Cos'è il suono?
Si avverte un suono quando una perturbazione nella pressione dell'aria raggiunge il nostro timpano, lo mette in vibrazione e viene trasmessa attraverso tutto l'apparato uditivo fino al cervello, dove viene elaborata la sensazione sonora. La perturbazione di pressione che viaggia nello spazio e che ha prodotto la sensazione sonora è detta onda sonora.
Non tutte le variazioni di pressione, però, possono essere percepite. Diventano suono solo quando rispettano alcuni limiti fisiologici: variazioni troppo rapide, troppo lente, o troppo piccole non sono udibili; variazioni troppo grandi possono danneggiare l'orecchio.
La frequenza con cui la perturbazione si ripete si misura in cicli al secondo, o hertz (simbolo Hz). Ad esempio la nota "La" con cui si accordano le orchestre moderne corrisponde ad una frequenza di 440 Hz. Ciò significa che la pressione al timpano passa da un massimo al massimo successivo 440 volte in un secondo. Convenzionalmente si dice che non è possibile udire suoni di frequenza inferiore a 20 Hz o superiore a 20000 Hz.
Il rumore ambientale normalmente si compone di tante frequenze diverse, che possono essere rappresentate in un grafico detto spettro. Ne esistono di diversi tipo. Quello più utile nelle misure ambientali è il cosiddetto spettro in terzi d'ottava, in cui l'insieme delle frequenze udibili è suddiviso in regioni spaziate tra di loro di un intervallo costante corrispondente all'intervallo musicale di una terza maggiore (cliccando su questo link si può ascoltare un esempio di questi intervalli).
Ciò che viene colloquialmente chiamata "intensità" (o "forza") di un rumore è l'oggetto principale di questo progetto, e vi dedichiamo qualche parola nel paragrafo seguente.
Come si misura l'intensità di un suono?
Quanto è forte un suono? È più forte questo o quel suono? E di quanto? Queste domande corrispondono ad esperienze comuni: quando un'automobile è distante il rumore che fa è più debole, mentre si fa più forte man mano che si avvicina. La percezione dell'intensità sonora, quindi, ci aiuta ad orientarci nello spazio (e a non essere investiti).
Da un punto di vista puramente fisico l'intensità di un suono si può identificare con l'energia per unità di superficie che le onde di pressione ad esso associate (le onde sonore) trasferiscono in un secondo. Tuttavia le operazioni che il nostro apparato uditivo esegue per formare la percezione dell'intensità del suono sono piuttosto complesse e collegare queste sensazioni ad una lettura strumentale non è sempre immediato. Di fatto l'intensità percepita non dipende solo dall'energia sonora trasmessa, ma anche anche da fattori quali lo spettro, e l'andamento temporale del suono stesso.
Abbiamo detto che un rumore corrisponde ad una variazione di pressione dell'aria, quindi, ad esempio, mediante un opportuno microfono opportunamente calibrato, possiamo misurare l'ampiezza massima di questa variazione. La variazione di pressione rispetto alla pressione atmosferica si chiama pressione sonora. In generale si tratta di un valore variabile nel tempo.
Per farsi un'idea, ricordando che la pressione atmosferica standard vale 101325 Pa (pascal, unità di misura internazionale della pressione), il suono di 1000 Hz più debole percepibile dall'orecchio umano corrisponde ad una pressione sonora di soli 0.00002 Pa. Una pressione sonora di 63 Pa è in genere già sufficiente per provocare una sensazione dolorosa all'orecchio. L'intervallo di pressione sonora udibile è quindi piuttosto grande, anche se i suoi valori sono molto piccoli rispetto alla pressione atmosferica.
L'esperienza, però, mostra che se si raddoppia l'ampiezza (cioè la pressione sonora) la sensazione non sarà quella di un rumore due volte più forte. Se un suono produce un certo rumore, per avere una sensazione due volte più forte non bastano due suoni identici, ma ne servono all'incirca 10. Quando i suoni non sono puri e identici tra loro la situazione è più complessa. In termini matematici si dice che la percezione dell'intensità del suono non è direttamente proporzionale all'ampiezza della pressione sonora, ma segue approssimativamente una legge logaritmica.
Per tenere conto del fatto che i valori di pressione spaziano molti ordini di grandezza e simultaneamente ottenere una rappresentazione dell'intensità del suono che assomigli all'intensità percepita si utilizzano le cosiddette scale in decibel.
Il livello di pressione sonora in decibel
Innanzitutto: i decibel (simbolo dB) non sono un'unità di misura. Sono una scala in cui una qualunque grandezza fisica (ad esempio una lunghezza, un tempo, una potenza, ecc. e quindi, in particolare, anche una pressione sonora) può essere rappresentata rispetto ad un valore di riferimento.
Il livello di pressione sonora (spesso abbreviato con L in italiano, con SPL in inglese), è una misura del valore efficace della pressione sonora rispetto ad un valore minimo scelto in modo convenzionale.
Dato un valore misurato p della della pressione sonora efficace espresso in Pa il livello L viene comunemente espresso in dB nel modo seguente:
si sceglie un valore di riferimento fissato della stessa grandezza misurato nella stessa unità di misura (nelle misure ambientali si sceglie la soglia standard di pressione sonora udibile p0= 0.00002 Pa)
si applica la seguente formula
L(dB)=20* log10pp0.
Dalla precedente espressione si deduce, ad esempio, che il livello pari alla pressione p0 è 0 dB, che un valore di p doppio di p0 corrisponde ad un livello di circa +6 dB, un valore mezzo a circa -6 dB, un valore pari a 10 volte p0 corrisponde esattamente a +20 dB.
Attenzione, quindi: una misura espressa in dB non ha un significato assoluto (a differenza del valore espresso nella sua unità di misura nativa). Il valore della scala in dB cambia sia a seconda della grandezza misurata sia del valore di riferimento scelto. A rigore, quindi, queste due informazioni dovrebbero sempre essere riportate assieme alla dicitura dB. Nel caso particolare delle misure di pressione sonora (in aria) il valore è noto, e quindi spesso si omette di riportarlo, ma, specie negli strumenti elettronici, le scale in dB sono invece tarate rispetto al massimo valore supportato dallo strumento, quindi 0 dB corrisponde al massimo, e tutte le altre letture daranno valori negativi.
C'è anche un'altra complicazione: come già accennato, l'orecchio umano non ha la stessa sensibilità a tutte le frequenze, quindi, nel paragonare un valore SPL misurato con la sensazione di "intensità sonora" compariranno delle discrepanze. Per rendere il valore misurato più simile alla sensazione percepita si utilizza una correzione standard detta "pesatura di tipo A". Essa attribuisce un valore più basso alle frequenze vicine agli estremi del campo udibile, che sono quelle per cui l'orecchio ha una sensibilità minore.
La scala dei decibel corretta tramite la pesatura A si indica con la sigla dB(A), anziché semplicemente dB. In alternativa si può usare il simbolo L(A) al posto di L per indicare il livello di pressione sonora così corretto.
Rumore ambientale ed effetti sulla salute
È dimostrato che l'esposizione a livelli di pressione sonora (SPL) superiori a 80 dB(A) per 8 ore al giorno è in grado di indurre danni cronici all'apparato uditivo.
Per questo, la legislazione sulla protezione dei lavoratori prescrive di valutare l'esposizione e prendere provvedimenti quando il livello medio su 8 ore supera gli 80 dB(A). Tale valore medio si dice Livello di Esposizione ed è indicato come Lex,8h. Le prescrizioni per la protezione sono tanto più stringenti quanto più ci si discosta dal valore soglia, calcolato non considerando l'effetto di eventuali dispositivi di protezione individuale (DPI).
Il progresso della tecnologia ha consentito di ridurre l'esposizione al rumore in molti ambienti di lavoro; la moderna industria manifatturiera garantisce, per molte lavorazioni, livelli di esposizione a rumore prossimi a 75 dB(A) permettendo così ai lavoratori di operare senza la necessità di adottare DPI per l'udito.
L'utilizzo di questi dispositivi continua tuttavia a essere indispensabile per alcune lavorazioni intrinsecamente rumorose, tipicamente:
carpenteria metallica con uso di martello - 93 dB(A);
molatura con utensili elettrici - da 90 a 96 dB(A)
molatura con utensili pneumatici - da 93 a 103 dB(A)
In caso di Lex,8h > 85 dB(A) è obbligatoria anche una specifica sorveglianza sanitaria proprio per prevenire eventuali danni. Il rischio è associato al livello misurato con una certa risposta allo spettro, definita dalla curva A, anche per suoni non percepiti come "rumore". Ad esempio gli orchestrali professionisti sono tipicamente esposti al di sopra di 85 dB(A) e pertanto sottoposti a sorveglianza sanitaria.
L'inquinamento acustico
Anche al di sotto di 80 dB(A) il rumore può provocare disturbo soggettivo e, in caso di esposizione cronica, anche danni alla salute, legati essenzialmente all'interferenza con la capacità di concentrazione e di riposo. La legge italiana definisce "inquinamento acustico" "l'introduzione di rumore nell'ambiente abitativo o nell'ambiente esterno tale da provocare fastidio o disturbo al riposo ed alle attività umane, pericolo per la salute umana, deterioramento degli ecosistemi, dei beni materiali, dei monumenti, dell'ambiente abitativo o dell'ambiente esterno o tale da interferire con le legittime fruizioni degli ambienti stessi".
Per prevenirlo, sono definiti specifici livelli di rumore ambientale che devono essere rispettati in funzione della destinazione di una certa area, più restrittivi per gli ambienti che richiedono maggiore tutela. Per esempio:
nelle aree residenziali in periodo notturno il rumore misurato all'interno delle abitazioni a 1 m dalla finestra aperta deve essere < 40 dB(A) tra le 22.00 e le 6.00;
nelle aree esclusivamente industriali è ammesso un livello di rumore ambientale più alto ma non illimitato, proprio per garantire la tutela dell'ambiente circostante;
al di fuori dei luoghi di lavoro il rumore ambientale in zona industriale, valutato come media sulle 24 ore, deve essere comunque < 70 dB(A).
Oltre al livello di rumore in dB(A), è necessario valutare anche l'eventuale presenza di componenti spettrali prevalenti sulle altre e la presenza di eventi sonori impulsivi in quanto particolarmente disturbanti.
Il confronto tra i livelli di rumore ambientali ammessi dai piani comunali di classificazione acustica e la situazione esistente è richiesto dalla normativa prima di realizzare particolari tipologie di insediamenti quali scuole e asili nido, ospedali, case di cura e di riposo, parchi pubblici urbani ed extraurbani, nuovi insediamenti residenziali prossimi a opere infrastrutturali impattanti. Tale confronto è definito "valutazione previsionale di clima acustico".
I rumori dell'ambiente naturale, generati per esempio dal canto degli uccelli, dai corsi d'acqua e dal vento, contribuiscono in queste valutazioni al cosiddetto "rumore residuo", che è necessario valutare in quanto sono definiti limiti anche in relazione al rumore prodotto da una specifica sorgente (livello differenziale). L'insieme dei suoni naturali e artificiali percepibili in un dato ambiente si riassume in un concetto, più ampio del clima acustico, che attiene anche alla percezione del singolo e non è caratterizzabile solo mediante misure strumentali: il concetto di paesaggio sonoro (in inglese di soundscape).
Gli strumenti di misura
Lo strumento di misura dedicato alla misura del livello di pressione sonora si chiama fonometro. Si tratta di uno strumento dotato di specifici circuiti analogici che trattano il segnale in ingresso in tempo reale per permettere di identificare le componenti spettrali e il profilo temporale del rumore. Specifiche norme tecniche definiscono le modalità per individuare le componenti tonali e impulsive
I fonometri memorizzano l'andamento delle componenti spettrali in bande di larghezza pari ad almeno 1/3 d'ottava, e il valore di SPL medio con la possibilità di scegliere la risoluzione temporale : slow = 1 s, fast = 125 ms, impulse = 1 ms.
Cosa si può fare con lo smartphone?
Usare lo smartphone per misurare il livello di pressione sonora comporta diversi vantaggi:
Gli smartphone sono poco ingombranti e diffusissimi;
hanno sempre un microfono integrato, ed hanno grande capacità di memoria e di elaborazione dei dati;
esistono tanti software per la registrazione, manipolazione e analisi del suono. Alcuni di questi sono sviluppati in modo scientificamente rigoroso, ed espressamente pensati per effettuare rilievi ambientali.
Tuttavia ci sono anche diversi problemi tecnici, se li si vuole utilizzare come strumenti di misura:
Gli smartphone non sono equivalenti agli strumenti professionali, in quanto non sono dotati di hardware dedicato specificamente alla misura del livello sonoro, ma, per l'analisi del suono si affidano al trattamento numerico del segnale effettuato via software. Questo passaggio, però, richiede un certo tempo di acquisizione ed elaborazione, il che rende lo smartphone inadeguato ad elaborare variazioni del segnale che avvengono in tempi inferiori al secondo. Ciò non toglie che il valore misurato possa essere alla fine accurato, ma, specie in presenza di eventi sonori rapidi, la misura avrà sempre un'incertezza maggiore rispetto ad un fonometro.
il microfono dello smartphone non è un microfono di misura, ma è pensato sostanzialmente per trasmettere la voce umana, che copre solo un piccolo intervallo di frequenze e di intensità rispetto al rumore ambientale. Il microfono integrato non è in grado di registrare con uguale sensibilità tutti i rumori di origine ambientale;
l'affidabilità del microfono alle diverse frequenze dipende anche molto dalle condizioni dello stesso (pulizia, posizionamento, presenza di ostacoli);
spesso il software degli smartphone autoregola il volume per favorire la comprensibilità nelle telefonate: aumenta il volume automaticamente quando il suono registrato è debole, mentre lo diminuisce quando è troppo forte;
come ogni strumento di misura lo smartphone andrebbe tarato su un valore di riferimento standard prima di essere usato.
Altri riferimenti e approfondimenti
Materiale per approfondimenti è disponibile sul sito fisicaondemusica.unimore.it. In particolare si vedano le seguenti pagine: L'onda sonora, Diversi tipi di rumore, Percezione dell'intensità sonora.
