La scala decibel è una scala per la misura del livello sonoro che fa riferimento alla soglia uditiva di 20 μPa. Questo livello soglia corrisponde a 0 dB. Spesso questa scala può essere utilizzata in forma logaritmica.
IN BREVE
Indice
COME SI DEFINISCE UN SUONO?
Per suono si intende quella sensazione dettata dalla vibrazione di un corpo in oscillazione. Tale vibrazione, propagandosi nell’aria o in un altro mezzo elastico, raggiunge l’apparato uditivo dell’orecchio: quest’ultimo crea una “sensazione uditiva” correlata alla natura della vibrazione. La membrana timpanica, infatti, quando subisce variazioni di pressione entra in vibrazione. Le caratteristiche primarie per la definizione del suono sono la frequenza e l’intensità. Quando il suono attraversa l’aria, la pressione atmosferica varia periodicamente: il numero di variazioni di pressione al secondo viene definito frequenza del suono e viene misurata in Hertz (Hz). Di base possiamo affermare che maggiore è la frequenza più il suono verrà percepito come acuto, minore è la frequenza e più il suono verrà percepito grave. L’orecchio umano reagisce solo a suoni di frequenza compresa fra 20 Hz e 20.000 Hz. I suoni di frequenza inferiore a 20 Hz sono chiamati infrasuoni, quelli di frequenza superiore a 20.000 Hz sono chiamati ultrasuoni. Per la definizione di intensità sonora dobbiamo considerare che un rumore forte spesso è caratterizzato da una variazione di pressione maggiore mentre un suono debole ha una variazione di pressione minore. L’orecchio umano può percepire una vasta gamma di valori relativi alla pressione sonora. Il suono più debole che un orecchio umano è in grado di rilevare ha una variazione di pressione di circa 20 μPa.
Suoni o rumori?
Suoni e rumori possono essere distinti. Il suono, in generale, si definisce come quella sensazione che nasce nell’uomo quando una perturbazione meccanica si propaga in un mezzo elastico facendolo vibrare. Il rumore, invece, è comunemente identificato come una sensazione uditiva fastidiosa o addirittura intollerabile. In realtà, alcuni scienziati affermano che la differenza tra “suono” e “rumore” sia da ricercare nella controllabilità dell’emissione acustica piuttosto che nella sua gradevolezza. Inoltre, è ormai noto che l’orecchio umano non è ugualmente sensibile a tutte le frequenze, risultando più sensibile nel campo compreso fra 2 kHz e 5 kHz e molto meno sensibile a frequenze molto maggiori o molto minori. Questo fenomeno si amplifica ai bassi livelli di pressione sonora. Ad esempio, un segnale a 50 Hz con un livello di pressione sonora di 85 dB dà luogo alla stessa intensità soggettiva di un segnale di 1.000 Hz di 70 dB. Proprio per questo, perché uno strumento per la misura del rumore reagisca nella stessa maniera dell’orecchio umano, si deve dotarlo di un filtro di ponderazione che ne simuli la risposta. Il filtro viene definito dalla norma CEI.
IL DECIBEL
Il decibel (dB) è la decima parte del bel (B) ed è un’unità di misura logaritmica del rapporto fra due grandezze omogenee come due potenze, due pressioni o due potenziali elettrici. Il valore ottenuto da un logaritmo è per definizione un numero puro, adimensionale, ma vi può essere associata un’unità di misura per indicare la base del logaritmo utilizzato. Considerando che una proprietà fondamentale per la definizione di misura è l’additività, del rapporto fra due grandezze deve essere fatto il logaritmo. Consideriamo un semplice esempio per chiarire l’importanza di questa necessità: se il rapporto fra una grandezza A e una grandezza B è 10 e il rapporto fra B e una terza grandezza C è ancora 10, il rapporto fra A e C non è 20 ma 100. Definendo la misura di un rapporto con il suo logaritmo si ottiene una quantità additiva. Un rapporto misurato in bel si definisce come il logaritmo in base 10 del rapporto stesso, per cui dire che un rapporto è di 1 bel equivale a dire che il rapporto è di 10 : 1. Il rapporto espresso in bel fra due numeri o due grandezze fisiche omogenee, N1 e N2, viene definito come:
\((N_1/N_2 )_B=log_{10}(N_1/N_2 )\)
Dato che in questo modo risultano valori molto piccoli, si preferisce usare il decibel che, essendo un decimo di bel, permette di esprimere lo stesso valore dieci volte più grande. Il bel è ormai caduto in disuso. Ogni valore in dB corrisponde ad un fattore di moltiplicazione o divisione (rispettivamente in caso di aumento o diminuzione) della grandezza misurata. Ad esempio, a 1 dB corrisponde un fattore pari a circa 1,25, a 2 dB un fattore di circa 1,6 e così via. Ovviamente per 10 dB il fattore di moltiplicazione/divisione è pari a 10 considerando la definizione di decibel. Quindi se abbiamo una grandezza che aumenta di 34 dB, significa che la grandezza che otterremo alla fine sarà 2500 volte quella iniziale: 34 dB equivale a (10+10+10+4) dB, che si trasformano in un fattore (in questo caso di moltiplicazione) di 10×10×10×2,5=2500 volte. Molto spesso, i decibel sono usati in elettronica, acustica, chimica e in generale in tutti i campi in cui è necessario calcolare prodotti e rapporti fra numeri aventi ordini di grandezza molto diversi. In acustica, si definisce il livello di intensità acustica, in inglese Intensity Level (IL), il rapporto in decibel fra il flusso di energia I e il flusso I0 della soglia di udibilità:
\(IL=10 log_{10} (I/I0)\)
I0 indica, quindi, l’intensità acustica della soglia di udibilità, pari a 10−12 W/m2, e il livello di potenza acustica riferito a una potenza W0 = 10−12 W (watt). Il livello di pressione sonora viene definito invece come segue:
\(SPL=10 log_{10} (p^{2}/p_{0}^{2})=20 log_{10} (p/p_{0})\)
dove p0 indica la pressione sonora corrispondente alla soglia di udibilità, pari a 20 μPa e quindi a 2 × 10−5 Pa. Bisogna fare attenzione al fatto che questo non è il rapporto in decibel fra la pressione sonora p e la pressione sonora corrispondente alla soglia di udibilità p0, ma fra i corrispondenti flussi di energia. La sigla SPL sta per Sound Pressure Level.
LA SCALA DECIBEL
La scala decibel è una scala per la misura del livello sonoro che fa riferimento alla soglia uditiva di 20 μPa. Abbiamo già parlato in precedenza di come le due caratteristiche principali del suono siano la frequenza e l’intensità. Considerando l’intensità sonora, un modo più semplice per esprimere la rumorosità del suono e quella di usare una scala logaritmica in base 10. Per evitare di esprimere il suono in termini di Pascal viene utilizzata la scala in decibel. La scala in decibel utilizza la soglia uditiva di 20 μPa come riferimento. 20 μPa corrispondono quindi a 0 decibel. L’aspetto più importante della scala in decibel e che fornisce un’approssimazione molto migliore della percezione umana dell’intensità relativa rispetto alla Scala in Pascal. L’orecchio umano infatti sembra rispondere al cambiamento logaritmico del livello che corrisponde alla scala decibel e non a quella in Pascal.
Scala decibel A-ponderata
Considerando la gamma delle frequenze udibili, che sappiamo oscillare fra 20 Hz e 20.000 Hz, l’intero intervallo di frequenza udibile può essere suddiviso in 8 o 24 bande di frequenza, rispettivamente note come bande di ottave o bande di un terzo di ottava. Un particolare suono ha livelli di pressione sonora diversi nelle bande di frequenza. La risposta dell’orecchio al suono dipende dalla frequenza del suono stesso. Questa dipendenza della risposta della frequenza è stata scoperta e misurata dai ricercatori Fletcher e Munson nel 1933. L’orecchio umano ha il picco di risposta fra 2500 Hz e 3000 Hz ma ha una risposta relativamente bassa alle basse frequenze. Perciò il singolo livello di pressione sonora ottenuto semplicemente aggiungendo il contributo di tutte le bande non è correlato bene con la risposta in frequenza dall’orecchio umano poiché questa non è lineare. Questo problema ha portato al concetto delle scale ponderate per cercare di misurare in modo più oggettivo il livello sonoro effettivamente percepito dall’orecchio umano. Nella scala decibel A-ponderata i livelli di pressione sonora per le bande di frequenze più basse e le bande ad alta frequenza sono ridotte di determinate quantità prima di essere combinate insieme per dare un singolo valore del livello di pressione sonora. Questo valore è designato come dB(A): questo è spesso usato in quanto riflette in modo più preciso la risposta in frequenza dell’orecchio umano. Proprio grazie alla sua maggiore accuratezza nella descrizione della percezione di suoni rumori da parte dell’orecchio umano, la scala decibel A-ponderata è sicuramente la più utilizzata relativamente alle questioni legali legate alla valutazione dei rumori.
Curve isofoniche
Le curve isofoniche furono ideate da Fletcher e Munson in risposta ai limiti fisiologici dell’orecchio umano. Il nostro orecchio, infatti, non ha sensibilità lineare al rumore, sia per quanto riguarda la sua intensità che la sua frequenza. Le curve isofoniche sono utili alla descrizione dell’andamento della sensibilità umana per i suoni di diversa intensità e frequenza. L’unità di misura utilizata è il phon, corrispondente a un decibel riscalato secondo la scala di sensibilità dell’orecchio umano. In questo modo si rende possibile vedere come la soglia d’udibilità minima sia più alta per le basse frequenze (sotto i 400 Hz) rispetto alle medie frequenze, soglia che aumenta superati i 4000 Hz, valore cui si ha la maggiore sensibilità rispetto alle altre frequenze.
Esempi pratici
Vi proponiamo qui di seguito alcuni esempi pratici perché possiate avere un’idea del livello di pressione sonora relativo ad alcune diverse sorgenti. Ovviamente i valori sono da considerarsi indicativi poiché le situazioni utilizzate come esempio non possono essere eccessivamente precise.
- 250 dB: interno di un tornado;
- 180 dB: razzo in fase di decollo;
- 140 dB: auto di Formula 1 o colpo di pistola a 1 m da chi ascolta;
- 125 dB: aereo al decollo a 50 m di distanza;
- 110 dB: concerto rock;
- 70 dB: aspirapolvere a 1 m;
- 20 dB: respiro umano;
- 0 dB: soglia dell’udibile.