ACUSTICA E PSICOACUSTICA 4

DISPERSIONE SONORA IN AMBIENTI CONFINATI

Quando un suono viene diffuso all’interno di un ambiente confinato, esso subirà delle variazioni nel suo percorso. In un ambiente libero senza ostacoli, il suono si propaga nell’aria attenuandosi di 6 dB ad ogni raddoppio di distanza, questo per la resistenza intrinseca dell'aria, anche se in realtà le dimensioni della sorgente incidono molto sia sulla dispersione che sull’attenuazione a seconda della frequenza.

In un ambiente chiuso invece a seconda della quantità di ostacoli che incontra la nostra onda acustica, il suo decadimento dipenderà oltre che in funzione della distanza come nel caso senza confini, anche in funzione del tempo. Vediamo come, cominciando a parlare degli ostacoli cui il suono può incontrare durante il suo percorso:

 

Immaginiamo una parete a cui va incidere la nostra onda acustica, se tale parete presenta una grossa resistenza, quindi formata da particelle molto più piccole di quelle dell’aria, nel nostro caso presupponiamo particelle infinitesimamente più piccole, allora, sarà una parete completamente riflettente, e cioè qualsiasi onda sonora incidente, ( quindi qualsiasi frequenza ), verrà completamente riflessa. A questo punto verrà generata una vera e propria onda sonora, circolante in moto riflessivo secondo un verso di propagazione ben definito.

La legge di SNELL, scopritore del moto di riflessione acustica, dice che, l’angolo di riflessione, è pari all’angolo di incidenza, il chè vuol dire che se la nostra onda acustica incide sulla nostra parete riflettente con un angolo di 30°, l’onda risultante dalla riflessione avrà lo stesso angolo di incidenza, solo con moto opposto. ( come si nota anche nella figura soprastante ).

Il decadimento della pressione sonora anche con punti di riflessione sarà sempre 6 dB, quindi non ci saranno alterazioni di pressione, anche se in realtà la risonanza stessa della parete e molti altri fattori possono incidere su questo valore ( si vedranno più avanti ).

Una parete oltre che un valore riflessivo, può averne anche uno assorbente, e cioè la capacità di trasformare in calore le variazioni di pressione incidenti. Questo è derivato sempre dalla dimensione delle particelle che costituiscono il materiale. Il suono per attraversare un materiale deve porre in vibrazione le particelle che costituiscono il materiale stesso, cosi da avere una propagazione, solamente che invece di essere una propagazione per via fluida, sarà per via solida, con le relative leggi di acustica.

Se la densità delle particelle della nostra parete solida, coincidono circa a quelle dell’aria, la pressione che attraversa il materiale, da prima con massima intensità, andrà via via ad attenuarsi, in quanto le particelle del solido, opporranno una forza di inerzia alla loro vibrazione, cosi da attenuare il suono trasformandolo in calore.

Mentre se le particelle sono molto meno dense di quelle nell’aria, vi sarà una trasmissione del suono, e quindi se la parete divide due stanze, il suono presente in una stanza attraverserà la nostra parete e si diffonderà anche nella stanza adiacente. Un altro fattore di trasmissione può essere derivato dalla massa mobile, e cioè una frequenza generalmente con valore energetico rilevante, come le basse frequenze che incidendo sulla parete, la pongono in vibrazione, cosi che tale parete si comporti da diffusore passivo verso la stanza adiacente. Per evitare questo fenomeno, la massa complessiva della parete deve essere il più grande possibile rispetto alla massa d’aria spostata, e quindi suono, incidente su di essa.

In genere i materiali di comune utilizzo, hanno valori misti, quindi una certa percentuale di riflessione, una di assorbimento e una di trasmissione. 

Tali valori, per avere una visione semplificata dei concetti, vanno da 1 a 0. Es. se la nostra parete a valore 1 di riflessione, significa che è completamente riflettente, quindi avrà valore 0 di assorbimento e trasmissione. Se invece a valore 0, non riflette alcun suono, ma li assorbe e/o trasmette tutti o in percentuale.

La frequenza gioca un ruolo fondamentale, in quanto la caratteristica di un materiale dipende fortemente da essa. Frequenze alte, quindi con veloci transienti e grande direttività, potranno facilmente essere controllare sui valori di riflessione e assorbimento. Mentre basse frequenze, faranno calare le prestazioni dei materiali, in quanto riescono date le loro piccole variazioni di stato nel tempo, e di valore energetico, ad attraversare facilmente un materiale, mentre è quasi impossibile da esse ottenere una completa riflessione.

Tempo di Riverbero

Venendo al caso più semplice, immaginiamo una stanza di n dimensioni, circondata da pareti completamente riflettenti:

Poniamo una sorgente al suo interno e un ricevente ad una certa distanza da essa, se inviamo un impulso sonoro dalla sorgente, questo impulso comincerà a propagarsi nell’ambiente, quindi vi sarà un suono che arriverà con un tempo t1 diretto alla sorgente, e più suoni che arriveranno con tempi tx differenti a seconda del numero di riflessioni che incontrano. 

Tali suoni ovviamente avendo percorso maggiore distanza, avranno una pressione sonora inferiore percepita dal ricevente rispetto a quella diretta in quano percorrono una distanza maggiore.

Sappiamo però che due frequenze se si trovano nello stesso spazio, nello stesso tempo, vanno ad interferire, quindi ciò che gioca a nostro sfavore, soprattutto se la stanza non è acusticamente tarata, attraverso l’utilizzo di appositi materiali di correzione acustica, 2 dei quali li analizzeremo tra poco, è il fatto di trovarsi a percepire questo suono in una zona della stanza in cui vi sia, o una completa cancellazione di fase o in una zona di interferenza costruttiva, se quest'ultima ha intensità molto maggiore, derivata dalle varie somme di frequenze riflesse, anche con la stessa onda diretta, rispetto al valore di pressione dell’onda acustica diretta verso il ricevente, si percepirà una direzione di provenienza del suono errata, in quanto uno dei principali aspetti su come localizziamo il suono è proprio la differenza di ampiezza. Questo è il caso delle basse frequenze, in quanto avendo periodi molto più lunghi è più facile che interferiscano, rispetto a cicli veloci come le alte frequenze.

Un'altra problematica come appena accennata, è il ritardo, se l’onda riflessa dalle pareti arriva con un ritardo contenuto al ricevente, rispetto a quella diretta ( generalmente 30 - 40 ms per le basse frequenze ), tale suono verrà percepito come un riverbero, e quindi un suono che presenta una coda sonora, quindi immaginiamo il nostro impulso, una volta spenta la sorgente, il suono non si arresterà istantaneamente, ma sarà udibile il suo decadimento nel tempo, causata dalle continue riflessioni, che ne determineranno il tempo di riverbero, ovviamente tanto maggiori saranno gli ostacoli riflettenti, e tanto maggiore sarà il tempo di riverbero.

Mentre se i ritardi saranno maggiori, come nel caso di ampi spazi, esempio chiese e grandi camere, si percepirà anche un delay, quindi un eco, un suono che si ripete nel tempo a seconda del numero di ritardi che presenta. Questo parametro deve essere il più possibile eliminato, se non utilizzato per scopi creativi, in quanto può rendere la percezione della sorgente che emette un suono poco intelligibile, quindi poco chiara.

Attraverso calcoli e strumenti di misura, è possibile identificare il riverbero ed eco presente in una stanza al fine di correggerlo se necessario, in modo da rendere la stanza la più intelligibile possibile, ove si necessiti di diffondere un qualsiasi programma audio.

Generalmente il tempo di riverbero è calcolato in T60, e cioè il tempo necessario al suono per decadere di 60 dB una volta spenta la sorgente. Luoghi al coperto adibiti a concerti audio, secondo norme di legge dovrebbero avere un T60 di circa da 0,7 a 1,5 ms ( per discoteche e musica amplificata ), tali valori sono tenuti conto utilizzando un impulso di segnale a 1 khz e a volte anche a 500 hz. In quanto è la banda più critica di ascolto, e cioè quella in cui viaggiano le frequenze vocali, e poi perché è molto complesso gestire e riuscire a tarare una stanza con tempi di riverbero differenti a seconda della frequenza, comunque esistono anche valori su altre frequenze, minore sarà la frequenza presa in esame e leggermente maggiore può essere il tempo di riverbero consentito. Per grandi camere, chiese e palazzetti, sono consenti T60 pari a 2 – 3 secondi.

In campo musicale, si tiene molto più conto del T10, e cioè un decadimento di 10 dB, in quanto è molto più piacevole al nostro sistema uditivo, sentire mix tra suoni che abbiano generalmente un breve tempo T10, più che un T60, il quale miscela maggiormente i due suoni. Questo T10 quindi, consente di mantenere grande intelligibilità musicale.

Torniamo ai nostri materiali, in quanto c è da chiarire una grande distinzione fra le tipologie di materiali in commercio, ne esistono di 2 tipologie fondamentali a seconda del loro scopo di utilizzo:

1.      Materiali Isolanti

2.      Materiali Assorbenti

I materiali Isolanti, hanno lo scopo di non fare passare il suono che incide su di essi, al fine ad esempio di insonorizzare ambienti e di creare meno disturbi possibili all’ambiente vicino. Tali materiali vengono costruiti e testati inviando un rumore ( generalmente MLS ), generato da una sorgente da un lato del pannello, e dall’altro lato dopo che il pannello è stato completamente isolato, quindi realizzato un vero e proprio muro, in modo che il suono non possa prendere altre vie di propagazione, se non quella attraverso il materiale, per ottenere una più accurata rilevazione, viene posto un microfono di misura. 

Con esso si rileva la capacità del materiale di isolare acusticamente ad esempio una stanza da un’altra, anche l’isolamento dipende fortemente dalla frequenza, quindi frequenze basse saranno più difficilmente isolate rispetto a quelle alte, si dovranno perciò attuare altri metodi molto validi. 

Tutte le misure di assorbimento, riflessione e trasmissione, vengono effettuate in camera riverberante, ( un ambiente che si avvicina molto all'idealità di ottenere un riverbero continuo infinitesimale,  sono comunque ambienti reali in cui il riverbero si mantiene per una ventina di secondi. ).

In genere i materiali isolanti aventi maggior efficienza faticano a superare i 60 dB di isolamento sulle basse frequenze.

Da come si nota, si deduce che quindi un materiale isolante sarà fortemente assorbente e/o riflettente, per cui all’interno della stanza in cui si ha la propagazione dell’onda acustica vi sarà un’alterazione della risposta a seconda della tipologia di materiali utilizzati come fono isolamento, molto spesso sgradita all’orecchio, in quanto si andrà ad alterare il tempo di riverbero.

Per cui, si necessita di ulteriori materiali, chiamati materiali fono-assorbenti, che hanno il compito di dare all’ambiente in cui si propaga l’onda sonora il giusto equilibrio. 

Immaginiamo una stanza ricoperta di materiali assorbenti pari a 1 su tutte le frequenze, quindi sarà 0 la riflessione, tale suono risultante al nostro sistema uditivo,  sembrerà strano, secco, in quanto nella vita di tutti i giorni, in qualsiasi ambiente ci troviamo, sentiamo sempre delle riflessioni, che determineranno un tempo di riverbero. In un’area completamente secca, quindi priva di riverbero non siamo abituati a convivere, ci risulterà quindi un suono sgradevole. Attraverso materiali riflettevi si può aumentare il tempo di riverbero all’interno di una sala troppo secca. 
Allo stesso modo molto più realistiche nella vita di tutti i giorni, 
possiamo trovare stanze con troppo riverbero, dunque applicando la giusta quantità ti materiale assorbente, scegliendo quelli più adatti ai nostri scopi, basandoci sulle indicazioni date dalle caratteristiche tecniche dei pannelli, con qualche calcoletto in più, a volte molto complesso, andremo a regolare il tempo di riverbero all’interno della nostra stanza come da norma, in modo che il suono propagato non risulti né troppo secco, né troppo confuso, ma piacevole.

Generalità sui Materiali 

Pannelli Altamente Porosi: hanno piccole densità di particelle, molto spesso sono utilizzati come copertura frontale dei diffusori acustici per prevenire l’immissione di polvere all’interno degli altoparlanti. Possono considerarsi completamente trasmittenti.

Pannelli Porosi: celle leggermente più dense, riescono ad assorbire perfettamente medio-alte e alte frequenze, ma scadenti sulle medio-basse e basse.

Pannelli Branti: materiali molto densi, presentano risonanze di assorbimento soprattutto alle basse frequenze.

Pannelli Forati: pannelli densi con un gran numero di aperture, di varie dimensioni, questo causa risonanza all’interno del pannello stesso. Materiali ideali per l’assorbimento alle medio-basse frequenze.

Infine c è da dire che i materiali acustici, hanno un grado di protezione agli incendi, come da normativa iso, tale grado presenta un valore da 0 a 5, se un materiale ha valore di protezione alla propagazione del fuoco pari a 5, significa che è completamente ignifugo, mentre quelli a 0 sono materiali propaganti la fiamma.

FENOMENI DI DIFFRAZIONE E RIFRAZIONE

La diffrazione, si verifica quando alla propagazione di un suono viene interposto un ostacolo di dimensioni n in rapporto con la lunghezza d’onda del suono incidente, andando cosi a modificarne la dispersione.

Lo stesso per un’ostacolo avente un’apertura di dimensioni n.

Es. supponiamo che la nostra onda acustica, nel suo cammino, incontri un ostacolo di dimensioni maggiori rispetto alla più bassa frequenza presa in esame e completamente riflettente, avente un’apertura centrale di n metri.

 

 

Finché la lunghezza d’onda della frequenza rimane inferiore all’apertura, tale frequenza non subirà alterazioni e passera al lato opposto. 

Mentre se inciderà sull’ipotetico pannello, verrà riflessa.

 

Mentre se la lunghezza d’onda è maggiore, oltre a presentarsi riflessioni per l’onda che incide sul pannello riflettente, dal lato opposto vi si ripresenterà una nuova forma d’onda, che avrà la stessa frequenza, ma con direzione di propagazione differente, dettata dagli spigoli del pannello, in quanto questi risulteranno alla propagazione dell’onda come una nuova sorgente acustica. Tale propagazione in un contesto generico può considerarsi omnidirezionale alle basse frequenze, per questo in prossimità di spigoli in cui si verificano fenomeni di diffrazione si trovano facilmente punti in controfase si segnale. Perciò quando si utilizzano microfoni per la ripresa di strumenti audio, mai posizionarli vicini a spigoli di diffrazione.

Nel caso opposto immaginiamo un ostacolo completamente riflettente, posto in mezzo alla nostra onda acustica:

 

Finché la nostra onda ha una lunghezza d’onda inferiore all’ostacolo, essa verrà riflessa.

 

Mentre se la lunghezza d’onda è molto maggiore, si creerà una zona d’ombra subito attorno all’ostacolo, un motivo ancora in fase di studio e ricerca, si ritiene però che queste contro fasi generate, siano derivate dalla resistenza acustica del mezzo, che pone in controfase l’onda incidente, dalle riflessioni opposte al verso di propagazione. 

La rifrazione invece, è quel fenomeno che porta un’onda acustica, come anche un’onda luminosa, a variare il suo percorso quando incontra differenti stati di densità delle particelle.

Ad esempio, quando un suono attraversa un materiale, le sue proprietà vengono alterate dalla densità di particelle che compongono il materiale, quindi il suono subirà una certa variazione data dalla velocità di propagazione che viene alterata, più molti altri fattori. Questo comporterà in uscita dal materiale, la stessa onda acustica, ma con verso di propagazione differente a quella incidente, tale verso è molto complesso e difficilmente lo si riesce a prevedere.

Prendendo per esempio l’aria, quindi il caso più comune in cui ci troviamo a lavorare quando tariamo e progettiamo sistemi di altoparlanti P.A. per l’ascolto al pubblico, la rifrazione è causata e molto presente, quando vi sono cambiamenti di temperatura. In un breve concetto, si può definire che il suono, tende sempre a propagarsi ove “ fatica di meno “, quindi dove la velocità tende a calare, quindi verso zone fredde. 

Ad esempio se la nostra sorgente sonora si trova a terra, e la propagazione del suono avviene verso l’alto in cui l’aria comincia a scaldarsi gradualmente avremo:

Come si nota, il cambio di stato crea una rifrazione sulla nostra onda acustica, andando a modificare la propagazione, fino ad un punto massimo, in cui il suono viene invertito di fase e torna indietro, verso la nostra zona fredda.

Questo fenomeno in amplificazione live in spazi aperti, è da tenere conto, in quanto vi possono essere interferenze di fase tra un’onda diretta verso un ricevente, e un’onda rifratta.

Infine analizziamo alcuni aspetti che possono esserci di aiuto per capire meglio le trattazioni sugli argomenti che seguiranno.

Camera Anecoica

È una stanza acusticamente tarata, in cui vengono fatte misure su strumenti quali microfoni, altoparlanti e qualsiasi struttura ricevente o diffondente un suono, in modo da ottenere una misura la più qualitativa e precisa possibile, senza interferenze dell’ambiente esterno. Infatti tale stanza è costruita per avere un tempo di riverbero prossimo allo 0. In quanto lo 0 assoluto è praticamente inarrivabile.

Camera Semi-Anecoica o Semi-Riverberante

 

Stanza simile a quella anecoica, ma con il pavimento riflettente, anch’essa utilizzata in particolari misure acustiche.

Camera Riverberante

Stanza completamente riverberata, per studi sui fenomeni e interferenze del riverbero. Il massimo raggiunto supera di poco i 20 secondi di riverbero.

RUMORI

Il rumore di questa trattazione, non è quello a cui siamo abituati a sentire, ma è uno sviluppo in frequenza ben controllato al fine di sfruttarlo per realizzare test su macchine audio e trasduttori acustici.

Tali rumori nascono con l’avvento dei computer, e via via sono andati sempre a migliorarsi, in quanto la tecnologia a permesso di sfruttare macchine sempre più potenti. Infatti questi rumori sono generati ad oggi attraverso appositi circuiti elettronici, tanto maggiore sarà la capacità e la memoria del processore nel generare tale rumore, e tanto migliore avrà il suo aspetto e quindi tanto migliore sarà la nostra misura.

Vediamo quindi quali sono i principali tipi di rumore utilizzati in ambito audio al fine di tarare strutture e impianti:

Esistono 5 tipologie fondamentali di rumore sfruttabili in analisi di comune utilizzo: BIANCO ( fig. a ), ROSA ( fig. b ), MARRONE ( fig. c ), 

MLS ( fig. d ) , Risposta all'Impulso. ( IR ) ( fig. e ).

a. White Noise

b. Pink Noise

c. Brown Noise

Il Rumore Bianco, come si vede dalla fig. a, distribuisce lo stesso valore energetico ad ogni ottava., a livello di ascolto, avremo che al crescere d’ottava vi sarà anche una maggiore percezione energetica, ( molto forti le alte, molto attenuate le basse ). Viene sfruttato per rilevare la linearità dei vari dispositivi meccanici, elettrodinamici, elettrostatici e magnetici, come ad esempio, microfoni, circuito elettrico degli altoparlanti, processori di segnale, amplificatori, mixer audio ecc… comunque sempre in ambito elettrico. 

In quanto, si riesce facilmente a vedere, se il sistema in cui circola il segnale all’ingresso, provoca alterazioni della risposta in uscita, quindi non più lineare.

Il Rumore Rosa, grafico di fig. b, ha una distribuzione energetica con attenuazione di 3 dB al raddoppio d’ottava, per arrivare alla linearità di ascolto. Lo si utilizza per tarare la risposta in frequenza degli impianti audio, al fine di avere un ascolto il più lineare possibile, compensando le componenti distorsive che vanno ad alterare la risposta in frequenza lungo tutta la catena audio, quindi dal microfono, agli strumenti correttivi, al mixer, agli amplificatori e impianto audio. ( Si vedrà più avanti il metodo di utilizzo di questo tipo di rumore )

Il Rumore Marrone ( fig. e ), scarsamente utilizzato in ambito di rilevazione, ma esistente, ha un andamento che segue un’attenuazione di 6 dB al raddoppio d’ottava. Può essere sfruttato come metodo di paragone a puro scopo di confronto con il rumore rosa.

 d. MLS ( Sequenza di Impulsi )

 

MLS ( Maximum Lenght Sequences ), figura d, utilizzata per rilevare la risposta ambientale, ad esempio calcolo di riverbero ed eco. Vengono inviati dalla sorgente una serie di impulsi di breve durata ms, di un segnale complesso, per poi essere rilevati da un apposito strumento di misura come fonometro che ne calcola i vari valori ambientali.
MLS è l'evoluzione della IR
 
e. IR ( Singolo Impulso )

IR, figura e, Impulse Responce, è una variante dell' MLS per il calcolo acustico ambientale. Invece che essere una sequenza di impulsi è a singolo impulso.

DAVIDE RUIBA ( Sound Engineer )