Sensazione Uditiva: Acoustica e Meccanica (Fisiologia 81)

Sensazione Uditiva: Acoustica e Meccanica

• Questa lezione esplora i meccanismi della sensibilità uditiva, partendo dalla natura fisica del suono fino alle sue componenti percettive.
• Il suono è una forma di energia che si propaga attraverso onde di compressione e rarefazione in un mezzo materiale.
• Le onde sonore trasferiscono energia tra elementi di volume adiacenti del mezzo attraverso compressioni e rarefazioni.
• Le onde sonore non possono propagarsi nel vuoto.
• La velocità di propagazione del suono dipende dalla densità del mezzo. I mezzi più densi tendono a rallentare la propagazione.

Velocità di Propagazione del Suono

• La velocità con cui un fronte di compressione si propaga dipende dalla densità del mezzo.
• I mezzi più densi tendono a rallentare la propagazione del suono.

Tipi di Suoni: Toni e Rumori

• I suoni possono essere classificati in suoni periodici (toni) e suoni aperiodisci (rumori).
• I suoni periodici sono caratterizzati da oscillazioni di pressione ripetitive nel tempo (es. fischio o suono di una canna d'organo). Ogni tono ha una frequenza specifica (numero di cicli al secondo).
• I suoni aperiodisci non hanno un pattern ripetitivo nelle oscillazioni di pressione (es. rumore di una lavagna).

Determinanti Fisiche e Psico-fisiche del Suono

• Frequenza fondamentale: La frequenza principale di un suono.
• Armoniche: Multipli della frequenza fondamentale che contribuiscono alla complessità e al timbro di un suono.
• Spettrogramma: Uno strumento che mostra la composizione in frequenze di un suono, rappresentando le diverse componenti con la loro intensità.
• Analogie: Possiamo fare un'analogia con lo spettro dei colori in ottica, dove possiamo analizzare le diverse frequenze di un suono.

Frequenza del Suono e Timbro

• Frequenza: Misurata in Hertz (Hz), rappresenta il numero di cicli al secondo. Suoni gravi hanno frequenze più basse (es. 200-300 Hz), suoni acuti hanno frequenze più alte (es. 3000 Hz o più).
• Periodo: L'inverso della frequenza.
• Intervallo di udibilità: L'orecchio umano percepisce suoni tra circa 20 e 20.000 Hz.
• Timbro: La qualità distintiva di un suono, data dalla combinazione delle armoniche e dalle caratteristiche dell'onda.

Le Armoniche e la Trasformata di Fourier

• Nota fondamentale: La frequenza base di un suono.
• Armoniche: Frequenze multiple della fondamentale, contribuiscono al timbro.
• Relazione tra frequenza e ottava: Un raddoppio della frequenza corrisponde a un'ottava superiore ( fino a circa 2kHz) .
• Trasformata di Fourier: Concetto che aiuta a comprendere la risonanza alla base della tonotopia cocleare (diverse porzioni della coclea oscillano a diverse frequenze)
• Combinazione di frequenze: Possibile combinare diverse frequenze, inclusa la fondamentale e le armoniche, per creare un suono complesso.
• Periodicità: Un suono complesso è dettato dalla fondamentale.

Armoniche e Timbro

• Timbro: La qualità distintiva di un suono, data dalle armoniche presenti.
• Esempi: Strumenti diversi che suonano la stessa nota hanno timbri diversi.
• Relevanza: Le armoniche permettono all'orecchio di distinguere la fonte sonora.

La Trasformata di Fourier: Analisi delle Componenti di un Segnale

• Origine: Il matematico Fourier si interessava alla distribuzione del calore in lamelle metalliche.
• Generalizzazione: Questa idea si estese a qualsiasi funzione periodica che può essere scomposta in una somma di sinusoidi
• Applicazione ai Segnali: Ogni segnale periodico misurabile può essere scomposto in una somma di sinusoidi.
• Requisiti del Segnale: Il segnale deve essere definito per ogni punto del suo dominio, non avere derivate infinite e non essere una funzione per cui a una certa x corrispondono 2 y.

Decomposizione di un Segnale con Fourier

• Componente Costante (Frequenza 0): Rappresenta il valore medio del segnale nel tempo.
• Sinusoidi: La funzione è scomposta in una serie di sinusoidi con frequenze multiple della fondamentale
• Esempio: Un segnale periodico di 1 secondo viene scomposto in sinusoidi con 0Hz, 1Hz, 2Hz, 3Hz.

Il Ruolo della Trasformata di Fourier nella Fisiologia

• Strumento di Analisi: Permette di risalire alle componenti di un segnale complesso.
• Equalizzatori: Le apparecchiature audio, usano la visualizzazione della trasformata di Fourier per mostrare l'ampiezza delle diverse componenti di frequenza.
• Parametri: Frequenza, ampiezza e fase vengono associate ad ogni frequenza.
• Informazione e Degrado: L'informazione non si crea e non si distrugge, ma semmai degrada

Segnali Reali e Complessi

• Segnali Reali: Grandezze fisiche misurate nel tempo (es. tensione).
• Segnali Complessi: Alcune grandezze descritte con numeri complessi (es. impedenza in un circuito).
• Esempio: L'impedenza; comprende resistenza e reattanza.

Trasformata di Fourier e Simmetria

• Numeri Complessi in Fourier:
• Segnali Reali: Per i segnali reali, la trasformata di Fourier restituisce uno spettro di ampiezza simmetrico e uno spettro di fase antisimmetrico.
• Visualizzazione: Normalmente viene mostrata solo la parte positiva dello spettro di ampiezza.

Rappresentazione Grafica della Trasformata di Fourier

• Componente a Frequenza Zero: Rappresenta la componente costante del segnale.
• Componenti a Frequenza Non Zero: Ogni frequenza è rappresentata da due "pallini" (uno positivo e uno negativo).
• Frequenza Negativa: Rappresentazione matematica per la direzione delle rotazioni sinusodiali
• Coseno e Rotazione: II coseno può essere rappresentato come la proiezione di un punto che si muove su una circonferenza unitaria.

Spettri di Ampiezza e Fase

• Spettro di Ampiezza: Mostra l'ampiezza di ciascuna componente sinusoidale presente nel segnale.
• Spettro di Fase: Mostra la fase di ciascuna componente sinusoidale.
• Simmetria: Lo spettro di ampiezza è simmetrico rispetto a 0, mentre lo spettro di fase è antisimmetrico rispetto a 0

Trasformata di Fourier per Onde Quadre

• Onda Quadra: Segnale con transizioni brusche tra due valori.
• Componenti Armoniche: Composta da fondamentale e infinite armoniche dispari.
• Rappresentazione: Aggiungendo armoniche dispari a una sinusoide, si avvicina alla forma d'onda quadra.

Trasformata di Fourier per Segnali Aperiodici

• Segnali Aperiodici: Segnali che non si ripetono nel tempo.
• Periodo Infinito: Un segnale aperiodico può essere considerato come periodico con periodo infinito.
• Spettro Continuo: L'aumento del periodo porta a frequenze sempre più vicine, trasformando lo spettro discreto in uno spettro continuo.

Analogia Statistica

• Curva Gaussiana: Simile all'analisi di Fourier, usata per descrivere le distribuzioni di probabilità di un evento.
• Probabilità e Probabilità: L'area sotto la curva è rappresentata come probabilità di un verificarsi dell'evento.
• Analogia con Fourier: L'ampiezza, così come la probabilità sono equivalenti all'area sottesa alla curva.

Spettrogramma

• Analisi nel Tempo: Lo spettrogramma è una rappresentazione dell'evoluzione dello spettro di Fourier nel tempo, utile per segnali non stazionari.
• Rappresentazione: L'asse orizzontale rappresenta il tempo, l'asse verticale rappresenta la frequenza, e l'intensità è visualizzata in base al colore (o nero).
• Voce Umana: Nello spettrogramma, la voce umana mostra una fondamentale (più scura) e le sue armoniche (più chiare)

Ampiezza, Intensità Sonora e Anatomia dell'Apparato Uditivo

• Ampiezza: Rappresenta lo spostamento delle particelle dell'aria durante il passaggio di un'onda sonora.

• Misurazione Difficoltosa: Si preferisce misurare la pressione sonora

• Intensità Sonora: È l'energia sonora che fluisce attraverso una superficie perpendicolare alla direzione di propagazione (potenza/superficie).

• Scala Logaritmica del Bel: L'intensità sonora è misurata in decibel (dB), una scala logaritmica.

• Livello di Intensità Sonora (SIL): Misura la potenza sonora rispetto a un valore di riferimento.

• Livello di Pressione Sonora (SPL): Misura la pressione sonora rispetto a un valore di riferimento.

Campo Uditivo e Sensazione Sonora

• Campo Uditivo: L'intervallo di frequenze e intensità che l'orecchio umano percepisce.
• Infrasuoni: Suoni con frequenze inferiori a 20 Hz.
• Ultrasuoni: Suoni con frequenze superiori a 20.000 Hz.
• Soglia dell'Udire: Situata attorno all'intensità di una normale conversazione.
• Soglia della Saturazione: Oltre questa soglia l'intensità non viene più percepita.

Diagramma di Fletcher-Munson

• Curve di Isofonia: Mostra come la percezione del volume varia con la frequenza e l'intensità.

Anatomia dell'Apparato Uditivo

• Orecchio Esterno (padiglione auricolare e canale uditivo esterno: raccolgono le onde sonore);
• Orecchio Medio(muscoli stapedio e tensore del timpano: proteggono dall'eccessiva intensità sonora, tromba di Eustachio: mantiene la pressione corretta, catena degli ossicini: trasmette le vibrazioni del timpano alla finestra ovale della coclea);
• Orecchio Interno (coclea: organo deputato alla trasduzione, oliva superiore: centro di integrazione delle informazioni uditive, corteccia uditiva: percezione del suono, innervazione cocleare: ganglio spirale raccoglie le informazioni uditive dalla coclea)

Adattamento di Impedenza nell'Orecchio Medio

• Impedenza: Il prodotto tra la densità del mezzo e la velocità del suono
• Disadattamento: Passaggio dall'aria all'acqua provoca una perdita d'intensità
• Adattamento: La catena degli ossicini compensa la perdita di intensità (Effetto Chiodo, Effetto Leva)