Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica
Elementi di Psicoacustica
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Definizioni
La Psicoacustica studia l’interazione tra il fenomeno sonoro
ed i meccanismi fisiologici della percezione uditiva.
L’organo che permette all’uomo di percepire i suoni è
l’orecchio. Tramite quest’organo le onde sonore vengono
trasformate in impulsi nervosi che, una volta trasmessi al
cervello vengono percepiti come suoni.
cervello,
suoni
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Definizioni
Le tre sensazioni primarie che accompagnano ll’ascolto
ascolto di un suono
sono: altezza, intensità e timbro (in inglese, rispettivamente pitch,
loudness e timbre). Queste sensazioni sono il risultato della
elaborazione dell
dell’orecchio
orecchio e del cervello e non sono grandezze
misurabili direttamente (sono, invece, misurabili le quantità fisiche del
suono che sono principali cause di altezza, intensità e timbro). Per
suonii periodici
i di i (o
( quasii periodici),
i di i) il pitch
it h è determinato
d t
i t principalmente
i i l
t
dalla frequenza fondamentale (si ricorda che la frequenza
fondamentale di un suono è il numero di ripetizioni in un secondo del
pattern di vibrazione). Tra i suoni periodici si distinguono i suoni puri,
formati cioè da una sola componente sinusoidale. Visto nel dominio
della frequenza,
q
, un suono p
puro è rappresentato
pp
con una riga
g in
corrispondenza della frequenza della sinusoide. Per un suono
composto da più armoniche (sinusoidi), la frequenza fondamentale è il
massimo comun divisore della serie di frequenze che costituiscono lo
spettro.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Definizioni
L’intensità percepita dipende dal flusso di energia che accompagna la
vibrazione. Essa è tuttavia dipendente anche da altri fattori quali pitch,
durata e presenza di altri suoni.
suoni Il principale elemento che caratterizza il
timbro è lo spettro di energia. L’evoluzione temporale dello spettro è un
elemento fondamentale per il riconoscimento e la caratterizzazione dei
suoni strumentali.
strumentali
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Definizioni
Oltre alle sensazioni primarie appena viste, ne esistono altre che
rivestono notevole importanza nel processo percettivo. La direzionalità è
una sensazione legata alla percezione dei suoni,
suoni ed è legata alla
differenza di fase con cui il suono giunge alle orecchie (differenza che è
dovuta alla direzione di incidenza del suono). Consonanza e dissonanza
sono infine due sensazioni (indotte,
(indotte legate cioè al condizionamento
culturale) provocate dalla sovrapposizione di due o più suoni e dai
battimenti dovuti alla sovrapposizione. Il rapporto fra le frequenze e la
f
frequenza
di battimento
b tti
t determinano
d t
i
il grado
d di consonanza e
dissonanza percepito.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Orecchio umano
Da un punto di vista anatomico l’orecchio viene diviso in tre
parti: la prima parte è l’orecchio esterno che riceve l’onda
sonora e fa vibrare la membrana del timpano, la seconda è
l’orecchio medio che collega meccanicamente la membrana del
timpano con ll’orecchio
orecchio interno,
interno la terza parte è ll’orecchio
orecchio interno
dove hanno origine gli impulsi nervosi che attraverso il nervo
acustico vengono trasmessi al cervello.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
L’orecchio esterno
Il padiglione auricolare è la componente visibile dell’orecchio esterno; la sua
funzione principale è di contribuire alla ricezione del suono.
suono
E’ la forma del padiglione che può influenzare l’amplificazione o l’attenuazione di
determinate frequenze. Dal padiglione parte il condotto uditivo esterno che
convoglia le onde sonore alla membrana del timpano.
timpano
La spiccata sensibilità dell’orecchio umano alle frequenze attorno ai 3000 Hz si
spiega con il fatto che il condotto si comporta come un tubo chiuso
all’estremità
all
estremità con una frequenza di risonanza all
all’incirca
incirca di 3000 Hz.
Hz
L’orecchio esterno è separato dall’orecchio medio dalla membrana del timpano:
essa ha la forma di un cono piatto con un diametro di circa sette millimetri e la
convessità rivolta verso ll’interno.
interno.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
L’orecchio medio
L’orecchio medio è una cavità piena d’aria che contiene la catena di ossicini ossia
tre piccole ossa, il martello, l’incudine e la staffa, che forniscono il movimento
meccanico per
pe far
fa passare
passa e la vibrazione
ib a ione dal timpano all’orecchio
all’o ecchio interno.
inte no Il
martello è appoggiato sul timpano e quando viene messo in vibrazione colpisce
l’incudine, il secondo ossicino che funge da connessione con il terzo, la staffa.
Questa è a contatto con la finestra ovale,
ovale un
un’altra
altra membrana che segna ll’entrata
entrata
della chiocciola.
La catena d’ossicini è connessa a dei legamenti e posta in tensione attraverso due
piccoli muscoli: il tensore del timpano e lo strapedio.
strapedio Il primo è connesso al
martello, il secondo alla staffa. Questo sistema da una parte è un efficace
meccanismo di trasmissione tra orecchio esterno e finestra ovale, dall’altra
funziona come apparato protettivo in quanto limita la vibrazione trasmessa alla
finestra ovale.
La presenza di aria nell’orecchio medio fa in modo di compensare la spinta della
pressione atmosferica sul timpano,
p
p
, ciò avviene tramite il tubo di Eustachio che
mette in comunicazione l’orecchio medio con il setto nasale.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
L’orecchio interno
L’orecchio interno si presenta come un complesso sistema di canali colmi di
liquido inseriti nell’osso temporale. Nell’uomo il senso dell’equilibrio e dell’udito
viene dato dai nervi sensori posti all
all’interno
interno di questi canali che terminano nella
coclea. All’interno di quest’ultima troviamo una membrana detta basale che viene
eccitata attraverso l’energia trasmessa alla coclea dalla finestra ovale. Questa
membrana a seconda della frequenza del suono risulta più eccitata in un punto
rispetto ad un altro: le basse frequenze generano maggiore eccitazione
all’estremità della coclea, le alte invece nei pressi della finestra ovale.
La stimolazione delle fibre nervose coinvolge una complessa struttura posta sulla
membrana basale chiamata organo di Corti. Le cellule ciliate interne ed esterne
che fanno parte di quest’organo sono le principali responsabili del processo di
stimolazione nervosa,, p
pare infatti vi sia una dipendenza
p
diretta tra il danno subito
da queste cellule e la perdita di udito dovuta al rumore. Sezionando l’organo del
Corti si ha che in pratica le terminazioni nervose sono comprese fra due lamine di
tessuto organico
g
che,, p
per strofinio dovuto all’eccitazione acustica,, eccitano le
cellule nervose in zone differenti a seconda della frequenza di eccitazione.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Morfologia dell’orecchio
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Percezione uditiva
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Percezione uditiva
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Percezione uditiva
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Sensazione sonora
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Sensazione sonora
Audiogramma normale (Fletcher e Munson)
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Sensazione sonora
Nella
N
ll valutazione
l t i
d l rumore sii ha
del
h spesso a che
h fare
f
con i cosiddetti
idd tti livelli
li lli
ponderati. I moderni strumenti per la misurazione presentano infatti dei filtri di
pesatura denominati A, B, C (dB(A), dB(B), dB(C)).
Esiste anche una scala denominata D utilizzata per misure di rumorosità in zone
aeroportuali.
La sensibilità dell’udito è incostante col modificarsi della frequenza e del livello
sonoro; si presenta allora la necessità di adottare una strumentazione che emuli la
caratteristica dell’organo uditivo.
La sensibilità dello strumento viene così regolata secondo tre curve conosciute come
curve di ponderazione A,
A B,
B C che presentano andamenti della sensibilità
leggermente diversi tra di loro anche se tutti decrescenti verso gli estremi del campo
uditivo. Le curve di ponderazione derivano da considerazioni sull’audiogramma di
Fletcher e Munson e presentano una forte analogia con le isofoniche misurate in
Phon.
La scelta delle curve A, B e C si giustifica con la necessità di simulare il
comportamento
p
dell’orecchio umano medio ai livelli bassi,, medi e alti.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Sensazione sonora
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Sensazione sonora
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Sensazione sonora
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Mascheramento uditivo
L'audiogramma normale funziona correttamente per i suoni per i
quali è stato determinato sperimentalmente, quindi per i toni puri,
che rappresentano una classe molto ristretta nel campo dei
fenomeni sonori. Ogni tentativo di utilizzare, per la caratterizzazione
della percezione auditiva nei confronti dei suoni complessi, i dati
contenuti nell
nell'audiogramma
audiogramma normale risulta vano.
vano Ad esempio se si
analizza il contenuto spettrale di un suono complesso e per ciascuna
riga dello spettro (ovvero per bande di frequenza abbastanza
ristrette da poterle assimilare ad una riga) si calcola il livello
equivalente in phon utilizzando l'audiogramma normale e poi si
combinano linearmente i risultati parziali per risalire alla “sensazione
sonora del
d l suono complesso,
l
sii ottiene
i
un risultato
i l
che,
h sottoposto
al vaglio di una prova soggettiva d'ascolto, risulta errato.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Mascheramento uditivo
Il motivo per cui non risulta valido il principio di
sovrapposizione degli effetti dipende dalle caratteristiche
i ti
intrinseche
h del
d l meccanismo
i
di percezione
i
auditiva.
diti
U
Uno
d i
dei
fenomeni più evidenti che interviene quando vengono
percepiti
p
p p
più suoni contemporaneamente
p
consiste nel fatto
che ciascun suono non conserva totalmente la sua
individualità nei confronti della percezione. Il fenomeno
prende il nome di mascheramento acustico o
mascheramento uditivo. Questo fenomeno può essere
descritto g
genericamente come un disturbo all'ascolto di un
suono desiderato (suono mascherato) da parte di un altro
suono disturbante (suono mascherante).
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Mascheramento uditivo
Il fenomeno può
ò essere descritto considerando due toni puri di nota
frequenza e intensità
intensità.. Se uno dei due suoni ha un livello tale da essere
appena
pp
udibile, cioè il suo livello è p
pari al livello di soglia
g Ls, non appena
pp
ad esso si sovrappone il secondo tono, esso viene totalmente
mascherato per un livello sufficientemente elevato del suono
mascherante.. Per distinguere nuovamente la presenza del tono
mascherante
mascherato è necessario innalzare il suo livello fino ad un valore Lm per
il quale si raggiungono le nuove condizioni di soglia.
soglia.
Si assume allora come valutazione quantitativa del mascheramento la
differenza M, espressa in dB, fra i due livelli di soglia, in presenza e in
assenza del tono mascherante:
mascherante:
M Lm L s
Il livello Lm prende il nome di soglia mascherata d'udibilità.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Mascheramento uditivo
Effetto mascherante prodotto da un tono puro a 400 Hz e 1200 Hz, per diversi livelli
d'intensità acustica.
Lmascherante
400 Hz
1200 Hz
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Mascheramento uditivo
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Mascheramento uditivo
Nel caso in cui il suono mascherante sia costituito da un segnale a banda larga (ad
esempio dal rumore emesso da una macchina) il mascheramento non dipende dal
livello globale del suono mascherante, bensì da una ristretta banda di frequenza,
centrata sulla frequenza
q
f del tono mascherato,, detta banda critica p
per l’audizione,
la cui ampiezza Δf è funzione di f.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Scala dei sone
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Effetti del rumore
Gli effetti fisiologici prodotti dal rumore sull
sull’individuo
individuo possono variare in funzione,
funzione
sia delle caratteristiche fisiche del rumore, quali l’intensità, la composizione
spettrale, il tempo di esposizione, sia dalla risposta dei soggetti esposti.
Gli effetti sono suddividibili in tre classi:
• effetto di danno
• effetto di disturbo
• effetto di fastidio (annoyance)
Per danno si intende ogni alterazione anche parzialmente non reversibile
dell’apparato uditivo.
Il disturbo è invece un’alterazione reversibile delle condizioni p
psicofisiche dei
soggetti esposti al rumore.
Il fastidio è invece un effetto che il rumore provoca sugli individui non dovuto
esclusivamente al rumore ma anche alla combinazione di fattori di natura
psicologica e sociologica.
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Effetti del rumore
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Effetti del rumore
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Effetti del rumore
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Effetti del rumore
Corso di Fisica Tecnica Ambientale
Acustica: elementi di psicoacustica
Effetti del rumore
