Acustica - Università degli Studi di Roma "Tor Vergata"
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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
