecchio può, tuttavia, essere formato dall'associazione, per un determinato strumento, tra tonalità e timbro di ogni singola nota. L'orecchio musicale relativo riconosce l'intervallo tra due suoni ascoltati simultaneamente o in successione. Questo è davvero cruciale per il musicista. La pratica aumenta leggermente il suo sviluppo.

 

Timbro

Il timbro è il parametro della sensazione uditiva che consente a un ascoltatore di giudicare che 2 suoni, presentati allo stesso modo e con la stessa intensità e tonalità, sono dissimili. Il timbro dipende principalmente dalla spettro del suono, ma anche dai transienti (delle variazioni d'ampiezza molto rapide) della sua formazione ed estinzione.

Per lo psicoacustico, cioè colui che studia la percezione soggettiva umana dei suoni, il timbro definisce spesso una categoria variegata: se 2 suoni di stessa intensità e tonalità sono percepiti come diversi, devono per forza avere timbro diverso. Spesso associamo al timbro un attributo di colorazione più o meno gradevole. Esso è descritto da termini soggettivi e da qualifiche che vengono utilizzati anche per la pittura, come caldo, freddo, pieno, rotondo, penetrante, acuto, brillante, ecc. In musica, il timbro si riferisce soprattutto ai suoni dei vari strumenti, permettendo il loro riconoscimento. È tuttavia più di questo, perché il modo di generare il suono, o in altre parole, l'attacco, determina in parte il timbro.

La caratteristica musicale del suono o, all'opposto, la qualità rumorosa del suono, sono associate al timbro: la prima è piacevole, la seconda è sgradevole. In generale, un suono armonico è più musicale di uno casuale. Questo è il motivo per cui il rumore è stato spesso definito come un suono inarmonico complesso o casuale.

 

Consonanza e dissonanza

Quando si ascoltano contemporaneamente 2 suoni puri, un ascoltatore percepisce un'impressione sgradevole, o non definita, conosciuta come dissonanza, non appena la differenza di frequenze è pari a circa 6-8Hz. La dissonanza è particolarmente forte per un intervallo vicino al mezzo-tono temperato.

Quando l'intervallo tra due suoni è un numero intero di ottave, la dissonanza scompare, per essere sostituita da una consonanza, che da un'impressione di calma, di pienezza e completezza. I due suoni sembrano diventare uno come se fossero all'unisono, cioè di stessa frequenza.

Ascoltando simultaneamente più suoni o serie armonici, percepiamo la stessa impressione di consonanza se il rapporto tra le loro fondamentali è una frazione semplice. Questa proprietà può essere spiegata con l'esistenza di armoniche comuni: maggiore è il loro numero, migliore è la consonanza. Al contrario, una dissonanza è tanto più marcata meno armoniche comuni ci sono e minore è la differenza con l'altra armonica presente (battimento e durezza).

Gli intervalli musicali possono essere classificati per consonanze discendenti. In successione abbiamo: l'unisono (1/1), le ottave (n/1), la quinta giusta (3/2), la terza maggiore (5/4), la quarta giusta (4/3), ecc. L'intervallo di settima maggiore (15/8) è considerato il più dissonante.

Infine, è opportuno notare che consonanze e dissonanze dipendono molto dall'esperienza musicale di ciascun individuo, e più in generale, dalla cultura musicale.

 

Mascheramento

Ascoltando 2 suoni di livello diverso, si osserva un mascheramento: il suono più intenso, di mascheramento, provoca una diminuzione dell'intensità sonora di quello meno intenso, suono mascherato, rispetto al suo volume prima che il suono di mascheramento sia stato introdotto.

Il mascheramento dipende dalle caratteristiche dei suoni presenti e dalle modalità di ascolto. È studiato per determinare quanto la soglia di udibilità del suono mascherato sia alzata dalla presenza del suono di mascheramento.

Questo comportamento dell'udito umano è stato preso in considerazione nel definire gli algoritmi di compressione per i formati audio digitali a riduzione di dati, come per esempio l'MP3. Un flusso audio lineare, come ad esempio su un CD audio, ha una velocità di trasmissione (bitrate) di 1411kbps. Un tipico file MP3 di qualità-Internet ha una bitrate di 128kbps. Si tratta di un rapporto di compressione all'incirca di 11:1. Come è possibile raggiungerlo senza ridurre le informazioni? In nessun modo. Dunque, riducendo le informazioni, come è possibile mantenere una qualità del suono accettabile? Una risposta abbastanza semplice è: sfruttando l'effetto di mascheramento, che in questo caso significa eliminare alcuni segnali o parti del segnale che sarebbero comunque mascherati dal nostro cervello.

 

Localizzazione

La localizzazione è la proprietà che permette di localizzare una sorgente sonora nello spazio. È possibile solo con l'ascolto binaurale, cioè con entrambe le orecchie. Pur essendo abbastanza precisa sul piano orizzontale, è mediocre per quanto riguarda l'angolo di elevazione e la distanza. Due fenomeni spiegano la localizzazione orizzontale di una sorgente sonora:

La testa costituisce un ostacolo alla propagazione del suono e determina un'ombra acustica per i suoni le cui lunghezze d'onda sono più piccole delle sue dimensioni. Per una sorgente laterale vi è quindi una differenza di intensità sonora tra le due orecchie, il che permette alla fonte di essere collocata. Questo fenomeno interviene solo al di sopra di circa 400Hz.

Siccome la diffrazione dipende dalla frequenza, il timbro di un suono complesso viene modificato a seconda della posizione della sorgente e da quindi un ulteriore mezzo per localizzarla. Questa modalità richiede che siano acquisite conoscenze sufficienti in merito alla modifica del timbro in relazione alla direzione della sorgente, dipende quindi dalle esperienze individuali di ogni persona.

La differenza dei percorsi sonori crea un ritardo tra i tempi di arrivo ad ogni orecchio. Quando rimane in uno stato costante, questo ritardo corrisponde ad uno spostamento di fase. Quest'ultimo consente di collocare la sorgente solo se corrisponde a meno di metà della lunghezza d'onda. Questo è il caso per frequenze inferiori a circa 800Hz.

Esperimenti sulla localizzazione delle sorgenti, in particolare quelle effettuate con le cuffie, dimostrano che gli esseri umani sono in grado di rilevare ritardi di circa 10 microsecondi. La soglia otologica, cioè la sensibilità, normale è pari a circa 40 microsecondi.

I fenomeni descritti sopra si combinano tra loro e permettono a una fonte di essere localizzata con una precisione maggiore quanto più complesso è il suono. Per i suoni puri a bassa frequenza vi è un'ambiguità di localizzazione tra anteriore e posteriore. Il solo ritardo di tempo non è sufficiente in questo caso per localizzare la fonte correttamente.

La localizzazione rispetto all'angolo di elevazione può essere spiegata con la diffrazione causata dalla testa, ma soprattutto dai padiglioni auricolari. Questa diffrazione da luogo ad alti e bassi nello spettro del suono incidente e pertanto induce timbri diversi. Sembrerebbe che le persone acquisiscano una sufficiente esperienza di ascolto per essere in grado di associare queste variazioni timbriche con i differenti angoli di elevazione.

Laboratorio di psicoacustica

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