Fisica

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L’orecchio umano ha una gamma e una sensibilità incredibile. Può darci una grande quantità di informazioni semplici, come l’altezza, il volume e la direzione. E dal suo input possiamo rilevare la qualità musicale e le sfumature delle emozioni vocali. Come è collegato il nostro udito alle qualità fisiche del suono, e come funziona il meccanismo dell’udito?

L’udito è la percezione del suono. (La percezione è comunemente definita come consapevolezza attraverso i sensi, una definizione tipicamente circolare dei processi di livello superiore negli organismi viventi). Il normale udito umano comprende le frequenze da 20 a 20.000 Hz, una gamma impressionante. I suoni sotto i 20 Hz sono chiamati infrasuoni, mentre quelli sopra i 20.000 Hz sono ultrasuoni. Nessuno dei due è percepito dall’orecchio, anche se l’infrasuono a volte può essere sentito come vibrazioni. Quando sentiamo le vibrazioni a bassa frequenza, come i suoni di un trampolino, sentiamo le singole vibrazioni solo perché in ognuna ci sono suoni a frequenza più alta. Altri animali hanno gamme di udito diverse da quelle degli esseri umani. I cani possono sentire suoni fino a 30.000 Hz, mentre i pipistrelli e i delfini possono sentire fino a 100.000 Hz. Avrete notato che i cani rispondono al suono di un fischietto per cani che produce suoni fuori dalla gamma dell’udito umano. Gli elefanti sono noti per rispondere a frequenze inferiori a 20 Hz.

La percezione della frequenza è chiamata tono. La maggior parte di noi ha un’eccellente intonazione relativa, il che significa che possiamo dire se un suono ha una frequenza diversa da un altro. In genere, possiamo discriminare tra due suoni se le loro frequenze differiscono dello 0,3% o più. Per esempio, 500.0 e 501.5 Hz sono notevolmente diversi. La percezione dell’altezza è direttamente legata alla frequenza e non è molto influenzata da altre quantità fisiche come l’intensità. Le note musicali sono suoni particolari che possono essere prodotti dalla maggior parte degli strumenti e nella musica occidentale hanno nomi particolari. Le combinazioni di note costituiscono la musica. Alcune persone possono identificare le note musicali, come il La diesis, il Do o il Mi bemolle, semplicemente ascoltandole. Questa capacità non comune è chiamata intonazione perfetta.

L’orecchio è notevolmente sensibile ai suoni di bassa intensità. La più bassa intensità udibile o soglia è di circa 10-12 W/m2 o 0 dB. Suoni fino a 1012 più intensi possono essere brevemente tollerati. Pochissimi dispositivi di misurazione sono in grado di osservare una gamma di un trilione. La percezione dell’intensità è chiamata loudness. Ad una data frequenza, è possibile discernere differenze di circa 1 dB, e un cambiamento di 3 dB si nota facilmente. Ma la loudness non è legata solo all’intensità. La frequenza ha un effetto importante su quanto forte sembra un suono. L’orecchio ha la sua massima sensibilità alle frequenze nella gamma da 2000 a 5000 Hz, così che i suoni in questa gamma sono percepiti come più forti di quelli a 500 o 10.000 Hz, anche quando hanno tutti la stessa intensità. I suoni vicino agli estremi di alta e bassa frequenza della gamma uditiva sembrano ancora meno forti, perché l’orecchio è ancora meno sensibile a quelle frequenze. La tabella 1 fornisce la dipendenza di alcune percezioni uditive umane dalle quantità fisiche.

Tabella 1. Percezioni del suono
Percezione	Quantità fisica
Passo	Frequenza
Loudness	Intensità e frequenza
Timbro	Numero e intensità relativa di frequenze multiple. L’artigianato sottile porta ad effetti non lineari e a maggiori dettagli.
Nota	Unità di base della musica con nomi specifici, combinati per generare melodie
Tono	Numero e intensità relativa di frequenze multiple.

Quando un violino suona il Do centrale, non si può confondere con un pianoforte che suona la stessa nota. La ragione è che ogni strumento produce un insieme distintivo di frequenze e intensità. Chiamiamo la nostra percezione di queste combinazioni di frequenze e intensità qualità del tono, o più comunemente il timbro del suono. È più difficile correlare la percezione del timbro a quantità fisiche di quanto non lo sia per la percezione dell’intensità o dell’altezza. Il timbro è più soggettivo. Termini come sordo, brillante, caldo, freddo, puro e ricco sono impiegati per descrivere il timbro di un suono. Quindi la considerazione del timbro ci porta nel regno della psicologia percettiva, dove i processi di livello superiore nel cervello sono dominanti. Questo è vero per altre percezioni del suono, come la musica e il rumore. Non ci addentreremo ulteriormente in essi; piuttosto, ci concentreremo sulla questione della percezione del loudness.

Un’unità chiamata phon è usata per esprimere numericamente il loudness. I phon differiscono dai decibel perché il phon è un’unità di percezione del volume, mentre il decibel è un’unità di intensità fisica. La figura 2 mostra la relazione tra loudness, intensità (o livello di intensità) e frequenza per persone con un udito normale. Le linee curve sono curve di uguale intensità. Ogni curva è etichettata con il suo volume in phon. Qualsiasi suono lungo una data curva sarà percepito come ugualmente forte dalla persona media. Le curve sono state determinate facendo confrontare ad un gran numero di persone il volume dei suoni a diverse frequenze e livelli di intensità sonora. Ad una frequenza di 1000 Hz, i phon sono considerati numericamente uguali ai decibel. Il seguente esempio aiuta ad illustrare come usare il grafico:

Un ulteriore esame del grafico della Figura 2 rivela alcuni fatti interessanti sull’udito umano. In primo luogo, i suoni al di sotto della curva 0-phon non sono percepiti dalla maggior parte delle persone. Così, per esempio, un suono di 60 Hz a 40 dB è inudibile. La curva 0-foni rappresenta la soglia dell’udito normale. Possiamo sentire alcuni suoni a livelli di intensità inferiori a 0 dB. Per esempio, un suono a 3 dB e 5000 Hz è udibile, perché si trova al di sopra della curva 0-foni. Le curve di loudness hanno tutte dei cali tra 2000 e 5000 Hz circa. Questi avvallamenti significano che l’orecchio è più sensibile alle frequenze in quella gamma. Per esempio, un suono di 15 dB a 4000 Hz ha un volume di 20 foni, lo stesso di un suono di 20 dB a 1000 Hz. Le curve aumentano ad entrambi gli estremi della gamma di frequenza, indicando che un suono di maggiore intensità è necessario a quelle frequenze per essere percepito come forte come alle frequenze medie. Per esempio, un suono a 10.000 Hz deve avere un livello di intensità di 30 dB per sembrare forte come un suono di 20 dB a 1000 Hz. I suoni sopra i 120 phon sono dolorosi e dannosi.

Spesso non utilizziamo tutto il nostro campo uditivo. Questo è particolarmente vero per le frequenze superiori a 8000 Hz, che sono rare nell’ambiente e non sono necessarie per capire la conversazione o apprezzare la musica. Infatti, le persone che hanno perso la capacità di sentire tali alte frequenze sono di solito inconsapevoli della loro perdita fino al test. La regione ombreggiata nella Figura 3 è la regione di frequenza e intensità in cui ricade la maggior parte dei suoni della conversazione. Le linee curve indicano quale effetto avranno le perdite uditive di 40 e 60 phon. Una perdita uditiva di 40 foni a tutte le frequenze permette ancora ad una persona di capire la conversazione, anche se sembrerà molto tranquilla. Una persona con una perdita uditiva di 60 foni a tutte le frequenze sentirà solo le frequenze più basse e non sarà in grado di capire il discorso a meno che non sia molto più forte del normale. Anche così, il discorso può sembrare indistinto, perché le frequenze più alte non sono così ben percepite. La regione del discorso colloquiale ha anche una componente di genere, in quanto le voci femminili sono solitamente caratterizzate da frequenze più alte. Così la persona con un impedimento uditivo di 60 fon potrebbe avere difficoltà a capire la normale conversazione di una donna.

I test dell’udito vengono eseguiti su una gamma di frequenze, di solito da 250 a 8000 Hz, e possono essere visualizzati graficamente in un audiogramma come quello in Figura 4. La soglia dell’udito è misurata in dB rispetto alla soglia normale, in modo che l’udito normale si registri come 0 dB a tutte le frequenze. La perdita uditiva causata dal rumore mostra tipicamente un calo vicino alla frequenza di 4000 Hz, indipendentemente dalla frequenza che ha causato la perdita e spesso colpisce entrambe le orecchie. La forma più comune di perdita dell’udito arriva con l’età e si chiama presbycusis – letteralmente orecchio vecchio. Tale perdita è sempre più grave alle frequenze più alte, e interferisce con l’apprezzamento della musica e il riconoscimento del discorso.

L’orecchio esterno, o canale auricolare, porta il suono al timpano protetto e incassato. La colonna d’aria nel canale auricolare risuona ed è parzialmente responsabile della sensibilità dell’orecchio ai suoni nella gamma da 2000 a 5000 Hz. L’orecchio medio converte il suono in vibrazioni meccaniche e applica queste vibrazioni alla coclea. Il sistema di leva dell’orecchio medio prende la forza esercitata sul timpano dalle variazioni di pressione sonora, la amplifica e la trasmette all’orecchio interno attraverso la finestra ovale, creando onde di pressione nella coclea circa 40 volte maggiori di quelle che impattano sul timpano. (Vedi Figura 6.) Due muscoli nell’orecchio medio (non mostrati) proteggono l’orecchio interno da suoni molto intensi. Essi reagiscono al suono intenso in pochi millisecondi e riducono la forza trasmessa alla coclea. Questa reazione protettiva può anche essere innescata dalla propria voce, così che canticchiare mentre si spara con una pistola, per esempio, può ridurre i danni da rumore.

La figura 7 mostra l’orecchio medio e interno in modo più dettagliato. Le onde di pressione che si muovono attraverso la coclea fanno vibrare la membrana tectoriale, strofinando le ciglia (chiamate cellule ciliate), che stimolano i nervi che inviano segnali elettrici al cervello. La membrana risuona in posizioni diverse per frequenze diverse, con alte frequenze che stimolano i nervi all’estremità vicina e basse frequenze all’estremità lontana. Il funzionamento completo della coclea non è ancora compreso, ma si sa che sono coinvolti diversi meccanismi per inviare informazioni al cervello. Per i suoni inferiori a circa 1000 Hz, i nervi inviano segnali alla stessa frequenza del suono. Per le frequenze superiori a circa 1000 Hz, i nervi segnalano la frequenza in base alla posizione. C’è una struttura alle ciglia, e ci sono connessioni tra le cellule nervose che eseguono l’elaborazione del segnale prima di inviare le informazioni al cervello. Le informazioni sull’intensità sono in parte indicate dal numero di segnali nervosi e dalle raffiche di segnali. Il cervello elabora i segnali del nervo cocleare per fornire informazioni aggiuntive come la direzione della sorgente (basata sul confronto del tempo e dell’intensità dei suoni provenienti da entrambe le orecchie). L’elaborazione di livello superiore produce molte sfumature, come l’apprezzamento della musica.

Le perdite uditive possono verificarsi a causa di problemi nell’orecchio medio o interno. Le perdite conduttive nell’orecchio medio possono essere parzialmente superate inviando vibrazioni sonore alla coclea attraverso il cranio. Gli apparecchi acustici per questo scopo di solito premono contro l’osso dietro l’orecchio, piuttosto che amplificare semplicemente il suono inviato nel canale uditivo come fanno molti apparecchi acustici. Il danno ai nervi della coclea non è riparabile, ma l’amplificazione può compensare parzialmente. C’è il rischio che l’amplificazione produca ulteriori danni. Un altro guasto comune nella coclea è il danno o la perdita delle ciglia ma con i nervi che rimangono funzionali. Gli impianti cocleari che stimolano direttamente i nervi sono ora disponibili e ampiamente accettati. Più di 100.000 impianti sono in uso, in un numero circa uguale di adulti e bambini.

L’impianto cocleare è stato sperimentato a Melbourne, Australia, da Graeme Clark negli anni ’70 per suo padre sordo. L’impianto consiste di tre componenti esterni e due componenti interni. I componenti esterni sono un microfono per captare il suono e convertirlo in un segnale elettrico, un processore vocale per selezionare determinate frequenze e un trasmettitore per trasferire il segnale ai componenti interni tramite induzione elettromagnetica. I componenti interni consistono in un ricevitore/trasmettitore fissato nell’osso sotto la pelle, che converte i segnali in impulsi elettrici e li invia attraverso un cavo interno alla coclea e una serie di circa 24 elettrodi avvolti attraverso la coclea. Questi elettrodi a loro volta inviano gli impulsi direttamente al cervello. Gli elettrodi fondamentalmente emulano le ciglia.

Riassunto della sezione

• La gamma di frequenze udibili è da 20 a 20.000 Hz.
• I suoni sopra i 20.000 Hz sono ultrasuoni, mentre quelli sotto i 20 Hz sono infrasuoni.
• La percezione della frequenza è l’altezza.
• La percezione dell’intensità è la loudness.
• La loudness ha unità di phon.

Glossario

loudness: la percezione dell’intensità del suono

timbre: numero e intensità relativa di più frequenze sonore

nota: unità di base della musica con nomi specifici, combinata per generare melodie

tono: numero e intensità relativa di più frequenze sonore

phon: unità numerica di loudness

ultrasuoni: suoni sopra i 20.000 Hz

infrasuoni: suoni sotto i 20 Hz