Noise (Rumori) ed effetti Psico-Neuro-Acustici

 

Voce, musica e rumore sono manifestazioni sonore note a tutti e sono strettamente legati tra loro. Il rumore è qualcosa che sembra comune sia al parlato che alla musica, i suoni della voce sono infatti dei rumori modulati. Il rumore inoltre accompagna le prestazioni di qualsiasi strumento musicale in modo incidentale o voluto, sgradevole o gradevole.

Il rumore contiene energia distribuita su un’ampia gamma di frequenze, di fasi e di ampiezze variabili in continuazione e può essere trasformato anche nel parlato.

Quando si parla di “segnale” di solito si intende la trasmissione di un’informazione e spesso ci si domanda se il rumore possa essere considerato veicolo di informazione. Una raffica di fischi di disapprovazione trasmette molte informazioni su ciò che l’emittente vuole trasmettere al destinatario. Il rumore costituisce la parte fondamentale di questo tipo di comunicazione, a condizione che sia opportunamente modulato (HRM). Anche l’interruzione del rumore per formare pause più o meno lunghe è un modo per conferire al rumore stesso una valenza comunicativa.

In molti casi il rumore è indesiderato e sgradevole e talvolta è difficile dire se ciò che chiamiamo rumore sia semplicemente un inconveniente o un veicolo di informazione. Il rumore di un’automobile, per esempio, ci fornisce importanti informazioni sulla salute del motore o ci avvisa del transito dell’auto. Quello che per una persona è soltanto rumore sgradevole, per un’altra può essere invece comunicazione. Un impianto hi-fi può produrre suoni meravigliosi considerati molto piacevoli dal proprietario, ma il vicino di casa potrebbe essere soltanto infastidito da quello che considera un “baccano infernale”. Non è sempre facile distinguere fra informazione e rumore vero e proprio: lo stesso suono può trasmettere entrambi.

Esiste un rumore “buono”? La definizione di rumore come suono involontario poteva valere in passato, ma oggi il rumore sta diventando uno strumento sempre più importante in vari ambiti, sia di misurazione che di ascolto e terapia. Questo rumore “buono” non è necessariamente diverso da quello “cattivo” che crea interferenze quando ascoltiamo una registrazione: ha solamente una sua funzione specifica.

Secondo alcune evidenze scientifiche e studi semiologici il rumore stimolerebbe la produzione di adrenalina e di endorfine visto che essi sono spesso associati a fenomeni naturali di pre-allarme e allerta atti a prevenire o affrontare dei pericoli. Questi neurotrasmettitori agiscono come dei farmaci anestetici e antidolorifici naturali e non nocivi per l’organismo.

La parola “rumore” nel linguaggio comune indica qualcosa di indistinto e di caotico. Tuttavia, in ambito scientifico, i diversi tipi di rumore possono essere quantitativamente e qualitivamente caratterizzati studiandone il contenuto spettrale. La classificazione del rumore è di fondamentale importanza nello studio di tutti quei segnali che contengono delle componenti casuali (random) e trova massiccio impiego nella tecnologia del suono.

Si distinguono due generi di “rumori”, il rumore impulsivo ed il rumore stazionario.

Il rumore impulsivo è generato da variazioni di pressione molto rapide in un arco di tempo nell’ordine dei millisecondi ed è privo di regolarità. Questo rumore è costantemente presente nelle produzioni musicali basti pensare al rumore del plettro nel suono di chitarra oppure al rumore del martelletto nel suono di pianoforte.

Il rumore impulsivo in pratica è sempre prodotto della percussione di un corpo rigido.

Il rumore stazionario, a differenza di quello impulsivo, si estende in un arco di tempo molto più elevato pur essendo privo di regolarità. Alcuni rumori tipici stazionari sono i rumori generati dal vento, dagli scrosci e dalle risacche d’acqua oppure dagli apparecchi radio e televisivi in assenza di segnale portante: il cosiddetto “effetto neve”. Questo genere di segnali audio sono generalmente descritti con parametri statistici dell’andamento della pressione.

I cosiddetti noise (rumori) possono essere trovati dappertutto in Natura. Nel mondo della tecnologia e della e scienza spesso è un fenomeno non desiderato. 

Ci sono vari generi di rumori. Il noise può essere comune o “ammorbidito”, qualche volta è descritto con un colore (es. rumore rosa, rumore bianco, ecc.). La caratteristica più importante del noise è l’imprevedibilità. Il vero rumore naturale non può essere previsto completamente ma può essere simulato con varie formule matematiche e statistiche. 

Molti fenomeni sonori classificati come “rumore” sono dovuti più a “confusione” percettiva del nostro apparato uditivo che alla composizione spettrale del fenomeno sonoro stesso.

La differenza tra suono e rumore sta fondamentalmente nella presenza o meno di periodicità, infatti si usa spesso la terminologia di “suono periodico” e “suono aperiodico”.

 

 

 

 

 

Esistono vari tipi di rumore associati ad un colore caratterizzati dal fatto di avere alcune componenti dello spettro prevalenti sulle altre.

Il rumore bianco è un particolare tipo di rumore caratterizzato dall’assenza di periodicità nel tempo e da ampiezza costante su tutto lo spettro di frequenze.

È chiamato bianco per analogia con il fatto che una radiazione elettromagnetica di simile spettro all’interno delle banda della luce visibile apparirebbe all’occhio umano come luce bianca.

In analogia alla luce bianca che è formata dalla sovrapposizione di onde elettromagnetiche di tutte le frequenze visibili, se un rumore è costituito da uno spettrogramma sostanzialmente “piatto” con onde di tutte le frequenze e di intensità simili ad ogni frequenza, esso si dice rumore bianco.

Nella pratica però il rumore bianco puro non esiste, perché nessun sistema è in grado di generare uno spettro uniforme per tutte le frequenze da zero a infinito, e il rumore bianco è generalmente riferito ad un intervallo di frequenze. Si presenta così uno spettro con caratteristiche simili al rumore bianco ma con ampiezza maggiore alle basse frequenze e minore fino ad azzerarsi alle frequenze maggiori.

Il rumore bianco è ricco di alte frequenze e solitamente, se puro e non appositamente trattato, suona un po’ “stridulo” perché ha un eccesso di brillantezza che può infastidire.

Il rumore bianco presenta una frequenza spettrale di 1, pertanto presenta proporzioni uguali di tutte le frequenze.

Questo genere di rumore ha uguale energia (loudness o volume) sulle varie frequenze (spettrogramma piatto), ovvero, se si misura l’ampiezza del suono nella banda di frequenze da 100 a 200 Hz (Hz “Hertz” o “cicli per secondo”) si ha la stessa ampiezza del suono che nella banda da 3000 a 3100 Hz o anche da 19.000 a 19.100 Hz. 

Poiché nelle gamme di frequenza più alte riconosciute dall’udito umano esistono frequenze più individuali, i suoni con rumore bianco risultano molto sibilanti.

Il rumore bianco, simile a un continuo fruscio o soffio, è considerato distensivo. Alcuni generatori di rumore bianco acustico sono impiegati per coprire il rumore di fondo in ambienti interni o per favorire il rilassamento.

Il rumore bianco è generoso in “brillantezza” e per questo, essendo l’orecchio umano più suscettibile alle alte frequenze, può non risultare molto rilassante se non oppurtunamente trattato e modulato. E’ efficace per mascherare altri suoni e in particolari circostanze è indicato per provocare allucinazioni uditive. Alcuni generatori di rumore bianco acustico sono impiegati per coprire il rumore di fondo in ambienti interni o per favorire il rilassamento.

Analisi in frequenza del white noise

Analisi spettrale FFT del white noise

Questo rumore ha una prevalenza dell’ampiezza (e quindi dell’intensità) delle armoniche a bassa frequenza ed ha una frequenza spettrale di 1/f con una caduta di 3dB per ottava e quindi uguale energia per ottava che determina il rumore generato dall’effetto sonoro più naturale.

Esso può essere ottenuto dal rumore bianco con un’apposita azione di filtro delle alte frequenze. Di solito il rumore rosa è prodotto con un filtraggio passa-basso del rumore bianco.

Il rumore rosa avrà la stessa ampiezza nella banda da 110 a 220 Hz come da 220 a 440 Hz o da 7.040 a 14.080 Hz. L’intensità decresce nel passaggio da un ottava all’altra come l’inverso della frequenza. Ciò significa che essa si dimezza nel passaggio da un’ottava all’altra (in scala logaritmica ciò equivale ad una attenuazione di 3 dB) e l’andamento in intensità all’interno di un’ottava è riprodotto per ogni ottava (come una sorta di frattale autosimile). Se si ingrandisce o si restringe l’onda con un oscilloscopio la forma d’onda ha sempre la stessa “trama”. 

Il pink noise non è ne’ casuale ne’ prevedibile ed ha una struttura frattale.

Attraverso l’equalizzazione del rumore rosa si può simulare il rumore scrosciante di pioggia, cascate, vento, fiumi e altri suoni naturali. Nello spettro audio, il rumore rosa si colloca esattamente tra il rumore marrone e il rumore bianco.

Il rumore rosa suona più naturale degli altri rumori ed è molto rilassante. Lo troviamo spesso in Natura e suona come la pioggia, le cascate d’acqua, l’acqua che scorre nel vimini o dell’oceano praticando il surf e altri suoni naturali.

In acustica questo tipo di rumore è strutturato in modo tale da compensare la sensibilità dell’orecchio umano alle varie frequenze, e viene utilizzato per l’equalizzazione del suono in ambito professionale.

Il rumore rosa trova applicazione anche negli ambienti di registrazione per “rinvigorire” il suono a basse frequenze; a tali frequenze infatti il nostro orecchio soffre di calo di prestazioni. Spesso si usa per “ambienti” musicali elettronici e come segnale test per “accordare” il rinvigorimento dei sistemi sonori (molti egualizzatori e analizzatori di spettro audio hanno generatori di rumore rosa).

 

Analisi in frequenza del pink noise

Analisi spettrale FFT del pink noise

Il Brown noise è anche chiamato erroneamente rumore marrone. L’errore sta nel fatto che l’utilizzo nel nome del termine Brown non è derivato dal colore marrone ma dal botanico Robert Brown, scopritore dei moti Browniani. Nella analogia con lo spettro luminoso viene anche chiamato Red noise (rumore rosso) perché il suo spettro ricorda la composizione della luce rossa.

In questo genere di rumore vi è un’accentuazione ancora maggiore, rispetto al rumore rosa, della presenza di basse frequenze. L’intensità decresce, da un’ottava all’altra, come l’inverso del quadrato della frequenza (cioè con una attenuazione, in scala logatirmica, di 6 dB).

Il rumore marrone presenta una frequenza spettrale di 1/f^2 che accentua i componenti a bassa frequenza, in modo da generare suoni scroscianti simili a quelli di un tuono o di una cascata.

Questo è un genere di rumore che sta a metà tra il rumore bianco e quello rosa ed ha una distribuzione dell’ampiezza 1/(f^2) con una caduta di 6dB per ottava. Il rumore marrone contiene una grande quantità di basse frequenze ed è il suono tipico del tuono e del cammino casuale che obbliga l’ampiezza della forma d’onda ad aumentare e diminuire casualmente. 

Il rumore marrone segue un’apposita curva di movimento, in cui ciascun campione di una forma d’onda contiene un insieme di componenti a frequenza sia predefinita che casuale.

Analisi in frequenza del brown noise

Analisi spettrale FFT del brown noise

 

Un’ulteriore accentuazione (senza regole matematiche precise come per il rumore rosa e marrone) della presenza di basse frequenze determina il rumore rosso. Esso suona come un rimbombo molto basso (un treno che passa nel metrò, un sistema di aria condizionata chiassoso o il rumore di un motore che fa vibrare, per risonanza, le pareti di una stanza) e si colloca alla soglia in inferiore delle frequenze udibili. E’ molto utilizzato nell musica elettronica e nella musica da “film”. Un genere di rumore molto “basso” ottenuto con un pesante filtraggio passa-basso.

La definizione di rumore rosso non è precisa come quella del rumore bianco e rosa. Il termine e’ usato soprattutto per rumori a basso-pitch nella musica elettronica. 

 

 

 

 

Questo rumore è praticamente l’inverso o il complementare del pink noise con un incremento di frequenza di 3dB per ottava e prevalenza delle alte frequenze. L’intensità è proporzionale alla frequenza (f). Viene generato di solito con un filtraggio passa-alto del rumore bianco. Suona come una sorta di sibilo molto stridulo e artificiale. Come per il rumore rosso, anche in questo caso non è una definizione precisa e si riferisce a rumori con molti toni alti.

E’ l’inverso o complementare del brown noise. Ha una frequenza di pre-enfasi di 6dB per ottava e una intensità caratteristica di f^2. L’effetto sibilante è ancora più fastidioso che nel rumore blu.

Il rumore grigio è un particolare tipo di rumore caratterizzato dall’assenza di periodicità nel tempo, è quindi un rumore casuale sottoposto ad una curva di filtraggio dell’ampiezza pari alla sensibilità psicoacustica (curve isofoniche) per tutto lo spettro di frequenze, dando all’ascoltatore la percezione di pari livello sonoro per tutte le frequenze.

Questa particolare curva di rumore contiene tutte le frequenze con uguale intensità acustica, differenziandosi dal rumore bianco che invece contiene tutte le frequenze con uguale energia. La differenza tra le due curve è il risultato degli studi di psicoacustica, che distingue il Phon dalla pressione acustica e li mette in relazione tramite il diagramma di uguale intensità sonora, in quanto l’udito umano è più sensibile ad alcune frequenze (medie) rispetto ad altre.

Un altro rumore che tiene conto della psicoacustica, ma dal comportamento molto semplice, è il rumore rosa, il quale s’interpone tra il rumore bianco e il rumore grigio.

Analisi in frequenza del gray noise

 

Il rumore gaussiano si definisce come un rumore con una distribuzione del livello sonoro di tipo gaussiano. Prende il nome da Carl Friedrich Gauss ed è un rumore statistico avente una funzione di densità di probabilità (PDF) uguale a quella della classica funzione nota anche come distribuzione gaussiana.

In altre parole, i valori di ampiezza sonora che il rumore può assumere sono distribuiti in gaussiano.

Il fatto che un processo sia gaussiano o meno dipende appunto dal tipo di distribuzione con cui si presentano le sue ampiezze.

Spesso si usa il termine gaussiano bianco quando il rumore ha densità spettrale costante.

E’ il suono del silenzio, caratterizzato da uno spettro 1/fβ, la formula utilizzata per analizzare la frequenza dei terremoti.

 

 

 

Questo definizione si assegna ad un segnale monofonico con alcune proprietà stereofoniche o binaurali. Il rumore diotic presenta lo stesso segnale, correlato, ad entrambi gli orecchi – rumore monofonico. Il rumore Diotic può essere in fase o in contro-fase (180°). Quello in fase suona come un rumore che attraversa la testa quando è ascoltato con le cuffie. Quello in contro-fase suona come un rumore che gira intorno alla testa, sempre quando lo si ascolta con le cuffie.

Quesa è una definizione di rumore con due segnali separati non correlati e presentati a ciascuno orecchio. È molto più stimolante e rinfrescante (soggettivamente) di quello monofonico o diotic. Dove il rumore diotic monofonico suona come un fischio della radio il dichotic suona come un temporale all’aperto.