Lezione-05

Sistema uditivo umano
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
1
L'Orecchio Umano
Orecchio interno
Struttura dell’orecchio
esterno e dell’orecchio
interno (organo del Corti)
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
Coclea
2
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.
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
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.
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
4
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.
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
5
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.
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
6
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)].
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
7
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
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
8
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
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
9
Metodiche di analisi in frequenza
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
10
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”
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
11
Forma d’onda e spettro:
a)
Onda sinusoidale
b)
Onda periodica
c)
Onda casuale
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
12
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.
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
13
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)
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
14
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)
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
15
Bande 1/1 e 1/3 di ottava:
• Bande di 1/1 ottava
• Bande di 1/3 ottava
21 ottobre 2010
Sistema Uditivo e Analisi in Frequenza
16