Tempo di riverberazione ottimale
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Tempo di riverberazione ottimale
2. Acustica ACUSTICA ARCHITETTONICA 1. T60 e qualità acustica 2. Indici di qualità acustica per musica e parlato 3. Criteri di progettazione e correzione acustica per le sale Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 1 La riverberazione e la qualità acustica di sale • Le condizioni per un'ottimale trasmissione di messaggi sonori in un ambiente chiuso, sia che si tratti di parlato o di musica, sono state riassunte da Sabine in queste p regole: g semplici 1) il suono deve giungere sufficientemente intenso in tutti i punti di ascolto della sala; 2) i suonii che h sii succedono d con rapida id emissione i i d devono arrivare i all'ascoltatore ll' lt t chiari hi i e distinti mantenendo la loro individualità; 3) le componenti spettrali di un suono complesso devono mantenere in modo inalterato le loro intensità relative. • La presenza delle pareti fa incrementare la potenza acustica ricevuta dall'ascoltatore rispetto al caso del campo sonoro libero; oltre al suono diretto, infatti, in ciascun punto giunge, g sebbene con un certo ritardo, anche il suono riflesso dalle p pareti. della sala g • Tale fenomeno, noto con il nome di riverberazione, gioca un ruolo fondamentale nella determinazione delle condizioni di comfort auditivo all'interno degli ambienti confinati. confinati Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 2 La riverberazione Approccio dell’acustica dell acustica geometrica S = sorgente R = ricevitore D = distanza tra D e R 1 = onde d prima i riflessione ifl i .. .. N = n-esima riflessione 3 2 d S R 1 a) a) andamento temporale della potenza emessa dalla sorgente; W Ws b) andamento temporale della densità di energia i nell ricevitore i it R R. t 0 b) T D D Δ D 2 < Δ D 1 ΔD n < Δ D n − 1 DR ΔD2 ΔD1 D2 D1 DD 0 D R = D D + D riv D' D'' D''' T0 T1T2 TA T TE T' Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti TF D1 = DD + ΔD1 D 2 = D1 + ΔD 2 t (TA – T0): transitorio di attacco; (TE – TA): regime (TF – TE): transitorio di estinzione. 3 La riverberazione D T0 TE t In condizioni di campo p libero,, non vi sono più p i transitori di attacco e di estinzione e la densità ha lo stesso andamento temporale della potenza emessa, differendo solo per il ritardo t0 = d/c dovuto alla distanza fra S e R. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 4 La riverberazione • Se da un lato la presenza del campo sonoro riverberato è utile ai fini dell'ascolto, perché il suo contributo innalza il valore della densità di energia sonora in regime permanente e fornisce "condizioni condizioni naturali naturali" di ascolto, • da un altro lato un valore eccessivo della durata dei transitori di attacco e di estinzione può peggiorare la qualità dell'ascolto stesso, con perdita di intelligibilità e "impastamento" impastamento del segnale sonoro. sonoro Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 5 Esempio: si consideri un oratore all'interno di un ambiente chiuso, che emette la parola inglese bisillabica BACK. Da un punto di vista acustico BACK viene pronunciata i t con due d emissioni i i i sonore successive i relative, l ti rispettivamente, i tti t alla sillaba BA e alla sillaba CK. W (W) a) 0 BA 0 CK -25 0 A) andamento temporale del livello di potenza acustica associato alla emissione della parola inglese BACK; 50 325 t (ms) D (J/m3) B) andamento temporale della densità acustica in corrispondenza di un ricevitore posto in un campo poco riverberato: le due sillabe non si pp g ; sovrappongono; b) 0 BA CK t (ms) C) andamento temporale della densità acustica in corrispondenza di un ricevitore posto in un campo molto riverberato: le due sillabe si sovrappongono sovrappongono. D (J/m3) c) 0 BA CK t (ms) Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 6 TEMPO DI RIVERBERAZIONE • tempo di riverberazione τ60: è definito come il tempo necessario affinché la densità di energia acustica in un punto diminuisca di 106 volte rispetto al valore che aveva nell'istante in cui l'onda diretta ha cessato di raggiungere il punto • Maggiore è τ60, maggiore è la durata dei transitori di attacco e di estinzione ed il valore della densità acustica a regime. • In un’ipotetica situazione limite, con coefficiente di assorbimento=1, τ60=0, vista l'assenza del campo riverberato. • Si intuisce dunque che τ60 dipende dalla capacità complessiva di assorbire energia acustica da parte dell'ambiente; maggiore è l' l'assorbimento, bi t minore i è il tempo t di riverberazione. i b i Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 7 T60: teoria di Sabine Valutazione quantitativa tramite una relazione analitica che permetta di calcolare il tempo di riverberazione a partire dalle caratteristiche geometriche della sala e dalle proprietà di assorbimento acustico delle superfici che la delimitano. Il fisico statunitense Wallace Clement Ware Sabine fu il primo ad affrontare con approccio scientifico lo studio della risposta acustica degli ambienti confinati. τ60 V = 0,16 A V volume dell’ambiente in m3 n A = ∑ α iSi i =1 A = assorbimento globale o unità assorbenti dell’ambiente. con αi coefficiente di assorbimento medio della i-esima superficie dei materiali che delimitano l’ambiente e Si la relativa superficie in m2. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 8 T60: teoria di Eyring L'esperienza mostra che gli errori commessi dalla formula di Sabine sono trascurabili quando i coefficienti di assorbimento sono compresi nell'intervallo 0,1÷0,7 che comprende la maggioranza dei casi pratici. La poca accuratezza della formula di Sabine per valori elevati del coefficiente di assorbimento delle pareti è superata dalla teoria di Eyring, nella quale viene meno l'ipotesi di continuità dell'assorbimento, cioè fra una riflessione e l'altra esiste sempre un istante in cui nessuna onda colpisce le pareti. τ 60 = 0,16 V S ln(1 − α med ) in cui αmed è il coefficiente di assorbimento medio delle pareti Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 9 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Il valore del tempo di riverberazione che coniuga le due esigenze contrapposte di buona intelligibilità e sufficiente livello di intensità è il tempo di riverberazione ottimale Esso deve assumere ottimale. assumere, a seconda delle condizioni di ascolto ascolto, un valore tale da offrire il miglior compromesso per l'influenza del campo sonoro riverberato sulla qualità dell'ascolto. In linea generale per sale destinate all'ascolto del parlato si riscontrano valori di τ60 più brevi, a p p parità di altre condizioni, che p per le sale destinate allo svolgimento g di programmi musicali. I valori più brevi di τ60 si riscontrano nelle sale in cui il suono diretto viene privilegiato rispetto a quello riverberato, come avviene per le sale cinematografiche e, in generale, quando sia presente un sistema elettroacustico di diffusione sonora. In questi casi infatti si può sopperire mediante l'impianto elettoacustico alla perdita di densità di energia sonora prodotta dal basso contributo del campo di riverberazione riverberazione. Viceversa i valori ottimali più alti per τ60 si riscontrano nel caso di ascolto di musica i per organo nelle ll chiese. hi I questiti casii iinfatti In f tti il fenomeno f della d ll riverberazione i b i è già stato considerato dal compositore di questo tipo di musica come parte integrante del segnale musicale e l'ascolto in un ambiente poco riverberante risulterebbe grandemente impoverito. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 10 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Un'altra Un altra considerazione di carattere generale riguarda il fatto che il valore ottimale di τ60 cresce leggermente all'aumentare del volume della sala, per una determinata d t i t destinazione d ti i d'uso. d' Ciò corrisponde intuitivamente al fatto che, all'aumentare del volume della sala, si accetta un lieve peggioramento della intelligibilità in favore del livello sonoro, assieme alla sensazione soggettiva di maggiore vastità dell'ambiente che h viene i spontaneamente t t associata i t ad d una coda d sonora più iù lunga. l Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 11 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Tempo di riverberazione ottimale per la banda di ottava con frequenza centrale pari a 500 Hz in funzione del volume e della destinazione d'uso del locale 35 3,5 3,0 , temppo di riverbeerazione [s] o gan a ssic a l c a usic m r a e gger to p e r l e a c c n i ) a co mus d r e a ione l p z a o sa t r t r e is i reg conc d a o d i tud sala t o (s r ) e c atro con e a t d ( a sala stic ze i r e ren p lo l e o a f b n a sica r co sala d e p mu sala , a m cine 2,5 ic mus 2,0 1,5 1,0 0,5 r or a pe o auditori per parlat o onic f o i d io ra d u t s 0 100 tel studio 500 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti o evisiv 1000 5000 volume della sala [m3] 10000 50000 12 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI V i i Variazione percentuale l d dell tempo di riverberazione i b i ottimale i l rispetto i all valore l a 500 Hz fattore moltiplicativo di τ60,ott a 5000 Hz 2 15 1,5 1 0,5 0 100 200 500 1000 2000 frequenza [Hz] 5000 10000 Secondo alcuni Autori, la variazione del tempo di riverberazione ottimale in funzione della frequenza deve essere contenuta all all'interno interno degli intervalli di variabilità riportati in figura; con tale grafico si possono ottenere i valori del τ60 ottimale per altre frequenze, come scostamento percentuale dai valori ottimali alla frequenza di 500 Hz. Seguendo questo criterio si ammette che τ60 alle frequenze più basse possa anche quasi raddoppiare rispetto al valore corrispondente a 500 Hz; secondo altri Autori τ60 dovrebbe risultare il più possibile uniforme per tutte le frequenze utili dello spettro. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 13 TEMPI DI RIVERBERAZIONE OTTIMALI Formule empiriche per il tempo di riverberazione ottimale. 1. ascolto di musica (ambiente di forma compatta) τ 60,ott = 0,13 V 2. ascolto del parlato τ 60,ott = 0,5 + 10 −4 V Entrambe le relazioni forniscono il tempo di riverberazione ottimale in secondi se il volume della sala è espresso in m3. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 14 Indici di qualità acustica delle sale Il tempo di riverberazione è un parametro globale che non si presta a valutazioni locali nei diversi punti di ascolto; esso risulta pertanto insufficiente. Indici di qualità acustica Ascolto del parlato Ascolto della musica I metodi di analisi impiegabili per tentare di valutare la qualità acustica di una sala conducono a risultati più certi nel caso del parlato, per il quale è possibile individuare più facilmente le condizioni ottimali di ascolto in base a parametri t i oggettivi tti i (livello (li ll sonoro, rapporto t segnale/rumore, l / l'intelligibilità). l'i t lli ibilità) Inoltre, la tipologia della sorgente, anche al variare dell'oratore, dell oratore, resta in termini pratici univocamente definita. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 15 Qualità acustica per la musica Nel caso della musica invece, oltre ad aversi tipologie assai diverse per la sorgente sonora, non è facile raggruppare in pochi parametri le impressioni che corrispondono ad un buon ascolto soggettivo, allo scopo di valutare la qualità acustica di una sala sala. Le grandezze in grado di costituire indici di qualità devono mettere in evidenza gli aspetti locali, in modo da poter eseguire l'analisi acustica in punti diversi di un dato ambiente, e devono prestarsi ad essere correlati con giudizi soggettivi di ascolto. ascolto Seguono questo criterio gli indici che fanno riferimento ad un buon equilibrio fra campo sonoro utile e rumore di riverberazione. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 16 Qualità acustica per la musica Uno studio organico sulla qualità acustica delle sale per l’ascolto della musica fu fatto da Beranek negli anni ’50 50, mediante ll’introduzione introduzione di punteggi in grado di quantificare i numerosi elementi che concorrono alla sua definizione. Risulta difficile stabilire dei criteri per individuare le condizioni ottimali di ascolto della musica, sia per i numerosi parametri qualitativi del linguaggio musicale sia perché, nella percezione, entrano in gioco giudizi di tipo estetico ed emozionale. emozionale Tenuto conto che il massimo p punteggio gg raggiungibile gg g èp pari a 100,, Beranek prevede la valutazione della qualità della sala secondo cinque categorie: A’ A B' B C' C Categoria C t i eccellente da ottimo ad eccellente da buono a molto buono da accettabile a buono accettabile tt bil scarso Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti Punteggio P t i da 90 a 100 da 80 a 89 da 70 a 79 da 60 a 69 d 50 a 59 da al di sotto di 50 17 Qualità acustica per la musica Indice di chiarezza C: introdotto da Reichardt e Leumann (1974) per valutare la trasparenza temporale (percezione nitida di note musicali suonate in successione rapida) e la trasparenza armonica (possibilità di distinguere chiaramente note di uno o più strumenti suonate contemporaneamente), è il rapporto pp fra il suono utile e il rumore di riverberazione, in dB: 80ms 2 ∫ p ( t )dt C = 10 log10 0 ∞ 2 ∫ p ( t )dt 80ms Il tempo t di integrazione i t i d l suono utile del til parii a 80 ms proposto t per la l musica i deriva dalla considerazione che l'intervallo di tempo di integrazione dell'orecchio dell orecchio è più lungo per la musica che per il parlato e che i transitori della maggior parte degli strumenti musicali hanno una durata minore di 100 ms. Valori ottimali dell’indice di chiarezza per la musica: -4 4 ≤ C80≤ 2 dB Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 18 Qualità acustica per la musica (Early (E l Decay D Ti Time EDT) é il tempo EDT): t di riverberazione i b i calcolato l l t suii primi 10 dB della curva di decadimento, estrapolata fino a 60 dB. Il parametro t è usato t nell caso di ascolto lt di musica i poiché, i hé se essa è continua, è possibile sentire dopo ciascuna nota solo i primi 10 dB, circa, del decadimento del suono. suono Valori ottimali dell dell’EDT EDT sono compresi tra 1,8 1 8 e 2,6 2 6 secondi. secondi Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 19 Qualità acustica per la musica Indice di intensità (Sound Strenght) G: rapporto tra la risposta nel punto di osservazione ad un impulso emesso da una sorgente omnidirezionale idi i l sull palcoscenico l i e la l risposta i t allo ll stesso t i impulso l i in un punto fisso della sala a distanza s dalla sorgente (presa pari a 5 m); Δt rappresenta la durata dell dell’impulso impulso diretto: t =∞ 2 (t )dt p ∫ G = 10 log t =0 t = Δt 2 4πs ∫ p s2 t =0 (s, t )dt Valori ottimali di G suggeriti in Letteratura sono i seguenti: • • • • grande d orchestra h t sinfonica, i f i cantanti t ti molto lt allenati ll ti piccola orchestra, cantanti allenati oratori, attori allenati strumenti deboli, oratori poco allenati Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti G≥ -35 35 dB G≥ -30 dB G≥ -25 dB G≥ -20 dB 20 Qualità acustica per il parlato Negli anni ’50 50 Haas e Lochner e Burger, in studi riguardanti il parlato, prevedevano di suddividere le riflessioni in due gruppi: le prime, che contribuiscono a migliorarne l’intelligibilità, e le successive, che la peggiorano. Sono stati introdotti degli indici che rappresentano il rapporto tra l’energia associata al suono diretto e alle prime riflessioni e ll’energia energia associata alle successive riflessioni: tanto maggiore sarà tale rapporto, tanto più elevata sarà la qualità acustica della sala. Occorre individuare l’istante temporale in corrispondenza del quale avviene la suddivisione tra riflessioni utili e riflessioni disturbanti: A seconda del valore da esso assunto furono proposti degli indici, alcuni dei quali validi per il parlato (Thiele e Shultz proposero, nel 1953, un intervallo compreso tra t 0 e 50 ms per il parlato), l t ) altri lt i per la l musica. i Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 21 Indici di qualità per il parlato Nel caso del linguaggio parlato l’esigenza fondamentale è la corretta comprensione del messaggio trasmesso, trasmesso ossia la sua intelligibilità intelligibilità, intesa coma percentuale di parole o frasi correttamente comprese da un ascoltatore rispetto alla totalità delle frasi pronunciate da un parlatore parlatore. Indice di definizione D50 (Thiele e Mayer): rapporto fra il suono utile e il suono utile più il suono disturbante (%): 50ms 2 ∫ p ( t )dt D 50 = 0 ∞ 2 ∫ p ( t )dt 0 È correlato all all'intelligibilità intelligibilità delle sillabe nel parlato parlato, tanto maggiore quanto più è elevato il valore di D. Valori ottimali dell’indice di definizione sono superiori al 50% per il parlato, inferiori al 50% per la musica Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 22 Indici di qualità per il parlato Indice di chiarezza C50 ( rapporto suono utile/riverberato): definito come C80, è calcolato sui primi 50 ms; 50 ms C = 10 log10 ∫p 2 (t )dt 0 ∞ 2 p d ∫ (t )dt valori ottimali: C50 > 3 dB. 50 ms Rapporto Energia Utile/Energia Dannosa Ut: (Lochner e Burger,1964), è il rapporto tra l’energia riflessa che arriva all’ascoltatore in un intervallo temporale t e la somma dell’energia riflessa che arriva all’ascoltatore dopo l’intervallo t e dell’energia dell energia associata al rumore di fondo: Ct Ut = 10 log 1 + (Ct ⎛ L r −L p ⎜ ⎜ 10 + 1 10⎝ ) ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ Ct è il rapporto pp lineare tra l’energia g utile e l’energia g dannosa dovute alle sole riflessioni (senza considerare il rumore di fondo), Lr e Lp rappresentano il livello del rumore di fondo e il livello del parlato nel punto di ascolto. V l i ottimali Valori tti li di Ut Ut: U50>+1 dB per aule l scolastiche, l ti h U80>+4 dB per ambienti bi ti di maggior volume, a 1000 Hz. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 23 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti Speech Transmission Index (STI): sviluppato a partire dal 1973 da Houtgast, Steeneken e Plomp, si basa sulla funzione di trasferimento di modulazione della sala (MTF, "Modulation Transfer Function") e sul concetto di segnali modulati in ampiezza. ampiezza Un segnale modulato in ampiezza è dato da un segnale di frequenza f1 (portante), che assume ampiezza variabile nel tempo secondo una legge imposta da un segnale di frequenza più bassa f2 (modulante). Se entrambi sono sinusoidali: s( t ) = S sen (2πf1t ) portante μ( t ) = m sen (2πf 2 t ) modulante Il segnale modulato in ampiezza è: s( t ) = S (1 + m sen (2πf 2 t )) sen (2πf1t ) Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti m = indice di modulazione 24 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti In molti casi un segnale complesso può essere considerato in termini di segnale di inviluppo di bassa frequenza; un esempio tipico è quello del segnale vocale, vocale che può essere rappresentato come un segnale di frequenze comprese nella banda acustica inviluppato da un segnale di bassa frequenza (inferiore a 20Hz), legato al ritmo con cui si susseguono i singoli fonemi. fonemi In questi termini quando un segnale acustico raggiunge un punto di ascolto in una sala, il suo inviluppo viene alterato rispetto a quello originario della sorgente. Tradizionalmente questa alterazione dovuta alle caratteristiche della sala viene quantificata attraverso il tempo q p di riverberazione. La relazione fra l'inviluppo del segnale di ingresso (emesso dalla sorgente) e quello di uscita (rilevato in un punto di ascolto) è governata dalla funzione di trasferimento della sala, la quale agisce sul segnale come un filtro passa-basso. Poiché le applicazioni del metodo sono state fatte dagli Autori essenzialmente sul segnale vocale, il calcolo della MTF viene effettuato per valori di frequenza compresi fra 300 e 4000 Hz, per una banda di frequenza del segnale di inviluppo compresa fra 0,4 e 20 Hz, H suddivisa ddi i in i 18 intervalli i t lli di terzo t di ottava. tt Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 25 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti Ciascun valore della funzione di trasferimento di modulazione viene convertito in termini di rapporto segnale/disturbo apparente S/N: ⎛ m( F ) ⎞ ⎛S⎞ ⎟⎟ ⎜ ⎟ = 10 log10 ⎜⎜ ⎝ N ⎠F ⎝ 1 − m( F ) ⎠ F è una delle frequenze del segnale di inviluppo, m(F), pari al 100% nel segnale emesso dalla sorgente sonora, è l’indice di modulazione della portante. m(F) subisce una riduzione in un generico punto della sala, sala dopo aver subito l'azione di filtraggio passa-basso propria della funzione di trasferimento fra segnale e punto di ascolto considerato. Ciò dà luogo a diversi valori del rapporto S/N apparente, al variare del punto di osservazione e della frequenza F. Poiché per F vengono scelti 18 valori standardizzati, per ogni punto si considerano 18 valori di rapporto S/N. S/N Ciascuno di essi viene inoltre limitato ad un campo di escursione compreso fra -15 e +15dB, cioè se S/N è <15dB viene considerato il valore assunto realmente, se S/N>15dB si prende un valore di saturazione pari a 15dB. Si considera poi il seguente valore: ⎛ S ⎞ 1 20 ⎛ S ⎞ ⎜ ⎟= ⎜ ⎟ ∑ ⎝ N ⎠ 18 F =0, 4 ⎝ N ⎠ F Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 26 Indici di qualità per il parlato: STI e Rasti Viene infine effettuata una normalizzazione in modo da ottenere un indice STI (Speech Transmission Index) i cui valori siano compresi fra 0 e 1: ⎛S⎞ ⎜ ⎟ + 15 N STI = ⎝ ⎠ 30 L'indice STI, pertanto, rappresenta il valore medio del rapporto S/N apparente (derivato dai valori della MTF) in un campo di frequenze che sono ritenute it t importanti i t ti per la l modulazione d l i di inviluppo i il d l segnale del l vocale. Successivamente è stato proposto, e normalizzato dalla ISO, l'indice RASTI ((Rapid p Speech p Transmission Index), ), il q quale non aggiunge gg g concettualmente nulla a quanto detto in precedenza, ma si tratta di un procedimento rapido per calcolare con buona approssimazione l'indice STI. Cl Classe di qualità lità di trasmissione t i i del d l parlato l t RASTI Cattiva < 0,32 Mediocre 0 32 - 0,45 0,32 0 45 Discreta 0,45 - 0,60 Buona 0 60 - 0,75 0,60 0 75 Eccellente Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti >0,75 27 Esempio di misura dell’indice RASTI: mappatura Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 28 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS • Per valutare l’intelligibilità del parlato si ricorre frequentemente ad un test a vocabolario condotto secondo quanto prescritto dalla norma ISO/TR 4870. vocabolario, 4870 Il test denominato ALCons (dall’acronimo anglosassone Articulation Loss of Consonants) è basilare per avere una conoscenza della risposta di alcuni soggetti tipo nella comprensione del parlato. La necessità di svolgere questi test è dovuta al fatto che le misure dei descrittori acustici, sono normalmente svolte senza ll’ausilio ausilio di controlli e filtri dell dell’impianto impianto di elettrodiffusione i quali normalmente entrano in funzione quando l’oratore parla al microfono: i risultati pertanto sono indicativi per determinare la funzionalità acustica del binomio sala-impianto. • La norma presenta alcune definizioni riguardo la tipologia dei fonemi che sono pronunciati i ti durante d t il test t t e aii tipi ti i di prove che h possono essere effettuate. • Esempio: studio della qualità acustica del Duomo di Perugia Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 29 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS • Uno dei test più diffusi è quello a lista chiusa, o test a vocabolario: esso si basa su di una sorta di dettato in cui un certo numero di lettori provvede a leggere alcuni gruppi di parole, non necessariamente di significato compiuto: agli ascoltatori, di età compresa tra i 20 e i 62 anni, distribuiti in maniera omogenea e a copertura dell’area interessata, sono forniti dei moduli in cui devono riconoscere il fonema che hanno udito scegliendolo tra diverse possibilità. possibilità • Il set di vocaboli di ogni scelta è creato ad hoc, affinché i fonemi varianti risultino p prossimi e q quindi facilmente confondibili nella dizione. Si citano come esempio le voci per la lingua italiana TIna e DIna (la prima con suono dentale esplosivo sordo, la seconda esplosiva sonora), PIna e BI BIna (l bi l esplosiva (labiale l i sorda d e sonora rispettivamente) i tti t ) oppure CAna CA e GAna (di pronuncia gutturale). • Le parole devono essere incluse in una frase detta portante del tipo: “Segnate ora la parola …..”. La frase portante è tale che la corretta comprensione dello stesso fonema non dipenda dal suo contesto e dal suo significato. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 30 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS • I lettori (almeno due secondo le norme americane, un maschio e una femmina) vanno scelti fra i parlatori medi (non professionisti, professionisti cioè non attori o doppiatori), rappresentativi per lingua madre, età e sesso di chi sarà l’utilizzatore dell’impianto analizzato; non devono evidenziare alcun grave difetto di pronuncia o inflessione dialettale non locale. • Gli ascoltatori scelti (in numero pari o superiore ai lettori) devono essere rappresentativi t ti i per lingua li madre, d età tà e sesso di chi hi sarà à il fruitore f it dell’ambiente analizzato, non devono evidenziare alcun grave difetto percettivo. Gli ascoltatori devono distribuirsi in maniera casuale nell’area p loro destinata. • Il metodo di valutazione consiste nel ricavare il numero percentuale di parole correttamente percepite in rapporto al totale delle parole che sono state lette. Dall’analisi dei moduli compilati da ciascun ascoltatore è possibile ricavare un punteggio percentuale dell dell’intelligibilità intelligibilità della parola, espresso come: T = numero totale di fonemi del test; 100 W I(%) = (R − ) T N −1 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti N = numero di risposte alternative fornite agli ascoltatori, N≥2 R = numero di voci correttamente percepite dagli ascoltatori; W = numero sbagliato di voci. 31 Indici di qualità per il parlato: test ALCONS % di parole comprese Grado di intelligibilità < 35% cattivo 65% scarso 80% sufficiente 95% buono > 95% ottimo In ultimo, una volta ottenuta l’intelligibilità media per posizione dell’ascoltatore, si è ricavata l’intelligibilità media globale della sala. Un’ulteriore Un ulteriore relazione matematica lega il valore dello STI al giudizio di intelligibilità del test ALCons. ALCons = 170,5405e −5,419(STI) Valori di ALcons Giudizio di intelligibilità 0-5 Ottimo 5 - 10 Buono 10 - 15 Sufficiente 15 - 20 Scarso > 20 Cattivo Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 32 Progettazione acustica delle sale La progettazione acustica di una sala, soprattutto se deve rispondere a requisiti impegnativi come avviene nel caso di un auditorium, auditorium di un teatro o di uno studio di registrazione, deve essere impostata correttamente fin dalla forma geometrica. La soluzione di problemi acustici gravi risulta complessa sia con l’inserimento di materiali e/o strutture con spiccate qualita’ acustiche sia con l’ausilio di impianto di elettrodiffusione Le condizioni necessarie per ottenere una buona risposta acustica in una sala sono le seguenti: 1) forma f geometrica, ti di dimensioni i i opportune t e caratteristiche tt i ti h dei d i materiali; t i li 2) livello sonoro sufficiente per tutti i punti di ascolto; 3) assenza di rumori disturbanti, ovvero elevato rapporto segnale/disturbo; 4) tempo di riverberazione ottimale. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 33 Forma della sala e caratteristiche di assorbimento e riflessione acustica delle p pareti Geometria I difetti acustici legati alla forma della sala sono: - focalizzazione del suono; - presenza dei d i cosiddetti idd tti puntiti sordi, di (livelli (li lli di pressione i sonora sensibilmente ibil t più bassi del valore medio; - fenomeni di eco. Alcune forme delle pareti di confine concentrano localmente l’energia sonora, mentre altri punti p nti non ricevono rice ono abbastanza abbastan a energia riflessa livello sonoro insufficiente Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 34 Influenza della forma Focalizzazione del suono in presenza di superficie concave e di piani a base circolare o ellittica. Esempio di movimentazione di una superficie concava con un opportuno rivestimento, in modo da introdurre fenomeni di diffusione, che impediscano la concentrazione del suono. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 35 Influenza della forma La forma dell'ambiente deve essere p possibilmente compatta, p , con dimensioni non molto diverse fra loro. È consigliato separare architettonicamente la sala da corridoi di accesso, dalla tromba delle scale e da altre zone con forma particolare, possono costituire cavità di risonanza. che p Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 36 L’eco Si manifesta quando vi è una riflessione particolarmente intensa rispetto al livello medio del campo riverberato, che giunge nel punto di ascolto con un ritardo rispetto al suono diretto superiore a 70 - 100 ms. Tenuto conto della velocità del suono nell'aria, ad un tale tempo di ritardo corrisponde un percorso superiore a circa 24 m, per cui l'eco può manifestarsi solo in ambienti piuttosto grandi . Per avere il fenomeno dell’eco non basta la sola condizione geometrica , ma devono coesistere 2 ulteriori condizioni: 1. il suono riflesso deve avere una intensità non troppo diversa dal suono diretto;; 2. l'intervallo di tempo intercorrente tra il suono diretto e quello riflesso deve essere di relativo silenzio, senza cioè che tra i due suoni si manifesti la presen a di una presenza na intensa ri riverberazione. erbera ione Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 37 L’eco Nel caso di presenza di eco, un possibile rimedio consiste nel rendere la superficie che rinvia il suono diffondente (movimentando la superficie in modo d analogo l a quanto t visto i t per la l superficie fi i concava)) e/o / assorbente. b t Le superfici riflettenti devono essere disposte in modo che le onde di prima riflessione abbiano un ritardo, rispetto all'onda diretta, inferiore a 50 ms, così da essere percepite come rafforzamento dell'onda diretta stessa. Se la sorgente è posta in prossimità di una parete della sala, è buona regola ricoprire la parete con materiale riflettente, in modo che le onde riflesse possano rafforzare ll'onda onda diretta. diretta Un altro fenomeno sgradevole che può manifestarsi è l'eco multipla, che si verifica in presenza di due pareti riflettenti parallele fra loro e in presenza di segnali acustici di breve durata. Viene percepito come una vibrazione legata alla frequenza di ripetizione del suono tra un rinvio e l'altro l altro delle pareti opposte opposte, che si sovrappone al suono utile. Questo fenomeno non è legato al vincolo geometrico della distanza visto nel caso precedente, ma si manifesta per un esteso campo di valori della distanza fra le pareti. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 38 L’eco In una sala destinata all'ascolto bisogna porre molta attenzione quando si utilizza una galleria sovrapposta alla platea platea, allo scopo di aumentare il numero di posti utili. Se la galleria è di una certa profondità, la parte coperta della platea può soffrire facilmente del fenomeno dell'eco multipla. Il rimedio in questi casi consiste consiste, già in fase di progettazione: -evitare g gallerie troppo pp estese ((come orientamento di p profondità non superiore p a 4-5 m); -prevedere il soffitto della platea non parallelo al pavimento, con una inclinazione tale da favorire una buona diffusione del suono suono. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 39 Posizione reciproca sorgente - ascoltatori Nella disposizione dei posti degli spettatori, di solito si segue il criterio di porre le l fil file di poltrone lt ad d altezze lt di diverse, su un piano i iinclinato li t o sopra una gradinata, in modo da avere una buona visione in ogni punto della sala, senza essere ostacolati dagli spettatori che precedono. possibile disporre p ip posti nel modo sopra p descritto,, si p può Ove non sia p cercare di ottenere lo stesso effetto ponendo la sorgente sonora più in alto rispetto alla platea. Questa disposizione viene seguita in alcune sale cinematografiche o in occasione di spettacoli p all'aperto p ove non sia p prevista una disposizione p fissa delle poltrone Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 40 Posizione delle superfici riflettenti e delle superfici assorbenti •Evitare di rivestire con materiale fonoassorbente alcune superfici che possono costituire dei riflettori utili ai fini di un buon ascolto, ascolto come ad esempio la parete alle spalle della sorgente, nel caso di una sala destinata alla diffusione del parlato (aula scolastica o sala per conferenze). Infatti, il suono da essa riflesso sarà poco ritardato rispetto al suono diretto e contribuirà ad elevare il livello del suono utile. •Una funzione altrettanto utile può essere svolta da una parte del soffitto prossimo alla sorgente sonora. sonora Se il soffitto è sagomato in modo opportuno, opportuno è possibile realizzare riflettori in grado di rinforzare il suono diretto, anche nei punti più lontani dalla sorgente sonora, mediante onde di prima riflessione aventi un ritardo contenuto (entro circa 30 ms) rispetto al suono diretto e perciò utili per l'ascolto. Per questo motivo, le sale di grandi dimensioni assumono forme non parallelepipede, in modo da favorire le prime riflessioni e distribuirle in modo uniforme su tutta ll'area area occupata dagli spettatori. •Per quanto riguarda la parete di fondo della sala, essa non deve rinviare il suono in direzione della sorgente, per evitare pericolosi fenomeni di eco se la sala è di grandi dimensioni e in ogni caso indesiderabili effetti ff di interferenza f col suono diretto. Se S questa parete è riflettente deve essere rientata in modo da rinviare il suono verso gli ultimi posti della sala, oppure è necessario che sia rivestita di materiale assorbente e diffondente. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 41 Posizione delle superfici riflettenti e delle superfici assorbenti Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 42 Livello sonoro sufficiente in tutti i punti di ascolto Un aspetto p molto importante p p per l'ascolto è legato g al livello sonoro nei vari p punti della sala. Se non si vogliono sottoporre gli ascoltatori ad uno sforzo di attenzione esagerato, un livello minimo di 65 dB è necessario per assicurare una buona intelligibilità della parola. Un mezzo per aumentare il livello sonoro consiste nel disporre di un rinforzo del suono diretto mediante opportuni riflettori che consentano di sfruttare i principi della riverberazione direzionale. Sezioni longitudinali di sale la cui forma contribuisce a rinforzare l’intensità del campo diretto. diretto Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 43 Livello sonoro sufficiente in tutti i punti di ascolto All'aumentare del volume della sala mantenendo sufficiente il livello sonoro occorre diminuire le unità assorbenti,, fino ad un valore tale da non compromettere l'intelligibilità. Ne consegue che esiste un volume della sala oltre il quale non è più possibile assicurare un livello sonoro soddisfacente senza un deterioramento della qualità dell'ascolto. Esiste cioè un volume limite dell'ambiente oltre il quale quale, per assicurare un livello sonoro soddisfacente, è necessario ricorrere ad un impianto di amplificazione. Il valore di questo limite dipende anche dalla potenza sonora erogata dalla sorgente e quindi dalla natura della sorgente stessa (oratore, coro, musica da camera,, ecc.). ) Sorgente sonora Volume massimo della sala (m3) Oratore 3000 Oratore addestrato (attore, predicatore) 6000 Cantante o solista strumentale 10000 Orchestra sinfonica 20000 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 44 Assenza di rumori disturbanti Oltre ad assicurare un livello soddisfacente del suono, occorre che questo non risulti i lti disturbato di t b t dalla d ll presenza di rumorii percettibili, ttibili sia i originati i i ti all'interno ll'i t d della ll sala sia di provenienza esterna. In ogni caso occorre rilevare il rumore di fondo e il suo spettro di frequenza frequenza. Il livello di rumore in una sala vuota non deve superare p 35 dB. Esempio: rumore esterno = 75 dB, occorrerà prevedere un isolamento acustico di almeno 40 dB per rispettare le specifiche del rumore di fondo interno. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 45 Tempo di riverberazione ottimale Per il tempo di riverberazione, valgono le considerazioni già viste a proposito della destinazione d'uso della sala. Il valore del tempo di riverberazione deve essere anche sufficientemente indipendente della frequenza per avere un buon equilibrio fra le varie componenti del suono all'interno dell'ambiente. Andamento del tempo di riverberazione ottimale per un auditorio per parlato di 500 in funzione della m3 frequenza il tempo di riverberazione ottimale a 500 Hz è pari a 0,75 s, mentre alle altre frequenze assume i seguenti valori: τ60,ott 0,83 < τ60,ott τ60,ott 60 ott(500) *0,83 60 ott(250) < 60 ott(500) * 1,3 τ60,ott(500) * 0,83 < τ60,ott(1000) < τ60,ott(500) * 0,88 τ60,ott(500) *0,8 < τ60,ott(4000) < τ60,ott(500) * 0,88 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti fattore moltiplicativo di τ60,ott a 500 Hz 2 1,5 1 0,5 0 100 200 500 1000 2000 frequenza [Hz] 5000 10000 46 Contributo del pubblico Un’osservazione a parte merita l'effetto fonoassorbente dovuto alla presenza del p pubblico in sala. L'assorbimento acustico p prodotto dalle p persone è tutt'altro che trascurabile. A titolo orientativo, per la frequenza di 500 Hz, si può stimare in circa 0,5 unità assorbenti totali il contributo per ciascuna persona. Poiché il tempo di riverberazione varia sensibilmente tra le condizioni di sala vuota di spettatori e sala piena, per la valutazione del tempo di riverberazione ottimale tti l occorre procedere d con qualche l h cautela. t l 1. Nei casi meno impegnativi ci si può riferire a condizioni intermedie, calcolando i valori corrispondenti alle situazioni estreme. estreme 2. Nelle grandi sale di elevata qualità acustica si possono impiegare delle poltrone realizzate in modo da avere le stesse unità assorbenti sia p quando il posto è vuoto che quando è occupato. In questo modo la riverberazione nella sala, vuota o piena, resta la stessa. Realizzazioni di questo tipo, oltre a funzionare in modo ottimale in ogni condizione di affluenza di pubblico, sono molto apprezzate dai musicisti, che possono suonare durante le prove in condizioni del tutto simili a quelle dell'esecuzione pubblica. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 47 Progettazione Noti i valori del tempo di riverberazione ottimale alle varie frequenze, si valutano, mediante la relazione di Sabine le unità assorbenti ottimali Aott (fi) relative alla banda di frequenza fi considerata: A ott ( fi ) = 0,16 V τ 60,ott ( fi ) La scelta dei materiali, della tipologia delle pareti e degli arredi va effettuata in modo da garantire che: A( fi ) = A ott ( fi ) Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 48 Correzione acustica Quando un ambiente già in opera è caratterizzato da una cattiva qualità acustica, è necessario ricorrere alla cosiddetta correzione acustica. I casi che si possono presentare sono due: 1. ambiente troppo riverberante, quando il tempo di riverberazione è superiore a quello ottimale; 2 ambiente sordo, 2. sordo quando il tempo di riverberazione è inferiore a quello ottimale. Nel caso 1), che è anche quello più frequente, devono essere aggiunte unità assorbenti Aagg (fi) in modo da soddisfare la seguente relazione: A agg ( fi ) = A ott ( fi ) − A( fi ) Che in termini di tempo di riverberazione, può essere riscritta come: ⎛ ⎞ 1 1 ⎟ − A agg ( fi ) = 0,16 ⋅ V ⎜ ⎜ τ 60,ott ( fi ) τ 60 ( fi ) ⎟ ⎠ ⎝ Per ciascuna banda di frequenza si ottiene un diverso valore delle unità assorbenti da aggiungere. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 49 Correzione acustica L'aggiunta delle unità assorbenti viene perseguita mediante l'applicazione di pannelli fonoassorbenti, il coefficiente di assorbimento e la superficie dei quali sono dimensionati di i ti in i base b all valore l di Aagg (fi). ) Se S non sii fosse f riusciti i iti ad d ottenere τ60,ott a tutte le frequenze, si sarebbe dovuto scegliere un pannello con caratteristiche diverse oppure si sarebbero dovute installare più tipologie di pannelli, ciascuno con α(f) elevato solo su una stretta banda di frequenze. Per apportare la correzione acustica nel caso di ambiente sordo, deve essere diminuito il valore delle unità assorbenti con lo stesso procedimento, fino a raggiungere quello ottimale alle varie frequenze. Alternativamente si può introdurre un impianto elettroacustico di diffusione d l suono, in del i modo d da d garantire ti un maggior i livello li ll di pressione i sonora in i tutti t tti i punti della sala. Nel momento in cui il tempo di riverberazione, dopo la correzione, rientra entro i valori ottimali, anche gli altri indici di qualità acustica delle sale migliorano, avvicinandosi ai valori ottimali. Ciò può essere agevolmente verificato mediante misure prima e dopo la realizzazione d ll’ dell’opera, ovvero attraverso tt simulazioni i l i i mediante di t opportuni t i codici di i di calcolo. l l Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 50 Esempio di correzione acustica La misura del tempo di riverberazione avviene in conformità alla UNI 3382, con il metodo della stazionarietà interrotta o con il metodo dell’impulso. Supponendo di aver misurato il tempo di riverberazione prima dell’intervento, si p possono calcolare le unità assorbenti p presenti: frequenza (Hz) tempo di riverberazione misurato (s) unità assorbenti presenti (m2) 250 1,3 62 500 10 1,0 80 1000 0,9 89 4000 1,8 44 frequenza (Hz) τ60 ottimale(s) A ottimali (m2) A aggiuntive (m2) 250 0 80 0.80 100 38 500 0,75 107 27 1000 0 64 0,64 125 36 4000 0,63 127 83 Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 51 Esempio di correzione acustica Per l'aggiunta di tali unità assorbenti si applica un pannello fonoassorbente con coefficiente di assorbimento α elevato alla f frequenza di 4000 Hz, H poiché i hé il massimo i valore l d ll unità delle ità assorbenti b ti da d aggiungere si ha a 4000 Hz. Se il pannello mostra, ad esempio, α(4000) = 0,78, la superficie di pannello da aggiungere è: S= A agg ( 4000 ) 0,8 83 = = 106 (m2) 0,78 frequenza (Hz) α del sughero A aggiunte (m2) τ60 finale(s) τ60 ottimale(s) 250 0,35 37,1 0,81 0.80 500 0,40 42,4 0,65 0,75 1000 0,40 42,4 0,61 0,64 4000 0,78 83,0 0,63 0,63 Tempo di riverberazione dopo l'intervento. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 52 Fasi della progettazione degli interventi di correzione acustica Generalmente, la correzione acustica è articolata nelle seguenti fasi: 1. caratterizzazione dello stato attuale mediante una campagna di misure dei principali descrittori acustici della sala (tempo di riverberazione, indici di definizione, definizione chiarezza chiarezza, RASTI RASTI, STI); 2. p progettazione g degli g interventi; 3. simulazioni dello stato di progetto( ad esempio, impiegando Ramsete), al fine di prevedere lo stato acustico dopo la realizzazione delle correzioni acustiche; 4. misure di verifica dei principali descrittori acustici della sala (tempo di riverberazione, indici di definizione, chiarezza, RASTI, STI) dopo la realizzazione dell’opera dell opera. Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 53 Esempio: studio di fattibilità per la riqualificazione dell’Aula dell Aula Magna dell dell’Università Università di Perugia Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 54 Studio di fattibilità per la riqualificazione dell’Aula Magna dell dell’Università Università di Perugia Corso di Impianti tecnici per l'edilizia - E. Moretti 55