SUONO E RUMORE - Dipartimento di Meccanica: Dipartimento ...misure.mecc.polimi.it/files/Materiale...

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SUONO E RUMOREAlfredo Cigada

2L’acustica e il suono

Acustica: scienza che studia generazione onde sonore

ricezione onde sonore

propagazione onde sonore

ricezione onde sonore

Cos’è il suono?

• Fenomeno fisico:perturbazione (variazioni di densità delle particelle di fluido) che si propaga nell’aria con una certa velocità, sotto forma di onda che propaga attraverso il

© Misure e Tecniche Sperimentali - Alfredo Cigada

mezzo;

• Fenomeno psicofisico:percezione dell’orecchio

Velocità di propagazione del suono nell’aria a temperatura ambiente (20°C) e pressione pari a quella atmosferica vale c=343.6 m/s. 331.6 0.6 ( )c T C≈ + ⋅ °

2

3Il suono

Definizione: variazione di pressione in un mezzo elastico che l’orecchio umano riesce a rilevare.

(fluttuazioni molto piccole rispetto al valore della pressione atmosferica)

Esempio:


Il diapason vibrando nell’aria emette un suono

4Mezzo elastico

Durante la propagazione di un’onda sonora si ha il movimento delle particelle di un mezzo elastico attorno alla loro posizione di equilibrio.

Un'onda acustica si propaga per mezzo di (piccole) perturbazioni di pressione che si trasmettono localmente attraverso il mezzo Lapressione che si trasmettono localmente attraverso il mezzo. La velocità di propagazione dell'onda è detta celerità del suono. Questa grandezza non deve essere confusa con la velocità delle particelle nel mezzo. Infatti, le molecole del mezzo si mantengono, in media, nella stessa posizione nel corso della loro oscillazione attorno alla posizione di equilibrio (che è la causa delle piccole fluttuazioni di pressione).


3

5Il concetto di onda e di perturbazione

Il suono presenta strette analogie con i tanti altri fenomeni della fisica che si manifestano e propagano sotto forma di onde (luce, onde sismiche, onde sulla superficie dell’acqua…).

L’onda costituisce essenzialmente una perturbazione delle condizioni l li i ( i t ti i d l i ) d l i t tlocali a riposo (esistenti prima del suo arrivo) del mezzo interessato.N.B.: è la perturbazione che si sposta e si propaga, non il mezzo in cui si propaga! Suono propaga trasportando energia, non vi è alcun trasporto di massa!

Le diverse particelle adiacenti eseguono tutte lo stesso movimento, ma con un

i d l (f ) l’


certo ritardo temporale (fase), l’una dopo l’altra. Tale ritardo è determinato dalla velocità di propagazione dell’onda, che dipende dal mezzo.

6Le onde sonore

L’onda sonora, indipendentemente da come abbia avuto origine, altro non è che il propagarsi di un moto oscillatorio (rettilineo, avanti e indietro), che le particelle del mezzo si trasmettono sequenzialmente l’una all’altra, senza che ciascuna particella si sposti (se non appunto localmente intorno alla propria posizione di equilibrio)localmente intorno alla propria posizione di equilibrio).

Il mezzo deve avere necessariamente due caratteristiche per avere propagazione:

•• elasticità:elasticità: quando una particella del mezzo viene spostata dalla sua posizione a riposo, si genera una forza interna al mezzo stesso (risultante dall’azione delle forze intermolecolari) che tende a riportarla in quella configurazione;

•• inerzia:inerzia: coincide con il possedere una massa, e quindi la possibilità di trasferire quantità di moto ed energia meccanica da particella a


trasferire quantità di moto ed energia meccanica da particella a particella.

Oss: non si può avere propagazione di onde sonore nel vuoto! E’ necessaria la presenza di un mezzo (aria, acqua, solido…).

4

7Onde longitudinali e trasversali

•• Onde longitudinaliOnde longitudinali (o di compressione): l’oscillazione avviene nella stessa direzione di propagazione dell’onda (es. onde sonore).

•• Onde trasversaliOnde trasversali (o di taglio): l’oscillazione avviene in direzione perpendicolare a quella di propagazione (vibrazione di una corda).perpendicolare a quella di propagazione (vibrazione di una corda).


Oss: solamente nei mezzi solidi possono instaurarsi entrambi i tipi di onde, in quanto presentano sia elasticità di taglio sia elasticità di compressione (pertanto la propagazione nei solidi può risultare molto complessa).

8Grandezze fisiche di interesse

Quali sono le grandezze fisiche interessate dal fenomeno della propagazione?

Poiché le particelle (comunemente di aria) sono indotte ad oscillare nellaPoiché le particelle (comunemente di aria) sono indotte ad oscillare nella direzione di propagazione dell’onda:

• lo spostamento dalla loro posizione di equilibrio e la velocità con cui avviene tale spostamento (velocità di particella).Oss: tale velocità è differente dalla velocità di propagazione!.

L’oscillazione avanti e indietro delle particelle induce variazioni di densità e quindi di pressione nelle regioni adiacenti (variazioni positive o


negative rispetto alla condizione di riposo), quindi:• la pressione (intesa come differenza rispetto alla pressione

statica, in aria la pressione atmosferica): pressione sonora o pressione acustica.Tale grandezza è quella che di fatto viene percepita dall’orecchio e misurata direttamente dagli strumenti di misura.

5

9Grandezze caratteristiche

Frequenza (f): numero di cicli completi nell’unità di tempo [1/s=Hz]Il campo uditivo uditivo dell’uomo varia da 20 Hz (il suono più bassoudibile) a 20 kHz (il più acuto).

1Periodo (T):inverso della frequenza [s]

Pressione (p minuscola): forza per unità di lunghezza [N/m^2=Pa]Se la pressione atmosferica è uguale a circa 105 kPa, la pressioneacustica corrispondente ad un suono udibile può variare da 20 mPa (la cosiddetta soglia uditiva) a 200 Pa (se ci si pone, per esempio, a 3 metri da un motore a reazione) E’ la tipica grandezza misurata in

fT 1

=


metri da un motore a reazione). E la tipica grandezza misurata in acustica.

Lo strumento di misura della pressione legata al suono deve quindiessere molto sensibile e coprire un notevole campo di misura

10Lunghezza d’onda, frequenza e numero d’onda

La propagazione dell’onda è funzione del tempo e dello spazio.Parametri caratteristici di un’onda sono:

pulsazione ω [rad/s]: variazione di fase nell’unità di tempo ω=2π/T;frequenza f [Hz]: numero di cicli al secondo f=1/T=ω/2π;q [ ] ;numero d’onda k [rad/m]: variazione di fase nell’unità di spazio k=ω/c;lunghezza d’onda λ [m]: distanza percorsa in un periodo λ=2π/k=c/f.


Esempi:Suono a 20 Hz ha una lunghezza d’onda di circa 17 m;Suono a 20.000 Hz ha una lunghezza d’onda di circa 0.017 m.

6

11Il suono e la percezione umana

Suono Onda sonora che propagafrequenza [Hz]

ampiezza [Pa]

fase [rad]

Orecchio umano percepisce suoni con frequenza comprese approssimativamente tra 20 Hz e 20 kHz.


I suoni con frequenza inferiore a 20 Hz sono chiamati infrasuoni, quelli con frequenza superiore a 20 kHz sono definiti ultrasuoni.


Lunghezza d’onda (λ) : [m]frequenza

el suonocelerità dλ =

Celerità del suono nell’aria: 344 m/s

Lunghezza d’onda [m]Lunghezza d’onda [m]


Frequenza [Hz]Frequenza [Hz]1010 2020 5050 100100 200200 500500 10001000 50005000

2020 1010 55 22 11 0,50,5 0,20,2 0,10,1 0,050,05

7


L’entità che vibrando mette in movimento il mezzo in cui è inserita eL entità che vibrando mette in movimento il mezzo in cui è inserita e genera il suono è detta SORGENTE SONORA; tale sorgente ècaratterizzata una potenza sonora emessa, espressa in watt. Di conseguenza il suono trasferisce un’ENERGIA.

Potenza P(maiuscola) : energia emessa nell’unità di tempo [J/s=W]


14Grandezze fondamentali

Propagazione delle onde sonore comporta un trasferimento di energia meccanica da particella a particella, da elemento di volume a elemento di volume del mezzo di propagazione.

Qualunque sia la sorgente che genera l’onda sonora, la legge di conservazione dell’energia impone che in ogni istante tutta l’energia generata dalla sorgente possa essere ritrovata all’interno del sistema acustico generato, al netto delle eventuali perdite. Si deve inoltre poter stabilire come e quanta energia fluisce nel tempo da una parte all’altra dello stesso sistema.

Sistema acusticoSistema acustico


Grandezze fisiche che forniscono questa informazione sono:intensità e densità di energia, oltre alla potenza che caratterizza intrinsecamente la sorgente di suono.

sorgentesorgenteSistema acusticoSistema acustico

PerditePerdite

8

15

•Intensità sonora I è definita come la quantità di energia che fluisce, nell’unità di tempo, attraverso una superficie di area unitaria perpendicolare alla direzione di propagazione dell’onda.•L’unità di misura è W/m2.E’ possibile legare il valore di pressione misurata alla potenza della

Grandezze caratteristiche

sorgente per mezzo della grandezza IDurante un intervallo di tempo dt le particelle, sotto l’azione della forza F=p·A, vengono spostate di dx=u·dt. Il lavoro compiuto risulta pertanto uguale al prodotto F·dx=p·A·u·dt. L’energia trasferita al mezzo per un’unità di superficie nell’unità di tempo (pari all’intensità) è dunque pari a:


Intensità acustica (I): prodotto della pressione per la velocità dioscillazione delle particelle costituenti il mezzo elastico.

grandezza vettoriale!⎥⎦⎤

⎢⎣⎡=

supI 2m

W rr

16

Si può dimostrare che nel caso di propagazione in campo libero esiste una relazione tra pressione e velocità:


cup ρ=r Impedenza acustica del mezzo

Da cui è possibile derivare il legame tra intensità e pressione a partire dal parametro di impedenza acustica.

crmspupI ρ/)(2=⋅=rr


crmspupI ρ/)(=⋅=

9

17

Dalla definizione di intensità acustica ricaviamo l’energia irradiata nell’unità di tempo dalla sorgente, che rappresenta la sua potenza sonora W :


∫=S

sdIW rr

Si ottiene immaginando che tutta l’energia sonora che fluisce nel mezzo sia prodotta da una sola, ben definita sorgente. L’unità di misura è W.Per il caso di semplice sorgente puntiforme e omnidirezionale, ipotizzando che la sorgente irradi uniformemente in tutte le direzioni e considerando una superficie S sferica di raggio r:

22 24 4 pW I


Dalla formula precedente si deduce come la pressione sonora (e quindi il rumore percepito) si attenui allontanandosi dalla sorgente.

2 2

0

4 4SpW r I r

cπ π

ρ= =

18Il decibel

La minima variazione di pressione effettiva udibile alla frequenza di riferimento di 1000 Hz è di 2*10-5 Pa. In corrispondenza, per ρc=400 kg/m2s, corrisponde un’intensità sonora di 10-12 W/m^2

Il valore massimo della scala acustica viene determinato pari al valore in cui la sensazione sonora si trasforma in dolore; questo limite si aggira su 63.25 Pa; per ρc=400 (kg/m2 s) ad esso corrisponde un’intensità sonora di 10 W/m2

Ne consegue un’enorme campo di variabilità:

5min

max 316250010*525.63

== −pp


numeri difficilmente utilizzabili …

1312

min

max

min

1010

10== −I

Ip

10

19Il decibel

La sensazione uditiva è proporzionale all’intensità I, cioè a p2/ ρc

Una sensazione preesistente condiziona la percezione di uno stimolo che si sovrappone, quindi uso Log (p2/ ρc)

Lo zero è p0=2*10-5 Pa, quindi:Bel = Log (p2/p0

2)dB = 10 Log (p2/p0

2)


20


11

Il Decibel - decadi ed ottave 21

Decade

10.0

2 5

0.0

2.5

5.0

7.5

-10.0

-7.5

-5.0

-2.5

1000.1 1 1010.0

2 5

5.0

7.5


Ottava

-10.0

-7.5

-5.0

-2.5

0.0

2.5

81 2 4

Rappresentazione logaritmica 22

468

1012

Lineare

-202

0 0.1 0.2 0.3

10


0.1

1

0 0.1 0.2 0.3

Logaritmica

12

23Livello di pressione sonora

Nell’esprimere il livello di pressione sonora, o Sound Pressure Level (SPL), poiché la definizione di dB si riferisce al rapporto tra grandezze proporzionali all’energia o alla potenza, occorre considerare il quadrato delle pressioni.

2

20 0

10log 20log ) (pp pL dBp p

= =dove il valore di riferimento della pressione sonora p0 è per convenzione 20x1020x10--66PaPa (cioè 20 20 μ μPaPa, soglia uditiva umana media alla freq. 1 kHz).

N.B.: sia p che p0 vanno intesi come valori efficaci.


210log 94 ( ) pL p dB= +Si può anche scrivere:

Esempio:pressione sonora di valore efficace 2.52 Pa corrisponde a 102 dB (10log2.522+94).

24

Sound Pressure LevelSound Pressure Level


Courtesy Bruel&Kjaer

13

25Livello di potenza sonora e di intensità sonoraAnalogamente si possono definire il livello di potenza sonora e di

intensità sonora come:

10log )(WL dB= dove la potenza sonora di riferimento W0 è per 0

10log ) (WL dBW

p 0 pconvenzione 1010--1212WW (cioè 1 1 pWpW).

Si può scrivere: 10log 120 ( )10log 120 ( )

W

I

L W dBL I dB

= += +

0

10 log ( ) IIL dBI

= dove l’intensità sonora di riferimento I0 è per convenzione 1010--1212W/mW/m22.


g ( )I

Esempio:Il livello di intensità sonora a 10 m da una sorgente che irradia uniformemente in tutte le direzioni una potenza sonora di 0,1 W è:

55 2

2 12

0,1 7,95 107,95 10 / 10log 794 4 100 10

IWI W m L dB

rπ π

−−

−

×= = = × ⇒ = =

26Corrispondenza pressione [Pa] → Sound Pressure Level [dB]

Corrispondenza:potenza [W] → Livello potenza[dB]


Livelli di potenze di alcune sorgenti

14

Valori RMS 27

Spesso è più utile considerare il valore della pressione sonora in termini di RMSdella pressione sonora in termini di RMS, o valore quadratico medio.

L’RMS ha il significato di contenuto energetico medio del segnale


Valori RMS 28

Per un segnale armonico non ha senso definire un valore medio (sarebbe zero). Si ragiona per analogia con il caso elettrico, ove la potenza vale P V2/R La poten a media risponde d nq e allaP=V2/R. La potenza media risponde dunque alla seguente definizione in cui si opera l’integrazione e si divide per T:

( )[ ]R

VdttVTR

P rmsTt

tavg

22 11 0

0

=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫

+

( )[ ] ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫

+Tt

trms dttV

TV

0

0

1 2


Per analogia, nel caso delle pressioni

( )[ ] ⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫

+Tt

trms dttp

Tp

0

0

1 2

15

• Una tensione AC con un assegnato RMS produce lo stesso riscaldamento (ha la stessa potenza media) di una tensione DC con lo t l RMS

Valori RMS

stesso valore RMS. • Tutte le tensioni delle seguenti forme d’onda hanno lo stesso valore RMS e dovrebbero produrre 1.000 VAC su un indicatore RMS:

1.414 v 1.733 v1 v 1 v

1


WaveformVpeakVrms

Sine1.4141

Triangle1.7331

DC11

Square11

30SPL ESEMPIO (due o più sorgenti sonore)(SPL=Livello della pressione sonora)

SPL = 50 dB1 sorgente:

+ SPL = ? dB

SPL (50 dB + 50 dB) ≠ 100 dB !

2 sorgenti:

Livello totale dato dalle due sorgenti contemporaneamente in funzione:


p

dBdBp

ppLogSPLo

3505310 2

22

21

10 +==+

=

16


20

21

101 10ppLogSPL =

2p

1020

21

1

10SPL

pp ⋅=

222SPL

20

2102 10

ppLogSPL = 102

022 10pp ⋅=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+=+= 10102

022

21

221

1010SPLSPL

tot pppp


⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+== 1010

1020

2

10

21

10101010SPLSPL

tottot Log

ppLogSPL


SPL = 50 dB SPL = 80 dB

+ SPL = ? dB

SPL (50 dB + 80 dB) ≠ 130 dB

livello totale dato dalle due sorgenti contemporaneamente in funzione:

2 sorgenti:


livello totale dato dalle due sorgenti contemporaneamente in funzione:

dBp

ppLogSPL 0043,8010 20

22

21

10 =+

=

17

33Differenza di livelli sonori

ESEMPIOrumore totale: LT=60 dB

rumore di fondo: LF=53 dBΔΔLLNN dBdB

rumore di fondo: LF 53 dB

rumore macchina = ? dB

LT - LF = 7 dB

dal grafico si ricava:1 dB22

334455

6677


rumore della macchina:60 - 1 = 59 dB

1122

11 22 33 44 55 66 77LLTT -- LLFF


34Somma di livelli sonori

ESEMPIOrumore macchina 1: L1=82 dB

rumore macchina 2: L =85 dB

ΔΔL dBL dB

22

33

1,71,7

rumore macchina 2: L2=85 dB

rumore totale = ? dB

L2 - L1 = 3 dB

dal grafico si ricava:1,7 dB


11

00 55 1010 1515LL22 -- LL11

33

,

rumore totale:85 + 1,7 = 86,7 dB


18

35Livello di pressione sonora SPL

Soglia del doloreSoglia del dolore130130

La sensibilità

dell’orecchio umano è

funzione del livello di

pressione sonora e della

frequenza

gamma udibilegamma udibile

musicamusica

parlatoparlato


Soglia dell’uditoSoglia dell’udito2020 20 K20 K

1010


36Frequenza


Courtesy 01dB

19

37

In acustica applicata si usano frequenze normalizzate per facilitare il confronto tra misure fatte con strumenti diversi.

Frequenza

Queste frequenze sono definite prendendo intervalli successivi posti superiormente o inferiormente alla frequenza di riferimento (1000 Hz). Ogni banda di frequenza normalizzata è individuata dal suo centro di frequenza e dalla larghezza di banda.


38

La International Standards Organization (ISO) ha definito tre diverse larghezze di banda da preferire rispetto ad altre e cioè quello di ottava, di un terzo d'ottava e di mezza ottava. Per ragioni di praticità i valori delle frequenze centrali sono spesso arrotondati a numeri interi.

Frequenza


20

39

Gli estremi ed il valore centrale di ciascuna banda sono così determinati:

1f 2fcf

Frequenza

Banda con frequenza centrale 1000:

cfff =2112 2 ff =


Hzfff c 100022 12

1 ===12 2 ff =

HzHzf 7072

10001 ≈= HzHzf 1414707*22 ==

40Ottave e frazioni di ottave


21

41Filtri

I filtri servono sia per isolare il contenuto di una certa banda, eliminando le altre, sia anche per cercare di “imitare” il comportamento dell’orecchio umano che, nei confronti del suono, si comporta da filtro o da amplificatore, con dirette conseguenze sulla sensazione di disturbo da rumore. Pur essendo questa una sensazione soggettiva, si cerca di oggettivarla.


Courtesy 01dB

42Curve di uguali sensazione sonora (ISOFONICHE)

130130

SPL dBSPL dB

130130110110

9090

7070

5050

130130

110110

9090

7070

5050


30301010

30301010

5050 1 k1 k 20 k20 k5 k5 k200200Frequenza [Hz]Frequenza [Hz]


22

43Curve di PONDERAZIONE

SPL dBSPL dB

1010 DD

Curva A:- simula la sensazionedell’orecchio

- utilizzata anche per le00

--1010--2020--3030--40405050 AA

BB

DD

CCAA

B + CB + C

pvalutazioni di legge

- ponderazione = 0 dB perfrequenza = 1000 Hz

Curva D:rumore degli aerei


--5050--6060

AA

2020 10001000Frequenza [Hz]Frequenza [Hz]

orecchioorecchioF.T.F.T.

suonosuono sensazionesensazione



LA o L(A) espresso in dB(A)


LA o L(A) espresso in dB(A)

23



Courtesy 01dB

46Analisi spettrale

Quindi gli strumenti per l’analisi del suono sono analizzatori di spettro, che eseguono spettri in ottave o in terzi di ottave o in dodicesimi di ottava. Ciascuna banda (ottenuta con un filtro passa banda) viene ulteriormente filtrata (in ampiezza, curve di ponderazione), per produrre lo spettro normalizzato


24

47

SENSAZIONE DI DISTURBO LEGATA A:

I t ità

Analisi spettrale

Intensità sonora

Spettro (timbro: i toni puri in generale sono più fastidiosi)

Continuità o intermittenza

Attività delle persone

Periodo della giornata

Att i t i di id l


Atteggiamento individuale

48Analisi spettrale


Courtesy 01dB

25

49Analisi spettrale

DIFFERENZA TRA L’ANALISI IN OTTAVE E QUELLA A BANDA STRETTA (10 Hz)


Courtesy 01dB

50

In acustica applicata si utilizzano spesso dei segnali di prova come:

TONI PURI segnale armonico;

RUMORE BIANCO rumore casuale che ha livello costante lungo

Segnali prova

RUMORE BIANCO, rumore casuale che ha livello costante lungo tutto lo spettro delle frequenze. Conseguentemente a questa definizione il suo livello di banda aumenta di 3 dB per ogni ottava successiva;


Courtesy 01dB

26

51

RUMORE ROSA, segnale di rumore il cui livello spettrale decresce di 3 dB per ogni ottava successiva, per cui il suo livello di banda rimane costante per ogni ottava lungo lo spettro di frequenze;

Segnali prova


Courtesy 01dB

52

TRASDUTTORITRASDUTTORITRASDUTTORITRASDUTTORIEE

STRUMENTISTRUMENTIDI MISURADI MISURA


DI MISURADI MISURA

27

53Strumenti di misura

Grandezza di interesse fisico è la pressione sonorapressione sonora, che è praticamente ciò che agisce sulla membrana timpanica dell’orecchio.

Quindi si ha la necessità di avere strumenti di misura per misurare l’infinitesima perturbazione dinamica che la propagazione dell’ondal infinitesima perturbazione dinamica che la propagazione dell onda apporta alla pressione statica a riposo nel mezzo.

Trasduttore per la misura della pressione sonora è il microfonomicrofono.

Poi naturalmente interessa determinare frequenza, fase, relazioni i h di t ib i i l t l li


armoniche, distribuzione spaziale e temporale, o ancora applicare operazioni di calcolo per derivarne parametri o indici più complessi, o altre grandezze fisiche come intensità, potenza, e densità di energia sonora.

54Microfoni

MicrofoniPressione acustica[Pa]

Tensione[V]


28

55Principi di funzionamento

Differenti principi di funzionamento (trasformazione di una grandezza acustica [Pa] in una grandezza elettrica corrispondente [V]):

Moto di un conduttore in un campo magnetico ⇒ microfoni magnetodinamici;magnetodinamici;

Variazioni di capacità ⇒ microfoni a condensatore o a elettrete;

Fenomeni piezoelettrici ⇒ microfoni piezoelettrici.

I microfoni di misura sono in genere a condensatore.

prepolarizzato: campo elettrico (carica elettrica) è


permanentemente presente nel materiale, denominato elettrete;

a polarizzazione separata: campo elettrico creato da una differenza di potenziale fornita dall’esterno (sono più pregiati).

56Microfoni

Piezoelettrico:

Cristallo di quarzoCristallo di quarzo

p

Detti anche a cristallo, sfruttano l’omonimo “principio piezoelettrico”: alcuni materiali, come il quarzo, se sottoposti a sollecitazioni meccaniche generano un potenziale elettrico. La misura di tale tensione è sfruttata per stimare la pressione incidente


VΔ

la pressione incidente.

29

57Microfoni

Elettrodinamico:

diaframmadiaframma

magnete permanentemagnete permanente

bobinabobina


58Microfoni

Capacitivo:

Condensatore ad ariaformato dal diaframma e dal contropiattop

Condensatore polarizzatotramite una carica sulcontropiatto

La pressione sonora favibrare il diaframma

varia la capacità del


varia la capacità delcondensatore

tensione in uscita


30

59Microfoni

Capacitivo:

fori di compensazionefori di compensazione

AMP.AMP.diaframmadiaframma

fori di compensazionefori di compensazione


gap d gap d ≈≈ 0,0025 mm0,0025 mm

100 100 -- 300 V cc300 V cc

60Microfoni

Capacitivo:

cctt + + ΔΔc(t)c(t) cccc

ccssRRccEEoo

RRii ccii v(t)v(t)pressionepressione

sonorasonora

∆c(t): variazione di capacità dovuta alla pressione sonoracs: capacità parassita


Rc: resistenza dell’alimentatorecc: capacità di accoppiamentoRi: resistenza di ingresso del preamplificatoreci: capacità di ingresso del preamplificatore

31

61Microfoni

Capacitivo, circuito equivalente:

cctt

v(t)v(t)ccii RRvv tt cc tt EEccoo oo

tt(( )) (( ))== ⋅⋅ΔΔ

dove:


RR RR RRRR RR

cc iicc ii

== ++ vv cc EEcc

jj RcRcjj RcRc

oott

tt

tt(t(t)) (t(t))

==⋅⋅

⋅⋅++

ΔΔ ωωωω11

62Microfoni

Caratteristiche dei microfoni:

Sensibilità a circuito aperto

valore tipico: 50 mV/Pa

sonora pressioneuscitad' tensioneàSensibilit =


32

63Microfoni a condensatore

Costituito da due elettrodi (uno fisso, controelettrodo, ed uno mobile, membrana).Tipica distanza tra membrana e controelettrodo è

t i 15 i 30compresa tra i 15 e i 30 µm.Spessori tipici della membrana tra 1.5 e 8 µm.

Principio di funzionamento: pressione acustica avvicina o allontana la membrana del controelettrodo, variando la capacità del condensatore: poiché la carica a circuito aperto

1. Pressione sonora [Pa]2. Membrana3. Controelettrodo4 Condensatore


poiché la carica a circuito aperto rimane costante si genera una tensione che per piccoli spostamenti della membrana è proporzionale alla pressione acustica che agisce su di essa.

4. Condensatore5. Resistenza6. Segnale in uscita [V]

64Caratteristiche di un microfono

Prestazioni di un microfono dipendono dalle seguenti caratteristiche:• sensibilità (sensitivity): mV generati per 1 Pa;

la sensibilità viene definita ad una specifica frequenza di riferimento

• rumore di fondo: rumore generato in assenza di pressione acustica;rumore di fondo: rumore generato in assenza di pressione acustica;espresso in mV (Pa equivalenti) o in dB, dipende dal sistema microfono+preamplificatore

• risposta in frequenza (frequency response): variazione della sensibilità e della fase con la frequenza (dalla risposta in frequenza si definisce la banda passante);

• direttività: variazione della sensibilità con l’angolo di incidenza della fonte di rumore;

massimo li ello di pressione sonora mis rabile (prima


• massimo livello di pressione sonora misurabile (prima dell’insorgere di distorsioni o danni al microfono);

• campo dinamico (dynamic range): differenza tra il massimo livello di pressione sonora misurabile e il livello equivalente del rumore di fondo.

Oss: le caratteristiche del microfono dipendono dal campo in cui è immerso.

33

65Data-sheet

sensibilità


66Direttività


34

67Tipologie di microfoni

Microfoni di misura sono progettati per presentare una risposta in frequenza linerare con sensibilità costante in una delle possibili condizioni di utilizzo:

• free field: campo libero con fronte d’onda piano (spazio libero, p p ( p ,camera anecoica);

• random incidence: campo diffuso (camera riverbarante);• pressure: in pressione, per misure in accoppiatore o in specifici

apparati di misura.

free field random incidence

Microfono free field influenza il campo sonoro in cui è inserito, ma è costruito per compensare tale influenza.

Microfono in pressione, se usato in campo libero,


free field

pressure

p , p ,deve essere orientato a 90° rispetto alla direzione di propagazione in modo che il suono non incida direttamente sul microfono.

Microfono per campo diffuso è progettato per rispondere uniformemente a onde provenienti da tutte le direzioni simultaneamente. Se usato in campo libero deve essere orientato a circa 70°-80°.

68Definizione di campo

Tre condizioni limite:• campo libero (free-field): senza riflessioni (ad es. spazio

completamente aperto, camera anecoica). Dalla sorgente si propaga un fronte d’onda progressivo, che per grandi distanze () diventa piano;p

• campo diffuso (diffuse field): le onde di pressione che si propagano dalla sorgente vengono riflesse dalle pareti e creano un campo sonoro in cui la provenienza delle onde è casuale (es. camera riverberante).

• campo di pressione (pressure field): pressione sonora ha la stessa ampiezza e fase in ogni posizione all’interno del campo.


camera anecoica camera riverberante

35

69

Risposta del microfono (ottenuta con calibratore

elettrostatico che produce una forza che simula dunque la pressione

ll b )sonora sulla membrana)


70Utilizzo dei microfoni

free field microphone pressure microphone


random incidence microphone

36

71Design meccanico

griglia protettiva

membrana

controelettrodo


isolatore

contatto centrale

72Microfoni da 1” – 1/2’’ – 1/4’’ – 1/8’’

Microfono inserito nel campo sonoro genera effetto di carico sul campo stesso, modificandolo (effetti di diffrazione). A partire dalle frequenze per cui λ comparabile con le sue dimensioni, la pressione acustica sulla membrana non è più uniforme.

Per diminuire diffrazione si costruiscono microfoni più piccoli (che però sono meno sensibili in quanto intercettano minore energia sonora rispetto a quelli di area maggiore).

Parte della sensibilità viene recuperata diminuendo peso e tensione della


diminuendo peso e tensione della membrana, aumentandone quindi la deflessione a parità di pressione applicata.

37

73


Dimesioni Sensibilità(mV/Pa)

Freq. max(Hz)

Livello max per 3%di distorsione (dB)

1'' 50 10 140-1501/2'' 10-50 16-40 140-1601/4'' 1-4 70-100 165-180

74Preamplificatore

Segnale elettrico del microfono viene amplificato dal preamplificatore.

Questo deve essere messo molto vicino al microfono, poiché deve trasformare alta impedenza di uscita del microfono in bassa impedenza, per permettere di trasportare il segnale su


lunghi cavi.

38

75Classi di precisione e normative

Le norme prevedono quattro classi di precisione per gli strumenti di misura.

– Classe 0: strumenti di riferimentoClasse 0: strumenti di riferimento.Si usano per tarare gli altri strumenti. Devono garantire accuratezza di 0,3 dB.

– Classe 1: strumenti di precisione.Garantiscono accuratezza di 0,7 dB. Utilizzati in laboratorio e per misure di precisione sul campo.

– Classe 2: strumenti industriali.Garantiscono linearità in ampiezza di 1 dB. Usati per misure sul campo di uso generale


campo di uso generale.– Classe 3: strumenti di sorveglianza.

La legge italiana prescrive che tutte le misure, per essere legalmente riconosciute, vengano effettuate con trasduttori in classe 1.

76Microfoni

PIEZOELETTRICIELETTRODINAMICICAPACITIVI


39

77Microfoni

La sensibilità è tanto più elevata quanto più grande è la superficie dellamembrana esposta all’onda sonora


78Microfoni

All’aumentare del diametro della membrana, però, si ha una riduzione del range di frequenza di utilizzo

[Hz]2 10 k

[Hz]4 40 k

1’’

1/2’’


Normalmente i fonometri hanno microfoni da 1/2”

[Hz]6 100 k1/4’’

40

79Microfoni


Risposta in frequenza: è la gamma entro

risposta in pressionedell’attuatore elettrostatico+5

0

[dB]

è la gamma entrocui il microfono garantisce una sensibilità costante

sensibilità di riferimento a 0 dB

attuatore elettrostasico

0

-5

-10

-15[Hz][Hz]

20 50 200 20 k


microfono

20 50 200 20 k

80Microfoni


Taglio alle basse frequenze:è la frequenza più bassa alla quale il microfono rispondeè la frequenza più bassa alla quale il microfono risponde(solitamente 3 Hz)(solitamente 3 Hz)

Taglio alle alte frequenzeTaglio alle alte frequenze::è la frequenza alla quale la curva di risposta in frequenza decresceè la frequenza alla quale la curva di risposta in frequenza decrescedi 2 dB rispetto alla linea di riferimento di 0 dBdi 2 dB rispetto alla linea di riferimento di 0 dB


di 2 dB rispetto alla linea di riferimento di 0 dBdi 2 dB rispetto alla linea di riferimento di 0 dB

41

81Microfoni

Tipi di microfoni:

microfono con risposta in campo libero: utilizzato per le p p papplicazioni dove il suono proviene da una direzione;

microfono con incidenza casuale: risponde in modo uniforme alsegnale in arrivo da tutte le direzioni

microfono con risposta in pressione: utilizzato per misure dilivello di pressione sonora incidente su una superficie


p p(misure su pareti o in cavità)

82Microfoni

Tipi di microfoni

Errori se il microfono viene tili t ti di i dBdButilizzato per un tipo di misura

diverso da quello per cui è stato realizzato:

dBdB

+5+5

00

risposta in campo liberorisposta in campo libero

risposta in pressionerisposta in pressione


--55 risposta a incidenza casualerisposta a incidenza casuale

HzHz5050 50005000

42

83


84Fonometro

E’ lo strumento che misura il livello di pressione sonora

display

microfono(trasduttore di

pressione)

suonopreamp.

rivelatoreRMS

integratoreamp.

SPLSPL LeqLeq


pressione)curve di

ponderazione

43

85Fonometro

Curve di ponderazione:

è un circuito elettronico di ponderazione realizzato mediante un filtro con funzione di trasferimento corrispondente ad una delle curve di


ponderazione

86Fonometro

RMS ( t ) ⎟⎞

⎜⎛

∫t

dttpLRMS2 )(120RMS (root mean square):

⎟⎟⎠

⎜⎜⎝

= ∫−tdt

ppLogRMS

ττ 20

10)(20

Costanti di tempo :Slow: = 1 s

consente di evitare le oscillazioni rapide dell'indicatore nei casi in cui il suono misurato fluttua continuamente e bruscamente: si effettua quindi, più o meno, una media temporale del livello di rumore

Fast = 125 msτ

τ


Fast 125 mssimile all’orecchio umano

Impulse

reagisce rapidamente e mantiene l’indicazione per un certo periodo

⎩⎨⎧

−≤=

discesa dB/s 3salita ms 35

τ

44

87Fonometro

Affinché i misuratori di livello sonoro abbiano una risposta temporale simile a quella dell'orecchio umano, il rivelatore rms viene corredato con diverse costanti di tempo di integrazione o ponderazioni temporali: "Fast" F, che corrisponde ad una constante di integrazione temporale di 125 ms "Slow" S che corrisponde ad un tempo ditemporale di 125 ms. Slow S, che corrisponde ad un tempo di integrazione di 1 secondo (ciò consente di evitare le oscillazioni rapide dell'indicatore nei casi in cui il suono misurato fluttua continuamente e bruscamente: si effettua quindi, più o meno, una media temporale del livello di rumore).

"Impulse" I che si utilizza per rumori di tipo impulsivo ed ha una costante di tempo di 35 ms nella fase di crescita del segnale e di


1500 ms nella fase di caduta (il rivelatore reagisce rapidamente ad un istantaneo aumento di livello sonoro e mostra il valore corrispondente per un tempo lungo abbastanza per essere letto). I misuratori di livello sonoro possono anche contenere un rivelatore di livello massimo che registra il massimo valore rilevato per poi essere letto sul display.

88Fonometro

Si ricorda che dal quadrato della pressione efficace si ricava anche l’intensità acustica. Infatti la potenza è un flusso di energia nel tempo. L’energia è associata al lavoro prodotto dalla pressione acustica. Ma Forza ∝ pressione e spostamento ∝ pressione, quindi ecco spiegata la relazione iniziale.


45

89Fonometro

Rumore continuo

Rumore intermittente

Sono assai diversi: come li posso confrontare?

Il Leq corrisponde a un rumore continuo che ha la stessa energia, ponderata A del rumore considerato e si misura su un periodo di

Il livello sonoro istantaneo ponderato A non fornisce le necessarie informazioni. Si preferisce utilizzare il livello medio di energia o livello di pressione sonora continuo equivalente (Leq).


p ptempo T, determinato sulla base delle fluttuazioni temporali del livello ponderato A, ottenute con la risposta veloce fast di un misuratore di livello sonoro.

90Fonometro

Livello equivalente (Leq):Livello equivalente (Leq):

Rappresenta il livello di pressione costante avente lo stesso

∫=t

eq dtp

tpT

LogL0 2

0

2

10)(110


Rappresenta il livello di pressione costante avente lo stesso contenuto energetico del rumore reale misurato nello stesso intervallo di tempo.

46

91Fonometro

Leq

Traffico:

Martellate:


Leq

92Fonometro

Altra grandezza fornita dai fonometri è il livello di esposizione sonora:

⎤⎡

R t il li ll h t t t t d

sT

dtp

tpT

SELT

rif

1

)(1log10

0

2

0

=

⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢

⎣

⎡

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛= ∫


Rappresenta il livello che se mantenuto costante per un secondo avrebbe lo stesso contenuto energetico del rumore reale misurato

47

93Fonometro

SEL: livello medio di energia che si ottiene riportando al tempo di riferimento di un secondo tutta l'energia misurata, qualunque sia stata la durata effettiva della misura. Se si valuta il Leq, l'integrazione è q geffettuata su un periodo di tempo T = t2 - t1, Questa viene poi divisa per un tempo di riferimento di 1 secondo invece che per T.

TLSEL eq 10log10+=


94Fonometro

Display:

SPL dB (A): se ponderato con la curva “A”

In alcuni casi è possibile avere anche una

Uscita:


In alcuni casi è possibile avere anche una uscita in tensione che può essere registrata

48

95Fonometro

Taratura del fonometro: controllo dello stato di funzionamento del fonometro per confronto con un segnale campione.

Il calibratore viene applicato al fonometro in prossimità del microfono e fornisce un segnale acustico di riferimento stabile ad una determinata frequenza e con ampiezza definita.

La calibrazione deve essere eseguita prima e dopo ogni serie di


misure con differenze riscontrate minori di 0,5 dB

96Fonometro

Taratura del fonometro

Campioni internazionali

Sistema Nazionale di Taratura (S.N.T.):Istituto Elettronico Nazionale “G. Ferraris” come

centro primario di taratura

Servizio Italiano di Taratura (S.I.T.):laboratori secondari di taratura


Fonometri tarati

49

97Fonometro

Verifica di taratura sul campo

Viene effettuata mediante il pistofono che fornisce una pressione sonora di 94 dB a 1000 Hz con una accuratezza di ± 0.1 dB


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