Le scale per la misura del livello sonoro

Vi sono due caratteristiche importanti del suono o del rumore: la frequenza e l’intensità. In questo articolo approfondiremo entrambe e vedremo con quali scale si misura il livello sonoro, in quanto tali nozioni sono molto utili per le persone interessate alla valutazione dell’inquinamento acustico.

Il suono è un’onda di pressione variabile che attraversa un mezzo. Quando il suono attraversa l’aria, la pressione atmosferica varia in maniera periodica. Il numero di variazioni di pressione al secondo è chiamato “frequenza” del suono e viene misurato in Hertz (Hz), definiti anche come “cicli al secondo”. In pratica, maggiore è la frequenza, e più il suono è percepito come “alto” o acuto; mentre, al contrario, minore è la frequenza e più il suono verrà percepito come “basso” o grave.

Le onde sonore possono teoricamente avere qualsiasi frequenza. Tuttavia, l’apparato uditivo umano reagisce solo a suoni di frequenza compresa fra 20 Hz e 20 kHz. I suoni di frequenza inferiore a 20 Hz sono chiamati infrasuoni, mentre quelli di frequenza superiore a 20 kHz sono chiamati ultrasuoni.

Lo spettro sonoro è un grafico che si utilizza nell’analisi di un rumore o di un suono: vi sono riportati i livelli sonori in funzione della frequenza. Uno spettrogramma, invece, è la rappresentazione grafica dell’intensità di un suono o di un rumore in funzione anche del tempo, oltre che della frequenza. Di fatto, può essere visto come uno spettro sonoro che si “muove” lungo l’asse del tempo.

I suoni prodotti, ad esempio, dai tamburi hanno frequenze molto inferiori a quelle prodotte da un fischio. La cosa interessante è che, mentre per un tono puro il grafico è formato da una semplice linea e per un suono musicale da una serie di linee in corrispondenza alle frequenze fondamentali e alle loro armoniche, per un rumore lo spettro è invece dato da una banda (o raggruppamento di frequenze).

È possibile divertirsi a esaminare lo spettro sonoro e lo spettrogramma di un suono o del rumore (o di vocali, consonanti, parole, frasi, etc.) al computer, con appositi software gratuiti reperibili online ed utilizzando un microfono esterno, possibilmente di buona qualità.

Tali programmi mostrano spesso anche la forma d’onda, che è legata al tipo di suono (ad es. per un tono puro è una sinusoide la cui frequenza, cioè la distanza in cicli al secondo fra due picchi contigui della sinusoide, è uguale alla frequenza del tono), mentre l’ampiezza è legata all’intensità del suono. La forma d’onda associata al suono del rumore, di uno strumento musicale o di una parola è invece più complessa e irregolare, in quanto somma di più onde sinusoidali a diverse frequenze.

La misura dell’intensità

L’altra proprietà del suono o del rumore è la sua intensità. Un rumore forte spesso ha una variazione di pressione maggiore e uno debole ha una variazione di pressione minore. L’orecchio umano può percepire una vasta gamma di pressione sonora. Il suono più debole che un orecchio umano in grado di rilevare ha una variazione di pressione di 20 micro Pascals, abbreviata come μPa, e si chiama “soglia di udito”.

D’altra parte, la pressione sonora in alcuni eventi molto rumorosi, come il lancio della navetta spaziale, può produrre una grande variazione di pressione, a una distanza ridotta: di circa 2000 Pa o 2 x 10⁹ μPa. La tabella seguente illustra il livello di pressione sonora per alcuni rumori o suoni:

Pressione sonora approssimata prodotta da alcuni tipi di suoni.

Data la vasta gamma delle pressioni coinvolte, un modo più semplice per esprimere la rumorosità del suono o del rumore è quello di usare una scala logaritmica a base 10.  Per evitare di esprimere il suono o il rumore in termini di Pascal – il che potrebbe comportare alcuni numeri non gestibili – viene utilizzata la scala in decibel (o dB, che è la decima parte del “bel”, oggi non più usato).

La scala in decibel utilizza la soglia uditiva di 20 μPa (o 20 x 10^-6 Pa) – che abbiamo illustrato prima – come livello di riferimento. Questo livello è definito come “0 dB”. Un’apposita formula collega il livello di pressione sonora, al livello sonoro espresso in decibel (dB). La scala logaritmica in decibel aiuta a gestire i numeri che abbracciano una larga scala molto più facilmente.

Equivalenza fra la scala in decibel (logaritmica) e quella in Pascal (lineare).

Un aspetto utile della scala in decibel è che fornisce un’approssimazione molto migliore della percezione umana della intensità relativa rispetto alla scala in Pascal. Questo perché l’orecchio umano risponde al cambiamento logaritmico del livello, che corrisponde alla scala in decibel.

Nella vita reale, diverse fonti di suoni spesso sono in azione contemporaneamente. Si potrebbe essere interessati a sapere quali sono i risultati quando un suono viene combinato con un altro. Aggiungere 60 mele a 60 mele dà 120 mele. Ma questo non è il caso dei suoni quando vengono espressi in decibel. Infatti, l’aggiunta di 60 decibel a 60 decibel non dà 120 dB, bensì “solo” 63 decibel.

La scala in decibel “A ponderata”

Oltre alla scala in decibel appena illustrata, esiste una scala in decibel “A-ponderata”. Infatti, un normale orecchio umano è in grado di ascoltare suoni con frequenze da 20 Hz a 20.000 Hz, chiamata “gamma delle frequenze udibili”. I suoni che sentiamo comprendono diverse frequenze.

L’intero intervallo di frequenza udibile può essere suddiviso in 8 o 24 bande di frequenza, note rispettivamente come bande di ottave o bande di 1/3 di ottava. Un particolare suono o rumore ha livelli di pressione sonora diversi nelle bande di frequenza. Un solo singolo livello di pressione sonora è spesso utilizzato per descrivere un suono. Ciò può essere fatto aggiungendo il contributo di tutte le bande di ottava o bande di 1/3 di ottava per ottenere un unico livello di pressione sonora.

La risposta dell’orecchio al suono dipende però dalla frequenza del suono stesso. Infatti, mentre un suono di 1 kHz e 0 dB è ancora udibile, è necessario aumentare l’intensità sonora fino a 37 dB per poter ascoltare un tono a 100 Hz di frequenza. Lo stesso vale per i suoni superiori a 16 kHz. Questa dipendenza della risposta dalla frequenza è stata scoperta e misurata da Fletcher e Munson nel 1933.

L’orecchio umano ha il picco di risposta da circa 2.500 a 3.000 Hz, mentre ha una risposta relativamente bassa alle basse frequenze. Quindi, il singolo livello di pressione sonora ottenuto semplicemente aggiungendo il contributo di tutte le bande di ottava o bande di 1/3 di ottava non è correlato bene con la risposta in frequenza non lineare dell’orecchio umano.

Ciò ha portato al concetto delle scale “ponderate”: all’idea che, utilizzando un adeguato “filtraggio” (in pratica, una ponderazione sulle frequenze, attenuando e tagliando le alte e le basse frequenze per simulare quanto fa il nostro orecchio, lasciando invariate le frequenze medie) sarebbe stato possibile misurare in modo oggettivo il livello sonoro effettivamente percepito dall’orecchio umano.

La ponderazione sulle frequenze che permette di ottenere una scala in decibel “A-ponderata”.

Nella scala in decibel “A-ponderata”, i livelli di pressione sonora per le bande di frequenze più basse e le bande ad alta frequenza sono dunque ridotte di determinate quantità prima di essere combinate insieme per dare un singolo valore del livello di pressione sonora. Tale valore è designato come dB (A). Il dB (A) è spesso usato, in quanto riflette in modo più preciso la risposta in frequenza dell’orecchio umano. Tale ponderazione è spesso incorporata nelle apparecchiature di misura per dare letture in dB (A).

Diversi studi hanno mostrato una buona correlazione tra il livello sonoro ponderato A – misurato dalla suddetta scala “A ponderata” – e il danno uditivo, e pure con l’interferenza vocale. Pertanto il livello sonoro ponderato A è la migliore soluzione per valutare i problemi di rumore e prendere decisioni. Esso mostra anche una buona correlazione con la tendenza delle persone a lamentarsi per l’inquinamento acustico.

Per quanto riguarda l’uso della scala “A ponderata” in questioni legali – ad esempio il suo impiego nella maggior parte delle Ordinanze relative al rumore – è perché dà una misura oggettiva del suono. Non dipende dalla sentenza di un ufficiale o dalla vittima o da chi commette un reato. Ognuno può fare la misura del rumore e poi dire se supera o meno un dato livello accettabile.

 

Riferimenti bibliografici:

• Characteristics of Sound and the Decibel Scale, http://www.epd.gov.hk/epd/noise_education/web/ENG_EPD_HTML/m1/intro_5.html
• Sound levels and A-weighting, https://www.fceia.unr.edu.ar/acustica/comite/soundlev.htm