Strumentazione impiegata per la misura del suono

Per esprimere attraverso un numero ciò che noi comunemente sperimentiamo attraverso una sensazione (percezione uditiva) è necessario disporre di un misuratore di livello sonoro, o più comunemente chiamato fonometro. Tale strumento di misura è dedicato alla rilevazione della pressione sonora e all'elaborazione del segnale al fine di ottenere gli indici descrittori tipici delle misure del rumore: livello di pressione sonora (L_p), livello equivalente di pressione sonora (L_Aeq), livelli percentili (L_N), etc.. Tuttavia, pare evidente che la sensazione sonora che comporta fenomeni fisiologici complessi non può essere tradotta in fattori numerici semplici. Per questo, il fonometro considera l'andamento della sensibilità dell'orecchio umano in funzione delle diverse frequenze, introducendo nei circuiti elettrici delle curve di ponderazione che approssimano le curve di uguale sensazione dell'audiogramma (ISO 226).

Il fonometro è quindi uno strumento per valutare l'ampiezza dei suoni e fornire dati obiettivi e riproducibili.

In commercio esistono diversi sistemi per la misura del suono, anche se, ciascun sistema, può essere, schematicamente, ricondotto a:

- microfono;

- unità di trattamento dati;

- unità di lettura dati.

Il microfono, converte una grandezza acustica, corrispondente alla pressione sonora che agisce sulla membrana microfonica, in un segnale elettrico equivalente. Tale segnale, prima di essere analizzato, subisce un'amplificazione, mediante un preamplificatore.

Il segnale così amplificato può passare attraverso un circuito di pesatura, il quale simula le curve di uguale sensazione di un orecchio umano (curve di ponderazione), oppure passare attraverso dei filtri elettronici che dividono un suono complesso, nella gamma di frequenza da 20 Hz a 20 kHz, in bande di ottava o 1/3 di ottava.

Una banda di frequenza di un'ottava è compresa fra due frequenze delle quali la frequenza più alta è due volte la frequenza più bassa. Per esempio: un filtro di un'ottava, con frequenza centrale di 1.000 Hz, permette la misura di suoni compresi fra 707 e 1414 Hz.

Analogamente la larghezza di banda di un 1/3 di ottava copre una gamma dove la frequenza più alta e 1,26 volte maggiore della frequenza più bassa.

Questo processo, nel quale il segnale viene analizzato in molte bande di frequenza, prende il nome di analisi in frequenza, normalmente rappresentato su un grafico chiamato spettrogramma (vedi grafico sopra riportato).

Dopo che il segnale è stato ponderato e/o diviso nelle bande di frequenza viene determinato il valore efficace (RMS) attraverso un rettificatore. Tale valore riveste un'estrema importanza nelle misure di rumore, poiché esprime la quantità di energia contenuta nel segnale sonoro. Infatti, la maggior parte dei suoni richiede la misura di un livello fluttuante. Se tale livello varia troppo velocemente, il display fornirà un'indicazione talmente rapida del dato da non consentire una lettura corretta. Per questa ragione, la normativa internazionale (IEC) ha indicato due risposte caratteristiche del rilevatore, conosciute come costanti di tempo "Fast" (veloce) e "Slow" (lenta).

"Fast" è una costante di tempo di 0,125 s. e permette di ottenere una risposta rapida del segnale per seguire e misurare i livelli sonori che non oscillano troppo rapidamente, mentre "Slow" è una costante di tempo pari a 1 s. e da, quindi, una risposta lenta per smorzare le fluttuazioni rapide e rendere così possibile una lettura precisa dei livelli di rumorosità. Per valutare il disturbo provocato da colpi, per misure in ambienti di vita e anche per quelle in ambienti di lavoro, viene inoltre richiesta la misura in "Impuls", contraddistinta da tempi di risposta al segnale ancora più rapidi, pari a 0,035 s..

Il livello sonoro così elaborato passa all'unità di lettura dei deciBel (dB) tramite un display, da cui l'operatore prende visione del valore misurato.

Per la misura del rumore ai fini della valutazione degli effetti, sia in campo ambientale (per valutare il disturbo) sia negli ambienti di lavoro (per valutare l'eventuale danno uditivo), è necessario considerare oltre al livello anche la durata, in modo da poter determinare l'energia ricevuta.

L'indice che descrive questa energia è il livello sonoro continuo equivalente (L_Aeq) misurato in un dato intervallo di tempo.

Il livello sonoro equivalente, è, infatti, definito come il valore del livello di pressione sonora ponderata "A" di un suono costante che, misurato nel periodo di tempo T, ha il medesimo contenuto energetico, quindi lo stesso potenziale nocivo, del corrispondente suono variabile analizzato nello stesso periodo di tempo. Esso è calcolato secondo la seguente relazione:

dove LAeq è il livello continuo equivalente di pressione sonora ponderata "A" considerato in un intervallo di tempo che inizia all’istante t1 e termina all’istante t2; pA(t) è il valore istantaneo della pressione sonora ponderata "A" del segnale acustico in Pascal (Pa); p₀ = 20 µPa è la pressione sonora di riferimento.

Il calcolo del LAeq avviane direttamente dallo strumento di misura attraverso un circuito mediatore. Lo strumento dotato di tale opzione prende il nome di fonometro integratore.

I fonometri possono essere di classe 0, 1, 2 e, oramai sempre più rari, 3 in funzione della loro precisione (classe 0, più precisi, classe 3, meno precisi). Le loro caratteristiche devono soddisfare le prescrizioni delle norme internazionali IEC (Internetional Eletrotechnical Commission) 60651 e 60804. Tuttavia, la quasi totalità degli strumenti appartiene a due sole classi:

classe 1: strumento per laboratorio e misure di precisione sul campo, con tolleranza sulla linearità in frequenza di ±1 dB per frequenze attorno a 1 kHz e dinamica di 60 dB, con linearità di ampiezza di ±0,7 dB;

classe 2: misure sul campo di uso generale, con tolleranza dell'ordine di ±1,5 dB sulla risposta in frequenza nella gamma centrale e dinamica di 60 dB, con linearità di ampiezza di ±1 dB.

La normativa nazionale prevede che per la misura del rumore, ai fini delle verifiche dei limiti di Legge, sia impiegato un sistema di misura conforme alla classe 1.

L'evoluzione tecnologica applicata agli strumenti di misura del suono ha consentito di realizzare apparecchi sempre più sofisticati, in grado di visualizzare contemporaneamente diversi parametri fra cui la distribuzione, in tempo reale, delle bande di frequenza del rumore, cioè di vedere come si distribuisce lo spettro di un suono nella gamma delle frequenze udibili, passando così dai vecchi fonometri integratori, agli attuali analizzatori di spettro real-time.

Esempio di interfaccia grafica di un analizzatore di spetto real-time di ultima generazione

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