ACUSTICA ARCHITETTONICA

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1 1 2. Acustica ACUSTICA ARCHITETTONICA 1. T60 e qualità acustica 2. Indici di qualità acustica per musica e parlato 3. Criteri di progettazione e correzione acustica per le sale

2 La riverberazione e la qualità acustica di sale Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 2 Le condizioni per un'ottimale trasmissione di messaggi sonori in un ambiente chiuso, sia che si tratti di parlato o di musica, sono state riassunte da Sabine in queste semplici regole: 1) il suono deve giungere sufficientemente intenso in tutti i punti di ascolto della sala; 2) i suoni che si succedono con rapida emissione i devono arrivare all'ascoltatore lt t chiari i e distinti mantenendo la loro individualità; 3) le componenti spettrali di un suono complesso devono mantenere in modo inalterato le loro intensità relative. La presenza delle pareti fa incrementare la potenza acustica ricevuta dall'ascoltatore rispetto al caso del campo sonoro libero; oltre al suono diretto, infatti, in ciascun punto della sala giunge, g sebbene con un certo ritardo, anche il suono riflesso dalle pareti. Tale fenomeno, noto con il nome di riverberazione, gioca un ruolo fondamentale nella determinazione delle condizioni di comfort auditivo all'interno degli ambienti confinati.

3 2 S 1 d 3 R La riverberazione Approccio dell acustica geometrica S = sorgente R = ricevitore D = distanza tra D e R 1 = onde prima riflessione i.... N = n-esima riflessione a) W W Ws a) andamento temporale della potenza emessa dalla sorgente; b) andamento temporale della densità di energia nel ricevitore it R. b) ΔD 2 ΔD 1 D DR D2 D1 DD 0 T 0 T0 T1T2 TA T TET' Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti D TF D' D'' D''' t t D 1 = D D + ΔD 1 D 2 = D 1 + ΔD 2 ΔD Δ ΔD2 < ΔD 1 n D n 1 D = D + R D < D riv (T A T 0 ): transitorio di attacco; (TE TA): regime (T F T E ): transitorio di estinzione. 3

4 4 La riverberazione D T T0 T TE t In condizioni di campo libero, non vi sono più i transitori di attacco e di estinzione e la densità ha lo stesso andamento temporale della potenza emessa, differendo solo per il ritardo t 0 = d/c dovuto alla distanza fra S e R.

5 5 La riverberazione Se da un lato la presenza del campo sonoro riverberato è utile ai fini dell'ascolto, perché il suo contributo innalza il valore della densità di energia sonora in regime permanente e fornisce "condizioni naturali" di ascolto, da un altro lato un valore eccessivo della durata dei transitori di attacco e di estinzione può peggiorare la qualità dell'ascolto stesso, con perdita di intelligibilità e "impastamento" del segnale sonoro.

6 0 0 Esempio: si consideri un oratore all'interno di un ambiente chiuso, che emette la parola inglese bisillabica BACK. Da un punto di vista acustico BACK viene pronunciata con due emissioni i i sonore successive relative, rispettivamente, t alla sillaba BA e alla sillaba CK. W (W) 0-25 a) 0 BA 0 50 D (J/m 3) BA CK 325 CK b) t(ms) A) andamento temporale del livello di potenza acustica associato alla emissione della parola inglese BACK; B) andamento temporale della densità acustica in corrispondenza di un ricevitore posto in un campo poco riverberato: le due sillabe non si sovrappongono; D (J/m ) t (ms) C) andamento temporale della densità 3 c) acustica in corrispondenza di un BA ricevitore posto in un campo molto CK riverberato: le due sillabe si sovrappongono. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti t (ms) 6

7 TEMPO DI RIVERBERAZIONE tempo di riverberazione τ 60 : è definito come il tempo necessario affinché la densità di energia acustica in un punto diminuisca di 10 6 volte rispetto al valore che aveva nell'istante in cui l'onda diretta ha cessato di raggiungere il punto Maggiore è τ60, maggiore è la durata dei transitori di attacco e di estinzione ed il valore della densità acustica a regime. In un ipotetica situazione limite, con coefficiente di assorbimento=1, τ60=0, vista l'assenza del campo riverberato. Si intuisce dunque che τ60 dipende dalla capacità complessiva di assorbire energia acustica da parte dell'ambiente; maggiore è l'assorbimento, minore è il tempo di riverberazione. i Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 7

8 8 T60: teoria di Sabine Valutazione quantitativa tramite una relazione analitica che permetta di calcolare il tempo di riverberazione a partire dalle caratteristiche geometriche della sala e dalle proprietà di assorbimento acustico delle superfici che la delimitano. Il fisico statunitense Wallace Clement Ware Sabine fu il primo ad affrontare con approccio scientifico lo studio della risposta acustica degli ambienti confinati. 60 = 0,16 V τ V volume dell ambiente in m 3 A n A = assorbimento globale o unità i= 1 i assorbenti dell ambiente. A = α S i con α i coefficiente di assorbimento medio della i-esima superficie dei materiali che delimitano l ambiente e Si la relativa superficie in m 2.

9 9 T60: teoria di Eyring L'esperienza mostra che gli errori commessi dalla formula di Sabine sono trascurabili quando i coefficienti di assorbimento sono compresi nell'intervallo 0,1 0,7 che comprende la maggioranza dei casi pratici. La poca accuratezza della formula di Sabine per valori elevati del coefficiente di assorbimento delle pareti è superata dalla teoria di Eyring, nella quale viene meno l'ipotesi di continuità dell'assorbimento, cioè fra una riflessione e l'altra esiste sempre un istante in cui nessuna onda colpisce le pareti. τ 60 = 0,16 Sln 1 V ( α ) med in cui α med è il coefficiente di assorbimento medio delle pareti

10 10 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Il valore del tempo di riverberazione che coniuga le due esigenze contrapposte di buona intelligibilità e sufficiente livello di intensità è il tempo di riverberazione ottimale. Esso deve assumere, a seconda delle condizioni di ascolto, un valore tale da offrire il miglior compromesso per l'influenza del campo sonoro riverberato sulla qualità dell'ascolto. In linea generale per sale destinate all'ascolto del parlato si riscontrano valori di τ 60 più brevi, a parità di altre condizioni, che per le sale destinate allo svolgimento di programmi musicali. I valori più brevi di τ 60 si riscontrano nelle sale in cui il suono diretto viene privilegiato rispetto a quello riverberato, come avviene per le sale cinematografiche e, in generale, quando sia presente un sistema elettroacustico di diffusione sonora. In questi casi infatti si può sopperire mediante l'impianto elettoacustico alla perdita di densità di energia sonora prodotta dal basso contributo del campo di riverberazione. Viceversa i valori ottimali più alti per τ 60 si riscontrano nel caso di ascolto di musica per organo nelle chiese. In questi casi infatti il fenomeno della riverberazione i è già stato considerato dal compositore di questo tipo di musica come parte integrante del segnale musicale e l'ascolto in un ambiente poco riverberante risulterebbe grandemente impoverito.

11 11 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Un'altra considerazione di carattere generale riguarda il fatto che il valore ottimale di τ 60 cresce leggermente all'aumentare del volume della sala, per una determinata t destinazione i d'uso. Ciò corrisponde intuitivamente al fatto che, all'aumentare del volume della sala, si accetta un lieve peggioramento della intelligibilità in favore del livello sonoro, assieme alla sensazione soggettiva di maggiore vastità dell'ambiente che viene spontaneamente t associata ad una coda sonora più lunga.

12 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Tempo di riverberazione ottimale per la banda di ottava con frequenza centrale pari a 500 Hz in funzione del volume e della destinazione d'uso del locale 35 3,5 3,0 musica per organo sala da concerto per musica classica 2,5 sala da concerto (studi tudio di registrazione) sala da concerto per musica leggera 2,0 musica operistica (teatro) cinema, sala p per conferenze sala da ballo 1,5 1,0 tempo di riverberazione [s] auditori per parlato studio televisivo studio radiofonico ico 0, Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti volume della sala [m ]

13 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Variazione i percentuale del tempo di riverberazione i ottimale rispetto al valore a 500 Hz 2 fattore moltiplicativ o di τ60,ott a Hz 15 1,5 1 0, frequenza [Hz] Secondo alcuni Autori, la variazione del tempo di riverberazione ottimale in funzione della frequenza deve essere contenuta all'interno allinterno degli intervalli di variabilità riportati in figura; con tale grafico si possono ottenere i valori del τ 60 ottimale per altre frequenze, come scostamento percentuale dai valori ottimali alla frequenza di 500 Hz. Seguendo questo criterio si ammette che τ 60 alle frequenze più basse possa anche quasi raddoppiare rispetto al valore corrispondente a 500 Hz; secondo altri Autori τ 60 dovrebbe risultare il più possibile uniforme per tutte le frequenze utili dello spettro. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 13

14 14 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Formule empiriche per il tempo di riverberazione ottimale. 1. ascolto di musica (ambiente di forma compatta) τ 3 60,ott = 0,1 V 2. ascolto del parlato τ 60,ott = 0, V Entrambe le relazioni forniscono il tempo di riverberazione ottimale in secondi se il volume della sala è espresso in m 3.

15 15 Indici di qualità acustica delle sale Il tempo di riverberazione è un parametro globale che non si presta a valutazioni locali nei diversi punti di ascolto; esso risulta pertanto insufficiente. Indici di qualità acustica Ascolto del parlato Ascolto della musica I metodi di analisi impiegabili per tentare di valutare la qualità acustica di una sala conducono a risultati più certi nel caso del parlato, per il quale è possibile individuare più facilmente le condizioni ottimali di ascolto in base a parametri oggettivi i (livello ll sonoro, rapporto segnale/rumore, l'intelligibilità). lli ibilità) Inoltre, la tipologia della sorgente, anche al variare dell'oratore, resta in termini pratici univocamente definita.

16 16 Qualità acustica per la musica Nel caso della musica invece, oltre ad aversi tipologie assai diverse per la sorgente sonora, non è facile raggruppare in pochi parametri le impressioni che corrispondono ad un buon ascolto soggettivo, allo scopo di valutare la qualità acustica di una sala. Le grandezze in grado di costituire indici di qualità devono mettere in evidenza gli aspetti locali, in modo da poter eseguire l'analisi acustica in punti diversi di un dato ambiente, e devono prestarsi ad essere correlati con giudizi soggettivi di ascolto. Seguono questo criterio gli indici che fanno riferimento ad un buon equilibrio fra campo sonoro utile e rumore di riverberazione.

17 Qualità acustica per la musica Uno studio organico sulla qualità acustica delle sale per l ascolto della musica fu fatto da Beranek negli anni 50, mediante l introduzione di punteggi in grado di quantificare i numerosi elementi che concorrono alla sua definizione. Risulta difficile stabilire dei criteri per individuare le condizioni ottimali di ascolto della musica, sia per i numerosi parametri qualitativi del linguaggio musicale sia perché, nella percezione, entrano in gioco giudizi di tipo estetico ed emozionale. Tenuto conto che il massimo punteggio raggiungibile g è pari a 100, Beranek prevede la valutazione della qualità della sala secondo cinque categorie: Categoria Punteggio A eccellente da 90 a 100 A da ottimo ad eccellente da 80 a 89 B' da buono a molto buono da 70 a 79 B da accettabile a buono da 60 a 69 C' accettabile da 50 a 59 C scarso al di sotto di 50 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 17

18 18 Qualità acustica per la musica Indice di chiarezza C: introdotto da Reichardt e Leumann (1974) per valutare la trasparenza temporale (percezione nitida di note musicali suonate in successione rapida) e la trasparenza armonica (possibilità di distinguere chiaramente note di uno o più strumenti suonate contemporaneamente), è il rapporto fra il suono utile e il rumore di riverberazione, in db: C = 10log 10 80ms p 0 2 p 80ms 2 (t)dt (t)dt Il tempo di integrazione i del suono utile pari a 80 ms proposto per la musica deriva dalla considerazione che l'intervallo di tempo di integrazione dell'orecchio è più lungo per la musica che per il parlato e che i transitori della maggior parte degli strumenti musicali hanno una durata minore di 100 ms. Valori ottimali dell indice di chiarezza per la musica: -44 C 80 2 db

19 Qualità acustica per la musica (Early Decay Time EDT): é il tempo di riverberazione i calcolato l sui primi 10 db della curva di decadimento, estrapolata fino a 60 db. Il parametro è usato nel caso di ascolto di musica poiché, se essa è continua, è possibile sentire dopo ciascuna nota solo i primi 10 db, circa, del decadimento del suono. Valori ottimali dell EDT sono compresi tra 1,8 e 2,6 secondi. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 19

20 20 Qualità acustica per la musica Indice di intensità (Sound Strenght) G: rapporto tra la risposta nel punto di osservazione ad un impulso emesso da una sorgente omnidirezionale i sul palcoscenico e larisposta allo stesso impulso in un punto fisso della sala a distanza s dalla sorgente (presa pari a 5 m); Δt rappresenta la durata dell impulso diretto: G = 10log 4 π s t = t = 0 t =Δt 2 2 p ( t ) t =0 p 2 s dt ( s,t ) dt Valori ottimali di G suggeriti in Letteratura sono i seguenti: grande orchestra sinfonica, i cantanti ti molto allenati G -35 db piccola orchestra, cantanti allenati G -30 db oratori, attori allenati G -25 db strumenti deboli, oratori poco allenati G -20 db

21 21 Qualità acustica per il parlato Negli anni 50 Haas e Lochner e Burger, in studi riguardanti il parlato, prevedevano di suddividere le riflessioni in due gruppi: le prime, che contribuiscono a migliorarne l intelligibilità, e le successive, che la peggiorano. Sono stati introdotti degli indici che rappresentano il rapporto tra l energia associata al suono diretto e alle prime riflessioni e l energia associata alle successive riflessioni: tanto maggiore sarà tale rapporto, tanto più elevata sarà la qualità acustica della sala. Occorre individuare l istante temporale in corrispondenza del quale avviene la suddivisione tra riflessioni utili e riflessioni disturbanti: A seconda del valore da esso assunto furono proposti degli indici, alcuni dei quali validi per il parlato (Thiele e Shultz proposero, nel 1953, un intervallo compreso tra 0 e 50 ms per il parlato), ) altri per la musica.

22 22 Indici di qualità per il parlato Nel caso del linguaggio parlato l esigenza fondamentale è la corretta comprensione del messaggio trasmesso, ossia la sua intelligibilità, intesa coma percentuale di parole o frasi correttamente comprese da un ascoltatore rispetto alla totalità delle frasi pronunciate da un parlatore. Indice di definizione D50 (Thiele e Mayer): rapporto fra il suono utile e il suono utile più il suono disturbante (%): D 50 = 50ms 0 2 p 0 p 2 (t)dt (t)dt È correlato all'intelligibilità delle sillabe nel parlato, tanto maggiore quanto più è elevato il valore di D. Valori ottimali dell indice di definizione sono superiori al 50% per il parlato, inferiori al 50% per la musica

23 Indici di qualità per il parlato Indice di chiarezza C 50 ( rapporto suono utile/riverberato): definito come C 80, è calcolato sui primi 50 ms; C = 50ms 0 10log10 valori ottimali: C50 > 3 db. 2 50ms p p 2 ( t) dt ( t ) dt Rapporto Energia Utile/Energia Dannosa U t : (Lochner e Burger,1964), è il rapporto tra l energia riflessa che arriva all ascoltatore in un intervallo temporale t e la somma dell energia riflessa che arriva all ascoltatore dopo l intervallo t e dell energia energia associata al rumore di fondo: U t = 10 log 1+ C ( C + ) t t 110 L r L 10 C t è il rapporto lineare tra l energia utile e l energia dannosa dovute alle sole riflessioni (senza considerare il rumore di fondo), L r e L p rappresentano il livello del rumore di fondo e il livello del parlato nel punto di ascolto. Valori ottimali di Ut: U 50 >+1 db per aule scolastiche, U 80 >+4 db per ambienti di maggior volume, a 1000 Hz. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti p 23

24 24 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti Speech Transmission Index (STI): sviluppato a partire dal 1973 da Houtgast, Steeneken e Plomp, si basa sulla funzione di trasferimento di modulazione della sala (MTF, "Modulation Transfer Function") e sul concetto di segnali modulati in ampiezza. Un segnale modulato in ampiezza è dato da un segnale di frequenza f 1 (portante), che assume ampiezza variabile nel tempo secondo una legge imposta da un segnale di frequenza più bassa f 2 (modulante). Se entrambi sono sinusoidali: s 1 (t) = S sen(2πf t) portante μ( t) = m sen(2πf 2t) modulante Il segnale modulato in ampiezza è: s 2 π 1 (t) = S (1 + msen(2πf t)) sen(2 f t) m = indice di modulazione

25 25 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti In molti casi un segnale complesso può essere considerato in termini di segnale di inviluppo di bassa frequenza; un esempio tipico è quello del segnale vocale, che può essere rappresentato come un segnale di frequenze comprese nella banda acustica inviluppato da un segnale di bassa frequenza (inferiore a 20Hz), legato al ritmo con cui si susseguono i singoli fonemi. In questi termini quando un segnale acustico raggiunge un punto di ascolto in una sala, il suo inviluppo viene alterato rispetto a quello originario della sorgente. Tradizionalmente questa alterazione dovuta alle caratteristiche della sala viene quantificata attraverso il tempo di riverberazione. La relazione fra l'inviluppo del segnale di ingresso (emesso dalla sorgente) e quello di uscita (rilevato in un punto di ascolto) è governata dalla funzione di trasferimento della sala, la quale agisce sul segnale come un filtro passa-basso. Poiché le applicazioni del metodo sono state fatte dagli Autori essenzialmente sul segnale vocale, il calcolo della MTF viene effettuato per valori di frequenza compresi fra 300 e 4000 Hz, per una banda di frequenza del segnale di inviluppo compresa fra 0,4 e 20 Hz, suddivisa i in 18 intervalli di terzo di ottava.

26 26 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti Ciascun valore della funzione di trasferimento di modulazione viene convertito in termini di rapporto segnale/disturbo apparente S/N: S m( F) = 10log10 N F 1 m( F) F è una delle frequenze del segnale di inviluppo, m(f), pari al 100% nel segnale emesso dalla sorgente sonora, è l indice di modulazione della portante. m(f) subisce una riduzione in un generico punto della sala, dopo aver subito l'azione di filtraggio passa-basso propria della funzione di trasferimento fra segnale e punto di ascolto considerato. Ciò dà luogo a diversi valori del rapporto S/N apparente, al variare del punto di osservazione e della frequenza F. Poiché per F vengono scelti 18 valori standardizzati, per ogni punto si considerano 18 valori di rapporto S/N. Ciascuno di essi viene inoltre limitato ad un campo di escursione compreso fra -15 e +15dB, cioè se S/N è <15dB viene considerato il valore assunto realmente, se S/N>15dB si prende un valore di saturazione pari a 15dB. Si considera poi il seguente valore: S N = S N 18 F = 0, 4 F

27 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti Viene infine effettuata una normalizzazione in modo da ottenere un indice STI (Speech Transmission Index) i cui valori siano compresi fra 0 e 1: STI S +15 = N 30 L'indice STI, pertanto, rappresenta il valore medio del rapporto S/N apparente (derivato dai valori della MTF) in un campo di frequenze che sono ritenute t importanti ti per la modulazione di inviluppoil del segnale vocale. Successivamente è stato proposto, e normalizzato dalla ISO, l'indice RASTI (Rapid Speech Transmission Index), il quale non aggiunge g concettualmente nulla a quanto detto in precedenza, ma si tratta di un procedimento rapido per calcolare con buona approssimazione l'indice STI. Classe di qualità di trasmissione i del parlato RASTI Cattiva < 0,32 Mediocre 032 0, ,45 Discreta 0,45-0,60 Buona 060-0, ,75 Eccellente >0,75 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 27

28 Esempio di misura dell indice RASTI: mappatura Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 28

29 29 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS Per valutare l intelligibilità del parlato si ricorre frequentemente ad un test a vocabolario, condotto secondo quanto prescritto dalla norma ISO/TR Il test denominato ALCons (dall acronimo anglosassone Articulation Loss of Consonants) è basilare per avere una conoscenza della risposta di alcuni soggetti tipo nella comprensione del parlato. La necessità di svolgere questi test è dovuta al fatto che le misure dei descrittori acustici, sono normalmente svolte senza l ausilio di controlli e filtri dell impianto di elettrodiffusione i quali normalmente entrano in funzione quando l oratore parla al microfono: i risultati pertanto sono indicativi per determinare la funzionalità acustica del binomio sala-impianto. La norma presenta alcune definizioni riguardo la tipologia dei fonemi che sono pronunciati durante il testt e ai tipii di prove che possono essere effettuate. Esempio: studio della qualità acustica del Duomo di Perugia

30 30 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS Uno dei test più diffusi è quello a lista chiusa, o test a vocabolario: esso si basa su di una sorta di dettato in cui un certo numero di lettori provvede a leggere alcuni gruppi di parole, non necessariamente di significato compiuto: agli ascoltatori, di età compresa tra i 20 e i 62 anni, distribuiti in maniera omogenea e a copertura dell area interessata, sono forniti dei moduli in cui devono riconoscere il fonema che hanno udito scegliendolo tra diverse possibilità. Il set di vocaboli di ogni scelta è creato ad hoc, affinché i fonemi varianti risultino prossimi e quindi facilmente confondibili nella dizione. Si citano come esempio le voci per la lingua italiana TIna e DIna (la prima con suono dentale esplosivo sordo, la seconda esplosiva sonora), PIna e BIna (labiale l esplosiva sorda e sonora rispettivamente) t oppure CAna e GAna (di pronuncia gutturale). Le parole devono essere incluse in una frase detta portante del tipo: Segnate ora la parola... La frase portante è tale che la corretta comprensione dello stesso fonema non dipenda dal suo contesto e dal suo significato.

31 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS I lettori (almeno due secondo le norme americane, un maschio e una femmina) vanno scelti fra i parlatori medi (non professionisti, cioè non attori o doppiatori), rappresentativi per lingua madre, età e sesso di chi sarà l utilizzatore dell impianto analizzato; non devono evidenziare alcun grave difetto di pronuncia o inflessione dialettale non locale. Gli ascoltatori scelti (in numero pari o superiore ai lettori) devono essere rappresentativi ti i per lingua madre, età e sesso di chi sarà il fruitore dell ambiente analizzato, non devono evidenziare alcun grave difetto percettivo. Gli ascoltatori devono distribuirsi in maniera casuale nell area loro destinata. Il metodo di valutazione consiste nel ricavare il numero percentuale di parole correttamente percepite in rapporto al totale delle parole che sono state lette. Dall analisi dei moduli compilati da ciascun ascoltatore è possibile ricavare un punteggio percentuale dell intelligibilità della parola, espresso come: I(%) T = numero totale di fonemi del test; N = numero di risposte alternative fornite agli ascoltatori, N W = (R ) R = numero di voci correttamente percepite dagli ascoltatori; T N 1 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti W = numero sbagliato di voci. 31

32 32 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS % di parole comprese Grado di intelligibilità < 35% cattivo 65% scarso 80% sufficiente 95% buono > 95% ottimo In ultimo, una volta ottenuta l intelligibilità media per posizione dell ascoltatore, si è ricavata l intelligibilità media globale della sala. Un ulteriore relazione matematica lega il valore dello STI al giudizio di intelligibilità del test ALCons. ALCons = Valori di ALcons 170,5405e 5,419(STI) Giudizio di intelligibilità 0-5 Ottimo 5-10 Buono Sufficiente Scarso > 20 Cattivo

33 33 Progettazione acustica delle sale La progettazione acustica di una sala, soprattutto se deve rispondere a requisiti impegnativi come avviene nel caso di un auditorium, di un teatro o di uno studio di registrazione, deve essere impostata correttamente fin dalla forma geometrica. La soluzione di problemi acustici gravi risulta complessa sia con l inserimento di materiali e/o strutture con spiccate qualita acustiche sia con l ausilio di impianto di elettrodiffusione Le condizioni necessarie per ottenere una buona risposta acustica in una sala sono le seguenti: 1) forma geometrica, ti dimensionii i opportune e caratteristiche ti dei materiali; 2) livello sonoro sufficiente per tutti i punti di ascolto; 3) assenza di rumori disturbanti, ovvero elevato rapporto segnale/disturbo; 4) tempo di riverberazione ottimale.

34 34 Forma della sala e caratteristiche di assorbimento e riflessione acustica delle pareti Geometria I difetti acustici legati alla forma della sala sono: - focalizzazione del suono; - presenza dei cosiddetti punti sordi, (livelli lli di pressione sonora sensibilmente più bassi del valore medio; - fenomeni di eco. Alcune forme delle pareti di confine concentrano localmente l energia sonora, mentre altri punti non ricevono abbastanza a energia riflessa livello sonoro insufficiente

35 35 Influenza della forma Focalizzazione del suono in presenza di superficie concave e di piani a base circolare o ellittica. Esempio di movimentazione di una superficie concava con un opportuno rivestimento, in modo da introdurre fenomeni di diffusione, che impediscano la concentrazione del suono.

36 36 Influenza della forma La forma dell'ambiente deve essere possibilmente compatta,, con dimensioni non molto diverse fra loro. È consigliato separare architettonicamente la sala da corridoi di accesso, dalla tromba delle scale e da altre zone con forma particolare, che possono costituire cavità di risonanza.

37 37 L eco Si manifesta quando vi è una riflessione particolarmente intensa rispetto al livello medio del campo riverberato, che giunge nel punto di ascolto con un ritardo rispetto al suono diretto superiore a ms. Tenuto conto della velocità del suono nell'aria, ad un tale tempo di ritardo corrisponde un percorso superiore a circa 24 m, per cui l'eco può manifestarsi solo in ambienti piuttosto grandi. Per avere il fenomeno dell eco non basta la sola condizione geometrica, ma devono coesistere 2 ulteriori condizioni: 1. il suono riflesso deve avere una intensità non troppo diversa dal suono diretto; 2. l'intervallo di tempo intercorrente tra il suono diretto e quello riflesso deve essere di relativo silenzio, senza cioè che tra i due suoni si manifesti la presenza di una intensa riverberazione. ione

38 L eco Nelcasodipresenzadieco,un possibile rimedio consiste nel rendere la superficie che rinvia il suono diffondente (movimentando la superficie in modo analogo a quanto visto per la superficie i concava) e/o assorbente. Le superfici riflettenti devono essere disposte in modo che le onde di prima riflessione abbiano un ritardo, rispetto all'onda diretta, inferiore a 50 ms, così da essere percepite come rafforzamento dell'onda diretta stessa. Se la sorgente è posta in prossimità di una parete della sala, è buona regola ricoprire la parete con materiale riflettente, in modo che le onde riflesse possano rafforzare l'onda diretta. Un altro fenomeno sgradevole che può manifestarsi è l'eco multipla, che si verifica in presenza di due pareti riflettenti parallele fra loro e in presenza di segnali acustici di breve durata. Viene percepito come una vibrazione legata alla frequenza di ripetizione del suono tra un rinvio e l'altro laltro delle pareti opposte, che si sovrappone al suono utile. Questo fenomeno non è legato al vincolo geometrico della distanza visto nel caso precedente, ma si manifesta per un esteso campo di valori della distanza fra le pareti. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 38

39 39 L eco In una sala destinata all'ascolto bisogna porre molta attenzione quando si utilizza una galleria sovrapposta alla platea, allo scopo di aumentare il numero di posti utili. Se la galleria è di una certa profondità, la parte coperta della platea può soffrire facilmente del fenomeno dell'eco multipla. Il rimedio in questi casi consiste, già in fase di progettazione: -evitare gallerie troppo estese (come orientamento di profondità non superiore a 4-5 m); -prevedere il soffitto della platea non parallelo al pavimento, con una inclinazione tale da favorire una buona diffusione del suono.

40 40 Posizione reciproca sorgente - ascoltatori Nella disposizione dei posti degli spettatori, di solito si segue il criterio di porre le file di poltrone ad altezze diverse, su un piano inclinato o sopra una gradinata, in modo da avere una buona visione in ogni punto della sala, senza essere ostacolati dagli spettatori che precedono. Ove non sia possibile disporre i posti nel modo sopra descritto, si può cercare di ottenere lo stesso effetto ponendo la sorgente sonora più in alto rispetto alla platea. Questa disposizione viene seguita in alcune sale cinematografiche o in occasione di spettacoli all'aperto ove non sia prevista una disposizione fissa delle poltrone

41 41 Posizione delle superfici riflettenti e delle superfici assorbenti Evitare di rivestire con materiale fonoassorbente alcune superfici che possono costituire dei riflettori utili ai fini di un buon ascolto, come ad esempio la parete alle spalle della sorgente, nel caso di una sala destinata alla diffusione del parlato (aula scolastica o sala per conferenze). Infatti, il suono da essa riflesso sarà poco ritardato rispetto al suono diretto e contribuirà ad elevare il livello del suono utile. Una funzione altrettanto utile può essere svolta da una parte del soffitto prossimo alla sorgente sonora. Se il soffitto è sagomato in modo opportuno, è possibile realizzare riflettori in grado di rinforzare il suono diretto, anche nei punti più lontani dalla sorgente sonora, mediante onde di prima riflessione aventi un ritardo contenuto (entro circa 30 ms) rispetto al suono diretto e perciò utili per l'ascolto. Per questo motivo, le sale di grandi dimensioni assumono forme non parallelepipede, in modo da favorire le prime riflessioni e distribuirle in modo uniforme su tutta l'area occupata dagli spettatori. Per quanto riguarda la parete di fondo della sala, essa non deve rinviare il suono in direzione della sorgente, per evitare pericolosi fenomeni di eco se la sala è di grandi dimensioni e in ogni caso indesiderabili effetti di interferenza col suono diretto. Se questa parete è riflettente deve essere rientata in modo da rinviare il suono verso gli ultimi posti della sala, oppure è necessario che sia rivestita di materiale assorbente e diffondente.

42 Posizione delle superfici riflettenti e delle superfici assorbenti Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 42

43 43 Livello sonoro sufficiente in tutti i punti di ascolto Un aspetto molto importante per l'ascolto è legato al livello sonoro nei vari punti della sala. Se non si vogliono sottoporre gli ascoltatori ad uno sforzo di attenzione esagerato, un livello minimo di 65 db è necessario per assicurare una buona intelligibilità della parola. Un mezzo per aumentare il livello sonoro consiste nel disporre di un rinforzo del suono diretto mediante opportuni riflettori che consentano di sfruttare i principi della riverberazione direzionale. Sezioni longitudinali di sale la cui forma contribuisce a rinforzare l intensità del campo diretto.

44 44 Livello sonoro sufficiente in tutti i punti di ascolto All'aumentare del volume della sala mantenendo sufficiente il livello sonoro occorre diminuire le unità assorbenti, fino ad un valore tale da non compromettere l'intelligibilità. Ne consegue che esiste un volume della sala oltre il quale non è più possibile assicurare un livello sonoro soddisfacente senza un deterioramento della qualità dell'ascolto. Esiste cioè un volume limite dell'ambiente oltre il quale, per assicurare un livello sonoro soddisfacente, è necessario ricorrere ad un impianto di amplificazione. Il valore di questo limite dipende anche dalla potenza sonora erogata dalla sorgente e quindi dalla natura della sorgente stessa (oratore, coro, musica da camera, ecc.). Sorgente sonora Volume massimo della sala (m 3 ) Oratore 3000 Oratore addestrato (attore, predicatore) 6000 Cantante o solista strumentale Orchestra sinfonica 20000

45 45 Assenza di rumori disturbanti Oltre ad assicurare un livello soddisfacente del suono, occorre che questo non risulti disturbato t dalla presenza di rumori percettibili, sia originati i all'interno della sala sia di provenienza esterna. In ogni caso occorre rilevare il rumore di fondo e il suo spettro di frequenza. Il livello di rumore in una sala vuota non deve superare 35 db. Esempio: rumore esterno = 75 db, occorrerà prevedere un isolamento acustico di almeno 40 db per rispettare le specifiche del rumore di fondo interno.

46 Tempo di riverberazione ottimale Per il tempo di riverberazione, valgono le considerazioni già viste a proposito della destinazione d'uso della sala. Il valore del tempo di riverberazione deve essere anche sufficientemente indipendente della frequenza per avere un buon equilibrio fra le varie componenti del suono all'interno dell'ambiente. Andamento del tempo di riverberazione ottimale per un auditorio per parlato di 500 m 3 in funzione della frequenza 2 il tempo di riverberazione ottimale a 500 Hz è pari a 0,75 s, mentre alle altre frequenze assume i seguenti valori: τ 60,ott (500) *0,83 < τ 60,ott (250) < τ 60,ott (500) * 1,3 τ 60,ott (500) * 0,83 < τ 60,ott (1000) < τ 60,ott (500) * 0,88 τ 60,ott (500) *0,8 < τ 60,ott (4000) < τ 60,ott (500) * 0,88 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti di τ60,ott a 500 Hz fattore moltiplicativo 1,5 1 0, frequenza [Hz] 46

47 Contributo del pubblico Un osservazione a parte merita l'effetto fonoassorbente dovuto alla presenza del pubblico in sala. L'assorbimento acustico prodotto dalle persone è tutt'altro che trascurabile. A titolo orientativo, per la frequenza di 500 Hz, si può stimare in circa 0,5 unità assorbenti totali il contributo per ciascuna persona. Poiché il tempo di riverberazione varia sensibilmente tra le condizioni di sala vuota di spettatori e sala piena, per la valutazione del tempo di riverberazione ottimale occorre procedere con qualche cautela. 1. Nei casi meno impegnativi ci si può riferire a condizioni intermedie, calcolando i valori corrispondenti alle situazioni estreme. 2. Nelle grandi sale di elevata qualità acustica si possono impiegare delle poltrone realizzate in modo da avere le stesse unità assorbenti sia quando il posto è vuoto che quando è occupato. In questo modo la riverberazione nella sala, vuota o piena, resta la stessa. Realizzazioni di questo tipo, oltre a funzionare in modo ottimale in ogni condizione di affluenza di pubblico, sono molto apprezzate dai musicisti, che possono suonare durante le prove in condizioni del tutto simili a quelle dell'esecuzione pubblica. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 47

48 48 Progettazione Noti i valori del tempo di riverberazione ottimale alle varie frequenze, si valutano, mediante la relazione di Sabine le unità assorbenti ottimali A ott (f i ) relative alla banda di frequenza f i considerata: A ott (f i ) = 0,16 τ V 60,ott La scelta dei materiali, della tipologia delle pareti e degli arredi va effettuata in modo da garantire che: (f i ) A (f ) A (f ) i = ott i

49 Correzione acustica Quando un ambiente già in opera è caratterizzato da una cattiva qualità acustica, è necessario ricorrere alla cosiddetta correzione acustica. I casi che si possono presentare sono due: 1. ambiente troppo riverberante, quando il tempo di riverberazione è superiore a quello ottimale; 2. ambiente sordo, quando il tempo di riverberazione è inferiore a quello ottimale. Nel caso 1), che è anche quello più frequente, devono essere aggiunte unità assorbenti A agg (f i ) in modo da soddisfare la seguente relazione: A agg(f i ott i i ) = A (f ) A(f ) Che in termini di tempo di riverberazione, può essere riscritta come: 1 1 A agg(fi ) = 0,16 V τ60,ott (fi ) τ60 (fi ) Per ciascuna banda di frequenza si ottiene un diverso valore delle unità assorbenti da aggiungere. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 49

50 50 Correzione acustica L'aggiunta delle unità assorbenti viene perseguita mediante l'applicazione di pannelli fonoassorbenti, il coefficiente di assorbimento e la superficie dei quali sono dimensionatii in base al valore di A agg (f i ). Se nonsi fosse riusciti iti ad ottenere τ 60,ott a tutte le frequenze, si sarebbe dovuto scegliere un pannello con caratteristiche diverse oppure si sarebbero dovute installare più tipologie di pannelli, ciascuno con α(f)elevatosolosuunastretta banda di frequenze. Per apportare la correzione acustica nel caso di ambiente sordo, deve essere diminuito il valore delle unità assorbenti con lo stesso procedimento, fino a raggiungere quello ottimale alle varie frequenze. Alternativamente si può introdurre un impianto elettroacustico di diffusione del suono, in modo da garantire un maggior livelloll di pressione sonora in tuttitti i punti della sala. Nel momento in cui il tempo di riverberazione, dopo la correzione, rientra entro i valori ottimali, anche gli altri indici di qualità acustica delle sale migliorano, avvicinandosi ai valori ottimali. Ciò può essere agevolmente verificato mediante misure prima e dopo la realizzazione dell opera, ovvero attraverso simulazioni i i mediante opportuni codici i di calcolo. l

51 Esempio di correzione acustica La misura del tempo di riverberazione avviene in conformità alla UNI 3382, con il metodo della stazionarietà interrotta o con il metodo dell impulso. Supponendo di aver misurato il tempo di riverberazione prima dell intervento, si possono calcolare le unità assorbenti presenti: frequenza tempo di riverberazione unità assorbenti (Hz) misurato (s) presenti (m 2 ) 250 1, , , ,8 44 frequenza (Hz) τ 60 ottimale(s) A ottimali (m 2 ) A aggiuntive (m 2 ) , , , Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 51

52 52 Esempio di correzione acustica Per l'aggiunta di tali unità assorbenti si applica un pannello fonoassorbente con coefficiente di assorbimento α elevato alla frequenza di 4000 Hz, poiché il massimo valore delle unità assorbenti da aggiungere si ha a 4000 Hz. Se il pannello mostra, ad esempio, α(4000) = 0,78, la superficie di pannello da aggiungere è: frequenza (Hz) S Aagg(4000) 83 = = = 106 (m 2 ) 0,8 0,78 α del sughero A aggiunte (m 2 ) τ 60 finale(s) τ 60 ottimale(s) 250 0,35 37,1 0, ,40 42,4 0,65 0, ,40 42,4 0,61 0, ,78 83,0 0,63 0,63 Tempo di riverberazione dopo l'intervento.

53 Fasi della progettazione degli interventi di correzione acustica Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 53 Generalmente, la correzione acustica è articolata nelle seguenti fasi: 1. caratterizzazione dello stato attuale mediante una campagna di misure dei principali descrittori acustici della sala (tempo di riverberazione, indici di definizione, chiarezza, RASTI, STI); 2. progettazione degli interventi; 3. simulazioni dello stato di progetto( ad esempio, impiegando Ramsete), al fine di prevedere lo stato acustico dopo la realizzazione delle correzioni acustiche; 4. misure di verifica dei principali descrittori acustici della sala (tempo di riverberazione, indici di definizione, chiarezza, RASTI, STI) dopo la realizzazione dell opera opera.

54 Esempio: studio di fattibilità per la riqualificazione dell Aula Magna dell Università di Perugia Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 54

55 Studio di fattibilità per la riqualificazione dell Aula Magna dell Università di Perugia Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 55

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