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3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro1 Acustica Applicata Angelo Farina Dip. di Ingegneria Industriale - Università di Parma Parco Area delle Scienze 181/A,

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1 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro1 Acustica Applicata Angelo Farina Dip. di Ingegneria Industriale - Università di Parma Parco Area delle Scienze 181/A, Parma – Italy

2 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro2 Sommario: Fenomeno sonoro (il suono, grandezze caratt., analisi in freq., ecc). Propagazione del suono in ambiente esterno. Acustica degli ambienti chiusi (campi riverberanti e semiriverb.). Caratteristiche acustiche dei materiali. Misura della pressione sonora. Misura potenza sonora.

3 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro3 Fenomeno sonoro

4 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro4 IL SUONO Il suono è generato dalla variazione di pressione in un mezzo materiale (fluido o solido) che si propaga senza trasporto di materia. Esso è caratterizzato da alcune grandezze fondamentali quali l'Ampiezza, la frequenza o il periodo di oscillazione, la lunghezza d'onda e la celerità di propagazione nel mezzo attraversato.

5 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro5 Fenomeno sonoro: generalità Il fenomeno sonoro è caratterizzato dalla propagazione di energia meccanica dovuta al rapido succedersi di compressioni ed espansioni di un mezzo elastico; tale energia, che ha origine in una sorgente sonora, si propaga nel mezzo stesso per onde con velocità finita. Perché il fenomeno nasca e si propaghi occorre dunque che esista: una sorgente sonora un mezzo elastico

6 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro6 Sorgente sonora (1): Sorgente sonora: superficie piana che si muove di moto armonico semplice ad una estremità di un condotto di lunghezza infinita nel quale si trova un mezzo elastico in quiete. Compressioni Rarefazioni

7 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro7 Sorgente sonora (2): Il moto armonico del pistone è caratterizzato dalla frequenza f con cui la superficie piana si muove. f = frequenza, numero di cicli compiuti dalla superficie piana in un secondo e viene espressa in hertz (Hz); T = periodo, tempo necessario a compiere un ciclo; = velocità angolare; Relazioni tra le varie grandezze: f = 1/T ed f = / 2 (Hz) Se la frequenza del fenomeno è compresa tra 20 e Hz, la perturbazione è percepita dallorecchio delluomo e si parlerà di fenomeno acustico o sonoro.

8 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro8 Sorgente sonora (3): La superficie del pistone si muove di moto armonico semplice: spostamento = s = s o cos( t), velocità = v = ds/dt = - s o sen ( t), accelerazione = a = dv/dt = - 2 s o cos( t), dove s o rappresenta il valore dello spostamento massimo della superficie del pistone.

9 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro9 Mezzo elastico: Le proprietà elastiche e la massa del mezzo elastico stabiliscono la velocità con cui la perturbazione si trasmette e la quantità di energia meccanica trasferita dalla sorgente nella unità di tempo (W).

10 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro10 Velocità di propagazione e lunghezza donda: La perturbazione, generata nel mezzo elastico dal movimento delle particelle a contatto con la superficie vibrante della sorgente, si propaga con una velocità c 0 che, nel caso dellaria secca e alla temperatura t (°C), vale: c 0 = t (m/s) la lunghezza donda, fissata la frequenza f del moto armonico della sorgente, dipende dal valore della velocità c 0 secondo la relazione: (m)

11 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro11 Legame frequenza-lunghezza donda: Allaumentare della frequenza si riduce la lunghezza donda della perturbazione sonora

12 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro12 Velocità di propagazione in mezzi diversi: Velocità del suono in acqua distillata Velocità del suono in mezzi diversi Velocità del suono in 20°C 340 m/s

13 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro13 Grandezze fisiche: Le grandezze fisiche più importanti che caratterizzano il fenomeno sonoro sono: Pressione sonora p Velocità delle particelle v Densità di energia sonora D Intensità sonora I Potenza sonora W

14 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro14 Pressione sonora, velocità ed impedenza Al passaggio dellonda sonora nel mezzo elastico si originano una sequenza di compressioni ed espansioni dello stesso, ciò implica una variazione della pressione ambiente rispetto al valore di equilibrio. Tali compressioni ed espansioni danno origine alla pressione acustica p che dipende dalla frequenza ed ampiezza del moto armonico della sorgente, dalle caratteristiche elastiche e dalla massa del mezzo acustico. Il legame tra la velocità delle particelle del mezzo elastico v e pressione acustica p vale: (kg/m 2 s) dove 0 è la densità del mezzo elastico ed il prodotto 0 c 0 è detta impedenza acustica (Z) dellonda piana (kg/m 2 s)(rayl).

15 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro15 Valore medio efficace (RMS) di p e v Quando la forma donda è complessa, diventa ambigua la definizione dellampiezza media del segnale da analizzare, e luso del valore istantaneo massimo non è rappresentativa della percezione umana. Si impiega allora il cosddetto Valore Medio Efficace o Valore RMS del segnale stesso:

16 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro16 Energia contenuta nel mezzo elastico: Nel caso di onde piane in un mezzo elastico non viscoso, lenergia per unità di volume o densità di energia sonora w trasferita al mezzo è esprimibile con la relazione: (J/m 3 ) dove u(t) è la velocità della superficie del pistone e, per onde piane in un mezzo non viscoso, anche delle particelle del mezzo. Unaltra espressione importante risulta (onde piane v=p/( 0 c 0 )) (J/m 3 ) essa correla una grandezza direttamente misurabile, come il valore efficacie della pressione sonora p eff, con lenergia trasmessa dalla sorgente nel mezzo.

17 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro17 Energia contenuta nel mezzo elastico: Nel caso di onde NON piane, o in presenza di onde stazionarie (che rimbalzano avanti ed indietro) lenergia non è mai tutta cinetica o tutta potenziale, ed occorre valutare separatamente, in ciascun punto e in ciascun istante, i due contributi e sommarli: (J/m 3 ) In generale, quindi, la valutazione corretta del contenuto energetico del campo sonoro richiede la simultanea ed indipendente misurazione sia della pressione sonora, sia della velocità delle particelle (che è un vettore con 3 componenti cartesiane).

18 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro18 Intensità sonora: LIntensità sonora I è il parametro di valutazione del flusso di energia che attraversa una determinata superficie. E definita come lenergia che nellunità di tempo attraversa, in direzione normale, una superficie unitaria (W/m 2 ). Lintensità è un parametro vettoriale definito da un modulo, una direzione ed un verso: Nel caso di onde piane, in un mezzo in quiete non viscoso, tra densità ed intensità di energia sonora, intercorre la relazione: I = D c 0 (W/m 2 )

19 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro19 Potenza sonora (1): Descrive la capacità di emissione sonora di una sorgente e viene misurata in Watt (W). La potenza non può essere misurata direttamente, ma richiede metodi particolari per la sua determinazione. La potenza sonora è un descrittore univoco di una sorgente sonora è, infatti, una quantità oggettiva indipendente dallambiente in cui la sorgente è posta.

20 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro20 Potenza sonora (2): Considerata una superficie chiusa S che racchiude una sorgente sonora, la potenza acustica W emessa dalla sorgente è data dallintegrale dellintensità sonora I sulla superficie considerata: Nel caso in cui la superficie chiusa S sia scomponibile in N superfici S i elementari, lespressione della potenza sonora diventa:

21 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro21 Livelli sonori – scala dei decibel (1): Cosa sono i decibel e perché si usano?: Le potenze e le intensità sonore associate ai fenomeni che lorecchio delluomo può percepire hanno unampia dinamica: 1 pW/m 2 (soglia delludibile) 1 W/m 2 (soglia del dolore) 20 Pa (soglia delludibile) 20 Pa (soglia del dolore) Per questo motivo si fa uso di una scala logaritmica, nella quale, al valore della grandezza in esame, si fa corrispondere il logaritmo del rapporto tra quello stesso valore ed un valore prefissato di riferimento. Il vantaggio che deriva dalluso della scala del decibel consiste nella evidente riduzione del campo di variabilità riduzione della dinamica;

22 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro22 Livelli sonori – scala dei decibel (2): Si definisce livello di pressione sonora L p la quantità: L p = 10 log p 2 /p rif 2 = 20 log p/p rif p rif = 20 Pa Si definisce livello di velocità sonora L v la quantità: L v = 10 log v 2 /v rif 2 = 20 log v/v rif v rif = 50 nm/s. Si definisce livello di intensità sonora L I la quantità: L I = 10 log I/I rif I rif = W/m 2. Si definisce livello di densità sonora L D la quantità: L D = 10 log D/D rif D rif = 3· J/m 3. Nel caso di onde piane, in un mezzo in quiete non viscoso ( o c o = 400 rayl): p/u= o c o I = p 2 / o c o =D·c 0 => quindi L p = L v = L I = L D

23 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro23 Livelli sonori – scala dei decibel (3): Si definisce infine livello di potenza sonora L W la quantità: L W = 10 log W/W rif W rif = W. Ma, mentre i 4 livelli di campo precedenti si identificano in un unico valore numerico, il livello di potenza assume, in generale, un valore assai diverso. Sempre nel caso di onda piana e progressiva (pistone di area S allestremità di un tubo), il legame fra livello di potenza e livello di intensità è: L W = L I + 10 log S/S o =L I + 10 log S (dB) Questa relazione, in realtà, è sempre vera, anche nel caso di altri tipi di onde, purchè la superficie S considerata rappresenti lintera superfici attraverso cui la potenza emessa fuoriesce dalla sorgente.

24 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro24 Livello equivalente continuo (L eq ): Il livello sonoro equivalente continuo Leq (dB) viene definito come: dove T è lintervallo di tempo di integrazione, p(t) è il valore istantaneo della pressione e p rif è la pressione di riferimento L eq,T dB (misura lineare) L Aeq,T dB(A) (misura pond. A)

25 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro25 Livelli sonori – operazioni sui decibel (1): Somma incoerente di due livelli (due suoni diversi): Lp 1 = 10 log (p 1 /p rif ) 2 (p 1 /p rif ) 2 = 10 Lp1/10 Lp 2 = 10 log (p 2 /p rif ) 2 (p 2 /p rif ) 2 = 10 Lp2/10 (p T /p rif ) 2 = (p 1 /p rif ) 2 + (p 2 /p rif ) 2 = 10 Lp1/ Lp2/10 Lp T = Lp 1 + Lp 2 = 10 log (p T /p rif ) 2 = 10 log (10 Lp1/ Lp2/10 )

26 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro26 Livelli sonori – operazioni sui decibel (2): Somma incoerente di livelli Esempio 1: L 1 = 80 dB L 2 = 85 dB L T = ? L T = 10 log (10 80/ /10 ) = 86.2 dB. Esempio 2: L 1 = 80 dB L 2 = 80 dB L T = 10 log (10 80/ /10 ) = L T = log 2 = 83 dB.

27 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro27 Livelli sonori – operazioni sui decibel (3): Differenza di livelli Esempio 3: L 1 = 80 dB L T = 85 dB L 2 = ? L 2 = 10 log (10 85/ /10 ) = 83.3 dB

28 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro28 Livelli sonori – operazioni sui decibel (4): Somma coerente di due livelli (2 suoni identici): Lp 1 = 20 log (p 1 /p rif )(p 1 /p rif ) = 10 Lp1/20 Lp 2 = 20 log (p 2 /p rif ) (p 2 /p rif ) = 10 Lp2/20 (p T /p rif ) = (p 1 /p rif )+ (p 2 /p rif ) = 10 Lp1/ Lp2/20 Lp T = Lp 1 + Lp 2 = 10 log (p T /p rif ) 2 = 20 log (10 Lp1/ Lp2/20 )

29 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro29 Livelli sonori – operazioni sui decibel (5): Somma coerente di livelli Esempio 4: L 1 = 80 dB L 2 = 85 dB L T = ? L T = 20 log (10 80/ /20 ) = 88.9 dB. Esempio 2: L 1 = 80 dB L 2 = 80 dB L T = 20 log (10 80/ /20 ) = L T = log 2 = 86 dB.

30 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro30 Misura della pressione acustica

31 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro31 Il fonometro La grandezza misurata con il fonometro è, espresso in dB, il livello del valore quadratico medio della pressione sonora p rms che nel generico intervallo di tempo T vale: con

32 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro32 Struttura del fonometro: La grandezza misurata con il fonometro è, espresso in dB, il livello del valore quadratico medio della pressione sonora p rms, o più semplicemente Livello Equivalente, che nel generico intervallo di tempo T vale: con

33 3 ottobre 2005Il Fenomeno Sonoro33 Valori RMS esponenziali: Slow, Fast, Impulse Oltre alla misura del livello mediato linearmente nel tempo T (detto anche Livello Equivalente), i fonometri possono operare anche con una media esponenziale, che fornisce valori di livello sonoro istantanei calcolati con media esponenziale con tre possibili diverse costanti di tempo T C : In cui t vale: T C = 1 s – SLOW T C = 125 ms – FAST T C = 35 ms in salita, 1.5 s in discesa – IMPULSE In modalità esponenziale, il fonometro tende via via a dimenticare gli eventi passati…… 1 SLOW Lin, 1s


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