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CENNI DI FISICA ACUSTICA

CENNI DI FISICA ACUSTICA


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CENNI DI FISICA ACUSTICA


Il suono è un fenomeno fisico di carattere ondulatorio che stimola il senso dell'udito.

Un'onda sonora che viaggia attraverso l'aria non è altro che una successione di rarefazioni e compressioni di piccole porzioni d'aria; ogni singola molecola trasferisce energia alle molecole adiacenti e, dopo il passaggio dell'onda, ritorna pressappoco nella sua posizione iniziale.

I passaggi da rarefazione a compressione variano in frequenza, intensità e durata per cui ciascun suono può essere descritto considerando queste tre caratteristiche .



Nelle ure di questo modulo sono riportati, nella prima, suoni della medesima intensità, ma di diversa frequenza; nella seconda tre suoni con la medesima frequenza, ma di diversa intensità.

Le unità di misura di frequenza, intensità e durata sono rispettivamente: Hertz (Hz), dB (decibel), sec. o msec. (secondi o millisecondi).

La relazione esistente tra suono considerato come entità fisica e la sensazione sonora non è lineare, ma segue la legge di Weber-Fechner, secondo la quale l’intensità di una sensazione fisiologica è proporzionale al logaritmo dello stimolo per cui quando la pressione sonora si decuplica, il livello di pressione sonora aumenta di 20 dB.

Questo è il motivo per cui è necessario sapere che la descrizione dell’intensità può essere fatta utilizzando o i dB SPL (Sound Pression Level) quando si parla di pressione sonora o i dB HTL (Hearing Threshold Level) quando si tratta di sensazione uditiva. Non è quindi corretto considerare simili i dB SPL misurati con il fonometro (strumento di misura del suono) ed livelli di soglia uditiva valutati in dB HTL con l’audiometro, se non servendosi di idonee tabelle di conversione.

Oltre a questo è utile ricordare che l’orecchio umano non è sensibile a tutte le frequenze nello stesso modo per cui i fonometri permettono un’analisi acustica non solo lineare, ma anche con scale ponderate secondo la sensazione uditiva (La scala più utilizzata è quella ponderata in A ed è questa la spiegazione per cui l’intensità è spesso espressa in dBA sottointendendo l’acronimo SPL).

Quelli che sono stati finora descritti sono i toni puri (suoni semplici, monofrequenziali) quasi sconosciuti in natura, dove, invece sono presenti i suoni complessi e cioè la presenza contemporanea di più suoni semplici. Nel linguaggio parlato, nella musica e nel rumore è raro percepire toni puri poichè una nota musicale contiene, oltre alla frequenza fondamentale, anche le armoniche successive; il parlato comprende un gran numero di suoni complessi, alcuni dei quali (ma non tutti) in relazione armonica tra loro; il rumore poi è costituito da una mescolanza di frequenze anche molto diverse (intuitivamente è paragonabile alla luce bianca, che è la combinazione di tutti i colori) e rumori diversi si distinguono per il diverso peso delle varie frequenze componenti per cui la loro descrizione può avvenire solo valutandone lo spettro e cioè il peso in dB SPL di ciascuna frequenza componente.



Per quanto riguarda la durata si distinguono:

- rumore stabile o stazionario quando le variazioni di intensità non superano 3 dB;

- rumore fluttuante quando le variazioni superano i 3 dB;

- rumore intermittente quando un rumore di durata superiore a 1 sec. cade bruscamente in più riprese durante il periodo di osservazione;

- rumore impulsivo caratterizzato da rumori di alta intensità e durata inferiore ad 1 sec.

La variabilità temporale dei vari rumori a cui si può essere sottoposti ha portato a considerare il valore energetico medio ossia il Livello Equivalente (Leq) che rappresenta il valore in dBA di un rumore continuo che ha la stessa energia sonora di tutti gli eventi acustici misurati nel periodo di osservazione.

Da un punto di vista fisico, quindi, il Leq è un integrale nel tempo di misure di livelli sonori ed il loro valore in dBALeq viene calcolato dai cosiddetti fenomeni integratori che hanno la possibilità di integrare nel tempo le varie energie sonore e di effettuare i calcoli matematici richiesti dalla formula del Leq. Generalmente gli strumenti forniscono direttamente i valori del Leq oltre a tutta un’altra serie di parametri che è consigliabile conoscere quali il Lmax o livello massimo e gli Ln e cioè i valori in dB misurati percentualmente in un certo periodo di tempo (valore di punta L10 nel 10%; valore medio L50 nel 50%; valre di fondo L90 nel 90%).

Riassumendo: il rumore viene misurato con un fonometro integratore che ne quantifica l’intensità (espressa in dB SPL con scala ponderata in A), lo spettro grazie a dei filtri (peso in dB di ciascuna frequenza) ed il valore energetico medio (Leq).

Fonometri particolarmente sofisticati permettono, inoltre, di dedurre da una misurazione i livelli equivalenti ad un’esposizione al rumore di otto ore o addirittura di una settimana lavorativa.

Le unità di misura per quest’ultime valutazioni sono i dB Lep d (day) ed i dB Lep w (week).

Acustica Architettonica


L’ acustica architettonica tratta sostanzialmente del controllo della riverberazione, dell’isolamento e del controllo del rumore e della distribuzione e dell’ assorbimento del suono.

Essa mira alla chiarezza del parlato, alla libertà da rumori esterni indesiderati e alla ricchezza della musica.


Ambienti riverberanti e semiriverberanti


Sostanzialmente si possono dividere gli ambienti in due categorie, che si differenziano tra loro in base ad alcune proprietà:

ambienti riverberanti

Gli ambienti riverberanti sono delle sale appositamente costruite che hanno un coefficiente di assorbimento nullo e sono munite di schermi atti a rendere uniforme la distribuzione del suono nell’ambiente.

Le pareti sono in grado di riflettere molto bene le onde sonore e quindi ad ogni riflessione le onde sonore subiscono perdite molto basse.

Queste riflessioni producono una distribuzione di energia acustica uniforme cosi che in ogni punto della sala si ha l’impressione che il suono arrivi da tutte le direzioni.

Normalmente sono camere di dimensioni non elevate e hanno la prerogativa di essere non regolari.

ambienti semiriverberanti



La maggior parte degli ambienti comuni sono di tipo semiriverberante.

A differenza degli ambienti riverberanti, gli ambienti semiriverberanti assorbono parte delle onde emesse dalla sorgente e di conseguenza si ha una perdita di energia.


Tempo di riverbero


Il tempo di riverbero nelle camere riverberanti è abbastanza alto, generalmente dell’ordine di 3-4 secondi.

Per misurare il tempo di riverbero ci sono due metodi:

metodo che si basa sul regime stazionario interrotto.

Supponiamo di porre una sorgente omnidirezionale all’interno di un ambiente.

Al tempo t = 0 accendiamo la sorgente e la lasciamo accesa per un certo intervallo di tempo in modo da saturare l’ambiente e successivamente la spegniamo bruscamente.

Se andiamo a costruire un diagramma dei livelli sonori in funzione del tempo, avremo una situazione del tipo: à à à

Al tempo t arriva il fronte diretto, che assume il valore L1

A questo punto il livello rimane costante finché al tempo t2 non arriva il suono prodotto dalla prima riflessione che va a sommarsi al suono dell’onda diretta cosi che il livello raggiunga il valore L

Come prima il livello rimane costante finché al tempo t3 non arriva la seconda riflessione la quale fa salire di un gradino ancora l’intensità.

Via via che il tempo passa questi gradini diventano sempre più piccoli in quanto ad un suono forte si somma un suono sempre più debole e di conseguenza si raggiungerà un livello costante (che abbiamo identificato nel grafico con L0) che rappresenta la condizione di equilibrio energetico di un ambiente.

Nel momento in cui spegniamo la sorgente si verifica la situazione opposta.

Viene dapprima a mancare l’energia del suono diretto, però mentre questa all’atto di accensione aveva causato un brusco aumento del livello sonoro (in quanto si era passato dal silenzio totale al suono improvviso emanato dalla sorgente) adesso l’abbassamento che ne deriva è di entità molto modesta.

Ancora più modesto è l’abbassamento dovuto al primo raggio riflesso, cosi che dopo un primo tratto a gradini la curva tende a zero con un andamento rettilineo.

Nel momento in cui viene spenta la sorgente vi è un brusco calo del livello sonoro.


Riverberazione


La riverberazione è la persistenza del suono in un ambiente chiuso, dopo che la sorgente sonora ha cessato di irradiare, a causa della riflessione continuata del suono sulle pareti.

la riverberazione dipende dalle dimensioni e dalla forma dell’ambiente e dalla frequenza del suono.


Potere fonoisolante di strutture divisorie verticali


Normalmente le ditte appaltatrici sono convinte che sia sufficiente un doppio muro di qualsiasi materiale per riuscire ad avere un buon isolamento, purtroppo la fisica ci dice che ciò non è vero, se non in pochi e fortunati casi.

Ogni muro divisorio andrebbe calcolato in funzione del suo scopo finale, tenendo conto di tutti i fenomeni fisici ad esso associato (ovvero legge di massa, fenomeni di risonanza, frequenze di coincidenza dei materiali e contatti meccanici).

Potere fonoisolante dei solai


Analogamente alle partizioni verticali, è necessario studiare approfonditamente il problema della suddivisione dei locali sovrapposti, anche in funzione del successivo problema della riduzione dell'indice del calpestio.

Grazie all'esperienza accumulata nella progettazione di sale cinematografiche multischermo, che necessitano di elevatissimi poteri fonoisolanti tra strutture sovrapposte, si è in grado di aiutare i tecnici ed i progettisti nell'affrontare questi complessi problemi nel migliore dei modi.


Indice di riduzione del rumore da calpestio




Se siamo sopra una soletta in cemento nuda, e la percuotiamo con un martello, o anche lasciamo cadere una semplice biglia di vetro, al di sotto sentiremo un rumore sicuramente assai sgradevole e spropositato per l'energia acustica impegnata nel fenomeno.

Questo è dovuto al fenomeno della trasmissibilità meccanica, fattore estremamente importante in acustica architettonica ma altrettanto sconosciuto o non considerato.

In pratica la vibrazione indotta dall'urto del martello si proa per via solida, trasformandosi poi nuovamente in energia acustica tramite il prodotto della vibrazione per la superficie interessata.

Un fenomeno che quotidianamente è fonte di disturbo nelle casa di abitazione è il rumore di calpestio degli inquilini dei piani superiori rispetto alle abitazioni sottostanti.

Una persona che cammina nel proprio appartamento con le scarpe, se il solaio non è stato adeguatamente isolato con opportuni strati di materiale smorzante, sarà sicuramente causa di sgradevole disturbo per gli inquilini dell’appartamento sottostante; così come verranno percepiti anche l’accidentale caduta di oggetti, lo spostamento di mobili o la messa in funzione di elettrodomestici come lavastoviglie e lavatrice.


Isolamento acustico delle facciate


Soprattutto per le abitazioni situate nei grandi centri urbani, è un grosso problema il disturbo causato dal rumore di traffico.

Per contrastare l’immissione dei rumori provenienti dall’esterno negli ambienti abitativi, è necessario studiare le strutture di facciata in modo che offrano un adeguato isolamento acustico.

La scelta dei materiali e dei sistemi di facciata, deve essere condotta alla luce del clima acustico presente nell’area in cui verrà costruito l’edificio di progetto.

Quando le condizioni al contorno sono critiche per la presenza di fonti di disturbo, la fase progettuale è preceduta da una camna di misure nel periodo notturno e diurno.

Distribuzione del suono


La distribuzione del suono dà la variazione del livello di pressione acustica in funzione della posizione in un dato ambiente chiuso. Per assicurare una crescita e una diminuzione graduale del suono, sale e edifici sono progettati in modo che il suono sia distribuito casualmente, superfici riflettenti e diffusori.

Per studiare la distribuzione del suono si usano modelli analitici con raggi luminosi, ultrasuoni e onde ordinarie. Si può usare anche la costruzione grafica delle onde sonore di prima riflessione su varie sezioni trasversali come indicato in ura.

Disegno sala

Acustica delle sale


Una sala acusticamente ben progettata presenta una buona chiarezza dei suoni di sufficiente intensità (tempo di riverberazione ottimale), assenza di rumori estranei indesiderati (isolamento acustico e riduzione) e buona distribuzione del suono.

Se il suono arriva ad un ascoltatore per due vie di lunghezza troppo diversa esso produce uno spiacevole effetto tremolante detto eco. Un tremolio del genere si ha in un ambiente tra una coppia di pareti parallele opposte che siano lisce e molto riflettenti. Il suono viene riflesso avanti e indietro tra le due pareti producendo echi multipli. La focalizzazione del suono è la concentrazione del suono in un punto di un ambiente prodotta dalla riflessione delle onde sonore su superfici curve o circolari. Il risultato è una distribuzione ineguale del suono. Un angolo morto è una zona con

deficienza di suono, cioè dove non si sente praticamente niente, a causa dell’interferenza di due o più onde sonore.

L’articolazione percentuale, usata a volte per classificare la chiarezza delle sale, è determinata dalla forma e dal rumore della sala, dalla riverberazione e dall’intensità sonora soggettiva.

Chiarezza


Il nostro orecchio ha la capacità di distinguere suoni a distanza di 50 80 ms.

Tutte le riflessioni che arrivano a meno di 50 80 ms da un suono diretto, rinforzano questo suono.

Se le riflessioni arrivano a più di 80 ms da un suono diretto si sente l’eco (flutter echo: eco ripetuto)


L’energia che arriva prima dei 50 ms si chiama energia utile, mentre l’energia che arriva oltre i 50 ms prende il nome di energia dannosa.

La chiarezza è dunque data dal rapporto tra energia utile fratto quella dannosa.



L’alternativa alla chiarezza è il tempo baricentrico.


Tempo baricentrico


Il tempo baricentrico (ts) è una grandezza continua e varia continuamente nello spazio. Ts è il punto dove si equilibra l’energia utile e l’energia dannosa.

Per il parlato ts è compreso tra 30 e 70 ms ; per la musica invece ts è compreso tra 70 e 120 ms.


Impianti tecnologici


Una fonte di disturbo alquanto fastidiosa, nonché frequente negli ambienti abitativi, è generata dal funzionamento degli impianti tecnologici continui e discontinui.

La causa di questa sorgente di disturbo è da imputarsi alla scorretta e quantomai diffusa metodologia di istallazione degli impianti stessi tramite connessioni rigide alle strutture.

Acustica

• Acoustics

Parte della fisica che studia il suono e le sue caratteristiche.
Dal greco akouein, ascoltare. Comunemente è lo studio del suono e dei suoi comportamenti nei veri mezzi ed ambienti in cui esso si proa, comprendendo gli effetti di assorbimento, riflessione, interferenza, rifrazione, diffrazione. In senso più ampio l’acustica è la fisica del suono trattata in tutti i suoi aspetti. Fino all’inizio del xx secolo ‘suono’ ed ‘acustica’ si riferivano alle vibrazioni elastiche ed alle onde sonore nel campo udibile dell’uomo: i territori dell’acustica oggi sono invece connessi con vibrazioni e onde non associati direttamente o indirettamente con i processi uditivi. Spesso riguardano frequenze ed intensità al di sopra o al di sotto dei limiti di udibilità umana.


Algoritmo

• Algorithm
Specificazione della sequenza di operazioni da effettuarsi per la soluzione di un problema. Tale sequenza può essere rappresentata con un diagramma di flusso e successivamente codificata con istruzioni nel linguaggio di programmazione.


Armonica

• Harmonic
Oscillazione pura (sinusoidale) appartenente ad una serie i cui termini sono multipli della frequenza fondamentale. Le armoniche contribuiscono alla determinazione del timbro.
In acustica, quando un oggetto che vibra (ad esempio la corda di uno strumento musicale) è posto in movimento, vibra sia per intero con una frequenza detta ‘fondamentale’ sia, con minore intensità, con alcune sue sezioni. Se queste lunghezze minori corrispondono a frazioni intere della lunghezza totale della corda (1⁄2, 1⁄3, 1⁄4 . ) le loro frequenze di oscillazione sono chiamate ‘armoniche’ e sono multipli interi della fondamentale.


Bit Cifra binaria. È la più piccola unità di informazione dell’elaboratore. Un bit può assumere solo due valori rappresentati numericamente da I oppure da 0. Fisicamente, si può paragonare alla condizione di «aperto» o «chiuso» di un interuttore.


Byte Unità d’informazione costituita da 8 bit.


Decibel (dB Unità di misura relativa dell’ampiezza di un segnale. L’intensità espressa in decibel è proporzionale al logaritmo del rapporto fra l’intensità del segnale ed un valore di riferimento.


forma d’onda

• wave form
È determinata dal numero delle componenti parziali e dal rapporto di frequenza, ampiezza, fase.


Frequenza

• Frequency
Il numero di ripetizioni di una funzione periodica in un secondo. È il parametro che permette di riconoscere che un suono è più acuto o più grave di un altro. Si misura in § hertz (Hz)


Frequenza Audio

• Audio Frequency
Qualsiasi frequenza compresa nella ‘zona’ udibile, normalmente tra i 20 e i 20000 Hz.


Frequenza di taglio • Cutoff frequency Il valore di frequenza che fissa il limite della banda passante in un filtro.


Frequenza di campionamento • Sampling rate Il numero di campioni che vengono usati in un secondo per definire un segnale. Per rappresentare accuratamente un segnale, la frequenza di campionamento deve superare il doppio della frequenza relativa alla componente più alta del segnale campionato. Lo standard più diffuso è di 44.100 campioni al secondo. § registrazione digitale.


Funzione sinusoidale • Sine function Funzione trigonometrica descrivente la proiezione verticale di un moto circolare uniforme. È la relazione fondamentale nell’analisi delle forme d’onda secondo il § teorema di fourier; i suoi parametri sono l’ampiezza, il periodo e la fase.


Hertz (Hz)
Unità di misura della frequenza di un segnale: equivale al numero di periodi in un secondo. Un suo multiplo comunemente usato è il Kilohertz (KHz), che corrisponde a 1.000 Hertz.


Lunghezza d’onda

• Wave length
Per qualsiasi onda periodica è la distanza di un punto in un’onda data e il punto corrispondente nel ciclo successivo dell’onda, rappresentato con la lettera l.









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