Acustica 2009

7/21/2019 Acustica 2009

http://slidepdf.com/reader/full/acustica-2009 1/66

Istituto Musicale Pareggiato “P. Mascagni”, Livorno

Corsi superiori sperimentali - Secondo livello

Acustica e psicoacusticaSalvo Marcuccio

[email protected]

2009

7/21/2019 Acustica 2009


2Acustica e psicoacustica, 2009

Fornire gli strumenti per analizzare e comprendere

i fenomeni acustici legati alla percezione musicale.

Obiettivo

7/21/2019 Acustica 2009



Testo di riferimento

F. Alton Everest, Manuale di acustica , Hoepli, Milano, 1996(ISBN 88-203-2288-9)

Letture consigliate

Juan G. Roederer,The Physics and Psychophysics af Music: an Introduction ,Springer, New York, 2008 (ISBN 978-0-387-09470-0)

David M. Howard and Jamie Angus,Acoustics and Psychoacoustics ,Focal Press - Elsevier, 2006 (ISBN–13: 978-0-24-051995-1)

7/21/2019 Acustica 2009



Catena di trasmissione acustica

Sistema sico Funzione

Meccanismo di eccitazione Immissione di energia

Corpo elastico oscillante Generazione della vibrazione, coloratura timbrica

Risuonatore Conversione dell’energia in onde sonore

Mezzo di propagazione Supporto alla trasmissione del suonoAmbiente Riverberazione, ltraggio

Orecchio esterno Localizzazione spaziale

Timpano e orecchio medio Conversione in vibrazioni meccaniche

Orecchio interno Analisi in frequenza, conversione elettrica

Sistema nervoso Elaborazione, decodica

SORGENTE

MEZZO

RICEVITORE

7/21/2019 Acustica 2009



Cos’è il suono?

Una variazione periodica o aperiodica di pressione in un mezzo, comunemente l’aria

ambiente

La percezione sensoriale conseguente all’eccitazionedell’organo uditivo

STIMOLO

Approccio sico

SENSAZIONE

Approccio sio-psicologico

7/21/2019 Acustica 2009



Natura sica del suono

7/21/2019 Acustica 2009



Moto armonico

7/21/2019 Acustica 2009



La sinusoide - 1

Periodo

Tempo

Ampiezzadi picco

7/21/2019 Acustica 2009



La sinusoide - 2

RMS:Root Mean Square = valorequadratico medio.

E’ la radice quadrata dellamedia dei quadrati: serve ad

individuare il “valore efcace”di una grandezza variabile convalori positivi e negativi, la cuimedia aritmetica ha scarsosignicato sico (la mediaaritmetica dei valori diqualunque sinusoide è pari azero!).

7/21/2019 Acustica 2009



La fase

! = lunghezza d’onda

! = fase: distanza fra punticorrispondenti di due onde(ad es., fra due massimi o fradue minimi)

! =

! = v f

= 340ms

frequenza in Hz

velocità del suono

7/21/2019 Acustica 2009



Il suono in aria

Compressione

RarefazionePressioneatmosferica media

Tempo

P r e s s

i o n e

7/21/2019 Acustica 2009



Moto vibratorio

•

L’onda non trasporta materia, ma solo un “segnale”• la materia sulla traiettoria dell’onda si mette a vibrare. Con il tempo, l’energia dell’onda si

trasforma in calore (viene “dissipata”)

• quando l’onda è passata, la materia sulla traiettoria torna alla posizione originale

7/21/2019 Acustica 2009



Campo sonoro da un altoparlante

Membrana dell’altoparlante

Lunghezza d’onda

7/21/2019 Acustica 2009



f [Hz] Nota Strumento

16.5 Do 2 “Do” del registro 32 pollici dell’organo33 Do 1 Corda grave del contrabbasso a cinque corde66 Do Quarta corda del violoncello

131 do Quarta corda della viola

262 do1

“Do centrale” - do grave del violino524 do 2 Do più acuto della voce di tenore

1047 do 3 Do più acuto della voce di soprano2093 do 4 Do più acuto del violino4185 do 5 Do più acuto dell’ottavino

Frequenze fondamentalidei suoni musicali

7/21/2019 Acustica 2009



Frequenze fondamentalidei suoni musicali

7/21/2019 Acustica 2009



7/21/2019 Acustica 2009



Intensità sonora

• Una atmosfera: 1 atm (pressione esercitata dall’aria su ogni supercie, allivello del mare) = 105N/m 2 (newton per metro quadro)

• l’aria è elastica: comprimendola, la sua pressione aumenta

• ampiezza di pressione delle onde sonore:

- da 10-7 atm a 10-5 atm

- a 10-5 atm (massima ampiezza di un suono): compressioni 1,00001 atm;

rarefazioni 0,99999 atm

7/21/2019 Acustica 2009



Intensità sonoraIntensità:energia che uisce attraverso una supercie unitaria in un tempo unitario =potenza che uisce attraverso una supercie unitariaUnità di misura: W/m2

L’intensitàI è proporzionale al quadratodell’ampiezza di oscillazione e al quadratodelle variazioni di pressione.

A parità di potenza emessa dalla sorgente,l’intensità diminuisce con il quadrato delladistanza dalla sorgente

Livello di intensità sonora:

10 log (I /I 0)

con I 0 = 0.000000000001 W/m2 = 10-12 W/m 2

7/21/2019 Acustica 2009



Livello di pressione sonora

L’intensità minima percepibile a 1000 Hz è pari a10-12 W/m2 , corrispondente ad una pressione di2.10-10 atm

L’intensità massima sopportabile a 1000 Hz è paria 1 W/m2 , corrispondente ad una pressione di2.10-4 atm.

Il decibel non è una unità di misura ma solo unmodo per esprimere comodamente il rapporto fradue grandezze.

012010

40100 601000

14010 000 0001201 000 000100100 0008010 000

Livello dipressione sonora

[dB SPL]Pressione (p/p 0)

Livello di pressione sonora in decibel:

SPL (Sound Pressure Level ) = 20 log (P /P 0)

La pressione sonora di riferimento è:P0 = 0.00001 N/m2 = 10-5 N/m 2 = 2.10-10 atm

7/21/2019 Acustica 2009



7/21/2019 Acustica 2009



210Massimo rumore prodotto in laboratorio200Missile al decollo a 50 m160Rottura del timpano130 Jet al decollo a 50 m120Suono al limite del dolore

115Martello su acciaio (0,5 m)110Schianto di un fulmine110Gruppo rock in un locale chiuso100Urlo a 0,5 m100Fortissimo ffffdi grande orchestra in sala90Martello pneumatico a 3 m

70-80Trafco cittadino diurno60-65Ufcio o ristorante (affollati)

50Conversazione a 1 m50-55Ufcio o ristorante (quieti)

30Rumore di fondo notturno in città 25-30Teatro o chiesa vuoti

15Bisbiglio a 1 m di distanza10Fruscio di foglie10Zanzara vicino all'orecchio

0 dbSuono al limite della percettibilità

7/21/2019 Acustica 2009



Campo di livelli di pressione sonora in musica

• 40 dB: suono praticamente non percepibile, se non in sale estremamentesilenziose

• Un’orchestra sinfonica suona mediamente tra 65 e 80 dB

• Approssimativamente:

ppp pp p mf f ff fff

40 50 60 70 80 90 100

• Rock duro: 100 - 115 dB

[dB]

7/21/2019 Acustica 2009



L’apparato uditivo

7/21/2019 Acustica 2009



Schema dell’orecchio

7/21/2019 Acustica 2009



Localizzazione della direzione di provenienza del suono

La conformazione dell’orecchio esterno (“pinna”) determina riessioni del suono lungo più percorsidi diversa lunghezza, introducendo piccoli ritardi nei suoni riessi. Il cervello sfrutta tali ritardi perricavare informazioni addizionali sulla direzione di arrivo del suono principale, anche nel caso diascolto monoaurale.

7/21/2019 Acustica 2009



Padiglione auricolareOsso temporale

Martello

Condotto uditivoesterno Timpano

Vena giugulare

Incudine

StaffaCoclea

Canalisemicircolari

Nervi acustici

7/21/2019 Acustica 2009



7/21/2019 Acustica 2009



Canale uditivo

La frequenza di risonanzadel canale uditivo è circa3000 Hz

7/21/2019 Acustica 2009



L’orecchio

7/21/2019 Acustica 2009



La catena degli ossicini riduce gli spostamenti e

amplica la pressione:• la pressione sulla staffa è pari a circa 185 volte

quella sul timpano

Orecchio medio

7/21/2019 Acustica 2009



Orecchio medio e coclea

7/21/2019 Acustica 2009



Coclea

7/21/2019 Acustica 2009



Membrana basilare

Frequenze dirisonanza locali

7/21/2019 Acustica 2009



La percezione dei suoni

7/21/2019 Acustica 2009



Risposta auditiva

Soglia di udibilità

7/21/2019 Acustica 2009



Curve di uguale intensità sonora percepita in funzione della frequenza

per suoni sinusoidali puri

Curve di Fletcher-Munson(versione aggiornata - Robinson and Dadson)

7/21/2019 Acustica 2009



Soglie di udibilità per l’uomo e per alcuni animali

7/21/2019 Acustica 2009



Peridita uditiva con l’età

7/21/2019 Acustica 2009



Dominio della percezione uditiva

7/21/2019 Acustica 2009



Fenomeni di mascheramento

Si ha “mascheramento” quando un suono, pur presente in realtà, non vienepercepito dall’ascoltatore perché “nascosto” da altri suoni.

Gli effetti principali di mascheramento sono:

• mascheramento spettrale : un suono relativamente più intenso ne “cancella” uno

meno intenso, concomitante, posto all’interno di una certa banda di frequenzecentrata intorno al suono principale;

• mascheramento temporale : un suono relativamente più intenso ne “cancella”uno susseguente meno intenso, entro un breve intervallo temporale.

I fenomeni di mascheramento sono alla base dei modelli psicoacustici dicompressione digitale “distruttiva” (lossy) del suono (formati mp3, mpc, etc.).

7/21/2019 Acustica 2009



Mascheramento spettrale

Livello di pressionesonora (dB)

Soglia di udibilitàin quiete

Soglia dimascheramento

Suono mascherante a 1 kHz

Frequenza

7/21/2019 Acustica 2009



Mascheramento temporale

7/21/2019 Acustica 2009



Mascheramento spettrale e temporale

7/21/2019 Acustica 2009


7/21/2019 Acustica 2009



Rappresentazione del suono

Rappresentazione analogicaLe variazioni di livello di pressione sonora (SPL) nel tempo sono rappresentate tramite analoghe

variazioni di una grandezza sica continua. Esempi:• la profondità dei solchi incisi sulla supercie di un disco di vinile• l’intensità della magnetizzazione di un nastro magnetico

Rappresentazione digitale

Il livello di pressione sonora (SPL) è misurato a intervalli di tempo pressati (campionamento )e i corrispondenti valori (campioni) sono memorizzati sotto forma di una serie di numeri. Lafrequenza di campionamento è il numero di campioni misurati in un secondo.

In teoria, la rappresentazione analogica è un’esatta “immagine” del suono originale; in pratica,ogni rappresentazione analogica è affetta da errori in scrittura e in lettura.

La rappresentazione digitale è solo una approssimazione del suono originale, del qualeconserva solo i valori agli istanti di campionamento, tralasciando ogni informazione sui valorinegli istanti intermedi. Esseno costituita solo da elenchi di numeri, la rappresentazione digitalenon introduce ulteriori errori in seguito a letture e scritture successive.

7/21/2019 Acustica 2009



CampionamentoAsse delle ascisse:tempo (s)

Asse delle ordinate:livello di pressionesonora (dB)

Campioni

Campionamento di un periodo di un’ondasinusoidale di frequenza 1000 Hz

Frequenza di campionamento: 44.1 kHz

7/21/2019 Acustica 2009



Campionamento

110 Hz 880 Hz7040 Hz 14080 Hz

La scelta della frequenza di campionamento pone un limite sulla massima frequenzariproducibile. Ilteorema di Nyquist afferma chela massima frequenza riproducibile è pari ametà della frequenza di campionamento .Le gure mostrano onde sinusoidali a frequenze crescenti, campionate a 44.1 kHz. La massimafrequenza teoricamente riproducibile con il formato CD audio è quindi pari a 22050 Hz.

7/21/2019 Acustica 2009



Il sistema di numerazione decimale rappresenta i numeri tramite le dieci cifre 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9.Nei circuiti elettronici, rappresentare dieci cifre diverse comporterebbe la necessità didiscriminare fra dieci livelli di tensione elettrica, con elevata possibilità di errore. Il sistema binario utilizza solo le cifre 0 e 1; i circuiti elettronici devono quindi discriminare solo due livelli(presenza o assenza di tensione), minimizzando la probabilità di errore.

Sistema di numerazione binario

Decimale Binario N. cifre

binarie (b i t )

0 0 1

1 1 1

2 10 23 11 2

4 100 3

5 101 3

6 110 3

7 111 3

8 1000 4

9 1001 4

10 1010 4

11 1011 4

12 1100 4

13 1101 4

14 1110 4

15 1111 4

16 10000 5

In generale, con n cifre binarie (“bit”) si possonorappresentare i 2n numeriinteri da 0 a 2n - 1.

Esempio: con 4 cifre binarie(4 bit) si rappresentano inumeri 0 - 15 (16 in tutto).

N. cifre binarie (b i t)

Massimo numerorappresentabile

1 1

2 3

3 7

4 15

5 31

6 63

7 127

8 255

9 511

10 1023

11 2047

12 4095

13 8191

14 16383

15 32767

16 65535

7/21/2019 Acustica 2009



Risoluzione

Per rappresentare i dati audio digitali in un dispositivo elettronico è necessario memorizzare ivalori dei campioni sotto forma di numeri binari. Larisoluzione della rappresentazione èindividuata dal numero di cifre binarie (bit) allocato alla rappresentazione di ciascuncampione: quanto maggiore è tale numero, tanto migliore è la capacità del formato audio didiscriminare tra differenti livelli di pressione sonora (tra un minimo pari al silenzio assoluto eun massimo pari al massimo volume sonoro consentito dal sistema di registrazione), e tantomaggiore è il numero di byte (1 byte = 8 bit) necessario per immagazzinare un secondo disegnale audio.

Risoluzione Numero di livelli diversidi pressione sonora

Gamma dinamica (dalsilenzio al suono più

intenso rappresentabile)

Numero di byte per unsecondo di segnale

audio mono campionatoa 44.1 kHz

Durata massima (in ore) diun segnale audio stereoimmagazzinabile su un

supporto CD da 700 MB4 bit 16 24 dB 22050 4h 37’8 bit 256 48 dB 44100 2h 18’

16 bit 65.536 96 dB 88200 1h 9’

24 bit 16.777.216 144 dB 132300 46’

7/21/2019 Acustica 2009



Lo standard CD audio prevede:

• campionamento a44.1 kHz• risoluzione16 bit

Sono recentemente stati introdotti formati audio a migliore denizione, con frequenze dicampionamento no a 192 kHz e risoluzione no a 24 bit. Rispetto al formato CD audio, taliformati richiedono maggiore quantità di memoria digitale per immagazzinare un segnaleaudio di durata pressata.

Se la destinazione nale del suono digitale è un CD audio, uno degli ultimi passi della catenadi produzione è necessariamente la conversione in formato 16 bit, 44.1 kHz. L’uso di migliorerisoluzione e/o frequenza di campionamento piú elevata nelle fasi precedenti può garantiremigliori risultati sonori se il suono digitale viene sottoposto a elaborazioni complesse comeequalizzazioni, ltraggi, riverberazioni e miscelazioni; in tal caso, la migliore risoluzionerende meno rilevanti gli inevitabili errori numerici introdotti dalle elaborazioni(arrotondamenti, troncamenti etc.).

Standard CD audio e formati alternativi

7/21/2019 Acustica 2009



Analisi spettrale

Il teorema di Fourier afferma che è possibile ottenere una qualsiasi forma d’onda tramite lasovrapposizione di un numero innito di onde sinusoidali di opportuna frequenza e fase. Inaltri termini, è possibile scomporre qualsiasi suono dato in una somma di (innite)componenti sinusoidali e, viceversa, ricostruire il suono originale a partire dalla conoscenzadelle componenti sinusoidali. In pratica, un numero nito di componenti sinusoidali puòfornire un’accettabile approssimazione del suono originale.

Lo spettro di un segnale audio è costituito dall’insieme di tutte le sue componenti sinusoidali.La rappresentazione graca dello spettro è un diagramma con la frequenza delle componentisinusoidali in ascissa e l’ampiezza (ovvero l’intensità relativa) di ciascuna componente inordinata.

L’analisi spettrale consiste nella scomposizione di un suono nelle sue componenti infrequenza mediante un’operazione matematica detta “trasformata di Fourier”; l’operazioneinversa (ricostruzione del suono dalle componenti spettrali) si chiamasintesi spettrale .

7/21/2019 Acustica 2009



Timbro e rumore

Lo spettro di un segnale audio è costituito dall’insieme di tutte le sue componenti sinusoidali.La rappresentazione graca dello spettro è un diagramma con la frequenza delle componentisinusoidali in ascissa e l’ampiezza (ovvero l’intensità relativa) di ciascuna componente inordinata.

Lo spettro di una singola nota prodotta da uno strumento musicale contiene principalmentefrequenze pari a multipli interi della fondamentale (armoniche ): se f è la fondamentale, le

armoniche hanno frequenza 2 f , 3 f , 4 f , etc. In realtà sono presenti anche frequenze nonarmoniche, che contribuiscono in modo determinante alla formazione deltimbro dellostrumento.

Il rumore bianco , utilizzato in acustica per la caratterizzazione degli ambienti e delle

apparecchiature, contiene tutte le frequenze con uguale densità di potenza. Ilrumore rosa ,ottenuto dal rumore bianco attenuando l’intensità con l’aumento della frequenza, approssimameglio le caratteristiche spettrali dei suoni reali.

7/21/2019 Acustica 2009



Compressione dei dati audio

La compressione dei dati audio si riferisce alla possibilità di memorizzare i segnali digitali informa piú compatta di quella usata dal formato CD audio. A tal ne vengono usate tecniche dicodica riconducibili a due tipi:

• compressione non distruttiva (lossless)

La rappresentazione compressa contiene esattamente le stesse informazioni dell’originale,al quale si può risalire senza perdite (esempio: formatozip). Le tecnichelossless possonoessere molto efcaci per i testi ma sono generalmente poco adatte a generare le audio dipiccole dimensioni;

• compressione distruttiva (lossy)

La compressione è ottenuta eliminando le informazioni percettivamente non rilevanti(esempio: formato jpeg per la compressione delle immagini). Il le compresso generaun’approssimazione uditiva dell’originale ma non contiene le stesse informazionidell’originale, che è quindi irrimediabilmente perduto. La riduzione delle dimensioni delle audio dipende dalla scelta dei livelli di soglia per le informazioni da eliminare, cioè dallivello di (in-)fedeltà di riproduzione accettato.

7/21/2019 Acustica 2009



Il formato MP3

Il formato di compressione audio piú diffuso, denominato MPEG-1 layer 3 , è comunemente notocome MP3. Il formato MP3 si basa su modelli psicoacustici che descrivono le condizioni dimascheramento dei suoni.

Il software di codica MP3 divide il segnale audio in brevi frammenti e calcola lo spettro diciascun fammento. In base ai modelli psicoacustici, il software elimina dallo spettro del segnale lefrequenze estreme, difcilmente udibili, le componenti al disotto della soglia di udibilità, e lecomponenti che subiscono mascheramento da parte di suoni concomitanti o vicini. Allo spettrocosì ottenuto vengono inoltre applicate tecniche di compressione dati non distruttive. In fase diriproduzione, il software costruisce una nuova immagine sonora in base allo spettro ridotto.

Il parametro fondamentale per identicare la qualità della compressione MP3 è la quantità di bitimmagazzinati per ogni secondo di audio (bit rate ). L’audio compresso ad unbit rate di 320kbit/s è praticamente indistinguibile dall’originale. Buoni risultati e elevata compressione siottengono con unbit rate di 128 kbit/s.

La compressione MP3 è distruttiva: conviene quindi utilizzarla solo come ultimo passaggio dellaproduzione audio. Operazioni diverse dalla semplice riproduzione, come amplicazioni,equalizzazioni, riverberi, miscelazioni, possono far emergere all’ascolto la mancanza diimportanti componenti spettrali nel segnale compresso, con perdita di qualità; tali operazionisono preferibilmente da effettuare sul segnale originale non compresso.

7/21/2019 Acustica 2009



Acustica ambientale

7/21/2019 Acustica 2009



Riessioni del suono

7/21/2019 Acustica 2009



Riverbero

Riessioni del suono

7/21/2019 Acustica 2009



Riverberazione

7/21/2019 Acustica 2009



Decadimento in ambiente riverberante

7/21/2019 Acustica 2009



Transitorio di attacco e decadimentoin ambiente riverberante

di i b i

7/21/2019 Acustica 2009



È il tempo che un suono impiega per subire un’attenuazione di 60 dB. È un parametro acusticoimportante per caratterizzare un’ambiente d’ascolto.Nelle gure sono mostrati i tempi di riverberazione di due ipotetici ambienti. La linea tratteggiataorizzontale indica il livello di -60 dB. Il tempo di riverberazione si trova quindi all'intersezione frala curva di decadimento del suono e questa linea.

Tempo di riverberazione

T di i b i

7/21/2019 Acustica 2009



Tempo di riverberazioneper sale da concerto Symphonic

Pop

T di i b i

7/21/2019 Acustica 2009



Volume (m 3)

T e m p o

d i r i v e r b e r a z i o n e

( s )

Tempo di riverberazioneper sale da concerto

7/21/2019 Acustica 2009



Piú grande è l’ambiente, maggiore è il tempo di riverberazione ottimale.

Indicativamente:

• per il parlato, da 0.5 a 1 s;• per la musica da camera, circa 2 s;• per la musica sinfonica da 2 a 4 s;• per la musica organistica 5 s e piú.

Valori ottimali del tempo di riverberazione

Misure di tempo di riverberazione in funzione della frequenza

7/21/2019 Acustica 2009



vuota

vuota

occupata occupata T e m p o

d i r i v e r b e r a z i o n e

Misure di tempo di riverberazione in funzione della frequenza

7/21/2019 Acustica 2009


Effetto delle dimensioni del locale

Onda direttaOnda riessa

Risultante(diretta + riessa)

Interferenza distruttiva

Sorgente Parete

Interferenza costruttiva

Onda diretta

Onda riessaRisultante

(diretta + riessa)

Sorgente Parete

Acustica 2009

Documents

Transcript of Acustica 2009