orecchio condotto

Nozioni di Acustica semplice
Introduzione
Il suono
Le caratteristiche di un suono
Il timbro
La percezione del suono
Dal suono all'elettricità
Introduzione
Un corpo che vibra genera compressione e decompressione dell’aria, che si trasmette in tutte
le direzione sotto forma di onde. Le onde che raggiungono un orecchio animale o umano,
vengono raccolte dal padiglione auricolare e convogliate sulla membrana del timpano. Questo è
collegato con una catena di ossicini che trasferiscono le vibrazioni ad un liquido presente
nell’orecchio interno. I movimenti del liquido stimolano i filamenti delle cellule ciliate, che
generano gli impulsi nervosi.
Ogni onda sonora ha caratteristiche proprie come l'intensità o la lunghezza. Non si può sentire
un suono se non ha una intensità sufficiente a far vibrare il timpano e lo stesso avviene se non
ha la giusta lunghezza d’onda (l).
Il numero di volte che una sorgente sonora vibra in un secondo viene chiamata frequenza e
viene espressa in Hertz, quindi se un suono ha frequenza 100 significa che la sua sorgente
vibra 100 volte in un secondo. L’orecchio umano è sensibile a frequenze da 20 a 20.000 Hertz.
Il suono
Generalmente, nel linguaggio comune, quando si parla di suono si intende la sensazione
psicologica legata all'ascolto. Per descrivere un suono, in effetti, spesso usiamo aggettivi, come
ad esempio gradevole oppure fastidioso, che sono legati alla sfera delle nostre emozioni. Ma
come possiamo definire in modo più esatto e oggettivo un suono? Per rispondere a questa
domanda ci conviene partire dalle origini e quindi, per prima cosa, cercare di capire da dove
nasce un suono. Se facciamo un piccolo esperimento e pizzichiamo la corda di una chitarra ci
accorgiamo che, in questo caso, il suono è prodotto e nasce proprio dalla vibrazione della
corda.
Vibrazione di una corda pizzicata
Per essere più precisi possiamo dire che per vibrazione si intende un movimento oscillatorio di
un corpo attorno alla sua posizione di equilibrio come quello mostrato dalla figura precedente.
La cosa interessante è che qualsiasi tipo di suono, non solo quello di una corda di chitarra, è
prodotto proprio da un fenomeno di questo tipo in cui c'è un corpo, chiamato sorgente del
suono, che vibra. Ma come riesce questa vibrazione ad arrivare fino al nostro orecchio per
essere percepita? Quello che accade è che, quando un corpo vibra, la sua vibrazione si propaga
nell'ambiente circostante sotto forma di un onda di pressione, ed è proprio quest'onda che
viene chiamata suono. Per visualizzare questo fenomeno possiamo pensare all'onda che si
genera sulla superfice dell'acqua quando agitiamo una mano nel liquido: più la vibrazione della
mano è ampia e più sarà alta l'onda che si propaga nell'acqua. Allo stesso modo più è ampia
l'oscillazione della corda e più sarà forte il suono che ascolteremo.
Onda di pressione generata nell'aria dalla corda
Da quello che abbiamo appena detto ne deriva che noi possiamo ascoltare un suono solo se
esiste un mezzo attraverso il quale la vibrazione del corpo si può propagare e generalmente
questo mezzo di propagazione è proprio l'aria che ci circonda. In realtà, però, il suono si
propaga in qualsiasi tipo di mezzo, solido liquido o gassoso anche se con velocità diverse,
come possiamo vedere nella tabella che segue, da dove si deduce che la velocità del suono
cresce con la densità del mezzo in cui si propaga.
MEZZO
VELOCITÀ
(metri al secondo)
Aria
331
Acqua
1450
Piombo
1230
Ferro
5130
Granito
6000
La velocità del suono in alcuni materiali
Anche l'attenuazione che subisce il suono - ovvero la diminuzione del suo volume mentre
viaggia - dipende dalla densità del mezzo di propagazione e infatti per esempio, nell'acqua un
suono si può percepire ad una distanza molto maggiore che nell'aria.
Le caratteristiche di un suono
Se andate a guardare su un qualsiasi libro di musica vedrete che il suono si definisce usando
tre proprietà: altezza, intensità e timbro. Ma cosa rappresentano questi nomi? Per capire come
si collegano queste grandezze al suono ci conviene osservare la forma dell'onda di pressione
che nasce da un corpo che oscilla e si propaga nel mezzo circostante. Possiamo rappresentare
quest'onda su di un grafico come quello che segue.
Grafico di un onda sonora
Se osservate la figura vi accorgete che un onda sonora è caratterizzata dal fatto che una
stessa forma si ripete periodicamente. L'altezza di un suono, chiamata più comunemente
frequenza, è proprio l'inverso del tempo che dura ogni ripetizione, che, a sua volta, viene
chiamato il periodo dell'onda. L'onda sonora in figura, per esempio, ha un periodo che dura
1/100 di secondo e quindi una frequenza pari a 100 oscillazioni al secondo. L'unità di misura
della frequenza si chiama Hertz, o in breve Hz, e quindi questa frequenza vale 100 Hz. Ma
come possiamo sentire la frequenza di un suono? Niente di più facile! Più un suono è acuto e
più la sua frequenza cresce. Per dare un po' di numeri considerate che una frequenza minore di
200 Hz è un suono basso mentre una frequenza maggiore di 800 Hz è un suono acuto.
Passiamo ora alla seconda proprietà di un suono, l'intensità. Come potete immaginare con
questo nome si intende l'ampiezza di un suono, il suo volume. Ma come si misura questa
volume? Così come per la frequenza esiste un'unità di misura ad hoc, gli Hertz, anche in
questo caso per misurare l'ampiezza di un suono si usa un unità particolare chiamata Decibel,
e quando usiamo questa unità facciamo riferimento proprio alla sensibilità dell'udito: un suono
appena percepibile infatti ha un ampiezza di 0 decibel - abbreviato in Db - mentre un suono
spacca timpani ha un ampiezza di 120 Db. Ma diamo qualche altro esempio tra questi due
estremi:
Decibel
Condizione ambientale
140
Soglia del dolore
120
Clacson potente, a un metro
100
Interno della metropolitana
80
Strada a circolazione media
70
Conversazione normale, a un metro
60
Ufficio commerciale
40
Biblioteca
20
Studio di radiodiffusione
0
Soglia di udibilità
Ampiezza sonora (Decibel)
Ed ora vediamo qualche sito su cui possiamo trovare qualche informazione in più su quanto
abbiamo detto:
http://www.racine.ra.it/ungaretti/labscie/acustica.htm a questo indirizzo, per esempio, la
scuola media statale "Ungaretti" di Solarolo (RA) descrive, in un percorso a esperimenti, le basi
dell'acustica;
http://www.atnet.it/lstron/fisica/oscill/sim01.htm qui, invece, possiamo trovare un laboratorio
di fisica virtuale con delle ottime animazioni che descrivono il comportamento di un onda
sonora e anche, per i più volenterosi, le equazioni matematiche che la descrivono.
Il timbro
L'ultima, e più complessa, caratteristica di un suono è chiamata timbro. Possiamo dire che il
timbro rappresenta la carta di identità del suono. Per convincersene facciamo suonare, per
esempio, ad un violino e a un pianoforte la stessa nota alla stessa ampiezza. Questi due suoni
quindi avranno la stessa altezza, la stessa intensità ma un timbro, e quindi un identità,
differente.
Grafico dell'onda di pressione generata
da un piano e da un violino
Come vedete la forma dell'onda è molto diversa nei due casi e si sarebbe tentati di affermare
che è proprio lei la responsabile del timbro. Ma purtroppo questo non è del tutto esatto. In
effetti ci possono essere delle forme d'onda che appaiono differenti ma hanno lo stesso suono.
A prima vista potrebbe sembrare di essere arrivati in un vicolo cieco, ma in realtà una via di
uscita esiste e la scoprì nel 1701 il francese Sauveur. Questo scienziato, studiando le vibrazioni
di una corda, intuì che qualsiasi suono in realtà è formato da una somma di onde elementari
chiamate sinusoidi o armoniche. E questa scoperta venne formalizzata, verso la fine del '700,
dal matematico J. B. Fourier che ne ricavò un celebre teorema che porta il suo nome.
Usando questo teorema si vede che il timbro di un suono in effetti dipende dalla quantità e
dall'ampiezza delle sinusoidi che contiene così come il sapore di una pietanza dipende dagli
ingredienti che usiamo per prepararla. Quindi, così come possiamo descrivere una pietanza
attraverso la lista dei suoi ingredienti, allo stesso modo possiamo caratterizzare un suono
specificando le sinusoidi che lo formano. Questa lista degli ingredienti di un suono ovvero delle
sinusoidi che lo compongono, si chiama spettro. Ma come si legge lo spettro di un suono? Se
osservate la figura seguente, che rappresenta uno spettro, potete osservare che sull'asse
orizzontale sono rappresentate, in ordine crescente, le frequenze delle armoniche che
compongono il suono, mentre, l'ampiezza di ognuna di queste armoniche è rappresentata
dall'altezza della riga che la rappresenta.
Lo spettro
Se volete saperne di più sullo spettro e sull'importanza che riveste nel mondo della musica e
dei suoni potete recarvi sul sito http://nts.csrf.pd.cnr.it/biblos/spettro-sonoro.htm della
"Biblioteca Umanistica Virtuale degli Organi di Ricerca del CNR" dove troverete tutte le
informazioni che vi possono servire su questo argomento.
Alla pagina http://www-groups.dcs.st-and.ac.uk/~history/Mathematicians/Fourier.html invece
potrete trovare una breve biografia di Fourier (in inglese).
La percezione del suono
Un suono, come abbiamo visto nel caso della corda di una chitarra, è un'onda di pressione che
parte da un oggetto che vibra e si propaga nell'aria circostante. Per poter percepire quest'onda
sonora l'uomo utilizza l'orecchio, un organo complesso ed estremamente sensibile. Ma non
tutte le vibrazioni possono essere percepite dal nostro orecchio e infatti, per esempio, noi non
riusciamo a sentire il suono di un fischietto per cani perché la sua onda sonora ha una
frequenza maggiore dell'intervallo in cui l'orecchio è sensibile.
Teoricamente, infatti, il nostro orecchio è in grado di ascoltare un suono solo se la sua
frequenza è compresa tra i 20 e i 20.000 Hertz. Ma perché diciamo teoricamente? In realtà, in
effetti pochissimi individui sono in grado di ascoltare in un intervallo così ampio. Molto più
spesso la massima frequenza che riusciamo ad ascoltare non è maggiore di 16.000 Hz.
E = orecchio esterno, M = orecchio medio, I = orecchio interno
Ora che abbiamo stabilito l'intervallo di frequenze che possiamo ascoltare, può essere
interessante cercare di capire come funziona il nostro orecchio. Per vederlo partiamo dalla
porta di ingresso, una membrana elastica e sensibile che viene chiamata timpano. Il suono, o
meglio l'onda di pressione che penetra nel condotto, si infrange contro il timpano che oscilla
impercettibilmente - qualche decimo di millimetro - seguendo le variazioni di pressione
dell'onda sonora. Il movimento del timpano viene poi amplificato e trasferito tramite tre
ossicini, che formano una specie di snodo meccanico, ad un organo chiamato coclea o
chiocciola per la sua caratteristica forma a spirale.
Il timpano, gli ossicini e la coclea
La chiocciola è l'organo più delicato e complesso del nostro apparato uditivo. Il suo compito è
quello di convertire le vibrazioni meccaniche che giungono dagli ossicini in impulsi elettrici che
verranno inviati al cervello utilizzando il nervo uditivo. Per effettuare questa conversione la
chiocciola si comporta come un microscopico analizzatore spettrale contenuto nella nostra
testa: il suono infatti, prima di essere inviato al cervello viene scomposto in una somma di
armoniche ed è questa scomposizione armonica che noi ascoltiamo.
Il modo in cui noi percepiamo i suoni quindi, oltre che dai nostri gusti musicali, dipende anche
e soprattutto dal modo in cui risponde questo sofisticato sistema di conversione, dalle sue
caratteristiche. Pensate che esiste una scienza, chiamata psicoacustica, che si occupa proprio
dello studio della percezione sonora.
Se siete incuriositi dalla psicologia percettiva e alle sue applicazioni vi consiglio di visitare il
sitohttp://www.cens.polito.it/demartin/Contenuto/Monografia_su_mp3/Psicoacustica.htm
Se invece volete conoscere un po' più in dettaglio come funziona il nostro apparato uditivo e,
in particolare, la chiocciola, vi suggerisco un ottimo sito italiano che si trova
all'indirizzohttp://www.sissa.it/bp/Cochlea/italian/coclea.htm.
Ma a cosa serve sapere tutte queste cose sulla percezione del suono? Innanzitutto per capire la
relazione che intercorre tra il suono come fenomeno fisico e la sensazione che si prova durante
l'ascolto e poi perché conoscendo i meccanismi percettivi è possibile sviluppare delle
applicazioni come ad esempio la famosa codifica MP3, che utilizzano questa conoscenza per
riuscire a comprimere un file di suoni e fare si che noi li possiamo scaricare da Internet in
minuti anziché ore.
La codifica MP3 in effetti si basa proprio sul funzionamento dell'orecchio ed infatti riesce ad
eliminare dalla musica solo quelle informazioni che il nostro orecchio non è in grado di
percepire. In ogni caso, se volete saperne di più su MP3 e sui principi della codifica
psicoacustica, potete andare sul
sitohttp://www.tesre.bo.cnr.it/Services/Local/Beta/bs019598/0198/b198appr.htmdove
troverete una risposta a tutte le vostre domande oltre che una panoramica sui principali
programmi che si utilizzano per suonare e registrare i file MP3.
Dal suono all'elettricità
Ora che abbiamo visto cos'è un suono e come siamo in grado di percepirlo, prima di iniziare a
parlare di bit e di computer ci conviene esaminare come si converte un suono in un segnale di
corrente. In effetti è proprio questa trasformazione che ha consentito l'ingresso della musica
nelle nostre case attraverso radio, registratori e dischi, e ancora oggi è necessario passare
attraverso la conversione dal suono ad un segnale elettrico, prima di digitalizzare questo
segnale elettrico e trasformarlo in bit da far leggere al computer. Per capire come avvenga
questa trasformazione tra suono e elettricità dobbiamo per prima cosa esaminare i due
dispositivi che ci consentono di passare dal mondo dei suoni, fatto di onde di pressione che si
propagano nell'ambiente, al mondo dei segnali elettrici che viaggiamo su fili di rame e
dispositivi elettronici. Questi due dispositivi si chiamano microfono e altoparlante. Il
funzionamento del microfono simula quello dell'orecchio umano, che trasforma l'energia del
segnale sonoro in energia meccanica attraverso la membrana del timpano. Anche nel
microfono infatti c'è una membrana che vibra e, successivamente, l'energia meccanica di
questa vibrazione viene trasformata in energia elettrica, tenendo conto della velocità o
dell'ampiezza dello spostamento della membrana, usando un componente elettrico chiamato
condensatore. Nel caso dell'altoparlante, invece , è una membrana di cartone a forma di cono
che si occupa di generare nell'aria circostante le onde di pressione che giungeranno al nostro
orecchio. Per poter oscillare seguendo le variazioni del segnale elettrico questo cono è
collegato ad una bobina elettromagnetica che però, per essere messa in movimento richiede
un segnale elettrico di potenza sufficientemente alta (qualche decina di Watt). Per raggiungere
questa potenza si usa un dispositivo chiamato amplificatore.
L'altoparlante
Una descrizione più approfondita di come funzionano questi dispositivi, comunque, si può
trovare sul sito http://www.cfnt.provincia.si.it/corsi/segnali_audio_video/acustica.htm. La
trasformazione di un suono in un segnale elettrico è un operazione fondamentale in campo
musicale. Un segnale elettrico, ad esempio, può essere memorizzato su di un nastro magnetico
e riascoltato in qualsiasi momento, oppure può essere trasmesso via radio. Dal punto di vista
delle applicazioni musicali, inoltre, si può considerare la possibilità di trasformare il segnale
elettrico che rappresenta il suono applicando i cosiddetti effetti, come ad esempio la
simulazione del riverbero di un ambiente o la distorsione del suono di una chitarra elettrica.
Oppure si può generare ex-novo un segnale elettrico oscillante e poi trasformarlo in un suono,
come facevano i vecchi sintetizzatori. Vi ricordate il famosissimo Moog?
Oggi i musicisti amano ancora questi suoni elettrici, che adesso vengono chiamati analogici per
distinguerli da quelli digitali, che sono generati dai computer, ed esistono numerosi siti per gli
appassionati dei vecchi sintetizzatori, come quello che vedete nella figura seguente.
Un sintetizzatore analogico
All'indirizzo http://www.vintagesynth.com/ per esempio c'è un vero e proprio museo virtuale
dove potrete trovare informazioni e foto su questi dinosauri della musica che oggi, grazie alla
musica Tecno, stanno vivendo una seconda giovinezza e fanno ballare milioni di persone.
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