Mauro Graziani - Dispense di Acustica per Musicisti

Acustica 05

Misurare l'onda: la dinamica

Ampiezza/Dinamica/Intensità/Volume

Ampiezza, dinamica, intensità e volume sembrano essere 4 termini per la stessa cosa. In realtà non sono equivalenti. Li possiamo sempre usare, ma facciamo un po' di chiarezza.
Nota: gli anglofoni hanno anche il termine loudness che corrisponde alla dinamica effettivamente percepita (si può tradurre con "volume percepito") e tiene conto di vari fattori, come il timbro e le curve di Fletcher, di cui parliamo più avanti in questa pagina.

La percezione della dinamica

Dunque, come la frequenza è legata all'altezza, l'ampiezza corrisponde alla dinamica, ma anche qui non si tratta di una corrispondenza precisissima.
Intanto facciamo una considerazione. Quando ascoltiamo a casa nostra un CD di una orchestra non teniamo certo un volume pari a quello dell'orchestra dal vivo, altrimenti, prima o poi, i vicini faranno una spedizione punitiva. Tuttavia, pur tenendo un volume anche molto basso, siamo in grado di capire quando l'orchestra suona ff.
Come mai? Evidentemente la nostra idea della dinamica non dipende solo dall'ampiezza fisica del suono, altrimenti anche una heavy metal band, sentita da una radiolina, suonerebbe sempre ppp. In effetti, dipende anche dal tipo di suono, cioè dal timbro: una nota ff, infatti, ha molti più armonici della stessa nota pp. Quindi

la sensazione dinamica dipende in parte dall'ampiezza, ma anche dal timbro

In secondo luogo, se ascoltiamo un crescendo che ci appare lineare e andiamo a misurare l'ampiezza numerica del suono, esce la stessa curva esponenziale che abbiamo visto nel caso dell'altezza (vedi figura seguente). Ciò significa che, come per le ottave, uno scatto dinamico da f a ff richiede un aumento maggiore di quello da pp a p.

Così come la scala in semitoni, la scala in decibel è nata proprio per ovviare a questa situazione e rendere lineare ciò che in natura non lo è. Come quella in semitoni, infatti, la scala in decibel è basata sui rapporti.
In realtà, però, capire i decibel non è così semplice per varie ragioni:

6 dB corrispondono a una pressione acustica doppia

Quindi il volume di un suono a 66 dB è fisicamente il doppio di uno a 60 dB.
Sentiamo qualche esempio. Qui abbiamo un suono che diminuisce di 6 dB (quindi del doppio) a ogni ripetizione, mentre qui diminuisce più gradualmente, di 3 dB.
Per avere un'idea del valore dei dB, considerate che il nostro sistema uditivo percepisce suoni che vanno da poco più di zero (in ambiente MOLTO silenzioso) a circa 120 dB. Quest'ultima è la cosiddetta soglia del dolore perché un suono a questo livello è effettivamente dannoso. Va detto, però, che il sistema uditivo è in grado di difendersi dai suoni molto forti. Un piccolo muscolo, infatti, irrigidisce il timpano per difenderlo dalle vibrazioni troppo ampie, mentre un altro è in grado di mettere leggermente fuori asse la catena degli ossicini impedendo che le vibrazioni troppo forti si trasmettano totalmente alla chiocciola. Di conseguenza, quando ci troviamo in un ambiente ad alto livello sonoro, sentiamo decisamente meno.
Questo sistema, comunque, ha un tempo di reazione di 1/10 di secondo e quindi non può fare niente contro i picchi improvvisi contro i quali siamo totalmente indifesi. Questi ultimi sono particolarmente dannosi e possono ledere il timpano, per cui ATTENZIONE ALL'ASCOLTO IN CUFFIA che di per sè non è affatto dannoso, ma può esporre i timpani a improvvisi e dolorosi sbalzi se non si fa attenzione. Quando vi mettete la cuffia, a qualsiasi strumento o impianto sia collegata, ABBASSATE PRIMA IL VOLUME E POI ALZATELO GRADUALMENTE FINO AL LIVELLO APPROPRIATO.
Torniamo ai dB. La tabella seguente vi dà un'idea del livello sonoro di diversi suoni (le misure sono medie: per es. non tutte le auto fanno lo stesso rumore).

Suono
dB
Soglia dell'udito
0
Stormire di foglie
20
Sussurro
30
Stanza silenziosa
40
Strada silenziosa
50
Conversazione normale
60
Interno auto
70
Cantare
75
Automobile a 6 m
80
Motocicletta a 6 m
88
Tritatutto
90
Metropolitana
94
Camion
100
Falciatrice a motore
107
Martello pneumatico
115
Sega a nastro
117
Rock Band (heavy)
120
Jet a 250 m
130

Le curve isofoniche

Un altra cosa che complica la percezione della dinamica è il fatto che il nostro sistema percettivo non funziona nello stesso modo su tutte le frequenze. Sente molto meglio nell'area che va da circa 600 a circa 5000 Hz, che è l'area del linguaggio parlato, ma soprattutto sente molto meno sulle frequenze basse. Questo accade perché il condotto uditivo ha una lunghezza tale da provocare un'area di risonanza a circa 3000 Hz. Di conseguenza il livello sonoro percepito non corrisponde all'ampiezza fisica.
La figura seguente mostra le cosiddette curve isofoniche (elaborate da Fletcher e Munson e note anche con il nome dei due ricercatori) che mappano la sensazione di livello sonoro effettivamente percepito rispetto ai dB per le varie frequenze.

Si leggono nel modo seguente: supponiamo di volere un suono a 1000 Hz con livello sonoro percepito di 60 dB. Per sapere quale ampiezza fisica dovremo dare a questo suono perché venga effettivamente percepito a 60 dB
  1. cerchiamo sull'asse orizzontale (in basso) i 1000 Hz (indicati con 1k; k = kilo = 1000)
  2. andiamo verso l'alto fino a incontrare la linea etichettata con 60
  3. da qui andiamo verso sinistra fino a incontrare l'asse verticale e leggiamo l'ampiezza in dB.
Eseguendo questo procedimento risulta che, per generare un suono a 1000 Hz con livello sonoro percepito di 60 dB, il suddetto suono dovrà avere una ampiezza fisica di 60 dB.
Tutta questa fatica per avere un valore uguale? Sì, perché le curve isofoniche sono tarate proprio sui 1000 Hz.
Ma adesso facciamo la stessa cosa per una frequenza a 100 Hz. Risulta che, per generare un suono a 100 Hz con livello sonoro percepito di 60 dB, il suddetto suono dovrà avere una ampiezza fisica di circa 70 dB. Attenzione, considerando che una differenza di 6 dB equivale al doppio, questo vuol dire più del doppio, quasi 3 volte tanto.
La differenza, in effetti, è drammatica e aumenta andando ancora più in basso. Se scendiamo a 50 Hz, per percepire i nostri fatidici 60 dB, dovremo andare a circa 85 dB che significa circa 4 volte il doppio, cioè 16 volte. Ciò significa che, per sentire avere la sensazione di 1000 Hz e 50 Hz a pari volume (60 dB), la seconda dovrà avere una ampiezza pari a 16 volte la prima.
Ecco una tabella che mostra la differenza dell'ampiezza percepita per suoni a varie frequenze, rispetto a uno di 1000 Hz. Essa mostra, per esempio, che un suono di 100 Hz che ha la stessa ampiezza fisica di uno di 1000 Hz verrà in realtà percepito come se avesse una ampiezza inferiore di ben 19.1 dB e così via.

10Hz 12,5Hz 16Hz 20Hz 25Hz 31,5Hz 40Hz 50Hz
-70,4dB -63,4dB -56,7dB -50,5dB -44,7dB -39,4dB -34,6dB -30,2dB
 
63Hz 80Hz 100Hz 125Hz 160Hz 200Hz 250Hz 315Hz
-26,2dB -22,5dB -19,1dB -16,1dB -13,4dB -10,9dB -8,6dB -6,6dB
 
400Hz 500Hz 630Hz 800Hz 1kHz 1,25kHz 1,6kHz 2kHz
-4,8dB -3,2dB -1,9dB -0,8dB 0dB +0,6dB +1,0dB +1,2dB
 
2,5kHz 3,15kHz 4kHz 5kHz 6,3kHz 8kHz 10kHz 12,5kHz
+1,3dB +1,2dB +1,0dB +0,5dB -0,1dB -1,1dB -2,5dB -4,3dB
 
16kHz 20kHz
-6,6dB -9,3dB

Facendo musica si nota che i suoni bassi si sentono un po' meno, ma non sembra che la differenza sia così grande. Questo dipende dal fatto che gli strumenti sono pieni di meccanismi di compensazione, sia nella regolazione della sensibilità dei tasti del piano, che nella grandezza delle casse acustiche.
Adesso ascoltate questo esempio in cui una frequenza glissa con continuità su quasi tutto il campo udibile, da 20 a 16000 Hz in 1 minuto con ampiezza fisica sempre fissa. Sentirete benissimo che la percezione dinamica non è sempre uguale, ma segue le curve in figura. Nei bassi il suono si sente appena, mentre nella zona centrale dovrete abbassare il volume. Fatelo. Regolate il volume a livello confortevole nella zona in cui sentite di più e poi riascoltatelo e noterete che nella zona più bassa non sentirete quasi niente.
A partire dalle curve isofoniche è stata messa a punto un'altra unità di misura che tiene conto della frequenza e delle curve isofoniche ed è stata chiamata Phon. Una frequenza di 100 Hz a 60 phon equivale alla stessa a 85 dB.