1 - SUONO

1.1 - SUONO Il suono (dal latino soninus) è la sensazione data dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. Questa vibrazione, nel propagarsi nell'aria o in un altro mezzo elastico, raggiunge l'orecchio che, tramite un complesso meccanismo interno, crea una sensazione "uditiva" direttamente correlata alla natura della vibrazione.

Sorgente  Onda sonora  Orecchio

1.2 - SORGENTE La percezione sonora è normalmente legata alle vibrazioni del timpano nell'orecchio. Queste vibrazioni sono provocate da piccole variazioni di pressione nell'aria. La variazione di pressione dell'aria è quindi l'equivalente fisico del suono. Questo fenomeno può essere visualizzato appoggiando un foglio di carta sopra il cono di un altoparlante: quando viene emesso un suono, il foglio inizia a vibrare.

- Il movimento verso l'esterno della membrana dell'altoparlante determina un aumento di pressione e quindi spinge in fuori il foglio di carta. - Il movimento verso l'interno della membrana determina una diminuzione di pressione ed attrae il foglio verso l'altoparlante.

Esempi di sorgenti sonore sono: - STRUMENTI MUSICALI: in cui la parte vibrante può essere una corda percossa (come nel pianoforte) o strofinata con un archetto (come nel violino), una membrana, una barra, un piatto percosso (come nelle percussioni), o una colonna d'aria la cui vibrazione è comandata del fiato dello strumentista (come negli strumenti a fiato); - le nostre CORDE VOCALI che sono fatte vibrare dall'aria che esce dai polmoni e danno origine alla voce; - qualunque fenomeno che provoca uno "spostamento d'aria" (il battito di ali di un colibrì, un aereo che abbatte la barriera supersonica, una bomba che esplode, un martello che batte su di un incudine...) avente caratteristiche fisiche opportune (non ogni spostamento d'aria viene poi da noi "sentito" come evento sonoro).

1.3 – MOTI DI VIBRAZIONE CORDE Ogni sistema vibrante sia esso meccanico, elettrico, o acustico, possiede particolari modi di oscillazione in cui tutte le sue parti componenti vibrano di moto armonico, e con la stessa frequenza. Questi sono appunto i modi normali del sistema.

Consideriamo una corda perfettamente elastica fissata ai suoi estremi: - I suoi modi normali sono caratterizzati da un solo numero intero. - Fissate le dimensioni della corda, il materiale di cui è composta, e la sua tensione, la frequenza propria di ogni modo è determinata solo da questo numero. - Esso indica direttamente il numero dei VENTRI che la corda forma nella sua oscillazione. - Per esempio il modo 2 indica che ci sono 2 ventri, e, corrispondentemente, 3 nodi, contando anche i due agli estremi, che sono fissi per qualunque modo di vibrazione.

1.4 – MOTI DI VIBRAZIONE MEMBRANA CIRCOLARE Consideriamo una membrana circolare sottile e perfettamente elastica fissata lungo tutto il bordo esterno: Questo sistema fisico descrive bene, ad esempio la membrana del rullante e dei timpani. I suoi modi normali sono caratterizzati da due numeri interi n, m. - Il primo numero ‘n’ caratterizza l'oscillazione tangenziale, o angolare (cioè lungo i cerchi concentrici). - Il secondo numero ‘m’ caratterizza l'oscillazione radiale (cioè nella direzione che va dal centro al bordo).

Fissato il raggio della membrana, il materiale di cui è composta la membrana e la sua tensione, la frequenza propria di ogni modo è determinata unicamente da questi due numeri. I numeri sono di facile interpretazione: - Il primo indica il numero di diametri nodali. - Il secondo indica il numero di cerchi nodali (incluso quello al bordo, che è sempre presente, visto che trattiamo la membrana fissata lungo tutto il bordo).

Il fisico Chladni nel 1787 ha ideato un sistema ingegnoso per evidenziare le curve nodali, consiste nel cospargere la membrana di una polvere fine, ed eccitarla con un arco (in tempi moderni con un altoparlante), la polvere si addensa proprio lungo le curve nodali, evidenziandole chiaramente. Aprire video chaldni 1 e 2

1.5 – MOTI DI VIBRAZIONE MEMBRANA RETTANGOLARE Consideriamo una membrana rettangolare sottile e perfettamente elastica fissata lungo tutto il bordo esterno: Questo sistema fisico è una generalizzazione bidimensionale del caso della corda. I suoi modi normali sono caratterizzati da due numeri interi x, y. - Il primo numero si riferisce all'oscillazione nella direzione x. - Il secondo numero si riferisce all'oscillazione nella direzione y.

1.6 – ONDA SONORA In fisica un'onda è una perturbazione che si propaga nello spazio e che può trasportare energia da un punto all'altro tramite la variazione di una grandezza fisica. L'onda sonora è un particolare tipo di onda in cui la perturbazione è la variazione di pressione indotta dal corpo vibrante nel mezzo circostante (di solito l'aria). Tale variazione di pressione è in grado di propagarsi nel mezzo come una successione di rarefazioni e condensazioni (cioè di variazioni di densità).

1.7 – PROPRIETA’ DEL MEZZO DI PROPAGAZIONE Possiamo, punto per punto nello spazio, e istante per istante nel tempo, misurare: la differenza di pressione dell'aria rispetto alla normale pressione atmosferica, questa differenza è detta PRESSIONE ACUSTICA. L'insieme di tutte le pressioni acustiche nello spazio formerà un "campo di pressione". È il caso di sottolineare fin dall'inizio che la pressione acustica rappresenta una piccola "increspatura" rispetto al valore standard di pressione atmosferica: anche nel caso di suoni estremamente intensi, il suo valore è di circa mille volte inferiore a quello della pressione atmosferica. la differenza di densità dell'aria rispetto alla densità dell'aria in quiete. lo spostamento delle molecole d'aria dalla loro posizione di equilibrio, e la loro velocità, avremo in tal caso "un campo di spostamenti" e "un campo di velocità".

1.8 – ORECCHIO Orecchio esterno: 1 pericondrio, 2 condotto uditivo, 3 padiglione auricolare Orecchio medio: 4 timpano, 5 finestra ovale, 6 martello, 7 incudine, 8 staffa Orecchio interno: 9 canali semicircolari, 10 coclea, 11 nervo acustico, 12 tromba di Eustachio

Con il termine orecchio non intendiamo solo la parte visibile (essa si chiama padiglione auricolare), bensì tutto un complesso di apparati che permette di trasformare una variazione della pressione dell'aria indotta nel mezzo da una sorgente vibrante (una persona che parla, uno strumento musicale, un petardo che esplode,..), in un impulso elettrico capace di generare, a livello cerebrale, la sensazione sonora. Tecnicamente si dice che l'orecchio è un TRASDUTTORE, cioè un dispositivo, un apparato in grado di trasportare energia da un punto all'altro dello spazio, eventualmente con trasformazioni dell'energia stessa nelle sue varie forme.

L’ORECCHIO ESTERNO è costituito dal padiglione auricolare e dal condotto uditivo esterno, un sottile tubo che termina in una membrana detta timpano. Le funzioni del padiglione auricolare sono di : - raccogliere una porzione significativa delle onde acustiche (proporzionale all'area del padiglione) e di convogliarle, tramite il condotto uditivo alla membrana timpanica; - determinare tramite un raffinato sistema basato sulla presenza di due, e non uno, padiglioni auricolari di localizzare la sorgente sonora; - di protezione della membrana timpanica da lesioni meccaniche ed il mantenimento di tale delicata membrana a condizioni di temperatura ed umidità costanti, in modo da preservarne le preziose caratteristiche elastiche.

Il condotto uditivo esterno ha un diametro di 7, 5 mm e una lunghezza di mm non sembra avere altra funzione che non sia quella di convogliare l'onda sonora verso la membrana timpanica, in realtà la lunghezza di tale condotto gioca un ruolo decisivo nel determinare la regione, in frequenza, di massima sensibilità uditiva, con un rapido calcolo è facile mostrare che se si tratta il condotto come un tubo con una estremità aperta esso entra in risonanza alla frequenza di circa 2700 Hz (anche se poi, per la concomitanza di altri processi, la regione di massima sensibilità uditiva si colloca attorno ai 3800 Hz).

L’ORECCHIO MEDIO è costituito dalla membrana timpanica, da una struttura formata da tre ossicini (martello, incudine, staffa), da una seconda membrana che costituisce la finestra ovale, porta di accesso all'orecchio interno. Il TIMPANO è una sottilissima membrana, tenuta in tensione dal muscolo timpanico, e capace di entrare in vibrazione, se investita dall'onda sonora convogliata dall'esterno tramite il condotto uditivo.raccogliere una porzione significativa delle onde acustiche (proporzionale all'area del padiglione) e di convogliarle, tramite il condotto uditivo alla membrana timpanica;

Grazie alle proprietà di elasticità di tale membrana e ad un meccanismo di amplificazione che descriveremo tra poco, la sensibilità del timpano (o meglio la capacità che l'intero apparato denominato orecchio, ha di convertire un'onda di pressione in un impulso nervoso capace di generare la sensazione) è straordinaria: - è sufficiente un livello di pressione pari 0, 2 miliardesimi della pressione atmosferica per attivare la sensazione sonora; - a questi livelli di pressione lo spostamento della membrana timpanica è dell'ordine di 10-9 cm (un decimo circa del raggio dell'atomo di idrogeno).

La catena degli OSSICINI ha lo scopo di trasferire la vibrazione della membrana timpanica alla finestra ovale determinando al tempo stesso quel processo di amplificazione della vibrazione timpanica cui si è sopra accennato. Il martello è, con un'estremità, a diretto contatto con il timpano, esso è poi incernierato all'altra estremità all'incudine, la quale, a sua volta, spinge la staffa contro la membrana della finestra ovale.

L’ORECCHIO INTERNO Le strutture fondamentali dell'orecchio interno sono: La COCLEA: un canale a forma di chiocciola scavato nell'osso temporale all'interno del quale corrono diverse gallerie riempite di liquido endolinfatico (perilinfo) e quindi in grado di trasferire la pressione esercitata dalla staffa sulla finestra ovale che separa l'orecchio medio dalla coclea;

La MEMBRANA BASILARE, una sottile membrana che divide due gallerie (denominate zona vestibolare e zona timpanica) all'interno della chiocciola e che va ispessendosi man mano che ci si allontana dalla finestra ovale; essa termina in un'apertura detta elicotrema che mette in comunicazione le due gallerie e per mettere al perilinfo di passare da una parte all'altra della membrana basilare. - La funzione di tale membrana è di entrare in oscillazione meccanica se sollecitata dall'onda di pressione del liquido cocleare, in modo non dissimile a quello di una corda pizzicata. - L'apertura dell'elicotrema fa sì che l'onda di pressione si propaghi sia sopra che sotto la membrana basilare. - La comprensione delle modalità di oscillazione di tale membrana in rapporto all'intensità, alla frequenza e alla composizione spettrale dell'onda sonora catturata dal padiglione auricolare, gioca un ruolo fondamentale nel meccanismo di trasduzione, che è il primo livello alla base della percezione dell'intensità, della percezione dell'altezza e del timbro dei suoni.

L'ORGANO DEL CORTI, è una struttura gelatinosa appoggiata alla membrana basilare e munita di ciglia direttamente connesse alle fibre nervose, le ciglia vengono flesse partecipando del moto oscillatorio della membrana basilare; tale movimento, si pensa, ad indurre le cellule dell'organo del Corti a generare impulsi elettrici da inviare alle terminazioni nervose che, tramite il nervo uditivo, vengono convogliate al cervello. Il meccanismo di trasduzione vero e proprio avviene quindi a livello dell'organo del Corti.