Acustica e psicoacustica: fenomeni fisici e percettivi del suono

Acustica e Psicoacustica

Cosa sono l'acustica e la psicoacustica? Viviamo in un'epoca in cui suoni di diversa origine ci circondano in oor istante e in ogni luogo. Per molti di noi la Tv, la radio, le suonerie dei cellulari. la musica in streaming o su YouTube e il rumore del traffico delle città sono il sottofondo costante della vita di tutti i giorni.

Ma cos'è il suono? In che modo è possibile definirlo? Possiamo studiare il suono da due punti di vista: dal punto di vista fisico e dal punto di vista percettivo. Nel primo caso studieremo i fenomeni legati alla produzione del suono e alla sua trasmissione; nel secondo ci occuperemo invece di come il suono viene da noi percepito.

La scienza che studia il suono come fenomeno fisico si chiama acustica; la disciplina che si occupa del modo in cui il nostro cervello recepisce, analizza e interpreta questo fenomeno fisico trasformandolo in sensazione si chiama psicoacustica.

Dal punto di vista dell'acustica il suono viene definito come onda di pressione sonora, mentre dal punto di vista percettivo (quindi psicoacustico) viene definito come sensazione.

Un'altra disciplina molto vicina all'acustica è l'elettroacustica, che si occupa del suono come segnale elettrico e quindi della sua acquisizione, del suo trattamento e della sua trasmissione e diffusione tramite apparecchiature elettriche, elettroniche ed elettromagnetiche.

Produzione e Propagazione del Suono

Occupiamoci per adesso del suono come fenomeno fisico.

Affinché un suono possa essere generato abbiamo bisogno di due elementi:

• una sorgente sonora, cioè un corpo in grado di vibrare (la corda di chitarra, le corde vocali, gli altoparlanti);
• un mezzo di propagazione, come l'aria, attraverso cui le vibrazioni emesse dalla sorgente possano viaggiare.

Per fare un esempio, le vibrazioni prodotte dalla corda di una chitarra vengono amplificate da un risonatore, la cassa, e trasmesse all'aria circostante che trasporta l'informazione sonora fino a noi. L'aria è il mezzo di propagazione attraverso il quale i suoni prodotti dai vari oggetti raggiungono il nostro corpo. Essa rappresenta una sorta di collegamento wireless (senza fili) tra la sorgente e l'ascoltatore. In assenza di aria, come nel vuoto dello spazio cosmico, non potremmo avvertire alcun suono.L'aria, e i gas in genere, sono mezzi elastici, ma lo sono anche i liquidi e i solidi, purché siano dotati di elasticità. L'elasticità è la capacità di un corpo di deformarsi per poi tornare alla propria conformazione originaria. La velocità con cui il suono si trasmette dipende dalle caratteristiche meccaniche del mezzo di propagazione. Per esempio, nell'aria a 21 °℃, la velocità del suono è di circa 344 m/s (metri al secondo). Nei liquidi e nei solidi il suono viaggia più velocemente.

Nella tabella qui sotto è mostrata la velocità di propagazione del suono (misurata in metri al secondo) in diversi tipi di materiali.

Materiali Velocità del suono in metri al secondo Acciaio 5000-5900 Acqua 1480 Calcestruzzo 3100 Legno di olmo 4108 Legno di pino 3313 Metano 430 Piombo 1230 Vetro 4000-5500 Tabella 1: velocità del suono in diversi mezzi di propagazione alla temperatura di 21 °℃

Cerchiamo ora di capire meglio il meccanismo di produzione e trasmissione del suono. Per farlo utilizzeremo la corda di una chitarra come sorgente sonora, e l'aria come mezzo di propagazione.

Quando pizzichiamo la corda della chitarra, essa inizia a vibrare mettendo in movimento le particelle d'aria, dette molecole.

fig. 1.7: movimento trasmesso da un corpo vibrante alle particelle dell'ariaLe molecole vicine alla sorgente, oscillando, mettono in movimento molecole a loro adiacenti, e queste, a loro volta, trasmettono il movimento a quelle successive, creando delle variazioni nella pressione dell'aria, la zona in cui la pressione atmosferica è maggiore viene chiamata zona d compressione; la zona in cui la pressione atmosferica è inferiore viene chiamata zona di rarefazione. L'alternanza di queste zone è ciò che chiamiamo onda sonora o onda di pressione sonora.

compressione rarefazione compressione fig. 1.8: movimento delle particelle d'aria al passaggio di un'onda sonora

A questo punto il suono, sotto forma di onda di pressione sonora, raggiunge il nostro apparato uditivo e da lì è trasmesso al cervello, che ci restituisce la sensazione uditiva.

fig. 1.9: trasmissione del suono attraverso l'ariaAlcune caratteristiche dell'onda sonora

Caratteristiche dell'Onda Sonora

Oltre a viaggiare a una determinata velocità, le onde viaggiano anche secondo un certo andamento, che può essere regolare o irregolare. Quando l'andamento è regolare - ovvero quando le zone di compressione e rarefazione si ripetono a intervalli di tempo uguali - definiamo l'onda come periodica,

max pressione 0 min 0 5 10 15 20 25 30 tempo in ms - fig. 1.10: raffigurazione di un'onda periodica con andamento sinusoidale

Un'onda aperiodica è invece un'onda in cui questi valori di pressione si succedono in modo irregolare.

max pressione 0 S min 0 5 10 15 20 25 30 tempo in ms -+ fig. 1.11: raffigurazione di un'onda aperiodica con andamento irregolare10 JUTICAL

La periodicità e l'aperiodicità di un'onda sono concetti molto important perché influiscono sulla percezione dell'altezza del suono. Generalmente quando un'onda è periodica, riusciamo a percepire in essa un'altezza defini- (pensiamo ad esempio al do centrale di un pianoforte o di un qualsiasi altro strumento ad altezza determinata). Al contrario, nelle onde aperiodiche l'irregolarità produce una sensazione di altezza indefinita, come nel caso delle percussioni ad altezza indeterminata (rullante, piatto etc.).

11

• L'altezza (pitch) è quella qualità del suono che ci consente di distinguere i suoni acuti (o alti) dai suoni gravi (o bassi).

La sinusoide, l'onda che vediamo rappresentata nell'immagine 1.11, è classico esempio di onda periodica. La sinusoide non è certo l'unico tipo di onda esistente, ma viene spesso utilizzata per illustrare e analizzare in modo semplice il comportamento del suono. Perché la sinusoide? Perché è un'onda elementare, mentre i suoni presenti in natura sono assai più complessi. La sinusoide pura è un'onda che contiene una sola frequenza generalmente prodotta con strumenti quali un sintetizzatore o un computer e difficilmente presente in natura.

Abbiamo compreso che un'onda può essere periodica o aperiodica e che questa caratteristica determina la percezione di un'altezza determinata o indeterminata.

Ma cos'è il periodo? Prendiamo come esempio la sinusoide mostrata in fig. 1.12, in cui possiamo osservare le variazioni di pressione dell'aria al trascorrere del tempo. Ora concentriamoci sulla parte della sinusoide colorata in grigio scuro. Essa evidenzia un periodo dell'onda.

« - periodo- max pressione 0 min 0 5 10 30 15 20 25 tempo in ms fig. 1.12: raffigurazione del periodo di un'onda

Infatti, partendo da una posizione di equilibrio (punto 0), l'onda ritorna al punto 0 toccando il valore massimo ed il valore minimo. L'oscillazione completa dell'onda è chiamata ciclo, mentre l'intervallo di tempo necessario a completare un ciclo si chiama periodo; esso si indica con il simbolo T e si misura in secondi (s) o in millisecondi (ms). Nell'esempio in figura il periodo è di 0,01 secondi, ovvero T= 0,01 s oppure T=10 ms. Il periodo è quindi il tempo impiegato dall'onda per compiere un'oscillazione completa attorno al punto di equilibrio.

La distanza percorsa da un'onda per completare un ciclo si chiama invece lunghezza d'onda, si rappresenta con la lettera greca À (lambda) e si misura in metri o centimetri.

Non è necessario misurare il periodo partendo sempre dal punto 0, come nella figura precedente. Possiamo misurare il periodo partendo da un qualsiasi punto dell'onda (come in fig. 1.13). La cosa importante è che si misuri con esattezza il completamento di un intero ciclo.

....- periodo max pressione 0 min 0 5 10 15 20 25 30 tempo in ms fig. 1.13: raffigurazione del periodo di un'onda

Approfondimenti Online sull'Onda Sonora

Approfondimenti online - Acustica: Alcune caratteristiche dell'onda sonora11 11 Gli approfondimenti sono visibili online o scaricabili in formato Powerpoint sul sito di supporto all'indirizzo https://www.contemponet.com/supportoAvviate adesso la Web App 1.3 - Suoni complessi che trovate online sul si di supporto. Nel riquadro a sinistra dell'esempio é mostrato un singolo ciel dell'onda, mentre nel riquadro di destra potete osservare il ciclo dell'onda che si ripete ad intervalli di tempo regolari.

Nota MIDI: 65 Reset Play Stop 0 fig. 1.14: Web App 1.3 - Suoni complessi

Frequenza e Altezza del Suono

Un'altra importante caratteristica dell'onda sonora è la frequenza.

La frequenza (f) di un'onda determina la sensazione di altezza del suono, cioe ci fa percepire quel dato suono come acuto o grave; si tratta di una grandezza direttamente collegata al periodo e al ciclo dell'onda. In che modo sono collegati? La frequenza non è altro che il numero di cicli che un'onda comple in un secondo; essa si misura in Hertz (Hz). Ad esempio, un'onda il cui ciclo si ripete 220 volte in un secondo avrà una frequenza di 220 Hz. Spesso per esprimere i valori di frequenza si usa il kHz (kilo Hertz): 1 kHz = 1000 Hz. Per esempio, una frequenza di 2300 Hz può essere indicata anche come 2,3 khz.

Frequenza e periodo sono grandezze inversamente proporzionali, cioè al crescere dell'una corrisponderà una diminuzione dell'altra e viceversa. Infatti maggiore è la durata del periodo, minore sarà il valore della frequenza cioè il numero di cicli che l'onda compie in un secondo. Si dice anche Che la frequenza è il reciproco del periodo e viceversa, Possiamo esplicitale matematicamente questa relazione così:

f = 1/T T = 1/fAttraverso queste formule possiamo ricavare la frequenza conoscendo il periodo e viceversa.

Prendiamo come esempio la sinusoide della fig. 1.12 in cui è evidenziato il periodo dell'onda.

Come possiamo notare, l'onda compie un ciclo completo in 0,01 secondi. Utilizzando la formula di prima, otterremo che f = 1/0,01 cioè f = 100. La nostra sinusoide avrà quindi una frequenza di 100 Hz.

Viceversa, possiamo ricavare il periodo di un'onda conoscendo la frequenza di un suono, in quanto T=1/f.

Prendiamo come esempio un suono con frequenza pari a 40 Hz. Quindi: T = 1/40 T = 0,025 secondi. f = 40

Dal punto di vista percettivo la frequenza è strettamente collegata alla sensazione di altezza che, come abbiamo visto sopra, è quella qualità del suono che ci consente di distinguere i suono acuti dai un suoni gravi. Possiamo definire l'altezza anche come la nostra risposta soggettiva (psicoacustica) alla frequenza del suono; quest'ultima, invece, è un parametro fisico (acustica) che possiamo misurare oggettivamente.

Per comprendere meglio questi concetti collegatevi alla pagina di supporto e avviate la Web App 1.2 Periodo-Frequenza-Altezza.

0.00 ms 4.00 ms 8.00 ms 12.00 ms 15 Frequenza: 261.6256 Hz Periodo 6 4 -4 Nota: O T = 1 261.63 = 0.003822 sec. 4 4 C3 - DO3 fig. 1.15: Web App 1.2 - Periodo-Frequenza-Altezza