L’acustica e l’ingegneria del suono

(Andrea Pavoni Belli *)

(* INRiM: Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica, Torino)

1. L’acustica e la musica

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L’acustica è la scienza del suono: Che cosa è il suono?

Pitagora, il primo studioso

La corda tesa

Il suono è la sensazione data dalla vibrazione di un corpo in oscillazione che si propaga in un mezzo elastico.

Trasmissione di energia, non di particelle

I parametri del suono

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•Altezza

•Intensità

•Timbro

Adesso li esaminiamo, uno per uno

Sono stati definiti inizialmente dai musicisti

Altezza

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Definisce se un suono è grave o acuto

Per i musicisti: note. Do, Re, mi, etc…..

Nel mondo scientifico si chiama frequenza e si misura in periodi al secondo, Hertz (Hz); gli umani sentono, circa, frequenze tra 20 e 15000 Hz. Si misura con uno strumento che si chiama frequenzimetro.

I cani ed i gatti sentono sino a 35000 Hz, I pipistrelli sino a 100000 Hz

Un frequenzimetro, di alta classe

Intensità

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Definisce se un suono è forte o debole

In musica viene definito con “parole”, piano, forte, pianissimo fortissimo, crescendo, diminuendo, etc.

Nel mondo scientifico esiste l’intensità acustica, ma è troppo complessa per essere affrontata in questa sede.

Si parla di livello sonoro, correntemente misurato in decibel, abbreviato in dB.

I decibel non sono una unità di misura: esprimono solo, su una scala logaritmica, di quante volte una grandezza da misurare è maggiore o minore rispetto ad un riferimento. Io, personalmente, misuro i dB dell’aglio soffritto o la qualità della mia vita, noto il riferimento.

Il “termometro” del livello sonoro

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Un fonometro:

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⋅=

01020

PPLogdB

La formula dei decibel

In cui Po = 20 µPa

Il Timbro

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Il timbro definisce il suono dei vari strumenti, o anche le vocali della voce umana

Dipende dalla forma d’onda

Deve essere misurato con parametri numerici

Il barone Jean Baptiste Josef Fourier

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(Auxerre, 21 marzo 1768 – Parigi, 16 maggio 1830)

Ha scoperto che un segnale periodico può essere visto come una serie di componenti a frequenza multipla intera della fondamentale: la Serie di Fourier

Misura del timbro:La serie di Fourier

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In cui:

Ma vale solo per un segnale periodico

Espressione matematica:

La trasformata di Fourier(Da cui… FFT: Fast Fourier Transform)

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Il periodo viene reso infinitesimo: integraleEcco l’espressione matematica

Vale per qualsiasi segnale, anche non periodico

Segnale nel tempo Spettro

Un poco di elettronica

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La trasformata di Fourier richiede la formula matematica del segnale

Per un suono qualsiasi, uno strumento musicale, la voce umana, non c’è una formula matematica che la descriva: ci vuole l’elettronica

Grazie all’elettronica, che ricordo essere nata nel 1907, ad opera di Lee de Forest, che inventò la valvola (triodo).

Ecco la prima valvola:Grazie all’elettronica è così possibile misurare il contenuto in frequenza di un segnale qualsiasi

Elettronica 2

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Nascono così strumenti di misura che misurano lo spettro:Gli analizzatori di spettro

Ecco un paio di analizzatori di spettro “storici”, danesi, che hanno fatto la storia

1/3 di ottava, 2131 FFT, 2032

Oggi è possibile effettuare l’analisi di spettro mediante software su Computer

L’analisi di spettro nel tempo

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Lo spettro, oltre il livello, varia nel tempo

Alcuni sintetizzatori

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EMSSynthi

Il grande Moog (Walter, Wendy Carlos)

ARP 2600

Campionatori

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Immagine di un campionatore: registratore digitale

Arte e scienza

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Non c’è arte che non possa essere misurata.Non c’è scienza che non possa essere arte (es. frattali).

L’armonia (Jean Philippe Rameau) Combinazione di suoni concomitanti

L’ acustica e l’ingegneria del suono

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Acustica fisicaLa percezione uditiva e l’effetto del rumore

La strumentazione di misuraRumore nell’ambiente esterno ed abitativoRumore in ambiente di lavoroAcustica dei materiali e dei sistemi ediliziAcustica architettonicaAcustica musicaleElettroacustica

… altro ancora…

L’acustica ha oggi vita autonoma, come disciplina scientifica, seppure poco studiata

Alcuni ambiti:

Acustica fisica

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1]

L’equazione d’onda

Sonoluminescenza

Costante di Boltzmann

La percezione uditiva e il rumore

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Il rumore è un suono non gradito

Audiometria

La strumentazione di misura

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Gli strumenti per la calibrazione per reciprocità

Microfono di misura

Rumore ambientale

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Esempi di barriere antirumore

Disturbo da rumore di traffico o insediamenti produttivi su ricettori

Zonizzazione Pianificazione normativa e legislativa

Risanamento

Rumore nell’ambiente di lavoro

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Misura fonometrica di rumore in ambiente di lavoro, di un operatore. Cuffia antirumore

Il rumore in ambiente di lavoro causa non solo disturbo ma un rischio fisico: la ipoacusia. Si deve caratterizzare il livello sonoro cui l’operatore è sottoposto

Se si supera il livello consentito, si devono utilizzare i protettori individuali

Acustica dei materiali e sistemi edilizi

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Isolamento al calpestio Potere fonoisolante

Scopo: impedire o ridurre la trasmissione del rumore tra locali

Rumore in casa

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Norma UNI 11367: classificazione acustica degli edifici (4 classi)

DPCM 1997: requisiti acustici passivi degli edifici

Acustica architettonica

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Wallace Clement Sabine: lo scopritore dell’acustica architettonica

Formula di Sabine, che fornisce il tempo di riverberazione(In primissima approssimazione)

RT60 = 0,161V

Riflessioni

Decadimento

Acustica musicale e Scientifica

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Camera anecoica INRIM

Analisi Modale

Elettroacustica

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Mixer

Outboards Microfono da studio

Tutto ciò, tranne il microfono, può essere emulato tramite software su computer

Possibilità di lavoro offerte dall’acustica:

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Oltre a ciò che è stato esposto:

Ultrasuoni clinici (Ecografia, flussimetria doppler)

Manutenzione predittiva

Sound Quality

Acustica subacquea

Applicazioni forensi (intercettazioni, riconoscimento)

Conclusione:

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Studiate l’acustica….

Non ve ne pentirete!!!

Grazie! Andrea Pavoni Belli