INFORMAZIONI TECNICHE Suono e Rumore


Il suono è un fenomeno fisico che stimola il senso dell' udito. Da un punto di vista scientifico il suono è costituito da vibrazioni, trasmesse come onde longitudinali di pressione, attraverso un mezzo, come ad esempio l' aria o i solidi, ovvero una vibrazione degli atomi e delle molecole della materia in cui si propaga.
La misura del suono avviene con trasduttori che trasformano le vibrazioni del mezzo in segnale elettrico, ad esempio microfoni; gli strumenti principali prendono nome di fonometro e audiometro, mentre strumenti di analisi più complessa sono gli analizzatori di spettro .

Il suono possiede tre caratteristiche fisiche :

Intensità: ovvero la quantità di energia trasmessa (ad esempio, il suono dell' organo ha una energia molto maggiore del suono del flauto). 
La misura del suono, solitamente composto da diverse frequenze, a volte non chiaramente definite, viene ad essere complicata dal fatto che il nostro interesse è rivolto a stabilire quale è il suo impatto sull’uomo. Si è verificato che l’orecchio umano risponde in maniera non lineare nel campo della frequenza e della intensità del suono, cioè risulta più sensibile ad alcuni suoni e meno ad altri. Ai dati oggettivi si aggiunge la componente soggettiva dovuta all' ascoltatore. Alcuni scienziati cercarono di ricavare una legge sufficientemente valida per correlare il fatto oggettivo delle misure, per esempio l’intensità sonora, agli aspetti soggettivi, legati ai meccanismi fisiologici e psichici dell’uomo. Fletcher, sulla base degli studi di Weber e Fecher giunse ad una legge di tipo logaritmico : 

S = 10 log10 I/Is  

dove S è l' effetto sull' ascoltatore, I è l' intensità del suono e Is è l’intensità minima udibile, che, tra l' altro, è variabile con la frequenza. L' unità adottata per questa misura prese il nome di decibel (dB).

Quindi il decibel è una indicazione di "rapporto" : è definito come 10 volte il logaritmo in base 10 del rapporto tra due quantità; in pratica il decibel valuta il livello delle variazioni di pressione acustica relativamente alla capacità uditiva dell'orecchio umano. 
Il valore zero è stato definito convenzionalmente a seguito di esperimenti, fissando un valore di riferimento cui rapportare i valori delle grandezze in esame : per il suono, 0 dB = livello minimo udibile alla frequenza di 1000 Hz
Le misure in dB, che si basano su una scala di tipo logaritmico, vanno considerate in tal senso, in quanto variazioni di +3 dB raddoppiano e di -3 dB dimezzano l'intensità sonora.
Come già detto, l’ orecchio umano non ha una risposta lineare, ma può captare da O db fino a circa 100 dB, oltre cui , a partire da 120 dB, si inizia ad avvertire una sensazione dolorosa dovuta al sovraccarico del timpano e del sistema auditivo.  

Frequenza : ovvero il numero di vibrazioni in un secondo. Ad esempio, le varie note prodotte pizzicando le corde della chitarra si distinguo tra loro per la differente frequenza a cui vibrano le corde stesse. Si misura in hertz [Hz].
L’orecchio umano non ha una risposta lineare al variare delle frequenze, ma è capace di percepire suoni fra i 20Hz ed i 25000Hz per i bambini, con il limite superiore che si abbassa con il crescere dell' età e mediamente è posto a 20000Hz. Al di sotto dei 20Hz si parla di infrasuoni, mentre quelli la cui frequenza è situata sopra i 20000Hz sono chiamati ultrasuoni. Vari animali sono in grado di emettere e percepire ultrasuoni e i più noti sono i pipistrelli, che sfruttano questa loro capacità per orientarsi nel volo notturno.
Nella musica la frequenza è chiamata altezza e viene codificata con una convenzione che individua varie frequenze come note musicali (Do Re Mi Fa Sol La Si) ordinate secondo scale e rapporti ben definiti; per l' accordatura viene fatto riferimento alla nota "La" emessa da un diapason, e cioè uno strumento sonoro di riferimento in grado di generare una frequenza molto precisa; il suo valore tipico corrispondente a circa a 440 Hz.
Tuttavia, raramente ciò che udiamo è un suono puro, vale a dire caratterizzato da un'unica frequenza; più generalmente ci troviamo in presenza di suoni complessi, in cui sono cioè presenti diverse frequenze. Mediante analisi matematica (analisi di Fourier), qualsiasi suono complesso può essere scomposto in un numero finito o infinito di suoni puri (onde sinusoidali); un impiego pratico è la rappresentazione grafica attraverso uno spettro delle diverse frequenze che compongono l'evento sonoro, come ad esempio negli equalizzatori dei complessi hi-fi.

Timbro : ovvero la qualità del suono; in sostanza è il contenuto armonico, che permette di distinguere, a pari frequenza, la sorgente . Solitamente i suoni sono complessi, ovvero è presente contemporaneamente più di una frequenza. Suoni diversi si distinguono per il diverso peso delle varie frequenze componenti : ad esempio un Do suonato da un violino e da un pianoforte possono avere la stessa frequenza, ma hanno timbro ben differente, che ne permette una immediata distinzione; il parlato, poi, comprende un gran numero di suoni complessi e anche quelli che definiamo rumori sono spesso una mescolanza di frequenze anche molto diverse. 

Potenza e pressione sonora : una sorgente sonora è caratterizzata da una valore che definisce l'energia acustica irradiata nell'unità di tempo. Il suono in un certo punto viene invece valutato attraverso la misurazione della pressione sonora, che dipende, oltre che dalla potenza acustica irradiata dalla sorgente sonora e dalla distanza della sorgente dal punto considerato, anche dalle diverse condizioni ambientali e del mezzo di propagazione. Anche nell' aria il suono si propaga e viene smorzato in modo differente a seconda della pressione, della temperatura, dell' umidità, ecc.

I primi studi sull'acustica risalgono al XVII secolo, ma è nel secolo successivo, in seguito allo sviluppo dell'analisi matematica e avendo quindi a disposizione strumenti di calcolo più potenti, che viene affrontato uno studio sistematico dei fenomeni acustici. 
Si scopre che il suono, nel vuoto, non si trasmette : Robert Boyle (1660) lo sperimenta facendo il vuoto con una pompa in una campana di vetro  E’ importante notare che nel vari mezzi di trasmissione, il suono si propaga a differenti velocita’ e diversi tempi di smorzamento. Nell’ aria la velocità delle onde sonore è di circa 334 m/s. , nell’ acqua del mare è circa 1.520 m./s, ma viene piu’ rapidamente assorbita. Nei materiali solidi il suono si trasmette ancora più rapidamente; ad esempio nel cemento, è di circa 3.400 m./sec. ma dopo breve distanza viene del tutto smorzata. Fu il matematico Brook Taylor (1685--1731), celebre per la formula dello sviluppo in serie delle funzioni ad una variabile, che determinò, mediante il calcolo, le prime formule sul problema della corda vibrante, problema già affrontato nell'  antichità da Pitagora. 
Un metodo per la misura della velocità del suono nei gas e nei materiali venne trovato da Chladni alla fine del secolo; a lui è dovuta la spiegazione dell'eco e la determinazione della soglia di udibilità.
Fino a quell' epoca il problema del suono riguardava principalmente l' ambiente musicale, non essendoci, tra l' altro, il problema del rumor prodotto dai meccanismi, ora così importante.
Un nuovo sviluppo si ebbe nella seconda metà del 1800, quando Graham Bell brevettò un apparecchio simile al telefono di Meucci, costituendo poi una società che rapidamente ne diffuse l' uso; in questo nuovo settore si sentì molto pressante la necessità di formulare nuove regole per la determinazione dei parametri del suono che veniva trasmesso. Problema che si legò poi all' industria radiofonica, a quella delle registrazioni e discografica e al problema degli effetti del rumore industriale e civile che cresceva col crescere dell' automazione.
Al nome di Bell è collegata l' unità di misura utilizzata nel settore dell' acustica.
All'acustica, ovvero la scienza che studia il suono, collaborano fisici, matematici, psicologi, ingegneri, medici, fonoiatri,  linguisti e musicisti . Oggi si possono individuare varie branche :
- acustica fisica, ovvero lo studio della onde elastiche di qualsiasi natura, loro propagazione ed interazione con la materia, che ha risvolti importanti nello lo studio geologico del sottosuolo (ricerche petrolifere, studio dei terremoti)
- acustica fisiologica:  studio della parola e dell'udito
- psicoacustica: studio delle sensazioni uditive e loro conseguenze psicologiche, con importanti applicazioni nel campo delle telecomunicazioni e dell' informazione
- acustica applicata nei suoi vari aspetti, come lo studio degli ultrasuoni, importante in vari settori tecnici e in medicina (ecografia): elettroacustica (HIFI, radio), acustica architettonica ed ambientale (sale da concerto, isolamento, inquinamento acustico, ecc.), acustica musicale (strumenti musicali).

Come già detto, la relazione tra suono  e la sensazione sonora non è lineare, ma segue  la legge di Weber-Fechner, secondo la quale l’intensità di una sensazione fisiologica è proporzionale al logaritmo dello stimolo, ovvero, quando la pressione sonora si decuplica, il livello di pressione sonora aumenta di 20 dB. Oltre ai già accennati problemi tra soggettività e oggettività delle misure.
La descrizione dell’intensità sonora può essere fatta utilizzando o i dB SPL (Sound Pression Level), misurati con uno strumento chiamato fonometro, quando si parla di pressione sonora o i dB HTL (Hearing Threshold Level), misurati con uno strumento chiamato audiometro,  quando si tratta di sensazione uditiva.
Va ancora ricordato che l’orecchio umano non risponde allo stesso modo per tutta la gamma delle frequenze udibili;  gli strumenti di misura permettono un’analisi acustica lineare che viene corretta attraverso scale ponderate secondo la sensazione uditiva reale : quella più utilizzata è chiamata A e tiene conto della scarsa sensibilità ai suoni a bassa frequenza rispetto a quelli con frequenze medio-alte (sono considerati medio-alti i suoni compresi tra 1000 e 4000 Hz). E' questa la spiegazione per cui l’intensità è indicata come dB(A), ovvero si tratta di una misura in dB secondo la scala pesata A. Quindi occorre fare attenzione a come vengono fornite le informazioni relative al livello sonoro emesso da una sorgente, in quanto lo stesso rumore può avere livelli diversi a seconda che sia espresso in dB o in dB(A). Esistono poi altre scale di riferimento, dette B e C che sono utilizzate in diverse situazioni, principalmente con riferimento a suoni di entità considerevole.
La tabella qui sotto riporta alcune relazioni comuni tra il valore in dB e l' effetto del suono

Sorgente Livello sonoro (dB)
Soglia di udito 0
Soglia di misura di un normale fonometro 20
Conversazione a bassa voce 30
Biblioteca 40
Condizionatore d'aria 50
Uffici 60
Aspirapolvere 70
Autocarro 80
Strumento musicale a corda 90
Strumento musicale a fiato 100
Discoteca 110
Soglia del dolore 140

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Aggiornato il 16/04/03.