Introduzione all'ACUSTICA

Introduzione all'ACUSTICA

L'acustica è la scienza del suono. I più importanti settori dell'acustica sono: l'acustica fisica, l'acustica musicale, l'acustica architettonica, l'acustica fisiologica, l'acustica psicologica.

In FISICA

L'acustica fisica studia le proprietà e le caratteristiche del suono, inteso come ente fisico, e dei fenomeni connessi alla sua proazione nei vari mezzi. Studia in particolare i fenomeni legati alla riflessione, alla diffrazione, alla risonanza, all'interferenza, all'assorbimento delle onde sonore e la loro amplificazione e rivelazione tramite dispositivi o apparati di vario tipo. Il campo di frequenze si è esteso dalla banda dell'udibile (onde elastiche), alle frequenze inferiori con gli infrasuoni, alla banda della sismologia (in particolare le strutture edilizie); alle frequenze superiori (studiate dall'ultracustica), dagli ultrasuoni si è passati agli ipersuoni. Sempre nell'ambito della fisica, l'acustica subacquea tratta i modi di proazione del suono e degli ultrasuoni nell'acqua e li sfrutta al fine delle telecomunicazioni (si possono superare distanze anche dell'ordine delle migliaia di chilometri), degli impieghi militari (innesco di mine acustiche, localizzazione di oggetti sommersi che producono la riflessione delle onde luminose), biologici (rilevamento dei suoni emessi dagli organismi viventi), geomorfologici (rilevamento topografico dei fondali marini ed oceanici tramite sonar o ecoscandagli), della pesca industriale (rilevamento di branchi di pesci con il sonar).

In MUSICA

L'acustica musicale studia i suoni musicali. Studia, in particolare, le nozioni relative alle scale musicali e ai vari intervalli; i problemi relativi alle vibrazioni delle corde e delle piastre, alla proazione del suono nei tubi sonori e all'emissione dalle canne sonore, in relazione al funzionamento dei corrispondenti strumenti musicali, ma comprende anche le tecniche di costruzione degli strumenti musicali tradizionali, elettrici ed elettronici, in relazione alle caratteristiche dei suoni emessi, nonché i problemi costruttivi riguardanti gli strumenti della musica sperimentale.

In ARCHITETTURA

L'acustica architettonica si occupa specificamente delle applicazioni dell'acustica fisica a diversi tipi di strutture edilizie in relazione a due ordini di problemi: il primo riguarda le sale da concerto, i teatri, i cinematografi, gli studi di ripresa cinematografica, radiofonica e televisiva (studio delle caratteristiche volumetriche e costruttive degli ambienti, oltre che dei materiali da costruzione impiegati, al fine di ottenere un buon ascolto in ogni punto dell'ambiente e di rendere più gradevole la riproduzione del suono); il secondo problema riguarda lo studio delle proprietà fonoisolanti delle strutture murarie degli edifici al fine di ridurre la presenza di suoni o rumori indesiderati all'interno dei locali che si intendono isolare acusticamente.

In FISIOLOGIA

L'acustica fisiologica riguarda i due campi dell'udito e della fonazione. L'acustica fisiologica differisce dalla medicina perché non si interessa alle malattie, ai traumatismi e agli altri fenomeni patologici e limita l'indagine anatomica a quanto è necessario dal lato funzionale. Dal lato uditivo, l'acustica fisiologica studia le grandezze soggettive caratteristiche dell'ascolto (altezza, sensazione sonora, soglie differenziali di frequenza e intensità) in relazione alle corrispondenti grandezze oggettive della stimolazione esterna (frequenza, pressione sonora globale e sua distribuzione spettrale). Si interessa inoltre a tutti i fenomeni caratteristici dell'ascolto (il mascheramento, la fatica uditiva, l'effetto direzionale, l'adattamento, i battimenti mono- e binaurali e altri fenomeni temporali). Dal lato della fonazione, l'acustica fisiologica costituisce quella parte della fonetica che comprende lo studio del meccanismo dell'emissione vocale.

In PSICOLOGIA

L'acustica psicologica è un settore della psicologia che studia il suono inteso come rappresentazione psichica di una realtà esterna, esistente solo nella nostra mente. L'acustica psicologica studia come l'effetto di onde elastiche sull'organo del senso dell'udito viene rappresentato mediante il suono, inteso come sensazione psichica.

STORIA

I primi studi di acustica risalgono al secolo VI avanti Cristo con Pitagora e i pitagorici, che giunsero a stabilire le relazioni esistenti fra la lunghezza delle corde vibranti e l'altezza dei suoni e a introdurre una delle prime scale musicali. Con i Greci e poi con i Romani, lo sviluppo dell'acustica architettonica raggiunse traguardi notevoli con la definizione di una forma ottimale di teatro all'aperto per un vasto auditorio. Dopo i Romani, un progresso rilevante in acustica si ebbe solo con G. Galilei e con il suo contemporaneo M. Mersenne, che determinarono sperimentalmente i rapporti matematici tra frequenza, lunghezza, tensione e massa delle corde vibranti. Contemporaneamente alla ripresa degli studi di acustica, i teorici cominciarono a sviluppare la teoria matematica delle onde, necessaria per la trattazione non solo dell'acustica, ma anche di gran parte della fisica. L'analisi di un'onda periodica complessa nelle sue componenti spettrali, effettuata dal matematico francese Jean-Baptiste Fourier (1768-l830), costituisce oggi uno strumento indispensabile non solo in acustica, ma in moltissime altre branche della fisica. Il primo a collegare questi studi con il problema fisiologico dell'udito fu il fisico tedesco Georg Simon Ohm (1787-l854), che scoprì che l'orecchio si comporta come un analizzatore acustico in grado di scomporre un suono complesso nelle diverse componenti armoniche. Contributi decisivi per l'avanzamento dell'acustica fisiologica furono dovuti allo scienziato tedesco H. von Helmholtz (1821-l894), che pose anche le basi della psicoacustica particolarmente in riferimento all'acustica musicale. La sua opera fu proseguita da G. von Békésy (1899-l972) che effettuò esperienze basilari sull'orecchio e sull'udito. Fanno parte essenziale di qualsiasi trattato di acustica molti dei lavori sperimentali dello scienziato inglese John Strutt, terzo barone di Rayleigh. All'inizio del Novecento l'acustica risentì in modo determinante dell'introduzione dei tubi elettronici, l'uso dei quali ha reso possibile la costruzione di altoparlanti, microfoni, amplificatori, registratori per frequenze acustiche e ultracustiche.

Aspetti generali

Come descritto nel precedente modulo, i professionisti sono chiamati, in sede progettuale, a soddisfare i valori imposti dalle nuove normative e quindi ad usare opportuni mezzi di controllo che attenuino la proazione dell'energia sonora sia essa provenga dall'interno sia dall'esterno dell'edificio.

A tale scopo e senza complicati calcoli di fisica acustica, si è voluto creare un aiuto per capire gli elementi essenziali dell'acustica: le trasformazioni dell'energia sonora, la risposta dei materiali, i fattori di impedenza e di assorbimento, aggiungendo, a concludere, alcune metodologie di intervento (anche con esempi pratici), che superino la classica verifica affidata esclusivamente al peso della struttura come la "legge di massa".

I tre elementi fondamentali attorno a cui ruota l'acustica sono:

• la sorgente emissiva che genera energia;
• l'elemento di proazione (aria, acqua, legno, cemento etc.);

l'elemento ricettivo (il nostro orecchio) o un elemento che registra il fenomeno (ad esempio il fonometro);

In ambito edile si possono distinguere tre tipi di rumori:

• rumori aerei (che usano l'aria come veicolo di proazione)
• rumori di impatto (generati dall'impatto di un oggetto su una parete o su di un solaio)
• rumori da impianti continui e discontinui (provocati da apparecchiature come:
  ascensori, aria condizionata, tubazioni etc.)

Ognuno ha caratteristiche proprie e va affrontato con metodologie diverse. Il termine SUONO o RUMORE si sviluppa in tre fasi:

• emissione
• proazione
• ricezione

Dal punto di vista fisico é la rapida variazione di pressione atmosferica generata da un corpo vibrante es. le nostre corde vocali, il piatto di una batteria etc. (emissione), che attraversa un corpo con caratteristiche elastiche es. aria (proazione) e che trasporta questa energia fino a raggiungere il no-stro timpano (ricezione).

Se trasferiamo su un grafico sectiunesiano le sequenze di variazione di pressione caratterizzate da un susseguirsi di compressione e rarefazione di particelle atmosferiche (300.000 /cm), otterremo unacurva sinusoidale che descriverà appunto un'onda.

Le particelle non subiscono spostamenti ma ruotano intorno alla loro posizione di equilibrio trasmettendo eslusivamente energia.

Le grandezze delle onde sonore sono:

• frequenza " f " espressa in Hz, equivale al numero di cicli nell'intervallo di tempo di un secondo. Affinchè queste pulsazioni possano essere percepite dall'orecchio umano esse devono essere comprese tra 20 e 20.000 Hz;
  Hertz= velocità del suono (m/sec) / lunghezza d'onda (m)

lunghezza d'onda "" equivale alla distanza, espressa in metri, fra una compressione o una rarefazione e la successiva;

• periodo " T " equivale all'intervallo di tempo tra due istanti consecutivi nei quali si ha un massimo e un minimo della pressione, ossia l'inverso della fre- quenza (1/f);
• velocità " c " equivale alla velocità di proazione che risulta proporzionale alla densità del mezzo attraversato;

> c = velocità proazione m/s> k = costente

> E = modulo elasticità N/m

> m = densità kg/m

LA VELOCITA' E' PROPORZIONALE ALLA DENSITA' DEL MEZZO

L'onda sonora dovrà dunque usufruire di un mezzo con caratteristiche elastiche perché possa attraversare lo spazio tra l'emissione e la ricezione e la sua velocità sarà proporzionale alla densità del mezzo usato.

Usufruendo dell'aria come mezzo elastico l'energia sonora percorre 1 km in 3 secondi.
Osserviamo un temporale: il tuono ed il lampo sono sincroni ma noi avvertiamo il fenomeno in tempi ditinti; ciò è dovuto alla diversa velocità di proazione:

luce 300.000 km/sec.
suono 343 m/sec.

Avvertire con più o meno ritardo questo fenomeno ci fa intuire la distanza ed il verso di spostamento del temporale.

Esaminiamo un vecchio giocattolo:
colleghiamo due bicchierini di plastica con uno so sottile.

Conferiamo delle caratteristiche elastiche al sistema interfonico mettendo in tensione lo so.
In questa condizione lo so, una volta sollecitato dall'energia sonora, entrerà in vibrazione trasformandosi in veicolo di trasmissione.
Annullando la tensione il sistema diventerà anelastico; lo so non potrà più vibrare e sarà azzerata la trasmissione.

L' esempio sottolinea due cose fondamentali:

• L'assoluta necessità di avere un corpo elastico per ottenere una trasmissione acustica e di conseguenza l'importanza di usare un elemento anelastico come elemento inibente.
• Quanto sia facile realizzare un ponte acustico (in questo caso la sezione dello so).
• Quanto sia delicato un qualsiasi sistema fonoimpedente.

- Qualche formula

La pressione sonora (P) viene misurata in Pascal (1Pa=1 N/m2) e varia da:

2 x 10 Pa < P < 2 x 10 Pa
soglia di udibilità < P < lesioni uditive

Una sorgente sonora irradia una certa potenza W misurata in watt (1W=1Nm/s.) es:

voce umana 10 w
Jet 10 w

La potenza W trasportata da un'onda su un fronte di superficie S (m2) si definisce intensità sonora.

I=W/S

Il campo di variabilità delle pressioni può variare con un rapporto da 1 a 10 milioni.
Il rapporto tra la pressione minima percepibile (0,00002 Pascal) e la massima sopportabile (20 Pascal), è pari ad un milione. Per evitare di lavorare su di un'area così vasta si è ricorso all'uso del logaritmo come compressore di scala.
L'impiego del logaritmo è anche giustificato dal fatto che tutte le sensazioni entrano nel nostro corpo compresse, nel senso che al raddoppio dello stimolo non c'è mai un raddoppio della sensazione.
Mettendo in relazione l'intensità sonora misurata con il fonometro e l'intensità "zero" (l ) corrispondente alla nostra soglia uditiva, si identifica il livello di intensità sonora che (espressa in dB, compressa logaritmicamente e moltiplicata per 10), sarà:

Li=10log(I/I

L'equivalente di pressione sonora sarà:

Lp=10log(p/p =20log(p/p

Misurando una intensità sonora pari a zero avremo: I = I0
Li = 10log1 [log1 = 0]
Li = 10 x 0 = 0

Raddoppiando l'intensità [ I=2I0]
Li = 10log2 [log2 = 0,3]
Li = 10 x 0.3 = 3

Applicando gli stessi dati sulla pressione avremo:

Livello di pressione sonora P= P0 => Lp=0
P=2P0 => Lp=6

Ciò sta a dimostrare che al raddoppio dell'energia acustica corrisponderà un aumento di 3 dB se misuriamo il livello di intensità sonora, e di 6 dB se misuriamo il livello di pressione sonora.
Questo ci fa capire come sia possibile che una matita su di un foglio di carta produca 23 dB ed un Jet 140 dB.
Certo non ci vogliono 6 matite per fare il rumore di un aereo.