La stereofonia, anatomia dell’orecchio e percezione stereofonica

Ciao e benvenuto nel mio blog. In questo articolo voglio parlarti della stereofonia. Noi umani moderni diamo per scontato l’udito, e troppo spesso non conosciamo il suo funzionamento.

In questo articolo voglio approfondire il funzionamento della nostra percezione stereofonica. Per farlo analizzerò il nostro orecchio e come il cervello elabora le informazioni sonore.

L’esperienza di ascolto stereofonico è molto importante per la nostra quotidianità. Infatti noi riusciamo a capire la direzione da cui arriva un rumore di sottofondo anche ascoltando distrattamente. Questo può sembrare banale, ma in realtà mette in gioco dei fenomeni molto complessi. .

Il cervello svolge un ruolo molto importante nell’ambito della nostra percezione sonora. Il ruolo del cervello è fondamentale sia per la stereofonia che per la percezione sonora in sè. Senza il nostro cervello che decodifica le informazioni inviate delle orecchie il suono sarebbe solo una vibrazione nell’aria.

Lo studio attento della stereofonia, e dei principi che ne stanno alla base, è interessante perché apre possibilità come l’ascolto binaurale.

Stereofonia, la definizione

stereofonia La percezione dei caratteri spaziali dei suoni, e in particolare della loro direzione di provenienza, che nell’udito normale si ha in virtù dell’audizione biauricolare. Il termine è inoltre usato per indicare la parte dell’acustica fisiologica che si occupa di tale fenomeno. Effetto stereofonico Il potere localizzatore dell’udito, cioè la capacità, dovuta all’ascolto biauricolare, di determinare la direzione di provenienza di un suono.

Il termine stereofonico è usato nella tecnica della registrazione e della riproduzione sonora per indicare sistemi di registrazione discografica, magnetica, digitale ecc., o sistemi di radiofonia capaci di riprodurre suoni in modo che l’ascoltatore abbia l’impressione di trovarsi nello spazio sonoro originale; tale effetto è ottenuto facendo uso di almeno due distinti canali di registrazione-riproduzione, corrispondenti a captatori (microfoni) e diffusori (altoparlanti) opportunamente disposti rispetto alle sorgenti sonore e all’ascoltatore.

Dizionario Treccani

Il nostro orecchio

orecchio umano

Per capire la stereofonia trovo che sia necessario capire il funzionamento del nostro orecchio.

Possiamo intendere il nostro orecchio come un sofisticato sistema di input del nostro corpo. Il nostro orecchio è un organo davvero complesso; a cui spetta l’arduo compito di tradurre delle lievi variazione di pressione in un segnale che il nostro cervello possa elaborare. Stiamo quindi parlando di un complesso organo biomeccanico, il cui funzionamento è in parte è paragonabile alle equipollenze tra dimensioni.

Il nostro orecchio è molto efficiente, infatti riesce ad adattarsi a situazioni davvero molto diverse tra di loro.

Il limite minimo di percezione prevede lo spostamento del timpano di 1/100 di miglionesimo di millmetro: la dimensione di un atomo di idrogeno (Manuale d’acustica. Pag 33 F.A. Everest). Ovviamente questo accade in situazioni particolari, in una camera anecoica estremamente silenziosa. In quelle situazioni riuscireste a sentire il rumore di battito del vostro cuore.

Al lato opposto il nostro orecchio riesce a gestire delle pressioni sonore estremamente forti, come un jet che decolla o un cannone che spara. Oltre a questo però il nostro orecchio non riesce a sopportare, e suoni più forti possono creare dei seri danni all’udito. Sopratutto se di natura impulsiva.

Possiamo suddividere questo fantastico apparato del nostro corpo in tre sezioni: orechio interno, medio ed esterno.

Analizziamole più nel dettaglio per capire come funzionano.

Orecchio esterno

oecchio esterno

Iniziamo la nostra analisi dall’orecchio esterno, seguendo così il percorso esatto del suono. L’orecchio esterno è composto dal padiglione auricolare e il condotto uditivo. La sua funzione primaria è quella di convogliare il suono all’orecchio medio. Nel fare ciò esso però inserisce dettagli fondamentali per la stereofonia e per i nostri schemi percettivi.

padiglione auricolare

Il padiglione auricolare ha una forma che ricorda vagamente un mezzo imbuto. Questo serve per concentrare energia nel condotto uditivo. Questo fa si che l’energia sonora sul timpano sia incrementata rispetto alla reale emissione della fonte.

Le dimensioni fanno si che l’efficienza sia in base alla frequenza, per le frequenze della presenza (2/3 KHz) l’incremento di pressione è di circa 5 dB. Le pieghe del padiglione auricolare riflettono in maniera particolare alcune frequenze.

Queste riflessioni creano delle distorsioni di fase che verranno sommate al suono originale. Queste variazioni di fase avranno un ruolo fondamentale nella decodifica della stereofonia, che approfondiremo più avanti.

Il canale uditivo

Il padiglione auricolare convoglia il suono nel canale uditivo. Il canale uditivo è un condotto che termina andando a chiudersi sul timpano. Data la sua forma lo si può approssimare a un cilindro in maniera acusticamente accettabile. Questo fa si che il suono al suo interno segua le regole di un risonatore cilindrico.

Esattamente come funziona in una canna d’organo (la cui forma assomiglia molto) il suono viene amplificato in una banda specifica. Le forme dell’orecchio variano da individuo a individuo, per cui le sensazioni sonore sono leggermente diverse per ogni persona che ascolta. Possiamo però in media dire che la dimensione un un adulto del condotto uditivo è di 0,7 cm di diametro e di 3 cm di profondità.

Lavorando a un quarto di lunghezza d’onda il condotto crea una risonanza intorno hai 2 KHz. L’incremento di volume di queste frequenze è quindi di 12 dB. Viene inoltre introdotto un secondo picco di minor intensità intorno hai 9 KHz.

orecchio medio

orecchio medio

L’orecchio medio è la parte dell’apparato uditivo incaricata della trasmissione dell’informazione tra le due estremità. La sua è un azione puramente meccanica, ma per questo non banale. Infatti l’evoluzione si è dovuta impegnare molto per superare i problemi legati alla trasmissione sonora tra gas e liquido. Come approfondiremo più avanti infatti nell’orecchio interno è presente liquido per compiere la sua funzione.

Il problema maggiore risiede nel rapporto non ottimale di impedenza dei due mezzi in cui il suono deve propagarsi per essere percepito. Il rapporto tra le impedenze è di 4000:1. Questo rapporto fa si che se la trasmissione dovesse avvenire direttamente le nostre capacità percettive sarebbero minime.

Per avere idea del problema di trasmissione tra mezzi basta pensare a quando si è sott’acqua come vengono percepiti i suoni.

il martello l’incudine e la staffa

Per avere una trasmissione efficiente la selezione naturale ha favorito il famoso sistema di ossicini. Le ossa dell’orecchio medio, che tutti abbiamo studiato alle scuole medie durante l’orario di scienze , svolgono un ruolo fondamentale nella trasmissione del suono all’orecchio interno.

I tre ossicini sono rispettivamente L’incudine il martello e la staffa. Il martello è collegato direttamente al timpano, metre la staffa alla finestra ovale che divide orecchio medio da quello interno. L’incudine ha quindo la funzione di trasmettere la vibrazione tra gli altri due ossi. Questi ossi permettono un adattamento del segnale con un rapporto di 1:3 e poi di 3:1. I 3 ossi permettono anche la trasmissione tra le due membrane (timpano e finestra ovale).

Le due membrane hanno un rapporto di dimensione di 27:1, quindi l’ampiezza della vibrazione dovrà essere adattata a tale superficie. I 3 ossicini tramite il loro funzionamento abbassano quindi l’intensità della vibrazione per essere trasmessa all’orecchio interno, funzionando da trasmissione diretta riducono anche il problema delle impedenze tra i materiali.

La tromba di eustacchio e finestra rotonda

per funzionare in maniera corretta il sistema dell’orecchio medio ha la necessità mantenere la propria pressione interna analoga a quella della pressione atmosferica circostante.

Per fare questo delicato processo si usa la tromba d’Eustacchio un piccolo canale che collega la faringe all’orecchio medio. Ogni volta che noi deglutiamo la tromba di Eustacchio si dilata e riequilibra la pressione dell’orecchio.

Il canale dell’orecchio interno predisposto all’acquisizione della vibrazione da parte della finestra ovale; fa torsione di 180° andando così a creare la finestra rotonda. La finestra rotonda serve per dissipare le vibrazioni che si diffondono nell’orecchio interno nell’aria contenuta nell’orecchio medio. Senza questo passaggio le vibrazioni continuerebbero a diffondersi in nell’orecchio interno.

Orecchio interno

orecchio interno

L’orecchio interno è la parte del nostro sistema uditivo più complesso. In questa sezione dell’orecchio gli stimoli acustici, trasformati in stimoli meccanici diventano finalmente impulsi “elettrici” (credo sia più corretto definirli biochimici, ndr). La complessità dell’orecchio interno molto rilevante. Oltre a funzioni uditive svolge anche funzioni legate all’equilibrio, che non approfondirò in questo articolo.

una volta ricevuto lo stimolo dalla finestra ovale la vibrazione si diffonde nel liquido dell’orecchio interno fino a dentro la coclea. La coclea è un osso a forma di chiocciola. All’interno della coclea si possono trovare l’organo del Corti, organo deputato alla conversione dell’energia meccanica in energia elettrica.

Nell’organo del Corti è presente la membrana basilare, dove sono alloggiate delle cellule cigliate che vibrano in maniera analoga alla vibrazione del fluido stesso.le cellule sono circa 16.000 esterne e 35.000 interne. Su ognuna di queste cellule sono presenti circa 140 peli, chiamati stereocilia.

Lo spessore della membrana basilare varia in tutta la sua lunghezza. Essa è stretta e leggera verso gli ossicini e si allarga man mano che si allontana dall’orecchio medio. Grazie alla differenza di spessore la membrana basilare entra in risonanza con diverse frequenze in diversi punti della sua lunghezza. Le frequenze più alte faranno risonare le parti dove la membrana è più sottile (vicino all’orecchio medio) mentre le frequenze più basse entreranno in risonanza dove essa è più spessa.

Sono le stereocilia che trasformano la vibrazione in sensazione sonora, piegandosi quando stimolate e producendo una scarica elettrica. Le Stereocillia presenti nelle varee aree della membrana convertono le varie frequenze dello spettro audio. Possiamo quindi paragonare il funzionamento dell’orecchio interno a un banco di filtri passabanda basati sull’analisi di Furier.

Mascheramento

Il mascheramento è molto studiato dalla psicoacustica. E’ un fenomeno con cui ogni fonico deve confrontarsi durante il mix di un brano. Il mascheramento è quel fenomeno per cui due suoni si mascherano l’un l’altro rimanendo difficilmente percepibile. Scopriamo perché succede.

Un suono non mette in risonanza mai la singola cellula, ma un gruppo di esse. L’estensione delle ciglia eccitate viene chiamata banda critica. Se due suoni mettono in risonanza due aree molto vicine dell’orecchio interno le bande critiche si sovrapporanno. Questo fenomeno è alla base dell’effetto di mascheramento con cui ci confrontiamo durante il mix. Questo comportamento della membrana basilare è alla base di molti principi psicoacustici.

Le varie cellule sono poi collegate a una terminazione nervosa che invia gli impulsi al cervello. Il mascheramento non è l’unico effetto creato dal nostro sistema uditivo, se ti interessa capire come il nostro cervello viene ingannato dalle orecchie ne ho parlato in questo articolo.

La stereofonia: l’ascolto binaurale

Ascolto binaurale. La stereofonia

Approfondiamo allora come funziona il nostro ascolto. Come abbiamo visto ogni volta che ascoltiamo un suono servono due organi molto importanti per poterlo decifrare. Gli organi in questione sono il cervello e le due orecchie.

Che è appunto binaurale.Tutti noi siamo dotati di 2 orecchie. Questo serve proprio per elaborare due informazioni diverse arrivanti dalle nostre 2 orecchie. Il nostro cervello elabora il fenomeno in maniera complessa e meno banale di quanto sembra.

Per discernere la provenienza del suono il nostro cervello elabora le differenze dei segnali inviati dalla due differenti orecchie. Possiamo distinguere le differenze in due tipi.

Le differenze di tempo sono chiamate ITD (Inetrnaural time differences – differenze di tempo internaurali). Con questo termine intendiamo le differenze di tempo che esistono tra le due orecchie. Ovviamente essendo anche la fase legata strettamente al tempo di percorrenza del suono nell’aria entrano in questa categorie le differenze di fase tra i segnali.

Le diffferenze di intensità sonora sono invece chiamate IID (Internaural Intensity Difference – differenze di intensità intramurali). Nelle IID invece il parametro più importante è la differenza di ampiezza dei due segnali percepiti tra le due orecchie. In questa categorie rientrano anche le differenze presenti nel contenuto armonico tra i due segnali.

Cercherò di spiegarti come il nostro cervello utilizza queste informazioni in maniera semplice.

La stereofonia

la stereofonia

Come visto nel paragrafo precedente la percezione si basa sulle differenze percepite dalle due orecchie. La branca che studia questo fenomeno è la psicoacustica, ovvero tutti quegli studio che si occupano dell’interazione suono/cervello.

Ascolto frontale ( monofonico)

Se il suono che arriva alle due orecchie è identico il suono sarà percepito esattamente al centro delle nostro ascolto. quindi in una posizione perfettamente centrata rispetto alla nostra testa sul piano verticale e laterale, posizionata frontalmente a noi.

direzionalità orizzontale

Quando invece ci sono differenze di fase vuol dire che il suono ha viaggiato su lunghezze diverse per arrivare alle due orecchie. Lo spostamento di fase è quindi uno dei parametri che ci indicano la direzione del suono. La differenza di fase è un sistema molto preciso, ci permette di individuare l’orgine di un suon con lo scarto di un grado.

Analogamente alla fase anche la differenza di ampiezza dei suoni percepiti dalle orecchie ci indica la direzione della sorgente. Un suono che viaggia più a lungo perderà potenza in maniera maggiore di quello che viaggia meno.

Ultimo parametro ma importante è il mascheramento della testa. La nostra testa ha delle dimensioni fisiche che corrispondo a delle specifiche frequenze. La massa della nostra testa è sufficiente a fare in modo che le frequenze di dimensioni minori a quelle della testa stessa siano attenuate o stoppate. Se un suono che deve aggirare la testa per raggiungere l’orecchio, sarà caratterizzato da una quantità di frequenze minore rispetto a quello esposto dal lato della sorgente.

Sotto i 100 Hz

Le basse frequenze sono per loro stessa natura omnidirezzionali. Anche il nostro cervello non è in grado di discernere la provenienza del suono in quella banda di frequenze.

Tra i 100 e i 700 Hz

In questa banda di frequenze il cervello usa le differenze di fase per identificare esattamente la provenienza del suono.

Tra i 700 e i 1.500 Hz

Il nostro cervello usa sia differenze di fase che di altezza tra le due orecchie per definire la direzione della sorgente sonora.

Oltre i 1.500 Hz

In questa banda il nostro cervello riesce a individuare la direzione della sorgente usando principalmente le differenze di ampiezza.

Direzionalità verticale.

La direzionalità verticale è un aspetto molto complesso nella stereofonia. Infatti entrano in gioco vari fattori che ci permettono di identificare la sorgente sul piano verticale.

Il nostro orecchio esterno gioca un ruolo molto importante nella percezione del posizionamento su quest’asse. Le pieghe di cui è fatto l’orecchio generano riflessioni a specifiche frequenze, che si sommeranno al segnale originale. Le pieghe del padiglione sono orientate senza uno specifico verso.

Non essendo le pieghe orientate in direzione strategiche influiscono poco sulla concentrazione del suono verso il canale uditivo. La loro funzione è quella di immettere le distorsioni di fase per poter discernere in che punto dell’asse verticale si trova la sorgente. Al variare altezza della sorgente cambierà anche l’angolo di incidenza del suono sull’orecchio esterno; di conseguenza saranno generate risonanze diverse nelle pieghe dell’orecchio. Il nostro cervello è come se ricordasse le distorsioni e usasse quell’informazione per ricostruire la posizione.

Un altro paramento che influisce sulla direzionalità percepita sull’asse verticale è il contenuto armonico del segnale.

  • un segnale più cupo darà origine a una sensazione in cui il segnale vien dal basso.
  • segnali più chiari sembrano venire dall’altro.
  • segnali tendenti a un bilanciamento neutro danno una sensazione di centralità nell’ascolto.

Le orecchie sono diverse de individuo a individuo quindi la percezione stereofonica sarà leggermente diversa per ognuno di noi.

Direzionalità anteriore/posterie.

Anche la posizione posteriore/anteriore il nostro cervello la determina tramite l’influenza dell’orecchio esterno. In questo caso la è dovuto al mascheramento effettuato dal padiglione auricolare. Stoppando alcune frequenze il padiglione agisce come un filtro passa-banda o un filtro shelving sulle alte frequenze. Questo particolare fa si che il nostro cervello riesca a mettere in correlazione il suono con la posizione del suono sull’asse frontale.

E’ anche importante l’orientamento del padiglione verso il lato anteriore del nostro viso. Se il suono arriva da dietro a noi ci sarà meno suono diretto che riesce a raggiungere il nostro timpano. e di conseguenza interagirà anche molto meno con il nostro orecchio esterno. Questa minore interazione comporterà anche un minor incremento di pressione sonora per le frequenze che il nostro orecchio amplifica.

conclusioni

La stereofonia è un settore affascinante dell’audio. Il nostro udito è stato selezionato nel corso di migliaia di generazioni per poter sopravvivere a pericoli. Grazie al funzionamento del nostro apparato uditivo e della stereofonia noi siamo stati in grado di identificare pericoli anche celati agli occhi.

Al giorno d’oggi l’uso dei nostri non è più una mera questione di sopravvivenza. Grazie alle moderne società riescono a sopravvivere anche persone che purtroppo sono nate con malfunzionamenti gravi degli apparti sensoriali. Noi usiamo i sensi per conoscere il mondo attorno a noi; Tramite di essi ne diamo una interpretazione più profonda. Tendiamo a dare i sensi troppo spesso per scontati, senza soffermarci di quanto influenzino la nostra percezione del mondo. L’udito al pari della vista ci permette di indagare la realtà intorno a noi, creando quell’esperienza sensoriale che tutti noi chiamiamo vita. L’udito è sicuramente il mezzo di comunicazione tra individui più efficace di cui disponiamo. Analizzando più a fondo senza la possibilità di sentire non sarebbe stato possibile neanche parlare, e senza parola non esisterebbe la scrittura.

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Stereofonia, le fonti

Manuale di acustica – F. A. Everest

Audio e multimedia -V. Lombardo & A. Valle

Tecniche stereofoniche di microfonaggio – B. Bartlett

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