Acustica Applicata

Prof. Massimo Garai


F.A.Q. (Frequently Asked Questions)



Acustica fisica

D1) Da che cosa dipende la velocità del suono nell'aria?
R1)
Soprattutto dalla temperatura dell'aria. Infatti, considerando l'aria come un gas perfetto e considerando la trasformazione termodinamica associata alla propagazione delle onde sonore come adiabatica, la velocità del suono vale c=331,4+0,6*t , dove t è espressa in gradi Celsius.

D2) Quale è il significato dell'impedenza acustica?
R2)
L'impedenza acustica è una grandezza complessa (cioé dotata di parte reale e parte immaginaria), data dal rapporto tra la pressione acustica [Pa] e la velocità di volume [m3/s] delle particelle di fluido indotta dal passaggio dell'onda, entrambe in rappresentazione complessa. L'impedenza acustica sintetizza le caratteristiche di un sistema acustico proprio come l'impedenza elettrica sintetizza le caratteristiche di un circuito elettrico. Infatti, la parte reale dell'impedenza acustica dipende dall'attitudine del sistema a dissipare energia acustica, mentre la parte immaginaria indica la capacità del sistema di immagazzinare energia acustica e di restituirla sfasata. In acustica vengono anche usate l'impedenza acustica specifica, l'impedenza acustica caratteristica e l'impedenza di radiazione. Un buon testo (per es.: Kinsler et al. "Fundamentals of Acoustics", John Wiley & Sons, 1983) può servire a chiarire le differenze e le analogie tra queste grandezze.

D3) Un'onda acustica all'uscita di un condotto a sezione costante viene parzialmente riflessa. Lo stesso avviene per le onde sulla superficie dell'acqua in un canale che si riversa in un lago? Esiste una "giustificazione fisica" della riflessione di onde di compressione-rarefazione in corrispondenza di un improvvisa variazione di impedenza? Il tutto è estendibile agli altri tipi di onde per cui abbia senso definire una "impedenza"? (Pietro Massini, studente di ingegneria meccanica)
R3)
Il fenomeno acustico descritto è sperimentalmente osservabile, per esempio nei canali degli impianti di condizionamento dell'aria. L'onda riflessa interferisce con quella incidente sulla terminazione aperta, provocando fenomeni di sovrapposizione ed interferenza. Lo stesso fenomeno si osserva quando un treno imbocca una galleria: l'urto del treno con l'aria all'entrata della galleria genera un'onda di shock che si propaga fino al'uscita, dove viene parzialmente riflessa; l'onda riflessa si propaga all'indietro e si combina con l'onda prodotta dal moto del treno che avanza; giunta all'entrata della galleria, l'onda d'urto viene nuovamente riflessa, ecc.; il fenomeno è attualmente studiato in molti paesi europei, tra cui l'Italia, in relazione all'espansione della rete ad alta velocità. Infatti, il fenomeno può provocare fastidi ai viaggiatori, se il treno non è adeguatamente pressurizzato. Anche il nostro gruppo ha fatto qualche ricerca in proposito: fare click qui per ulteriori dettagli.
Esistono fotografie aeree di fiumi con acque tranquille che sbucano in mare nelle quali si può osservare un fenomeno analogo: se la superficie dell'acqua è increspata da un'onda prodotta, per esempio, dal moto di una nave, all'uscita del canale si forma un'onda riflessa. Tuttavia, l'onda riflessa è debole e se non si ha un buon punto d'osservazione o se esistono altri disturbi (vento, altre navi, ecc.) non si riesce a distinguerla.
Il fenomeno non può sorprenderci se pensiamo che l'onda acustica uscente dal condotto non è completamente libera di propagarsi, a causa dell'inerzia della massa d'aria esterna, le cui particelle, sollecitate dall'onda di compressione-rarefazione, reagiscono; si origina così un'onda propagantesi in direzione opposta, cioé l'onda riflessa internamente al condotto. Lascio al lettore l'estensione di questa "giustificazione fisica" al caso delle onde sulla superficie dell'acqua. In realtà, il fatto stesso di ricercare una "giustificazione fisica" al di là della rappresentazione mediante impedenze merita qualche considerazione a parte. L'impedenza acustica specifica è una proprietà caratteristica del mezzo nel quale le onde acustiche si propagano e dovrebbe essere sufficiente a "spiegare" il fenomeno fisico, esattamente come l'indice di rifrazione è una proprietà caratteristica mezzo nel quale le onde elettromagnetiche si propagano ed è comunemente considerato sufficiente a spiegare il fatto che, per esempio, quando la luce che si propaga nell'aria incontra una lastra di vetro, una parte di essa, seppur piccola, viene riflessa. Allora perché qualcuno accetta come "giustificazione fisica" la spiegazione basata sull'indice di rifrazione, ma non quella basata sull'impedenza acustica specifica? Forse perché l'impedenza acustica specifica è una grandezza complessa? Ciò non dovrebbe costituire un ostacolo per uno studente di materie scientifiche o tecniche e, inoltre, anche l'indice di rifrazione può essere definito come grandezza complessa. E allora? Forse, non si riflette abbastanza sul fatto che, quando analizziamo un fenomeno fisico, cerchiamo di costruircene un modello "semplice", vale a dire riconducibile a concetti più elementari. Evidentemente, l'impedenza è un concetto con il quale non tutti hanno la dimestichezza necessaria e che quindi non viene sempre "accettato" come un concetto elementare. Domande di questo tipo hanno il pregio di richiamare l'attenzione sulle difficoltà obiettive che alcuni studenti incontrano e possono servire da stimolo a chi tiene i corsi universitari, particolarmente quelli di base (leggi biennio di ingegneria) dove dovrebbero essere introdotti i concetti chiave dei fenomeni ondulatori. Sarebbe interessante sentire altre opinioni su questo punto.
Per venire all'ultima domanda della serie: la risposta è sì. Per ognuno dei fenomeni ondulatori per i quali è possibile una rappresentazione in termini di impedenza, si trova che una brusca variazione della stessa provoca una riflessione parziale dell'onda. Per esempio, avete notato che telefonando in paesi lontani si sente spesso un'eco alle proprie parole ?... Un altro esempio: provate a legare insieme una corda leggera ed una molto più pesante. Fissate l'estremità libera della corda pesante e tenete in mano l'estremità libera della corda leggera. Ora provate a farla oscillare, generando delle onde trasversali: vedrete che quando esse arrivano alla giunzione con la corda pesante in buona parte si riflettono indietro.

Livelli sonori, decibel e spettri

D4) Che cosa si intende per "limen di intensità e di frequenza"?
R4)
Questa domanda, che a prima vista può apparire banale, è un buon esempio di quei problemi terminologici che incontra chi inizia a studiare una materia interdisciplinare, come l'acustica. La parola latina limen, che significa limite, viene in genere utilizzata in ambito medico per indicare un valore di soglia minima (più raramente massima); nel caso presente si fa chiaramente riferimento alla soglia minima di udibilità da parte di un soggetto umano. In acustica fisica si chiama intensità acustica la grandezza vettoriale che rappresenta il flusso di energia trasportata da un'onda acustica per unità di superficie e tempo; il suo modulo è espresso in watt/metro quadrato. Dunque, letteralmente, "limen di intensità" dovrebbe significare il minimo valore di intensità acustica percepibile dagli esseri umani. In realtà, non è così ! Ciò che nel linguaggio comune si usa chiamare "intensità" corrisponde piuttosto al livello di pressione sonora, che è un valore numerico espresso in decibel, tecnicamente ben distinto dal vettore intensità acustica. Dunque "limen di intensità" significa il minimo valore di livello sonoro in decibel percepibile dall'uomo, intendendo un essere umano "medio" con udito "normale" (queste affermazioni vanno sempre viste in una prospettiva statistica). E la frequenza? Il minimo livello sonoro percepibile non è affatto costante, anche per la stessa persona nelle stesse condizioni, ma varia in funzione della frequenza. Per esempio, tutti sanno che l'udito umano è meno sensibile alle basse frequenze, diciamo sotto i 400 Hz, che alle frequenze medie, diciamo 500-2000 Hz. Più la sensibilità cala, più la soglia minima di udibilità cresce. Il fenomeno è ben rappresentato dalle curve isofoniche del diagramma di Fletcher e Munson, riportato su tutti i testi di acustica. Inizialmente, la soglia di udibilità per un tono puro a 1000 Hz, misurata in particolari condizioni sperimentali, venne presa come zero della scala dei decibel, il che portò a scegliere una pressione sonora di riferimento pari a 20 micropascal. In seguito, l'avanzamento degli studi di psicoacustica ha modificato le condizioni sperimentali e quindi il valore della soglia di udibilità a 1000 Hz, che è attualmente pari 4,2 dB (si veda anche la risposta alla domanda seguente).

D5) Si possono avere maggiori informazioni sulle curve isofoniche (Gianfranco Rebucini)?
R5)
Le curve isofoniche, o curve isolivello di sensazione sonora, mettono in relazione la frequenza di toni puri o di bande strette di rumore ed il corrispondente livello di pressione sonora a parità di sensazione sonora (loudness); esse esprimono una proprietà fondamentale del sistema uditivo umano. Il valore costante di sensazione sonora che caratterizza ogni curva è espresso in phon. La norma ISO 226:1987 (attualmente in fase di revisione) riporta curve isofoniche valide:


Curve isolivello di sensazione sonora per toni puri    

Curve isolivello di sensazione sonora per toni puri (ISO 226:1987, appendice A).


La curva tratteggiata, individuata dalla sigla MAF (Minimum Audible Field), riporta la soglia di udibilità binaurale in un campo frontale di toni puri per persone otologicamente normali di età compresa tra i 18 ed i 30 anni. A 1000 Hz la soglia vale 4,2 dB. Per altre condizioni di ascolto o altre configurazioni del campo sonoro si possono determinare curve isofoniche differenti. Per esempio: La procedura per la costruzione di queste curve non è semplice. Sostanzialmente, si basa sulla regressione ai minimi quadrati di dati sperimentali forniti da un piccolo numero di laboratori altamente qualificati, tenendo conto delle eventuali differenti condizioni di prova. Invece, non sono state considerate le deviazioni della soglia di udibilità dei soggetti sottoposti a test dal valore 0 dB misurato secondo l'audiometria convenzionale, né i valori sono stati pesati per tenere conto del differente numero di soggetti utilizzato in ogni singolo laboratorio. Ulteriori informazioni si possono trovare nei testi:
D6) Che cos'è la curva di ponderazione "A"?
R6)
Il livello sonoro misurato da uno strumento con una risposta lineare nel campo delle frequenze udibili mal si correla con la risposta soggettiva degli esseri umani allo stesso rumore. Nel passato si è pensato di rimediare a questo fatto introducendo nei misuratori di livello sonoro una ponderazione dei valori misurati in funzione della frequenza, in modo da avvicinarsi alla valutazione non linerare compiuta dagli esseri umani. In particolare, si è notato che prendendo alcune curve isofoniche (si veda la domanda precedente) e ribaltandole si potevano ottenere dei filtri di ponderazione in frequenza fatti in modo che ad una soglia di sensazione più alta corrispondesse una ponderazione più penalizzante. Per esempio, dal ribaltamento della isofonica a 40 phon è stata ottenuta la curva di ponderazione denominata "A". Dal ribaltamento di altre curve isofoniche sono state ottenute le ponderazioni "B" e "C". Sono anche state proposte curve di ponderazione specifiche per certe tipologie di rumore, come per esempio la curva "D" per la valutazione del rumore prodotto dagli aereoplani. Queste curve sono in genere translate in modo da fornire un valore normalizzato di ponderazione pari a 0 dB a 1000 Hz (vedere figura).


Curve di ponderazione normalizzate per misuratori di livello sonoro    

Curve di ponderazione normalizzate per misuratori di livello sonoro.


 Frequenza (Hz)   Ponderazione "A" (dB)   Frequenza (Hz)   Ponderazione "A" (dB) 
20 -50,5 800 -0,8
25 -44,7 1000 0,0
31,5 -39,4 1250 0,6
40 -34,6 1600 1,0
50 -30,2 2000 1,2
63 -26,2 2500 1,3
80 -22,5 3150 1,2
100 -19,1 4000 1,0
125 -16,1 5000 0,5
160 -13,4 6300 -0,1
200 -10,9 8000 -1,1
250 -8,6 10000 -2,5
315 -6,6 12500 -4,3
400 -4,8 16000 -6,6
500 -3,2 2000 -9,3
630 -1,9    

Valori assunti dalla curva di ponderazione "A" per le frequenze nominali di centro banda delle bande di un terzo di ottava da 20 Hz a 20 kHz.

Un livello sonoro misurato inserendo la curva di ponderazione "A" si esprime in dB(A); se è misurato inserendo la curva di ponderazione "B" si esprime in dB(B), ecc. La curva di ponderazione "A" è risultata quella in media meglio correlata con la risposta soggettiva umana a rumori generici a larga banda; questo fatto, unito alla facilità di una misurazione fonometrica in dB(A), ha portato all'adozione della curva "A" in molte norme e leggi nazionali ed internazionali. D'altra parte, è ben noto che questo modo di procedere si presta a molte critiche:
Per questi ed altri motivi si ritiene oggi che la curva "A" non abbia più quel significato che originariamente le si voleva attribuire. Ciononostante, la curva "A" resta per la sua semplicità un riferimento comune per una prima approssimata valutazione dei rumori a larga banda. In realtà, la motivazione più forte al mantenimento della curva "A" sembra essere la sua onnipresenza nelle normative di settore. A questo punto il suo significato è puramente convenzionale, ragion per cui nelle normative di elettroacustica che definiscono le caratteristiche dei misuratori di livello sonoro si rifugge dal riferimento a pretese e ormai superate valenze psicoacustiche e si definisce la curva "A" come un filtro nel dominio della frequenza dato da una precisa espressione matematica.

D7) A che cosa serve la suddivisione del campo di frequenze in bande di ottava o di frazioni di ottava?
R7)
Il contenuto energetico di un fenomeno acustico in funzione della frequenza è una "firma" caratteristica del fenomeno stesso e contiene molte informazioni utili. Per esempio, uno stretto picco di energia nell'intorno di una data frequenza identifica un "tono puro". Per estrarre queste informazioni è però necessario analizzare il vasto campo dell'udibile (da 16 Hz a 16000 Hz, approssivativamente) suddividendolo in intervalli più ristretti. Agli albori dell'acustica moderna si pensò di utilizzare una suddivisione mutuata dal campo musicale, dove il "do" di una certa ottava ha frequenza doppia del "do" dell'ottava precedente. Analogamente, le bande di ottava vennero definite in modo che ogni banda avesse frequenza centrale, ed ampiezza di banda, doppia della banda precedente (si parla di rapporto d'ottava uguale a due). Così, con un numero limitato di bande d'ottava si poteva fare una sommaria analisi spettrale. Successivamente l'analisi venne raffinata introducendo le bande di un terzo d'ottava, tre delle quali formano una banda d'ottava (rapporto di terzo d'ottava uguale a due elevato ad un terzo). Poi arrivarono le bande di un sesto, un dodicesimo, un ventiquattresimo d'ottava, ecc. In verità, al giorno d'oggi gli analizzatori di spettro permettono di suddividere il campo dell'udibile in un numero talmente grande di bande molto strette (centinaia o migliaia) che l'uso delle bande di d'ottava o di frazioni d'ottava non ha più molto senso. Tuttavia, le normative tecniche utilizzano ancora in maniera quasi esclusiva le bande d'ottava e di frazioni d'ottava. Anzi, la definizione stessa di ottava si evolve: la recente norma IEC 1260:1995 introduce e consiglia una suddivisione basata sulle potenze di dieci, anziché quelle di due (rapporto d'ottava pari a dieci elevato all'esponente 3/10). Inoltre, vi è un altro motivo per cui le bande d'ottava rimangono attuali: ogni banda comprende un intervallo di frequenze doppio di quella precedente (si dice che sono bande ad ampiezza percentuale costante); quest'effetto di amplificazione permette di contrastare la compressione - crescente in frequenza - dell'asse delle frequenze che inevitabilmente si introduce quando si utilizza una scala delle frequenze logaritmica. Perché si usa una scala delle frequenze logaritmica? Semplicemente perché l'intervallo di frequenze da 16 Hz a 16000 Hz è troppo esteso per poterlo rappresentare in scala lineare, in maniera leggibile ed in uno spazio di dimensioni ridotte, come lo schermo di uno strumento o un foglio di carta.

D8) Qual'è la differenza tra rumore bianco e rumore rosa?
R8)
Il rumore bianco ha una densità spettrale di potenza indipendente dalla frequenza, ovvero intervalli di frequenza di uguale ampiezza contengono la stessa quantità di energia. Un'analisi in banda stretta mostrerebbe uno spettro piatto; un analisi per bande di ottava mostrerebbe una linea crescente di 3 dB per ottava, perchè ogni banda ha un'ampiezza doppia di quella precedente. Il rumore rosa ha una densità spettrale di potenza decrescente con la frequenza. Un'analisi in banda stretta mostrerebbe uno spettro decrescente di 3 dB ad ogni raddoppio della frequenza; un analisi per bande di ottava mostrerebbe uno spettro piatto.

Materiali e sistemi

D9) Qual'è la differenza tra fonoassorbimento e fonoisolamento?
R9)
Quando un'onda sonora incide su un materiale fonoassorbente, l'onda riflessa ha ampiezza minore di quella incidente; di solito ciò è dovuto al fatto che una parte dell'energia incidente viene convertita in calore, ma può anche essere dovuto al fatto che viene favorita la trasmissione attraverso il materiale stesso. In questo caso ha importanza la riduzione dell'energia riflessa, non di quella trasmessa. In modo analogo, quando un'onda sonora incide su un materiale fonoisolante, ha importanza solo la riduzione dell'energia trasmessa. Per esempio, una tenda appesa in mezzo a una stanza è altamente fonoassorbente ma poco fonoisolante, perchè l'energia incidente viene in parte convertita in calore per attrito passando attraverso il tessuto ed in gran parte viene trasmessa atraverso la tenda. Un muro massiccio con intonaco liscio è molto fonoisolante ma poco fonoassorbente, perchè quasi tutta l'energia incidente viene riflessa. Il fenomeno è funzione della frequenza.

Acustica edilizia

D10) Dove si possono trovare informazioni aggiornate in italiano sul calcolo delle prestazioni acustiche dell'edificio nel suo insieme?
R10)
Questo è un articolo recente sull'argomento.

D11) Che cosa sono le curve NC e dove si possono trovare informazioni aggiornate su di esse? (Luca Zappelli)
R11)
Le curve NC, introdotte nel 1957 negli U.S.A., sono state utilizzate per: 1) valutare il rumore prodotto in un ambiente chiuso da un impianto di condizionamento; 2) per specificare i valori limite per bande di ottava, da 63 Hz a 8 kHz, del rumore degli impianti. Riportato lo spettro in esame sul grafico delle curve NC, esso viene classificato con un numero corrispondente a quello della curva NC tangente al suo punto più prominente. Lo spettro nell'esempio in figura, viene classificato come "NC38" (per chiarezza le curve NC sono riportate solo a passi di 5 dB, ma le curve intermedie si possono ottenere per translazione di quelle disegnate).

Curve NC

Curve NC con sovrapposto (linea tratteggiata) uno spettro di rumore in bande d'ottava (da C.M. Harris, "Noise control in buildings", McGraw-Hill (1994)).

Uno degli svantaggi di queste curve è che inducono a classificare con lo stesso valore NC rumori qualitativamente differenti e che producono diverse senzazioni sonore.
L'utilizzo di valori limite NC si è diffuso soprattutto in Nord America, dove poi è stato soppiantato da criteri più prefezionati, tra i quali anche altri sistemi di curve. Comunque, la scelta di un appropriato valore limite NC dipende dalla destinazione d'uso dell'ambiente. Riferimenti aggiornati si possono trovare nel testo:

C.M. Harris, "Noise control in buildings", McGraw-Hill (1994)).

Rumore nell' ambiente abitativo ed esterno

D12) Nel testo di E.Cirillo "Acustica Applicata", McGraw-Hill (1997), p.48, trattando dei modelli di sorgente per la propagazione del suono in ambiente esterno, si dice che nel modello analitico di Kurze e Beranek, si assumono n sorgenti puntiformi in linea, "tutte della stessa potenza, ciascuna, però, irradiante suoni differenti". Che cosa si intende per "suoni differenti"? La "differenza" dei suoni è fondamentale? (Enrico Manzi, studente di ingegneria edile)
R12)
In questo caso, l'unica interpretazione possibile è che per "suoni differenti" debbano intendersi campi sonori incoerenti, cioé scorrelati tra loro in maniera tale che tra le fasi delle onde emesse da due sorgenti qualsiasi dell'insieme dato ad una frequenza qualsiasi non esista nessuna relazione determinata. Di conseguenza, l'effetto sul ricevitore si può ricostruire semplicemente sommando i contributi energetici delle n sorgenti puntiformi. Se viceversa le n sorgenti fossero "fasate" tra loro, l'effetto sul ricevitore si dovrebbe ricostruire combinando le varie onde in modulo e fase, e tenendo anche conto dei ritardi di fase associati alle diverse distanze percorse dalle onde. Tutto diverrebbe più complicato, ma inutilmente: il modello è nato per descrivere una fila di automobili su di una strada, che certamente non hanno emissioni rumorose in fase tra loro. Questa interpretazione è confermata dalla lettura del testo originale dal quale l'autore italiano ha ripreso la trattazione: L.L. Beranek (Editor) "Noise and vibration control", INCE, (1988), p.166.

D13) Che cos'è il criterio differenziale, richiamato per esempio nel D.M. 11/12/96 attuativo della Legge n. 447 del 26/10/95? (Nicola Leonardi, studente di ingegneria edile)
R13)
La Legge n. 447 del 26/10/95, Legge quadro sull'inquinamento acustico, stabilisce due tipologie di valori limite di immissione in ambiente:
Il D.M. 11/12/96 si occupa dell'Applicazione del criterio differenziale per gli impianti a ciclo produttivo continuo, regolamentando il regime transitorio di passaggio dal D.P.C.M. 1/3/91 alla piena attuazione della legge n. 447 del 26/10/95 con i relativi decreti attuativi.
I livelli di rumore ambientale e rumore residuo sono definiti nel successivo D.M. 16/3/98, Tecniche di rilevamento e misurazione dell'inquinamento acustico, come segue.
I livelli di cui sopra si intendono come livelli continui equivalenti di pressione sonora ponderati "A".
Nel D.M. 16/3/98, si precisa anche che dalla valutazione del livello di rumore ambientale vanno esclusi "gli eventi sonori singolarmente identificabili di natura eccezionale rispetto al valore ambientale della zona" (per esempio gli scoppi di petardi la notte dell'ultimo dell'anno in una zona residenziale altrimenti tranquilla). Anche il livello di rumore residuo non deve contenere eventi sonori atipici.
Occorre ancora precisare che, secondo il D.M. 16/3/98, il livello che si confronta con i limiti di esposizione: Chiarite le definizioni, bisogna stabilire i valori limite. Secondo il D.P.C.M. 14/11/97, Determinazione dei valori limite delle sorgenti sonore, i valori limite assoluti di immissione sono distinti per classi di destinazione d'uso del territorio (ne vengono individuate sei) e per i tempi di riferimento diurno (06-22) e notturno (22-06). I valori limite differenziali sono pari a 5 dB per il periodo diurno e 3 dB per il periodo notturno. Tali valori limite differenziali non si applicano nelle aree assegnate alla classe VI (aree esclusivamente industriali).
Essi non si applicano neanche nei seguenti casi (art. 4, comma 2), "in quanto ogni effetto del rumore è da ritenersi trascurabile:
a) se il rumore misurato a finestre aperte sia inferiore a 50 dB(A) durante il periodo diurno e 40 dB(A) durante il periodo notturno;
b) se il livello del rumore ambientale misurato a finestre chiuse sia inferiore a 35 dB(A) durante il periodo diurno e 25 dB(A) durante il periodo notturno.
"
Il successivo comma 3 dell'art. 4 infine recita:
"Le disposizioni di cui al presente articolo non si applicano alla rumorosità prodotta:
      dalle infrastrutture stradali, ferroviarie, aeroportuali e marittime;
      da servizi e impianti fissi dell'edificio adibiti ad uso comune, limitatamente al disturbo provocato all'interno dello stesso.
"

Strumenti e procedure di misura

D14) Che cosa si intende per capacità microfonica? Che cosa si intende per risposta in frequenza di un microfono?
R14)
Praticamente tutti i microfoni di misura attualmente in uso sono dei condensatori elettrici ad aria. Essi sono costituiti da un diaframma metallico flessibile e da un contropiatto metallico rigido, che formano le piastre parallele del condensatore, polarizzato caricando elettricamente il contropiatto. Esponendo il microfono ad un campo sonoro, le oscillazioni della pressione sonora provocano la vibrazione del diaframma, che è una sottilissima membrana tesa; di conseguenza, varia la distanza tra diaframma e contropiatto, il che a sua volta provoca, per le leggi elementari dei condensatori, una variazione della tensione elettrica ai terminali del condensatore. Dunque il microfono traduce (o "trasduce") le variazioni della pressione sonora in un segnale di tensione elettrica ed è quest'ultimo che viene analizzato dal resto della catena di misura. La capacità microfonica è la capacità elettrica (espressa in picofarad) del condensatore che costituisce il cuore del microfono. Valori tipici sono 10-20 pF. Si definisce poi la sensibilità del microfono, che è il rapporto tra l'ampiezza del segnale di tensione in uscita e l'ampiezza del segnale di pressione sonora in entrata; la sensibilità si esprime dunque in millivolt/pascal (mV/Pa). Si distinguono la sensibilità "a circuito aperto", quando il microfono non è collegato ad un carico esterno, e la sensibilità "in carica", quando il microfono è collegato al preamplificatore, come avviene durante una misurazione. La sensibilità varia leggermente con la frequenza. Valori tipici della sensibilità a circuito aperto vanno da 10 a 50 mV/Pa a 250 Hz. La sensibilità può essere espressa anche in decibel (dB), rapportando il suo valore in mV/Pa al valore di riferimento di 1 V/Pa e prendendo 20 volte il logaritmo in base dieci del rapporto. Per esempio:

20lg[(50 mV/Pa)/(1 V/Pa)] = -26 dB (re. 1V/Pa)

La relazione tra sensibilità a circuito aperto S0, sensibilità in carica Sc e guadagno del preamplificatore G é:

Sc = S0 + G (dB)

La risposta in frequenza del microfono è la variazione della sensibilità a circuito aperto espressa in decibel in funzione della frequenza. In pratica, la curva della risposta in frequenza viene ottenuta in fabbrica ponendo sul microfono un attuatore elettrostatico che eccita il diaframma in modo simile alla pressione sonora. Per semplicità, la curva della risposta in frequenza viene poi traslata in modo che il valore assunto dalla sensibilità stessa sia esattamente 0 dB alla frequenza di riferimento (in genere 250 Hz o 1000 Hz). Infine, la curva viene ottimizzata per essere più piatta possibile per l'uso prevalente del microfono (in pressione, in campo libero o in campo diffuso) e per la presenza della griglia di protezione. La curva viene allegata alla carta di calibrazione che accompagna ogni microfono di misura.

Curva di risposta    Mic. B&K 4190

Risposta in frequenza di un microfono B&K 4190 con correzione per campo libero e griglia di protezione.

D15) Che cos’è il "residual pressure-intensity index" associato alle misurazioni intensimetriche? (Francesco Amati, studente di ingegneria edile)
R15)
 Per calibrare una sonda intensimetrica p-p, i due microfoni della sonda intensimetrica vengono inseriti in un apposito calibratore che li espone al medesimo campo sonoro. Per due microfoni ideali, ne dovrebbe risultare in uscita un livello di pressione sonora Lp identico ed un livello di intensità nullo (ricordando che l'intensità viene calcolata a partire dalla differenza tra i due segnali di pressione sonora). In realtà i microfoni non sono ideali: i due microfoni ed i componenti successivi dei due canali di misura hanno sempre piccole differenze di fase, che danno luogo ad un segnale "spurio" di livello di intensità, detto livello di intensità residua LI0, funzione della frequenza e del tipo di sistema di misura. Il livello di intensità residua non è costante, ma varia con il livello di pressione sonora misurato. Si mantiene però costante, fissati il sistema di misura e la frequenza, la differenza tra il livello di pressione sonora ed il livello di intensità residua, indicata con d pI0:

Questa differenza, in dB, è l’indice del campo sonoro residuo (residual pressure-intensity index).

Calcolo DeltapI0

Calcolo dell’indice del campo sonoro residuo, eseguito sottraendo dal livello di pressione sonora il livello di intensità residua, entrambi misurati nell’accoppiatore acustico per calibrazione.

Per una misurazione reale, con la sonda esposta ad un campo sonoro qualsiasi, si ottiene il livello di intensità residua "spuria", dovuta all’imperfezione dello strumento, sottraendo l’indice del campo sonoro residuo dal livello di pressione sonora misurato:

Il livello di intensità residua è quindi confrontato con il livello di intensità effettivamente misurato; si dimostra che la differenza deve essere di almeno 7 dB per assicurare un errore di misura di 1 dB.

Calcolo LI0

Livello di pressione sonora e livello di intensità ottenuti in una misurazione reale. Il livello di intensità residua è calcolato utilizzando l’indice del campo sonoro residuo ottenuto in fase di calibrazione.

D16) Come si esegue la calibrazione di un intensimetro con sonda intensimetrica p-p? (Francesco Amati, studente di ingegneria edile)
R16)
 La calibrazione comprende le tre fasi seguenti.

A) Calibrazione del livello di pressione sonora. I due microfoni della sonda vengono inseriti in un accoppiatore dove sono esposti ad un segnale di pressione sonora di riferimento identico per entrambi. Si regola l’apparato finché i due livelli di pressione sonora forniti dai due canali microfonici non sono entrambi uguali a quello di riferimento.

B) Calibrazione dei livelli di intensità acustica e di velocità delle particelle. I due microfoni sono disposti nell’accoppiatore acustico in modo da simulare un campo di pressione sonora senza riflessioni e con un cambiamento di fase tra i due microfoni corrispondente ad una spaziatura di 50 mm. Questo cambiamento di fase simula dati livelli di intensità acustica e di velocità delle particelle. Si regola l’apparato finché i due livelli non sono entrambi uguali a quelli di riferimento.

C) Misurazione dell’indice del campo sonoro residuo (residual pressure-intensity index). I due microfoni della sonda vengono inseriti in un accoppiatore (con generatore di rumore diverso dai casi precedenti) dove sono esposti ad un segnale di pressione sonora di riferimento identico per entrambi. L’intensità acustica misurata dovrebbe idealmente essere zero. Invece, si rileva un livello di intensità sonora residua. Noto anche il livello di pressione sonora misurato, si ricava l’indice del campo sonoro residuo.

Calibrazione Lp Calibrazione LI Calibrazione DeltapI0
(A)                                           (B)                                           (C)      

Utilizzo di un calibratore intensimetrico (B&K 3541): (A) disposizione per la calibrazione del livello di pressione sonora; (B) disposizione per la calibrazione dei livelli di intensità acustica e di velocità delle particelle; (C) disposizione per la misurazione dell’indice del campo sonoro residuo.

Varie

D17) Che cos'è il controllo attivo del rumore?
R17)
Il controllo attivo del rumore (Active Noise Control, ANC) è un metodo per attenuare suoni indesiderati mediante onde sonore di uguale ampiezza e in opposizione di fase rispetto all'onda sonora data, in modo da produrre interferenza distruttiva. Per realizzare il controllo attivo sono necessari: uno o più sensori (microfoni) per misurare l'onda sonora da attenuare; uno o più attuatori (altoparlanti) per produrre l'onda in controfase; un sistema di controllo (controller) che deve analizzare il segnale fornito dai sensori e pilotare di conseguenza gli attuatori, in tempo reale. In pratica, ciò significa che il controller deve funzionare in tempi ridottissimi, dell' ordine di pochi millisecondi, e quindi la sua realizzazione pratica è stata possibile solo negli ultimi anni, con l'avvento di DSP (Digital Signal Processor) sufficientemente veloci. Questo metodo sta diventando sempre più popolare e talvolta viene proposto come una miracolosa panacea per tutti i problemi di rumore, il che non è vero. Per esempio, il controllo attivo 3D (ambienti abitativi, sale conferenze, discoteche) è molto difficile e costoso da realizzare: allo stato attuale, si può ottenere un'attenuazione localizzata a zone limitate dell'ambiente dato, ma non su tutto lo spazio. Il metodo è più adatto in piccoli ambienti e quando le persone restano in posizioni fisse, per esempio per attenuare il rumore attorno alla testa di un passeggero di un'automobile o di un aeroplano.
Per chi volesse approfondire l'argomento, esiste una FAQ sul controllo attivo (in inglese) all'URL:

http://www.ba-karlsruhe.de/faqlib/active-noise-control/ancfaq.html

Questo è un lavoro in italiano sul controllo attivo del rumore degli impianti di condizionamento:

M.Garai, P.Guidorzi, A.Cocchi Un prototipo di controllo attivo del rumore in condotti a sezione rettangolare, Atti del XXVII Convegno Nazionale AIA, Genova, 26-28 Maggio 1999. (PDF, 138 KB)

D18) Che cos'è la sonoluminescenza?
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All'inizio degli anni trenta Frenzel e Schultes scoprirono che le lastre fotografiche si 'annebbiavano' quando venivano sommerse in acqua esposta a suoni di alta frequenza. Con esperimenti più recenti si è riusciti a sospendere una singola bolla luminosa pulsante in un campo sonoro di onde stazionarie, visibile in una stanza normalmente illuminata. In generale la sonoluminescenza è l'emissione di luce da parte di piccole bolle in cavitazione piene di aria e di altri gas in acqua o in altri fluidi, prodotte quando un fluido è eccitato da intense onde sonore di alta frequenza. Il meccanismo non è stato ancora completamente chiarito, ma si suppone che al centro delle bolle collassanti si producano pressioni e temperature molto alte. Per chi volesse approfondire l'argomento si rimanda alle seguenti URL:

http://www-phys.llnl.gov/N_Div/sonolum/
http://www-phys.llnl.gov/N_Div/sonolum/sonolum_paper.html
http://www.sonoluminescence.com/



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