principali strumenti di misura

PRINCIPALI STRUMENTI DI MISURA
La gamma di trasduttori, strumenti e apparecchiature di cui si avvalgono le misure acustiche è
estremamente ampia; tuttavia si può affermare in sintesi che ogni misura acustica è riconducibile
alla valutazione della pressione sonora, in quanto questa è la grandezza fisica che agisce sul
timpano o sull'elemento sensibile del trasduttore che in acustica è alla base di ogni catena di
misura, il microfono.
1. Microfono
Il microfono è un trasduttore che permette di trasformare le variazioni di pressione in variazioni di
una grandezza elettrica corrispondente. Allo stato attuale i microfoni più diffusamente usati sono:
•
magnetodinamici, basati sull’effetto elettromagnetico: quando in un campo
magnetico viene fatto muovere un conduttore, in questo conduttore si genera una
corrente elettrica;
•
a condensatore o ad elettrete, in cui la variazione di pressione genera una
variazione di capacità;
•
piezoelettrici, basati sul fenomeno della piezoelettricità, cioè la proprietà di alcuni
materiali, detti piezoelettrici, di generare una tensione elettrica se sottoposti a una
sollecitazione meccanica.
Per quanto riguarda il principio di funzionamento basato sulla variazione di capacità, i microfoni
possono essere prepolarizzati, quando il campo elettrico, o meglio la carica elettrica, è
permanentemente presente nel materiale, denominato elettrete, o con polarizzazione separata,
quando il campo elettrico viene creato da una differenza di potenziale applicata dall'esterno.
I microfoni di misura sono in genere a condensatore e a polarizzazione separata.
Il microfono a condensatore è costituito da una sottile membrana metallica,
con spessore di circa 5 µm, che costituisce l'elemento sensibile vero e
proprio, montata a circa 25,5 µm da un controelettrodo posteriore rigido. La
carica elettrica è mantenuta costante da una tensione di polarizzazione,
normalmente di 200 V, in alcune apparecchiature portatili 28 V. Quando la
membrana è sollecitata a muoversi in presenza di una variazione di
pressione
acustica,
ciò
provoca
una
variazione
di
capacità
del
condensatore, e quindi della tensione ai suoi capi, proporzionale alla
pressione stessa. La membrana è protetta da una griglia forata.
Da Manuale di Acustica Applicata, a cura di R. Spagnolo, ed. UTET Libreria,
Torino 2001, 905 pp.
Le caratteristiche principali che definiscono le prestazioni di un microfono sono:
•
la sensibilità, cioè il valore del fattore di trasduzione, generalmente espresso in millivolt
generati per una pressione acustica incidente sul trasduttore di 1 Pa, ad una frequenza di
riferimento (mV/Pa);
•
il rumore di fondo o rumore generato in assenza di pressione acustica, che può essere
espresso in millivolt o pascal equivalenti (il passaggio da millivolt a pascal equivalenti
avviene attraverso il fattore di traduzione), o anche in decibel;
•
la variazione della sensibilità con la frequenza, o risposta in frequenza;
•
la variazione della sensibilità con l'angolo di incidenza del fronte d'onda o direzionalità;
•
il massimo livello di pressione sonora misurabile prima dell'insorgere di fenomeni di
distorsione;
•
il campo dinamico, cioè la differenza tra il massimo livello misurabile e il livello di fondo.
Un limite invalicabile alle prestazioni del microfono in relazione alla sua risposta in frequenza è
rappresentato dai fenomeni di diffrazione che si verificano quando le sue dimensioni diventano
confrontabili con la lunghezza d'onda dell'onda acustica. Per questo motivo i microfoni da 1",
usati in passato perché più sensibili (la sensibilità è direttamente proporzionale alle dimensioni
del microfono), sono stati progressivamente sostituiti da quelli a 1/2", per disporre di una più
estesa risposta in frequenza.
2. Misuratori di livello sonoro
I misuratori di livello sonoro, o fonometri, sono strumenti di misura dedicati alla rilevazione della
pressione sonora e all'elaborazione dei livelli di pressione, al fine di ottenere gli indici descrittori
tipici delle misure di rumore.
Le varie parti che costituiscono un fonometro realizzano le seguenti operazioni:
• conversione della pressione acustica in una grandezza elettrica;
• ponderazione in frequenza secondo una specifica curva di ponderazione, per tener conto
della risposta soggettiva;
• calcolo del valore efficace della pressione acustica, o, del valore di picco, per eventi sonori
impulsivi isolati;
• ponderazione temporale del valore efficace, tramite una "costante di tempo" (Fast ->125 ms;
Slow ->1s") . In pratica, il procedimento è analogo a quello di scegliere un diverso intervallo
di tempo su cui calcolare il valore efficace ed è legato ai tempi di percezione dell'apparato
uditivo;
• media temporale del valore efficace per il calcolo del livello sonoro equivalente. Per tenere
conto delle possibili variazioni temporali della pressione acustica, viene calcolato il livello di
pressione sonora di un segnale continuo che ha lo stesso contenuto energetico del segnale
variabile in esame;
• conversione lineare-logaritmica;
• visualizzazione della grandezza misurata.
Quasi tutti i fonometri sono inoltre dotati di uscite elettriche in corrente continua o alternata per il
collegamento ad altri apparecchi, quali registratori grafici o magnetici.
Attualmente, in molti fonometri i componenti, ad eccezione del microfono e del visualizzatore, sono
costituiti, anziché da circuiti elettrici, da programmi di calcolo all'interno di un processore di segnali
digitali. Nel caso di un fonometro che elabori i dati numericamente, il segnale acustico viene
trasformato in segnale elettrico dal microfono e convertito in un numero tramite un convertitore
analogico/digitale.
Schema
a
blocchi
semplificato
di
un
misuratore di livello sonoro
Da Manuale di Acustica Applicata, a cura di R.
Spagnolo, ed. UTET Libreria, Torino 2001, 905
pp.
3. ALTRA STRUMENTAZIONE DI MISURA
La strumentazione utilizzata per le misure acustiche è molto varia e complessa, pertanto qui ci si
limita a menzionare i nomi di alcuni strumenti molto diffusi, rimandando ai testi specialistici per la
descrizione del loro funzionamento. I calibratori acustici, che contengono una piccola sorgente
sonora molto stabile e possono essere accoppiati direttamente al microfono, permettono la
calibrazione dei fonometri o di intere catene di misura. Le sorgenti sonore di riferimento generano
un rumore stabile, con contenuto in frequenza distribuito uniformemente su un ampio intervallo di
frequenze, con livello di potenza sonora noto, e permettono la verifica sei sistemi che misurano la
potenza sonora emessa da macchine o impianti. L'intensità acustica viene misurata, a partire dagli
anni '70, con sonde intensimetriche, che dispongono di due microfoni in grado di misurare non
soltanto l'ampiezza della pressione acustica, ma anche la differenza di fase, e permettono di
eseguire misure in prossimità di una sorgente ottenendo informazioni dirette sulla potenza
emessa. Gli analizzatori di spettro consentono di determinare la composizione in frequenza di un
segnale acustico, anche di fenomeni non stazionari.
Per un approfondimento si veda ad esempio:
Manuale di Acustica Applicata, a cura di R. Spagnolo, ed. UTET Libreria, Torino 2001, 905 pp.