File Digitali - Parte 4: Il funzionamento dell'orecchio umano

File Digitali - Parte 4: Il funzionamento dell'orecchio umano
di Giancarlo Valletta

Di fondamentale importanza è ciò riesce a percepire l’orecchio umano per stabilire quali debbano essere i confini nei quali si debba muovere un segnale digitale per assomigliare il più possibile a quello analogico da cui deriva

Quando si nasce, la capacità dell’orecchio è massima: nella parte terminale della coclea i recettori catturano i 20 Hz e man mano fino alla parte iniziale, dove essa è più aperta, i 20 KHz, con ovviamente tutte le sfumature tra questi due intervalli.

Invecchiando le capacità uditive si riducono, fino a percepire al massimo 10 KHz, mentre il resto della gamma fino ai 20 Hz, rimangono invariati. Ciò non si traduce in una perdita di metà dello spettro perchè l’orecchio lavora in modo logaritmico, ossia in ottave. Dividendo proprio in ottave i 20 KHz, si hanno 11 ottave (20 khz, 10 khz, 5khz, 2500 hz, 1250 Hz, 625 hz, 312.5 hz, 156.2 hz, 78.1hz, 39 hz, 19.5 Hz) e pertanto a perdersi è solo la prima ottava sulle 11 in dotazione alla nascita, continuando a sentire perciò 10 ottave oltre ai rumori impulsivi, in inglese twig snapping sounds. Lo scoppiettio della legna secca per esempio, essi non sono suoni ma rumori che distano tra loro pochissimi microsecondi e che il cervello percepisce perfettamente e discrimina con una capacità massima di 6 microsecondi, quelli più veloci non vengono discriminati. C’è poi da tenere conto del range dinamico dell’orecchio, quindi la differenza tra il suono più basso e quello più alto, che è di 96 dB ma che può arrivare a 120 dB per brevi periodi.

Quindi: a quale frequenza di campionamento bisogna lavorare affinchè non si perda nessun dettaglio della musica ? Nyquist prima e Shannon poi, dimostrarono che solo campionando ad una frequenza almeno doppia della larghezza di banda del segnale stesso non si ha alcuna perdita di informazione. La banda uditiva si estende fino a 20 KHz, e pertanto basterebbe campionare a 44.1 KHz per preservare il messaggio musicale (poco sopra al doppio per altre questioni assai complesse che non è il caso di approfondire in questa sede).

Abbiamo però detto che l’orecchio umano cattura anche gli impulsi e se non si vogliono perdere queste informazioni sarebbe necessario campionare ad almeno 181 KHz, che diventano 192 KHz, il multiplo più vicino di 44.1 KHz. Ciò perché la massima risoluzione dell’orecchio nel percepire rumori impulsivi è che essi abbiano una distanza tra di loro di massimo 6 microsecondi -lo accennavamo sopra- e quindi una frequenza di campionamento di 181 khz (192 è il primo multiplo disponibile). Per sfruttare, poi, tutta la capacità dinamica dell’orecchio, di 120dB, ci vogliono almeno 20 bit, e quindi 24 bit, per il discorso già affrontato dei multipli. Possiamo quindi affermare con assoluta certezza che la risoluzione CD 44.1/16 è sufficiente, ma per sfruttare al massimo le capacità di qualsiasi orecchio -giovane o vecchio che sia- sono necessari file a 192/24 che sono però molto grandi.