SUONO E RUMORE. Alfredo Cigada

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1 SUONO E RUMORE Alfredo Cigada L acustica e il suono Acustica: scienza che studia generazione onde sonore propagazione onde sonore ricezione onde sonore Cos è il suono? Fenomeno fisico: perturbazione (variazioni di densità delle particelle di fluido) che si propaga nell aria con una certa velocità, sotto forma di onda che propaga attraverso il mezzo; Fenomeno psicofisico: percezione dell orecchio Velocità di propagazione del suono nell aria a temperatura ambiente (0 C) e pressione pari a quella atmosferica vale c=343.6 m/s. c T( C) 1

2 Il suono 3 Definizione: variazione di pressione in un mezzo elastico che l orecchio umano riesce a rilevare. (fluttuazioni molto piccole rispetto al valore della pressione atmosferica) Esempio: Il diapason vibrando nell aria emette un suono Mezzo elastico 4 Durante la propagazione di un onda sonora si ha il movimento delle particelle di un mezzo elastico attorno alla loro posizione di equilibrio. Un'onda acustica si propaga per mezzo di (piccole) perturbazioni di pressione che si trasmettono localmente attraverso il mezzo. La velocità di propagazione dell'onda è detta celerità del suono. Questa grandezza non deve essere confusa con la velocità delle particelle nel mezzo. Infatti, le molecole del mezzo si mantengono, in media, nella stessa posizione nel corso della loro oscillazione attorno alla posizione di equilibrio (che è la causa delle piccole fluttuazioni di pressione).

3 Il concetto di onda e di perturbazione 5 Il suono presenta strette analogie con i tanti altri fenomeni della fisica che si manifestano e propagano sotto forma di onde (luce, onde sismiche, onde sulla superficie dell acqua ). L onda costituisce essenzialmente una perturbazione delle condizioni locali li a riposo (esistenti ti prima del suo arrivo) del mezzo interessato. t N.B.: è la perturbazione che si sposta e si propaga, non il mezzo in cui si propaga! Suono propaga trasportando energia, non vi è alcun trasporto di massa! Le diverse particelle adiacenti eseguono tutte lo stesso movimento, ma con un certo ritardo temporale (fase), f l una dopo l altra. Tale ritardo è determinato dalla velocità di propagazione dell onda, che dipende dal mezzo. Le onde sonore 6 L onda sonora, indipendentemente da come abbia avuto origine, altro non è che il propagarsi di un moto oscillatorio (rettilineo, avanti e indietro), che le particelle del mezzo si trasmettono sequenzialmente l una all altra, senza che ciascuna particella si sposti (se non appunto localmente intorno alla propria posizione di equilibrio). Il mezzo deve avere necessariamente due caratteristiche per avere propagazione: elasticità: quando una particella del mezzo viene spostata dalla sua posizione a riposo, si genera una forza interna al mezzo stesso (risultante dall azione delle forze intermolecolari) che tende a riportarla in quella configurazione; inerzia: coincide con il possedere una massa, e quindi la possibilità di trasferire quantità di moto ed energia meccanica da particella a particella. Oss: non si può avere propagazione di onde sonore nel vuoto! E necessaria la presenza di un mezzo (aria, acqua, solido ). 3

4 Onde longitudinali e trasversali 7 Onde longitudinali (o di compressione): l oscillazione avviene nella stessa direzione di propagazione dell onda (es. onde sonore). Onde trasversali (o di taglio): l oscillazione avviene in direzione perpendicolare a quella di propagazione (vibrazione di una corda). Oss: solamente nei mezzi solidi possono instaurarsi entrambi i tipi di onde, in quanto presentano sia elasticità di taglio sia elasticità di compressione (pertanto la propagazione nei solidi può risultare molto complessa). Grandezze fisiche di interesse 8 Quali sono le grandezze fisiche interessate dal fenomeno della propagazione? Poiché le particelle (comunemente di aria) sono indotte ad oscillare nella direzione di propagazione dell onda: lo spostamento dalla loro posizione di equilibrio e la velocità con cui avviene tale spostamento (velocità di particella). Oss: tale velocità è differente dalla velocità di propagazione!. L oscillazione avanti e indietro delle particelle induce variazioni di densità e quindi di pressione nelle regioni adiacenti (variazioni positive o negative rispetto alla condizione di riposo), quindi: la pressione (intesa come differenza rispetto alla pressione statica, in aria la pressione atmosferica): pressione sonora o pressione acustica. Tale grandezza è quella che di fatto viene percepita dall orecchio e misurata direttamente dagli strumenti di misura. 4

5 Grandezze caratteristiche 9 Frequenza (f): numero di cicli completi nell unità di tempo [1/s=Hz] Il campo uditivo uditivo dell uomo varia da 0 Hz (il suono più basso udibile) a 0 khz (il più acuto). 1 Periodo (T):inverso della frequenza T = [s] f Pressione (p minuscola): forza per unità di lunghezza [N/m^=Pa] Se la pressione atmosferica è uguale a circa 105 kpa, la pressione acustica corrispondente ad un suono udibile può variare da 0 mpa (la cosiddetta soglia uditiva) a 00 Pa (se ci si pone, per esempio, a 3 metri da un motore a reazione). E la tipica grandezza misurata in acustica. Lo strumento di misura della pressione legata al suono deve quindi essere molto sensibile e coprire un notevole campo di misura Lunghezza d onda, frequenza e numero d onda 10 La propagazione dell onda è funzione del tempo e dello spazio. Parametri caratteristici di un onda sono: pulsazione ω [rad/s]: variazione di fase nell unità di tempo ω=π/t; frequenza f [Hz]: numero di cicli al secondo f=1/t=ω/π; ; numero d onda k [rad/m]: variazione di fase nell unità di spazio k=ω/c; lunghezza d onda λ [m]: distanza percorsa in un periodo λ=π/k=c/f. Esempi: Suono a 0 Hz ha una lunghezza d onda di circa 17 m; Suono a Hz ha una lunghezza d onda di circa m. 5

6 Il suono e la percezione umana 11 Suono Onda sonora che propaga frequenza [Hz] ampiezza [Pa] fase [rad] Orecchio umano percepisce suoni con frequenza comprese approssimativamente tra 0 Hz e 0 khz. I suoni con frequenza inferiore a 0 Hz sono chiamati infrasuoni, quelli con frequenza superiore a 0 khz sono definiti ultrasuoni. Grandezze caratteristiche 1 celerità del suono Lunghezza d onda (λ) : λ = [m] frequenza Celerità del suono nell aria: 344 m/s Lunghezza d onda [m] ,5 0, 0,1 0, Frequenza [Hz] 6

7 Grandezze caratteristiche 13 L entità che vibrando mette in movimento il mezzo in cui è inserita e genera il suono è detta SORGENTE SONORA; tale sorgente è caratterizzata una potenza sonora emessa, espressa in watt. Di conseguenza il suono trasferisce un ENERGIA. Potenza P(maiuscola) : energia emessa nell unità di tempo [J/s=W] Grandezze fondamentali 14 Propagazione delle onde sonore comporta un trasferimento di energia meccanica da particella a particella, da elemento di volume a elemento di volume del mezzo di propagazione. Qualunque sia la sorgente che genera l onda sonora, la legge di conservazione dell energia impone che in ogni istante tutta l energia generata dalla sorgente possa essere ritrovata all interno del sistema acustico generato, al netto delle eventuali perdite. Si deve inoltre poter stabilire come e quanta energia fluisce nel tempo da una parte all altra dello stesso sistema. sorgente Perdite Sistema acustico Grandezze fisiche che forniscono questa informazione sono: intensità e densità di energia, oltre alla potenza che caratterizza intrinsecamente la sorgente di suono. 7

8 Grandezze caratteristiche 15 Intensità sonora I è definita come la quantità di energia che fluisce, nell unità di tempo, attraverso una superficie di area unitaria perpendicolare alla direzione di propagazione dell onda. L unità di misura è W/m. E possibile legare il valore di pressione misurata alla potenza della sorgente per mezzo della grandezza I Durante un intervallo di tempo dt le particelle, sotto l azione della forza F=p A, vengono spostate di dx=u dt. Il lavoro compiuto risulta pertanto uguale al prodotto F dx=p A u dt. L energia trasferita al mezzo per un unità di superficie nell unità di tempo (pari all intensità) è dunque pari a: Intensità acustica (I): prodotto della pressione per la velocità di oscillazione delle particelle costituenti il mezzo elastico. r r W I = pu m s grandezza vettoriale! Grandezze caratteristiche 16 Si può dimostrare che nel caso di propagazione in campo libero esiste una relazione tra pressione e velocità: p r u = ρc Impedenza acustica del mezzo Da cui è possibile derivare il legame tra intensità e pressione a partire dal parametro di impedenza acustica. r r I = p u = p ( rms ) / ρ c 8

9 Grandezze caratteristiche 17 Dalla definizione di intensità acustica ricaviamo l energia irradiata nell unità di tempo dalla sorgente, che rappresenta la sua potenza sonora W : = S r r W Ids Si ottiene immaginando che tutta l energia sonora che fluisce nel mezzo sia prodotta da una sola, ben definita sorgente. L unità di misura è W. Per il caso di semplice sorgente puntiforme e omnidirezionale, ipotizzando che la sorgente irradi uniformemente in tutte le direzioni e considerando una superficie S sferica di raggio r: π IS π ρ 0 c W = 4 r I = 4 r Dalla formula precedente si deduce come la pressione sonora (e quindi il rumore percepito) si attenui allontanandosi dalla sorgente. p Il decibel 18 La minima variazione di pressione effettiva udibile alla frequenza di riferimento di 1000 Hz è di *10-5 Pa. In corrispondenza, per ρc=400 kg/m s, corrisponde un intensità sonora di 10-1 W/m^ Il valore massimo della scala acustica viene determinato pari al valore in cui la sensazione sonora si trasforma in dolore; questo limite si aggira su 63.5 Pa; per ρc=400 (kg/m s) ad esso corrisponde un intensità sonora di 10 W/m Ne consegue un enorme campo di variabilità: pmax 63.5 = p I I = 5 min 5*10 10 = 10 max = 1 min numeri difficilmente utilizzabili 9

10 Il decibel 19 La sensazione uditiva è proporzionale all intensità I, cioè a p / ρc Una sensazione preesistente condiziona la percezione di uno stimolo che si sovrappone, quindi uso Log (p / ρc) Lo zero è p 0 =*10-5 Pa, quindi: Bel = Log (p /p 0 ) db = 10 Log (p /p 0 ) 0 10

11 Il Decibel - decadi ed ottave Decade Ottava Rappresentazione logaritmica Lineare 10 Logaritmica

12 Livello di pressione sonora 3 Nell esprimere il livello di pressione sonora, o Sound Pressure Level (SPL), poiché la definizione di db si riferisce al rapporto tra grandezze proporzionali all energia o alla potenza, occorre considerare il quadrato delle pressioni. L p p p = 10log = 0log ( db) p p 0 0 N.B.: sia p che p 0 vanno intesi come valori efficaci. dove il valore di riferimento della pressione sonora p 0 è per convenzione 0x10-6 Pa (cioè 0 μpa, soglia uditiva umana media alla freq. 1 khz). Si può anche scrivere: L = p + db p 10log 94 ( ) Esempio: pressione sonora di valore efficace.5 Pa corrisponde a 10 db (10log.5 +94). 4 Sound Pressure Level Courtesy Bruel&Kjaer 1

13 Livello di potenza sonora e di intensità sonora Analogamente si possono definire il livello di potenza sonora e di intensità sonora come: L L W I W 10log ( db ) W = dove la potenza sonora di riferimento W 0 è per convenzione 10-1 W (cioè 1 pw). 0 I 10log ( db) I = dove l intensità sonora di riferimento I 0 è per convenzione 10-1 W/m. 0 5 Si può scrivere: L = 10logW+ 10 ( db) W L = 10log I+ 10 ( db) I Esempio: Il livello di intensità sonora a 10 m da una sorgente che irradia uniformemente in tutte le direzioni una potenza sonora di 0,1 W è: 5 W 0,1 5 7,95 10 I = = = 7,95 10 W/ m L 10log 79 I = = db 1 4π r 4π Corrispondenza pressione [Pa] Sound Pressure Level [db] 6 Corrispondenza: potenza [W] Livello potenza[db] Livelli di potenze di alcune sorgenti 13

14 Valori RMS 7 Spesso è più utile considerare il valore della pressione sonora in termini di RMS, o valore quadratico medio. L RMS ha il significato di contenuto energetico medio del segnale Valori RMS 8 Per un segnale armonico non ha senso definire un valore medio (sarebbe zero). Si ragiona per analogia con il caso elettrico, ove la potenza vale P=V /R. La potenza media risponde dunque alla seguente definizione in cui si opera l integrazione e si divide per T: t0 + T t 1 1 V 0 +T rms Pavg = [ V () t ] dt = 1 R T V () rms = R t0 V t dt T t0 [ ] Per analogia, nel caso delle pressioni p rms t 0 = T t0 +T 1 [ p () t ] dt 14

15 Valori RMS Una tensione AC con un assegnato RMS produce lo stesso riscaldamento (ha la stessa potenza media) di una tensione DC con lo stesso valore RMS. Tutte le tensioni delle seguenti forme d onda hanno lo stesso valore RMS e dovrebbero produrre VAC su un indicatore RMS: v v 1 v 1 v 1 Sine Triangle Square 1 1 DC 1 1 Waveform Vpeak Vrms SPL ESEMPIO (due o più sorgenti sonore) (SPL=Livello della pressione sonora) 30 1 sorgente: SPL = 50 db sorgenti: + SPL =? db SPL (50 db + 50 db) 100 db! Livello totale dato dalle due sorgenti contemporaneamente in funzione: p1 + p SPL = 10Log10 = 53dB = dB p o 15

16 SPL ESEMPIO (due o più sorgenti sonore) (SPL=Livello della pressione sonora) SPL 1 = 10Log 10 p p 1 0 p SPL = 10Log p p = p p 1 = p SPL 10 1 SPL p tot SPL1 SPL = + = p1 p p SPL tot SPL1 SPL p tot = = Log10 10Log p0 SPL ESEMPIO (due o più sorgenti sonore) (SPL=Livello della pressione sonora) 3 SPL = 50 db SPL = 80 db sorgenti: + SPL =? db SPL (50 db + 80 db) 130 db livello totale dato dalle due sorgenti contemporaneamente in funzione: p1 + p SPL = 10Log10 = 80, 0043dB p 0 16

17 Differenza di livelli sonori ΔL N db LT -L F ESEMPIO rumore totale: L T =60 db rumore di fondo: L F =53 db rumore macchina =? db L T -L F = 7 db dal grafico si ricava: 1 db rumore della macchina: 60-1 = 59 db Courtesy Bruel&Kjaer Somma di livelli sonori 34 3 ΔL L db ESEMPIO rumore macchina 1: L 1 =8 db rumore macchina : L =85 db rumore totale =? db L -L 1 = 3 db 1, L -L 1 dal grafico si ricava: 1,7 db rumore totale: ,7 = 86,7 db Courtesy Bruel&Kjaer 17

18 Livello di pressione sonora SPL Soglia del dolore gamma udibile musica parlato La sensibilità dell orecchio umano è funzione del livello di pressione sonora e della frequenza 10 Soglia dell udito 0 0 K Courtesy Bruel&Kjaer Frequenza 36 Courtesy 01dB 18

19 Frequenza 37 In acustica applicata si usano frequenze normalizzate per facilitare il confronto tra misure fatte con strumenti diversi. Queste frequenze sono definite prendendo intervalli successivi posti superiormente o inferiormente alla frequenza di riferimento (1000 Hz). Ogni banda di frequenza normalizzata è individuata dal suo centro di frequenza e dalla larghezza di banda. Frequenza 38 La International Standards Organization (ISO) ha definito tre diverse larghezze di banda da preferire rispetto ad altre e cioè quello di ottava, di un terzo d'ottava e di mezza ottava. Per ragioni di praticità i valori delle frequenze centrali sono spesso arrotondati a numeri interi. 19

20 Frequenza 39 Gli estremi ed il valore centrale di ciascuna banda sono così determinati: f f 1 c f Banda con frequenza centrale 1000: f = f 1 f f = 1 f c f = f = f = f = fc 1000Hz 1000Hz f1 = 707Hz f = *707Hz = 1414Hz Ottave e frazioni di ottave 40 0

21 Filtri 41 I filtri servono sia per isolare il contenuto di una certa banda, eliminando le altre, sia anche per cercare di imitare il comportamento dell orecchio umano che, nei confronti del suono, si comporta da filtro o da amplificatore, con dirette conseguenze sulla sensazione di disturbo da rumore. Pur essendo questa una sensazione soggettiva, si cerca di oggettivarla. Courtesy 01dB Curve di uguali sensazione sonora (ISOFONICHE) SPL db k 5 k 0 k Frequenza [Hz] Courtesy Bruel&Kjaer 1

22 Curve di PONDERAZIONE A -60 SPL db C D B D A B + C Frequenza [Hz] Curva A: - simula la sensazione dell orecchio - utilizzata anche per le valutazioni di legge - ponderazione = 0 db per frequenza = 1000 Hz Curva D: rumore degli aerei suono orecchio F.T. sensazione Courtesy Bruel&Kjaer Curve di PONDERAZIONE 44 LA o L(A) espresso in db(a)

23 Curve di PONDERAZIONE 45 Courtesy 01dB Analisi spettrale 46 Quindi gli strumenti per l analisi del suono sono analizzatori di spettro, che eseguono spettri in ottave o in terzi di ottave o in dodicesimi di ottava. Ciascuna banda (ottenuta con un filtro passa banda) viene ulteriormente filtrata (in ampiezza, curve di ponderazione), per produrre lo spettro normalizzato 3

24 Analisi spettrale 47 SENSAZIONE DI DISTURBO LEGATA A: Intensità sonora Spettro (timbro: i toni puri in generale sono più fastidiosi) Continuità o intermittenza Attività delle persone Periodo della giornata Atteggiamento t individuale id Analisi spettrale 48 Courtesy 01dB 4

25 Analisi spettrale 49 DIFFERENZA TRA L ANALISI IN OTTAVE E QUELLA A BANDA STRETTA (10 Hz) Courtesy 01dB Segnali prova 50 In acustica applicata si utilizzano spesso dei segnali di prova come: TONI PURI segnale armonico; RUMORE BIANCO, rumore casuale che ha livello costante lungo tutto lo spettro delle frequenze. Conseguentemente a questa definizione il suo livello di banda aumenta di 3 db per ogni ottava successiva; Courtesy 01dB 5

26 Segnali prova 51 RUMORE ROSA, segnale di rumore il cui livello spettrale decresce di 3 db per ogni ottava successiva, per cui il suo livello di banda rimane costante per ogni ottava lungo lo spettro di frequenze; Courtesy 01dB 5 TRASDUTTORI E STRUMENTI DI MISURA 6

27 Strumenti di misura 53 Grandezza di interesse fisico è la pressione sonora, che è praticamente ciò che agisce sulla membrana timpanica dell orecchio. Quindi si ha la necessità di avere strumenti di misura per misurare l infinitesima perturbazione dinamica che la propagazione dell onda apporta alla pressione statica a riposo nel mezzo. Trasduttore per la misura della pressione sonora è il microfono. Poi naturalmente interessa determinare frequenza, fase, relazioni armoniche, distribuzione ib i spaziale e temporale, o ancora applicare operazioni di calcolo per derivarne parametri o indici più complessi, o altre grandezze fisiche come intensità, potenza, e densità di energia sonora. Microfoni 54 Pressione acustica [Pa] Microfoni Tensione [V] 7

28 Principi di funzionamento 55 Differenti principi di funzionamento (trasformazione di una grandezza acustica [Pa] in una grandezza elettrica corrispondente [V]): Moto di un conduttore in un campo magnetico microfoni magnetodinamici; Variazioni di capacità microfoni a condensatore o a elettrete; Fenomeni piezoelettrici microfoni piezoelettrici. I microfoni di misura sono in genere a condensatore. prepolarizzato: campo elettrico (carica elettrica) è permanentemente presente nel materiale, denominato elettrete; a polarizzazione separata: campo elettrico creato da una differenza di potenziale fornita dall esterno (sono più pregiati). Microfoni 56 Piezoelettrico: p Cristallo di quarzo ΔV Detti anche a cristallo, sfruttano l omonimo principio piezoelettrico : alcuni materiali, come il quarzo, se sottoposti a sollecitazioni meccaniche generano un potenziale elettrico. La misura di tale tensione è sfruttata per stimare la pressione incidente. 8

29 Microfoni 57 Elettrodinamico: magnete permanente diaframma bobina Microfoni 58 Capacitivo: Condensatore ad aria formato dal diaframma e dal contropiatto Condensatore polarizzato tramite una carica sul contropiatto La pressione sonora fa vibrare il diaframma varia la capacità del condensatore tensione in uscita Courtesy Bruel&Kjaer 9

30 Microfoni 59 Capacitivo: fori di compensazione diaframma AMP V cc gap d 0,005 mm Microfoni 60 Capacitivo: c t + Δc(t) c c pressione sonora c s R c E o R i ci v(t) c(t): variazione di capacità dovuta alla pressione sonora c s : capacità parassita R c : resistenza dell alimentatore c c : capacità di accoppiamento R i : resistenza di ingresso del preamplificatore c i : capacità di ingresso del preamplificatore 30

31 Microfoni 61 Capacitivo, circuito equivalente: c t v t ct E o() = Δ () c t o c i R v(t) dove: R = RR c i Rc + Ri v (t) = Δc (t) E c t o jωrc t 1+ jωrc t Microfoni 6 Caratteristiche dei microfoni: Sensibilità a circuito aperto tensione d' uscita Sensibilit à = pressione sonora valore tipico: 50 mv/pa 31

32 Microfoni a condensatore 63 Costituito da due elettrodi (uno fisso, controelettrodo, ed uno mobile, membrana). Tipica distanza tra membrana e controelettrodo è compresa tra i 15 e i 30 µm. Spessori tipici della membrana tra 1.5 e 8 µm. 1. Pressione sonora [Pa]. Membrana 3. Controelettrodo 4. Condensatore 5. Resistenza 6. Segnale in uscita [V] Principio di funzionamento: pressione acustica avvicina o allontana la membrana del controelettrodo, variando la capacità del condensatore: poiché la carica a circuito aperto rimane costante si genera una tensione che per piccoli spostamenti della membrana è proporzionale alla pressione acustica che agisce su di essa. Caratteristiche di un microfono 64 Prestazioni di un microfono dipendono dalle seguenti caratteristiche: sensibilità (sensitivity): mv generati per 1 Pa; la sensibilità viene definita ad una specifica frequenza di riferimento rumore di fondo: rumore generato in assenza di pressione acustica; espresso in mv (Pa equivalenti) o in db, dipende dal sistema microfono+preamplificatore risposta in frequenza (frequency response): variazione della sensibilità e della fase con la frequenza (dalla risposta in frequenza si definisce la banda passante); direttività: variazione della sensibilità con l angolo di incidenza della fonte di rumore; massimo livello di pressione sonora misurabile (prima dell insorgere di distorsioni o danni al microfono); campo dinamico (dynamic range): differenza tra il massimo livello di pressione sonora misurabile e il livello equivalente del rumore di fondo. Oss: le caratteristiche del microfono dipendono dal campo in cui è immerso. 3

33 Data-sheet 65 sensibilità Direttività 66 33

34 Tipologie di microfoni 67 Microfoni di misura sono progettati per presentare una risposta in frequenza linerare con sensibilità costante in una delle possibili condizioni di utilizzo: free field: campo libero con fronte d onda piano (spazio libero, camera anecoica); random incidence: campo diffuso (camera riverbarante); pressure: in pressione, per misure in accoppiatore o in specifici free field apparati di misura. pressure random incidence Microfono free field influenza il campo sonoro in cui è inserito, ma è costruito per compensare tale influenza. Microfono in pressione, se usato in campo libero, deve essere orientato a 90 rispetto alla direzione di propagazione in modo che il suono non incida direttamente sul microfono. Microfono per campo diffuso è progettato per rispondere uniformemente a onde provenienti da tutte le direzioni simultaneamente. Se usato in campo libero deve essere orientato a circa Definizione di campo 68 Tre condizioni limite: campo libero (free-field): senza riflessioni (ad es. spazio completamente aperto, camera anecoica). Dalla sorgente si propaga un fronte d onda progressivo, che per grandi distanze () diventa piano; campo diffuso (diffuse field): le onde di pressione che si propagano dalla sorgente vengono riflesse dalle pareti e creano un campo sonoro in cui la provenienza delle onde è casuale (es. camera riverberante). campo di pressione (pressure field): pressione sonora ha la stessa ampiezza e fase in ogni posizione all interno del campo. camera anecoica camera riverberante 34

35 69 Risposta del microfono (ottenuta con calibratore elettrostatico che produce una forza che simula dunque la pressione sonora sulla membrana) Utilizzo dei microfoni 70 free field microphone pressure microphone random incidence microphone 35

36 Design meccanico 71 griglia protettiva membrana controelettrodo isolatore contatto centrale Microfoni da 1 1/ 1/4 1/8 7 Microfono inserito nel campo sonoro genera effetto di carico sul campo stesso, modificandolo (effetti di diffrazione). A partire dalle frequenze per cui λ comparabile con le sue dimensioni, la pressione acustica sulla membrana non è più uniforme. Per diminuire diffrazione si costruiscono microfoni più piccoli (che però sono meno sensibili in quanto intercettano minore energia sonora rispetto a quelli di area maggiore). Parte della sensibilità viene recuperata diminuendo peso e tensione della membrana, aumentandone quindi la deflessione a parità di pressione applicata. 36

37 73 Dimesioni Sensibilità (mv/pa) Freq. max (Hz) Livello max per 3% di distorsione (db) 1'' /'' /4'' Preamplificatore 74 Segnale elettrico del microfono viene amplificato dal preamplificatore. Questo deve essere messo molto vicino al microfono, poiché deve trasformare alta impedenza di uscita del microfono in bassa impedenza, per permettere di trasportare il segnale su lunghi cavi. 37

38 Classi di precisione e normative 75 Le norme prevedono quattro classi di precisione per gli strumenti di misura. Classe 0: strumenti di riferimento. Si usano per tarare gli altri strumenti. Devono garantire accuratezza di 0,3 db. Classe 1: strumenti di precisione. Garantiscono accuratezza di 0,7 db. Utilizzati in laboratorio e per misure di precisione sul campo. Classe : strumenti industriali. Garantiscono linearità in ampiezza di 1 db. Usati per misure sul campo di uso generale. Classe 3: strumenti di sorveglianza. La legge italiana prescrive che tutte le misure, per essere legalmente riconosciute, vengano effettuate con trasduttori in classe 1. Microfoni 76 PIEZOELETTRICI ELETTRODINAMICI CAPACITIVI 38

39 Microfoni 77 La sensibilità è tanto più elevata quanto più grande è la superficie della membrana esposta all onda sonora Microfoni 78 All aumentare del diametro della membrana, però, si ha una riduzione del range di frequenza di utilizzo 1 10 k [Hz] 1/ 4 40 k [Hz] 1/ k [Hz] Normalmente i fonometri hanno microfoni da 1/ 39

40 Microfoni 79 Caratteristiche dei microfoni: Risposta in frequenza: è la gamma entro cui il microfono garantisce una sensibilità costante [db] risposta in pressione dell attuatore elettrostatico sensibilità di riferimento a 0 db attuatore elettrostasico [Hz] k microfono Microfoni 80 Caratteristiche dei microfoni: Taglio alle basse frequenze: è la frequenza più bassa alla quale il microfono risponde (solitamente 3 Hz) Taglio alle alte frequenze: è la frequenza alla quale la curva di risposta in frequenza decresce di db rispetto alla linea di riferimento di 0 db 40

41 Microfoni 81 Tipi di microfoni: microfono con risposta in campo libero: utilizzato per le applicazioni dove il suono proviene da una direzione; microfono con incidenza casuale: risponde in modo uniforme al segnale in arrivo da tutte le direzioni microfono con risposta in pressione: utilizzato per misure di livello di pressione sonora incidente su una superficie (misure su pareti o in cavità) Microfoni 8 Tipi di microfoni Errori se il microfono viene utilizzato t per un tipo di misura db diverso da quello per cui è stato realizzato: +5 risposta in campo libero 0 risposta in pressione -5 risposta a incidenza casuale Hz 41

42 83 Fonometro 84 E lo strumento che misura il livello di pressione sonora display suono preamp. amp. integratore SPL Leq microfono (trasduttore di pressione) curve di ponderazione rivelatore RMS 4

43 Fonometro 85 Curve di ponderazione: è un circuito elettronico di ponderazione realizzato mediante un filtro con funzione di trasferimento corrispondente ad una delle curve di ponderazione Fonometro 86 t 1 t RMS (root mean square): p ( ) RMS = 0Log10 dt t τ τ p0 τ Costanti di tempo : Slow: = 1 s consente di evitare le oscillazioni rapide dell'indicatore nei casi in cui il suono misurato fluttua continuamente e bruscamente: si effettua quindi, più o meno, una media temporale del livello di rumore τ Fast = 15 ms simile all orecchio umano Impulse 35 ms salita τ = 3 db/s discesa reagisce rapidamente e mantiene l indicazione per un certo periodo 43

44 Fonometro 87 Affinché i misuratori di livello sonoro abbiano una risposta temporale simile a quella dell'orecchio umano, il rivelatore rms viene corredato con diverse costanti di tempo di integrazione o ponderazioni temporali: "Fast" F, che corrisponde ad una constante di integrazione temporale di 15 ms. "Slow" S, che corrisponde ad un tempo di integrazione di 1 secondo (ciò consente di evitare le oscillazioni rapide dell'indicatore nei casi in cui il suono misurato fluttua continuamente e bruscamente: si effettua quindi, più o meno, una media temporale del livello di rumore). "Impulse" I che si utilizza per rumori di tipo impulsivo ed ha una costante di tempo di 35 ms nella fase di crescita del segnale e di 1500 ms nella fase di caduta (il rivelatore reagisce rapidamente ad un istantaneo aumento di livello sonoro e mostra il valore corrispondente per un tempo lungo abbastanza per essere letto). I misuratori di livello sonoro possono anche contenere un rivelatore di livello massimo che registra il massimo valore rilevato per poi essere letto sul display. Fonometro 88 Si ricorda che dal quadrato della pressione efficace si ricava anche l intensità acustica. Infatti la potenza è un flusso di energia nel tempo. L energia è associata al lavoro prodotto dalla pressione acustica. Ma Forza pressione e spostamento pressione, quindi ecco spiegata la relazione iniziale. 44

45 Fonometro 89 Rumore continuo Rumore intermittente Sono assai diversi: come li posso confrontare? Il livello sonoro istantaneo ponderato A non fornisce le necessarie informazioni. Si preferisce utilizzare il livello medio di energia o livello di pressione sonora continuo equivalente (Leq). Il Leq corrisponde a un rumore continuo che ha la stessa energia, ponderata A del rumore considerato e si misura su un periodo di tempo T, determinato sulla base delle fluttuazioni temporali del livello ponderato A, ottenute con la risposta veloce fast di un misuratore di livello sonoro. Fonometro 90 Livello equivalente (Leq): L eq = 10Log 10 1 T t p ( t) dt p 0 0 Rappresenta il livello di pressione costante avente lo stesso contenuto energetico del rumore reale misurato nello stesso intervallo di tempo. 45

46 Fonometro 91 Traffico: Leq Martellate: Leq Fonometro 9 Altra grandezza fornita dai fonometri è il livello di esposizione sonora: 1 p( t) SEL = 10log T T 0 p rif T = 1s 0 dt Rappresenta il livello ll che se mantenuto t costante t per un secondo avrebbe lo stesso contenuto energetico del rumore reale misurato 46

47 Fonometro 93 SEL: livello medio di energia che si ottiene riportando al tempo di riferimento di un secondo tutta l'energia misurata, qualunque sia stata la durata effettiva della misura. Se si valuta il Leq, l'integrazione è effettuata su un periodo di tempo T = t - t1, Questa viene poi divisa per un tempo di riferimento di 1 secondo invece che per T. SEL = Leq +10 log10 T Fonometro 94 Uscita: Display: SPL db (A): se ponderato con la curva A In alcuni casi è possibile avere anche una uscita in tensione che può essere registrata 47

48 Fonometro 95 Taratura del fonometro: controllo dello stato di funzionamento del fonometro per confronto con un segnale campione. Il calibratore viene applicato al fonometro in prossimità del microfono e fornisce un segnale acustico di riferimento stabile ad una determinata frequenza e con ampiezza definita. La calibrazione deve essere eseguita prima e dopo ogni serie di misure con differenze riscontrate minori di 0,5 db Fonometro 96 Taratura del fonometro Campioni internazionali Sistema Nazionale di Taratura (S.N.T.): Istituto Elettronico Nazionale G. Ferraris come centro primario di taratura Servizio Italiano di Taratura (S.I.T.): laboratori secondari di taratura Fonometri tarati 48

49 Fonometro 97 Verifica di taratura sul campo Viene effettuata mediante il pistofono che fornisce una pressione sonora di 94 db a 1000 Hz con una accuratezza di ± 0.1 db 49