Abstract
Vi siete mai chiesti come, con solo due orecchie, siamo in grado di individuare i suoni provenienti da tutto intorno a noi? Oppure, quando stai giocando a un videogioco, perché sembra che un’esplosione provenga proprio da dietro di te, anche se eri nella sicurezza della tua casa? Le nostre menti determinano da dove proviene il suono usando più segnali. Due di questi segnali sono (1) quale orecchio il suono colpisce per primo e (2) quanto è forte il suono quando raggiunge ciascun orecchio. Ad esempio, se il suono colpisce prima l’orecchio destro, probabilmente ha avuto origine a destra del tuo corpo. Se colpisce entrambe le orecchie allo stesso tempo, probabilmente ha avuto origine direttamente davanti o dietro di te. I creatori di film e videogiochi usano questi segnali per ingannare le nostre menti, cioè per darci l’illusione che certi suoni provengano da direzioni specifiche. In questo articolo, esploreremo come il tuo cervello raccoglie informazioni dalle tue orecchie e utilizza tali informazioni per determinare da dove proviene un suono.
Gli elementi fisici del suono
La nostra capacità di sentire è fondamentale per fornire informazioni sul mondo che ci circonda. Il suono viene prodotto quando un oggetto vibra l’aria intorno ad esso, e questa vibrazione può essere rappresentata come un’onda che viaggia attraverso lo spazio. Ad esempio, se un ramo cade da un albero e colpisce il suolo, la pressione dell’aria attorno al ramo cambia quando colpisce la terra e, di conseguenza, la vibrazione dell’aria produce un suono proveniente dalla collisione. Una cosa che molte persone non si rendono conto è che le onde sonore hanno proprietà fisiche e sono quindi influenzate dall’ambiente in cui si verificano. Nel vuoto dello spazio, ad esempio, i suoni non possono verificarsi perché, in un vero vuoto, non c’è nulla da vibrare e causare un’onda sonora. Le due qualità fisiche più importanti del suono sono la frequenza e l’ampiezza. La frequenza è la velocità con cui un’onda sonora vibra e determina l’altezza di un rumore. I suoni a frequenza più alta hanno un tono più alto, come un flauto o un cinguettio degli uccelli, mentre i suoni a frequenza più bassa hanno un tono più basso, come una tuba o un grosso cane che abbaia. L’ampiezza di un’onda sonora può essere pensata come la forza delle vibrazioni mentre viaggiano attraverso l’aria e determina il volume percepito del suono. Come si può vedere in Figura 1, quando il picco dell’onda sonora è più piccolo, il suono sarà percepito come più silenzioso. Se il picco è più grande, il suono sembrerà più forte. Potrebbe anche aiutare a pensare alle onde sonore come le onde in un oceano. Se ti trovi in acqua ferma e fai cadere un ciottolo vicino alle gambe, causerà una piccola ondulazione (una piccola onda) che non ti influenza molto. Ma se ti trovi nell’oceano durante il tempo tempestoso, le grandi onde in arrivo potrebbero essere abbastanza forti da abbatterti! Proprio come la dimensione e la forza delle onde d’acqua, la dimensione e la forza delle onde sonore possono avere un grande effetto su ciò che si sente.
- Figura 1-Ampiezza e frequenza rappresentate come onde.
- (A) L’ampiezza è la forza delle vibrazioni mentre viaggiano attraverso l’aria; maggiore è l’ampiezza, più forte è il suono percepito dall’osservatore. (B) La frequenza è la velocità alla quale un’onda sonora vibra, che determina l’altezza percepita del rumore; maggiore è la frequenza, maggiore è l’altezza del suono.
Le onde sonore interagiscono in modo affascinante con l’ambiente che ci circonda. Hai mai notato come la sirena di un’ambulanza suoni diversa quando è in lontananza rispetto a quando l’ambulanza si avvicina e ti passa? Questo perché ci vuole tempo per il suono di viaggiare da un punto all’altro, e il movimento della sorgente sonora interagisce con la frequenza delle onde che raggiungono la persona che lo sente. Quando l’ambulanza è lontana, la frequenza della sirena è bassa, ma la frequenza aumenta man mano che l’ambulanza si avvicina, che è un fenomeno noto come effetto Doppler (vedi Figura 2).
- Figura 2-Come le frequenze delle onde sonore sono influenzate (e percepite) quando una sirena si avvicina o si allontana da un individuo.
- Quando l’ambulanza si avvicina a un individuo, la frequenza del suono aumenta e quindi viene percepita come avente un tono più alto. Come l’ambulanza spinge più lontano da un individuo, la frequenza diminuisce, causando il suono di essere percepito come avere un tono più basso.
Il suono non è influenzato solo dalla distanza, tuttavia, ma anche da altri oggetti. Ripensa a un tempo in cui qualcuno ti stava chiamando da un’altra stanza. Probabilmente hai notato che era più difficile sentirli da un’altra stanza rispetto a quando lui o lei era proprio accanto a te. La distanza tra voi non è l’unica ragione per cui una persona è più difficile da sentire quando lui o lei è in un’altra stanza. La persona è anche più difficile da sentire perché le onde sonore vengono assorbite dagli oggetti nell’ambiente; più lontano è la persona che ti chiama, più oggetti ci sono tra voi due, quindi meno delle onde sonore alla fine raggiungono le orecchie. Di conseguenza, i suoni possono sembrare silenziosi e ovattati, anche quando la persona urla ad alta voce.
Struttura dell’orecchio
Le nostre orecchie sono strutture anatomiche complesse che sono separate in tre parti principali, chiamate orecchio esterno, orecchio medio e orecchio interno. L’orecchio esterno è l’unica parte visibile dell’orecchio e viene utilizzato principalmente per incanalare il suono dall’ambiente nel condotto uditivo. Da lì, il suono viaggia nell’orecchio medio, dove vibra il timpano e tre piccole ossa, chiamate ossicini, che trasmettono energia sonora all’orecchio interno. L’energia continua a viaggiare verso l’orecchio interno, dove viene ricevuta dalla coclea. La coclea è una struttura all’interno dell’orecchio che ha la forma di un guscio di lumaca, e contiene l’Organo di Corti, dove sono presenti “cellule ciliate” sensoriali in grado di percepire l’energia sonora. Quando la coclea riceve il suono, amplifica il segnale rilevato da queste cellule ciliate e trasmette il segnale attraverso il nervo uditivo al cervello.
Suono e cervello
Mentre le orecchie sono responsabili della ricezione del suono dall’ambiente, è il cervello che percepisce e dà un senso a questi suoni. La corteccia uditiva del cervello si trova all’interno di una regione chiamata lobo temporale ed è specializzata per l’elaborazione e l’interpretazione dei suoni (vedi Figura 3). La corteccia uditiva consente agli esseri umani di elaborare e comprendere la parola, così come altri suoni nell’ambiente. Cosa succederebbe se i segnali dal nervo uditivo non raggiungessero mai la corteccia uditiva? Quando la corteccia uditiva di una persona è danneggiata a causa di una lesione cerebrale, la persona a volte diventa incapace di capire i rumori; ad esempio, potrebbe non comprendere il significato delle parole pronunciate, o potrebbe non essere in grado di distinguere due diversi strumenti musicali. Poiché molte altre aree del cervello sono attive anche durante la percezione del suono, gli individui con danni alla corteccia uditiva possono spesso ancora reagire al suono. In questi casi, anche se il cervello elabora il suono, non è in grado di dare significato a questi segnali.
- Figura 3-Diagramma di una sorgente sonora che viaggia attraverso il condotto uditivo e si trasforma in segnali neurali che raggiungono la corteccia uditiva.
- Il suono viene diretto nel condotto uditivo dall’orecchio esterno e successivamente viene trasformato in segnali neurali dalla coclea. Questo segnale viene quindi trasmesso alla corteccia uditiva, dove il significato è assegnato al suono.
Senti il suono da qui, o laggiu’?
Una funzione importante delle orecchie umane, così come le orecchie di altri animali, è la loro capacità di incanalare i suoni dall’ambiente nel condotto uditivo. Anche se l’orecchio esterno imbuti suono nell’orecchio, questo è più efficiente solo quando il suono proviene dal lato della testa (piuttosto che direttamente davanti o dietro di esso). Quando si sente un suono da una fonte sconosciuta, gli esseri umani in genere girare la testa per puntare il loro orecchio verso dove il suono potrebbe essere situato. Le persone spesso lo fanno senza nemmeno rendersene conto, come quando sei in una macchina e senti un’ambulanza, quindi muovi la testa per cercare di individuare da dove proviene la sirena. Alcuni animali, come i cani, sono più efficienti nel localizzare il suono rispetto agli umani. A volte gli animali (come alcuni cani e molti gatti) possono anche muovere fisicamente le orecchie nella direzione del suono!
Gli esseri umani usano due segnali importanti per aiutare a determinare da dove proviene un suono. Questi segnali sono: (1) quale orecchio il suono colpisce per primo (noto come differenze temporali interaurali) e (2) quanto è forte il suono quando raggiunge ciascun orecchio (noto come differenze di intensità interaurale). Se un cane dovesse abbaiare sul lato destro del tuo corpo, non avresti problemi a girare e guardare in quella direzione. Questo perché le onde sonore prodotte dall’abbaiare colpiscono l’orecchio destro prima di colpire l’orecchio sinistro, causando il suono più forte nell’orecchio destro. Perché il suono è più forte nell’orecchio destro quando il suono proviene da destra? Perché, come gli oggetti nella tua casa che bloccano o assorbono il suono di qualcuno che ti chiama, la tua testa è un oggetto solido che blocca le onde sonore che viaggiano verso di te. Quando il suono proviene dal lato destro, la testa bloccherà alcune delle onde sonore prima che colpiscano l’orecchio sinistro. Ciò si traduce nel suono percepito come più forte da destra, segnalando così che è da lì che proviene il suono.
È possibile esplorare questo attraverso una divertente attività. Chiudi gli occhi e chiedi a un genitore o ad un amico di tintinnare un set di chiavi da qualche parte intorno alla tua testa. Fallo più volte e, ogni volta, prova a indicare la posizione dei tasti, quindi apri gli occhi e vedi quanto eri preciso. Le probabilità sono, questo è facile per voi. Ora coprire un orecchio e riprovare. Con un solo orecchio disponibile, potresti scoprire che il compito è più difficile o che sei meno preciso nel puntare alla posizione giusta. Questo perché hai attutito una delle tue orecchie e quindi indebolito la tua capacità di usare segnali sui tempi o sull’intensità dei suoni che raggiungono ciascun orecchio.
Audio immersivo nei giochi e nei film
Quando gli ingegneri audio creano audio tridimensionale (audio 3D), devono prendere in considerazione tutti gli spunti che ci aiutano a localizzare il suono e devono utilizzare questi segnali per indurci a percepire il suono come proveniente da una particolare posizione. Anche se con l’audio 3D ci sono un numero limitato di sorgenti sonore fisiche che trasmettono tramite cuffie e altoparlanti (ad esempio, solo due con le cuffie), l’audio può sembrare che provenga da molte più posizioni. Gli ingegneri audio 3D possono realizzare questa impresa tenendo conto del modo in cui le onde sonore ti raggiungono, in base alla forma della testa e alla posizione delle orecchie. Ad esempio, se un ingegnere audio vuole creare un suono che sembra provenire da davanti a te e leggermente a destra, l’ingegnere progetterà attentamente il suono per iniziare a suonare nella cuffia destra e per essere leggermente più forte in questa cuffia rispetto alla sinistra.
I videogiochi e i film diventano più coinvolgenti e realistici se abbinati a questi trucchi dell’audio 3D. Quando si guarda un film, ad esempio, gruppi di altoparlanti all’interno del cinema possono focalizzare la direzione del suono per consentire una corrispondenza tra ciò che si sta vedendo e ciò che si sta ascoltando. Ad esempio, immagina di guardare un film e un’attrice sta avendo una conversazione telefonica sul lato destro dello schermo. Il suo discorso inizia a suonare principalmente attraverso gli altoparlanti giusti, ma mentre si muove sullo schermo da destra a sinistra, il suono la segue gradualmente e senza intoppi. Questo effetto è il risultato di numerosi altoparlanti che lavorano in stretta sincronia, per rendere possibile l’effetto audio 3D.
La realtà virtuale (VR) porta questa esperienza immersiva a un livello superiore cambiando la direzione del suono in base a dove stai cercando o sei posizionato nello spazio virtuale. In VR, per definizione, si sono praticamente collocati in una scena, e sia le esperienze visive e uditive dovrebbero rispecchiare la vostra esperienza del mondo reale. In una simulazione VR di successo, la direzione dei movimenti della testa e dove si sta cercando determinare dove si percepisce l’audio come proveniente da. Guardate direttamente una nave spaziale e il suono dei suoi motori provengono da dritto davanti a voi, ma girare a sinistra e ora il suono viene a voi da destra. Muoviti dietro un oggetto grande e ora le onde sonore virtuali colpiscono l’oggetto direttamente e ti colpiscono indirettamente, smorzando il suono e rendendolo più ovattato e silenzioso.
Conclusione
Ricercatori e professionisti del settore cinematografico e dei videogiochi hanno utilizzato suoni simulati per saperne di più sull’udito e per migliorare le nostre esperienze di intrattenimento. Alcuni scienziati si concentrano su come il cervello elabora i suoni, mentre altri analizzano le proprietà fisiche delle onde sonore stesse, come il modo in cui rimbalzano o vengono altrimenti interrotte. Alcuni indagano persino su come altri animali ascoltano e confrontano le loro abilità con le nostre. A loro volta, i professionisti dell’industria cinematografica e dei videogiochi hanno utilizzato questa ricerca per contribuire a rendere l’esperienza di spettatori e giocatori più coinvolgente. In ambienti virtuali, i progettisti possono fare le onde sonore virtuali si comportano come le onde sonore fanno nella vita reale. Quando si sta giocando un videogioco o guardando un film, è facile dare per scontato la ricerca e il tempo che è andato in creazione di questa esperienza. Forse il prossimo avanzamento nella tecnologia del suono immersivo inizierà con te e la tua curiosità sulle onde sonore e su come funziona il sistema uditivo!
Glossario
Ampiezza: La dimensione dell’onda sonora; l’attributo di un suono che influenza il volume percepito di quel suono.
Pitch: La qualità del suono che viene sperimentata in funzione della frequenza o della velocità delle vibrazioni; il grado percepito di altezza o bassa di un tono o suono.
Effetto Doppler: aumento o diminuzione della frequenza di un’onda sonora quando la fonte del rumore e l’osservatore si muovono verso o lontano l’uno dall’altro.
Coclea: Un tubo (per lo più) cavo nell’orecchio interno che di solito è arrotolato come un guscio di lumaca e che contiene gli organi sensoriali dell’udito.
Corteccia uditiva: L’area del cervello situata nel lobo temporale che elabora le informazioni ricevute attraverso l’udito.
Differenza di tempo interaurale: La differenza nel tempo di arrivo del suono ricevuto dalle due orecchie.
Differenza di intensità interaurale: la differenza nel volume e nella frequenza di un suono ricevuto dalle due orecchie.
Audio tridimensionale: Un gruppo di effetti sonori che vengono utilizzati per manipolare ciò che viene prodotto da altoparlanti stereo o cuffie, che coinvolge il posizionamento percepito di sorgenti sonore ovunque in uno spazio tridimensionale.
Dichiarazione sul conflitto di interessi
Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di relazioni commerciali o finanziarie che potrebbero essere interpretate come un potenziale conflitto di interessi.