Teoria acustica ambientale

Acustica lezione 1

Difrazione e materiali

La difrazione si verifica quando un'onda si spacca nel punto in cui incrocia uno spigolo o un bordo. L'impatto che si ha dall'altro lato è molto più significativo di quello dell'onda che attraversa il muro. Non è necessario fare un muro molto spesso, è sufficiente 10 kg/mc.

Un edificio troppo rimbombante o troppo assorbente non è confortevole. In ambiente esterno le riflessioni contano meno rispetto a un ambiente interno. La norma 11367 è utilizzata per la certificazione acustica. I ponti acustici hanno un effetto molto significativo. Il coefficiente di trasmissione sonora è il valore che indica quello che passa rispetto a quello che incide. Ad esempio, attraverso una porta passa 1/100, mentre attraverso un muro opaco passa 1/10000, quindi da 1 mq di parete passa tanto quanto in 1 cmq di porta. Se l'ambiente è troppo rimbombante, è necessario togliere delle riflessioni.

Suono e percezione

Viviamo circondati da un fluido (aria) che ha una pressione, che è la pressione atmosferica. La pressione atmosferica è di circa 100k pascal, e le oscillazioni percettibili all'orecchio sono piccolissime (1 Pa, 2 Pa, 0,5 Pa, ecc.). Il timpano è una membrana che può vibrare se è in posizione di equilibrio, e quando vibra percepiamo il mondo esterno. Il timpano è molto sensibile; percepiamo anche 1/10000 Pa. Il suono è generato da vibrazioni, dette onde di pressione. Se le onde hanno frequenze udibili, sono suoni; altrimenti si chiamano infrasuoni o ultrasuoni.

Suono è una perturbazione di carattere oscillatorio che si propaga in un mezzo elastico, con frequenza tale da essere percepita dall'orecchio umano (da 16 a 20.000 Hz). È generato dalla vibrazione di un corpo (sorgente sonora) che, spostandosi dalla sua posizione di equilibrio, comprime e deprime alternativamente il mezzo elastico in cui è immerso. Si propaga per onde di pressione che trasmettono energia dalla sorgente sonora alle superfici riceventi.

Caratteristiche delle onde

Un'onda è caratterizzata da:

• Ampiezza
• Periodo dell'onda (tempo per compiere un'oscillazione completa)
• Lunghezza d'onda (in metri, distanza tra due punti con stesse condizioni)

La differenza di pressione rispetto alla media è la pressione relativa. Il valore medio efficace della grandezza fisica che si vuole calcolare è la media dei quadrati; si fa l'integrale, si divide per l'ampiezza del periodo e poi si eleva a 1/2. La pressione sonora non è una pressione istantanea perché cambia nel tempo, quindi il fonometro fornisce il valore medio efficace. Su che intervallo viene fatta la media? Se ci sono due sorgenti con periodo diverso, vedremo.

Fonometro e suono puro

Il fonometro è uno strumento con microfono che misura la pressione sonora. Un suono puro consiste in una sola onda, quindi un solo periodo e una sola frequenza (1/Periodo). Si parla di circa 1000 frequenze al secondo, la frequenza si misura in Hertz. Gli unici casi di suono puro sono una sirena. Un suono complesso è quando ci sono onde con frequenze differenti.

Rumore e trasformata di Fourier

Il rumore non ha una periodicità riconoscibile. Con la trasformata di Fourier, si può fare uno sviluppo in serie: si prende una funzione e la si sostituisce con una serie di altre funzioni più semplici con infiniti addendi, diventando un'approssimazione della funzione iniziale come sequenza infinita di curve sinusoidali. Si può sostituire una funzione del tempo con una funzione delle frequenze.

Spettri sonori e frequenze

Misuriamo la percezione sonora del mondo con gli spettri sonori, ricavando ampiezze e frequenze delle diverse onde. La frequenza dell'onda caratterizza il tipo di suono (bassa = grave, alta = acuta). La lunghezza d'onda è misurata in metri e la velocità del suono in m/s.

Potenza, intensità e pressione sonora

Una sorgente si caratterizza con:

• Potenza sonora (causa)
• Intensità sonora (effetto)
• Pressione sonora (effetto percepito, Pa)

L'intensità sonora è la potenza per unità di superficie (W/mq) ed è calcolata con la geometria acustica. In decibel, spesso l'intensità sonora e la pressione sonora sono uguali. Si calcola l'intensità sonora, più facile della pressione sonora.

La potenza di una sorgente dove va a finire? Lo capiamo grazie ai diagrammi di radiazione: i punti sulla curva del diagramma polare di radiazione individuano, a parità di distanza dalla sorgente, la differenza fra il livello sonoro in una data direzione e il livello sonoro nella direzione di riferimento (θ = 0°), nella quale è massima l'intensità irradiata dalla sorgente.

Fattore di direttività e indice di direttività

Il fattore di direttività è pari al rapporto tra l'intensità acustica generata dalla sorgente in un punto, e quella che verrebbe generata, nello stesso punto, da una sorgente panoramica ideale (sorgente che emette la stessa intensità in tutte le direzioni), a parità di potenza irradiata. In mancanza di esplicita specificazione, il fattore Qθ si intende riferito alla direzione nella quale l'intensità della radiazione è massima (θ = 0°).

L'indice di direttività DI(θ) = 10 log Qθ. La direzione principale è quella frontale; 0 è dove emette più di tutti, nelle altre direzioni avremo numeri negativi che dicono quanto meno emette in quella direzione.

Stessa sorgente a diverse frequenze (sinistra bassa, destra alta) è la voce umana. Il fattore di direttività di una sorgente è il rapporto tra l'intensità generata dalla sorgente misurata in un punto e quella che si avrebbe se la sorgente emettesse la stessa intensità in tutte le direzioni.

Lezione 2 - Potenza sonora e percezione acustica

Misurazione e riflessioni

La potenza sonora può essere misurata in Watt, la pressione sonora in Pascal, e l'intensità sonora come potenza/superficie. Nei casi semplici, le frequenze percepite sono onde dirette, ma con riflessioni diventa più complicato perché i materiali hanno coefficienti di riflessione diversi per ogni tipo di frequenza. I locali non devono storpiare il suono; quando si progetta, bisogna utilizzare combinazioni di materiali.

Intensità sonora e progettazione

La potenza sonora emessa da una sorgente si irradia in tutte le direzioni, generando in ogni punto un'intensità sonora, che rappresenta la potenza sonora che attraversa l'unità di superficie normale alla direzione di propagazione dell'energia sonora. Calcoliamo l'intensità sonora nei punti di ascolto (timpano).

Ad esempio, il ventilatore delle UTA fa rumore e lo trasmette nel canale: Intensità sonora = Potenza / superficie. Nelle sorgenti libere, come un altoparlante su un palo, siamo a distanza d dalla sorgente.

Onde piane e legame tra intensità e pressione

Le onde piane sono fasci di onde sonore che si propagano tutte nella stessa direzione, caratterizzati da una sezione normale costante, con fronti d'onda piani. Su tutti i punti di ciascuna sezione piana normale, di area S costante, le grandezze acustiche p, I risultano costanti (trascurando gli effetti dissipativi). Tra intensità sonora e pressione sonora, se non ci sono riflessioni, c'è un legame RO*C.

Intensità sonora = pressione sonora²/(Ro= massa volumetrica del mezzo nel quale si propaga l'onda C= velocità di propagazione del suono nel fluido considerato RO*C= impedenza acustica della sostanza, per l'aria a t=20°ρ (ro).

Scelte progettuali e materiali

Per ottenere divisori con buone caratteristiche acustiche, si fanno divisori stratificati e gli strati che si susseguono devono avere impedenza acustica la più diversa possibile. Una scelta progettuale per ottimizzare la prestazione acustica di un serramento è dividere la prima lastra di un doppio vetro e applicarvi una plastica particolare (in PVB) da 0,4mm. Lo stesso si fa sulla lastra numero 2; con lo stesso spessore si ottiene un buon isolamento acustico.

Percezione acustica e decibel

Misuriamo tutto in decibel. Weber-Fechner sono fisici che hanno studiato il legame fra un incremento di sensazione correlato all'aumento di sollecitazione (suono). Hanno dimostrato che la sensibilità dell'orecchio umano è di tipo relativo, quindi si ragiona in percentuali.

Misurare tutto in decibel rende tutto più semplice e si ottengono informazioni immediate. È definito come 10 volte il logaritmo decimale del rapporto tra il valore della grandezza ed un valore assunto come riferimento.

L'orecchio umano ha una soglia di udibilità; se la pressione sonora è inferiore ad un certo valore (soglia di udibilità), non sentiamo. La sensazione 0 è la soglia di udibilità (G0) e in tal caso S0 vale 0. La pressione sonora la misuriamo al quadrato. Al raddoppio della pressione sonora si ha un incremento del livello di pressione sonora di 6 dB, che però non corrisponde ad un raddoppio dell'effetto sul ricevitore, ma a un quadruplicamento. Raddoppio 3→*10 10→Se due sorgenti hanno differenze di 10db, la somma delle sorgenti corrisponde alla sorgente più potente + 0,4db.

Curva isofonica e phon

È difficile percepire differenze di 0,5db. 70db + 80 db = 80,4db quindi quella da 70db è trascurabile. Un' isofonica è una linea che rappresenta le condizioni che danno una ugual sensazione sonora. Phon è l'unità di misura del livello di sensazione sonora. Il numero dei phon della sensazione sonora è uguale al numero dei decibel del livello sonoro di un suono puro a 1000hz equivalente a quello in esame.

Bande di frequenza e decibel ponderati

Quando ci sono infinite frequenze, si suddivide lo spettro in intervalli di frequenza, chiamati bande di frequenza o bande di ottava, definite come l'intervallo fra una frequenza iniziale minima e una frequenza massima che è doppia di quella minima. All'interno di ciascuna ottava, si ha la sensazione qualitativa uguale per tutte le frequenze dell'ottava. Si finge che sia un suono puro a una sola frequenza. L'ampiezza degli intervalli è crescente.

Le frequenze caratteristiche di ciascuna banda sono f2 = 2f1 e f0= RAD QUADRATA (f1*f2) [frequenze di controbanda]. La rappresentazione grafica dello spettro del suono è a puntini; i segmenti servono solo a unirli, ma non rappresentano niente. Per ogni banda ci si ricorda dei numeri semplici: partendo dal 1000Hz dividi/moltiplica per 2. Si usano bande di 1/3 di ottava f2 = [RAD CUBICA(2)]*f1.

Correzioni e curve decibel

A 500Hz, aggiungo un po' ai dB lineari per arrivare a 60dB per poi arrivare alla stessa sensazione. Si disegna una curva delle correzioni che deve fare il decibel per ottenere i decibel ponderati. La curva si chiama A decibel o A dB(A). Devo ponderare a seconda se ho tanto o poco rumore. Si definiscono 5 curve, 3 importanti: A, B e C. La A è applicabile a circostanze ambientali di rumorosità bassa, B media, C alta. La B non si usa molto. Le leggi consigliano di usare la A. L'uso della curva C va a favore del comfort.

Le leggi UE richiedono la A, ma c'è una direttiva che dice che per sicurezza dovremmo usare la C. Le curve di ponderazione sono le curve isofoniche ribaltate in giù.

Indice di valutazione globale

L'indice di valutazione globale NR è l'indice di valutazione che compete alla curva più elevata raggiunta dallo spettro corrispondente alla sorgente sonora in esame. Diagramma normalizzato per la determinazione del livello NR.

Lezione 3 - Decibel Z e sorgenti acustiche

America e campo libero

I decibel Z sono i decibel normali. In America, ci sono grafici con curve simili alle curve isofoniche dell'audiogramma normale. Gli americani disegnano lo spettro e vanno a vedere qual è quella più elevata che viene toccata dallo spettro disegnato. Quindi, loro vedono qual è la banda di frequenza più disturbante. A quel punto si fa una valutazione dello spettro sonoro e si ottiene un numero vicino alla curva più alta raggiunta. Per loro l'unica cosa che conta è la banda più disturbante.

Sorgente e ascoltatore

Campo libero è senza riflessioni. S = sorgente, A = ascoltatore. Una sorgente puntiforme è un modello applicabile quando la sorgente è di piccole dimensioni rispetto alla distanza tra sorgente e ascoltatore. Una sorgente omnidirezionale emette suono uguale in tutte le direzioni.

Relazione tra I e W

I e W sono numericamente uguali, ma non hanno la stessa unità di misura. W0 sono dei Watt, I sono W/mq. Questo va bene, a patto che la distanza sia misurata in metri sempre.

Distanze e effetto doppio

Ogni raddoppio di distanza cambia di 6 dB. A 10m si leggono 70 dB, il limite di legge è 50 dB, di quanto mi devo allontanare?

• 20m = 64
• 40m = 58
• 80m = 52
• 160m = 46 dB

L'effetto doppio è sempre +3 e l'effetto quadruplo è +6. Con la sorgente lineare è diverso. Nel caso di propagazione all'aperto si devono considerare diversi fattori di attenuazione: effetti dovuti all'atmosfera, al suolo, alla presenza di ostacoli ecc.

Assorbimento atmosferico

L'assorbimento atmosferico a bassa frequenza non conta, mentre ad alta frequenza può contare. L'effetto del suolo può arrivare quasi a 5 dB (4,8). Le barriere funzionano meglio ad alta frequenza.

Caratteristiche delle barriere

• Ha una massa superficiale di minimo 10 kg/mq
• È costituito da una superficie senza interruzioni o vuoti
• Ha una dimensione trasversale significativamente maggiore della distanza tra sorgente e ricevitore

La bassa lunghezza d'onda corrisponde ad alta frequenza, e le alte frequenze sono più facilmente attenuabili. Il parametro di progetto di una barriera è influenzato da:

• Altezza
• Lunghezza
• Posizione (ideale molto vicino alla sorgente o molto vicino al ricevitore, per massimizzare la differenza tra i due lati e il terzo lato, quello maggiore ai primi due presi singolarmente)