Sistema uditivo umano
3 ottobre 2005
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
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L'Orecchio Umano
Orecchio interno
Struttura dell’orecchio
esterno e dell’orecchio
interno (organo del Corti)
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Coclea
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Sensibilità della coclea
• Sezionando la coclea si ha una specie
di doppia lamina che viene
sensibilizzata diversamente a
seconda delle frequenze di
eccitazione del segnale acustico,
come avviene, ad esempio, per la
corda di una frusta.
• Si osservi come le basse frequenze
interessino la parte terminale mentre
le alte frequenze la parte iniziale.
• Due segnali con bande sovrapposte
(in tutto o in parte) si mascherano in
modo tale che il segnale di maggiore
intensità annulla il segnale più
debole, a meno che quest'ultimo non
sia di larghezza di banda
sufficientemente larga.
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3
La coclea
• Ad ogni punto della coclea corrisponde un valore ottimo
della frequenza per il quale si ottiene la massima
eccitazione. In figura si possono osservare questi valori di
frequenza per la coclea umana.
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Sistema uditivo umano:
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.
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Le nuove curve ISO di “equal Loudness”:
Nel 2003 la ISO 226 è stata revisionata. Nella nuova norma, le curve di
egual sensazione sonora hanno cambiato significativamente forma:
In pratica, le nuove
curve sono ancora piu’
“gobbe”, per cui ora un
suono di 40 dB a 1000
Hz corrisponde ad un
suono di ben 65 dB a
100 Hz.
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Filtri di “ponderazione”:
La sensibilità dell’orecchio varia al variare della frequenza.
Per considerare il fatto che suoni con pari valore di SPL ma con frequenza
diversa vengano percepiti dall’uomo in modo diverso occorre utilizzare dei
filtri di “pesatura”o “ponderazione”
• filtro di ponderazione “A”,
comunemente impiegato e il cui
andamento, si conforma alla
risposta dell’orecchio umano a
livelli medio-bassi [dB(A)].
• filtro di ponderazione “C”,
impiegato per rumori molto forti
o esplosioni [dB(C)].
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Mascheramento temporale
Dopo un suono forte, per un po’ di tempo, il sistema uditivo rimane meno
sensibile, come mostrato dalla “curve di mascheramento” di Zwicker. La
curva dipende dalla durata dell’impulso sonoro forte e dalla sua frequenza
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Mascheramento in frequenza
Un tono puro abbastanza forte crea una “maschera in frequenza”: un altro tono
puro che stia “sotto” tale maschera diviene inudibile. La maschera è
asimmetrica, ed ha maggior estensione a frequenze più alte del tono
mascherante
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Metodiche di analisi in frequenza
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Composizione & analisi in frequenza:
Lo spettro di un segnale sonoro è la rappresentazione della sua
composizione in frequenza su un diagramma energia-frequenza, o
livello sonoro-frequenza.
In genere le perturbazioni sonore sono segnali complessi costituiti da
un gran numero di frequenze che in alcuni casi possono dare origine
ad uno spettro continuo.
a)
Tono puro
b)
Suono “complesso”
c)
Spettro “Continuo”
d)
“Rumore bianco”
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Forma d’onda e spettro:
a)
Onda sinusoidale
b)
Onda periodica
c)
Onda casuale
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Analisi in bande di frequenza:
La descrizione della composizione in frequenza dei segnali sonori
può essere condotta valutando il contenuto di energia sonora
all’interno di prefissati intervalli di frequenze, le bande di
frequenza.
Ciascuna banda è caratterizzata da una frequenza di taglio
superiore fs e da una frequenza di taglio inferiore fi.
L’analisi in frequenza può essere di due tipi:
• analisi a banda costante;
• analisi a banda percentuale costante da 1/1 o 1/3 di ottava.
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Analisi a banda costante:
analisi a banda costante
• se
f = fs – fi = costante,
per esempio 1 Hz, 10 Hz, ecc.
Tipicamente impiegata per analisi approfondite della composizione
in frequenza. Solitamente viene usata per misure nel campo delle
vibrazioni delle strutture o delle macchine.
Viene ottenuta con una tecnica di elaborazione matematica detta FFT
(Fast Fourier Transform)
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Analisi a banda percentuale costante:
analisi a banda percentuale costante
• se la larghezza di banda f è una percentuale costante del
valore della frequenza nominale f c f s f i che caratterizza
la banda stessa:
•
f
1
0.707
fc
2
fs = 2 fi
1/1
ottava
•
f
0.232
fc
fs= 2 1/3 fi
1/3
ottava
Tipicamente impiegata per misure acustiche. Possono essere usati
“banchi” di 10 filtri (ottave) o 30 filtri (terzi), ottenuti con circuiti
analogici o digitali (filtri IIR)
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Bande 1/1 e 1/3 di ottava:
• Bande di 1/1 ottava
• Bande di 1/3 ottava
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Spettri in ottava e 1/3 di ottava:
• Bande di 1/3 ottava
• Bande di 1/1 ottava
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Spettri in banda stretta:
• Asse frequenze lineare
• Asse frequenze logaritmico
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Rumore bianco e rumore rosa
• Rumore bianco:
Piatto in una analisi in banda
stretta
•Rumore rosa:
piatto in una analisi in ottave
o terzi di ottava
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Bande Critiche (BARK):
The Bark scale is a psychoacoustical scale proposed
by Eberhard Zwicker in 1961. It is named
after Heinrich Barkhausen who proposed the first
subjective measurements of loudness
Bark
N.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
Center freq.
50
150
250
350
450
570
700
840
1000
1170
1370
1600
1850
2150
2500
2900
3400
4000
4800
5800
7000
8500
10500
13500
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LoFreq
0
100
200
300
400
510
630
770
920
1080
1270
1480
1720
2000
2320
2700
3150
3700
4400
5300
6400
7700
9500
12000
HiFreq
100
200
300
400
510
630
770
920
1080
1270
1480
1720
2000
2320
2700
3150
3700
4400
5300
6400
7700
9500
12000
15500
Bandwidth
100
100
100
100
110
120
140
150
160
190
210
240
280
320
380
450
550
700
900
1100
1300
1800
2500
3500
Terzi d'ottava
N.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
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Center freq.
25
31.5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
800
1000
1250
1600
2000
2500
3150
4000
5000
6300
8000
10000
12500
16000
20000
LoFreq
22
28
35
45
56
71
89
112
141
179
224
281
355
447
561
710
894
1118
1414
1789
2236
2806
3550
4472
5612
7099
8944
11180
14142
17889
HiFreq
28
35
45
56
71
89
112
141
179
224
281
355
447
561
710
894
1118
1414
1789
2236
2806
3550
4472
5612
7099
8944
11180
14142
17889
22361
Bandwidth
6
7
9
11
15
18
22
30
37
45
57
74
92
114
149
184
224
296
375
447
570
743
922
1140
1487
1845
2236
2962
3746
4472
20
Bande Critiche (BARK):
Confronto ampiezze di banda - Bark vs. 1/3 Octave
10000
Bandwidth (Hz)
1000
Bark
Terzi
100
10
1
10
100
1000
10000
Frequenza (Hz)
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