S P E C T R A S. r. l. Via Belvedere n A R C O R E Tel.: Nota di applicazione

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1 Nota di applicazione Premessa ARMANI Alberto Con l impiego dell integrazione di Schroeder, la tecnica dell eccitazione con impulsi per la determinazione del tempo di riverberazione si è dimostrata più pratica, più veloce oltre che più accurata. Le sorgenti impulsive più utilizzate per questo scopo consistono in esplosioni ottenute con colpi di pistola o scoppi di palloncini. Questa nota tecnica descrive una nuova sorgente sonora impulsiva realizzata con due semplici assi di legno incernierate su un lato in modo da consentirne la battuta mediante impugnatura su apposite maniglie. Il risultato ottenuto dopo la sperimentazione di numerose varianti si dimostra molto interessante poiché consente una eccitazione ripetibile con costanza e con una ottima estensione anche sulle basse frequenze. Eccitazione con impulsi La peculiare caratteristica che rende così attraente l eccitazione impulsiva per molte applicazioni di analisi del segnale consiste nella possibilità di eccitare contemporaneamente un largo spettro in frequenza con un tipo di segnale molto facile da generare. La base storica del segnale impulsivo è costituita dalla delta di Dirac ossia da un impulso infinitamente breve, con energia infinitamente alta e con copertura di una banda in frequenza infinitamente ampia; nella pratica si utilizza un segnale impulsivo caratterizzato da una durata sufficientemente breve per eccitare la gamma in frequenza desiderata. Disporre di un segnale che istantaneamente consente di eccitare una ampia gamma di frequenze, rende molto efficiente tutto il campo delle analisi condotte con i moderni sistemi digitali real-time. Un esempio grafico può meglio di altre trattazioni analitiche descrivere queste particolarità dell eccitazione impulsiva. In fig.1 viene mostrato a sinistra la Fig.1 Impulsi nel tempo e corrispondente spettro in frequenza. descrizione del segnale impulsivo nel dominio del tempo come forma d onda mentre a destra osserviamo il corrispondente spettro in frequenza. Risulta facile notare come per l impulso più breve riportato in alto a sinistra, corrisponde uno spettro che Pag. 1

2 si estende sino ad oltre i 40 khz in quanto generato da un impulso di durata 9.76 micro secondi corrispondente ad un campione della frequenza di campionamento di Hz. All impulso con durata più lunga di 10 volte, riportato in basso a sinistra, corrisponde uno spettro con un livello che decresce bruscamente a tende ad annullarsi alla frequenza di Hz per poi risalire e riscendere con lobi ognuno di larghezza sempre pari a Hz ovvero pari a 1/T (1/97.65µs). Il segnale riportato in rosso si riferisce ad una condizione intermedia ovvero con un impulso di durata pari a 48.8 µs e quindi con un primo zero dello spettro alla frequenza di Hz (1/48.8µs) seguito da lobi con larghezza costante sempre pari all inverso della durata dell impulso. La presenza dei lobi è conseguenza della forma squadrata del segnale utilizzato, che presenta bruschi transitori all attacco ed al termine dell impulso. Ottimizzare un segnale impulsivo risulta però piuttosto agevole come mostrato in fig.2 dove in rosso, viene riportato il risultato conseguente all azione di raccordo condotta sui transitori di attacco e di discesa del segnale originale riportato in blue; lo spettro in frequenza originale, caratterizzato dalla sequenza di lobi è ora definito dalla risposta in frequenza corrispondente alla sola banda Fig.2 Impulso raccordato e spettro senza lobi alle frequenze alte. base che va da zero a 1/T. Generazione di impulsi sonori: Pistola a salve Generare un impulso sonoro risulta però meno semplice di un impulso elettrico. Sebbene sia fattibile la possibilità di inviare un segnale elettrico di tipo impulsivo ad un amplificatore di potenza ed ad una cassa acustica con caratteristiche omnidirezionali quali quelli di una classica sorgente dodecaedrica, la soluzione si dimostrerebbe scarsamente efficiente sia come resa sonora sia come portabilità complessiva del sistema. Un generatore di impulsi sonori molto efficiente è invece costituito dalle esplosioni ottenute con dei colpi a salve di pistola fig.3. La pistola è una sorgente sonora impulsiva quasi ideale poiché è di dimensioni contenute, leggera, facilmente trasportabile e genera un impulso molto breve e con alta energia. Gli aspetti negativi sono però insiti nell oggetto medesimo in quanto trattasi di una vera e propria pistola anche se a salve e quindi di un oggetto che presenta qualche problema pratico per il suo possesso e trasporto, soprattutto se ci si deve spostare con mezzi aerei! Occorre aggiungere anche che dovrebbe essere una pistola adattata opportunamente oppure di grosso calibro poiché diversamente non si potrebbe ottenere uno spettro sufficientemente esteso Fig.3 Pistola a salve specie per le frequenze inferiori ai 300 Hz. In fig.4 dove viene riportato lo spettro in frequenza tipico della risposta impulsiva prodotta da un colpo di pistola calibro 38, si può osservare come la massima energia viene rilasciata nel campo delle medie ed alte frequenze. L alto livello di pressione sonora rilasciato da un colpo di pistola può determinare facilmente il sovraccarico dello stadio d ingresso del fonometro o del suo sistema di analisi e quindi si dovrà regolare con cura la gamma dinamica di misura. Nei casi dove ad un microfono prepolarizzato ad elettreti è abbinato un preamplificatore microfonico alimentato a corrente costante del tipo ICP TM, si dovrà prestare attenzione a non superare il valore di massima tensione ammissibile all ingresso del Pag. 2

3 preamplificatore poiché il fenomeno di sovraccarico interno non verrebbe rilevato dal sistema di analisi. Utilizzando un tradizionale microfono da 1/2 con 50mV/Pa di sensibilità nominale, sarà sufficiente un livello di 137 db di picco per superare la soglia di tensione massima d ingresso di 10 Volt ed innescare una condizione di misura critica per la maggior parte dei preamplificatori microfonici. Questo fatto determina in pratica l impossibilità di utilizzare il tradizionale microfono da 50 mv/pa in dotazione alla quasi totalità dei fonometri di classe 1, quando per l eccitazione sonora in ambienti confinati di non grandi dimensioni, viene utilizzato un colpo di pistola a salve. Il livello di picco di un colpo di pistola rilevato a 2.5 metri di distanza, in un ambiente di medie dimensioni risulta generalmente sempre superiore ai 155 db. Fig.4 Spettro in frequenza colpo di pistola Occorre infine fare qualche appunto sulla omnidirettività della sorgente pistola poiché sebbene di dimensioni contenute, l energia rilasciata nelle diverse direzioni risulta molto variabile e dipende sia dal calibro, sia dal tipo di arma ovvero a tamburo o a retrocarica; in termini di ripetibilità questo tipo di sorgente impulsiva risulta piuttosto scadente. Generazione di impulsi sonori: Palloncini Un'altra sorgente sonora impulsiva di facile reperibilità è costituita dai palloncini in lattice che dopo averli gonfiati vengono fatti esplodere al momento opportuno tramite uno spillo fig.5. Il contenuto di basse frequenze rilasciato dallo scoppio di un palloncino risulta in relazione diretta con la sua dimensione ed il mercato offre una nutrita varietà di palloncini con dimensioni variabili da pochi centimetri a fino oltre i due metri di diametro. Per l impiego tipico di eccitazione sonora di un ambiente di piccole o medie dimensioni risulta sufficiente un palloncino con un diametro di centimetri. In fig.6 vengono mostrati due spettri sovrapposti di cui uno corrispondente allo scoppio di un palloncino da 18 cm e l altro allo scoppio di un palloncino da 40 cm.; dalla loro comparazione, risulta evidente il maggior livello sonoro globale emesso dal palloncino con dimensioni maggiori, (superiore di circa 12 db) e la mancanza di Fig.5 Palloncini gonfiabili energia per tutte le frequenze inferiori ai 500 Hz per il palloncino di piccole dimensioni. Lo spettro risulta non uniforme in ragione delle disomogeneità del materiale con cui il palloncino viene realizzato e poiché tale problema è specifico per ogni palloncino, questo rende molto variabile a parità di tipo di Fig.6 Spettro in frequenza palloncini palloncino, lo spettro di emissione tra una esplosione e l altra. Pag. 3

4 La diversa quantità d aria usata per gonfiare ogni palloncino contribuirà ad introdurre un'altra variabile che influenzerà il livello globale di emissione sonora durante lo scoppio. Disomogeneità del materiale e diversa quantità d aria tra palloncini, determinano durante lo scoppio anche una diversa modalità di emissione direzionale; se una certa zona del palloncino risulta più debole di un'altra, durante l esplosione si lacererà con modalità diverse influenzando di volta in volta in modo imprevedibile l emissione sonora dell intera unità. Un evidente sintomo associato a questi due problemi risulta ben visibile osservando la diversa forma che il palloncino può assumere durante il suo gonfiaggio. Per ultimo dobbiamo anche considerare che l impiego dei palloncini richiede il loro gonfiaggio, operazione un po impegnativa e che li rende spesso meno pratici nell impiego sul campo di altri tipi di sorgenti sonore impulsive. Generazione di impulsi sonori: Clappatore Prendendo spunto dalla più antica sorgente impulsiva, utilizzata per la valutazione della resa acustica degli ambienti confinati ovvero dalla classica battuta di mani, si è cercato di trovare una soluzione adatta per aumentare l energia sonora emessa, rendere ripetibile l impulso e soprattutto estendere l eccitazione sulle basse frequenze. Considerando la dinamica della battuta di mani, sono state acquistate due tavole di legno truciolare nobilitato melamminico per uso mensole con spessore 18 mm e dimensioni di 200 mm di larghezza per 600 mm di lunghezza, incernierando poi fra di loro i due lati più corti e disponendo due impugnature su ciascuna delle tavole. Il generatore di impulsi così realizzato viene battezzato Clappatore per assonanza con la definizione inglese di hand clap che sta per battuta di mani. Il clappatore viene mostrato in fig.7 con due foto corrispondenti alla realizzazione iniziale del 2007, costituita dalle sole tavole di legno e da una successiva modifica in cui è stata praticata un apertura sulla parte superiore di una delle tavole, chiusa poi verso il Fig.7 Tavole di legno incernierate Clappatore - versione iniziale 2007 lato esterno con gomma da 5 mm di spessore incollata sui bordi; il vano interno è riempito con materiale assorbente ad alta densità. La versione modificata trae origine ancora una volta da quanto un operatore può fare con il suo battito di mani per estendere verso il basso lo spettro delle frequenze eccitate; cercando di creare una conca con la mano per ottenere un maggior volume all atto della battuta di mani, si produce un evento sonoro più corposo, più sordo e più esteso sulle basse frequenze. Agendo sulle apposite impugnature è possibile fare impattare le due tavole per generare un impulso sonoro di elevata intensità. La soluzione con le due tavole di legno produce un impulso con uno spettro di frequenza carente per tutte le frequenze inferiori agli 800 Hz; in fig.8 lo spettro della versione iniziale viene confrontato con la risposta in frequenza ottenuta con una delle prime modifiche pensate per estendere la risposta sulle basse frequenze. In teoria l obiettivo può essere raggiunto semplicemente allungando la durata dell impulso ma nella dinamica di un dispositivo così semplice, gli elementi su cui è possibile agire per raggiungere questo scopo portano inevitabilmente alla ricerca di un compromesso poiché se cerchiamo di ottenere più energia alle basse frequenze troveremo poi una non Fig.8 Risposta in frequenza. Solo legno e legno + gomma trascurabile diminuzione sulle alte frequenze, Pag. 4

5 come viene ben mostrato dai grafici di fig.8. Dopo numerose versioni ed esperienze pratiche di impiego diretto in campo, si è consolidata la convinzione che la prestazione ottimale per un generatore sonoro ad impulsi è quella elencata nei punti seguenti: Gamma frequenze generate : 80 Hz 5 khz ±5 db Elevato livello di energia sonora generata Buona ripetibilità del livello e dello spettro per singoli impulsi Ingombro contenuto (60 cm x 20 cm) Praticità e semplicità di impiego Leggero Robusto Facile nel trasporto Economico La versione 2009 in fig.9 del clappatore è caratterizzata da due scatolati in legno posti sulla metà superiore di ciascuna delle due tavole e chiusi verso il lato esterno sempre con uno strato in gomma da 4 mm; lo scopo è quello di ottenere una maggiore energia concentrata nello spettro di frequenze comprese tra i 100 Hz ed i 500 Hz; il volume interno di ognuno degli scatolati viene riempito con materiale assorbente spugnoso di tipo poliuretanico per spalmare l effetto delle Fig.9 Clappatore versione 2009 risonanze della cavità. I bordi esterni nella dimensione maggiore di ognuna delle due tavole sono irrobustiti dal proseguimento del listello di legno che chiude ai lati lo scatolato. In fig.10 vengono riportate le fotografie che mostrano i lavori eseguiti sulle singole tavole del clappatore, i rinforzi, lo strato di gomma di copertura e la posizione delle maniglie per l impugnatura. Il peso totale del dispositivo assemblato varia tra i 3 ed i 5 kg in relazione al tipo dei materiali impiegati. La cavità creata con la soluzione dello scatolato produce una serie di risonanze molto accentuate attorno alle frequenze dei 140 e 250 Hz che smorzate con l impiego della schiuma di Fig.10 Lavori sulle singole tavole di legno poliuretano ad alta densità consentono di raggiungere l obbiettivo desiderato la cui curva di risposta in frequenza viene riportata in fig.11 a confronto con le realizzazioni fatte in precedenza. L esaltazione delle basse frequenze permette un utilizzo del clappatore nella sua ultima versione su una gamma di frequenze che si estende da 80 Hz ad 8 khz con variazioni di livello tra singole bande di 1/3 d ottava inferiore ai 4 db. Per quanto riguarda la durata dell impatto, gli smorzamenti alle varie risonanze sono tali da non introdurre alcuna coda sul riverbero strutturale del clappatore; i tempi di riverbero rilevati in campo libero risultano confrontabili con i tempi di risposta elettrica corrispondenti a ciascun filtro Fig.11 Esaltazione delle basse frequenze ottenuta con lo uno scatolato su ciascuna delle assi del clappatore Pag. 5

6 di 1/3 d ottava. La risposta nel tempo del clappatore non introduce quindi alcuna limitazione per quanto riguarda la capacità di misura dei tempi di riverbero più brevi rilevabili dal sistema di analisi. A differenza da quanto riportato a proposito delle altre sorgenti sonore impulsive quali la pistola a salve o i palloncini gonfiabili, la ripetibilità ottenuta con il clappatore tra un impatto ed il successivo risulta molto buona ed è documentata nel grafico di fig. 12 dove in un ambiente adibito ad ufficio sono stati ripetuti dallo stesso operatore 12 impulsi in successione, mantenendo la medesima posizione relativa tra sorgente e posizione microfonica; il grafico mostra uno scostamento massimo tra le varie bande di 1/3 d ottava compreso tra ±2.5 db con uno scarto tipo inferiore a 2 db. Cambiando operatore la situazione non subisce sostanziali scostamenti poiché risulta difficile introdurre una velocità d impatto molto diversa tra un impulso e l altro in ragione del peso delle singole tavole e del posizionamento delle maniglie di impugnatura che sono posizionate piuttosto vicine alla cerniera tra le due tavole. L energia sonora rilasciata da ciascun impatto Fig.12 Esaltazione delle basse frequenze ottenuta con lo uno scatolato su ciascuna risulta sostenuta ed in grado di eccitare locali di dimensioni fino a 200 m 3 con livelli per 1/3 d ottava compresi tra 80 e 100 db e quindi con la garanzia di un buon rapporto segnale disturbo. Si ricorda quindi che l operatore risulta sempre direttamente investito dall energia sonora generata con l impatto del clappatore con livelli di largamente superiori ai 146 db di picco(c) e di conseguenza viene vivamente raccomandato l impiego di adeguati dispositivi di protezione contro il rumore (cuffie o inserti auricolari). In relazione alla direttività del dispositivo è opportuno richiamare il campo di impiego del clappatore, (ISO 140, ISO 354 ed ISO ) destinato ad una eccitazione per la valutazione della riverberazione in normali ambienti confinati e non per la determinazione dei parametri di Room Acoustic o di qualità degli ambienti quali chiarezza C, definizione D, tempo centrale Cs, energia laterale LF ed LCF (ISO ); questi parametri sono più attinenti alla valutazione acustica di teatri, chiese, studi di registrazione e sale conferenze; per questo scopo risulta importante l impiego di una sorgente sonora dalle caratteristiche di emissione più omnidirezionali possibili. Volendo comunque dare una caratterizzazione della direttività del clappatore sono state sperimentate tecniche di misura innovative con risultati molto interessanti. In fig.13 sono riportati i risultati nella forma di fonomappatura acustica ottenuta su un piano di emissione orizzontale posto a 20 cm dal bordo superiore del clappatore; la rappresentazione cromatica con i colori in rosso per i livelli più elevati ed in blue per quelli più bassi, consente di osservare facilmente la complessa modalità di emissione che avviene in corrispondenza di alcune bande di 1/3 d ottava. L emissione acustica ottenuta con l impatto, risulta omnidirettiva fino alla frequenza degli 800 Hz ma con una particolare interferenza centrata sul 1/3 d ottava dei 500 Hz dove si osserva una emissione con 4 lobi disposti a 90 lungo le direttrici longitudinale e trasversale; l origine di questa forma di emissione potrebbe essere associata alla dimensione maggiore del clappatore che risulta pari a 60 cm (320m/s/0.6m = 533Hz); a 1000 e 1250 Hz sono prevalenti le emissioni lungo la direttrice longitudinale ovvero quella corrispondente al piano di battuta del clappatore mentre per le frequenze superiori sono dominanti le emissioni sul piano trasversale ovvero quello normale alle due assi del clappatore. La procedura che ha consentito la visualizzazione riportata in fig.13 è realizzata sfruttando la capacità di analisi parallela del sistema SoundBook ad 8 canali; sette canali provengono da un insieme di microfoni da 1/4" disposti in linea a distanza di 20 cm l uno dall altro, mentre l ottavo microfono è vincolato su una delle tavole del clappatore e viene utilizzato Pag. 6

7 per ottenere il segnale di sincronizzazione degli impulsi e per la loro normalizzazione in ampiezza. L acquisizione delle misure si è svolta generando con il clappatore, una serie di impulsi ponendosi in campo libero e con la linea di microfoni parallela al terreno a 2 m d altezza; ogni sequenza di 5 impulsi veniva mediata in modo sincrono e memorizzata quindi si spostava di 22.5 l angolazione di eccitazione del clappatore mantenendo un asse ed una altezza fissa, compiendo un'altra sequenza con media sincrona sui 5 impulsi e così di seguito per un totale di 16 volte (80 impulsi, 7 postazioni microfoniche, 7 x 16 = 112 punti di misura). Riteniamo utile sottolineare la semplicità generale di questa procedura di misura soprattutto considerando la qualità dei risultati che possono essere ottenuti e non ultimo il fatto che dal momento dell allestimento hardware all esecuzione delle misure fino al risultato grafico finale, sono trascorsi meno di 80 minuti. Le misure acquisite per ogni postazione microfonica sono poi state trasferite nel software Noise & Vibration Works e con l opzione mappe è stata organizzata la disposizione radiale dei 112 punti di misura ottenendo così i risultati riportati in fig.13. Fig.13 Fonomappe di emissione del clappatore in campo libero su piano orizzontale sui 1/3 d ottava dei 160, 500, 800, 1000 e 2500 Hz;raggio 1.5 m. Con una modalità simile ma orientando verso l alto il supporto con i 7 microfoni in linea, sono state acquisite le medie sincrone degli impulsi su direttrici poste a distanza crescente lungo il piano trasversale di impatto del clappatore; i risultati espressi sempre nella forma grafica di fonomappe, sono riportati in fig.14. L emissione sul piano trasversale mostra che la maggior quantità di energia sonora viene rilasciata dalla parte superiore del clappatore dove risulta maggiore la velocità d impatto e dove corrisponde anche una ampia superficie liscia tra le due tavole. Alcuni modi propri di vibrare delle tavole mostrano dei massimi proprio sugli angoli estremi superiori. L interazione tra le dimensioni fisiche del clappatore, i materiali usati, le risonanze nelle cavità degli scatolati, i modi di vibrare, i vincoli e la posizione delle impugnature, rendono estremamente articolata l emissione acustica del clappatore. Pag. 7

8 In generale dalle frequenze basse fino a 800 Hz l emissione è prevalente nella zona centrale e superiore mentre tra 1000 e 2000 Hz si concentra nella zona centrale per poi coinvolgere la metà superiore del clappatore da 2500 a 4000 Hz e sfumare verso l estremo superiore alle frequenze superiori. Con identiche procedure sono state eseguite altre misure per produrre anche le fonomappe relative all emissione sul piano longitudinale ottenendo conferma della complessità nei vari modi di irradiare del clappatore. Fig.14 Fonomappe di emissione del clappatore in campo libero su piano trasversale sui 1/3 d ottava dei 200, 630, 1250, 2500 e 4000 Hz. Conclusione. Il dispositivo descritto si propone come una valida alternativa quando si preferisce utilizzare l eccitazione impulsiva al metodo classico del rumore interrotto per la valutazione del tempo di riverberazione in conformità con le norme ISO 140, ISO 354 ed ISO L eccitazione impulsiva ottenuta con il clappatore, unitamente all integrazione di Schroeder, rende questo metodo più pratico, più veloce e più accurato; non occorre né alimentazione a rete né a batteria; è facilmente portatile ed è economico. A ribadire la validità del metodo dell eccitazione impulsiva rispetto al rumore interrotto, trascriviamo quanto riportato al punto della ISO : Incertezza di misurazione La ripetibilità nelle misurazioni utilizzando il metodo della risposta integrata all impulso è dello stesso ordine di grandezza della ripetibilità di una media di 10 misurazioni con il metodo del rumore interrotto. Pag. 8