Acustica Architettonica – X

Strumentazione e Condizioni di Misura

La normativa ISO 3382 definisce come visto a partire dal precedente articolo le normative per la corretta misura del tempo di riverberazione in ambienti chiusi, ma anche la strumentazione e tipologie di misura da adottare.

Sono comunque criteri generali che possono essere adattati alla specificità della situazione che si deve affrontare e descrivere. Ad esempio le misure possono essere semplificate oppure approfondite in base a quanto di interesse sono.

Sorgente Sonora e Microfoni

La sorgente sonora che genera l’impulso, deve essere più omnidirezionale possibile, le massime deviazioni accettate in base alla frequenza come media ogni 30° attorno alla sorgente (ci sono sorgenti costruite apposta per questo scopo) sono:

125 Hz = +/- 1 dB, 250 Hz = +/- 1 dB, 500 Hz = +/- 1 dB, 1000 Hz = +/- 3 dB, 2000 Hz = +/- 5 dB, 4000 = +/- 6 dB.

Oltre a questo la sorgente deve produrre un livello di pressione sonora, in tutte le bande d’ottava da 125 Hz a 4 Khz, sufficiente a fornire un adeguato rapporto segnale/rumore. In particolare per ottenere curve di decadimento su una escursione dinamica minima prevista senza l’influenza del rumore di fondo, solitamente nel punto finale di decadimento il livello di pressione sonora prodotto dalla sorgente è accettabile quando è superiore di 5 – 6 dB al livello di rumore di fondo.

Nel caso di misura all’impulso con metodo MLS che vedremo più avanti, il livello di pressione sonora può essere ridotto perchè è possibile ottenere notevoli incrementi del rapporto segnale/rumore con operazioni successive di media sulla sequenza in uscita. Teoricamente la tecnica MLS può essere utile anche nella misurazione in sale occupate dal pubblico.

Il tipico diffusore per questo tipo di test è il Dodecaedro Elettroacustico (fig. 1).

Fig. 1 GSR_600X450.jpg

E’ generalmente diffusore attivo, quindi presentano un proprio sistema di amplificazione integrato, realizzato ad hoc per quel tipo di diffusore (vedremo in altre argomentazioni gli amplificatori per i diffusori sonori).

Per questo il dodecaedro deve essere costruito appositamente con altoparlanti ultra lineari e dinamici per minimizzare l’effetto del rumore di fondo, oltre che essere posizionati correttamente per creare un campo il più sferico possibile minimizzando le interferenze di fase tra i vari altoparlanti

Il tipo di impulso come già anticipato può essere generato sia elettronicamente, tramite MLS ed Impulso Pseudocasuale che vedremo più avanti. inviato elettricamente al sistema di amplificazione del dodecaedro, tramite cablaggio tra l’uscita del generatore, che può essere anche su software dal PC, o hardware dedicato, oppure generato tramite colpo di pistola. L’unico vantaggio del colpo di pistola rispetto al metodo elettronico è il fatto di avere una maggiore dinamica e quindi poter analizzare al meglio la dinamica ambientale.

La risposta ambientale è prelevata da un microfono a condensatore omnidirezionale il più possibile lineare e poi il segnale registrato su apposito software, passando per un circuito di pre-amplificazione per adattare il guadagno ed impedenza del segnale, in quanto che anche la dinamica del processore microfonico deve essere la più ampia possibile e trasparente per non interferire con il segnale ripreso. Generalmente viene prelevato e registrato attraverso i fonometri (che permettono anche la registrazione), di classi 1, che sono standardizzati anche per questo tipo di misurazioni. Per poi la registrazione poterla scaricare successivamente comodamente in ufficio sul pc per poi importare il tutto su software per l’analisi e/o simulazione.

Solo nel caso della misura dell’Efficienza Laterale è previsto l’utilizzo di un microfono direzionale (bidirezionale), usato con l’asse perpendicolare alle pareti, in modo da confrontare l’energia proveniente in prevalenza dopo la riflessione dalle due pareti laterali, con l’energia globale come rilevata da un microfono omnidirezionale.

La larghezza del diaframma deve essere preferibilmente piccola (1/2″), con sensibilità dell’ordine di 50 mV/Pa, cosi da catturare il modo lineare e trasparente la banda utile da 20 Hz – 20 Khz.

Per la valutazione delle misure tipo il tempo di riverbero, il microfono deve essere opportunamente calibrato per avere una risposta piatta all’incidenza del suono in campo diffuso (i dati per la calibrazione, che non sono altro che equalizzazioni in frequenza per terzi d’ottava da dare al segnale microfonico registrato, sono generalmente forniti dal produttore). Al contrario se si utilizzano microfoni già calibrati per il campo diffuso, se vengono utilizzati ad esempio per il rilievo della pressione sonora o Sound Strenght, devono essere calibrati per questo scopo.

Per le misure dell’Efficienza Laterale, la sensibilità del microfono deve essere preventivamente verificata in campo libero (camera anecoica).

Per misure di simulazione, ad esempio simulare la risposta uditiva binaurale, i microfoni possono essere sostituiti dalla testa artificiale (molto più efficiente), come visto nei precedenti articoli.

Posizioni di Misura

Misurazioni in un punto della sala possono dare risultati differenti rispetto ad altri punti, per questo si tende a mediare il risultato, facendo più rilievi in più punti della sala.

Le posizioni della sorgente o delle sorgenti se utilizzate più di una, con ovviamente la generazione e rilevamento dell’impulso uno alla volta, devono essere scelte in modo tale da simulare mediamente le effettive posizioni in cui si troveranno gli oratori, singoli esecutori, gruppi musicali, orchestra, coro, ecc.. a seconda della specifica destinazione ed uso dell’ambiente.

Tipicamente si eseguono 2 o 3 posizioni.

In una sala con un grande palco, il numero deve essere aumentato, in una piccola sala conferenze può essere al contrario sufficiente una sola posizione. Normalmente l’altezza della sorgente è a circa 1,50 e segue gli standard della misurazione dell’Acustica Edilizia.

Generalmente come si vede in figura 2 la sorgente dodecaedro, è posizionata su di un apposito stativo, il quale non deve interferire con l’emissione sonora.

Fig. 217-0

Per ogni posizione della sorgente devono essere effettuate le rilevazione in un numero adeguato di punti di ricezione. Di solito le posizioni di rilievo devono essere distanti una dall’altra non meno di 2 metri, la distanza da superfici riflettenti non inferiore a 1 metro.

In sale destinate all’ascolto della musica o della voce, il microfono deve essere posto su di un asta microfonica (vedi argomento Microfoni), ad un’altezza di 1,2 metri dal pavimento, a simulare l’altezza media dell’orecchio di un ascoltatore seduto, ma possibile anche simulare situazioni in piedi a circa 1,5 metri. La stessa cosa vale anche nella posizione di una testa artificiale.

Non è consigliato eseguire misure troppo vicine alla sorgente, per evitare un eccessiva influenza del campo vicino e turbolento della sorgente. Generalmente si sta a circa 3 metri minimo di distanza.

Può essere utile effettuare rilievi anche nelle zone critiche, come posti vicino a pareti, sotto le balconate, spazi acusticamente disaccoppiati dal volume principale.

La normativa ISO 3382 suggerisce un numero minimo di punti di rilievo in base alla dimensione della sala ed i posti occupati, quali:

500 posti = 6 punti di rilievo

1000 posti = 8 punti di rilievo

2000 posti = 10 punti di rilievo

Se la sala è perfettamente simmetrica rispetto ad una linea centrale, le postazioni di rilievo possono essere collocate solo da una parte, tenendo conto delle opportune simmetrie anche nella collocazione dei punti sorgente.

Nel caso di analisi del decadimento della pressione sonora in funzione della distanza, è necessario effettuare diverse misurazioni a distanza crescente lungo la stessa direttrice che parte dalla sorgente.

Se l’ambiente ha particolari caratteristiche, come ad esempio una geometria variabile in base alla destinazione d’uso, o la possibilità di dividere tramite separè le aree della sala, occorre tenerne conto nella pianificazione delle misure. Generalmente si ripetono le stesse misure per ogni condizione.

Tutti questi principi di collocazione sorgente – microfoni, vale per una qualsiasi tipologia di misurazione.

In figura 3 un esempio di sala conferenze con indicati i punti sorgente e punti misura.

Fig. 3 DSC_0014

Tecniche di Misura con Rumore Stazionario

Il primo metodo per la misura del tempo di riverberazione è il Rumore Stazionario, e cioè l’emissione di un rumore continuo casuale (generalmente il rosa che simula l’ascolto spettrale umano), bruscamente interrotto.

Il campo di frequenze di valutazione del tempo di riverbero, deve essere in bande d’ottava da 63 Hz a 4 Khz (per le sale concerto e conferenziali) e quindi il rumore deve generare questa ampia banda di spettro, generalmente viene generato un rumore a larga banda 20 Hz – 20 Khz e poi analizzato solo il contributo in frequenza prima definito.

Per ambienti destinati ad altri scopi, si utilizzano bande a 1/3 d’ottava. Può essere utile estendere lo spettro in frequenza utile per l’analisi ad 8 Khz.

Il rilievo può essere fatto sia con il rumore a larga banda, quindi con tutte le frequenze emesse in parallelo, oppure a singole frequenze per ottava o terzo d’ottava.

La durata dell’eccitazione ambientale deve essere sufficiente a raggiungere una condizione di stato stazionario prima di procedere all’interruzione. In grandi ambienti deve essere almeno di alcuni secondi.

La misurazione eseguita dal fonometro o dal software su pc opportunamente impostati per calcolare la riverberazione, è eseguita dal processore attraverso l’ausilio di analizzatori di spettro in tempo reale a larghezza di banda percentuale costante, che consentono l’acquisizione dei decadimenti contemporaneamente su tutte le bande di frequenza di interesse. In pratica si esegue un rilievo in sequenza degli spettri, mentre il suono decade dopo l’interruzione della sorgente.

Il numero di spettri che vengono acquisiti dipende dal tempo totale di analisi, necessario a rilevare il decadimento e dal tempo di integrazione fissato per ogni singolo spettro, nei parametri del fonometro o software di misura.

Il tempo totale deve essere sufficientemente lungo da comprendere un tratto di rumore stazionario prima dell’interruzione, come già accennato, generalmente questo tempo è di circa 1,5 s, dopo il quale si spegne la sorgente ma si rilevano anche alcuni istanti successivi per inglobare nella misura anche il rumore di fondo, utile per le analisi di riduzione del rumore, indici di intelligibilità, ecc..

Vista la natura casuale del rumore generato, l’incertezza della misura con il metodo del segnale interrotto dipende dal numero di medie effettuate, quindi tempo di analisi e mediazione dei risultati.

In ogni punto di misura ed in ogni posizione della sorgente è opportuno determinare il tempo di riverberazione come media su almeno 3 decadimenti rilevati consecutivamente, ideale 6. Questo determina una curva di decadimento più lineare e meno irregolare con una maggiore facilità di rilevamento del tempo di riverberazione, sia manuale che da parte del software con maggiore precisione.

Rispetto ad un’analisi di rilevazione diretta, la registrazione e poi analisi tramite software è più qualitativa, in quanto che è possibile vedere lo spettrogramma del decadimento del suono e valutare alcuni errori o influenze sul calcolo, come un rumore di fondo troppo alto, un impulso troppo breve, doppie curve di decadimento, ecc..

Il tempo di riverberazione è calcolato (automaticamente dal software) tramite la retta di regressione lineare (che vedremo meglio più avanti), se questo non è possibile perchè nello spettro medio calcolato dalla varie misure ci sono molte differenti pendenze lungo l’asse temporale, si utilizza la tecnica di valutare e considerare il tempo di riverberazione come la pendenza della sola parte superiore (primo decadimento) e la pendenza della sola parte inferiore (decadimento secondario).

In figura 4 un esempio di grafico che evidenzia il tempo di riverberazione in base alla frequenza, simulato utilizzando questo metodo della sorgente stazionaria e rumore casuale.

Fig. 4 DSC_0014

Tecniche di Misura tramite Risposta all’Impulso

L’impulso è un brevissimo segnale audio (pochissimi ms), e per cui la sorgente utilizzata deve essere in grado di riprodurre nella sua intera dinamica, questa è generata o da un generatore hardware oppure tramite apposito software di analisi acustica. Generalmente questo impulso è il playback di un audio già registrato o comunque creato tramite software di generazione impulsi, solo nel caso dell’hardware può essere anche prodotto in tempo reale.

La generazione della forma d’onda dell’impulso basa la sua teoria sul fatto che in considerazione di un sistema lineare ed invariato nel tempo, è possibile ricavare tutte le informazioni sul comportamento dinamico del sistema. Questo impulso è generato dalla convoluzione tra uno stimolo sonoro con la risposta teorica all’impulso che avrebbe un sistema lineare ed invariante nel tempo, che quindi può essere utilizzato per testa un ambiente reale in cui c’è aria che è un elemento non lineare ed il tempo di riverberazione che invece varia nel tempo. Questa convoluzione è convertita nel dominio delle frequenze tramite trasformata di Fourier per generare la sua forma d’onda e spettro in frequenza pronto per essere emesso nell’ambiente da una sorgente acustica.

Diverse sono le tecniche di generazione dell’impulso in base alla teoria utilizzata che ha in ogni caso le fondamenta appena viste.

In figura 5 una tabella che rappresenta i più comuni metodi della risposta all’impulso utilizzati:

Fig. 5 20200129_225839

Come si nota in base al tipo di analisi che si vuole effettuare può essere utile utilizzare un metodo piuttosto che l’altro.

Il Rumore Casuale ed MLS sono quelli precedentemente visti che se utilizzati opportunamente, quindi accendendo e spegnendo la sorgente in un brevissimo istante possono considerarsi rumori impulsivi. Per l’ MLS si definisce il tempo di ogni impulso di rumore tramite il suo generatore.

Un segnale di tipo deterministico quindi non variabile nel tempo ma se ripetuto risulta sempre uguale, mentre quelli non deterministici hanno bisogno di essere mediati, consente di migliorare il rapporto segnale/rumore, mediante la ripetizione e la media dell’applicazione del segnale. Il metodo si basa sul fatto che il segnale deterministico viene ripetuto sempre uguale a se stesso e si somma in ampiezza, mentre il rumore di somma energeticamente. Ripetendo la stessa misura N volte nello stesso punto, il rapporto segnale/rumore migliora √N.

La tecnica deterministica consente di fare misurazioni anche in ambienti dove c’è un elevato rumore di fondo (sempre che non sia eccessivo, < 60 dB).

Nella misura della risposta all’impulso in grandi ambienti è importante la valutazione della durata della risposta stessa dell’ambiente, in quanto tendenzialmente è più riverberante, e va considerato il ritardo di propagazione tra la sorgente ed il ricevitore (microfono). In questi casi la durata della risposta ambientale può essere anche di qualche secondo, per cui è bene che la finestra temporale di analisi sia adeguatamente grande (quindi prima di stoppare la registrazione aspettare che il suono sia decaduto completamente fino al livello del rumore di fondo).

Se la lunghezza dell’impulso non è adeguata, si possono verificare i problemi di figura 6.

Fig. 6 20200129_225827

Come si nota dalla figura 6 anche giocando sulla frequenza di ripetizione degli impulsi può giocare a favore di una corretta analisi, non chè un aumento della lunghezza degli impulsi per la tecnica MLS, o l’aumento dei campioni di analisi FFT (valore FFT più grande) e riduzione della banda passante nel metodo con Rumore Casuale.

L’effetto del ritardo di propagazione può essere un problema soprattutto per quando si utilizza il Rumore Casuale, questo perchè all’aumentare del ritardo (quindi distanza), c’è sempre meno correlazione tra lo stimolo e la risposta ambientale (in quanto che ci si avvicina sempre più al campo riverberante). In alcuni software è possibile compensare il ritardo di propagazione per il percorso diretto sorgente-ricevitore. Ma comunque tutte le riflessioni saranno sempre prelevate non correttamente.

Questo è risolvibile in parte mediando più ripetizioni dell’impulso.

Vedremo poi meglio più avanti come si effettua manualmente il calcolo del tempo di riverberazione tramite la retta di regressione lineare.

Determinazione del Tempo di Riverberazione dalla Risposta all’Impulso

Una volta ricavato lo spettro della risposta ambientale all’impulso, è possibile ricavare il tempo di riverberazione secondo la legge definita da Schroeder:

– Si invia il segnale relativo alla risposta all’impulso ad un filtro equalizzatore a 1/3 d’ottava della frequenza di interesse, il filtro può essere costituito da un filtro fisico analogico o digitale se si usa il colpo di pistola, più di frequente è un filtro software con le tecniche di analisi FFT (dirac, rumore casuale, spazzolata sinusoidale), o MLS.

Rimando all’argomento Equalizzatori per maggiori dettagli.

– Si registra l’uscita del filtro prelevando il segnale proporzionale alla pressione sonora (non al livello).

– Si calcola il quadrato dell’uscita del filtro, ottenendo un segnale proporzionale all’energia e sempre positivo.

– A partire da un tempo T scelto opportunamente (come vedremo), si effettua l’integrale corrente all’indietro di p2(t), cioè pressione sonora al quadrato per il tempo della risposta, che si trasforma in una sommatoria per tutti i campioni di segnale prelevati.

– Si ricava il livello 10log S(t), della curva cosi ottenuta.

– Su quest’ultima si utilizzano i metodi consueti per ricavare il tempo di riverberazione nelle sue varie definizioni.

Alcuni software eseguono questo processo internamente ed in modo automatico dando a noi subito l’informazione sul tempo di riverberazione.

Misura del Rumore di Fondo

La normativa ISO 9568 definisce indicazioni generiche sulle procedure da effettuare per misurare il rumore di fondo, nello specifico i teatri e le sale di doppiaggio per uso cinematografico, le quali sale sono le più sensibili dal punto di vista dinamico per l’esecuzione dell’attività. Questa norma considera inoltre solo rumori da fonti interne (condizionatori, impianti di riscaldamento e ventilazione, ecc…).

La misura va fatta nella condizione più severa, quindi con tutti i macchinari accesi, e nel caso dei teatri possibilmente anche il pubblico in sala. E’ comunque possibile considerare anche il rumore da fonti esterne, facendo rilevazione sul rumore del traffico stradale in orario di attività della sala.

Le misure devono essere fatte per bande d’ottava su tempi di osservazione sufficientemente lunghi a rappresentare il rumore in esame. Se si tratta di rumore stazionario il tempo di analisi può essere più breve rispetto a quella di un rumore variabile che richiede tempi di analisi e mediazione superiori fino a far stabilizzare il livello medio di pressione sonora rilevata (generalmente il valore di mediazione del livello sonoro rilevato, presente sia nei fonometri che nei software di misurazione acustica è il Leq (Livello Equivalente), il quale verrà spiegato più in dettaglio in altre argomentazioni.

Le postazioni dei microfoni di ricezione, possono essere in questo caso in un numero più ridotto rispetto a quello del rilevamento del tempo di riverberazione. In generale bastano un punto sul palcoscenico o in posizione oratore, ed alcuni punti nelle aree occupate dal pubblico, comprese gallerie e palchi.

La valutazione del rumore può essere poi valutata per confronto tra la misura rilevata e le curve di valutazione viste nei precedenti articoli (NR, NC, NCB, ecc..).

Misura di altre grandezze oggettive

Tralasciando gli indici di intelligibilità già ampiamente visti nei precedenti articoli, vediamo ora quali sono gli altri indici di criteri utilizzati nel calcolo con la risposta all’impulso.

Indice di Intensità (Sound Strenght)

Oltre a poter essere rilevata attraverso la formula vista nei precedenti articoli, è in pratica anche più facilmente rilevabile da misure del livello di pressione sonora in condizioni stazionarie prodotto nell’ambiente in esame da una sorgente omnidirezionale, di cui sia nota il livello di potenza sonora o il livello di pressione sonora ad una distanza di 10 metri dalla sorgente, in campo libero.

Dato questi valori l’indice G può essere misura in funzione della frequenza  nei vari punti di interesse attraverso un analizzatore di spettro, ed in cui la relazione utilizzabile è la seguente:

G = Lp – Lp10   dB,

Lp è il livello di pressione sonora misura in ciascun punto di interesse, Lp10 è il livello di pressione sonora misurato a 10 metri dalla sorgente in campo libero.

Se non si dispone di una stanza di tali dimensioni, si può misurare il livello di pressione sonora ad una distanza (d) minore di 3 metri ed ottenere il suo livello a 10 metri tramite la relazione:

Lp10 = Lpd + 20 log (d/10) dB,

Nel caso sia noto il livello di potenza sonora della sorgente, G può essere ottenuto da:

G = Lp – Lw + 31 dB,

Dove Lw è il livello di potenza sonora.

EDT (Early Decay Time)

Generalmente viene indicato con EDT il tempo di decadimento di 10 dB, come visto negli articoli precedenti. E’ misurabile sia con la risposta all’impulso come vedremo più avanti e come visto in argomento tempo di riverberazione, ma anche tramite sorgente di rumore stazionario interrotto.

Per cui dal grafico della risposta all’impulso del tempo di riverberazione è possibile ricava anche il tempo EDT, come vedremo più avanti.

Frazione di Prima Energia Laterale (Lf)

Questo parametro come già visto porta il confronto tra l’energia che arriva ad un punto di ricezione dopo aver subito riflessione sulle pareti laterali e l’energia globale che arriva allo stesso punto.

In un caso pratico è la differenza della risposta di un microfono con diagramma polare bidirezionale (ad 8), orientato con la zona di minima sensibilità verso la sorgente, con quella di un microfono omnidirezionale.

Anche questa grandezza è ottenibile dalla risposta all’impulso, e non può essere determinata in condizioni di rumore stazionario in quanto che la valutazione di energia di questo parametro è contenuta entro un tempo definito (80 ms).

Chiarezza (C50 e C80)

Come già visto è un parametro che rappresenta un indice di intelligibilità, ed è il rapporto tra l’energia che arriva entro un breve intervallo di tempo, appunto 50 ms per il parlato, 80 ms per la musica, dopo l’istante di arrivo del suono diretto e tutta l’energia arriva successivamente nel punto di ricezione. Anche in questo caso si tratta di una grandezza deducibile dalla risposta all’impulso.

n.b. Come si può intuire non si fa cenno al livello di pressione sonora di riferimento per l’analisi, è comunque buona norma effettuare diverse misurazioni a diversi livelli energetici per testare la dinamica del tempo di riverbero della sala, con valori minimi e massimi di quella che sarà in media la dinamica del tipo di attività che sarà svolta in quell’ambiente.

Rappresentazione dei Risultati delle Misure

E’ importante documentare i risultati ottenuti e considerazioni fatte con estrema cura, arricchendo con qualsiasi altra informazione ritenuta utile per descrivere la situazione esaminata.

I tempi di riverberazione vanno rappresentati in funzione della frequenza sotto forma di grafico e in forma tabellare. La tabella evidenzia il tempo di riverberazione in funzione della frequenza per ogni singolo punto di misura, come media aritmetica relativa a gruppi di punti di misura per aree omogenee e come media generale su tutti i punti di misura.

Gli altri parametri oggettivi possono essere anch’essi riportati in forma concisa, mediandone i valori su coppie di ottave, es: la media tra 125 Hz e 250 hz sarà rappresentativa dei valori a bassa frequenza. La media tra 500 Hz e 1 KHz rappresentativa dei valori alle medie frequenze, la media tra 2 KHz e 4 KHz rappresentativa dei valori alle alte frequenze.

Nel prospetto vanno riportati inoltre:

  • Una pianta dell’ambiente con indicazione della scala (se disponibili anche le sezioni e prospetti).
  • Il volume dell’ambiente, se non è completamente chiuso, è opportuna un’indicazione di come può comunque essere definito un volume intero.
  • Se si tratta di una sala per la musica o la voce, il numero di posti e un’indicazione sul tipo di poltrone (imbottite, non imbottite, mediamente imbottite).
  • Una descrizione della forma del soffitto.
  • Una descrizione dei materiali che rivestono le superifici, il numero di persone eventualmente presenti al momento delle misure.
  • Le condizioni di eventuali sipari tagliafuoco, fosse d’orchestra, tendaggi decorativi.
  • Una descrizione, se necessario, delle attrezzature e degli allestimenti scenici sul palcoscenico.
  • Strumentazione ed apparecchiature utilizzate, sia per la generazione e la ricezione del suono, sia per l’elaborazione.
  • Evidenziati i punti di posizionamento delle sorgenti e delle postazioni microfoniche, su copia della pianta dell’ambiente, come visto in figura 3.
  • Temperatura e umidità relativa durante le prove.
  • Data di esecuzione delle misure.

Per quanto riguarda le misure del rumore di fondo, occorre riportare le condizioni di funzionamento e descrizione delle apparecchiature generatrici di rumore, sia per quanto riguarda le fonti interne che esterne, non chè tipologia delle fonti di rumore esterne. Evidenziata la durata temporale delle misure e della fascia oraria in cui sono state effettuate, che vale per tutte le tipologie di analisi.

Considerazioni sull’Impulso

E’ importante che la sorgente generi meno distorsione % possibile (vedremo in altri argomenti le caratteristiche degli altoparlanti e diffusori acustici), meno oscillazioni e risonanze, per non deviare la forma d’onda dello spettro dell’impulso. Se l’impulso dura x ms, la sorgente deve riuscire a riprodurre tutti gli X ms, seguendo la dinamica ed inviluppo all’ingresso, mentre se non è di qualità, l’altoparlante tende a vibrare per pochi ms o meno anche dopo la cessazione dell’impulso, deviando appunto il risultato di ricezione.

Lo stesso impulso generato dal software o hardware utilizzato deve essere il più possibile senza lobi e distorsioni armoniche, nel senso che se l’obbiettivo è creare una forma d’onda con un certo spettro, durante la generazione, non devono presentarsi lobi vicini (generalmente di molto più piccolo valore energetico) come in esempio in figura 7.

Fig. 7 Cattura

Questi lobi sono ulteriori parti di impulso che verranno emessi dalla sorgente (se in grado di riprodurli), e quindi andranno ad alterare i dati previsionali su cui si basa la risposta.

Questo sia in fase di generazione che soprattutto ricezione, è dato dall’analizzatore di spettro FFT, che tramite le impostazioni della finestra di analisi è in grado di generare/tradurre lo spettro in frequenza con più o meno lobi secondari, terziari, ecc.. Tanti più lobi (distorsioni dell’onda) ci sono, e meno fedele sarà la risposta rilevata (vedi argomento FFT in questa serie di articoli).

Abbiamo già ampiamente parlato dei rumori casuali nella trattazione dei vari articoli di questo blog, vediamo invece meglio quelli che sono i rumori MLS e Impulso di Dirac.

MLS

MLS sta per Maximum Lenght Sequences o Sequenza di Massima Lunghezza.

E’ una tecnica di generazione impulsi che si basa sull’invio di segnali pseudocasuali, ed ha il vantaggio rispetto alle altre tecniche nella possibilità di ricostruire la risposta in frequenza di un sistema su un ampio intervallo di frequenze con un’unica misura e con un rapporto segnale/rumore molto elevato.

Una sequenza pseudocasuale di massima lunghezza è definita come una sequenza periodica di numeri interi. Nel caso di sequenze binarie, gli interi sono generati con tecnica ricorsiva per mezzo di un registro a scorrimento digitale (shift register), e possono assumere valori di 0 e 1. Se si preferisce che il segnale sia simmetrico rispetto allo 0, come è conveniente nella determinazione della risposta all’impulso dei sistemi, valori di +/-1.

Quindi in pratica il segnale audio è nei casi moderni, generato da causali numeri di 0 – 1 che corrisponderanno casuali livelli di tensione, ed appunto elaborati come un impulso casuale di durata e ripetizione n, secondo le impostazioni.

Un esempio del registro a scorrimento per la generazione di una sequenza casuale è quella in figura 8.

Fig. 8 20200130_004448

Una porta XOR è utilizzata per combinare il segnale di uscita ed il bit 0 – 1 o +1/-1 del registro.

La periodicità del segnale dipende dal numero di stadi (n) del registro a scorrimento, nel senso che la durata del periodo (N) della sequenza è data da N = 2n – 1.  Per questo la sequenza MLS è periodica e deterministica.

La proprietà più importante della sequenza MLS, in relazione alle applicazioni in acustica, è che si può dimostrare che la loro trasformata di Fourier DFT, ha la stessa ampiezza per tutte le componenti in frequenza, ad eccezione della componente continua. Quindi il loro spettro di potenza è uguale a quello di un singolo impulso, cioè indipendente dalla frequenza.

Per una corretta misura è importante che l’ampiezza dell’impulso sia sempre costante ad ogni ripetizione. E la ripetizione gioca a fare della dinamica quindi del più alto livello segnale/rumore come precedentemente visto, cosa che un singolo impulso dovrebbe avere almeno la metà del valore energetico più alto, quindi l’MLS è possibile utilizzarlo vantaggiosamente anche con sorgenti meno efficienti.

Per ricavare la risposta all’impulso è sufficiente una semplice operazione di somma dei dati di uscita, senza la necessità di operazioni di moltiplicazione.

Per fare un esempio, se voglio studiare ed analizzare la risposta in frequenza di un sistema fino a 10 KHz, occorre campionare questa frequenza almeno a 20 KHz (come da basi della teoria digitale che vedremo meglio in altre argomentazioni). Se la finestra temporale di interesse è di 1,6 secondi, che con tempo di riverberazione di circa 2,4 secondi corrisponde ad un decadimento di circa 40 dB, la lunghezza del periodo di una sequenza MLS sarà di: 1,6 x Fs (frequenza di campionamento), in questo esempio 1,6 x 20000 = 32000. Di conseguenza bisognerà utilizzare un registro a spostamento con 15 bit, che equivalgono a fornire una sequenza MLS di 32767 interi. Il guadagno nel rapporto segnale/rumore è dato da 10 log 32767 = 45 dB.

Mediante l’operazione di media sincrona, è possibile migliorare ulteriormente la dinamica, cioè una media del segnale nel tempo effettuata su segmenti del segnale di uscita che presentano un ritardo prefissato e costante rispetto al segnale di stimolo MLS. Poichè la parte di segnale di uscita legata allo stimolo si somma come ampiezza e la parte relativa al rumore si somma energeticamente, si ottiene che ripetendo n volte la misura, il rapporto segnale/rumore migliora come √n. Un limite superiore al miglioramento è posto dal fatto che esistono limiti sulla precisione del sincronismo, dovuti per esempio alla variazione nel tempo dei parametri ambientali e quindi della velocità del suono o a variazioni nella risposta in fase della catena di misura. E’ anche possibile misurare funzioni di risposta all’impulso con rapporto segnale/rumore in negativo, ad esempio nella misurazione della risposta all’impulso di un ambiente in cui si svolge una normale attività (lezione, concerto, ecc..), senza che i presenti siano disturbati dal segnale di prova.

A livello di percezione questo suono si presenta come un rumore bianco a spettro piatto.

Impulso di Dirac

L’impulso di Dirac detto anche Delta di Dirac (fig. 9), è un impulso generato da una complessa formula matematica (che si basa sul segnale MLS in correlazione con se stesso) sempre in dominio binario, appunto come MLS (e cui molti software di simulazione acustica possono generare) con picco alto e stretto, quindi dinamico e breve, è l’impulso più breve utilizzato per i test, ed è il migliore impulso per visualizzare e valutare in modo chiaro echi e riflessioni come si vede in figura 9, ritardi temporali, vista la sua estrema brevità.

Al contrario non è un impulso utile per il tempo di riverberazione a meno di non utilizzare una serie di impulsi costanti con principi simili a quelli dell’MLS, in quanto che l’estrema brevità non riesce ad eccitare correttamente tutti i modi dell’ambiente.

Fig. 9 25651526387_c13f6ed8f8_b

Attraverso appositi software è possibile creare matematicamente Impulsi di Dirac da salvare su file ed importare in programmi per le analisi della risposta all’impulso, in quanto che non è detto che tutti i programmi consentano anche di generare l’impulso ma solo di leggerlo e comunque quelli che riescono anche a generarli spesso consento anche di salvarli su file esterno.

Sweep

Lo Sweep è un’altra tipologia di impulso che può essere utilizzata per l’analisi della risposta ambientale, anche se non pienamente inserita nelle normativa ISO appena vista.

E’ un segnale di tono puro la cui frequenza aumenta energeticamente nel tempo con un certo andamento che può essere lineare (fig. 10) o logaritmico (fig. 11), generato da hardware (fig. 12) o software, si parla sempre di pochi ms di impulso, questo andamento può essere vario in base alle impostazioni software o hardware date alle oscillazione, amplitude, time, ecc.., variando la frequenza è possibile ottenere variazioni di spettro come da (fig. 13 – 14)

Fig. 10 lin

Fig. 11 log

Fig. 12 weep generator

Fig. 13 300px-Exponentialchirp FIg. 14 Double-Sweep-Rate-Rev1

L’impulso logaritmico ha più energia alle basse frequenze ma genera anche una minore precisione alle alte, per cui è sempre bene valutare il tipo di misura da effettuare.

Il metodo di misura è lo stesso dell’MLS solo che la risposta dell’ambiente si ottiene in un post processamento dalla convoluzione della risposta registrata con lo Sweep Inverso ad esempio il logaritmico in (fig. 15), (processo effettuata automaticamente dal software).

Fig. 15 inv

Anche in questo caso più Sweep si utilizzano e maggiore sarà la dinamica della risposta (consigliato minimo 3 impulsi), i quali verranno poi mediati in un’unica risposta.

A livello di ascolto questo impulso e soprattutto quello logaritmico (maggiormente utilizzato per le simulazioni acustiche) è come un rumore rosa, infatti è detto anche Pink Sweep.

A livello pratico un segnale di Sweep consiste in un breve periodo di silenzio, seguito dalla sequenza di Sweep, seguita da un altro periodo di silenzio. Lo Sweep occupa solo la metà del periodo di ciclo completo di generazione.

E’ in certi casi possibile come quello di figura 16, utilizzare il Trigger per impostare in modo automatico la lunghezza di scansione in modo che corrisponda alla dimensione del filtro FFT impostata come risoluzione dal Cycle, utilizzata per la misurazione della risposta, il quale consente anche di attivare automaticamente il generatore quando si avvia una misurazione.

Con il Trigger attivo lo Sweep parte con un silenzio in cui parte in modo automatico la registrazione, questo è utile soprattutto per evitare che ritardi nell’avvio della registrazione portino a non rilevare i primi istanti dello sweep che parte istantaneamente al suo avvio nel caso della non presenza del Trigger.

Fig. 16 cdcds

Generalmente si misura ed imposta il tempo di ritardo tra la misurazione e la misurazione del segnale di riferimento utilizzando lo Sweep, a meno che il tempo di ritardo previsto non sia molto breve, in cui sia più necessario effettuare una media.

Generalmente poi il segnale di Sweep Logaritmico crea picchi prominenti e livelli di distorsione accumulati verso la fine della registrazione della risposta, per questo è sempre bene poi fare attenzione nel definire i limiti per il calcolo del tempo di riverberazione.

Misurazione della Risposta all’Impulso con Metodo Indiretto

Di più recente invenzione è il metodo della risposta all’Impulso per via Indiretta (utilizzato da alcuni software acustici come SMAART LIVE), per via dell’utilizzo della Funzione di Trasferimento che compara in modo diretto il segnale generato (quello generato dal software) e quello rilevato dalla risposta (quello che viene ripreso dal microfono e prelevato dall’Input dell’interfaccia audio/pre-amplificatore microfonico a cui è collegato), vedi esempio in figura 17, offrendo graficamente il risultato comparativo nel definire quali differenze ci sono e dove la risposta ambientale differisce dal segnale di origine.

Metodo che riscontra molti favori in merito alla precisione di calcolo che si può ottenere in modo rapido e alla possibilità di avere un migliore spettro grafico da analizzare rispetto ai casi più diretti appena visti, snellendo di molto il lavoro di ricerca sull’Ecogramma, come vedremo nel prossimo articolo.

Fig. 17 lknnlnl

Le misurazioni indirette della risposta all’impulso vengono effettuate utilizzando tecniche di misurazione a doppio canale, e stimano matematicamente quella che è la risposta ambientale utilizzando i segnali di test precedentemente descritti.

Come si vede da esempio in figura 17 il segnale generato dal software esce dall’interfaccia audio collegata al computer e viene indirizzato all’amplificatore dedicato alla sorgente sonora utilizzata per i test, il cui livello di volume può anche essere controllato da un Mixer esterno. Il segnale rilevato dal microfono viene inviato o al mixer esterno e poi all’interfaccia audio oppure direttamente all’interfaccia audio e prelevato in ingresso dal software. Questi due segnali verranno cosi comparati con la funzione di trasferimento

n.b. Dal software è possibile inserire o automatizzare il rilevamento di ritardo tra i due segnali cosi da ottenere una comparazione in fase, altrimenti l’analisi sarebbe sfalsata.

Una comparazione tra il classico metodo diretto e questo indiretto è rappresentata in figura 18.

Fig. 18 okko

Nel metodo diretto il segnale rilevato dal microfono è prelevato dall’analizzatore di spettro che sia hardware dedicato o su software tramite l’ausilio di un interfaccia audio collegata al computer, e poi analizzato nella sua composizione in frequenza e decadimento nel tempo tramite ecogramma.

Nel metodo a due canali, lo spettro rilevato viene comparato con quello di generazione impulso e fornito a livello grafico il dato di somma matematica, nel dominio del tempo e della frequenza.

Che si utilizzi un metodo diretto o indiretto è possibile caricare all’interno del software anche impulsi registrati, quindi senza necessita di generarli direttamente ogni volta e che potrebbero differire ad ogni generazione in base allo stress della cpu, del programma, e dalla casualità dei fattori che generano l’impulso. Un impulso di qualità è quindi sempre bene salvarlo per utilizzi futuri.

Ci sono vari metodi per la misurazione della risposta all’impulso indiretta:

Metodo a due Canali

Questo metodo lavora meglio utilizzando segnali di rumore casuale (come rumore bianco, rosa).

Questo metodo è basato sulla funzione di trasferimento, e calcola il dominio della frequenza della funzione di trasferimento di un sistema sotto test (es. ambiente), dalle trasformate di Fourier dei due segnali (quello generato che entra e quello rilevato).

In figura 19 un esempio grafico del metodo a Due Canali.

Fig. 19 sffdfdsf

E’ la tecnica classica della funzione di trasferimento già vista.

Metodo Periodico Corrispondente

Questo metodo si basa sulla teoria che l’analizzatore di spettro FFT (che ha il compito di scomporre lo spettro audio in ogni sua frequenza cosi da poterla visualizzare attraverso grafici ed utilizzare questi per la funzione di trasferimento, in modo da dare a noi la possibilità di analizzare e lavorare con il segnale audio digitale), funziona bene su segnali di lunghezza infinita, quindi non calcolabile in senso pratico con gli analizzatori di spettro, e per questo di discretizza in DFT (Discrete Fourier Tranform), che ha il compito attraverso delle finestre di ponderazione di prelevare i campioni audio ed analizzarli, blocco per blocco (FFT e DFT già analizzati in articoli Test of Digital Audio Product) ma che vedremo più in dettaglio anche in altri articoli). In base alla lunghezza del tempo di analisi, del tipo di finestra e specifiche di risoluzione dei blocchi, ci sono varie incertezze nella misura.

Questo metodo è utilizzato con la generazione di un impulso che si adatti perfettamente per essere prelevato da questi blocchi, in modo che vi sia la minore distorsione possibile, che consentono misurazioni deterministiche e ripetibili per la fase di lettura, quindi trasformazione dello spettro prelevato in composizione in frequenza. Ottenendo dei risultati comparabili al metodo con rumori casuali.

Linee guida delle impostazioni software quando si usa il metodo Periodico-Corrispondente sono:

– Non è richiesta alcuna finestra di dati.

– Il delay per compensare il ritardo tra il segnale generato e quello rilevato per la funzione di trasferimento non è importante.

– E’ richiesta l’impostazione di un basso valore di mediazione del segnale audio analizzato (Average).

– Le costanti di tempo di misurazione possono essere mantenute a lunghezza ragionevoli.

– Le piccole variazioni temporali diventano meno preoccupanti.

– La soggettività di selezione dei parametri di misurazione è notevolmente ridotta.

– Il sistema di generazione non deve essere necessariamente collegato al sistema di prova, nel senso che lo stimolo dell’impulso può venire anche da un’altra fonte e non per forza del programma utilizzato per la funzione di trasferimento, ma questo è anche il caso del metodo a due canali prima citato.

In figura 20 un grafico comparativo del metodo Periodico-Corrispondente:

Fig. 20 hiyyvgiug

Nell’esempio in figura 20 ci sono 3 misurazioni della risposta all’impulso per via indiretta della stessa stanza, riprese dalla stessa posizione, utilizzando. La misurazione del rumore che corrisponde al periodo “verde”, è eseguita con metodo Periodico-Corrispondente ed ha lo stesso tempo di misurazione di una risposta data da un rumore casuale non calcolato, in “blu”, ma presenta una gamma dinamica molto migliore. Ripetendo 8 volte la misurazione del rumore casuale e calcolando la media dei risultati si può migliorare notevolmente il rapporto segnale/rumore “rosso”. Per cui entrambi i rumori possono essere utilizzati ma con opportune considerazioni di mediazione.

Conclusioni

Come linea di principio per il calcolo della risposta all’impulso di ambienti è meglio utilizzare impulsi costruiti appositamente a questo scopo (dirac, mls, sweep), che consentono come visto di avere un’ampia dinamica su tutto lo spettro in frequenza.

Se per altre tipologie di test si ritiene necessario l’utilizzo di un rumore continuo casuale come rosa e bianco, è opportuna considerare un giusto livello di mediazione dei rilievi per ottenere la più alta dinamica possibile.

In figura 21 un esempio di come varia la dinamica della risposta all’impulso in base alla media dei valori rilevati, e ricordo che più è alta la dinamica quindi il rapporto tra il segnale utile alla misurazione ed il rumore di fondo (in cui rientrano anche le distorsioni), e più facilmente il software riuscirà a rilevare correttamente l’indice.

Fig. 21 vfdfvdvs

Per migliorare il rapporto segnale/rumore in una misura con Funzione di Trasferimento, può essere utile innanzitutto allineare temporalmente segnale generatore con quello rilevato per avere un ottima correlazione di fase, ed anche aumentare il valore DFT, quindi campionare il segnale per un tempo maggiore e come visto aumentare la media dei rilievi. In ultima analisi e sicuramente quella più efficiente, aumenta il livello energetico della sorgente per avere un segnale più forte e quindi più lontano dal rumore di fondo dell’ambiente.

Tutte queste teorie vanno bene per ambienti al chiuso, dove la risposta acustica è teoricamente lineare, al massimo ci possono essere alcune variazioni sulla temperatura data dal condizionamento che possono far variare velocità del suono, lo stesso per l’umidità.

Se ci si trova in ambienti all’aperto dove il rumore ambientale è molto casuale, dove le correnti d’aria come il vento sono molto casuali, e quindi non si ha un sistema di riferimento lineare, è bene in questo casi, più che aumentare la media dei rilievi, aumentare invece la finestra temporale di analisi e/o utilizzare un impulso con durata ottimizzata con la finestra temporale di analisi come precedentemente visto.

In teoria per avere un aumento di 3 dB di dinamica basta mediare 2 misurazione della risposta all’impulso o raddoppiare la finestra temporale di analisi.

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