Caratteristiche di sensibilità dell'apparato uditivo umano

Salvo che in presenza di livelli sonori molto elevati, l'apparato uditivo di un essere umano non è ugualmente sensibile a suoni di diversa frequenza, a parità di intensità degli stessi.

A parità di livello di pressione sonora, l'essere umano percepisce con maggiore facilità suoni di media frequenza piuttosto che suoni acuti o gravi. Detto in altre parole, la soglia di percettibilità per suoni acuti o gravi è superiore alla soglia di percettibilità per suoni di frequenza intermedia.

ANDAMENTO DELLA SENSIBILITÀ DELL'APPARATO UDITIVO DI UN ESSERE UMANO IN FUNZIONE DELLA FREQUENZA E DEL LIVELLO DI PRESSIONE SONORA (FLETCHER E MUNSON, 1933).

La curva più in basso fornisce l'andamento della soglia di sensibilità dell'apparato uditivo umano in funzione della frequenza dell'emissione sonora.

Si deduce che per avere la prima percezione di un suono a 100 hertz è necessario incrementare il livello di pressione sonora di quasi 40 dB rispetto al livello di pressione che consente la prima percezione di un suono di frequenza 1.000 hertz (cento volte superiore, in termini assoluti).

All'opposto, per percepire un suono di frequenza pari a 10.000 hertz serve un aumento di livello pari a 10 dB rispetto al livello di pressione necessario per un suono di frequenza 1.000 hertz, ovverosia oltre tre volte il valore originario.

Sempre rispetto al riferimento a 1 kHz, un suono di frequenza pari a 4.000 hertz necessita di un livello sonoro inferiore di circa 8 dB, cioè più che dimezzato.

Le varie curve del grafico di Fletcher e Munson sono ricavate per successivi incrementi di 10 dB a partire dal livello sonoro di riferimento (20 micropascal a 1 kHz). Ogni curva è definita per uniformità di sensazione uditiva alle varie frequenze, ed a ciascuna di esse viene associata ad un valore in phon, una unità di misura appositamente introdotta per quantificare l'intensità della sensazione di ascolto (in inglese loudness level).

Si noti che all’aumentare dei livelli sonori le curve tendono a divenire sempre meno arcuate soprattutto verso l'estremo inferiore della banda audio.

A livelli sonori elevati, prossimi alla cosiddetta soglia del dolore (120 dB circa a 1 kHz), l’orecchio umano presenta differenze di sensibilità alle varie di frequenze quantificabili in soli 10 dB. Per contro, a livelli sonori appena percettibili, le differenze di sensibilità raggiungono quasi i 60 dB.

Livelli sonori dell’ordine prossimi alla soglia del dolore possono determinare danni permanenti all’udito. 

Per quanto attiene all’analisi percettiva di fenomeni sonori reali, la curva da prendere come riferimento è dettata dall’entità del livello sonoro del fenomeno.

Ad esempio, nel colloquio tra due persone il livello sonoro medio è pari a circa 70 dB, quindi la curva di interesse è quella a 70 phon. In discoteca, il livello sonoro raggiunto si aggira intorno ai 100 dB, per cui la curva di riferimento è quella a 100 phon, e così via.

In termini relativi, è possibile fare riferimento a tabelle che indicano la variazione della capacità percettiva, espressa come differenza in decibel, tra un punto di riferimento (es. tipico la frequenza di 1 kHz) e la frequenza di interesse.

ANDAMENTO DELLA CURVA DI LOUDNESS PER UN LIVELLO SONORO DI 70 dB SPL A 1 kHz

ANDAMENTO DELLA CURVA DI LOUDNESS PER UN LIVELLO SONORO DI 80 dB SPL A 1 kHz

Da questa ultima tabella si ricava ad esempio che un suono di livello pari a 80 dB alla frequenza di 1 kHz ed un suono di livello pari a 85 dB alla frequenza di 100 Hz danno la sensazione di avere lo stesso “volume”.

Il controllo “loudness” presente in molti amplificatori audio ha il compito di rendere più intense le componenti sonore di frequenze gravi ed acute rispetto a quelle di frequenze intermedie. Si tratta pertanto di una compensazione fisiologica. Come tale dovrebbe essere regolabile a seconda del livello di ascolto. In genere invece l’entità dell’intervento è prefissata, ciò che la rende in molti casi inutile se non addirittura controproducente. 

L’effetto di mascheramento

Le curve di Fletcher e Munson subiscono sensibili modificazioni laddove l’emissione sonora sia costituita di almeno due componenti di frequenza non molto differente e di livello diverso.

In tal caso, per un fenomeno noto come effetto di mascheramento, la curva di sensibilità si modificherà rigonfiandosi nell’intorno della frequenza del suono più intenso riducendo conseguentemente, nel contempo, la sensibilità per tutto un intervallo di frequenze.

Se la seconda componente sonora (A in figura), per ipotesi di livello inferiore alla precedente (B in figura), ha una frequenza ad essa prossima, essa potrà risultare inaudibile anche se il suo livello è in valore superiore a quello proprio della curva di percezione, ovverosia se in presenza di questa sola componente il suo suono risulterebbe udibile ad un ascoltatore. 

Vari sistemi “moderni” di digitalizzazione del segnale audio, come ad esempio l’ormai celebre formato MP3 ed il Minidisc della Sony basano le proprie procedure di selezione dei dati utili sulla curva di sensibilità e sull’effetto di mascheramento.

Percezione della direzione di provenienza dei suoni

Grazie al fatto che il nostro apparato uditivo è costituito di due orecchi, è possibile distinguere la direzione di provenienza di un suono, in modo da poter localizzare la posizione della sorgente sonora che lo emette .

Il meccanismo tramite il quale il nostro cervello ricostruisce una simile informazione è insito nel confronto tra quanto percepito dai due orecchi. Tale confronto avviene tanto in intensità quanto nel cosiddetto tempo d’arrivo.

Se una sorgente sonora si trova di fronte ad un ascoltatore, i due orecchi saranno soggetti al medesimo livello sonoro e l’emissione sonora raggiungerà i due orecchi nel medesimo tempo. Ciò è sufficiente al nostro cervello, anche ad occhi chiusi, a stabilire la provenienza frontale del suono.

Se viceversa la sorgente è spostata verso sinistra, l’orecchio sinistro percepirà un livello sonoro più elevato ed inoltre con un certo anticipo sull’orecchio destro.

Tali informazioni consentono di risalire, con un buon grado di precisione, alla direzione di provenienza dell’onda sonora.

Questa importante proprietà dell’organo uditivo umano può essere sfruttata finché la sorgente sonora si trova entro una certa distanza (dipendente dall’intensità del suono da essa emesso, dall’ambiente in cui si trova e così via), dopodiché la ricostruzione della direzione di provenienza risulterà sempre più difficoltosa. 

Quando di fronte all’ascoltatore sono presenti due sorgenti sonore, poste alla medesima distanza dall’ascoltatore, che emettono in contemporanea lo stesso suono, la sensazione sarà quella di una provenienza del suono da una unica sorgente da una direzione intermedia tra le due proprie delle sorgenti in funzione.

Si parla allora di sorgente fantasma o canale fantasma (“phantom source” o “phantom channel”).

Se si fa in modo che una delle due sorgenti emetta con un livello sonoro superiore oppure (o nel contempo) o con un maggior ritardo rispetto all’altra, l’immagine della sorgente “fantasma” tenderà a spostarsi verso tale sorgente, in misura tanto maggiore quanto più grande è lo sbilanciamento tra le emissioni sonore.

LA CONFIGURAZIONE D’ASCOLTO IN STEREOFONIA E’ A TRIANGOLO EQUILATERO E PREVEDE CHE L’ASCOLTATORE SI DISPONGA A PARI DISTANZA DAI DIFFUSORI ACUSTICI DESTRO E SINISTRO.

Com’è noto, tutti questi effetti sono sfruttati nelle tecniche di registrazione e di riproduzione sonora in stereofonia.

Lo stesso effetto si ha allontanando fisicamente una delle due sorgenti: l’immagine della sorgente “fantasma” tenderà a spostarsi verso la sorgente più vicina per effetto della diminuzione di intensità e dell’aumento del tempo d’arrivo dell’emissione sonora propria della sorgente più lontana.

Se il ritardo conseguente a questo allontanamento supera i 20 millisecondi, il cervello ricostruirà come direzione di provenienza quella tipica della sorgente sonora più vicina (A in figura) ed il livello sonoro apparente sarà dato dalla somma dei contributi delle due sorgenti (A+B).

Questo fenomeno è noto come effetto precedenza.

E’ interessante notare che se si fa in modo da ritardare l’emissione dalla sorgente A in modo che l’emissione sonora dalla sorgente B pervenga alle orecchie dell’ascoltatore con un anticipo di 20 ms o maggiore, l’immagine virtuale si sposterà verso la sorgente B.

Il ritardo con cui deve essere inviato il segnale alla sorgente A deve essere tale da compensare la maggiore distanza che il suono emesso dalla sorgente B deve percorrere rispetto a quello prodotto dalla sorgente A, il tutto incrementato dei 20 ms richiesti.

Questo fenomeno è stato studiato con maggiore accuratezza da Haas, ragione per la quale si tende a confondere effetto precedenza con effetto Haas, pur non sottintendendo esattamente gli stessi concetti.

Difatti, se le emissioni sonore dalle sorgenti A e B non sono di pari livello, si ha tutto un corollario di conseguenze.

Il grafico a lato lega il ritardo tra le emissioni sonore, percepite in una certa posizione, ed il dislivello che le stesse devono possedere per dare la sensazione di un pari volume sonoro (effetto Haas).

Si sottolinea che l’esperienza cui il grafico si riferisce era teso ad individuare la relazione tra le emissioni affinché l’effetto fosse la percezione di entrambe le sorgenti come entità distinte; in tale circostanza, l’ascoltatore ha la sensazione che il suono provenga da una posizione compresa tra le posizioni fisiche delle due sorgenti.

Ad esempio, due sorgenti distanziate tra loro (sia fisicamente come anche artificialmente) in modo che le rispettive emissioni siano ritardate l’una rispetto all’altra di 20 ms, daranno l’impressione di suonare ugualmente forte se la differenza di livello sonoro è pari a circa 10 dB a favore di quella ritardata.

Numericamente, date due sorgenti sonore A e B, se la sorgente che fa pervenire la sua emissione all’ascoltatore con un anticipo di 20 ms sull’altra genera un livello sonoro di 70 dB_SPL nella posizione di ascolto P, la seconda sorgente sonora, per dare l’impressione di suonare altrettanto forte, dovrà produrre un livello sonoro di 70+10=80 dB_SPL nella medesima posizione P.

Da tutto ciò si evince che l’effetto precedenza può essere visto come una applicazione particolare dell’effetto Haas.

Effetto di precedenza ed effetto Haas vengono sfruttati nei sistemi di rinforzo sonoro quando i diffusori acustici principali (“sorgenti primarie”) non sono in grado di far pervenire un livello sonoro accettabile agli ascoltatori più lontani ed allora si aggiungono diffusori acustici ausiliari (diffusori acustici “di riporto”’ o “sorgenti secondarie”) cui viene applicato un segnale di ingresso di livello opportuno e ritardato quel tanto che basta a mantenere la sensazione di direzione di provenienza dei suoni coerente con la posizione delle sorgenti primarie.

Poiché l’obiettivo non è che le due sorgenti sonore suonino ugualmente forte, ma che le rispettive emissioni sonore si fondano dando luogo ad un livello sonoro del valore desiderato e, nel contempo, che la direzione di provenienza del suono percepita dall’ascoltatore sia quella propria della sorgente sonora primaria, i valori di dislivello letti sul grafico precedente dovranno essere diminuiti di 4-6 dB.

Prima della correzione per effetto Haas, i diffusori acustici primario e secondario dovranno essere allineati temporalmente, ovvero dovrà essere compensata la differenza di cammino ΔD introducendo un ulteriore ritardo Δt_p sul segnale inviato al diffusore acustico di riporto (sorgente secondaria).   

Alla temperatura di 20 °C si ha:  

Esempio. La sorgente primaria B, a distanza D1=50m dalla posizione di ascolto P, produce ivi un livello sonoro di L_s1=70 dB_SPL. Si vuole elevarlo a 73 dB_SPL mediante uso di una sorgente secondaria A, a distanza D2=10 m da P.

1) livello sonoro. Per aumentare di 3 dB il livello sonoro prodotto dalla sorgente B, la sorgente A dovrà produrre in P un livello sonoro di pari entità, cioè L_s2=70 dB_SPL, ed un livello sonoro a 1m di L_s2@1m=70+20LogD2, ossia 90dB_SPL, al fine di compensare l’attenuazione dovuta alla distanza D₂.  

2) ritardo. Perché si verifichino le condizioni previste dall’effetto precedenza, l’emissione primaria deve pervenire all’ascoltatore con un anticipo di 20 millisecondi su quella secondaria. Dunque il ritardo da impartire al segnale inviato alla sorgente secondaria vale: 

in cui 116 ms servono per l’allineamento temporale delle due sorgenti A e B, mentre i restanti 20 ms sono richiesti perché si manifesti l’effetto precedenza.