La Scienza delle Frequenze Sonore Spiegata
Cos'è la Frequenza Sonora?
Nel mio lavoro di sviluppo di strumenti audio per WhiteNoise.top, ho a che fare con le frequenze sonore ogni giorno, e sono arrivato ad apprezzare quanto elegante sia la fisica sottostante. La frequenza sonora è il numero di cicli completi di oscillazione della pressione che si verificano al secondo, misurati in hertz (Hz). Un diapason che vibra a 440 Hz produce 440 cicli completi di compressione e rarefazione ogni secondo, creando la nota musicale La sopra il Do centrale.
Il suono stesso è un'onda meccanica che richiede un mezzo, come aria, acqua o un solido, per propagarsi. La gamma di frequenze che gli umani possono sentire va approssimativamente da 20 Hz all'estremo basso a 20.000 Hz all'estremo alto, sebbene questa gamma vari significativamente tra gli individui e si restringa con l'età.
Lunghezza d'Onda e la Sua Relazione con la Frequenza
Frequenza e lunghezza d'onda sono inversamente correlate attraverso la velocità del suono. La formula è diretta: lunghezza d'onda uguale velocità del suono divisa per la frequenza. A 343 metri al secondo nell'aria, un suono a 20 Hz ha una lunghezza d'onda di circa 17,15 metri, mentre un suono a 20.000 Hz ha una lunghezza d'onda di soli 1,7 centimetri.
I suoni a bassa frequenza, con le loro lunghezze d'onda lunghe, si diffrangono facilmente attorno agli ostacoli e sono difficili da assorbire o contenere. Questo è il motivo per cui i bassi dal subwoofer del vicino viaggiano attraverso le pareti così efficacemente.
Ampiezza, Intensità e la Percezione del Volume
Mentre la frequenza determina l'altezza, l'ampiezza determina quanto forte è un suono. L'udito umano opera su una gamma di intensità straordinariamente ampia. Per gestire questa gamma enorme, gli acustici usano la scala dei decibel, che comprime il rapporto di intensità in una gamma logaritmica più gestibile da 0 a circa 130 dB SPL.
La percezione del volume non è uniforme attraverso le frequenze. Le orecchie umane sono più sensibili nella gamma da 2.000 a 5.000 Hz, che corrisponde alla frequenza di risonanza del canale uditivo. Questa sensibilità dipendente dalla frequenza è catturata dalle curve di uguale intensità sonora.
Armoniche, Armonici Superiori e Timbro
I toni puri, che consistono in una singola frequenza, sono rari in natura. La maggior parte dei suoni del mondo reale sono forme d'onda complesse composte da una frequenza fondamentale più una serie di armoniche. Le ampiezze relative di queste armoniche danno a ogni strumento il suo timbro caratteristico.
I segnali di rumore, per loro natura, mancano di struttura armonica. Il rumore bianco ha energia a tutte le frequenze con relazioni di fase casuali, quindi non c'è periodicità e nessuna altezza fondamentale. Questo è precisamente ciò che rende il rumore utile per il mascheramento.
Come l'Orecchio Umano Elabora le Frequenze
Il sistema uditivo umano esegue una notevole analisi delle frequenze in tempo reale usando la coclea. All'interno della coclea, la membrana basilare vibra in risposta al suono in arrivo. Diverse posizioni lungo la membrana rispondono a diverse frequenze: la base della coclea risponde alle alte frequenze, mentre l'apice risponde alle basse frequenze.
Questa organizzazione tonotopica significa che la coclea esegue essenzialmente un'analisi spettrale continua del suono in arrivo. La risoluzione in frequenza variabile è il motivo per cui l'orecchio percepisce l'altezza logaritmicamente.
La Frequenza nel Contesto dell'Ingegneria Audio
La gamma udibile standard da 20 Hz a 20 kHz è divisa in sottobande convenzionali: sub-bassi (20-60 Hz), bassi (60-250 Hz), medio-bassi (250-500 Hz), medi (500 Hz-2 kHz), medio-alti (2-4 kHz), presenza (4-6 kHz) e brillantezza (6-20 kHz).
Il teorema del campionamento di Nyquist-Shannon governa come le frequenze sono catturate nell'audio digitale. Per rappresentare accuratamente un segnale, la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza più alta presente. L'audio standard a qualità CD usa una frequenza di campionamento di 44.100 Hz.
Riferimenti
Domande Frequenti
Qual e' la gamma dell'udito umano in hertz?
La gamma comunemente citata e' da 20 Hz a 20.000 Hz, ma varia tra gli individui. La maggior parte degli adulti perde sensibilita' alle frequenze sopra i 15.000 Hz con l'eta', e la gamma continua a restringersi nel tempo.
Perche' i suoni a bassa frequenza viaggiano attraverso le pareti piu' facilmente?
I suoni a bassa frequenza hanno lunghezze d'onda lunghe paragonabili o maggiori dello spessore tipico delle pareti. Le lunghezze d'onda lunghe si diffrangono attorno agli ostacoli e non sono assorbite efficientemente da barriere sottili.
Qual e' la differenza tra frequenza e altezza?
La frequenza e' una proprieta' fisica di un'onda sonora misurata in hertz. L'altezza e' la percezione soggettiva della frequenza da parte del sistema uditivo umano. Sono strettamente correlate ma non identiche.
Perche' l'orecchio percepisce l'altezza logaritmicamente?
La membrana basilare della coclea mappa le frequenze logaritmicamente lungo la sua lunghezza, quindi distanze fisiche uguali corrispondono a intervalli di ottava uguali. Questa mappatura logaritmica significa che gli intervalli di altezza percepiti corrispondono a rapporti di frequenza, non a differenze di frequenza assolute.
Quale frequenza di campionamento e' necessaria per catturare l'intera gamma udibile?
Secondo il teorema di Nyquist-Shannon, la frequenza di campionamento deve essere almeno il doppio della frequenza piu' alta di interesse. Una frequenza di campionamento di 44.100 Hz cattura frequenze fino a 22.050 Hz, coprendo comodamente l'intera gamma udibile.