Cos’è e come funzione l’orecchio umano

 

L’intento di questa pagina è quello di spiegare come funziona il nostro sistema uditivo, vedremo che esso non reagisce come uno strumento elettronico ma secondo degli schemi diversi come accade per tutte le percezioni umane, infatti la sensazione uditiva non è proporzionale allo stimolo ricevuto ma piuttosto (usando un termine matematico)è proporzionale al suo logaritmo.

Il sistema uditivo umano può essere visto composto di tre parti:

• l’orecchio esterno (o padiglione auricolare);
• l’orecchio medio;
• l’orecchio interno.

 

      L’orecchio esterno

All’interno del padiglione auricolare è presente un condotto chiamato canale auricolare (o condotto uditivo) il quale termina su una membrana chiamata timpano. La membrana timpanica è un diaframma sottile impermeabile all’acqua e all’aria, molto elastico, molto resistente, che separa l’orecchio esterno dall’orecchio medio.

L’orecchio medio

 

E’ costituito da una cavità interna dell’osso del cranio piena d’aria e al cui interno si articola una complessa catena di ossicini che servono a trasmettere meccanicamente la vibrazione della membrana timpanica all’orecchio interno.
Gli ossicini che si trovano dentro l’orecchio medio sono visibili ingranditi in figura 2: martello, incudine e staffa sono incernierati fra loro. Il primo è a contatto con la membrana timpanica, il terzo invece poggia su un ulteriore diaframma con caratteristiche simili a quelle del timpano, la finestra ovale la quale contiene un liquido detto “perilinfa”, che lo collega alla coclea.

L’orecchio interno

 

La coclea è l’organo dell’udito propriamente detto, e al suo interno non si trova aria, ma un liquido con impedenza (forza di opposizione passaggio dell’elettricità) simile a quella dell’acqua, detta “endolinfa”, e mille volte superiore a quella dell’aria. Sempre nell’orecchio interno si trova un secondo organo che non ha niente a che vedere con il sistema uditivo: il labirinto (o canali semicircolari) che è la sede del centro dell’equilibrio.

Il Suono

 

Il suono (dal latino sonus) è la sensazione data dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. Tale vibrazione, che si propaga nell’aria o in un altro mezzo elastico (per esempio un liquido o la membrana timanica).

Come tutte le onde, anche quelle sonore sono caratterizzate da una frequenza [Hz] (che nel caso del suono è in diretta, ma non esclusiva, relazione con la percezione dell’altezza) e un’intensità [dB] (che è in diretta, ma non esclusiva, relazione con il cosiddetto “volume” del suono). Inoltre, caratteristica saliente delle onde sonore è la forma d’onda stessa, che rende in gran parte ragione delle differenze cosiddette di timbro che si percepiscono tra diverse tipologie di suono.

Il percorso del suono

L’orecchio esterno convoglia la vibrazione del suono al timpano mettendolo a sua volta in “vibrazione” ossia la membrana timpanica che è molto elastica ha dei grandi movimenti causati dalla piccola forza delle vibrazioni sonore. Le dimensioni del canale uditivo fanno si che il sistema condotto-timpano funziona meglio a frequenze alte (3-5000 Hz) mentre a basse frequenze l’impedenza è disadattata e la risposta è minore (vedremo comunque che questo non è un problema).

L’orecchio medio modifica la vibrazione in quanto gli ossicini funzionano come delle leve, trasformando cioè i grandi movimenti (dovuti a piccole forze – suono) della membrana timpanica nei piccoli movimenti eseguiti però con grande forza della staffa. Il sistema dell’orecchio medio serve a compensare la grande differenza di impedenza che c’è tra il timpano e la coclea; di fatto però non è un amplificatore vero e proprio perché questo processo è eseguito diminuendo la velocità dell’onda: in altre parole, si accresce un’energia a spese di un’altra.

L’orecchio interno o meglio la coclea (chiamata anche chiocciola per la sua forma) riceve il segnale così trasformato. La chiocciola è composta di due scale (o canali) lunghe 3 cm e poste a contatto fra loro attraverso la membrana basale (di colore azzurro nella Fig. 3):

• il canale vestibolare, che porta il suono verso il centro della chiocciola;
• il canale timpanico, che guida il segnale nel percorso verso l’esterno.

 

Mentre le onde, provocate dai movimenti eseguiti con grande forza della staffa sulla finestra ovale della coclea, si propagano lungo il canale vestibolare per mezo della endolinfa, la membrana basale è sottoposta ad uno sforzo dovuto alle differenze di pressione che si vengono a creare nei due condotti posti a contatto. Questi sforzi sono registrati dalle cellule ciliate o “organo del Corti”(vedi Fig. 4) che di fatto costituisce il sotto-sistema che trasforma la forza meccanica delle onde sonore in segnale elettrochimico. Le cellule cigliate sono qundi dei meccano-sensori legati fra loro dal “tip-link” un sottilissimo e fondamentale filamento, che assieme a delle proteine, fano si che questo sotto-sistema che affidi il nuovo segnale sottoforma di micro-impulsi elettrici a una rete neurale che si convoglia nel “nervo uditivo” sino ad arrivare all’ area acustica della “corteccia cerebrale” e poi al “lobo temporale” del  cervello.

Grazie alle cellule cigliate il nostro cervello riceve un’informazione estremamente selettiva di come il suono sia distribuito alle varie frequenze. I tempi di risposta non sono istantanei, ma variano dai 25 ai 150 millisecondi a seconda della frequenza del segnale: si può dire che i suoni ad alta frequenza vengono uditi prima.

Infatti all’ingresso della chiocciola la frequenza di risonanza è alta perché la membrana basale in questa zona è sottile e tesa come una corda di violino inoltre il condotto è più largo e quindi  l’impedenza del liquido all’interno della coclea è maggiore.

Procedendo verso il centro la membrana diventa più spessa e meno tesa, fino ad essere come una corda di contrabbasso e il condotto è più stretto. Questo meccanismo fa sì che le componenti del suono a frequenze basse trovino la loro zona di risonanza solo dopo aver percorso i 3 cm di lunghezza del canale vestibolare. Perciò esse sono udite con un certo ritardo ed anche attenuate.

Essendo però il canale di trasmissione unico, le componenti di suono a basso volume sono rese in-udibili da quelle ad alto volume e frequenza prossima alla loro. Questo fenomeno è detto di “mascheramento”, e viene sfruttato per compattare informazioni audio come nel caso dei minidisc e dei file MP3, nei quali vengono eliminati i contributi che il sistema uditivo non percepirebbe.

Sensazione sonora

La risposta del nostro sistema uditivo, come visto sopra non è uguale a tutte le frequenze. Si può dire che due suoni a frequenze diverse possono avere la stessa intensità ma dare un livello di sensazione diversa.

Il diagramma 1 riportato di seguito è stato ottenuto sperimentalmente, e indica la soglia di udibilità, cioè la minima intensità che deve avere un suono per essere udito alle varie frequenze, e la soglia di dolore, oltre la quale il suono ha effetti dannosi (attorno ai 120 dB) anche per brevi esposizioni, all’interno di questi due limiti (area azzurra) si definisce il Camo Udibile dell’orecchio umano. Al suo interno si può delineare il Campo della Musica dove per esempio un Orchestra Sinfonica si attesta mediamente attorno ai 90 dB (+15 -5), l’ascolto a casa della musica è attorno ai 78 dB (+15 -5) ed un ascolto a volume ridotto  mediamente e sui 60 dB (+25 -5). Inotre I toni si dicono alti quando superano i 500 Hz.

Un diagramma più significativo fu elaborato negli anni ’30 dai ricercatori Fletcher e Munson, che prendendo in esame un elevato numero di soggetti elaborarono le curve di isosensazione, o isofone, che rappresentano il livello in pressione sonora che deve avere un suono per dare la stessa sensazione alle varie frequenze. L’osservatore è sottoposto alternatamente ad un tono puro di una certa frequenza e ad un altro tono alla frequenza di riferimento (1000 Hz= 1 Phon). Di quest’ultimo viene regolata l’intensità fino a dare la stessa sensazione del primo suono, e in questo modo si stabilisce a quale curva appartiene la prima coppia di valori (frequenza – intensità).

La scala dB

 

Le curve isofoniche hanno tutte forma molto simile, con picco di udibilità intorno ai 4000 Hz, ma si può notare come al crescere dell’intensità la risposta del sistema uditivo si appiattisce.

La scala dB(A)

 

Per raggiungere una buona approssimazione della risposta umana occorre inoltre compensare strumentalmente il fatto che l’orecchio sente meglio le frequenze alte rispetto alle basse. Per facilitare l’operazione è sufficiente avere a disposizione un grafico di Fletcher Munson ribaltato, che ci permette di stabilire quale valore dobbiamo sommare ai livelli sonori ottenuti alle varie frequenze per ottenere l’effettiva sensazione umana.

Come già detto, le curve isofoniche sono simili tra loro, ma comunque variano all’aumentare del livello, per cui avremmo bisogno di più curve da utilizzare nei vari casi. A tale riguardo esistono la curva A (per livelli sotto i 60 dB), la curva B (tra 60 e 80 dB), la curva C (oltre 80) e la curva D (per rumori molto forti, come quelli degli aerei) e si definiscono le misure in dB(A), dB(C) ecc. a seconda della curva di ponderazione utilizzata. Per evitare confusioni le misure prive di ponderazione possono essere indicate in dB(Lin).

Ciò nonostante, per i nostri scopi sarà utile avere a disposizione la sola curva di ponderazione A. Infatti la curva B e la curva D non sono prese in considerazione dalla legge, mentre la C riguarda solo i rumori molto forti.