IL COMFORT ACUSTICO INTERNO

IL COMFORT ACUSTICO INTERNO Spazi che offrono servizi: - sale d attesa; - ristoranti; - musei; - supermercati; -... Spazi in cui svolgere funzioni: - teatri; - sale concerto; - cinematografi; - chiese; - 1

La sala interviene sul messaggio - attenuando l energia stessa durante la propagazione dell aria; - alterando lo spettro di emissione dell onda sonora dopo la riflessione su pareti e soffitto; - aggiungendo al suono l effetto di riverberazione; - alterando le relazioni di ampiezza che globalmente determinano il suono ricevuto in un determinato posto. 2

REQUISITI E PARAMETRI ACUSTICI Argomento ancora in grado di stimolare la ricerca e poco esplorato. Già Sabine aveva stabilito i criteri di base per avere una buona acustica: 1) Suono sufficientemente forte 2) Le componenti contemporanee di un suono complesso mantengano un rapporto appropriato delle intensità 3) Suoni successivi siano chiari e distinti, liberi da sovrapposizioni e da rumori estranei Per esprimere in termini oggettivi questi requisiti intuitivi è stato necessario sviluppare un notevole apparato teorico esposto di seguito. 3

Spazi confinati e tempo di riverberazione Boston Symphony Hall Lettura, dramma Teatro d opera Musica da camera Sale da concerto Chiese 0 s < T 60 < 1.0 s 1.2 s < T 60 < 1.8 s 1.4 s < T 60 < 2.0 s 1.7 s < T 60 < 2.3 s 2.0 s < T 60 < 4.0 s 4

Beranek e oltre Dai parametri soggettivi alla ricerca di quelli oggettivi Pienezza del tono; Intimità (o presenza); Vivezza; Calore; Intensità soggettiva; Chiarezza; Brillanza; Diffusione; Bilanciamento; Tessitura; Ensemble; Dinamica;... 1. Prime riflessioni e intelligibilità; 2. Prime riflessioni e riverberazione; 3. Prime riflessioni laterali e spazialità; 4. Livello e trasmissione del suono. 5

Ex Philarmonic Hall, inaugurata nel 1962, presentava gravissimi difetti acustici, tra cui anche alcuni echi ben udibili. Venne così nominata una commissione che individuò le cause e avviò la ristrutturazione. AVERY FISHER HALL del Lincoln Center di New York 6

LA RISPOSTA ALL IMPULSO Il contenuto informativo necessario e sufficiente per una completa caratterizzazione acustica di una sala è racchiuso nella risposta all impulso (funzione della posizione nell ambiente). Caratterizza nel dominio del tempo il comportamento di un sistema lineare. 7

Nota la funzione h(t), per qualunque segnale a(t) è possibile determinare il valore dell uscita b(t) tramite l integrale di convoluzione: b ( t) = a( t) h( t) = a( τ ) h( t τ ) dτ + La risposta in frequenza H(f) è la trasformata di Fourier di h(t). Per il teorema di Parseval, nel dominio della frequenza la convoluzione si trasforma in un semplice prodotto fra gli spettri. B( f ) = A( f ) H ( f ) 8

LOCALI PER L ASCOLTO DELLA MUSICA Il tempo di riverberazione rimane il primo e più importante parametro necessario a fornire indicazioni sulla qualità acustica di un ambiente chiuso. Per l ascolto della parola è in genere preferibile un tempo di riverberazione minore in quanto così ogni fonema non resta mascherato dalla coda sonora dei fonemi precedenti. Nel caso della musica un certo grado di riverberazione ha effetti benefici sul mescolamento dei suoni e sulla loro intensità, sulla ricchezza e sul collegamento delle note. Il valore più opportuno di TR è il risultato di un compromesso fra: 1) La riduzione degli effetti dannosi di un eccesso di riverberazione; 2) La garanzia di avere in tutti i punti della sala un audizione senza sforzo. 9

Tempi di prima riverberazione Raramente si riesce ad avere un decadimento di 60 db, quindi generalmente si accetta di dedurre il TR dal decadimento fra 5 e 35 db (T30). E poi nata una serie di altri parametri estrapolati da decadimenti ancora più ridotti: 1) IRT o T15 [-5-20dB] 2) ANZ o T20 (tempo di riverberazione iniziale) [-5-25dB] 3) EDT o T10 [0-10dB] L EDT in particolare è particolarmente sensibile alla posizione del ricettore ed alla geometria della sala. Esso è molto legato alla effettiva sensazione di riverberazione percepita dall orecchio, più di quanto lo sia il tempo di riverberazione di Sabine. Ciò deriva dal fatto che di un passaggio musicale articolato si percepisce solamente la parte iniziale del decadimento dei picchi più elevati, mentre la parte restante rimane mascherata dagli eventi successivi. 10

Tempo di ritardo iniziale (ITDG) Attraverso la misura del TR non si fa distinzione fra la prima parte dell energia sonora che giunge con un breve ritardo rispetto all energia diretta (utile all ascolto), e il suono ritardato (disturbante). Analisi dell andamento delle prime riflessioni (Beranek) altre caratteristiche del campo riverberante possono compensare tempi di riverberazione non adeguati. In particolare il tempo di ritardo della prima riflessione energeticamente importante è legato all aspetto della sensazione uditiva in base al quale l ascoltatore ha la percezione delle dimensioni della sala. Inoltre si può facilmente prevedere il valore dell ITDG in base allo studio delle caratteristiche geometriche della sala. Valori di riferimento: 20-30 ms per sale molto buone, 30-60 ms per sale scarse. 11

Parametri legati al livello di ascolto Robustezza G È una misura dell amplificazione che la sala fornisce alla sorgente sonora. È la differenza tra il livello di pressione sonora misurata nel punto desiderato entro l ambiente e il livello sonoro prodotto dalla stessa sorgente a dieci metri di distanza in campo libero: G = 10log 0 0 p p o in alternativa G = 2 2 10m ( t) dt ( t) dt L p LW + 31 [ db ] [ db] I valori ottimali di G sono compresi tra -4 e +11 db a seconda della destinazione d uso del locale. 12

Tempo baricentrico t s Questo criterio pesa i contributi dei singoli elementi energetici in accordo con il loro tempo di arrivo. Evita i grossolani limiti dei criteri energetici che non hanno relazioni con il processo uditivo. t s = t 0 0 Valori ottimali di t s sono: Per la musica: 50 250 ms Per il parlato: 0 50 ms p p 2 2 ( t) dt ( t ) dt [ ms] 13

Le frazioni energetiche Chiarezza C t È un parametro che misura la quantità di energia ricevuta durante i primi istanti (t) in rapporto all energia totale che segue. La quantità di t venne scelta uguale a 50 ms per la stima di un segnale vocale e uguale a 80 ms per la stima dell articolazione musicale. C t = 10log t( ms) 0 p p 2 2 ( t) dt ( t ) dt [ db] Valori di riferimento: t( ms) -12 < C 50 < -6 comprensione pessima -6 < C 50 < +4 accettabile +4 < C 50 < +10 buona +10 < C 50 < +18 ottima -12 < C 80 < -2 musica per organo -2 < C 80 < 6 sinfonica 6 < C 80 < 10 leggera 14

INDICE DI DEFINIZIONE D: (simile alla chiarezza) D = 50ms 0 0 p p 2 2 ( t) dt ( t) dt Il cui valore ottimale è pari a 0,34 R: rapporto fra l energia riverberante e l energia iniziale È stato proposto per misurare l equilibrio fra il buon mescolamento dei suoni dei vari strumenti dell orchestra e la chiarezza, attributi tipicamente soggettivi. 2 p ( t) dt 50ms 1 D R = 10log = 10log 50ms 2 p ( t) dt D 0 15

Criteri per la sensazione spaziale La sensazione acustica di un individuo dipende, oltre che dall intensità e dalla caratteristica temporale, anche dalla caratterizzazione spaziale. Il sistema uditivo in genere non è in grado di stabilire la direzione di provenienza della moltitudine delle riflessioni, ma riesce ad elaborare: - una impressione spaziale dello spazio tridimensionale chiuso in cui si trova; - si sente avvolto dal suono; - percepisce la fonte sonora più estesa di quanto non lo sia nella realtà. Per elaborare questa sensazione è necessaria la presenza di forti riflessioni dopo 100 ms dall arrivo dell onda diretta. Sono inoltre controproducenti le riflessioni provenienti dall alto. 16

Esempio: la progettazione del soffitto Sala per conferenza PICCOLA GRANDE Sale per la prosa 17

Efficienza laterale (LE) 80ms 2 p 25ms LE = 80ms 2 p0 0 ( t) dt ( t) dt Dove p rappresenta la pressione sonora rilevata con un microfono a figura di otto orientato a sensibilità nulla verso la sorgente e p 0 è la pressione sonora rilevata nello stesso punto con un microfono omnidirezionale. Quantifica la frazione di energia sonora utile ai fini della manifestazione della sensazione di spazialità rispetto al totale. I valori ottimali suggeriti sono superiori a 0,2 0,3. 18

Inter aural cross correlation IACC/ITD Indice di similarità dei segnali captati dalle due orecchie dell ascoltatore. φ LR ( τ ) = + T T + T T p 2 L p L ( t) p ( t) dt R + T T ( t p + τ ) dt 2 R ( t) dt 1/ 2 Che rappresenta il grado di somiglianza dei segnali sonori raccolti dall orecchio destro p R e dall orecchio sinistro p L La IACC corrisponde al valore massimo assunto nell intervallo ±1ms dalla funzione normalizzata di correlazione mutua. IACC = max φlr ( τ ) τ < 1ms I valori ottimali di IACC sono attorno a 0,4 0,5. Valori superiori: ascolto privo di spazialità - Valori inferiori: eccessiva direttività laterale 19

LOCALI PER L ASCOLTO DELLA PAROLA Il comfort acustico adeguato acquista importanza anche a livello di acustica edilizia: UNI 11367 Appendice C [ ] aule scolastiche, ambienti espositivi, sale da conferenza, mense,[ ] palestre, piscine, ambienti per lo sport in genere[ ] Test fonetici di intelligibilità Si realizzano test per stabilire (in percentuale) l intelligibilità del parlato al variare dell oratore e degli ascoltatori. Si utilizzano frasi, parole in rima, e sillabe foneticamente bilanciate. Si tratta di un test soggettivo valido su base statistica (estremamente lento ed oneroso). 20

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Metodo elaborato da Kryter: 1) Si determina il valore di S/N per ogni banda d ottava fra 125Hz e 8kHz; 2) I valori di S/N vengono troncati per rientrare nell intervallo 0-30dB; 3) Ciascun valore viene moltiplicato per una funzione peso w i ; 4) AI = n i= 1 S N Indice di articolazione i w i 22

Funzione di trasferimento della modulazione Modello lineare della trasmissione dell informazione fra sorgente e ricevitore. Parlato continuo = trasmissione a modulazione d ampiezza Una sala che mantiene inalterate le caratteristiche iniziali di modulazione è una buona sala per il parlato. Il segnale ricevuto non è mai un esatta copia di quello trasmesso perché intervengono dei disturbi che riducono la modulazione, filtrandola in base ad una certa funzione di trasferimento della modulazione (MTF [m(f)]): 1) Rumore di fondo 2) Echi e riverberazioni I( t) = I m( F) = [ 1+ cos(2πft )] I( t) = I[ 1+ m( F)cos(2π ( Ft + φ)) ] 1+ 1 2πF T60 13,8 2 1 1+ 10 S / N 10 0 < m( F) < 1 23

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STI e RASTI Le prestazioni del sistema di trasmissione possono essere quantificate da famiglie di curve MTF, una per ogni banda d ottava (da 125 a 8 khz 7), e ciascuna definita dai valori assunti in 14 punti della scala delle frequenze di modulazione (0,63Hz 12,5Hz) 98 valori di m(f). Esprimere ciascuno dei 98 valori di m(f) come dei (S/N) app. S N app m(f) ( ) = 10log [ db] 1 m( F) Una media pesata dei 98 (S/N) app fornisce lo STI. CEI EN 60268-16 25

La griglia a 98 valori è troppo fitta: procedura semplificata emettendo il segnale solo alle bande di 500Hz e 2kHz e considerando per ciascuna di esse solo 4 o 5 frequenze di modulazione. 26

MODELLI IN SCALA Un metodo affidabile ma molto laborioso per lo studio dell acustica delle sale è quello di costruire un modello in scala per analizzare la propagazione delle onde al suo interno. Occorre definire anzitutto un fattore di scala da applicare poi sia alle dimensioni lineari che alle frequenze, secondo la relazione: c = l / t = f λ Un problema molto rilevante è la simulazione dell assorbimento del mezzo (aria), a cui si pone rimedio con diverse soluzioni, a seconda dei casi: - deumidificando l aria; - utilizzando azoto; - compensando numericamente nella risposta all impulso. 27

Altre problematiche di rilievo sono la scelta adeguata dei materiali di rivestimento e la strumentazione (che deve garantire risposte lineari in un campo di frequenza vastissimo, anche fino ai 200 khz). 28

SOFTWARE DI SIMULAZIONE SORGENTI IMMAGINE TRACING IBRIDI 29

Alle basse frequenze la risposta di un ambiente chiuso sottoposto ad una sollecitazione di tipo acustico deve essere analizzata per mezzo della teoria ondulatoria del suono. La presenza di frequenze proprie di risonanza mette in luce la necessità di tener conto anche delle fase di ciascuna onda di pressione che si propaga all interno dell ambiente e che interagisce con le superfici che lo delimitano. 30

RAY TRACING frequenza di Schroeder 5000 f lim = 2000 1 / 2 ( V k ) n,mod T V 1 / 2 31

Problematiche Oltre al limite in bassa frequenza dovuto alle componenti modali, è importante conoscere bene le ipotesi di funzionamento di questo tipo di sofware per ottenere risultati affidabili. Uno dei dati più rilevanti è il numero di raggi da tracciare. I ricettori infatti sono creati come sfere con volume definito, all interno del quale passano i raggi lanciati dalla simulazione. Se il volume del ricettore è troppo piccolo o il numero di raggi è insufficiente, il risultato della simulazione non sarà attendibile. 32

Auralizzazione MESSAGGIO ANECOICO 33

ESEMPIO Teatro di prosa 34

Dati sperimentali Camera Riverberante Tubo di Kundt 35

L orchestra 36

La sorgente 37

I gruppi orchestrali 38

RISULTATI 39