Acustica Architettonica – V

Nitidezza

La Nitidezza è un parametro direttamente correlato alle prime riflessioni, e secondo Cremer, non è importante considerare i dettagli della risposta all’impulso della sala oltre il tempo Tst = 2 √V dove V è il volume della sala, questo perchè l’orecchio integra tutta la parte precedente del segnale.

Le prime riflessioni sono determinanti per la percezione di un ascolto soggettivo tra un punto e l’altro della sala. Più importanti di quelle successive che tendenzialmente danno percezione di più o meno riverberazione.

I parametri che definiscono la Nitidezza di una sala, detti anche Criteri della Frazione Energetica, sono quindi fondati sull’ipotesi che la percezione soggettiva di un suono sia dovuta alla parte iniziale di energia considerata utile e che la rimanente parte contribuisca negativamente o sia indifferente.

La Nitidezza riguarda sia chi ascolta il suono sia chi questo suono lo genera (il musicista), è quindi bene distinguere le due categorie in:

  • Famiglia di parametri per la misura della Nitidezza per l’ascoltatore.
  • Famiglia di parametri per la misura della Nitidezza per il musicista.

 

Per quanto riguarda chi ascolta, i parametri più importanti che consentono di definire il grado di Nitidezza di un suono sono:

 

Definizione (D)

Parametro introdotto da Thiele, ed è espresso come:

definizione.jpg

Dove p(t) è la pressione sonora della risposta all’impulso, t = 0 è l’istante in cui il suono diretto giunge nel punto di ricezione.

L’indice di Definizione (D), è definito quindi dal rapporto tra l’energia che giunge all’ascoltatore nei primi 50 ms e l’energia di tutto il segnale.

Questa formula conferma il fatto che la somma delle prime riflessioni con il suono diretto, contribuisce all’aumento della Nitidezza del suono diretto stesso.

Valori ottimali per una definizione ottimale del suono sono:

parlato: D > 0,5

musica: D < 0,5

 

Massa della Sala (Rm)

Parametro proposto da Beranek e Schultz, ed è calcolato secondo la seguente espressione:

20200104_231729.jpg

La Massa della Sala esprime il rapporto tra l’energia che giunge all’ascoltatore da 50 ms alla fine del decadimento del segnale e l’energia sonora dei primi 50 ms. E’ quindi un rapporto tra energia sonora riverberata e diretta. Questo parametro rappresenta una misura fisica dell’equilibrio tra il mescolamento desiderato dei suoni dei vari strumenti musicali e la chiarezza.

Valori ottimali per avere un’ottima nitidezza del suono sono l’inverso dei valori del C50 che vedremo di seguito.

 

Chiarezza 80 ms (C80)

E’ un parametro proposto da Reichart, è definito dalla seguente espressione:

20200104_231756.jpg

Esprime il rapporto tra l’energia che giunge all’orecchio entri i primi 80 ms e l’energia che perviene negli istanti successivi, cioè il rapporto tra l’energia diretta unità alle prime riflessioni ed energia delle successive riflessioni.

Valori ottimali per avere un’ottima chiarezza del suono sono:

parlato: C80 3 dB

musica: – 4 C80 2 dB

 

Chiarezza 50 ms (C50)

E’ un parametro proposto da Reichart, è definito dalla seguente espressione:

20200104_231635.jpg

Rappresenta il rapporto tra l’energia dei primi 50 ms e l’energia che giunge all’ascoltatore da 50 ms alla fine del decadimento del segnale audio.

n.b. L’indice di Chiarezza è l’inverso dell’indice della Massa della Sala.

Valori ottimali per avere un’ottima chiarezza del suono sono gli stessi del C80.

 

 

Considerazioni

Il C80 è più adatto per misurare la Chiarezza musicale mentre il C50 per misurare la Chiarezza del parlato, questo perchè il tempo di integrazione del nostro sistema percettivo impiega è maggiore quando sentiamo un suono musicale rispetto a quando percepiamo una parola.

80 ms perchè la media della durata dei transitori degli strumenti musicali ha come limite < 100 ms.

50 ms perchè la media della durata dei transitori della voce ha come limite < 60 – 70 ms.

Esiste anche il C35 per l’analisi di una Chiarezza ancora più focalizzata nei primi istanti 35 ms per il suono diretto ed il restante considerato il suono riverberato, utile ad esempio per ambienti molto piccoli.

Esiste anche il C7, focalizzato nei primi 7 ms del suono diretto in rapporto al restante considerato suono riverberato, più che altro utilizzato per visualizzare meglio lo Strenght del suono diretto,

Sui parametri di Chiarezza C80 e C50 sono stati condotti numerosi test su di un campione di persone, svolto in camera anecoica, per realizzare una scala di valori atta a definire se il suono percepito è di qualità (nitido) oppure di scarsa qualità (poco nitido).

In pratica durante la fase di test venivano proposti brani di musica classica con determinate caratteristiche a diversi campioni di persone, si voleva determinare il grado di trasparenza degli stessi brani riproposti più volte agli stessi soggetti con l’unica variazione rappresentata da un ritardo diverso per le prime riflessioni, (questo era realizzando sintetizzando i brani appositamente, in camera anecoica).

I brani di test utilizzati sono:

  • Le prime 36 battute del finale della sinfonia n. 41 Jupiter in do maggiore di Mozart. La quale avendo passaggi musicali relativamente veloci, sono state prese come misura di riferimento per la trasparenza temporale, che definisce il grado di Nitidezza delle note eseguite in rapida successione.
  • Le battute 380 e 410 dello stesso movimento, che presentano un accentuato carattere polifonico e per questo utilizzate per caratterizzare la trasparenza armonica, che definisce la possibilità di distinguere chiaramente note di uno o più strumenti suonate contemporaneamente.

Da questi test si è quindi stabilito una scala di valori, che rappresenta la correlazione della trasparenza con l’indice di Chiarezza.

Questa scala è stata poi evoluta in considerazione anche dei più moderni generi musicali e proposta nella figura 1.

Fig. 1 fbd.PNG

Guardando la figura 1 si vede una scala per i valori di Chiarezza C50 che identifica la Nitidezza del parlato, ed una per i valori di Chiarezza C80 che identifica la Nitidezza della musica.

La numerazione in dB crescente da sinistra verso destra è chiamata anche Decibel Ratio, ed è il rapporto di correlazione tra la scala in C50 e C80 al fine di dare un valore univoco alla sala indipendentemente dalla sorgente sonora, più è alto il valore e maggiore è il grado di Chiarezza.

Per la scala C50 si è utilizzata una media ponderata delle bande d’ottava da 500 Hz a 4 Khz, precisamente: 15% a 500 Hz, 25% a 1 KHz, 35% a 2 KHz, 25% a 4 KHz. Cioè ai risultati ottenuti da un grafico della risposta C50 si vanno a pesare i risultati secondo le proporzioni per bande appena definiti.

Per la scala C80 si è utilizzata una media semplice di 500 Hz, 1 KHz e 2 KHz.

Comparando le due scale ponderate si è definito appunto la scala generica mostrata in figura 1.

Come si nota subito sotto alle scale della Chiarezza c’è il genere musicale (Organ, Symphony Opera, Electronic Instruments), questo indica quale Decibel Ratio deve avere la sala per poter riprodurre quel particolare genere musicale.

Seguendo questa logica è possibile aumentare le ottave di riferimento per arrivare a definire un più ampio spettro di valutazione del Decibel Ratio.

Altri autori hanno in comparazione utilizzato altre scale di ponderazione, come vedremo la STI ed altre di creazione propria, ma i risultati sono sempre molto simili.

 

Istante Baricentrico dell’Energia o Tempo Centrale

Parametro già introdotto nel precedente articolo, è espresso dalla seguente relazione:

20200104_231645.jpg

Rappresenta il rapporto tra l’energia dell’intero decadimento pesata rispetto al tempo, e l’energia complessiva. Questo parametro è molto sensibile alla posizione dell’ascoltatore nella sala ed è ben correlato all’intelligibilità percentuale delle sillabe.

Valori ottimali per avere un’ottima nitidezza del suono sono:

parlato: 0 ts ≤ 50 ms

musica: 50 ts ≤ 250 ms

 

Per quanto riguarda la Nitidezza per il musicista, i parametri più importanti che consentono di definire il grado di Nitidezza di un suono sono:

 

Supporto (St)

Il Supporto è il rapporto tra l’energia dell’onda diretta che giunge al musicista nei primi 10 ms e l’energia delle riflessioni comprese tra 20 ms e 100 ms.

Il supporto è dato dalla seguente relazione:

20200104_231611.jpg

In pratica questo parametro quantifica quanto le prime riflessioni ad esempio del palcoscenico aiutino il musicista nella sua presentazione, cioè nella facilità di percepire il proprio strumento in relazione agli altri.

Valori ottimali per avere un’ottima nitidezza del suono sono:

minimo: St = – 7,5 dB

massimo: St = – 11 dB

medio: St = – 9,25 dB

Questi valori sono ottenuti considerando l’intervallo per bande di ottava compreso tra 500 Hz e 2 Khz.

 

Prime Riflessioni e Riverberazione

Questi studi sono atti a definire quale parte della risposta all’impulso di una sala è percepita soggettivamente dall’uomo come riverbero.

E’ stato constatato che è la parte inziale del decadimento dell’energia sonora nel tempo che da a noi la percezione di riverberazione, questo giustifica la finestra di analisi del tempo di riverberazione T60 da – 5 dB a – 35 dB come precedentemente visto, quindi una finestra di decadimento di soli 30 dB, i quali vanno più che bene per definire come noi percepiamo il riverbero.

Spesso poi in caso di successione dei suoni (soprattutto se rapidi), il suono successivo inizia ancor prima della fine del decadimento del riverbero di quello precedente, e quindi quello che si genera è una somma dei tempi di riverberazione dei due suoni con conseguente mascheramento del precedente e meno nitidezze e chiarezza del successivo.

Anche in questo caso musica e parola vanno analizzati in modo separato perchè hanno proprietà differenti sia di riproduzione dell’inviluppo che di percezione soggettiva:

Parola: L’ascoltatore è interessato a percepire ogni fenomeno con la massima chiarezza, cioè non mascherato dalla coda sonora dei successivi suoni.

Musica: La riverberazione ha effetti positivi sul mescolamento dei suoni, sulla loro intensità, sulla ricchezza e sull’unione delle note. La musica richiede tempi di riverberazione più lunghi anche per motivi culturali e per l’abitudine all’ascolto in determinati luoghi.

Il tempo di riverberazione ottimale dipende come già accennato negli articoli precedenti, dal tipo di musica:

Musica da Camera: tra 1,4 e 1,6 s.

Musica Sinfonica: circa 2 s.

Musica per Coro e Orchestra e Musica per Organo: > 2 s.

Questi parametri mostrano anche il fatto che più la musica è lenta e meno articolata e più tempo di riverberazione è richiesto per rendere il suono ottimale nei punti precedentemente visti.

Sono poi emerse considerazioni sul fatto che il tempo di riverberazione generalmente preferito da chi ascolta è legato ad una funzione di autocorrelazione del segnale musicale ponderato secondo la curva A (rimando agli articoli di Psicoacustica per la comprensione delle curve di ponderazione).

Per Funzione di Autocorrelazione si intende la misura della somiglianza di un segnale con il segnale stesso ritardato di un certo tempo, al variare di tale ritardo (una sorta di funzione di trasferimento). La riverberazione di questo segnale è costituita da una sequenza di riflessioni che conservano una certa somiglianza con il suono diretto.

Quindi più è lunga la riverberazione interna al pezzo musicale e maggiore deve essere la riverberazione della sala per ottenere un buon ascolto. Al contrario la percezione soggettiva di chi ascolta tende a differire dal messaggio che l’esecutore (o mixing engineer) voleva dare. Questo vale ad esempio anche per un evento live all’aperto dove la riverberazione è quasi nulla, creando un mix molto riverberante si tende a far percepire a chi ascolta un suono con un immagine distorta più confusa rispetto ad ascoltare la stessa in un’ambiente adeguato.

 

Spazialità

La percezione soggettiva di Spazialità di un suono è legata alle prime riflessioni laterali.

Questo è un parametro strettamente collegato a come il nostro cervello interpreta e localizza la direzione dei suoni come visto in argomento Psicoacustica (ITD, ILD, ecc..).

La direzione di queste prime riflessioni contribuisce quindi a definire la percezione di spazio in cui il suono viene emesso (quindi un ambiente grande, piccolo, vuoto, ecc..). Non percepiamo ogni singola riflessione ma lateralizziamo il tutto con una sensazione globale detto Impressione Spaziale.

Questo tipo di sensazione può avvenire solo in ambienti confinati, quindi al chiuso, mentre non è presente all’aperto se non in minima parte dalle riflessioni del palco e pavimentazione.

Perchè la sensazione di Spazialità sia evidente occorre che:

  • Al suono diretto siano associate riflessioni con ritardo non maggiore di 100 ms.
  • Le prime riflessioni giungano all’orecchio dell’ascoltatore da direzioni laterali.
  • Le prime riflessioni abbiano un’intensità di percezione rispetto al suono diretto maggiore di un certo valore.
  • Le prime riflessioni siano pressochè mutuamente incoerenti.

 

I criteri che quantificano l’Impressione Spaziale sono:

 

Frazione della Prima Energia Laterale (Lateral Fraction), (Lf)

Parametro elaborato da Barron e Marshall ed è calcolato con la seguente espressione:

20200105_133616.jpg

Il numeratore rappresenta la somma dell’energia sonora associata a ciascuna riflessione che giunge all’ascoltatore nell’intervallo di tempo da 5 a 80 ms dopo l’arrivo del suono diretto, e pesata secondo il coseno dell’angolo formato dalla direzione di arrivo della riflessione con la retta passante per gli orecchi dell’ascoltatore (rivolto verso la sorgente).

Il denominatore rappresenta l’energia totale compreso il suono diretto all’istante t = 0, che giunge all’ascoltatore nei primi 80 ms.

La finestra temporale che determina l’energia del numeratore, si apre dopo 5 ms dall’arrivo del suono diretto che arriva sempre da una direzione frontale.

Valori ottimali per sale da concerto devono essere: > 0,25 %

 

Impressione Spaziale (Spatial Impression), (SI)

Parametro proposto da Barron e Marshall, rappresenta l’espressione che lega Lf al grado di impressione spaziale.

Cosi facendo è possibile dedurre analiticamente il parametro SI conoscendo solo il parametro Lf, attraverso la seguente relazione:

SI = 14,5Lf – 0,7 = 14,5 (Lf – 0,05)

Il livello di ascolto fa dipendere l’indice SI. Per questo esiste una formula più accurata che tiene conto anche del Livello di Pressione Sonora (L) nel punto di ascolto a confronto di un valore di riferimento (L0):

SI = 15,5Lf – 0,05 + (L – L0) / 4,5

 

Impressione della Sala (Rs)

E’ un parametro proposto da Reichart e Lehmann, è definito dalla relazione:

20200105_133638.jpg

Rappresenta il rapporto tra l’energia delle prime riflessioni laterali che giungono tra 25 ms ed 80 ms (escluso il suono diretto), e le prime riflessioni frontali (incluso il suono diretto) che giungono entro i primi 80 ms.

Il numeratore rappresenta la differenza tra l’energia di tutto il decadimento escluso il suono diretto, e l’energia delle prime riflessioni comprese tra 25 ed 80 ms che giungono frontalmente.

Il denominatore rappresenta invece la somma dell’energia del suono diretto con l’energia delle prime riflessioni comprese tra 25 e 80 ms che giungono frontalmente.

pk(t) rappresenta il livello della pressione sonora dell’impulso all’istante, rilevato con l’utilizzo di un microfono omnidirezionale (vedi articoli sui microfoni per maggiore spiegazione).

pR(t) rappresenta il livello di pressione sonora istantanea rilevata con un microfono direzionale (generalmente wide cardioid), (anche qui vedi spiegazione con gli articoli sui microfoni), orientato con l’asse di maggiore sensibilità polare verso la sorgente.

Con l’Impressione della Sala è possibile identificare termini che influiscono positivamente sull’impressione spaziale, e termini che influiscono negativamente:

– E’ considerata utile per l’impressione di spazialità l’energia che giunge da tutte le direzioni dopo 25 ms:

1.jpg

– E’ considerata negativa l’energia che giunge dalla direzione frontale nella finestra temporale da 25 ms a 80 ms:

2.jpg

– E’ considerata negativa anche l’energia che giunge dalla direzione frontale entro i primi 25 ms:

3.jpg

– E’ considerata negativa l’energia che giunge dalla direzione frontale tra i 25 ms ed 80 ms:

4.jpg

n.b. La distribuzione spaziale delle riflessioni fa dipendere la variazione di questo indice.

 

Efficienza Laterale (Lateral Efficency), (LE)

E’ un parametro proposto da Jordan, come criterio per la valutazione quantitativa dell’impressione spaziale.

E’ definito dalla relazione:

20200105_133704.jpg

Esprime il rapporto tra l’energia sonora associata alla risposta ad un impulso generato nella sala e proveniente dalle pareti laterali, e l’energia complessiva rilevata nello stesso punto di ascolto.

L’Efficienza Laterale LE si ricava in maniera simile alla Frazione Laterale Lf,

Le principali differenze tra i due criteri sono:

– L’energia a numeratore è rilevata in un intervallo di tempo differente (Lf tra 5 e 80 ms, LE tra 25 e 80 ms).

– Nella relazione analitica di Lf l’energia è pesata con il coseno dell’angolo, mentre per LE è la pressione sonora ad essere pesata con il coseno dell’angolo.

Di seguito un indice di valori in riferimento alla sensazione di spazialità:

  • Possibile localizzazione acustica 0,1 %
  • Sentirsi immersi nella musica 0,2 %
  • Possibile localizzazione acustica 0,7 %
  • Sentirsi immersi nella musica 0,3 %

 

Funzione di Correlazione Mutua Interaurale (K)

Questo parametro è definito dalla seguente formula:

20200105_133709.jpg

τ rappresenta un ritardo temporale corrente. pd rappresenta la pressione sonora all’orecchio destro e ps rappresenta la pressione sonora all’orecchio sinistro.

Questo parametro riesci in modo più preciso a definire un grado di impressione spaziale basandosi sulla differenza temporale ed intensità della pressione sonora che giunge alle orecchie.

 

Considerazioni

Le bande di frequenza ritenute di maggiore importanza per l’Impressione Spaziale sono da 125 Hz a 1 Khz dove:

– La parte di frequenze più bassa contribuiscono alla sensazione di suono avvolgente (envelopment).

– La parte di frequenze più alta sono responsabili dell’allargamento della sorgente percepita (source broadering).

Le riflessioni laterali con maggiore energia sonora alle frequenze più elevate (circa da 2 KHz a 4 KHz), possono produrre uno spostamento nella localizzazione acustica della sorgente e un suono privo di corpo. Questo perchè come già visto in argomento Psicoacustica, bande di frequenze con eccessivo valore energetico rispetto alle altre porta al conseguente mascheramento, dipendente dalla banda di frequenze e larghezza della banda stessa. L’immagine del suono è poi determinata dai fattori ILD e ITD con maggiore forza di localizzazione proprio nella banda critica appena citata e dove le frequenze coincidono e sono più piccole della distanza tra i due lobi delle orecchie.

 

Livello e Trasmissione del Suono

 

Indice di Intensità (Sound Strenght), (G)

L’Indice di Intensità serve per valutare l’intensità soggettiva percepita di un suono in base alla sua posizione all’interno di una sala e alla sua potenza di emissione.

E’ definito dalla seguente relazione:

20200105_141926.jpg

p(t) rappresenta la risposta nel punto di osservazione ad un impulso emesso da una sorgente omnidirezionale sul palcoscenico. p(s,t) è la risposta allo stesso impulso in un punto fisso della sala a distanza s dalla sorgente (tipico a 5 m di distanza). Δt è la durata dell’impulso diretto.

I valori ottimali sono:

  • Grande orchestra sinfonica, cantanti molto allenati: G – 35
  • Piccola orchestra, cantanti allenati: G – 30
  • Oratori, attori allenati: G – 25
  • Strumenti deboli, oratori poco allenati: G – 20

 

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