Nozioni di base sul suono: misurare la potenza in dB

Il suono è definito come qualsiasi variazione di pressione che può essere udita dall'orecchio umano. In termini di livello di pressione sonora, i suoni udibili vanno dalla soglia dell'udito a 0 dB alla soglia del dolore, che può superare i 130 dB. Il dB (decibel) è l'unità di misura standard in acustica, ma la sua comprensione può risultare confusa. L'unità di misura, il Bel, è stata originariamente stabilita nel 1928 dalla Bell System Company negli Stati Uniti per descrivere i livelli sonori. Il principio più importante della scala Bel è che per definizione è un rapporto di potenze. Originariamente si riferiva alle potenze dei livelli sonori, ma da allora è stata generalizzata a tutti i tipi di potenze.

La potenza del livello sonoro, SPL, ha un'ampia gamma. Si parte dalla soglia dell'udito (TOH) che equivale a un livello sonoro di circa ^{10-12 W/m2}. Per dirla in altri termini, la TOH è un livello di potenza di 1 trilionesimo di Watt per metro quadro, 1/1.000.000.000.000 ^W/m2, normalmente indicato come picoWatt. L'inizio del dolore avviene a circa ^10W/m2 e il livello di potenza necessario per rompere un timpano è di ^1000W/m2. Alcuni dei suoni più forti registrati dall'uomo provengono dal lancio di razzi; il Saturn V produceva circa 100W/m² a una distanza di 1500 m dalla rampa di lancio. Se si considera che i livelli di pressione sonora raddoppiano ogni volta che la distanza si dimezza, a 750 m il suono è di ^200W/m2, a 375 m è di ^400W/m2 e se si è stati così sconsiderati da iniziare a camminare verso il razzo durante il lancio, a circa 180 m il vostro orecchio sarà in grado di sentire il rumore del lancio.
lancio, a circa 180 m vi scoppierebbero i timpani - sempre che non siate stati prima ridotti in cenere dai gas di scarico.

Ci sono 15 ordini di grandezza (da 10 alla meno 12 a 10 alla potenza di tre) tra la soglia dell'udito e il livello di rottura. In presenza di un intervallo dinamico così ampio, è più conveniente descrivere i valori in termini di log del rapporto tra i livelli di potenza e un livello di riferimento.

Per il suono, si utilizza come riferimento il TOH. Un sussurro è un livello di potenza sonora pari a circa 100 volte il TOH. Si tratta di un livello sonoro di log (100/1) = 2 Bels. Un aspirapolvere ha un livello di potenza sonora pari a circa 10 milioni di volte il TOH, il suo volume è log (^107/1) = 7 Bels. Sulla scala Bel, il volume di un lancio dello Space Shuttle è di soli 14 Bels, il che non dà un'idea dell'intensità del rumore a un miglio di distanza dal sito di lancio. In realtà, il suo rumore è¹⁰¹⁴ o 100 trilioni di volte superiore al TOH. È un po' come non rendersi conto che un anno luce (la distanza percorsa dalla luce in un anno) rappresenta una distanza di circa 10 trilioni (10.000.000.000.000) di km.

Per dare maggiore significato alla scala, invece di riferirsi direttamente al Bel, per convenzione, abbiamo espanso la scala di 10x e usato unità di 1/10 di Bel, che è chiamato decibel, o dB in breve. Un dB è sempre, senza eccezioni, per definizione, 10x il log del rapporto delle potenze: in unità di dB = 10 x log(P1/P0). Come si può notare dalle tabelle seguenti, un aumento di 3 dB rappresenta un raddoppio della pressione sonora, ma in pratica è necessario un aumento di circa 10 dB prima che il suono appaia soggettivamente due volte più forte. La variazione più piccola che possiamo percepire è di circa 3 dB. L'intensità soggettiva o percepita di un suono è determinata da diversi fattori complessi, il principale dei quali è che l'orecchio umano non è ugualmente sensibile a tutte le frequenze. È più sensibile ai suoni tra i 2 kHz e i 5 kHz, mentre è meno sensibile alle frequenze più alte e più basse. Questa differenza di sensibilità alle diverse frequenze è più pronunciata agli SPL più bassi che a quelli più alti. Ad esempio, un tono di 50 Hz deve essere 15 dB più alto di un tono di 1 kHz a un livello di 70 dB per dare la stessa intensità soggettiva.

Per normalizzare la dipendenza dalla frequenza dell'udito umano, sono state sviluppate diverse ponderazioni. La rete di ponderazione "A" pesa un segnale in modo tale da approssimarsi a un contorno di uguale loudness invertito a bassi SPL, la rete "B" corrisponde a un contorno a medi SPL e la rete "C" a un contorno di uguale loudness ad alti SPL. Attualmente la rete di ponderazione "A" è la più utilizzata, poiché le ponderazioni "B" e "C" non hanno una buona correlazione con i test soggettivi. Una delle ragioni di questa mancanza di correlazione è che i contorni di loudness uguali erano basati su esperimenti che utilizzavano toni puri, mentre la maggior parte dei suoni comuni sono in realtà segnali molto complessi.

Un valore di potenza di uscita di -3 dB significa che il rapporto tra potenza di uscita e potenza di ingresso è di ^10-3/10= 0,5. Questo è ciò che la maggior parte di noi capisce: -3 dB in basso significa un calo del 50% della potenza. Questo è ciò che la maggior parte di noi capisce: -3 dB in meno corrispondono a un calo di potenza del 50%. La difficoltà principale nel rapportarsi a una scala in dB consiste nel visualizzare che grandi differenze di potenza sono rappresentate da aumenti relativamente piccoli del livello in dB. Per esempio, passare da un livello di 100 dB a 110 db equivale a un aumento dell'SPL da diecimila milioni di volte il TOH a centomila milioni di volte il TOH; un aumento di 10 dB non rende l'idea dell'entità del cambiamento.

Correlare i livelli di pressione sonora agli oggetti di uso quotidiano

Uscite del prodotto di segnalazione acustica E2S
Per facilitare la comparabilità tra i diversi prodotti, l'uscita di tutti i segnalatori acustici E2S è specificata come x dB(A) a 1m. L'unità di misura db(A) si riferisce alla ponderazione in funzione della frequenza attribuita a un segnale in modo da avvicinarsi a un contorno uguale invertito a bassi SPL. La distanza di 1 metro è significativa in quanto l'emissione di un segnalatore acustico diminuisce di 6 dB a ogni raddoppio della distanza da esso.