REPORT MISURAZIONI IMPULSE RESPONSE

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1 REPORT MISURAZIONI IMPULSE RESPONSE Castello De Gualtieriis Castrignano dei greci Report e misurazioni: Nicola Carratta e Gianmarco Serra.

2 Obiettivo e descrizione del sistema oggetto delle misure. L'obiettivo principale è determinare e analizzare i principali parametri acustici di parte del Castello De Gualtieriis di Castrignano(LE). Fare questo equivale a catturare e studiare la risposta all'impulso (l'impulse response, IR), cioè la misura della reazione ad un impulso sonoro dell'acustica ambientale. Illustrazione 2: metodo di lavoro. Illustrazione 1: vista del lato sinistro del Castello. Oggetto della nostra attività è stato il corridoio a sinistra del primo piano, una stanza del primo piano a destra, la sala conferenze a piano terra sul lato sinistro, il piazzale centrale scoperto. Gli ambienti, ad eccezione della sala ricevimenti, sono completamente vuoti. Metodo di lavoro Il sistema acustico misurato è approsimabile ad un sistema causale, lineare e tempo invariante (LTI). Ciò significa che non ci sono componenti temporali coinvolte nel filtraggio e che l'uscita dipende solo sull'ingresso passato o presente. Pertanto una risposta ad un impulso darà una descrizione acustica completa del sistema. Come segnale di test è stato scelto uno sweep sinusoidale e come sorgente un altoparlante. Una volta registrata la risposta allo sweep e convoluta con l'inversa dello sweep originario, avremo la nostra risposta all'impulso.

3 Illustrazione 4: impulse response. Descrizione dell'attività Abbiamo creato l'impulse Response Acustico, cioè la misura della reazione ad un impulso sonoro dell' ambiente, al fine di catturare e analizzare i principali parametri acustici dello stesso. Per la creazione dell'impulse response è stato utilizzato un metodo abbastanza moderno, che fornisce migliori risultati, cioè abbiamo registrato la risposta ad un segnale sinusoidale a frequenza variabile (sweep); nello specifico uno sweep esponenziale, la cui frequenza cresce esponenzialmente, molto lentamente alle basse frequenze, e poi sempre piu velocemente verso le alte frequenze. Strumentazione e software utilizzati: - Sorgente del segnale di test: speaker; - Microfono: AKG C 3000 B. Frequency response 20Hz -20kHz; - Scheda audio: M Audio Fast Track Pro. A/D a 24 bit/44,1 khz; - Macbook Pro; - Software di elaborazione e analisi: Audacity. Le misurazioni effettuate sono state di queste sono state effettuate usando lo sweep e hanno interessato 4 spazi diversi. Nell'ultima registrazione, in un quinto spazio, è stato fatto esplodere invece un palloncino in lattice. Gli spazi interessati e i risultati ottenuti sono descritti nelle seguenti figure. Illustrazione 3: sweep sinusoidale 12s, Hz, 16 bit, mono. L' Exponential Sine-Sweep (ESS) è rigorosamente identica per tutti gli step di registrazione. La ESS, tramite l operazione di convoluzione con la sua funzione inversa appositamente studiata, si trasformerà in una perfetta Delta di Dirac(impulso), separata dalle armoniche dei prodotti di distorsione, cioè permetterà di separare la parte non distorta da tutti i disturbi, comprese le distorsioni introdotte dalla sorgente fisica del sagnale. Per realizzare l'impulse response a partire dallo sweep response abbiamo utilizzato il software Voxengo Deconvolver, di cui è possibile scaricare la copia dimostrativa dal sito ufficiale (vedi riferimenti). Se apriamo il segnale ottenuto con un wave-editor (tipo Audacity) vediamo una piccola onda che si smorza rapidamente fino a diventare silenzio, il nostro IR. Illustrazione 5: risposte all'impulso del primo piano, prima misurazione.

4 Illustrazione 7: impulse response vano montacarichi. Illustrazione 6: prima misurazione. Primo piano, lato sinistro. mic1 = IR1, Mic6 = IR6. Illustrazione 9: posizione del microfono e dello speaker nella seconda misurazione. Primo piano, lato sinistro. Illustrazione 8: impulse response seconda misurazione Illustrazione 10: risposte all'impulso atrio.

5 Illustrazione 11: misurazioni atrio. Illustrazione 13: Risposte all'impulso sala convegni, piano terra. Mic13 = IR13, mic14 = IR14, mic15 = IR15. Illustrazione 12: risposte all'impulso sala convegni, piano terra.ch1=ir13, Ch2= IR14, Ch3=IR15. Illustrazione 14: IR16, risposta all'impulso della stanza a destra, primo piano.

6 Illustrazione 15: stanza a destra, primo piano.

7 Risultati Di seguito sono riportati i dati relativi ai principali parametri acustici definiti nella norma ISO 3382(Illustrazioni da 16 a 19). Un apposito plugin, sviluppato per il programma Cool Edit e disponibile anche per Audacity, consente il calcolo dei parametri acustici secondo ISO 3382 dalla risposta all'impulso. I parametri comprendono tempi di riverbero, robustezza, chiarezza. Il plugin fa parte di una serie di plugins, denominati AURORA, ed è liberamente scaricabile da Internet ( Legenda: StrenGht= Robustezza C50, C80 = chiarezza D50 = definizione Ts = Tempo di baricentro EDT, Tuser, T20, T30: tempi di riverberazione. Illustrazione 16: parametri acustici.

8 Illustrazione 17: parametri acustici. Illustrazione 18: parametri acustici.

9 Illustrazione 22: IR8 nel dominio del tempo. Interpretazione dei risultati I valori ottimali dei principali parametri acustici caratterizzanti un ambiente variano a seconda dell uso dell'ambiente stesso: conferenze, concerti sinfonici, rappresentazioni di prosa, opera lirica, cinema, ecc.. Nella nostra interpretazione spiegheremo sinteticamente il significato di alcuni parametri soggettivi e quali sono considerati i valori ottimali degli stessi. Infine valuteremo le nostre misurazioni rispetto ai valori buoni per il parlato. Per l'interpretazione dei risultati delle tabelle precedente consideriamo IR2, IR5, IR8, IR10, IR14, IR16. Guardando le risposte all'impulso realizzate nel dominio del tempo possiamo notare come l'ambiente sia silenzioso una volta esaurito il transitorio successivo all'impulso. Infatti il sistema è molto isolato acusticamente dall'esterno. Illustrazione 20: IR2 nel dominio del tempo. Illustrazione 21: IR5 nel dominio del tempo. Illustrazione 19: parametri acustici.

10 Illustrazione 23: IR10 nel dominio del tempo. Illustrazione 24: IR14 nel dominio del tempo. Illustrazione 25: IR16 nel dominio del tempo. Tempo di riverberazione La regolazione del tempo di riverberazione di un ambiente è uno dei principali parametri di progettazione acustica di una sala. Il tempo di riverberazione è il tempo che impiega un suono, dopo aver spento la sorgente a decadere di 60 db. Esso viene detto T 60. Il T 60 ci da direttamente l effetto percepibile dall uomo della durata della coda sonora. Analizzando l intera gamma dei possibili tempi di riverberazione è facile intuire che esistono dei tempi ideali in cui il suono emesso da una sorgente non appare troppo secco o troppo rimbombante. Questi tempi ottimali variano però a seconda del tipo di esecuzione che si deve affrontare. Per esempio la prosa, per motivi di chiarezza del parlato, necessità di tempi più brevi mentre la musica viene ottimizzata da tempi di riverbero relativamente più lunghi. Quindi si può dedurre che nel parlato si privilegi il suono diretto mentre nel sinfonico abbia un enorme importanza il suono riflesso. Ma anche tra i generi musicali esistono distinzioni: l acustica di un teatro d opera deve essere più secca di quella di un auditorium sinfonico e così via. Inoltre è da sottolineare il fatto che il tempo ottimale è estremamente soggettivo, poiché ogni ascoltatore ha un suo gusto e di conseguenza si può al massimo individuare una gamma basata sui giudizi di esperti. In generale si può dire che l ambiente è molto riverberante quando il T 60 supera i 2 secondi, è invece molto asciutto se il T 60 non supera 1 secondo. Questo parametro, pur rimanendo nei canoni della soggettività, è quindi fondamentale per lo studio e la regolazione acustica di un teatro o di una sala da concerto. La tabella 1 riassume i tempi di riverbero considerati ottimali, negli ambienti sonori più indicativi. Tipologia di T 60 ottimo (secondi) ambiente Aula piccola 0,5 Aula grande 1 Cinema 0,7 0,8 Teatro dell opera 1,3 1,5 Concert hall 1,7 2,3 Chiesa 8,0 10 Tabella 1: tempi di riverberazione ottimali. Nel fare la valutazione di tale parametro, secondo la normativa ISO3382 del 1997, occorre spegnere la sorgente, attendere che il livello decresca di 5dB, da questo istante comincia la valutazione del T 60. Occorre aspettare che il livello arrivi a 65dB e questo sarà l istante finale del T 60. Tutto ciò in pratica però è molto complesso perché, anche nelle migliori condizioni, il rumore di fondo interferisce con il decadimento e non si può raggiungere il suddetto livello sonoro finale. Ma la norma prevede un altro modo per raggiungere tale risultato: si calcola il tempo di riverbero da -5dB a -35dB rispetto al livello stazionario, il cosiddetto T 30, poi si estrapola dalla pendenza del tratto iniziale della curva di decadimento il tempo totale di riverbero. Analogamente si definisce il T 20. In alternativa al T 30, per ottenere il T 60 si può impiegare il T 20 che si definisce in maniera analoga ai due citati parametri. In pratica si definisce il valore T 20 come tre volte il tempo necessario a

11 scendere di 20 db, in modo che, se la condizione di calcolo è precisa, dovrebbe corrispondere al calcolo del T 60. Con un tempo di riverberazione sempre superiore ad 2 secondi per le basse e medie frequenze, possiamo dire che l'ambiente caratterizzati da IR2 e IR5 sono molto riverberanti. Il riverbero diminuisce molto per le altissime frequenze. Nella configurazione caratterizzata da IR8 il tempo di riverbero migliora, sopratutto rispetto alle frequenze medie. Illustrazione 26: tempo di riverbero di IR2. Illustrazione 29: tempo di riverbero di IR10. Illustrazione 27: tempo di riverbero di IR5. Dal grafico di IR10 possiamo dire che il reverbero dell'atrio del castello è migliore rispetto alle altre zone. Ci sono valori buoni per le frequenze medie e ottimi per le alte. Illustrazione 28: tempo di riverbero di IR8.

12 Chiarezza C 50 L'indice di chiarezza C 50 è un parametro destinato alla valutazione di sale per il parlato e mostra in pratica il rapporto fra l energia delle riflessioni pervenute al ricevitore entro i primi 50 ms, e quelle che arrivano in seguito. Questo parametro dipende in maniera notevole dal punto in cui viene misurato e può variare molto da un punto di ascolto ad un altro. Nel nostro caso, per IR2 e IR5 non sono presenti valori ottimali di questo indice (che variano fra 1 e 1 db). Sono presenti invece valori maggiori di 1 ovunque, molto maggiori alle altissime frequenze, dove l'intellegibilità del suono è minore, nonostante tempi di riverbero accettabili. Illustrazione 30: tempo di riverbero di IR14. Nel caso di IR 14, cioè della sala conferenze, il tempo di riverbero è ottimale per quasi tutte le frequenze. Solo alle bassissime è superiore a 2. Illustrazione 32: chiarezza di IR2. Illustrazione 31: tempo di riverbero di IR16. Per la stanza al secondo piano nell'ala destra del castello è stato usata l'esposione di un palloncino come impulso da registrare. Dal grafico si può capire come il tempo di reverbero sia esageratamente alto. Illustrazione 33: chiarezza di IR5. Anche per IR8 non sono presenti valori ottimali di questo indice (che variano fra 1 e 1 db), che anzi peggiorano, nonostante i tempi di riverbero diminuiscano rispetto IR2 e IR5. Sempre alle altissime frequenze c'è la minore chiarezza.

13 Anche se i tempi di riverbero migliorano, la chiarezza dell'atrio e della sala conferenze, rispettivamente IR10 e IR14, sono peggiori rispetto agli altri ambienti. Solo alle basse frequenze ci sono valori ottimali. Illustrazione 34: chiarezza di IR8. Illustrazione 37: chiarezza di IR16. Come per l'indice di reverbero, anche l'indice di chiarezza di IR16 ha valori molto lontani da quelli ottimali, a conferma della pessima acustica della stanza. Illustrazione 35: chiarezza di IR10. Tempo Baricentrico, Ts Analogamente alla definizione del baricentro di un solido (punto in cui si suppone concentrata tutta la massa per studiarne il moto di traslazione), il tempo di baricentro ci da il valore in ms del tempo che tutta l energia acustica (compressa in un unico pacchetto ) impiegherebbe a giungere al pubblico. Valori buoni: parlato: 0 < Ts < 50 ms; musica: 50 ms < Ts < 250 ms. Illustrazione 36: chiarezza di IR14.

14 Per IR2 e IR5 non sono presenti valori buoni di questo parametro, se si escludono le altissime frequenze. Per IR5 i valori sono leggermente migliori alle frequenze medie. Per IR8 i valori di Ts migliorano ulteriormente, con valori buoni per il parlato alle alte e altissime frequenze. Il tempo di baricentro è migliore nell'atrio rispetto agli ambienti al primo piano dell'ala sinistra. Ci sono valori ottimi per le medie e alte frequenze. La sala conferenza è in assoluto la zona del castello con migliore tempo di baricentro. Ci sono valori ottimali per il parlato a partire dalle frequenze medio basse fino alle altissime. Illustrazione 38: tempo di baricentro di IR2. Illustrazione 42: tempo di baricentro di IR16. Per R16 i valori del tempo di baricentro sono lontanissimi da quelli ottimali. Illustrazione 39: tempo di baricentro di IR5. Illustrazione 41: tempo di baricentro di IR14. Illustrazione 40: tempo di baricentro di IR10. Indice di robustezza (Sound Strength), G L indice di robustezza G, analizza l intensità sonora che percepisce l ascoltatore in un punto della sala raffrontandola con quella che percepirebbe dallla stessa sorgente omnidirezionale nello spazio libero. È quindi il parametro che rappresenta l effetto di amplificazione di una sala. Naturalmente è un parametro che varia a seconda della frequenza, viene quindi misurato per sei bande di ottava. Si ritiene particolarmente importante G m che sta a indicare il valore medio di G misurato con i filtri di banda di ottava per frequenze che vanno da 500Hz a 1 khz. È ritenuto anche estremamente importante il G low ovvero il valore medio legato alle frequenze basse che vanno da 125 a 250 Hz, in quanto questo indice è legato all intensità percepita dei bassi e a certi aspetti della spazialità del suono. Tabella dei valori ottimali dell Indice di Robustezza:

15 Illustrazione 44: robustezza di IR5. Sorgente sonora Orchestra sinfonica Cantanti (top) Solisti (top) Orchestra da camera Cantanti Solisti Oratore allenato Attore allenato Oratore Strumenti deboli G m [db] Come si evince dai grafici di IR2 e IR5 l'ambiente non amplifica bene alle basse frequenze. L'indice migliora per le medie e alte frequenze, soprattutto per IR5, raggiungendo valori ottimali per alcuni tipi di sorgente sonora (orchestra sinfonica e da camera). Alle medie frequenze si raggiungono valori ottimali per il parlato. Illustrazione 43: robustezza di IR2. Illustrazione 45: robustezza di IR8. Per IR8 valori ottimali si hanno alle medie frequenze, ma non per il parlato. Possiamo dire che in questo caso la stanza amplifica peggio rispetto alle configurazioni con IR2 e IR5.

16 Illustrazione 46: robustezza di IR10. Nell'atrio, IR10, non si raggiungono mai valori ottimali di G per il parlato. I valori migliori si hanno a partire dalle frequenze medie fino alle altissime. Illustrazione 48: robustezza di IR16. IR16 ha volori ottimi di questo parametro, cioè la stanza in cui è stato registrato amplifica tantissimo. Illustrazione 47: robustezza di IR14. I valori migliori di questo indice nella sala conferenza, IR14, si hanno alle medie frequenze, tuttavia questi non raggiungono mai i valori ottimali per il parlato.

17 Analisi dello spettro Guardando ai diversi spettri delle frequenze abbiamo una buona caratterizzazione del comportamento dello spazio. Non esistono lacune significative all'interno dei filtri, poiché lo spazio è vuoto e uniforme. Negli spettri di IR2, IR5 e IR8 si possono notare delle forti attenuazioni alle alte frequenze. Questo potrebbe essere dovuto al fatto che lo spazio in cui sono stati registrati sono molto ampi. In IR8, IR10 e IR14 si possono notare alcune lacune, dovute alla natura irregolare degli ambienti. In particolare nella sala conferenze, IR14, che è molto arredata. Illustrazione 51: spettro di IR8. Illustrazione 49: spettro IR2. Illustrazione 52: spettro di IR10. Illustrazione 50: spettro di IR5.

18 Conclusioni Gli ambienti sono tutti molto riverberanti. La sala conferenze è quella con i tempi di riverbero e di baricentro migliori. Per quanto riguarda la chiarezza i valori ottimali si hanno nel corridoio al primo piano nell'ala sinistra. L'ambiente con le peggiori caratteristiche acustiche è senza dubbio quella nell'ala destra al primo piano (IR16), che amplifica tantissimo, e che di conseguenza ha volori ottimi solo in robustezza. Illustrazione 53: spettro di IR14. Illustrazione 54: spettro di IR16. Riferimenti Audio Tests, Test Tones and Tone Generators - Online and Free. echochamber Impulseresponses Impulse Sets signaltonoize.com echochamber Home IR: LV2 Convolution Reverb Factorial Enterprises VST plug-ins Linux Audio Conference Slides, Papers and more aurora-for-audacity - A multiplaform set of plugins for Audacity - Google Project Hosting AURORA Plug-ins AURORA Plug-ins How to measure impulse responses with the Sine Sweep Usage SIR Audio Tools / SIR1 Acoustic Parameters in concert halls This page will soon open up the Impulse Response Measurements links

19 Misure acustiche nelle sale e parametri acustici FAQ:Installation and Plug-Ins - Audacity Manual Aurora for Audacity Beta General IR-1 Parametric Convolution Reverb Plugin Waves File audio allegati Risposte all'impulso registrate. Segnale di test: voce lirica senza voce. Esempi del segnale di test convoluto con le risposte all'impulso. realizzate con Aurora convolver plugin.

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