Otorinolaringoiatria - suono e anatomofisiologia dell orecchio

Otorinolaringoiatria: elementi di fisica acustica

Il suono

Il suono è una perturbazione della quiete atmosferica; è impossibile che le particelle d'aria siano ferme, difatti l'assenza di suono è una condizione possibile solo nel vuoto, quindi incompatibile con la vita. Esiste, però, la possibilità che l'evento vibratorio sia talmente modesto da non essere percepito dal nostro orecchio: ciò che per noi è assenza di rumore o suono (silenzio), in realtà non è assenza di movimento di particelle, ma è una non percezione del suono.

Come funziona una sorgente sonora?

Si prenda ad esempio il diapason. Il diapason è uno strumento usato dagli accordatori. Se battuto sul ginocchio, i due bracci (rebbi) si avvicinano, comprimendo l'aria al loro interno e, quindi, mettendo in movimento le particelle (produzione del suono). Questo movimento implica una produzione di energia cinetica che fa sì che i rebbi, una volta avvicinati, non solo ritornino alla posizione di riposo ma vadano oltre questa posizione, siamo nella fase in cui i rebbi si allontanano, le particelle di aria al loro interno si disperdono maggiormente. Si ha, dunque, l'alternanza di momenti di concentrazione e rarefazione delle particelle aeree.

Il suono risulta dalla vibrazione delle particelle del mezzo che attraversano (aria) in un alternarsi di:

• Pressione positiva (aumento rispetto alla pressione atmosferica) quando le particelle si concentrano;
• Pressione negativa (diminuzione della pressione atmosferica) quando dette particelle si allontanano.

[FIGURA: rappresentazione grafica del trasferimento nell'aria dell'onda acustica di un tono puro prodotto da un diapason: A. Le modificazioni di pressione del mezzo attraversato dall'onda acustica, rispetto al tempo, sono rappresentate da una linea curva posta sopra e sotto una retta che identifica il teorico stato di riposo del mezzo stesso (qui abbiamo il caso più semplice, un tono puro, e l'andamento è sinusoidale); B. La concentrazione e la rarefazione delle particelle aeree lungo l'asse di propagazione del suono; C. Il movimento delle molecole del mezzo; D. Direzione di propagazione; ]

N.B. Quando parliamo abbiamo un movimento di energia che viene portato dalla sorgente sonora fino a dove può arrivare. Con il microfono non si trasmette la particella, ma si trasmette l'energia da una particella all'altra.

Parametri fisici del suono

L'orecchio funziona analizzando frequenza e intensità del suono.

• Frequenza [viene misurata in Hertz = numero di cicli al secondo] Il suono è un evento vibrante. Può essere caratterizzato da una bassa frequenza (pochi cicli) e un'alta frequenza (tanti cicli). Il reciproco è la lunghezza d'onda λ. Quanto durano i cicli? [periodo in funzione della frequenza] 1 ciclo a 1000 Hz → 1/1000 = 1 msec 1 ciclo a 500 Hz → 1/500 = 2,5 msec 1 ciclo a 8000 Hz → 1/8000 = 0.125 msec

Sensazione acustica

La sensazione acustica è quella di "pitch", una sensazione di "tonalità", ed è determinata dalla frequenza:

• Tonalità bassa o grave → bassa frequenza.
• Tonalità alta o acuta → alta frequenza.

La risonanza è un evento per cui una certa frequenza fa vibrare un determinato oggetto senza fenomeni resistivi. Es. Per far vibrare un oggetto grande è necessario un suono a bassa frequenza. Il campo dell'udibile è compreso da 20 a 20.000 Hz. [Sotto i 20 Hz abbiamo gli infrasuoni, sopra i 20.000 Hz abbiamo gli ultrasuoni; entrambi non percepibili dall'uomo come sensazione acustica]

I toni puri e la legge di Fourier

Finora ci si è riferito a toni puri, cioè onde sinusoidali, che, tuttavia, non esistono in natura, perché qualunque sorgente sonora ha delle risonanze, delle casse armoniche. Ci sono solo due oggetti costruiti dall'uomo che emettono toni puri: il diapason e l'audiometro.

Si parla in termini di toni puri perché:

• Didatticamente è più facile
• Esiste la legge di Fourier per cui qualunque forma d'onda, per quanto complessa, può essere scomposta in una serie di forme d'onda sinusoidali. Questo è la base dell'audiologia.

Nell'immagine f1, f2, f3 sono tre onde sinusoidali, ma le altre no. Tuttavia quest'ultime possono essere scomposte in modo da ottenere che:

• Onda in alto a destra → f1+f2
• Onda al centro a destra → f1+f3
• Onda in basso a destra → f1+f2+f3

FIGURA: Grafici di destra: (SPETTRI) In questo caso, invece di avere un grafico con un asse delle x che misura il tempo t, si ha un asse delle x che misura la frequenza F [sull'asse delle y sono riportate l'intensità delle diverse componenti frequenziali]. Le immagini stanno a indicare un momento preciso: si è davanti a una fotografia delle onde in un preciso momento.

Grafici di sinistra: Nella prima immagine si tratta di una forma d'onda sinusoidale con una certa intensità. Nella seconda immagine si ha sempre un tono puro, ma con una frequenza più acuta, caratterizzata da più cicli. Nella terza immagine non si ha più un tono puro, che in ogni caso può essere scomposto nelle sue armoniche. Particolare è l'immagine 4: questa forma quadra non ha un aspetto sinusoidale, ma è costituita da una serie di sinusoidi.

Che cos'è un rumore?

Il rumore è un suono non periodico, che può anch'esso essere scomposto. [I suoni propriamente detti sono invece periodici perché costituiti da una frequenza fondamentale (la più bassa) e da frequenze armoniche, che sono multipli interi di quella fondamentale] Il suonogramma è uno strumento che permette la registrazione di un rumore. Sull'asse delle y viene riportata la lunghezza d'onda. Sull'asse delle x il tempo.

Intensità

L'intensità indica quanto si comprimono e quanto si decomprimono le onde. Se si comprimono troppo abbiamo un suono forte, se si comprimono poco avremmo un suono piano. Si può misurare in termini di:

• Potenza
• Intensità (che tralasceremo)
• Pressione

La potenza si misura in Watt ed esprime la capacità assoluta che ha una certa sorgente a produrre rumore; la pressione si misura in Pascal.