La Fisica di suoni e rumori
a cura di Luca Del Bo, bioingegnere presso
Del Bo Tecnologia per l’Ascolto

Cos’è il suono?

Il suono può essere definito come una variazione della pressione udibile dall’orecchio umano. Il suono si muove con un movimento di particelle (onda sonora) simile al movimento delle onde sulla superficie dell’acqua che di fatto sposta di molto poco l’acqua. A seconda del tipo di mezzo in cui si muove, il suono si propaga a diverse velocità. In aria, ha una velocità di circa 340 m/s, mentre la velocità di propagazione nell’acqua è di 1500 m/s e 5000 m/s nell’acciaio.

Che è il decibel?

Le variazioni di pressione sonora si misurano, come la pressione atmosferica, in frazioni di Pascal; le pressioni sonore udibili sono molto piccole e sono comprese tra i circa 20 Pa (pari a 20x10-6 Pa) e 100Pa.
Il valore di 20 Pa corrispondono alla soglia di udito normale. Una pressione sonora 1 milione di volte più forte della soglia uditiva (100Pa) è tale da provocare dolore (soglia del dolore).
Da cio si comprende come tra soglia uditiva e soglia del massimo dolore ci siano numeri assai poco utilizzabili (da 1 a 1 milione!). Quindi è sicuramente più pratico esprimere i livelli del suono come un rapporto logaritmico tra il valore misurato e il valore di riferimento. Questo rapporto logaritmico è chiamato decibel o dB. Quindi 0dB ( 20 Pa) corrispondono alla soglia di udibilità, 130 dB (circa 100 Pa) sono la soglia del dolore.

E gli Hz cosa sono?

Il suono è una variazione di pressione che può essere percepita dall’orecchio umano. Il secondo parametro dopo il dB che definisce il suono è la sua frequenza misurata in Hertz (Hz). L’udito normale di una persona giovane ed in buona salute rientra in una gamma da circa 20Hz (suono grave) a 20000Hz (20kHz pari ad un fischio acutissimo).
In termini di livello di pressione sonora, la gamma udibile è compresa tra la soglia di udibilità a 0dB e la soglia del dolore a 130dB. Se un aumento di 6dB significa un raddoppiamento della pressione sonora, si richiede almeno un incremento di 8-10dB, prima che il suono sia percepito oggettivamente più forte. Similmente la variazione più piccola percepibile dall’orecchio è di circa 1dB.

Strumentazione e Metodologia per la Misura del Rumore

La misura dei suoni e dei rumori viene effettuata con metodologie e strumenti differenti in relazione ai risultati che si desidera conseguire. Del suono, infatti, è possibile eseguire un’analisi quantitativa per mezzo di uno strumento chiamato fonometro o un’analisi qualitativa con l’ausilio di un analizzatore di spettro. Come analisi quantitativa si intende la misura del livello sonoro globale ottenuta sommando l’apporto di tutte le frequenze udibili tramite un’eventuale filtro di pesatura. Con l’analisi qualitativa è invece possibile valutare le singole componenti del suono che viene in questo caso scomposto dall’analizzatore di spettro in ottave o frazioni di ottava.

Misuratori di livello sonoro

Il misuratore di livello sonoro o fonometro è lo strumento base per le indagini acustiche. Lo schema a blocchi del fonometro è composto da un microfono che trasforma le onde di pressione sonora in segnale elettrico, da un amplificatore, che aumenta il livello del segnale in uscita dal microfono, da una rete di ponderazione per eventuali pesature del segnale sonoro in ingresso, da un attenuatore tarato in decibel e da un sistema indicatore comprensivo del dispositivo RMS per la visualizzazione numerica del livello sonoro misurato.
La caratteristica principale di un microfono da misura è la linearità della risposta in frequenza, la capacità cioè di trasdurre con uguale sensibilità segnali sonori compresi tra 16 e 20.000Hz.
Un altro parametro del microfono è la direttività che consente di attenuare gli stimoli sonori provenienti da posizioni diverse da quella frontale. La direttività varia in funzione della frequenza del segnale sonoro.
L’amplificatore deve amplificare il segnale in uscita dal microfono senza alterarne in alcun modo le caratteristiche; inoltre deve mantenere costante il livello di amplificazione, condizione indispensabile per la precisione e la stabilità di misura nel tempo. Il rumore generato dai circuiti di amplificazione deve risultare trascurabile rispetto al livello sonoro del segnale in esame.
Il segnale sonoro amplificato viene quindi inviato alla rete di ponderazione che provvede ad assegnare valori di pesatura differenti in funzione della composizione spettrale del segnale sonoro. La curva di ponderazione più diffusa è la A, seguita dalla B e infine dalla C. Le misure ponderate vengono indicate dalla lettera relativa tra parentesi (es dB(A)). Il livello sonoro viene visualizzato dall’indicatore che può essere di tipo tradizionale a lancetta o a indicatore numerico. La misura in dB è espressa in funzione della pressione sonora di riferimento pari a 20 Pa. normalmente gli indicatori sono dotati di tre costanti di tempo e misura: la costante “veloce” pari ad 1/8 secondi, la costante “lenta” pari ad 1 secondo e la costante “impulso” per la lettura di segnali sonori di tipo impulsivo o comunque rapidamente variabili. Nelle indagini fonometriche viene di norma impiegata la costante di tempo “veloce”. I fonometri possono essere dotati di integratore in grado di sommare (integrare) la pressione sonora captata dal microfono per poi dividerla per il tempo di misura stesso; in altre parole l’integratore effettua una media dei livelli sonori nell’intervallo di tempo. in questo caso la misura viene espressa in dB di Livello equivalente (Leq); il Leq viene correttamente impiegato nelle misure di rumore urbano per intervalli di tempo variabili dai pochi minuti all’ora e comunque in tutti i casi in cui sia necessario valutare i livelli sonori variabili nel tempo. Alla famiglia dei fonometri integratori appartengono pure i dosimetri, strumenti in grado di integrare i livelli sonori ricevuti su intervalli di 8 o più ore. Il dosimetro fornisce una misura in percentuale di esposizione al rumore riferita al livello giornaliero massimo ammesso dalle Legislazioni del Lavoro. Per questo motivo il dosimetro trova applicazione nel mondo del lavoro per la tutela uditiva di soggetti esposti professionalmente al rumore.

Analizzatori di Spettro Sonoro

Per mezzo degli analizzatori di spettro sonoro è possibile effettuare l’analisi in frequenza del suono. Di norma gli analizzatori di spettro sono costituiti da un fonometro e da una serie di filtri con larghezza di banda pari ad un’ottava o a frazioni di un’ottava. Tramite i filtri si esegue la scansione dell’intero spettro sonoro valutando i livelli sonori di ciascuna frequenza analizzata dai filtri; nelle analisi a ottave, per esempio si utilizzano 11 filtri con frequenza di controbanda compresa tra 16 e 16000Hz, per l’analisi a terzi d'ottava si effettuano invece con un numero triplo di filtri. La precisione di valutazione è funzione del numero di filtri impiegato, le analisi a terzi d'ottava garantiscono una precisione di misura maggiore di quelle a ottave, ma inferiore rispetto a quelle eseguite con filtri a dodicesimi di ottava.
Sia l'analisi in frequenza che la valutazione dei livelli sonori e le successive elaborazioni vengono eseguite da fonometri digitali classificati in classi in funzione della accuretezza di misura.