Acustica – II

Frequenza (Hz)

La prima persona che cominciò a studiare il comportamento del moto delle particelle d’aria, nello specifico nell’andamento nel tempo e nello spazio delle zone di compressione e rarefazione, fu il fisico Heinz Rudolph Hertz, il quale diede un nome a questo fenomeno. lo chiamò FREQUENZA e dovendone dare un’unità di misura, scelse proprio il suo cognome l’ HERTZ.

Hertz definì che il suono si propaga nell’aria seguendo un moto armonico sinusoidale (è da qui che nasce la definizione del suono come precedentemente visto), alternato da zone di compressione a zone di rarefazione e più la sorgente vibra velocemente e più veloce sarà anche l’alternanza di questi stati. Questo si ripete nel tempo (da qui frequenza) fino a che il suono perde la sua energia e si attenua completamente.

Quindi più la frequenza è alta e più il moto sinusoidale è rapido (ricordo che la velocità del suono è sempre la stessa e non dipende dalla frequenza).

Un esempio di frequenza è mostrato in figura 1

Fig. 1 Wave_frequency.gif

L’Hertz indica il numero di cicli che l’onda compie in 1 secondo (unità di misura di riferimento).

Come si vede dall’immagine in figura 1 all’aumentare della frequenza aumenta il numero di cicli compiuti nella stessa unità di tempo.

1 Hz = 1 Ciclo al Secondo, 10 Hz = 10 Cicli al Secondo, 1000 Hz = 1000 Cicli al Secondo.

Per comprensione l’andamento orizzontale è la distribuzione dei cicli dell’onda sonora nel tempo, l’andamento verticale è invece il livello di pressione sonora (volume) di quell’onda, detto anche Ampiezza dell’Onda.

Analizzando bene la sinusoide di figura XXX è possibile ricavarne il suo periodo (T), cioè il tempo che l’onda impiega per compiere un ciclo completo, dato dalla formula 1/f.

Conoscendo il periodo è possibile al contrario ricavarne la frequenza, dato dalla formula 1/T.

Conoscendo la frequenza (f) e la velocità del suono (c), è possibile anche ricavare la sua Lunghezza d’Onda (λ), quindi conoscere lo spazio occupato da quella frequenza.

λ = c/f

Da questo formula è poi possibile ricavare la velocità del suono e la frequenza invertendo opportunamente i valori.

Per fare alcuni esempi di lunghezze d’onda, si parla di 17 mm per i 20 KHz (massima frequenza udibile) e 17,2 m per i 20 Hz (minima frequenza udibile), in realtà questo dipende fortemente dalla temperatura, umidità, ed altri fattori che vedremo in quanto incidenti sulla velocità del suono e sua propagazione.

n.b. La distanza totale occupata dal suono, qualsiasi sia la frequenza è sempre la stessa e dipendente dalla velocità del suono, ad esempio se il suono viaggia a 331 m/s, allora lo spazio di percorrenza di tutte le frequenze è 331 metri ogni secondo.

Analizziamo ora la figura 2 per capire altri concetti che riguardano la sinusoide.

Fig. 2tbgrthrt.PNG

Il punto massimo di compressione è detto Picco di Fase Positiva, mentre il punto massimo di rarefazione è detto Picco di Fase Negativa, più in generale si parla di Amplitude Peak. La distanza tra il picco massimo positivo e quello massimo negativo è detto Picco – Picco e rappresenta la massima estensione (che determinerà la pressione sonora quindi il volume percepito) dell’onda. Nei suoni semplici come vedremo, il picco massimo positivo è di ampiezza pari a quella del picco massimo negativo, mentre in quelli complessi dipenderà dall’interazione di fase ed ampiezza delle varie frequenze.

Il punto centrale di intermezzo tra la compressione e rarefazione è un punto di quiete delle particelle d’aria, la cui pressione è quella atmosferica e vi è il silenzio, il processo di propagazione dell’onda è cosi rapido che quel passaggio tra valori di pressione positivi e negativi non viene percepito.

Una sinusoide presenta anche un valore di fase, che determina l’angolo di propagazione per cui in un punto preciso di ricezione è possibile sapere se l’onda sonora sarà in fase positiva o negativa (utile come vedremo quando parleremo di sistemi di diffusione sonora, per prevedere e calcolare soluzioni quando si pongono più sorgenti acustiche, i cui suoni propaganti nel tempo e nello spazio tendono a creare interferenza di fase positiva o negativa).

La fase di una sinusoide come da figura 2 è possibile trovarla interponendo un cerchio radiale con punto di 0° all’inizio della sinusoide, quindi quando a valore di zero. Si dice che una frequenza sinusoidale può essere associata al movimento armonico di un punto su una circonferenza di raggio unitario.

In pratica, se mettiamo in movimento una circonferenza, e con essa un punto che ad ogni istante del suo movimento tracci una riga, si verrà a formare proprio una sinusoide, e dato che un cerchio ha degli angoli a seconda di quale punto si prenda, anche la sinusoide avrà i suoi angoli.

Il picco massimo positivo avrà fase opposta al picco massimo negativo e cioè + 90° e  – 90°. Tutto il resto avrà valori intermedi.

Quando si parla di sinusoide si parla di Fase Assoluta, mentre nel caso di suoni complessi quindi in cui c’è interazione positiva e negativa tra più sinusoidi allora si parla di Fase Relativa, che appunto è la somma di più Fasi Assolute.

Un ultimo aspetto da noi creato ma che in natura non esiste, è quello del valore efficace detto RMS (route mean square), abbiamo avuto la necessita di creare questo valore perché il nostro orecchio non percepisce i picchi dei suoni e quindi delle frequenze, ma un valore medio di essi. L’RMS appunto, si trova facendo il valore del picco della semionda della frequenza per 0,707.

Es. se la frequenza ha un picco a 10, noi udiremo un valore medio di:

10*0,707 = 7,07

Sarà proprio questo il valore del volume che noi sentiremo.

Il valore di picco ci da solo una sensazione di pressione acustica dello strumento e della sua dinamica, purtroppo è proprio questo valore che ci crea danni permanenti all’udito, e ai nostri strumenti di lavoro.

Per maggiori informazioni sul valore RMS percepito rimando all’articolo Psicoacustica.

 

Ottava

L’Ottava, sviluppata in ambito musicale allo scopo di comprendere ed utilizzare la notazione musicale, e anche qui maggiori spiegazioni nell’articolo Psicoacustica, rappresenta il raddoppio della sensazione sonora percepita, ad esempio 100 Hz verranno percepiti come una sensazione di un tono raddoppiato verso gli acuti rispetto a 50 Hz, 200 Hz un raddoppio dei 100 Hz e cosi via. Lo stesso discorso vale per frequenze da suoni acuti a gravi. Le ottave considerate sono generalmente 8 e ricoprono l’ampia gamma tonale di un pianoforte e rispecchiano quella umana percepita.

 

Suono Semplice e Complesso

Un suono sinusoidale (a singola frequenza) è detto anche Suono Semplice in quanto che è un tipo di onda pura (detto anche Tono Puro), non esistente in natura. Nella vita di tutti i giorni incontriamo sempre Suoni Complessi, e cioè suoni composti da più frequenze, in quanto una qualsiasi sorgente sonora (come vedremo anche quando parleremo di diffusori acustici ed altoparlanti), ma anche processore, che sia analogico o digitale, ha un suo grado di distorsione che genera delle armoniche proprie, quindi altre frequenze aggiuntive a quella fondamentale, un suo grado di discontinuità, viscosità, e tutta la struttura di costruzione della sorgente stessa incide nel creare una forma d’onda mista, complessa, che risulterà non più armonica come la sinusoide ma periodica, e cioè un mix delle armonicità che si va a ripetere nel tempo.

n.b. L’unico strumento reale in grado di generare una pura sinusoide con un minimo contributo armonico è il Diapason (generalmente costruito per generare la frequenza di 440 Hz (LA), utile per accordare diversi strumenti a corda), (fig. 3).

Fig. 3  31l0+qVCZYL._SX466_.jpg

Ad esempio quando parliamo non emettiamo suoni sinusoidali ma un insieme di frequenze che determineranno il nostro Timbro, ed è questo che permette a noi di capire cosa stiamo ascoltando, è il timbro della sorgente che il nostro cervello ricorda e non la forma sinusoidale.

Per quanto riguarda l’interazione di fase di più frequenze, si considera che se la somma è perfettamente in fase si ha un incremento della pressione sonora di 6 dB e non un raddoppio della sinusoide in quanto che la pressione atmosferica pur essendo un elemento lineare al propagarsi dell’onda sonora, interagisce in modo logaritmico. Mentre se sono in opposizione di fase la somma risultante dovrebbe essere zero. In realtà in natura una perfetta inversione ma anche somma di fase non si ottiene mai in quanto che le sorgenti che emettono suono ma anche una stessa sorgente con le sue armoniche di distorsione dovrebbe essere infinitesimamente piccola ed infinitesimamente ravvicinate per compensare le differenze angolari. Mentre a livello digitale/software, quindi controllando direttamente il segnale audio sotto forma di impulsi elettrici prima della trasduzione in segnale acustico, tutto è possibile.

n.b. Quando parleremo di diffusori acustici vedremo come ci sono metodi per creare un accoppiamento ideale alla riproduzione delle frequenze, tale da avere meno interferenze distruttive possibili, e più interferenze costruttive nel più ampio spettro in frequenza.

 

Interferenza tra le Onde

Abbiamo detto che un suono complesso è formato da più sinusoidi che una sorgente reale va a generare, questo è possibile anche quando ci sono più sorgenti, e/o sorgenti ed ambiente. Ogni sorgente che emette un suono andrà a creare interferenza con le onde sonore delle altre sorgenti, lo stesso vale per le riflessioni ambientali, che propagano le onde sonore riflesse come se fosse una sorgente di suono vera e propria.

I casi di interferenza che si possono generare come ripetuto più volte sono 3:

Interferenza Costruttiva

Interferenza Distruttiva

Interferenza Media Normale

Vediamo un esempio grafico in figura 4.

Fig. 4 frgd.PNG

Nel primo caso le due onde aventi stessa ampiezza (blu) sono perfettamente in fase per cui la risultante (rossa) è la somma di entrambe, si ha quindi Interferenza Costruttiva. Nel secondo caso le due onde aventi stessa ampiezza (blu e verde) sono in perfetta opposizione di fase, per cui la risultante (rossa) darà un suono nullo, non presente (questo perchè non può esistere una zona di compressione insieme ad una zona di rarefazione), si parla di Interferenza Distruttiva. Nel terzo ed ultimo caso le due onde che possono avere ampiezze differenti (blu e verde) sono a fasi leggermente diverse e la risultante (rossa) sarà una media dei valori di fase ed ampiezza che si incrociano, è quindi un mix tra Interferenze Costruttive e Distruttive.

A livello di composizione in frequenza, utile per capire la risultante dall’interazione tra più onde di diversa frequenza, si può dire che la risultante onda periodica del suono complesso è data dal massimo comune divisore tra le frequenze in gioco. Ad esempio se due frequenze che si sommano sono 600 Hz e 400 Hz la risultante periodica avrà un andamento a 200 Hz con intensità dipendente come visto dalle interazioni di fase. Possono poi capitare dei casi di ambiguità per f1 = 2f2, ad esempio se ho la prima frequenza a 1000 Hz e la seconda a 500 Hz la risultante sarà sempre 500 Hz.

L’interazione di tutte le frequenze che compongono lo Spettro Sonoro della Sorgente andrà a formare il Timbro caratteristico della sorgente.

 

Timbro

Il Timbro Sonoro è quindi una forma d’onda complessa che comprende l’interazione (somma sottrazione) di tutte le frequenze emesse dalla sorgente, a cui si aggiungono eventuali frequenze ambientali, quindi per riflessione e trasmissione dall’ambiente circostante.

Di seguito alcuni Timbri Sonori (Forme d’Onda Complesse) delle più comuni sorgenti sonore:

Fig. 5 (timbro di una cassa da batteria acustica)

cassa.png

Fig. 6 (timbro tromba)

tr.PNG

Fig. 7 (timbro voce)

voce.PNG

Come si nota guardando i timbri dei vari strumenti questi presentano un determinato spettro composto da tutte le frequenze emesse dalla sorgente, dipendente dalla sua costruzione/dimensione, elasticità, risonanza e trazione, per lo tesso motivo finito l’impulso vi è un decadimento di questo suono in un determinato tempo. Sorgenti diverse hanno dunque proprietà diverse e presentano quindi timbri diversi. Un mix musicale è formato da tanti timbri, tutti quelli degli strumenti registrati e poi mixati, l’uno con la sua interazione di fase ed ampiezza con l’altro.

n.b. In questi esempi si prende come riferimento lo strumento musicale in quanto che è il più utilizzato per diffondere suono, ma lo stesso discorso vale per un qualsiasi oggetto generante un suono o rumore. Il rumore ha però una forma più irregolare e meno armonica (come ad esempio quello in figura 8), per questo a livello percettivo è più sgradevole. Vedremo in altre argomentazione l’analisi approfondita dello spettro di ogni singolo strumento musicale.

Fig. 8 (rumore)

rum.PNG

 

Inviluppo

L’Inviluppo non è altro che la schematizzazione della forma d’onda complessa, e cioè il comportamento medio che hai il suono dal momento della sua generazione alla sua totale attenuazione.

Guardando la forma d’onda complessa è facile capire come può essere divisa in 4 fasi principali: Attacco (Attack), Decadimento (Decay), Sostegno (Sustain), Rilascio (Release). E’ comunemente conosciuto con l’abbreviazione di ADSR (fig. 9).

Fig. 9  dvsdvs.PNG

In figura 9 la forma d’onda generica di una cassa da batteria acustica in cui sono evidenziati i vari stadi dell’inviluppo.

n.b. Conoscere il timbro e l’inviluppo di uno strumento musicale è fondamentale per poter lavorare al meglio sul segnale audio in fase di processamento e mixaggio. Alcuni strumenti come il Vocoder vengono spesso utilizzati per inserire l’inviluppo di uno strumento o ricreato su di un altro segnale audio ad esempio la voce, al fine di creare particolari effetti. A livello software è possibile gestire e lavorare in modo indipendente su tutti i parametri dell’inviluppo di un suono registrato o campionato. Lo stesso campionamento digitale del segnale audio è la ricreazione di una forma d’onda alla quale si applica un determinato inviluppo al fine di simulare lo strumento reale il più fedelmente possibile.

 

Onde Piane e Sferiche

Se vogliamo rappresentare la forma d’onda che il suono compie nel suo tragitto, possiamo definire due forme di propagazione principali.

Onde Piane

Onde Sferiche

Le onde piane sono delle onde teoriche non esistenti in natura, ma che permettono più facilmente di comprendere ed analizzare il suono, frequenze comprese, in quanto in certi casi come vedremo, il punto di ricezione di questo suono è spesso un microfono, quindi posizionato in un preciso punto, di dimensioni finite e piccole tale da catturare il suono come se questo fosse piano in propagazione dalla sorgente al ricevente.

L’onda piana non ha variazioni fase su di un piano 3D ma è limitata all’asse di propagazione 2D, per cui l’onda si propaga perfettamente longitudinale alla sorgente su di un piano infinito.

Fig. 10 piana

Anche l’onda sferica (fig. 11) non esiste in natura ma permette di calcolare più realisticamente il comportamento del suono a determinate frequenze.

Fig. 11 sfe.png

L’onda sferica produce la stessa energia acustica in tutte le direzione (360°), in realtà questo dipende dalla frequenza e dalla dimensione della sorgente, tanto più è piccola la frequenza e tanto più la dimensione della sorgente avrà valore, in quanto verrà vista come ostacolo. Un esempio sono i diffusori acustici per cui frequenze alte che per natura hanno come visto piccole lunghezze d’onda, non vengono riprodotte, o comunque sono molto attenuata nella radiazione posteriore. Mentre le basse frequenze che hanno una grande lunghezza d’onda, vedranno la sorgente via via sempre più piccola e riuscendo più facilmente ad aggirarla andranno in propagazione anche sul lato posteriore. Per questo si può dire che nella realtà una forma d’onda sferica avviene solo in bassa frequenza. L’onda sferica a differenza di quella piana ha quindi una fase che varia su di un piano 3D.

n.b. La sorgente ideale per generare un’onda di tipo sferico a tutte le frequenze è detta Sorgente Puntiforme, cioè infinitesimamente piccola.

C’è da dire anche che il suono di un onda piana arriva più lontano rispetto ad un suono per onde sferiche in quanto che l’energia di un’onda sferica è dispersa su di un piano 3D, mentre in quella piana è concentrata sull’asse 2D (un contesto ideale di propagazione per far arrivare il suono più lontano possibile, ed è la base degli studi per la realizzazione di casse acustiche come vedremo in altre argomentazioni).

In un onda piana il suono teoricamente non si attenua in quanto non disperde energia per via radiale, in un contesto reale un suono molto direttivo e si parla di valori di dispersione radiale di 1° – 2° (esistenti, realizzato tramite l’utilizzo di apposite guide d’onda controllate elettronicamente e meccanicamente come vedremo in altre argomentazioni) tende ad attenuarsi di circa 3 dB ogni raddoppio della distanza.

In un onda sferica l’attenuazione del suono avviene per la legge 1/r in cui r è il raggio considerato come distanza di rilievo del suono rispetto al punto in cui è presente la sorgente. In media il suono sferico si attenua di 6 dB ogni raddoppio della distanza.

A tutti questi fattori va poi aggiunta l’attenuazione data dalle intemperie atmosferiche che vedremo più avanti.

n.b. Quando parleremo di Diffusori Acustici vedremo l’interazione dei suoni tra più sorgenti sonore sferiche, sorgenti lineari e molto altro.

 

Impedenza Acustica

L’Impedenza Acustica è la resistenza propria del mezzo in cui si diffonde il suono, e come vedremo oltre all’inerzia e trasferimento energetico delle particelle ci sono anche altri fattori che portano all’attenuazione del suono.

Impedenza Acustica Caratteristica

L’Impedenza Acustica Caratteristica è un tipo di resistenza propria dell’Onda Piana, infatti tende a dimostrare come velocità di particelle e pressione sonora siano sempre in fase e per questo motivo non vi è perdita energetica.

Questa impedenza è calcolabile tramite la formula:

Z0 = P0 c

Z0 è l’impedenza acustica caratteristica con unità di misura in (Pa s/m o Pascal su metro al secondo). P0 è la pressione sonora e c la velocità del suono.

I valori più elevati si ricavano generalmente nei solidi, in quanto la velocità del suono è molto superiore ai fluidi, e parliamo di 107 Pa s/m. Altri esempi sono in Aria a 20° abbiamo circa 415 Pa s/m, in Acqua sempre a 20° abbiamo 1,48 x 106 Pa s/m.

 

Impedenza Acustica Specifica

L’Impedenza Acustica Specifica è invece un impedenza propria dell’Onda Sferica, infatti tende a dimostrare come il rapporto tra velocità di particelle e pressione sonora dipenda dall’angolo considerato, e quindi non è sempre in fase. Per grandi distanze, in cui la lunghezza d’onda risulta trascurabile rispetto al raggio di distanza dalla sorgente che si va a considerare, il rapporto tra la velocità delle particelle e pressione sonora tende a diventare 1 e quindi il comportamento dell’impedenza acustica del mezzo tende ad essere caratteristico, infatti più si aumenta la distanza e più il suono coprirà un più ampio spazio prima di avere un grado di attenuazione.

Per fare un esempio, se in un’onda sferica il suono si attenua di 6 dB ogni raddoppio della distanza, se rileviamo 90 dB a 10 metri dalla sorgente, per avere una successiva attenuazione di 6 dB dovremo spostare il ricettore a 20 metri, poi a 40 metri e poi a 80 metri. Come si vede più ci si allontana e più il sistema tende ad essere Caratteristico, tipico di un onda piana.

Questa impedenza è calcolabile tramite la formula:

Z = R+iX

In cui Z è l’impedenza specifica, R è la resistenza acustica specifica reale, X è la resistenza acustica specifica immaginaria.

 

Attenuazione del Suono

Il suono ha la stessa velocità a tutte le frequenze, ma non decade in egual misura.

Più alta è la frequenza e più il suono tende a cedere energia alle varie molecole vibratorie adiacenti, in quanto che ci sarà sempre più inerzia delle stesse dovendo muoversi con cambi di stato a sempre maggiore velocità all’aumentare della frequenza (quindi le alte frequenze sono sempre quelle che arrivano meno lontano, mentre le basse avendo un trasferimento energetico più graduale riescono ad arrivare ben più lontano).

Questo decadimento dipendente dalla frequenza, è maggiormente determinato dal rilassamento molecolare.

In cui l’Ossigeno O2 è causa principale del decadimento per frequenze superiori ai 2 Khz.

Azoto N2 è causa del decadimento per frequenze tra i 200 Hz e 2 Khz.

Altre molecole invece interessano frequenze superiori ai 30 Khz, non percepite dall’orecchio umano.

A livello costruttivo per diffusori acustici, ci sono poi tecniche che permettono il controllo delle alte frequenze tale da farle arrivare alle stesse e spesso anche più lontano rispetto alle basse. Vedremo poi questo argomento quando parleremo di Diffusori Acustici.

Anche la temperatura e l’umidità presente nell’aria tendono ad incidere sul decadimento del suono in aria. La temperatura è più trascurabile rispetto all’umidità se non per grandi distanze, in cui più il suono è veloce e più arriverà lontano, per l’umidità mostro in figura 12 un grafico indicativo del decadimento del suono ogni 100 m al variare della frequenza, considerando una temperatura di 20° C alla pressione atmosferica.

Fig. 1220190514_144930.jpg

In figura 13 un grafico dell’attenuazione del suono per umidità al Km, per Bande di Ottava, al variare della temperatura.

Fig. 1320190514_144951.jpg

La tabella in figura 13 è legata dalla formula:

Aaria = m(r/1000) dB

Con questa formula è possibile calcolare indicativamente quale sarà il grado di attenuazione.

m indica il coefficiente di attenuazione (dB/Km), r la distanza in metri.

 

Piano di Riflessione

La presenza di un piano di riflessione determina la variabile di comportamento del suono nel suo sviluppo e decadimento.

Vedremo questo argomento più in dettaglio quando parleremo di acustica architettonica e sistemi di diffusione sonora, in questo articolo ci soffermiamo sui principali aspetti per cui ad esempio in natura il suolo è sempre presente e quindi contribuirà sempre a definire un grado di riflessione, assorbimento e rifrazione del suono che incide sulla sua superificie. La parte riflessa andrà in contrasto per somma costruttiva (aumentando il livello di pressione sonora) o distruttiva (calando il livello di pressione sonora) in base alla differenza di fase di incrocio tra i due o più suoni, in quanto che le riflessioni come vedremo possono essere primarie, secondarie e di ordine superiore.

n.b. Per differenza di fase costruttiva si intende quando due onde sonore si incontrato con valori energetici simili, che sia in zona di compressione o rarefazione. Mentre per differenza di fase distruttiva si intende quando due onde sonore si incontrato con valori energetici differenti, ad esempio un onda in fase di compressione e l’altra in fase di rarefazione. Come precedentemente visto quando parlato di frequenza. Questi valori dipendono dall’angolo di incidenza del suono diretto che determinerà l’angolo e quindi fase di incrocio con il suono riflesso.

In ambiente esterno la maggior parte delle riflessioni sono quelle primarie e secondarie, causa riflessioni del pavimento, maggiore in quelli in cemento, asfalto, marmo, pietre, minore in quelli come terreno erboso, terra viva, sabbia, e causa riflessioni mattoni e intonaci degli edifici, cortecce, rami e foglie di alberi, superficie d’acqua di una piscina, ostacoli di vario tipo.

Mentre in ambiente interno sono molto più presenti anche quelle di ordine superiore, in quando che l’ambiente è generalmente chiuso, piccolo, arredato, in cui le riflessioni sono maggiori sia come numero che come intensità.

Come linea generica si può dire che se una sorgente omnidirezionale è posta a terra su di un piano riflettente, la pressione sonora aumenta di circa 3 dB (fig. 14 – fig. 15), se oltre al piano c’è anche una parete sempre riflettente allora aumenta di 6 dB (fig. 16 – fig. 17), se è invece posta in un angolo con una superificie e 2 pareti riflettenti aumenta di 9 dB (fig. 18 – fig. 19). Tutto questo perchè il suono riflesso risulterà sempre in fase.

Di seguito dei grafici rappresentativi di ciò che è stato appena detto, nella tabella colori il bianco indica il valore SPL massimo e più c’è attenuazione e più il colore diventa scuro.

Fig. 14 1.PNG Fig. 15  22

Fig. 16 2.PNG          Fig. 17  fgfgf

Fig. 18  3.PNG Fig. 19  33.jpg

Per comprensione e comparazione riporto anche il grafico di dispersione sonora con una sorgente posta in campo libero, quindi idealmente senza riflessioni (fig. 20).

Fig. 20 1fdf

n.b. Per un piano terroso ma anche con erba il grado di aumento della pressione sonora è più limitato rispetto ad un piano perfettamente riflettente come un marmo, asfalto e cemento, in quanto è più assorbente e riflette solo una più piccola quantità di suono. In media si ha un incremento di circa 1,52 dB.

Dal momento che aumento la direttività della sorgente che come visto dipende dalle sue dimensioni in relazione alla frequenza riprodotta, si cominceranno a generare dei lobi secondari dovute alle riflessioni fuori fase e gli incrementi in dB saranno più contenuti, fino anche solo per pochi cm di distanza a generare delle controfasi.

Lo stesso discorso vale anche in caso si allontani la sorgente dal piano riflettente, per cui riflessioni con angoli differenti determineranno somme di fase e controfase nello spazio.

Un esempio in figura 21

Fig. 21dsfsd.PNG

In figura 21 si notano due esempi con sorgente a due differenti altezze rispetto ad un piano riflettente, quindi il suono diretto arriverà ad incidere sul piano con differenti angoli a differenti distanze generando una distribuzione del suono come da figura 22 e fig. 23.

Fig. 22                                Fig. 23

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Si vede chiaramente come in figura 23 ci sia un contributo molto inferiore del piano riflettente rispetto ad avere la sorgente più ravvicinata al piano stesso.

Le tabelle in figura 24 rappresentano l’interferenza costruttiva/distruttiva alle varie frequenze al variare dell’altezza della sorgente da un piano riflettente, si nota come più si alza la sorgente e più l’effetto comb filtering prende valore con buchi sparsi nell’ordine dell’ottava via via superiore.

Fig. 24  20190514_161653.jpg

n.b. Il tutto dipende come precedentemente visto dall’Impedenza Acustica del mezzo che riflette, che in certi casi può anche risultare riflessa in opposizione di fase.

n.b. Se la sorgente è direttiva e/o distante dai piani di riflessione è bene ascoltarla ravvicinati alla stessa cosi da minimizzare il contributo delle riflessioni, quindi problemi di fase, e mantenere cosi alto il rapporto tra suono diretto e quello riflesso, per cui per grandi distanze può essere percepito riverberazione, un fenomeno che aggiunge ambiente al suono diretto ma può risultare degradante per la compressione dello stesso. La vicinanza di ascolto alla sorgente è come visto bene limitarla alla differenze tra campo vicino e lontano della sorgente stessa.

 

Turbolenze Atmosferiche

Inversione Termina, Vento, Pioggia, Neve sono fenomeni di turbolenza atmosferica ed effetti metereologici che influenzano il comportamento del percorso sonoro.

L’Inversione Termica è quel fenomeno per cui di giorno  il terreno è più caldo rispetto all’aria atmosferica, mentre di notte il terreno risulta più freddo. Il fenomeno che ne segue è rappresentato in figura 25.

Fig. 2520190514_161739.jpg

Considerando che il suono tende a rilassarsi, per via come visto del trasferimento energetico ed inerzia delle particelle che compongono il mezzo di propagazione stesso, vira sempre verso zone più fredde, quindi con un movimento vibratorio più lento, quindi più bassa velocità del suono. Questo comporta fenomeni di rifrazione che di giorno portano il suono a deviare verso l’alto in quanto che la zona più fredda è nell’aria, mentre di notte verso il basso in quanto che la zona più fredda è nel terreno.

Il fenomeno di inversione termica di giorno, a distanze oltre 20 m può generare zone di ombra acustica, quindi attenuazione del suono che vira verso l’alto, al contrario di notte per distanze entro 20 m in cui il suono tende ad andare verso il basso aggirando nei primi metri i ricettori a poca distanza dal terreno.cambiando la direzione di diffusione (es. direzione dell’altoparlante acustico) e/o punto di ascolto è possibile recuperare questo suono “perso”.

Il Vento incide fortemente sul senso ma anche velocità di propagazione dell’onda sonora, spostandola verso le zone di direzione del vento stesso ai suoi continui cambi di stato di velocità, distruggendo in questo modo qualsiasi teoria applicata, in quanto variabile e non calcolabile.

n.b. Il senso di spostamento come si vede dai grafici è sempre curvo, in quanto che l’aria è un fluido lineare e la propagazione del suono è longitudinale alla sorgente.

Si può dire però come da figura 26, che per ascolti ravvicinati questa turbolenza come anche quella del gradiente di temperatura è abbastanza irrilevante, mentre per distante maggiori (fino a 50 m), queste turbolenze possono portare a creare attenuazione del suono fino anche a 20 dB per frequenze superiori ai 2 Khz. Oltre i 50 m la propagazione del suono e le turbolenze atmosferiche tendono a fondersi ed essere lineari nei cambi di stato e velocità su tutto il range di frequenze.

Fig. 26 20190514_161724.jpg

Più la velocità del vento è alta e più questo fenomeno è rilevante.

La zona di ombra acustica si crea anche per le perturbazioni ventose che alzano e deviano il fronte sonoro, recuperabile sempre spostando l’ascolto (in questo caso in senso opposto) o la direzione della sorgente sonora.

 

Ostacoli

Come vedremo meglio quando parleremo di Acustica Edilizia ed Architettonica, oggetti solidi vengono visti come ostacoli (attenuanti e devianti) per il percorso di propagazione del suono soprattutto se sono di grandi dimensioni. Anche una persona ha un suo contributo di riflessione, assorbimento e trasmissione del suono, per cui è anch’essa vista come un ostacolo, soprattutto se impedisce visivamente la linea tra sorgente e ricevitore. Per questo motivo è sempre bene porre la sorgente in modo che sia ben visibile a tutti i ricevitori, se la vedi allora la puoi sentire.

Sono ostacoli le superifici piane e riflettenti soprattutto per effetto diffrazione se sono più grandi come visto della lunghezza d’onda che incide su di essi.

Sono ostacoli tutti quei solidi con massa superiore ai 10 kg/m2 (in considerazione dello spettro in frequenza udibile).

La stessa vegetazione è un ostacolo (infatti viene molto spesso sfruttata insieme alle barriere architettoniche per attenuare il rumore del traffico stradale ed aereo che arriva alle abitazioni).

In figura 27 una tabella indicativa di esempio dell’attenuazione del suono quando attraversa una generica vegetazione, per differenti distanze di propagazione dell’onda sonora.

Fig. 1720190514_170828.jpg

 

Altro su Acustica

Acustica – I (Suono, Suono nei Fluidi, Gas, Liquidi e Solidi, Equazione di Continuità, Equazione di Stato, Equazione di Eulero, Equazione delle Onde, Velocità del Suono ).

Acustica – III (Onde Stazionarie, Armoniche e Distorsione, Onda Quadra, Onda Dente di Sega, Onda Triangolare, Pressione Sonora, Intensità Sonora, Densità Sonora, Potenza Sonora).

Acustica – IV (Composizione in Frequenza, Decibel, Livello di Pressione Sonora, Livello di Intensità Sonora, Livello di Potenza Sonora, Relazione tra Livelli, Somma dei Livelli, Livello THD%, Livello di Potenza e Corrente).

Acustica – V (Campo Vicino, Campo Lontano, Livello di Attenuazione del Suono, Equazione di Base, Sistemi Vibranti).

 

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