sábado, 9 de novembro de 2019

Psicoacústica 01 - Física e Psicologia do nosso ouvido

Toda a complexa máquina do aparelho auditivo, explicada em detalhes, e sua interação com o meio ambiente.


Quando se tenta compreender o relacionamento entre as leis naturais e a percepção dos sons pelo ser humano, mais se verifica a complexidade dos fenômenos que escapam à observação humana, assim como acontece com a análise na física atômica e na biologia.

Isso é muito bem explicado no livro de Fritz winckel, Klagwelt unter der Lupe - que, traduzido livremente, poderia ser: "O mundo do som sob uma lente". Podemos considerar essa obra como uma das fundamentais para se tratar da disciplina hoje denominada genericamente "psicoacústica", isto é, a percepção que nos dá a sensação auditiva final.


O que é som? - O estímulo recebido pelo nosso sentido da audição é um movimento vibratório, físico, que se propaga através de meios elásticos. Essa definição implica na necessidade da vibração, partindo da sua origem (a fonte sonora), atingir o destino final, que seria o ouvido. O som não se propaga no vácuo ou nos materiais não elásticos. Assim, é mais cômodo abordar o assunto considerando o ar como o meio de propagação do som - se bem que isto nos leva a desprezar certos meios de transmissão do som que interessam particularmente aos audiólogos (a transmissão óssea, por exemplo). Mas, para tornar menos complexa a matéria, vamos considerar o próprio ar ambiente como meio de propagação do som.

A vibração, para propagar-se, pode utilizar três modos diferentes: longitudinal, transversal ou torsional. O som, particularmente, é uma vibração longitudinal. Quando tratamos se som, devemos ter em mente que há uma fonte geradora da vibração e um elemento receptor - que, no caso da psicoacústica, é o ouvido. Quando o meio em que se propaga o som é homogêneo, o som se projeta em todas as direções e , teoricamente, pode-se considerar a fonte como uma esfera que pulsa em todas as direções.

Nesse caso ideal, a pressão sonora diminui com o quadrado da distância. Assim, se o receptor estiver muito afastado da fonte produtora, as ondas sonoras chegarão praticamente paralelas. Tudo se passa como se o receptor estivesse em um campo acústico plano, onde a pressão sonora é constante em qualquer plano perpendicular à direção da propagação.

Quando a fonte produtora de vibrações está situada dentro de um recinto, a condição acima já não acontece. As ondas sonoras, ao se propagarem, refletem em meios diferentes (paredes, objetos, pessoas, etc.) e retornam. Em cada reflexão, a onda sonora perde parte de sua energia, extinguindo-se ao fim de um certo tempo. Nesse caso, só junto à fonte sonora é que a propagação se dará como a produzida por um sistema esférico.

Análise harmônica do som - Para nosso intento, podemos reduzir as características do som a três:

  • intensidade - tem estreita relação com a pressão sonora.
  • tonalidade - corresponde à frequência central do som.
  • timbre - identifica-se com certas características do perfil da onda sonora.

Até agora falamos em som baseado na forma de onda senoidal, como a da figura 1, que representa um tom puro (inexistente, diga-se de passagem, na natureza e só produzido por aparelhos construídos pelo homem, como o diapasão, por exemplo). Na realidade, se bem que os sons não sejam senóides puras, mas ondas complexas, é possível, pela análise matemática ou utilização de aparelhos, demonstrar que todo som, por mais complexo que seja, é na realidade uma soma de ondas senoidais simples. É o que prova a Análise de Fourier.

Figura 1 - Representação de uma senóide (ou tom puro, em áudio).

Assim, uma onda sonora complexa, de frequência f, pode ser decomposta em uma senóide de frequência f, somada a outras de frequências f2, f3 e assim por diante, infinitamente (fig. 2). A onda de frequência f é chamada de fundamental ou 1ª harmônica; a de frequência f2, de 2ª harmônica, e assim por diante. As diferentes ondas senoidais que compõem um tom podem ter amplitudes e fases diferentes, como se pode apreciar na figura 2. A onda complexa é a soma das duas senóides de frequência e amplitudes diferentes.

Figura 2 - Decomposição de um sinal
complexo pela série de Fourier.

O timbre depende da quantidade e distribuição dos harmônicos presentes na onda sonora. É devido ao timbre que se distingue entre o dó de um piano e o de uma flauta. Ambos emitem a nota na mesma frequência fundamental, porém as harmônicas dão o timbre, a "personalidade", permitindo que se distingua um instrumento do outro.

A percepção do som - O ouvido humano normal pode perceber frequências sonoras situadas entre 16 Hz e 17 kHz. Há casos especiais de percepção, mas essa é a faixa considerada como padrão. Em acústica, considera-se como audível a faixa de 20 Hz a 20 kHz.

Subdividindo essa faixa, utilizam-se as designações de graves, ou baixas frequências, para os sinais situados no extremo inferior do espectro audível. Os médios situam-se entre 100 e 3000 Hz e os agudos, ou altas frequências, aproximam-se da parte superior do mesmo.

Com relação à pressão sonora, o ser humano normal pode perceber valores inferiores a 2 x 10-4 microbares (que é o limiar de percepção auditiva). Pressões da ordem de 200 microbares podem causar até sensação de dor, sendo o limite superior de pressão sonora para o ouvido humano.

O ouvido humano - As estruturas anatômicas do sistema auditivo localizam-se na cabeça, onde ocupam um espaço protegido pelo osso temporal. Inicialmente, podemos dividir o mecanismo fisiológico da audição em três partes: ouvido externo, cuja parte exterior é a orelha, ouvido médio e ouvido interno. Um desenho simplificado pode ser observado na figura 3.

Figura 3 - Vista em corte do ouvido humano.

O ouvido externo é formado pela orelha (ou pavilhão auditivo) e pelo canal auditivo externo. Esse canal possui cerca de 30 mm de extensão por uns 7 mm de diâmetro, e penetra no osso temporal. No fim desse canal situa-se o tímpano, uma membrana sensível à pressão, de forma ligeiramente oval, com dimensões aproximadas de 9 x 10 mm. No lado interno do tímpano, temos o ouvido médio, com uma cavidade de 15 x 15 x 2 mm cheia de ar. Nessa cavidade inicia-se a Trompa de Eustáquio, com uns 36 mm de extensão, que coloca o ouvido médio em comunicação com a nasofaringe. Graças a isso, a pressão de ar dentro do ouvido médio é a mesma do ouvido externo (ou seja, do ambiente), o que permite ao tímpano vibrar uniformemente. Pode-se dizer que a Trompa de Eustáquio é um equalizador da pressão interna-externa do ouvido médio.

Ainda no ouvido médio situam-se três pequenos ossículos, muito importantes no processo de audição. O denominado martelo, com cerca de 9 mm de extensão, está encostado no tímpano (ver figura 3). A cabeça do martelo aciona o ossículo denominado bigorna, que, por sua vez, aciona o estribo. Esses ossículos transmitem e amplificam (pelo princípio de alavanca) as pressões sonoras captadas pelo ouvido externo e levadas, através da membrana (tímpano), ao martelo. O estribo é responsável pela transmissão final das vibrações amplificadas mecanicamente do ouvido médio ao interno, através de uma abertura denominada janela oval.

No ouvido interno ocorrem as transformações das pressões mecânicas da onda sonora em pulsos fisio-bio-neurológicos. O ouvido interno, ou labirinto, tem uma estrutura muito complexa e, como dissemos, transforma as vibrações mecânicas em impulsos nervosos, que seguem através das fibras nervosas até a área de audição, no cérebro.

Na figura 4 vemos um desenho simplificado do ouvido interno, mais propriamente do caracol e dos canais semicirculares, que estão cheios de um líquido e são responsáveis por nosso equilíbrio e, mais aprofundadamente, pelo nosso sentido de estética. O caracol é uma espiral que dá quase três voltas e contém as células responsáveis pela transformação do som em impulsos nervosos.

Figura 4 - Detalhe do caracol.

Até a descoberta do microscópio eletrônico julgava-se que o mecanismo de audição era simples: captação do som pelo ouvido externo, amplificação mecânica no ouvido médio, atuação no ouvido interno, impulsos nervosos enviados ao cérebro. Mas a coisa é muito mais complexa, pois dentro do caracol existem cílios (espécie de filamentos muito finos), que, ao receberem as vibrações, modificam seu posicionamento - aumentando ou diminuindo a "inteligibilidade" ou a "compreensão discriminatória" do som. Aliás, o líquido existente dentro do caracol é diferente do líquido linfático de todo o resto do organismo. Isto tem muito a ver com o chamado fator psicoacústico, que abordaremos mais adiante.

Entre as duas partes do ouvido interno está o vestíbulo, que, por simplicidade de desenho, não está indicado na figura 4. É uma cavidade de 6 x 4 mm, que de um lado se comunica com os canais semicirculares, e, pelo outro, com o caracol. Os impulsos nervosos para o cérebro são transmitidos pelo órgão de Corti; na figura 5 temos uma vista esquemática do ouvido, com o caracol "desenrolado", mostrando aproximadamente a faixa de audição e a posição da resposta em relação ao caracol.

Figura 5 - Vista esquemática do ouvido, com o caracol "desenrolado".

Como funciona o ouvido - Quando o som Quando o som é captado pelo ouvido externo - que atua como uma corneta acústica para as frequências situadas entre 200 e 5500 Hz -, a vibração é levada ao tímpano, que aciona os ossículos já descritos. A ampliação mecânica resultante é da ordem de 300%. No órgão de Corti existem cerca de 40 mil fibras nervosas, cada uma delas atuando como que "sintonizadas" em determinada faixa de frequências. Essas fibras formam o nervo auditivo, que leva as mensagens ao setor de audição, no cérebro.

O ouvido humano apresenta uma certa inércia para efetuar as operações descritas (cerca de 2,5 ms). Assim, se dois sons forem produzidos quase simultaneamente, o ser humano só poderá discriminá-los se a separação do de tempo for superior a 2,5 ms.

Porém, como já dissemos anteriormente, a audição não é um fenômeno tão simples assim. O ouvido tem mecanismos de defesa muito complexos, podendo perceber o ruído de um clipe que cai ao chão e também o estrondo de um jato. A diferença em valores absolutos ou relativos entre esses dois níveis de energia é imensa e nenhum controle automático de volume já fabricado pelo homem consegue sequer igualar-se ao desempenho do ouvido.

Outro fator, este psicoacústico, é a "rejeição", filtragem ou complementação que o cérebro faz para completar a mensagem sonora que chega distorcida ou mutilada do ambiente. Para provar esse fato, podemos usar um exemplo bastante comum. Nas linhas telefônicas, as limitações do canal de áudio são muito grandes. Essa limitação é de tal ordem, que os números 3 e 6, no idioma português, devem ser enunciados "treis" e "meia dúzia", para evitar confusões provocadas pela falta de harmônicas identificadoras dos dois morfemas.

Porém, se a pessoa que recebe a mensagem tem conhecimento prévio da sequência de números ou raciocina em função de uma sequência, apesar do código sonoro chegar mutilado, ela anota o número correto, porque o fator psicoacústico "completou" no cérebro os detalhes faltantes da mensagem sonora. Daí um simples rádio de pilha dar satisfação musical ao reproduzir música erudita, quando se sabe que no alto-falante não estão presentes muitas das frequências identificadoras dos instrumentos. Passemos, agora, aos fatores psicoacústicos da percepção do som.

Efeito Doppler - O tom que se percebe também varia se a fonte emissora se desloca em relação ao observador. Este é o conhecido efeito Doppler, cuja fórmula é a seguinte:


Onde fo é a frequência percebida pelo observador; c, a velocidade do som; Vo, a velocidade de deslocamento do observador; Vs, a velocidade de deslocamento da fonte sonora; fs, a frequência da fonte sonora.

Isto quer dizer que o tom subjetivo percebido pelo observador aumenta se a fonte se aproxima e diminui se esta se afasta.

Variação do tom com a intensidade - Por outro lado, o tom varia em função da intensidade com que se percebe uma determinada frequência. Com a elevação da intensidade, o tom de uma frequência baixa diminui enquanto o de uma frequência alta aumenta.

Fletcher, um dos grandes experimentadores em acústica, fez várias experiências com tons puros; provou, assim, que o ouvido é mais sensível a uma variação de frequência nos limites superiores de frequência e em níveis elevados de intensidade.

Geração de harmônicas pelo ouvido - Outra característica surpreendente do ouvido é sua propriedade de gerar harmônicas por si próprio. De fato, sob certas condições, a sensação percebida não representa exatamente as variações de pressão do ar no canal auditivo. Supõe-se que tais distorções tem origem no caracol, já que o tímpano, exceto nos casos em que se desloca sob o rápido efeito de sinais excessivamente fortes, está praticamente livre de distorção de amplitude. Os ossículos, por sua vez, amplificam linearmente as vibrações que recebem a níveis normais.

A figura 6 representa os níveis de pressão sonora (em dB) onde surgem os harmônicos subjetivos, quando o ouvido é excitado com tons puros (ondas senoidais) de diversas frequências e intensidades. Pata tons superiores a 2000 Hz, as harmônicas subjetivas não são apreciáveis em níveis inferiores a 50 dB. Já em frequências baixas, inferiores a 200 Hz, as harmônicas são geradas com pequena intensidade. E o ouvido, se receber só harmônicas de uma determinada frequência, é capaz por si só, de reconstituir a fundamental.

Por outro lado, se forem reproduzidos os tons de 400, 600 e 800 Hz, a impressão subjetiva é de que também foi recebida a frequência de 200 Hz. Se a esses tons forem acrescentados os de 300 e 500 Hz, o ouvido reconstituirá também os de 100 Hz. Eis porque até com equipamentos medíocres pode-se ter a sensação de que a resposta em baixa frequência soa melhor do que é.

Figura 6 - Geração de harmônicas pelo ouvido

Percepção de dois tons simultâneos - Outro efeito interessante é a escuta simultânea de duas frequências diferentes (f1 + f2). O ouvido percebe não só os dois tons que correspondem a essas frequências, como também os tons combinados (f1 + f2 e f1 - f2). Na prática comprovou-se que é mais fácil perceber o tom da diferença. Além disso, se a frequência desse tom estiver entre as duas frequências originais, será pior percebida do que se estivesse abaixo das duas. Por exemplo, 800 e 1800 Hz dão um tom de diferença de 1000 Hz, que se percebe com dificuldade; no entanto, 1000 e 1500 Hz dão uma diferença de 500 Hz, que é mais facilmente percebida. Se as duas frequências estão muito próximas entre si, percebe-se uma "pulsação" ou batida.

Discriminação de frequências - Quanto à discriminação de frequências pelo ouvido, é relativamente fácil perceber diferenças de 3 Hz até 1000 ou 1500 Hz. A partir daí, as variações mínimas perceptíveis mantêm uma certa relação com a frequência da qual se parte. É possível, em média, diferenciar cerca de 1400 tons diferentes.

Bandas de frequência de emissão / recepção - Na figura 7 temos as bandas de frequência dos sons emitidos por seres humanos, alguns animais e instrumentos musicais, com referência à frequência fundamental. Para que se obtenha uma reprodução fiel, a largura de banda do equipamento de áudio deve ser superior a essa, com a finalidade de permitir a reprodução ou a captação de harmônicas e a identificação do timbre de cada fonte sonora.

Figura 7 - As bandas de frequência abrangidas por pessoas, animais e instrumentos musicais.

No caso da voz humana, a frequência fundamental mais baixa, no sexo masculino, costuma ser da ordem de 100 Hz e, no sexo feminino, próxima aos 250 Hz. Se bem que os fundamentais sejam inferiores a 1000 Hz em ambos os sexos, é necessário que o equipamento de captação e reprodução tenha uma resposta fiel entre 60 e 10000 Hz. Nas linhas telefônicas comuns, a faixa de reprodução é de 300 a 3300 Hz; consegue-se inteligibilidade, mas o som não é natural. Na figura 8 temos as frequências de resposta de vários sistemas de reprodução sonora.

Figura 8 - Resposta em frequência de vários sistemas de reprodução sonora.



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