Un suono è caratterizzato da alcuni parametri quali frequenza, intensità, ampiezza. Il suono è un’onda longitudinale fatta da una successione di compressione e rarefazione (si parla anche di onde di pressione). La gamma uditiva umana (in frequenza) è compresa tra 20 e 20.000 Hz (basse frequenze suoni gravi) . Ci sono notevoli variazioni nel campo dell’udito tra gli individui. La maggior parte dei giovani può sentire fino a 18.000 Hz. La nostra capacità di ascoltare le alte frequenze diminuisce con l’età. All’età di 55 anni alcuni uomini non sentono più frequenze sonore sopra i  s 5.000 Hz e alcune donne non possono sentire più di 12.000 Hz:  le donne hanno in generale una migliore sensibilità alle alte frequenze.

Risultati immagini per sound human ear

La voce di voce di un uomo ha una frequenza fondamentale tra 85 e 180 Hz, e una donna tra 165 e 255 Hz. La sensibilità dell’orecchio varia in modo significativo con la frequenza. L’orecchio umano è più sensibile alle frequenze nell’intervallo di 2.000-5.000 Hz., con un picco di  sensibilità tra 3.500-4.000 Hz. Questa frequenza è associata alla risonanza del canale dell’orecchio. 

In generale sentiamo meglio le basse frequenze meno che frequenze elevate. I suoni a bassa frequenza vengono ascoltati principalmente attraverso la conduzione dell’osso.
L’intensità sonora è molto diversa per diverse frequenze. Suoni elevati apparirabbo più rumorosi dei suoni bassi della stessa intensità. 

Ed è da qui che è nata l’idea dell’esperimento che vedremo: a parità di volume ho notato che percepiamo come più fastidiosi ed anche di “volume” maggiore i suoni ad alta frequenza. La relazione tra volume e frequenza è reale o è una nostra percezione? è legata alla biologia del nostro orecchio o alla natura intrinseca del suono?

Come funziona il nostro udito

Sentiamo attraverso la conduzione dell’aria e la conduzione dell’osso. Nella conduzione dell’aria il suono passa attraverso il canale dell’orecchio al timpano. Il suono fa vibrare il timpano e queste vibrazioni vengono trasferite alla coclea, attraverso le tre minuscole ossa dell’orecchio chiamati martello, incudine e staffa. La coclea è l’organo sensoriale dell’orecchio interno.. All’interno della coclea ci sono migliaia di cellule tipo capelli minuscoli (cilia). Le ciglia convertono le vibrazioni in segnali elettrici che vengono inviati al cervello attraverso il nervo uditivo.

La conduzione dell’osso uditivo è indotta dalle vibrazioni trasportate attraverso l’osso. Questo è il processo attraverso il quale sentiamo le vibrazioni delle corde vocali che inducono vibrazioni nelle ossa del cranio che stimolano la coclea.

Perché reagiamo a certi suoni?
Gli scienziati hanno usato immagini cerebrali per vedere cosa succede nel cervello quando siamo esposti a suoni spiacevoli. L’imaging ha dimostrato che quando sentiamo i suoni che non ci piace, l‘amigdala diventa molto più attiva. L’amigdala è un’area del cervello che elabora memorie e crea emozioni.
Gli scienziati ritengono che l’amigdala elabora le informazioni sonore  in modo da provocare una reazione negativa a certi suoni.

Perceived_Human_Hearing

Percezione sono a diverse frequenze.

 

Come reagisce un sensore sonoro a suoni di diversa frequenza?

Un suono a diversa frequenza sembra avere alle nostre orecchie una intensità sonora diversa.

La fisica ci dice che l’intensità dell’onda è legata alla frequenza e frequenze maggiori trasportano energia maggiore.

I nostri pc hanno all’interno dei sensori sonori che percepiscono l’intensità sonora (tradotta in segnale elettrico); determinare lka curva di risposta frequenza intensità, può essere un esercizio utile non solo ai fini statistici, ma anche perchè consente di indagare la curva di risposta di un sensore, alla stessa stregua di come si farebbe per l’orecchio umano.

 

Cosa ci serve?

Arduino (qui usato nella sua versione Me Orion, facilmente programmabile anche da studenti della primaria e secondaria di i grado con il sw mBlock)

Un rilevatore sonoro

Pysiscs toolbox sensor suite (App)

Uno smartphone

cof

Per generare segnali sonori  a diversa frequenza (da 0 a 20000Hz)  ho utilizzato l’applicazione Physics toolbox sensor suite .

suono4

Ho posizionato lo smartphone vicino al sensore sonoro collegato ad Arduino, stando attento a riprodurre il suono con lo stesso volume e posizionando lo smartphone sempre nello stesso punto (l’intensità sonora dipende dalla distanza tra sorgente e rilevatore).

Una delle cose da tener presente è il valore massimo di intensità percepito dal rilevatore. Il rischio è di avere un volume troppo alto e di mandare in sovrasaturazione il sensore .: l’uscita analogica va da 0 a 1023.

cof

cof

 

Ecco la relazione tra intensità sonora e frequenza del mio rilevatore:

loud

Il livello sonoro di fondo era 139.

L’applicazione Physics toolbox ha una sezione riservata alla misura in Decibel del segnale sonoro (utilizza il sensore dello smartphone), è possibile ripetere l’esperienza senza Arduino, utilizzando due smartphone: cosa cambia? qual è la curva di risposta?

Un possibile percorso didattico.

La curva di risposta ad un segnale di un sensore è interessante prima di tutto in ambito elettronico: calibrare un sensore e conoscere come si comporta è fondamentale per una indagine oggettiva .

Il percorso qui presentato può essere usato come UdA sul suono dove entra la Biologia, la Fisica, l’informatica, l’educazione civica (quanti suoni molesti in una città?)

E’ da notare che la percezione del suono del nostro orecchio è diversa da quella del sensore di suoni analizzato. Al mio orecchio frequenze di 10000 Hz erano molto più intense di un suono a 6000Hz.

 

Approfondimenti

http://fcis.aisdhaka.org/personal/chendricks/IB/New%20IB%20Physics%20textbook/3.%20chapters/Physics%20Ch%2020_noPW.pdf

http://pcfarina.eng.unipr.it/Public/Acoustics-Course/Penn-State-Course/3_human.pdf

physics.stackexchange.com/questions/240232/sound-intensity-and-frequency-relation

http://ijet.itd.cnr.it/article/view/819

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