Molti appassionati di elettronica e di elettroacustica conoscono le basi di funzionamento di un amplificatore, di un fonorivelatore, o di un registratore a cassette. Pochi, probabilmente, conoscono altrettanto bene il funzionamento del nostro orecchio, di come questo riesce a percepire i suoni e la loro direzione di provenienza, delle tecniche usate per «ingannarlo» per estendere il fronte sonoro creato da due soli diffusori.
Questa serie di articoli si propone di portare a conoscenza dei lettori gli aspetti e le problematiche della percezione e della localizzazione dei suoni, e di descrivere alcuni tra i più interessanti progetti atti a creare l’illusione di non essere in una semplice stanza di appartamento ma in una vera sala da concerto.
Introduzione
Parte da questo numero una serie di articoli che intende analizzare, nella maniera più completa possibile, tutti gli aspetti legati alla percezione del suono e alla capacità dell’orecchio di riconoscerne la direzione di provenienza. Il lavoro, svolto nell’ambito della tesi di laurea dell’autore e con il contributo di una borsa di studio finanziata dalla ESB di Aprilia, sarà suddiviso in quattro parti: il primo articolo, cioè quello che state leggendo, descriverà l’anatomia ed il funzionamento del più straordinario e complesso sistema di trasduzione esistente: l’orecchio umano. Il secondo farà vedere come questo riesce a discriminare la posizione di una sorgente sonora; il terzo parlerà delle problematiche relative alla radiazione dei diffusori acustici e
dell’influenza dell’ambiente, mentre nel quarto (e forse ultimo) articolo verrà descritta una applicazione pratica, che utilizza i concetti e le soluzioni fin qui trovate per estendere e modificare il campo sonoro creato da un classico sistema di trasduzione.
1: Anatomia e fisiologia dell’apparato uditivo
L’orecchio è un organo complesso che svolge da solo due funzioni. In esso sono presenti infatti sia i recettori dell’udito che quelli preposti all’equilibrio. Come molte delle sensibilità somatiche, l’udito è un senso «meccanocettivo», in quanto l’orecchio reagisce alle sollecitazioni meccaniche generate dalle «onde sonore» trasmesse dall’aria.
Esso viene comunemente suddiviso in tre parti principali denominate orecchio esterno, orecchio medio ed orecchio interno. Di quest’ultimo, come vedremo, alcuni recettori servono alla funzione uditiva altri all’equilibrio.
1-1: Orecchio esterno
L’orecchio esterno svolge la funzione di convogliare le onde sonore verso la membrana del timpano.
Figura 1 – Conformazione dell’orecchio esterno dell’uomo. Il suono viene «catturato» dal padiglione auricolare e, tramite il meato acustico esterno, giunge alla membrana del timpano. Le vibrazioni di quest’ultima, amplificate dal sistema degli ossicini, vengono trasmesse alla coclea e qui trasformate in impulsi elettrici ed inviati al cervello. (Tratta da: EST – Enciclopedia della Scienza e della Tecnica – Mondadori).
Dalla figura 1 possiamo vedere come esso sia composto da due formazioni anatomiche: il padiglione auricolare ed il canale uditivo esterno (o meato acustico). Il padiglione auricolare ha forma concava, più o meno ovale, con l’asse maggiore disposto verticalmente, e presenta una serie di rilievi e depressioni. In figura 2 troviamo, oltre alla cavità di accesso al meato, detta conca, un rilievo periferico detto elice ed un altro rilievo concentrico alla conca detto antelice. Nella parte anteriore la conca è poi delimitata da una sporgenza detta trago. Al di sotto della conca il padiglione continua con un’espansione carnosa dei cartilagine, detta lobulo. Il padiglione, ad eccezione del lobulo, è formato da un sottile scheletro cartilagineo, ricoperto da un sottile strato di tessuto sotto cutaneo e da cute sottile.
Figura 2 – Conformazione dei padiglione auricolare, ha forma di questo è determinante per il riconoscimento della direzione di provenienza del suono.
Nello spessore del sottocutaneo si trovano alcuni muscoli, che nell’uomo sono rudimentali e poco efficienti, mentre in molti mammiferi questi possono
tendere ad aprire il padiglione od orientarlo nella direzione di provenienza dei suoni, permettendo così un migliore ascolto. La forma del padiglione auricolare è di fondamentale importanza, come vedremo in seguito, per la corretta localizzazione della provenienza dei suoni.
Il condotto uditivo esterno parte dalla conca del padiglione, e penetrando all’interno della testa, termina a fondo cieco, chiuso dalla membrana del timpano che è anche la parete divisoria tra l’orecchio esterno e quello medio.
1-2: Orecchio medio
Quest’ultimo è una cavità piena d’aria, detta cassa timpanica, che comunica attraverso la tuba di Eustachio con la faringe e, tramite essa, verso l’esterno.
Normalmente la tuba è chiusa, ma si apre negli atti di deglutizione e durante gli sbadigli, in modo che la pressione dell’aria ai due lati della membrana del timpano sia uguale.
Nell’orecchio medio si trova la catena degli ossicini, composta da martello, incudine e staffa.
Come visibile in figura 3, la membrana del timpano è a forma di cono, con la sua concavità rivolta verso il canale uditivo. Nella sua parte centrale è connesso con il «manico» del martello, mentre l’altra estremità del martello è collegata, mediante legamenti, con l’incudine. L’altro estremo dell’incudine, a sua volta, si articola con la staffa, la cui parte appiattita appoggia sulla membrana della finestra ovale, attraverso la quale le onde sonore vengono trasmesse alla coclea, nell’orecchio interno. Le articolazioni permettono piccoli movimenti fra le diverse ossa, provocati dalle vibrazioni delle onde sonore sulla membrana del timpano; tali vibrazioni causano delle spinte della staffa sulla membrana della finestra ovale e per suo tramite al recettore sonoro. Le modalità di movimento delle singole ossa sono piuttosto complesse, ma danno luogo ad un risultato, tutto sommato, semplice: quando il timpano viene spinto verso l’interno della cassa timpanica anche la staffa viene affondata verso la finestra ovale; il contrario avviene quando il timpano viene spostato verso il canale uditivo. Nell’orecchio medio si trovano anche due piccoli muscoli: il tensore del timpano è lo stapedio.
Figura 3 – Spaccato della cassa timpanica. Sono visibìli sia la membrana del timpano che il sistema
degli ossicini. (Tratta da: EST – Enciclopedia della Scienza e della Tecnica – Mondadori).
Il primo esplica l’importante funzione di tirare costantemente verso l’interno il manico del martello, mantenendo così tesa la membrana del timpano. Questo fa sì che la vibrazione di qualsiasi porzione della membrana timpanica venga trasmessa al martello, la qual cosa risulterebbe impossibile se la membrana stessa non fosse tesa.
1-3: Orecchio interno
È costituito da un sistema di cavità (coclea, vestibolo, canali semicircolari) di forma piuttosto accidentata, che ha meritato il nome di labirinto osseo (fig. 4). I suoi organi sono recettori sia per l’udito che per l’equilibrio; nel labirinto si distinguono due settori principali, denominati: settore vestibolare (che contiene i recettori dell’equilibrio), e settore cocleare, contenente i recettori uditivi. Trascuriamo il settore vestibolare, di scarsa importanza nella percezione sonora, e concentriamo l’attenzione sull’organo di vitale importanza per la funzione uditiva: la coclea.
Figura 4 – Conformazione del labirinto osseo. Di questo, solo la coclea contiene i recettori per l’udito, mentre i tre canali semicircolari e gli altri organi supportano i recettori per il senso dell’equilibrio. (Tratta da: EST – Enciclopedia della Scienza e della Tecnica – Mondadori).
1-4: La coclea
La coclea (fig. 5) è un canale avvolto a spirale, lungo circa 35 mm, che nell’uomo compie 2 giri e 3/4. È suddiviso, per tutta la sua lunghezza, da due membrane, quella di Reissner (o vestibolare) e la membrana basale, che lo suddividono in tre camere o rampe: la rampa vestibolare e la rampa media sono divise dalla membrana vestibolare, mentre la rampa media è divisa da quella timpanica per mezzo della membrana basale. La rampa superiore (vestibolare) e quella inferiore (timpanica) comunicano fra di loro, in corrispondenza dell’apice della coclea, attraverso un forellino, chiamato elicotrema e contengono un liquido detto perilinfa. Alla base della coclea, la rampa vestibolare finisce con la finestra ovale, collegata con la staffa, mentre la rampa timpanica termina con la finestra rotonda che è un foro sulla parete dell’orecchio medio, chiuso dalla membrana timpanica secondaria, molto flessibile. La rampa media contiene un altro liquido detto endolinfa. Sulla superficie della membrana basale si trova l’organo del Corti, che contiene una serie di cellule dette cellule ciliate, sensibili alle sollecitazioni meccaniche. Sono queste le strutture recettive che generano gli impulsi nervosi in risposta alle vibrazioni sonore.
Figura 5 – Conformazione della coclea. (Tratto da: Goss C.M. – “Gray’s Anatomy of the Human Body” – Lea & Febiger).
1-5: I meccanismi della percezione
Le onde emesse dalla sorgente sonora, per vengono al timpano che, funzionando da risuonatore, le riproduce. La membrana cessa di vibrare quasi istantaneamente al cessare delle onde, presenta cioè uno smorzamento quasi critico.
La catena degli ossicini a sua volta funziona come un sistema di leve che converte meccanicamente le vibrazioni della membrana del timpano in movimenti della staffa con tro il liquido cocleare (vedi fig. 6) ed aumenta la pressione che perviene alla fine stra ovale.
Figura 6 – Schema di funzionamento dell’orecchio. La pressione sonora colpisce il timpano, mettendo in vibrazione prima il martello, poi l’incudine e quindi la staffa. Quest’ultima preme sulla finestra ovale comprimendo il liquido all’interno della coclea.
Infatti la superficie della membrana del timpano è circa 55 mm², mentre la superficie della parte piatta della staffa è in media di 3,2 mm². Questo rapporto, pari a ben 17 volte, moltiplicato per il rapporto del sistema di leva, pari a 1,3, fa sì che l’energia totale che un’onda sonora trasferisce alla
membrana del timpano, applicata sulla piccola area della parte piatta della staffa, provochi sulla membrana della finestra ovale una pressione ben 22 volte superiore rispetto a quella che la stessa onda sonora esercita contro la membrana timpanica. Giacché il liquido ha un’inerzia molto maggiore del
l’aria, è facile comprendere che per trasmettere una vibrazione al liquido occorrano pressioni più alte. La membrana del timpano ed il sistema degli ossicini, funzionano perciò da «adattatore di impedenza» tra la trasmissione aerea delle onde sonore e quella nel mezzo liquido cocleare. Sono presenti delle perdite di energia sonora dovute agli attriti tra le varie parti, ma, per le frequenze al di sotto dei 3 kHz, il 60% dell’energia incidente sulla membrana timpanica viene trasmesso al liquido cocleare. Poiché anche il sistema degli ossicini ha una sua massa (e quindi una sua inerzia) e si trova sospeso mediante dei legamenti elastici, esso viene ad avere una naturale frequenza di risonanza, che si trova mediamente tra i 700 e i 1400 Hz e che viene a sua volta smorzata dal materiale viscoso con cui queste strutture sono ricoperte. Il canale uditivo esterno, per le sue dimensioni, si comporta come un risuonatore a colonna d’aria ed ha una naturale frequenza di risonanza centrata a cicrca 3 kHz. Combinando gli effetti di risonanza della catena degli ossicini e del canale uditivo, la trasmissione dei suoni dall’aria alla coclea è massima tra i 600 e i 6000 Hz.
La trasmissione delle onde sonore al liquido dell’orecchio interno, attraverso la membrana del timpano e gli ossicini, è chiamata trasmissione ossiculare. Le onde sonore provocano delle vibrazioni anche della membrana timpanica secondaria, che chiude la finestra rotonda. Questo processo, normalmente di scarsa importanza, è detto trasmissione aerea. Vi è un terzo tipo di trasmissione, che viene detta ossea, e che consiste nella trasmissione al liquido cocleare delle vibrazioni delle ossa del cranio. Questo terzo tipo di trasmissione, che ha una notevole importanza nella percezione dei suoni molto forti, può essere messo in evidenza applicando direttamente sulla testa un diapason o qualunque altro corpo vibrante.
Quando i suoni trasmessi dagli ossicini al sistema nervoso sono tanto forti da poter, al limite, danneggiare l’apparato uditivo stesso, si mette in opera un riflesso che, con un ritardo di appena 40 millisecondi, provoca la contrazione sia del muscolo tensore del timpano che dello stapedio. Quest’ultimo tira la staffa verso l’esterno, mentre il muscolo tensore del timpano tira il manico del martello verso l’interno. In questo modo tutto il sistema degli ossicini acquista una notevole rigidità e la trasmissione alla coclea dei suoni di bassa frequenza, al di sotto di 1000 Hz, ne risulta fortemente ridotta. Questo riflesso, detto riflesso timpanico può ridurre l’intensità di un suono trasmesso anche di 30-40 dB.
Come già detto questo meccanismo oltre a proteggere l’apparato uditivo da suoni troppo forti, ha la funzione anche di ridurre i suoni a bassa frequenza negli ambienti rumorosi. Ciò elimina gran parte dei rumori di fondo e consente ad una persona di concentrarsi sui suoni con frequenza al di sopra dei 1000 Hz.
È per questo meccanismo che si ha una riduzione nella percezione delle frequenze basse in auto, dove il rumore del motore e dell’ambiente circostante è molto elevato e viene quindi filtrato ed attenuato dall’udito stesso. Sempre in figura 6 possiamo vedere uno schema delle parti funzionali della coclea. Nel disegno quest’ultima è rappresentata rettificata. Si noti che non viene riportata la membrana vestibolare, che è così sottile e flessibile da non influenzare la propagazione delle vibrazioni sonore. Le vibrazioni vengono trasmesse dalla staffa alla finestra ovale, attraverso la quale pervengono alla rampa vestibolare. Quando la staffa si sposta verso l’interno, vi è un aumento di pressione in tutta la coclea.
Se la staffa preme lentamente, il liquido della rampa vestibolare, attraverso l’elicotrema, viene spinto nella rampa timpanica e di conseguenza la membrana timpanica secondaria viene spinta verso l’esterno. Se invece la staffa vibra rapidamente, la pressione sonora nel liquido non ha tempo di arrivare prima all’elicotrema e poi alla finestra tonda, ma viene cortocircuitata attraverso la membrana basale. Ogni frequenza da luogo ad un differente schema di vibrazione della membrana basale, ed è proprio tramite questo meccanismo che l’udito riesce a discriminare le diverse frequenze dei suoni.
1-6; Propagazione delle onde sonore nella coclea
Nella figura 7 si possono vedere le diverse caratteristiche di trasmissione di onde sonore a differenti frequenze applicate alla membrana basale. Ogni onda è, all’inizio, relativa mente debole, ma si rinforza non appena raggiunge quella zona di membrana basale che è dotata di una naturale frequenza di risonanza pari alla frequenza del suono.
Figura 7 – Schema di vibrazione della membrana basale per un suono di media fequenza. (Tratta da: Guyton A.C., «Trattato di fisiologia medica», Piccin Editore).
In questa zona la membrana basale è tanto cedevole che l’energia dell’onda viene dissipata interamente. Di conseguenza in quel punto l’onda si esaurisce e non viaggia più oltre il rimanente tratto della membrana. Allora un suono di frequenza bassa percorre tutta la lunghezza della membrana prima di esaurirsi, uno di frequenza media si estingue a circa la metà della membrana basale, mentre un suono ad
alta frequenza ne percorre solo un breve tratto. Un’altra importante caratteristica del l’onda è che essa presenta una elevata velocità nel tratto iniziale della membrana e via via velocità sempre decrescenti man mano che avanza all’interno della coclea. Ciò dipende dal fatto che il coefficiente di elasticità della membrana basale diminuisce progressivamente passando dalla finestra ovale all’interno della coclea. Mediante il meccanismo appena descritto, si ha una migliore discriminazione delle alte frequenze che, procedendo nella coclea vengono ben distanziate tra di loro, come visibile in figura 8.
Figura 8 – Punti di massima ampiezza di vibrazione della membrana basale per differenti frequenze del suono. (Tratta da Guyton A.C., «Trattato di fisiologia medica», Piccin Editore).
Le varie frequenze che compongono l’onda sonora vengono quindi discriminate dall’udito grazie alla posizione che esse assumono sulla membrana basale. La coclea è perciò un vero «analizzatore di spettro» meccanico. Sulla membrana basale è poi presente l’organo del Corti, che contiene una
serie di cellule ciliate sensibili alle sollecitazioni meccaniche. Tramite questi recettori vengono generati gli impulsi nervosi, da trasmettere poi al cervello tramite il nervo acustico.
1-7: Determinazione dell’intensità del suono
II sistema uditivo riesce a determinare l’intensità del suono percepito in almeno tre modi differenti. Man mano che il suono diventa più forte, aumenta l’ampiezza delle vibrazioni della membrana basale; i recettori posti su di essa vengono quindi stimolati maggiormente.
Aumenta inoltre il numero dei recettori coinvolti e di conseguenza vengono interessate un numero sempre maggiore di fibre nervose; in questo modo viene quindi inviata al cervello una maggiore quantità di stimoli nervosi. Esistono poi dei recettori che non vengono eccitati fino a quando la pressione sonora non raggiunge una certa soglia, in modo da avvertire il sistema nervoso che il suono è molto forte ed azionare qundi le apposite «protezioni».
Il primo viaggio alla scoperta di quel complesso sistema di trasduzione che è l’orecchio umano termina qui. Nel prossimo articolo parleremo di come sia
possibile la corretta localizzazione delle sorgenti sonore e vedremo come è possibile sfruttare alcune caratteristiche dell’udito per ricostruire un fronte sonoro diverso da quello originale.
di Pierfrancesco Fravolini
BIBLIOGRAFIA
- Guyton A.C., «Trattato di fisiologia medica», Piccin Editore.
- Ganong W.F., «Fisiologia medica», Piccin Editore
- Schroeder M.R., «Models of Hearing», Proceedings of thè IEEE, voi. 63, n. 9, pp. 1332-1349 (settembre 1985).
da AUDIOreview n. 97 settembre 1990
