| INFORMAZIONI TECNICHE | Suono e Rumore |
Il
suono è un fenomeno fisico che stimola il senso dell' udito. Da un punto di vista
scientifico il suono è costituito da vibrazioni,
trasmesse come onde longitudinali di pressione, attraverso un mezzo, come ad
esempio l' aria o i solidi, ovvero una vibrazione degli atomi e delle molecole della
materia in cui si propaga.
La misura del suono avviene con trasduttori che trasformano le vibrazioni del
mezzo in segnale elettrico, ad esempio microfoni; gli strumenti principali
prendono nome di fonometro e audiometro, mentre strumenti di analisi
più complessa sono gli analizzatori di
spettro .
Il suono possiede tre caratteristiche fisiche :
Intensità:
ovvero la quantità di energia trasmessa (ad esempio, il suono dell' organo ha
una energia molto maggiore del suono del flauto).
La misura del suono, solitamente composto da diverse frequenze, a volte
non chiaramente definite, viene ad essere complicata dal fatto che
il nostro interesse è rivolto a stabilire
quale è il suo impatto sull’uomo. Si è verificato che l’orecchio
umano risponde in maniera non lineare nel campo della frequenza e della
intensità del suono, cioè risulta più sensibile ad alcuni suoni e meno ad
altri. Ai dati oggettivi si aggiunge la componente soggettiva dovuta all'
ascoltatore. Alcuni scienziati cercarono di ricavare una legge sufficientemente
valida per correlare il fatto oggettivo delle misure, per esempio
l’intensità sonora, agli aspetti soggettivi, legati ai meccanismi
fisiologici e psichici dell’uomo. Fletcher, sulla base degli studi di Weber
e Fecher giunse ad una legge di tipo logaritmico :
S = 10 log10 I/Is
dove S è l' effetto sull' ascoltatore, I è l' intensità del suono e Is è l’intensità minima udibile, che, tra l' altro, è variabile con la frequenza. L' unità adottata per questa misura prese il nome di decibel (dB).
Quindi il decibel è una indicazione di "rapporto" : è definito
come 10 volte il logaritmo in base 10 del rapporto tra
due quantità; in pratica il decibel valuta il livello delle variazioni di
pressione acustica relativamente alla capacità uditiva
dell'orecchio umano.
Il valore zero è stato definito
convenzionalmente a seguito di esperimenti, fissando un valore di
riferimento cui rapportare i valori delle grandezze in
esame : per il suono, 0 dB = livello minimo udibile alla
frequenza di 1000 Hz
Le misure in dB, che si basano su una scala di tipo logaritmico, vanno
considerate in tal senso, in quanto variazioni di +3 dB raddoppiano e di -3 dB dimezzano
l'intensità sonora.
Come già detto, l’ orecchio umano non ha una risposta lineare, ma può captare da O db
fino a circa 100 dB, oltre cui , a partire da 120 dB, si inizia ad avvertire una
sensazione dolorosa dovuta al sovraccarico del timpano e del sistema auditivo.
Frequenza :
ovvero il numero di vibrazioni in un secondo. Ad esempio, le varie note
prodotte pizzicando le corde della
chitarra si distinguo tra loro per la differente frequenza a cui vibrano le
corde stesse. Si misura in hertz [Hz].
L’orecchio umano non ha una risposta lineare al variare delle frequenze, ma è
capace di percepire suoni fra i 20Hz ed i 25000Hz per i bambini, con il limite
superiore che si abbassa con il crescere dell' età e mediamente è posto a
20000Hz. Al di sotto dei 20Hz si parla di infrasuoni, mentre quelli la cui
frequenza è situata sopra i 20000Hz sono chiamati ultrasuoni. Vari animali
sono in
grado di emettere e percepire ultrasuoni e i più noti sono i pipistrelli, che
sfruttano
questa loro capacità per orientarsi nel volo notturno.
Nella musica
la frequenza è chiamata altezza e viene codificata con una convenzione che individua
varie frequenze come note musicali (Do Re Mi Fa Sol
La Si) ordinate secondo scale e rapporti ben definiti; per l' accordatura viene fatto riferimento alla nota
"La" emessa da un diapason, e cioè uno strumento sonoro di riferimento in grado
di generare una frequenza molto precisa; il suo valore tipico corrispondente a circa a
440 Hz.
Tuttavia, raramente ciò che udiamo è un
suono puro, vale a dire caratterizzato da un'unica
frequenza; più generalmente ci troviamo in presenza di
suoni complessi, in cui sono cioè presenti diverse
frequenze. Mediante analisi matematica (analisi di
Fourier), qualsiasi suono complesso può essere scomposto
in un numero finito o infinito di suoni puri (onde
sinusoidali); un impiego pratico è la
rappresentazione grafica attraverso uno spettro delle
diverse frequenze che compongono l'evento sonoro, come
ad esempio negli equalizzatori dei complessi hi-fi.
Timbro : ovvero la qualità del suono; in sostanza è il contenuto armonico, che permette di distinguere, a pari frequenza, la sorgente . Solitamente i suoni sono complessi, ovvero è presente contemporaneamente più di una frequenza. Suoni diversi si distinguono per il diverso peso delle varie frequenze componenti : ad esempio un Do suonato da un violino e da un pianoforte possono avere la stessa frequenza, ma hanno timbro ben differente, che ne permette una immediata distinzione; il parlato, poi, comprende un gran numero di suoni complessi e anche quelli che definiamo rumori sono spesso una mescolanza di frequenze anche molto diverse.
Potenza e pressione sonora : una sorgente sonora è caratterizzata da una valore che definisce l'energia acustica irradiata nell'unità di tempo. Il suono in un certo punto viene invece valutato attraverso la misurazione della pressione sonora, che dipende, oltre che dalla potenza acustica irradiata dalla sorgente sonora e dalla distanza della sorgente dal punto considerato, anche dalle diverse condizioni ambientali e del mezzo di propagazione. Anche nell' aria il suono si propaga e viene smorzato in modo differente a seconda della pressione, della temperatura, dell' umidità, ecc.
I primi studi sull'acustica
risalgono al XVII secolo, ma è nel secolo successivo, in seguito allo sviluppo
dell'analisi matematica e avendo quindi a disposizione strumenti di calcolo più
potenti, che viene affrontato uno studio sistematico dei fenomeni acustici.
Si scopre che il
suono, nel vuoto, non si trasmette : Robert
Boyle (1660) lo sperimenta facendo il vuoto con una pompa in una campana di vetro E’ importante notare che nel vari
mezzi di trasmissione, il suono si propaga a differenti velocita’ e diversi
tempi di smorzamento. Nell’ aria la velocità delle onde sonore è di circa 334
m/s. , nell’ acqua del mare è circa 1.520 m./s, ma viene piu’
rapidamente assorbita. Nei materiali solidi il suono si trasmette ancora più
rapidamente; ad esempio nel cemento, è di circa 3.400 m./sec. ma dopo
breve distanza viene del tutto smorzata. Fu il
matematico Brook Taylor (1685--1731), celebre per la formula dello sviluppo in
serie delle funzioni ad una variabile, che determinò, mediante il calcolo, le
prime formule sul problema della corda vibrante, problema già affrontato
nell' antichità da Pitagora.
Un metodo per la misura della velocità del suono nei gas e nei materiali venne
trovato da Chladni alla fine del secolo; a lui è dovuta la spiegazione dell'eco
e la determinazione della soglia di udibilità.
Fino a quell' epoca il problema
del suono riguardava principalmente l' ambiente musicale, non essendoci, tra l'
altro, il problema del rumor prodotto dai meccanismi, ora così importante.
Un nuovo sviluppo si ebbe nella seconda metà del 1800, quando Graham Bell brevettò un
apparecchio simile al telefono di Meucci, costituendo
poi una società che rapidamente ne diffuse l' uso; in questo nuovo settore si
sentì molto pressante la necessità di formulare nuove regole per la determinazione dei
parametri del suono che veniva trasmesso.
Problema che si legò poi all' industria radiofonica, a quella delle
registrazioni e discografica e al problema degli effetti del rumore industriale
e civile che cresceva col crescere dell' automazione.
Al nome di Bell è collegata l' unità di misura utilizzata nel settore dell'
acustica.
All'acustica, ovvero la scienza che studia il suono,
collaborano fisici, matematici, psicologi, ingegneri, medici, fonoiatri, linguisti e musicisti . Oggi si possono individuare varie branche :
- acustica
fisica, ovvero lo studio della onde elastiche di qualsiasi
natura, loro propagazione ed interazione con la materia, che ha risvolti
importanti nello lo
studio geologico del sottosuolo (ricerche petrolifere, studio dei terremoti)
- acustica fisiologica: studio della parola e dell'udito
-
psicoacustica: studio delle sensazioni uditive e
loro conseguenze psicologiche, con importanti applicazioni nel campo delle
telecomunicazioni e dell' informazione
- acustica
applicata nei suoi vari aspetti, come lo studio degli ultrasuoni, importante
in vari settori tecnici e in medicina (ecografia): elettroacustica (HIFI, radio), acustica
architettonica ed ambientale (sale da concerto, isolamento, inquinamento
acustico, ecc.), acustica musicale (strumenti musicali).
Come
già detto, la
relazione tra suono e la sensazione sonora non è lineare, ma segue
la
legge di Weber-Fechner, secondo la quale l’intensità di una sensazione fisiologica è proporzionale al
logaritmo dello stimolo, ovvero, quando la pressione sonora si decuplica, il
livello di pressione sonora aumenta di 20 dB. Oltre ai già accennati problemi
tra soggettività e oggettività delle misure.
La descrizione dell’intensità sonora può essere
fatta utilizzando o i dB SPL (Sound
Pression Level), misurati con uno strumento chiamato fonometro, quando si parla
di pressione sonora o i dB HTL (Hearing
Threshold Level), misurati con uno strumento chiamato audiometro, quando
si tratta di sensazione uditiva.
Va ancora ricordato che l’orecchio umano non risponde allo stesso modo per
tutta la gamma delle frequenze udibili; gli strumenti di misura
permettono un’analisi acustica lineare che viene corretta attraverso scale ponderate
secondo la sensazione uditiva reale : quella più utilizzata è chiamata A e tiene
conto della scarsa sensibilità ai suoni a bassa frequenza rispetto a quelli con
frequenze medio-alte (sono considerati medio-alti i suoni compresi tra
1000 e 4000 Hz). E'
questa la spiegazione per cui l’intensità
è indicata come dB(A), ovvero si tratta di una misura in dB secondo la scala
pesata A. Quindi occorre fare attenzione a come vengono fornite le informazioni
relative al livello sonoro emesso da una sorgente, in quanto lo stesso rumore
può avere livelli diversi a seconda che sia espresso in dB o in dB(A). Esistono
poi altre scale di riferimento, dette B e C che sono utilizzate in diverse
situazioni, principalmente con riferimento a suoni di entità considerevole.
La tabella qui sotto riporta alcune relazioni comuni tra il valore in dB e l'
effetto del suono
| Sorgente | Livello sonoro (dB) |
| Soglia di udito | 0 |
| Soglia di misura di un normale fonometro | 20 |
| Conversazione a bassa voce | 30 |
| Biblioteca | 40 |
| Condizionatore d'aria | 50 |
| Uffici | 60 |
| Aspirapolvere | 70 |
| Autocarro | 80 |
| Strumento musicale a corda | 90 |
| Strumento musicale a fiato | 100 |
| Discoteca | 110 |
| Soglia del dolore | 140 |
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Aggiornato il 16/04/03.