Lucciola Grafica: 3.La Percezione Uditiva

Fisica e Cognizione
I suoni sono vibrazioni in un mezzo , che possono essere descritte mediante parametri fisici: ampiezza, frequenza, forma dell'onda.
Noi ci esprimiamo a proposito del suono con aggettivi:
- forte, debole (volume)
- alto, basso, acuto, grave (altezza)
- vuoto, pieno (timbro)
Due compiti principali per il sistema uditivo:
- Comprensione del messaggio sonoro: linguaggio, fruizione della musica, riconoscimento della sorgente.
- Ricostruzione della mappa spaziale delle sorgenti sonore: localizzazione degli oggetti a partire dai suoni emessi in cui l'udito opera in tutte le direzioni.

Fisiologia dell'udito

I sistemi percettivi possono essere analizzati come delle funzioni di input/output.
Nel sistema uditivo l'input è il segnale acustico, le vibrazioni dell'aria che partono dalle sorgenti sonore e arrivano al nostro orecchio;
l'output è la comprensione del messaggio sonoro e la ricostruzione della mappa spaziale delle sorgenti intorno a noi.

Orecchio, con componenti ridotte protette dalle ossee temporali. Converte le fluttuazioni di pressioni dell'aria in impulsi nervosi elettrochimici elaborati dal cervello.
Il segnale in ingresso mette in vibrazione la membrana del timpano, che trasmette il movimento meccanico agli ossicini e al liquido della coclea, che stimola il nervo uditivo.
La tromba di eustachio connette l'orecchio con la cavità orale , garantendo la stessa pressione sui due lati della membrana permettendo alla membrana di tornare in posizione dopo la vibrazione.
Il segnale propagato dal timpano verso l'interno viene elaborato dalla coclea, dove avviene la trasduzione da segnale acustico a segnale elettrochimico.
Il segnale elettrochimico viaggia lungo le vie nervose uditive, e viene elaborato in stazioni dette nuclei, raggruppamenti di cellule nervose con specifiche proprietà , dove arrivano e partono i fasci che costituiscono i segmenti delle vie uditive.
In tali stazioni il segnale viene anche miscelato con il segnale proveniente dall'altro orecchio(bi-auricolare). La destinazione è la corteccia uditiva, che risiede nel lobo temporale, dove avvengono le elaborazioni di alto livello, cioè le funzioni superiori di interpretazione del segnale.

L'orecchio

Tre sezioni: orecchio esterno(padiglione, meato, timpano) medio (ossicini) interno (coclea).
Il segnale entra nel padiglione e percorre il meato. La forma del padiglione è complessa, offre un imbuto per la cattura di segnali ad alta frequenza (superiori a 3 Khz) in quanto la loro lunghezza d'onda è paragonabile alle dimensioni delle pieghe del padiglione.
Frequenze diverse vengono amplificate in modo diverso, a seconda della direzione del suono.
Il meato è il canale che connette il padiglione con il timpano, la sua frequenza naturale di vibrazione è intorno ai 2 khz, le frequenze in quella regione vengono amplificate è arrivano in modo più efficiente al timpano (comprensione del parlato).
L'orecchio medio propaga le vibrazioni dalla membrana del timpano alla coclea.
Propagazione avviene attraverso 3 ossicini, martello, incudine e staffa.
Martello è connesso al timpano, la staffa alla coclea e l'incudine propaga il movimento tra i due.
La staffa è inserita nella coclea attraverso la finestra ovale, che ha una superficie di vibrazione inferiore al timpano.
L'orecchio medio assolve due compiti: risolve i problemi della differente resistenza tra aria e perilinfa, fluido molto denso per cui le vibrazioni minori non avrebbero effetto sulla coclea, gli ossicini permettono di trasformare una vibrazione su un'ampia superficie in una vibrazione della stessa energia ma distribuita su una piccola superficie. Secondo il principio della leva la forza che agisce sulla finestra ovale viene amplificata permettendo la percezione anche di segnali deboli.
Il secondo scopo è la protezione della coclea da suoni forti a bassa frequenza, che potrebbero danneggiarla.
I due elementi principali dell'orecchio interno sono i canali semicircolari(compiti di equilibrio) e la coclea, tubo avvolto a forma di chiocciola, il cuore della percezione uditiva.
La membrana fondamentale per l'elaborazione del segnale acustico è la membrana basilare su cui è appoggiato l'organo di Corti, che con oltre 20.000 cellule cigliate si occupa della trasduzione dal segnale acustico al segnale elettrochimico, che viene inviato al cervello. Le connessioni nervose delle cellule cigliate sono incanalate nel nervo uditivo.
La membrana basilare occupa la parte centrale della coclea per tutta la sua lunghezza. Stretta e leggera vicino agli ossicini e aumenta lo spessore verso l'altra estremità dove si trova un orifizio circolare detto elicotrema.
La staffa fa vibrare la perlina attraverso la finestra ovale. La vibrazione percorre tutta la coclea: rampa vestibolare, elicotrema e rampa timpanica, dove la finestra rotonda smorza le vibrazioni che altrimenti rimarrebbero in circolo nella coclea. Nelle vibrazioni ad alte frequenze il passaggio avviene in modo diretto attraverso la membrana basilare, quando le cellule cigliate si flettono si stimola la generazione di impulsi elettrochimici verso il cervello.
La membrana basilare distingue tra le frequenze presenti in un suono complesso rispondendo in modo differente a seconda della posizione lungo la membrana. Il diverso spessore e rigidità dalla base all'apice determinano la posizione sulla membrana per ogni frequenza dell'udibile.
Le alte frequenze alla base, le basse frequenze all'apice.
Dato un punto della membrana, la frequenza che presenta il picco in quel punto è detta frequenza caratteristica.
Funzionamento tonotopico della coclea: frequenze diverse stimolano regioni diverse della membrana basilare e dell'organo di Corti.
La regione che vibra in modo più vigoroso stimola un alto numero di cellule cigliate in una determinata area dell'organo di Corti, e quest'area manderà il più alto numero di impulsi al cervello.
Dal sito di provenienza sulla membrana si riesce a riconoscere la frequenza del segnale e quindi la sua altezza.
Per frequenze fino a 3khz: frequenza dello stimolo e posto di provenienza sono indicatori dell'altezza. Nervo uditivo trasporterà informazioni temporali e spaziali. Per alte frequenze solo la localizzazione sulla membrana sembra essere determinante.
L'intensità dei suoni viene determinata a livello della coclea a partire dall'ampiezza della vibrazione della membrana basilare, cioè quando questa si sposta dalla posizione di riposo, che aumenta con l'intensità. Più ampia è la vibrazione , più cellule cigliate si flettono > impulsi nervosi.

Trasduzione delle vibrazioni acustiche

Le cellule cigliate dell'organo di Corti trasducono le vibrazioni meccaniche in impulsi nervosi elettrochimici. Le cellule cigliate vengono stimolate dalle vibrazioni della membrana basilare.
Quando le ciglia si flettono, i canali degli ioni si aprono, e il voltaggio all'interno varia abbastanza da causare il rilascio di neurotrasmettitori che verranno assorbiti dalle fibre nervose uditive, stimolando l'invio di un segnale elettrico lungo il nervo coclearie. Dopo l'impulso fibre hanno un periodo di stasi. Ogni cellula cigliata ha circa 10 fibre del nervo uditivo connesse ad essa, con soglie di attivazione differenti.
Il cervello rileva le differenze tra il tasso di impulsi spontanei e il tasso di impulsi dovuti alle vibrazioni.
Le cellule scaricano con tassi più elevati per vibrazioni più intense, fino a un livello di saturazione:
fibre con tasso spontaneo alto e saturazione rapida: cambi di intensità livelli bassi;
fibre con tasso spontaneo basso e saturazione lenta: cambi di intensità livelli elevati;
Ciascuna fibra ha una sua frequenza caratteristica, che riesce a stimolarla con minima energia.
Temporizzazione degli impulsi:
Per i suoni <3Khz tenderà a seguire la fase e gli intervalli tra gli impulsi tenderanno a essere multipli del periodo del tono, la membrana funge da discriminatore di frequenza e e rilevatore di fase;
Toni ad alta frequenza diviene debole l'associazione impulso-fase, la membrana non riesce a essere più un rilevatore di fase ma discrimina ancora le frequenze.
Codifica della Frequenza e Intensità di un tono.
La Frequenza in 2 modi: Il posto di eccitazione massima corrisponde a quelle fibre nervose la cui frequenza caratteristica è vicina alla frequenza del tono, che scaricheranno a un tasso superiore rispetto alle altre fibre, quindi la frequenza del tono sarà determinata dal posto sulla membrana da cui partono le fibre che presentano il più alto tasso di attivazione.
L'informazione di temporizzazione vale per i toni con frequenza < 3Khz in cui gli impulsi saranno associati al periodo e gli intervalli tra gli impulsi in un fascio di fibre indicheranno direttamente la frequenza del tono.
L'intensità vine codificata in modi diversi a seconda del livelo:
La gamma dinamica coperta dalla maggior parte delle fibre nervose uditive ad ALTO TASSO SPONTANEO non supera i 100 db codificando i livelli a bassa intensità.
Le fibre con bassi tassi spontanei hanno una gamma più ampia e codificano i livelli di alta intensità.
In entrambi i casi un gran numero di cellule cigliate controlla una ristretta banda di frequenze o gamma di intensità. Soldati in batteria: mentre alcuni sparano altri si ricaricano.

La Psicologia dell'udito
Il suono è un segnale a livello acustico, sensazione a livello percettivo , interpretato come musica e parole a livello cognitivo.
L'ampiezza è percepita come volume interpretata come dinamica del suono;
La frequenza percepita come altezza e determina la classificazione del suono in classe di toni;
Lo spettro percepito come timbro e interpretato come identificazione della sorgente;
Le caratteristiche della propagazione del suono percepite come direzionalità e usate per costruire una mappa spaziale soggettiva delle sorgenti intorno a noi.
Vedremo come la nostra percezione di una grandezza percettiva risulti dalla combinazione di più grandezze fisiche , con contributi differenti.

Volume

L'ampiezza del segnale viene misurata in termini di intensità sonora(SIL) sulla scala logaritmica dei decibel. SIL in db è data da 10xlog I/I0, dove I è l'intensità misurata in watt/m2 e I0 = 10alla-12 watt/m2 che è l'intensità minima alla quale si può udire un suono di 1000hz.
Dalla modalità di identificare I0 si comprende che la nostra percezione dell'ampiezza sia influenzata dalla frequenza del segnale stesso.
La grandezza percettiva del volume deve tener conto della frequenza: l'unità di misura del volume percepito sono i foni.
Un suono ha un volume di x foni, se un suono di 1000 hz che viene percepito con lo stesso volume ha un'intensità di x dB.
Driagramma di Fletcher e Munson(Anni 40, risultato indagine empirica cittadini americani).
Ascissa: frequenze dell'udibile, 20 - 20.000 hz.
Ordinata: intensità sonora, 0 - 140 dB.
Le curve rappresentate , isofone, punti che fanno parte della stessa curva vengono percepite con lo stesso volume.
La nostra sensibilità è massima per suoni compresi tra 2000 e 5000 hz, in questo intervallo le curve raggiungono il loro minimo.
I suono all'estremità dell'udibile hanno bisogno di energia elevata per essere uditi(50 hz: 40dB).
Il diagramma viene utilizzato nelle tecniche di compressione in cui la curva più importante è quella dei 0 foni, suoni al di sotto saranno eliminati senza introdurre distorsione.

Altezza

Il parametro fisico a cui è correlata più da vicino è la frequenza. Frequenze udibili: 20 a 20.00hz.
Sotto i 30 hz suoni difficili da udire: servono intensità elevate e condizioni di isolamento.
In natura abbiamo suoni complessi con molte armoniche.
Il parametro percettivo dell'altezza corrisponde in generale alla nozione di frequenza fondamentale, anche se non sempre è presente nello spettro, ma viene inferita dalle parziali presenti.
Per differenziare tra le altezze in modo percettivo in musica è stato studiato il problema attraverso la nozione di intervallo, cioè la distanza tra due note di differente altezza. Alla base del nostro sistema musicale l'intervallo è quello di ottava, una nota distante un 'ottava da un'altra ha frequenza doppia o dimezzata. Ogni ottava segna un incremento di frequenza di un fattore 2, è una scala logaritmica in base 2.

Timbro

Descrive la qualità di un suono, parametro che permette di distinguere due suoni con stessa altezza e volume.
Il parametro fisico è la forma d'onda, cioè il contenuto armonico del suono, ma anche le caratteristiche dinamiche come l'inviluppo dell'ampiezza sopratutto nella fase di attacco, e i fenomeni di vibrato.
Il contenuto armonico è dato dal numero e dall'intensità relativa delle armoniche superiori presenti.
L'analisi di Fourier eseguita dal nostro apparato uditivo è in grado di determinare il contenuto armonico di un suono, codificato in un timbro.
Importanti fasi di attacco e decadimento.
forte tromba lontana VS debole tromba vicina: siamo in grado di riconoscere quale dei due sta suonando più forte grazie al timbro derivato dal contenuto armonico delle fasi di attacco e decadimento.
Riconoscimento del timbro poche decine di millisecondi.
Necessari 4db nelle medie e alte armoniche per percepire cambio di timbro,
10 dB nelle basse armoniche.

Risoluzione in frequenza e mascheramento

Il nostro apparato uditivo si comporta come un analizzatore di Fourier, percepisce le componenti individuali di un suono distribuendole lungo la membrana basilare della coclea.
E un dispositivo meccanico di traduzione tra la frequenza del segnale e la posizione del picco di vibrazione sulla membrana(funzionamento tonotopico).
Il picco di vibrazione interessa una regione che ha una dimensione e se più frequenze ravvicinate ricadono in una stessa regione possono causare imprecisioni nella percezione delle singole componenti.
Fenomeno psicoacustico che ci consente di rilevare l'ampiezza di banda dei filtri uditivi lungo la membrana è detto mascheramento. Fenomeno per cui un segnale forte maschera uno debole.
Sono stati condotti studi con esperimenti di mascheramento: l'ampiezza di banda con cui lavorano i filtri uditivi ha assunto il nome di banda critica (Fletcher).
La banda critica rappresenta la gamma di frequenze all'interno della quale si verificano i fenomeni di mascheramento.
Suoni discriminati perfettamente solo quando ricadono in differenti bande critiche.
Suono complesso, le componenti parziali udite tutte senza problemi se sono in bande critiche differenti.
Nel caso due parziali sono nella stessa banda una potrebbe mascherare l'altra.
La presenza di rumore con un'ampiezza di banda che copre una banda critica contribuisce al mascheramento dei toni presenti in quella banda.
Le bande critiche permettono di misurare la frequenza in modo uniforme dal punto di vista percettivo. L'unità è la larghezza delle bande critiche Lunghezza costante fino a 500 hz e oltre le bande critiche diventano più larghe.
Comportamento dovuto all'inviluppo della vibrazione sulla membrana che assume forme complicate. Inoltre l'estensione della zona della membrana influenzata da una vibrazione cambia con l'intensità.
Soglia di mascheramento di un tono è il livello di intensità al quale esso si riesce ad ascoltare anche in presenza di un altro tono.
Mascheramento tonale: è possibile individuare un tono. Non tonale: no tono specifico(rumore).

La Segregazione del suono

Localizzazione delle sorgenti.
Le onde sonore si combinano per arrivare al nostro orecchio in un'unica forma d'onda complessa che viene analizzata nelle sue parziali che dovranno essere ricombinate in modo opportuno dal nostro apparato.
Occorre re-identificare le sorgenti, cioè assegnare le parziali alle sorgenti sonore di provenienza.
Le parziali sono segregate dalla sorgente che le ha emesse.
Si conoscono alcuni fattori che influenzano la segregazione:
- coerenza/incoerenza degli attacchi: stessa sorgente parziali coerenti, sorgenti diverse parziali incoerenti.
- condivisione/non condivisione della locazione spaziale: parziali della stessa sorgente condivideranno la direzionalità del movimento.
- differenze nella struttura armonica: parziali in relazione armonica più facilmente appartengono alla stessa sorgente.

Autore: Fabrizio Garis