Pressione acustica

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La pressione sonora è la variazione di pressione rispetto alla condizione di quiete causata da una perturbazione (onda sonora). La pressione sonora può essere misurata usando un microfono (misura in aria), un idrofono (misura in acqua) o un catodofono. L'unità di misura del Sistema Internazionale della pressione sonora è il Pascal (simbolo Pa). La pressione sonora istantanea è la variazione di pressione $p 0$ causata da un'onda sonora in un certo istante e in un certo punto dello spazio. La pressione sonora efficace è il valore efficace, cioè la media quadratica della pressione sonora istantanea su un dato intervallo di tempo:

$p_{eff} = \sqrt {{1 \over T} \int_0^T p^2\,d\tau}$ .

Per un'onda sonora, la grandezza complementare alla pressione sonora è la velocità delle particelle. Per piccoli segnali, la pressione sonora e la velocità delle particelle sono proporzionali (legge di Ohm acustica: Δ p = ρ₀ c v), e il loro rapporto viene detto impedenza acustica. L'impedenza acustica dipende dalle caratteristiche dell'onda e del mezzo. Il prodotto della pressione sonora e della velocità delle particelle prende il nome di intensità sonora istantanea.

La variazione di pressione sonora $p$ è definita come

$p = \frac{dF}{dA} \,$

con

F

= forza,

A

= area su cui tale forza viene esercitata.

La pressione sonora totale è

$p_{tot} = p_0 + p \,$

con

p 0

= pressione dell'ambiente,

p

= variazione di pressione sonora.

[modifica] Livello di pressione sonora

Il livello di pressione sonora (SPL) o livello sonoro $L p$ è una misura logaritmica della pressione sonora efficace di un'onda meccanica (sonora) rispetto ad una sorgente sonora di riferimento. Viene misurata in decibel sonori (simbolo $d b S P L$ ):

$L_\mathrm{p}=10\, \log_{10}\left(\frac{{p}^2}{{p_0}^2}\right) =20\, \log_{10}\left(\frac{p}{p_0}\right)\mbox{ dB}$

dove $p 0$ è la pressione sonora di riferimento (è circa la soglia uditiva a 1000 Hz) e $p$ è il valore efficace della pressione sonora che si vuole misurare.

La pressione di riferimento più comunemente utilizzata (in aria) è $p 0 = 20$ µPa (RMS).

Può essere utile esprimere la pressione sonora in termini di decibel sonori quando si ha a che fare con problemi legati all'udito, dal momento che l'intensità percepita dall'orecchio è circa proporzionale al logaritmo della pressione sonora (Legge di Weber-Fechner).

[modifica] Misura del livello di pressione sonora

Se il mezzo di propagazione è l'aria (o altro mezzo gassoso), il livello di pressione sonora (SPL) è quasi sempre espresso in decibel rispetto alla pressione di riferimento di 20 µPa, di solito considerata la soglia di udibilità per l'uomo (equivale all'incirca alla pressione sonora prodotta da una zanzara che vola a tre metri di distanza). Le misure per strumentazione audio vengono quasi sempre effettuate in riferimento a tale valore. Tuttavia, in altri mezzi, ad esempio in acqua, viene più spesso utilizzata una pressione di riferimento pari ad 1 µPa.^[1] Questi livelli di riferimento sono definiti nel documento ANSI S1.1-1994.^[2] In generale, è necessario conoscere il livello di riferimento quando si confrontano misure di SPL; il fatto che spesso l'unità dB(SPL) venga abbreviata in dB può essere fuorviante, dato che si tratta comunque di una misura relativa.

Dato che l'orecchio umano ha una risposta in frequenza non piatta, si effettuano spesso delle compensazioni in frequenza, in modo che l'SPL misurato coincida con il livello sonoro percepito. La IEC ha definito alcune tabelle di compensazione (o pesatura, weighting). La pesatura A (A-weighting) cerca di adattarsi alla risposta dell'orecchio umano al rumore, mentre la pesatura C (C-weighting) viene usata per misurare i livelli sonori di picco. ^[3] Se si desidera conoscere l'SPL effettivo (e non quello pesato), molti strumenti consentono di effettuare una misura "piatta" (senza compensazione).

Quando si misura il livello sonoro prodotto da un oggetto, è essenziale misurare anche la distanza dalla sorgente sonora. L'SPL è inversamente proporzionale alla distanza, e non al quadrato della distanza (come succede con l'intensità sonora). Nella maggior parte dei casi, inoltre, dipende anche dalla posizione rispetto alla sorgente, quindi potrebbe essere necessario effettuare numerose misure a seconda dei casi.

La pressione sonora p in N/m² o Pa è

$p = Zv = \frac{J}{v} = \sqrt{JZ}$

dove

Z = impedenza acustica, impedenza sonora, o impedenza caratteristica, in Pa·s/m,

v = velocità delle particelle in m/s,

J = intensità acustica o intensità sonora, in W/m².

La pressione sonora p è legata allo spostamento delle particelle (o ampiezza) ξ, in m, dalla relazione

$\xi = \frac{v}{2 \pi f} = \frac{v}{\omega} = \frac{p}{Z \omega} = \frac{p}{ 2 \pi f Z}$

Si ha inoltre

$p = \rho c \omega \xi = Z \omega \xi = { 2 \pi f \xi Z} = \frac{a Z}{\omega} = c \sqrt{\rho E} = \sqrt{\frac{P_{ac} Z}{A}}$

espressa in N/m² = Pa.

Nelle relazioni sopra si ha

Simbolo	Unità SI	Lettura	Significato
p	P	pascal	pressione sonora
f	Hz	hertz	frequenza
ρ	kg/m³	kilogrammi al metro cubo	densità del mezzo
c	m/s	metri al secondo	velocità di propagazione del suono nel mezzo
v	m/s	metri al secondo	velocità delle particelle
$ω$ = 2 · $π$ · f	rad/s	radianti al secondo	pulsazione
ξ	m	metri	spostamento delle particelle
Z = c · ρ	N · s/m³	newton secondi al metro cubo	impedenza acustica
a	m/s²	metri al secondo quadrato	accelerazione delle particelle
J	W/m²	watt al metro quadrato	intensità sonora
E	W·s/m³	watt secondi al metro cubo	densità di energia sonora
P_ac	W	watt	potenza acustica o potenza sonora
A	m²	metro quadrato	area

La legge che lega la pressione sonora $p$ alla distanza $r$ da una fonte sonora puntiforme è di proporzionalità inversa:

$p \propto \frac{1}{r}$

$\frac{p_1} {p_2} = \frac{r_2}{r_1}$

$p_1 = p_{2} \cdot r_{2} \cdot \frac{1}{r_1}$

[modifica] Esempi di pressione sonora e SPL

Sorgente sonora	Pressione sonora	Liv. di pressione sonora^[4]
	pascal	dB SPL (rif. 20 µPa)
Limite teorico per suono indistorto a 1 atmosfera di pressione ambientale	101.325 Pa	194 dB
Lesioni istantanee al tessuto muscolare	50.000 Pa	circa 185 dB
Esplosione del Krakatoa a 160 km	20.000 Pa	[1] 180 dB
Colpo di un M1 Garand a 1 m	5.000 Pa	168 dB
Motore di un jet a 30 m	630 Pa	150 dB
Colpo di fucile a 1 m	200 Pa	140 dB
Soglia del dolore	100 Pa	130 dB
Danneggiamento dell'udito per esposizione a breve termine	20 Pa	circa 120 dB
Motore di un jet a 100 m	6 – 200 Pa	110 – 140 dB
Martello pneumatico a 1 m; discoteca	2 Pa	circa 100 dB
Danneggiamento dell'udito per esposizione a lungo termine	0,6 Pa	circa 85 dB
Traffico intenso a 10 m	0,2 – 0,6 Pa	80 – 90 dB
Treno passeggeri in movimento a 10 m	0,02 – 0,2 Pa	60 – 80 dB
Ufficio rumoroso; TV a 3 m (volume moderato)	0,02 Pa	circa 60 dB
Conversazione normale a 1 m	0,002 – 0,02 Pa	40 – 60 dB
Stanza silenziosa	0,0002 – 0,0006 Pa	20 – 30 dB
Stormire di foglie, respiro umano rilassato a 3 m	0,00006 Pa	10 dB
Soglia di udibilità a 2 kHz (uomo con udito sano)	0,00002 Pa	(rif.) 0 dB

[modifica] L'SPL nella strumentazione audio

Gran parte dei produttori usando il livello di pressione sonora come indice dell'efficienza elettrica dei loro altoparlanti. La modalità più comune consiste nel misurare l'SPL con il rilevatore posto centralmente e a un metro di distanza dalla sorgente. Viene poi fatto riprodurre un particolare tipo di suono (in genere rumore bianco o rumore rosa) con un'intensità fissa e nota, in modo che la sorgente assorba una potenza pari ad un watt. Una misura di questo genere viene ad esempio espressa come "SPL: 93 dB 1W/1m". Questa misura può anche essere un rigoroso rapporto di efficienza tra la potenza sonora in uscita e la potenza elettrica in ingresso, ma questo metodo è meno diffuso.

Questo metro di giudizio per la qualità degli altoparlanti è spesso fuorviante, perché quasi tutti i trasduttori producono livelli di pressione sonora divesi a frequenze diverse, talvolta con variazioni anche di una decina di decibel nella banda di funzionamento (in altoparlanti di scarsa qualità). In genere, il produttore indica un valore medio in una certa banda.

[modifica] Campo di udibilità

La pressione di soglia, cioè la minima pressione sonora necessaria all'udibilità, dipende dalla frequenza: è molto vicina a 0 dB per frequenze comprese tra 800 e 5000 Hz, ma aumenta notevolmente al di fuori di tale intervallo.
Se poi si considera il cambiamento del livello di intensità $DI = 10 log {\frac{I_1}{I_2}}$ , si nota che sono necessari almeno 3 dB per avvertire la variazione (con 10 dB si ha la sensazione del raddoppio o dimezzamento).

[modifica] Attenuazione della pressione sonora

Nella propagazione delle onde sonore, si ha attenuazione del livello di pressione sonora anche in campo libero, a causa della loro divergenza. Ovviamente la presenza di ostacoli di vario tipo provoca, in aggiunta, diversi tipi di attenuazioni in eccesso:

assorbimento atmosferico: trasformazione dell'energia sonora in energia termica a causa della vibrazione delle molecole di ossigeno; è direttamente proporzionale alla frequenza del suono, alla distanza sorgente - ricevitore e inversamente proporzionale all'umidità relativa;
assorbimento della vegetazione: la vicinanza di sorgente e ricevitore al suolo provoca attenuazione delle onde sonore, in particolare se è presente vegetazione; l'effetto è maggiore per le alte frequenze e per distanze superiori ad alcune decine di metri.

Si consideri poi che il gradiente di temperatura in base alla quota altimetrica e la diversa velocità del vento modificano la direzione di propagazione dell'onda sonora al di sopra di una superficie piana; in base al maggiore o minore valore di c (velocità del suono) con la quota si hanno deviazioni verso l'alto (e quindi zone d'ombra acustica) o verso il basso (e quindi rinforzi della pressione acustica). Per quanto riguarda il vento, normalmente la sua velocità è maggiore in quota, e di conseguenza il ricevitore che si trovi in verso concorde riceverà più alti livelli sonori; per quanto riguarda l'effetto della temperatura, si ricordi che c = 331,4 + 0,6 t(°C) [m/s], con conseguente rallentamento del suono in quota e generazione di ombre acustiche a terra (eccezione: condizioni di inversione termica).

Barriere artificiali, come muri non porosi, attenuano il livello sonoro in quanto le onde possono raggiungere il ricevitore solo per diffrazione. L'attenuazione da esse creata è funzione del numero di Fresnel, che a sua volta dipende dalla lunghezza d'onda del suono, dalla distanza in linea d'aria sorgente - ricevitore e dal minimo cammino sopra la barriera. Si può aumentare l'attenuazione con l'apposizione di materiale fonoassorbente, in particolare nella parte superiore della barriera. I suoni di alta frequenza risultano essere i maggiormente attenuati.

[modifica] Voci correlate

[modifica] Bibliografia

Beranek, Leo L, "Acoustics" (1993) Acoustical Society of America. ISBN 0-88318-494-X

[modifica] Collegamenti esterni

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Categoria: Acustica

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