PERCEZIONE UDITIVA
Arrivati
ad analizzare pienamente la frequenza e il suo sviluppo, veniamo a conoscere
meglio quell’apparato che ci permette di fare questo mestiere e che comunque utilizziamo
tutti i giorni, cioè l’orecchio, e più precisamente il nostro udito. Il range
di frequenze che noi possediamo, e quindi di suoni o vibrazioni delle
particelle d’aria al secondo, che riusciamo a percepire non è molto vasto se
paragonato a quello di altri esseri viventi, ma abbastanza per poterci capire
tra di noi attraverso il parlato.
Il
nostro orecchio è in grado di percepire da 20 Hz a 20.000 Hz, ( valori
stabiliti analizzando una media di persone, anche se molte non arrivano a
superare i 16.000 Hz, e altre riescono a scendere fino a 16 Hz ). Frequenze al
di sotto dei 20 Hz e quindi non percepite dall’orecchio umano prendono il nome
di frequenze subsoniche o infrasoniche, mentre frequenze sopra ai 20.000 Hz
prendono il nome di frequenze ultrasoniche.
A
livello pratico di lavoro per un tecnico del suono, il problema sta nel fatto
che, se abbiamo bisogno di agire sul comportamento di queste frequenze al fine
di migliorarne l’intelligibilità ( es. modificare la tonalità di una voce ), andare
a lavorare su ogni singola frequenza sarebbe da “pazzi” e tecnicamente
impossibile ( se pur con la tecnologia di oggi ci si puo avvicinare ). Quindi
per assicurare una maggiore gestibilità, questo ampio intervallo, è stato
convenzionalmente diviso in bande, ognuna contenenti un certo numero di
frequenze; e anche gli strumenti di correzzione delle frequenze ragionano in
questo modo.
Le bande
di valore possono essere di vario tipo :
1.
Bande in
ottava ( lo spettro sonoro udibile diviso in 11 bande )
2.
Bande a
terzi d’ottava ( lo spettro sonoro udibile diviso in 31 bande )
Uno
spettro sonoro ad ottave è :
16-31,5–63-125-250-500-1000-2000-4000-8000-16000
Hz
Quindi
se ad esempio vogliamo rendere la voce più
intelliggibile durante una riproduzione musicale, andremo ad agire
sull'ottava che va da e 4000 a 8000 hz, e tutte le frequenze intermedie quindi
da 4001 fino a 7999 subiranno la medesima variazione perchè inglobate
nell'ottava. Per agire con risoluzioni più fini, quindi su frequenze più mirate
al nostro scopo ed evitare di alterare frequenze che non hanno bisogno di
variazioni, si utilizza lo spettro a terzi d'ottava.
Uno
spettro a terzi d’ottava:
16–20–25–31,5–40–50–63–80–100–125–160–200–250-315-400-500-630-800
1000-1250-1600-2000-2500-3150-4000-5000-6300-8000-10000-12500-16000 Hz
Queste
sono generalmente le divisioni in bande, ma si posso trovare anche valori più
precisi come 1/6 d’ottava, 1/12 d’ottava, 1/24 d’ottava. ( a livello di componentistica
hardware, si arriva al massimo al 1/3 d’ottava, valori con maggiore
risoluzione, li troviamo nei software di analisi acustica ).
1 Khz è
detto frequenza di centrobanda. Questo perché nella divisone in bande delle
frequenza percepite, si trova in mezzo, in realtà, è stato studiato che la
frequenza di centro banda, cosi come è percepita, si presenta a 1013 Hz.
Essendo però un valore non unitario, e non quantificabile nei sistemi di
misurazione e controllo, viene preso per difetto1 Khz.
INVILUPPO
Prima di
affrontare un nuovo argomento dell’acustica, è bene chiarire un altro aspetto
fondamentale, che è quello dell’inviluppo
. L’inviluppo non è altro che
l’andamento nel tempo del timbro di un suono. In pratica quando sentiamo una
voce, capiamo che quello strumento è una voce, perché riconosciamo l’inviluppo.
L’inviluppo
ha ad es. la forma che si vede in figura.
Ampiezza
Se la
voce avesse un inviluppo come quello di un pianoforte, quando si parla, sembrerebbe
che stia suonando un pianoforte. Esistono anche strumenti come il
vocoder che riescono a generare ciò, inserendo in un apposito ingresso la
propria voce e, in un altro l’inviluppo di uno strumento, miscelandosi si crea
poi questo effetto.
L'inviluppo
è detto anche ADSR ( attack – decay – sustain – release ), proprio perché segue
sempre questo andamento temporale. Ci possono essere strumenti che hanno più
duraturo un tipo dei 4 rispetto ad altri. Es. una cassa di batteria ha
un’attacco veloce, un decadimento abbastanza veloce ( dipende sempre
dall’accordatura e dalla risonanza), un sustain pressochè nullo, e un rilascio
che dipende appunto dalla risonanza dello strumento stesso. Una voce invece ha
un ‘ADSR che viene gestito dal cantante stesso e quindi può assumere varie
forme. Comunque è bene sapere che quando si agisce sugli strumenti con appositi
sistemi di correzzione del suono come ( equalizzatori, compressori, gate, expander
), è bene conoscere l’inviluppo dello strumento stesso al fine di tararli nel
miglior modo possibile. Ma ovviamente come tutti sappiamo, il giudice ultimo
che ci dice se il suono è buono o cattivo è il nostro orecchio, e quindi questa
è solo un’indicazione che può essere utilizzata a livello correttivo, ma a
livello creativo si può fare di tutto.
IL
DECIBEL
Cominciamo
allora a parlare di un nuovo argomento che riguarda il volume, e cio è quello
che noi sentiamo quando ascoltiamo un qualsiasi programma musicale. Noi sentiamo
perché, come visto precedentemente nell’atmosfera, ci sono molecole che
vibrando creando una pressione. Più questa pressione è alta, quindi più le
molecole vibrano veloci e più noi sentiamo “forte” . la pressione si misura in
Pascal. 1 Pa = 1 N/m2
Pressione Sonora
Il suono
più basso percepibile, è una minima variazione di pressione rispetto al valore della
pressione atmosferica e quindi di 2*10-5Pa ( calcolato ad 1 Khz ), questo per studi fatti può considerarsi il
minimo valore percepito dal nostro orecchio come volume, variazioni inferiori non
vengono percepite, e quindi vi sarà il silenzio. Quando si ha un’aumento della variazione
di pressione, si avrà anche un aumento del volume percepito, il nostro orecchio
però ha un limite, oltre il quale si hanno danni permanenti all’udito. Questo
limite generalmente è di 60 - 63 Pa.
Quindi
la pressione sonora, non è altro che una misura indicativa a quale variazione
di pressione corrisponde un certo livello di percezione di volume del suono.
Livelli di Pressione Sonora
Con il
passare degli anni, ci si accorse che, dovendo calcolare e stabilire valori, sull’attenuazione
del segnale audio nelle linee telefoniche, non si potevano usare cosi tante
variabili numeriche, che ci avrebbero confuso solo le idee. Quindi si adotto
una misura su scala logaritmica, a differenza della precedente lineare. Si
adotto perciò un’unita di misura e la si chiamò BELL ( derivata dal suo scopritore ). Si pose come 0 il minimo
volume e cioè la minima variazione di pressione atmosferica (2*10-5Pa) e via di
seguito seguendo una scala logaritmica fino al massimo valore da noi sopportato
prima del dolore.
Ci si
accorse poi con l’evoluzione della tecnologia, che il bell aveva comunque
divisioni troppo grandi e allora si introdusse una nuova unità di misura ancora
tutt’oggi utilizzata.
Il DECIBEL = 1/10 di bell
Il
decibel ( dB ) della pressione sonora, può essere calcolato :
10 log ( p2 / p02 ) =
20 log ( p/p0)
dove
log10 è il logaritmo di divisione delle pressioni in base 10, p è la pressione
rilevata, p0 è la pressione di riferimento, e cioè la minima variazione
di pressione percepita ( 2*10-5 ).
Qui di
seguito viene proposta una tabella che indica i valori di pressione convertiti
in Decibel:
|
Pressione
sonora ( Pa )
|
Livello
pressione sonora ( dB ) *
|
|
63
|
130
|
|
20
|
120
|
|
6,3
|
110
|
|
2
|
100
|
|
6,3*10-1
|
90
|
|
2*10-1
|
80
|
|
6,3*10-2
|
70
|
|
2*10-2
|
60
|
|
6,3*10-3
|
50
|
|
2*10-3
|
40
|
|
6,3*10-4
|
30
|
|
2*10-4
|
20
|
|
6,3*10-5
|
10
|
|
2*10-5
|
0
|
Quando
si parla di pressioni si indica sempre il pascal, quando si aggiunge “livelli”
si intendono i db.
In
riassunto il nostro range uditivo a livello di pressione sonora SPL
(sound
pressure level ) va da 0 dB ( soglia dell’udito ) a 120 o 130 dB ( soglia del
dolore ).
Da
questa tabella si deduce come raddoppiando la pressione sonora, non si ha come
si potrebbe pensare un raddoppio del livello di volume percepito ma un relativo
incremento, pari a 6 dB.
es. una
pressione sonora di 2 pascal avrà un livello di :
20 log (
2 / 2*10-5 ) = 100 dB
Raddoppiando
:
20 log (
4 / 2*10-5 ) = 106 dB
Tramite
studi effettuati si è arrivati a capire che, quando si ha un incremento di 10
db del livello di pressione sonora, si ha la sensazione di un raddoppio del
volume percepito.
Un altro aspetto che riguarda il decibel è l’ intensità sonora ( espressa in W/m2.
watt su metro quadro), da non confondere con la pressione sonora, in
quanto la pressione sonora è l’energia a livello di suono che sentiamo in un
punto, mentre l’intensità sonora è l’energia a livello di suono che è in una
certa area.
L’intensità sonora si calcola : I = W/S
( W/m2 ), dove I sta
per intensità,
W sta per potenza sonora, S sta per superficie ( m2 )
irradiata dal suono.
Da qui si nota che l’intensità sonora viene trovata
attraverso la potenza sonora su una determinata superficie. Mentre la pressione
sonora è su un determinato punto, e quindi non sarebbe utile per ricavare
questo tipo di dato.
Per trovare il relativo valore in dB : LI ( livello
intensità ) = 10 log I / I0 dove I è
l’intensità trovata e I 0 l’intensità di riferimento. I0 = 10-12 W/m2
Ipotizzando di avere un’altoparlante che in un dato
momento irradia 1 W di potenza sonora su 5 m2 di superficie avremo che :
I = 1 / 5
= 0,20 W / m2
Il corrispettivo valore in dB sarà :
LI = 10 log ( 0,20 / 10-12 ) = 113 dB (
irradiati su una superficie di 5
m2 )
Proviamo allora a raddoppiare l’intensità :
I = 2 / 5 = 0,40 W / m2
Il corrispettivo valore in dB sarà :
LI = 10 log ( 0,40 / 10-12 ) = 116 dB (
irradiati su una superficie di 5
m2 )
A questo punto è chiaro che raddoppiando l’intensità
si otterranno 3 dB di aumento e non il raddoppio matematico come si poteva
pensare.
Esiste poi anche la potenza sonora ( espressa in W ), che è in pratica l’energia a
livello di potenza che l’altoparlante sfrutta per il suo movimento da quella
che noi diamo a livello elettrico. In genere è 1/100. Es. se noi diamo 100 watt
a livello elettrico, l’altoparlante sfrutterà a livello acustico 1 watt di quei
100.
La potenza, per trovare il relativo valore in
decibel, si calcola :
10 log ( W/W0) dove W è la potenza calcolata e W0 è la potenza sonora di riferimento e cio è 10-12
Da
questa formula si capisce come anche un solo watt di potenza possa generare una
notevole pressione sonora.
LW ( potenza sonora ) = 10 log ( 1 / 1*10-12
) = 120 dB
Questo
però è un caso puramente ideale, in quanto se analizziamo un’altoparlante o,
più semplicemente ci fidiamo delle caratteristiche tecniche dichiarate dal costruttore,
notiamo che con 1 watt di potenza l’altoparlante non genera mai più di 110 -
115 dB, anche misurandolo il più vicino possibile, questo perché come abbiamo
visto, l’energia del watt viene persa lungo il percorso che parte dai morsetti
dell’altoparlante fino alla sua traduzione in energia acustica, questo aspetto
verrà poi spiegato più approfonditamente in “ altoparlanti “.
Prendendo
comunque un caso ideale come quello di prima, se andiamo a raddoppiare la
potenza avremo che:
LW
= 10 log ( 2 / 1*10-12 ) =
123 dB
Si
nota che raddoppiando due valori identici di potenze sonore avremo 3 dB di
guadagno.
SOMMA TRA LIVELLI
In un contesto reale però non si hanno mai singoli suoni,
ma più sorgenti che emettono ognuna un proprio volume sia esso suono o rumore, e
che si va a sommare fino ad arrivare al nostro sistema uditivo. Per questo, le formule
viste precedentemente sono puramente scientifiche e non utili ad identificare i
volumi di suono che ci circodando nella vita di tutti i giorni.
Per questo motivo si ricorre a formule più specifiche,
date dalla somma di singoli livelli.
Per
sommare livelli di pressione sonora e trovarne le risultanti, esistono delle
formule specifiche :
Ln = 20 log [ 10l1/20
+ 10l2/20 + …..10ln/20 ] dB
Sostituendo i valori considerando due pressioni da 100 dB.
Ln = 20 log [ 10100/20 + 10100/20 ] = 106 dB
Se considero tre pressioni sonore :
Ln = 20 log [ 10100/20 + 10100/20 + 10100/20
] = 109 dB
Da
queste formule ribadisco, si intuisce che quando sommiamo due valori in dB non
si genera un valore doppio ma si rispetta sempre una scala logaritmica. E cioè un
incremento di 6 dB.
Per sommare livelli di potenza o intensità sonora e trovarne le
risultanti, esiste una formula specifica :
Ln = 10 log [ 10l1/10
+ 10l2/10 + …..10ln/10 ] dB
Ln = 10 log [ 10100/10 + 10100/10 ] = 103 dB
In Conclusione possiamo dire che il dB, lo si può ricavare come abbiamo visto da
pressioni, da potenze, ma anche da tensioni, correnti, ecc….., allora se noi ad
es. ricaviamo un valore in dB da una pressione, dovremo sommarlo al valore in
dB ricavato da un’altra pressione. Non si può calcolare erroneamente dB
derivati da pressioni con dB derivati da potenze o tensioni, in quanto sono
forme fisiche differenti che nella realtà non si sommano fra loro.
Quindi il punto
fondamentale su come sommare correttamente e realmente due dB è che siano della
stessa forma fisica. Qui di seguito viene proposta una tabella riassuntiva sugli incrementi in dB :
LIVELLO
DI ARMONICHE:
Facciamo
un passo indietro, ora che conosciamo il significato del Decibel, possiamo
definire più chiaramente ciò che è la distorsione armonica ( THD % ), infatti
da essa è possibile ricavarne il relativo valore in decibel, per verificare il
reale valore di contributo distorto introdotto nei nostri strumenti di lavoro.
Ritornando
all’esempio di un massimo valore accettabile di distorsione per gli
altoparlanti del 1, ma anche 3%, consideriamo il massimo valore non distorto
dell’altoparlante a 0 dB, se la distorsione introdotta è del 3 %, per rilevarne
il valore udito, dovremo tenere conto della pressione sonora, in quanto è
quella che sentiamo quando l’altoparlante comincia a vibrare, quindi avremo
che:
THD dB = 20 log ( THD % / 100 ) = 20 log ( 3 / 100 )
= - 30 dB
Quindi
la nostra distorsione, avrà un valore di 30 dB inferiore al suono naturale del
segnale audio riprodotto, questo negli altoparlanti è accettabile, in quanto
per la nostra percezione bastano 25 dB di differenza per mascherare
completamente un suono rispetto ad un altro, anche se adesso si è arrivati
anche a valori dell’1 %, quindi ancora più qualitativi, ( - 40 dB ).
Nel caso
degli amplificatori invece, la distorsione, non ragiona più in segnale
acustico, ma in segnale elettrico, per cui 30 dB di differenza, una volta che
il segnale elettrico viene trasformato in acustico insieme alla distorsione
introdotta dall’amplificatore, è chiaramente udibile.
Infatti i valori ottimale
di distorsione si aggirano attorno a 0,1 – 0,01 % che come vedremo dipendono
fortemente dalla potenza erogata e dalla resistenza elettrica introdotta.
Per
calcolare il livello di distorsione a livello elettrico di un amplificatore, si
tiene conto della potenza :
DAVIDE RUIBA ( Sound Engineer )
Nessun commento:
Posta un commento