Che cos'è il suono?
Un viaggio tra fisica e psicofisica per capire le
caratteristiche e la natura del suono
di Davide Fiscaletti - 14/10/2014
Che cos'è il suono?
Il suono può essere interpretato sia come fenomeno
ondulatorio nell'aria o in altri mezzi elastici (stimolo) sia come eccitazione
del meccanismo uditivo che da luogo alla percezione acustica (sensazione). La
scelta dell'uno o dell'altro punto di vista da luogo a due aspetti
dell'acustica, la fisica e la psicofisica, a cui corrispondono diverse
grandezze: frequenza e altezza, intensità sonora e sensazione sonora, forma
d'onda (o spettro equivalente) e timbro. Ecco un breve esempio: per le
frequenze basse l'orecchio umano percepisce un'altezza differente a intensità
differenti, aumentando il volume l'altezza scende. Note pure di frequenza 168 e
318 Hz a basso volume risultano discordanti sgradevoli, a volumi più alti
tuttavia l'orecchio li percepisce come in relazione di ottava (come fossero 150
e 300 Hz). Questo per far capire come l'orecchio umano non sia uno strumento di
misura esatto, anche se estremamente sensibile. La psicoacustica studia le
modalità con cui il sistema uditivo e il cervello elaborano suoni e rumori.
Uno studio sperimentale sistematico dei fenomeni sonori
ha inizio con G. Galilei, cui risalgono idee e ricerche sulla natura del suono
e sui suoi caratteri, sulle proprietà delle corde vibranti, sui metodi per la
determinazione della velocità del suono nell’aria, ecc…; a lui è dovuto in
particolare l’aver riconosciuto nell’altezza d’un suono un elemento legato alla
frequenza di vibrazione della sorgente sonora e di aver intuito la natura
composita del suono delle corde. Quasi contemporanee all’opera di Galilei sono
quelle di G. Benedetti, di G.F. Sagredo, che nel 1615 dimostra che il mezzo di
trasmissione del suono è l’aria; di M. Mersenne, che effettua una prima
determinazione della velocità del suono; e di P. Gassendi, cui è dovuta
l’osservazione dell’indipendenza della velocità dall’altezza del suono. Nel
1663 O. von Guericke dimostra che il suono si propaga non solo nell’aria ma
anche nei liquidi e nei solidi. Le ricerche del XIX secolo approfondiscono,
soprattutto a opera di H. von Helmholtz e Lord Rayleigh, lo studio della
propagazione ondosa e, in particolare, degli aspetti energetici di questa,
mentre l’invenzione del fonografo e del microfono (1877) pone per la prima
volta il problema della registrazione e della riproduzione dei suoni, nonché
della loro trasduzione elettrica, problema che costituisce l’oggetto principale
dell’elettroacustica. In quest’ultimo settore, crescendo l’importanza delle
informazioni sonore nel quadro dei moderni mass media, e nel collegato settore
dell’acustica architettonica, si sono avuti i maggiori sviluppi.
Per quanto riguarda la fisica del suono, va anzitutto
detto che le onde sonore sono onde meccaniche (vale a dire hanno bisogno di
materia per propagarsi) longitudinali (vale a dire il movimento delle particelle
avviene nella stessa direzione di propagazione). L'orecchio umano è in grado di
essere stimolato da frequenze comprese tra 16 e 20.000 Hz. Un'onda con
frequenza inferiore a quella del campo di udibilità è chiamata infrasuono,
un'onda con frequenza superiore a quella del campo di udibilità è detta
ultrasuono.
L'onda sonora è quindi costituita da una perturbazione
del mezzo di trasmissione. In particolare le particelle dell'aria (quasi
100.000 ogni metro cubo) nella loro oscillazione creano delle aree di
compressione, dove la pressione è leggermente maggiore di quella atmosferica, e
delle sacche di rarefazione, dove la pressione è leggermente inferiore a quella
atmosferica. I segnali trasmessi dalla voce e dalla musica sono quindi lievi
increspature che si sovrappongono alla pressione atmosferica. Durante lo
spostamento dell'onda sonora le zone di compressione e di rarefazione si
spostano lungo la direzione del raggio di propagazione.
Il suono, in assenza di interferenze dovute ad oggetti
circostanti, si propaga uniformemente in tutte le direzioni, il che significa
che i fronti d'onda formano rispetto ad una sorgente puntiforme dei gusci
sferici. L'intensità del suono diminuisce quindi con il quadrato del raggio.
L’emissione di suoni da parte di un corpo in vibrazione
costituente la sorgente sonora e la loro propagazione sino all’orecchio di un
ascoltatore, o, eventualmente, sino al microfono di un dispositivo di
registrazione o di amplificazione sonora, avvengono secondo le leggi che
governano la generazione e la propagazione di onde elastiche in genere. Per
effetto del moto vibratorio della sorgente (per esempio, una corda o una
membrana elastica in vibrazione, o anche una massa d’aria in oscillazione entro
un recipiente aperto) si determina nell’aria circostante una successione di
strati compressi e rarefatti, che si va allargando tutt’intorno (sono queste le
onde longitudinali prima nominate): ciascuna delle particelle d’aria contigua
alla sorgente prende a vibrare in sincronismo con questa, spostandosi al di qua
e al di là della sua normale posizione d’equilibrio e trasmettendo il moto alle
particelle a essa contigue lungo la retta che le congiunge con la sorgente,
cioè lungo una direzione di propagazione, dei suoni emessi dalla sorgente.
Per comprendere il comportamento di un’onda sonora, si
definiscono le seguenti grandezze: lunghezza d’onda, ampiezza d’onda,
frequenza, periodo, intensità, velocità di propagazione e timbro. Per lunghezza
d'onda si intende la distanza percorsa da un'onda per ritornare nella stessa
configurazione, cioè la distanza percorsa dall’onda in un periodo. L’ampiezza
d’onda è lo spostamento massimo percorso da una particella oscillante attorno
alla sua posizione di equilibrio. Dall’ampiezza è possibile ricavare
l’intensità che, nel caso di un’onda sonora, rappresenta la pressione
esercitata dall’onda stessa su una superficie. In quanto misura dello spazio,
tanto maggiore sarà l’ampiezza, tanto maggiore sarà la pressione esercitata
sull’ostacolo. La frequenza è il numero delle oscillazioni compiute da uno
stesso punto dell’onda nell’unità di tempo. Il periodo è l’intervallo di tempo
necessario per compiere un’oscillazione completa. L’intensità di un’onda sonora
è definita come la potenza media per unità di area con la quale l’energia è
trasmessa dall’onda. La velocità di propagazione è la velocità con la quale il
suono si propaga in un mezzo e dipende dalla densità del mezzo stesso e dalla
forza di legame fra le molecole costituenti quel mezzo. Il timbro è l’entità
fisica associata alla qualità del suono: esso permette di distinguere suoni
aventi frequenze ed intensità uguali, ma generati da sorgenti diverse.
A caratterizzare la perturbazione sonora, punto per punto
e istante per istante, può essere assunto lo spostamento che la generica
particella del mezzo subisce; se lo spostamento è una funzione sinusoidale del
tempo, si parla di suono puro, altrimenti si parla di suono composto; in questo
caso il suono si può pensare costituito dalla sovrapposizione di suoni
armonici, cioè di suoni puri di opportuna ampiezza e fase iniziale e di
frequenza multipla di quella del suono armonico di frequenza più bassa, detto
primo armonico o, più correntemente, suono fondamentale; le caratteristiche dei
suoni armonici costituenti un suono composto si ottengono mettendo in opera i
metodi dell’analisi armonica di Fourier. Le varie armoniche possono partire
entrambe dallo 0, e quindi si dicono in fase, oppure presentare dei ritardi. Il
ritardo di mezza onda corrisponde a 180°, il ritardo di 360° corrisponde di
nuovo alla fase. Spesso le onde complesse presentano delle componenti che non
sono multipli interi esatti della frequenza fondamentale, in questo caso non si
parla di armonica ma di parziale. Le parziali sono in grado di dare la
caratteristica timbrica di alcuni strumenti, come le campane, o il suono del
pianoforte.
La rappresentazione del suono
Il suono può essere rappresentato graficamente in modi
diversi. Conoscere le sue rappresentazioni è molto utile, perché spesso i nuovi
software di editing del suono ci danno l’opportunità di visualizzare le
registrazioni audio in tempo reale. Le variabili fisiche con cui si rappresenta
un evento sonoro sono le seguenti: tempo, frequenza, ampiezza.
La rappresentazione più comune usata dalla maggior parte
dei software audio è l’oscillogramma, chiamato anche forma d’onda.
L’oscillogramma mette in relazione il tempo e l’ampiezza. L’oscillogramma ci
permette di vedere i transienti di colpi percussivi come la batteria, di
individuare in una traccia di canto le singole sillabe, di capire dall’ampiezza
del suono l’andamento dinamico. L’oscillogramma non ci dice però niente sulla
timbrica del suono, ed è molto artificioso avere informazioni sulla frequenza.
Lo spettro sonoro mette invece in relazione ampiezza e frequenza. In uno
spettro sonoro il segnale del suono è scomposto in tutte le sue varie
componenti, che sono riportate insieme alla loro ampiezza nel grafico. Lo
spettro ci permette di vedere la fotografia della timbrica di un suono, quindi
le varie armoniche e parziali che lo compongono. Esistono analizzatori di
spettro che fotografano lo spettro sonoro in tempo reale, in maniera da seguire
la distribuzione delle frequenze in una registrazione. Una rappresentazione del
suono, molto utilizzata in diverse applicazioni audio, come il riconoscimento
vocale e la bioacustica, è lo spettrogramma, che mette in relazione tempo,
frequenza ed energia sonora. Un suono può cambiare nel tempo, cambiando la
frequenza della fondamentale e cambiando il suo spettro armonico. Lo spettrogramma
ci permette di osservare questi cambiamenti. Lo spettrogramma viene
rappresentato in due dimensioni, in cui si riporta in ascisse il tempo e in
ordinate la frequenza. Per indicare le ampiezze delle varie frequenze si
utilizzano invece o bande di colori o tonalità di grigio, come se fosse una
fotografia dall’alto, e i chiari scuri indicassero rilievi e depressioni. In
realtà è come se si utilizzasse una rappresentazioni in tre dimensioni
(frequenza, ampiezza, tempo), e l’ampiezza venisse proiettata sul piano
tempo-frequenza. Alcuni programmi permettono di puntare il cursore sulle varie
aree del grafico e avere misurazioni precise delle tre variabili.
Psicoacustica
La psicoacustica è la disciplina che studia il complesso
processo per cui un suono fisico diventa una percezione sonora. Lo studio di
questo processo ha un carattere altamente multidisciplinare in quanto coinvolge
l’acustica, l’elettromeccanica, la neurologia, la psicologia. Molti risultati
di acustica percettiva ottenuti nel campo della caratterizzazione delle
capacità di analisi in tempo-frequenza dell’orecchio sono impiegati nelle
moderne tecniche di compressione dei segnali sonori. Infatti, i più affermati
sistemi di codifica del suono sfruttano i principali fenomeni di psicoacustica
al fine di minimizzare e ottimizzare il numero di bit necessario per
rappresentare un segnale sonoro. Tra i concetti più utilizzati figurano: a) la
soglia di percezione uditiva assoluta, ossia la quantità di energia di un suono
puro necessaria affinché un ascoltatore possa percepire il suono in un ambiente
senza rumore; spesso il sistema di codifica fissa il punto più basso della
curva della soglia in funzione della frequenza (all’incirca intorno ai 4 kHz)
uguagliandolo all’energia rappresentata da un aumento o diminuzione di 1 bit
del segnale; b) le bande critiche di frequenza, ossia le larghezze di banda per
le quali il responso soggettivo cambia in modo sensibile, fenomeno collegato
alla selettività che ha l’orecchio alle frequenze sonore, principalmente
determinata dalla relazione tra frequenze percepite e posizione lungo la
membrana basilare; c) il mascheramento, ossia il fenomeno per cui un suono non
viene percepito a causa della presenza contemporanea di un altro suono più
intenso: la spiegazione del meccanismo responsabile di questo effetto molto
complesso, che dipende da vari parametri (come per esempio, la durata temporale
del segnale) e si manifesta come mascheramento all’interno di una banda critica
oppure, anche, di bande critiche vicine, può essere ricercata nell’inibizione,
a livello della membrana basilare, causata dal suono forte, della trasmissione
dell’oscillazione associata al suono debole. Sulla possibilità di quantificare
il fenomeno del mascheramento si basano tutti i codici di compressione moderni,
come, per esempio, il diffusissimo MP3. Infatti una grossa riduzione del numero
di bit necessari per la codifica si ottiene allocando dinamicamente un numero
di bit variabile in modo tale da perdere le componenti del segnale che si
trovino sotto la soglia di mascheramento (e che quindi viene assunta come il
livello del rumore di quantizzazione).
Fenomeni non lineari
Alcuni fenomeni (onde d’urto, generazione di armoniche,
flusso di materia, cavitazione, ecc…) che possono manifestarsi nella
propagazione del suono (o più in generale di un’onda elastica) non sono
descritti dall’equazione lineare delle onde, che va sostituita da una forma non
lineare nell’ambito della cosiddetta acustica non lineare. Il limite tra
fenomeni acustici lineari e non lineari ovviamente non è netto: gli effetti di
non linearità sono rilevanti quando il rapporto tra l’ampiezza della velocità
di oscillazione delle particelle del mezzo e la velocità di propagazione
dell’onda (cioè il numero di Mach, o, in modo del tutto equivalente, il
rapporto tra la variazione della pressione dovuta all’onda e la pressione del
mezzo a riposo o quello tra l’ampiezza della vibrazione e la lunghezza d’onda)
non è molto minore dell’unità. Si può facilmente intuire l’origine di alcuni
fenomeni non lineari, se si pensa, per esempio, a una corda vibrante tesa tra i
due estremi fissi: se la corda descrive oscillazioni ampie, la sua lunghezza
media nel tempo è apprezzabilmente maggiore di quando è a riposo, pertanto sarà
maggiore la tensione media cui è sottoposta e quindi maggiore la velocità di
propagazione dell’onda che la percorre; analogamente in un fluido investito da
un’onda elastica sufficientemente intensa la pressione media è apprezzabilmente
maggiore di quella che si avrebbe in assenza del suono. Il flusso di materia in
fluidi sottoposti a intenso irraggiamento acustico si deve all’insorgere di una
forza netta diversa da zero su ogni particella di fluido attribuibile alla
media temporale di termini non lineari nell’equazione del moto. Si può inoltre
avere cavitazione acustica o sonora (continua o impulsiva), cioè la formazione
di cavità piene di vapore all’interno di un liquido prodotte dalle rapide
variazioni locali di pressione associate all’onda acustica.
Suono e scienze cognitive
Una significativa ricerca interdisciplinare condotta
dall’Associazione Vocal Sound di Lugano tra i campi della fisica, della
medicina e della musica, sul tema “la risposta umana al suono e alla
vibrazione”, ha portato a una nuova esperienza dell’Informazione, che, per
usare delle parole di Fritjof Capra, fornisce “una nuova via d’accesso alle
scienze cognitive attraverso il suono”. In base all’approccio cognitivo
sviluppato dall’Associazione Vocal Sound (denominato anche approccio cognitivo
ININ) l'uomo può riconoscere che è sempre in sintonia con questa natura
profonda della realtà, dove esiste un allineamento con diversi livelli di
frequenza che esprimono differenti livelli dell'esistenza. Il processo
attraverso cui l’informazione implicita si allinea con l’antenna intuitiva
umana può essere riconosciuto come un allineamento con le frequenze del campo
vibrazionale in cui siamo immersi, che costituisce l’origine e la vera natura
della realtà. A proposito del suono emesso dalla voce umana quando viene sperimentato
l’approccio cognitivo ININ, Anna Bacchia e Lorenzo Sorbi scrivono: “Quando
l’antenna intuitiva è attiva in ININ la voce emette un suono integrato col sé.
In ININ il suono della voce si presenta come un cristallo puro, caratterizzato
da dei picchi di frequenza, dette frequenze pure. […] Una delle caratteristiche
più interessanti di questo processo è che l’emissione di frequenze pure vocali
ha una straordinaria capacità di riequilibrio energetico sull’organismo, come è
emerso da una serie di ricerche che abbiamo svolto nel laboratorio Vocal Sound
sul tema della risposta umana al suono della voce. Inoltre le frequenze pure
sono registrabili in processi dove ascolto e comprensione si svolgono a livelli
estremamente espansi”. Il suono che emerge dal processo cognitivo ININ assume
pertanto un notevole rilievo anche sul piano curativo, di riequilibrio
dell’organismo. A questo riguardo, Anna Bacchia e Melisa Rossi scrivono anche
(vedi l’articolo “ININ: il salto quantico della mente”, Scienza e Conoscenza,
n° 29): “L’Informazione può riequilibrare il quadro bioenergetico di un
organismo attraverso le frequenze pure emesse dal suono di una voce. La voce
che emette, non sceglie la tecnica o il suono da emettere, ma quella voce è
orientata e SI suona da sé, mentre la consapevolezza della voce che emette è
allineata sull’organismo che riceve il suono. Come rilevato in diverse ricerche
del Gruppo di Studio Vocal Sound, l’organismo che riceve, dopo tale processo,
presenta un ri-equilibrio misurabile del suo quadro bioenergetico generale”.
Riferimenti bibliografici
A. Bacchia, L. Sorbi, “ÌNIN. La sostenibile leggerezza
dell’essere. Scienza, arte e creazione quotidiana”, Collana Vocal Sound 9,
2008.
A. Bacchia, M. Rossi, “ÌNIN, una nuova esperienza
dell’Informazione: il salto quantico della mente”, Scienza e Conoscenza, n° 29,
2009.
Questo articolo è tratto dalla rivista:
Scienza e Conoscenza - N. 42 >> http://goo.gl/VQQiyW
Nuove scienze e antica saggezza per svelare i misteri
della vita
Editore: Scienza e Conoscenza - Editore
Data pubblicazione: Novembre 2012
Formato: Rivista - Pag 80 - Cartacea - Ebook
