neo-Eubios 73 - Uno strumento per capire l’effetto del riverbero: il corridoio fonoassorbente

a cura di Veronica Amodeo, Fabio Brocchi, Massimiliano Lunardi, Andrea Pavoni Belli, Simone Secchi

Premessa

La qualità acustica degli ambienti di vita è oggetto di studi da molti anni ma ancora oggi, nonostante le conoscenze ed il quadro legislativo e normativo siano molto evoluti soprattutto nell’ultimo decennio, nella progettazione edilizia e nell’allestimento ed arredo degli ambienti interni si dimostra scarsa sensibilità a questa tematica. Risale a marzo 2020, con la pubblicazione della norma UNI 11532-2 relativa alla qualità acustica degli ambienti scolastici, l’ultima importante novità in materia. Questa norma, la cui applicazione è resa cogente dal DM 11 ottobre 2017 sui Criteri Ambientali Minimi per le opere di nuova costruzione, ristrutturazione e manutenzione di edifici pubblici, specifica i valori limite del tempo di riverberazione e di altri parametri acustici relativamente a diverse tipologie di ambienti scolastici. Recenti verifiche eseguite dagli autori [1 –4] dimostrano che ancora oggi una grande quantità di edifici scolastici in Italia sono realizzati ed arredati senza tenere conto delle esigenze di controllo della riverberazione sonora. Questo è conseguenza della scarsa conoscenza e sensibilità alla materia non solo da parte degli utenti ma anche, spesso, degli stessi progettisti degli interventi edili. A questo riguardo, la Fondazione Cassa di Risparmio di Firenze, Il Comune di Firenze e l’azienda ManifatturaMaiano S.p.A. hanno finanziato trail2018 edil 2019 una ricerca svolta dai Dipartimenti di Architettura, di Ingegneria Industriale e di Formazione e Psicologia dell’Università di Firenze il cui scopo era sia indagare sulla relazione tra disturbo acustico e percezione ed apprendimento del messaggio parlato negli ambienti didattici, sia sensibilizzare alunni, insegnati, cittadini e progettisti sulla problematica della riverberazione sonora negli ambienti di vita [5]. Nell’ambito di un seminario ed una mostra svoltasi a conclusione della ricerca [6], è stata realizzata un’installazione temporanea per dimostrare l’effetto della riverberazione sonora sulla comprensione del messaggio parlato e sulla propagazione sonora in ambienti confinati. L’installazione, che è rimasta visibile e fruibile per tutto il mese di settembre 2019, è stata realizzata nell’atrio del Palazzo San Clemente dell’Università di Firenze ed è stata visitata da moltissimi studenti e docenti della scuola di Architettura di Firenze che hanno potuto apprendere “dal vivo” l’effetto della riverberazione sonora. In questo articolo vengono descritti gli studi preliminari, la realizzazione e l’effetto finale di questa installazione denominata “corridoio fonoassorbente” [6] che consiste in un breve corridoio interamente rivestito all’interno di materiale fonoassorbente e posto in comunicazione con l’ambiente circostante (l’atrio del palazzo San Clemente) da due aperture prive di porte. Lo scopo era quello di invitare tutti i frequentatori del palazzo, sede della biblioteca di Scienze Tecnologiche dell’Università di Firenze, a percorrere questo breve corridoio sperimentando la differente percezione sonoratral’ambiente interno e quello circostante.

La modellazione preliminare

Preliminarmente all’effettiva progettazione esecutiva del corridoio, si è valutato quale fosse l’ipotesi distributiva che potesse minimizzare l’effetto della riverberazione all’interno dello stesso. Sono state pertanto valutate due configurazioni differenti: nella prima si sono posizionate le porte sui lati corti contrapposti del corridoio, mentre nella seconda sono state posizionate su uno stesso lato lungo del corridoio. In entrambe le ipotesi, le porte di accesso ed uscita dal corridoio erano mantenute aperte, ovvero come semplici forature, al fine di dimostrare l’effetto della sola riverberazione interna.

Figura 1 – A sinistra, schema della prima opzione: aperture posizionate sui lati corti contrapposti; a destra, schema della seconda opzione: aperture posizionate sul medesimo lato lungo.

Mediante il software raytracing Ramsete® sono state simulate entrambe le configurazioni, posizionando il corridoio all’interno di un ambiente che rappresentasse l’atrio dell’edificio che avrebbe dovuto contenere il tunnel. Si riportano nella tabella 1 i valori dei coefficienti di fonoassorbimento assegnati alle diverse superfici.

Tabella 1 - Valori dei coefficienti di fonoassorbimento assegnati alle diverse superfici per la simulazione della risposta acustica all’interno del corridoio. Il potere fonoisolante delle pareti del corridoio è stato considerato sufficientemente alto (40 dB) a tutte le frequenze così da escludere la trasmissione attraverso le pareti e valutare unicamente il contributo diffratto dalle aperture del tunnel.

A seguito di alcune valutazioni preliminari, la scelta si è orientata sull’ipotesi con porte contrapposte, soluzione che peraltro consente di caratterizzare al meglio il corridoio come uno spazio di passaggio. Si riporta di seguito l’andamento del Tempo di Riverberazione, TR, valutata nei punti più interni del corridoio.

Tabella 2 – tempo di riverberazione medio stimato all’interno del corridoio fonoassorbente.

Si riporta in Figura 2 la mappatura del livello di pressione all’interno del corridoio e nell’area circostante (l’atrio del palazzo) in caso di sorgente posizionata internamente al corridoio, valutato in dB(A). Si nota in maniera evidente la “fuoriuscita” rumorosa attraverso le porte del corridoio in diagonale lungo l’ambiente.

Figura 2 – Mappatura del livello di pressione sonora in dBA con sorgente posta all’interno del corridoio.

Descrizione dell’opera

L’atrio del Palazzo di San Clemente (XVII sec.), attuale sede della biblioteca di Scienze Tecnologiche dell’Università degli Studi di Firenze, è stato individuato come spazio dove collocare il corridoio fonoassorbente poiché, grazie alle sue caratteristiche geometriche e al suo volume (che lo rendono un ambiente fortemente riverberante), chi lo attraversa ha immediatamente la percezione dell’efficacia del trattamento acustico nel passaggio dall’atrio al percorso interno del corridoio. La struttura del corridoio è stata costruita con sistema “a secco” utilizzando guide e montanti in acciaio che supportano sul lato esterno singole lastre standard in cartongesso (densità 700 kg/m3; spessore 1,25 cm). Nell’interno del corridoio sono stati inseriti (su pareti e soffitto) pannelli fonoassorbenti aventi dimensioni 60 x 120 cm della gamma Sintherm FR Sound Control della ditta Manifattura Maiano S.p.A. (www.maiano.it) (densità: 40 kg/m3; spessore 5 cm) in fibra di poliestere riciclata da flaconi di plastica (PET). Si tratta di pannelli ottenuti da fibre cardate e coesionate termicamente senza additivi chimici, classificati come rifiuti non pericolosi che, se non inquinati da altri materiali, possono essere recuperati totalmente per il riciclo e il riuso. I pannelli sono inoltre conformi ai requisiti previsti per il rispetto dei Criteri Ambientali Minimi (CAM) indicati dal D.M. 11 ottobre 2017 per i materiali impiegati in edilizia. Dal punto di vista eco-tossicologico la salubrità del materiale è garantita dalla certificazione Oeko-tex che assicura l’assenza di sostanze pericolose nei prodotti tessili a contatto con la pelle.

Figura 3 – pianta e prospetto del corridoio fonoassorbente

Figura 4 – Il materiale (fibra poliestere) utilizzato per il rivestimento interno del corridoio

La Figura 5 riporta il valore del coefficiente di assorbimento acustico as misurato in camera riverberante in accordo con la norma UNI EN ISO 354:2003.

Figura 5 – Coefficiente di assorbimento acustico dei pannelli utilizzati per il rivestimento interno del corridoio

Di seguito le immagini interne ed esterne del corridoio fonoassorbente.

Figura 6 – foto dell’interno e dell’esterno del corridoio fonoassorbente realizzato nell’atrio di palazzo San Clemente dell’Università di Firenze

Risultati delle misure

Mediante le misurazioni condotte con registratore digitale e microfono per campo diffuso sono stati ottenuti i valori di tempo di riverbero sia dell’ambiente “atrio” esterno che all’interno del corridoio fonoassorbente.

Figura 7 - Pianta dell’atrio di palazzo San Clemente dell’Università degli Studi di Firenze, con il corridoio fonoassorbente.

I risultati sono stati esaminati valutando, mediante il software Aurora, le registrazioni dei file .wav registrati con campionamento a 48kHz/24bit. Considerata la pressoché immediata diminuzione del livelli di pressione sonora nelle diverse bande di frequenza, si è optato per valutare il tempo di riverberazione mediante il parametro EDT “Early Decay Time”, ovvero la pendenza della retta estrapolata dalla curva di decadimento del livello di pressione sonora nel tempo, valutata nell’intervallo tra 0dB e 10dB al di sotto del livello iniziale dell’impulso.

Figura 8 – Variazione in frequenza del tempo di decadimento iniziale (EDT) all’esterno (M1, M2) ed all’interno del corridoio fonoassorbente (M3, M4).

Risulta chiaro come la riduzione del tempo di riverberazione misurata produca, all’interno del corridoio fonoassorbente, un’area localizzata che presenta caratteristiche acustiche sensibilmente differenti rispetto al resto dell’ambiente. Si osserva inoltre un significativo miglioramento del tempo di riverbero, rispetto a quanto valutato in fase previsionale. Tale disallineamento, nello specifico alle basse frequenze, può esser dovuto sia alle caratteristiche non uniformi di fonoisolamento delle pareti del corridoio, sia ad effetti diffrattivi non prevedibili alle basse frequenze, dovuti alle aperture contrapposte. Osserviamo tuttavia che lo scarto tende a ridursi alle alte frequenze, dimostrando quindi la robustezza del modello previsionale, per il range di frequenze di interesse (specificatamente, nell’intorno tra i 500Hz e i 1000Hz).

L’effetto del corridoio sulla comprensione del parlato

Per testimoniare la sensazione percepita, entrando e uscendo dal corridoio fonoassorbente, sono state effettuate alcune prove e misurazioni, delle quali si riportano le due più significative. Una prima prova è consistita nel posizionare la sorgente sonora emittente un rumore stazionario rosa in un punto nell’atrio (A) e stabilire un tragitto dell’operatore con microfono passante da fuori a dentro al corridoio fonoassorbente (Figura 9).

Figura 9 – Schema che indica il posizionamento della sorgente e il percorso intrapreso (fuori-dentro-fuori dal tunnel) durante le misurazioni.

Una volta campionata la registrazione, sono stati considerati sia un frammento esterno che uno interno al corridoio e i rispettivi livelli globali in dB(A), così da determinare la differenza tra i livelli sonori dei due ambienti, utile per una sommaria valutazione del potere fonoisolante della struttura, che appare soggettivamente elevato. Di seguito si riportano i risultati ottenuti: Misura fuori dal corridoio fonoassorbente: 83 dB(A) (L); 88 dB(A) (R) Misura dentro dal corridoio fonoassorbente: 67 dB(A) (L); 68 dB(A) (R) ΔL= 16 dB (L); 20 dB (R) Si nota pertanto un significativo potere fonoisolante della struttura, pur in assenza di porte, in accordo con la sensazione soggettiva, anche se tale non era lo scopo della realizzazione. Sono quindi state effettuate ulteriori analisi per valutare l’effetto dell’assorbimento all’interno.

Si riporta nelle Figure 10 e 11, oltre al timewave, lo spettrogramma del software Spectra Plus, nel quale è evidente il passaggio fuori-dentro-fuori il corridoio. Sono anche riportati gli spettri mediati considerando tratti privi di colpi o disturbi, sia all’esterno che all’interno.

Figura 10 – Spettrogramma generato con il software Spectra Plus, considerando tratti privi di colpi o disturbi, con evidenziato un segmento della registrazione eseguita all’esterno del tunnel.

Figura 11 - Spettrogramma generato con il software Spectra Plus, considerando tratti privi di colpi o disturbi, con evidenziato un segmento della registrazione eseguita all’interno del tunnel.

Nella Figura 12 è riportato lo spettrogramma (Visible Speech) eseguito con il software Praat, con analisi a banda costante (FFT), del rumore rosa. Si distingue chiaramente il passaggio fuori-dentro-fuori ed è evidenziata la frequenza al di sotto della quale si presentano i disturbi (296.6 Hz)

Figura 12 – Visible Speech eseguito con il software Praat, analisi a banda costante (FFT), del rumore rosa, durante l’intero percorso: fuori-dentro-fuori dal tunnel (evidenziata la frequenza con i disturbi, 296.6 Hz).

In una seconda prova, un oratore, indossando il sistema digitale di acquisizione (registratore e cuffie microfoniche), ripercorreva lo stesso tratto mentre pronunciava ad alta voce alcune frasi relative al funzionamento del corridoio fonoassorbente; contemporaneamente, nell’atrio, la sorgente sonora emetteva un rumore di chiacchiericcio (Link al video on line: https://www.youtube.com/ watch?v=A5MYeSwcR-8&feature=youtu.be).

Figura 13 - Visible Speech eseguiti con il software Praat, analisi a banda costante (FFT), della voce narrante durante l’intero percorso: fuori-dentro-fuori dal tunnel.

Nonostante questo software non nasca per misure acustiche bensì fonetiche, nel sonagramma di Figura 13 che rappresenta l’intera registrazione del parlato dell’oratore mentre compie il percorso fuori-dentrofuori (e pertanto molto compresso), si osserva nella parte centrale il discorso pronunciato all’interno del tunnel, nel quale gli elementi fonetici, i singoli foni vocalici pronunciati, appaiono ben definiti e facilmente distinguibili, mentre; a destra e a sinistra, all’esterno del tunnel, siano meno definiti e vengano mascherati da una specie di nebbia. Analizzando lo spettro della registrazione, è stato poi selezionato un frammento pronunciato all’esterno dell’installazione, nell’atrio d’ingresso, ed uno all’interno, nel tunnel; successivamente sono stati calcolati i sonogrammi di questi due frammenti, confrontando i fonemi pronunciati fuori con quelli pronunciati dentro. Nei due frammenti vengono pronunciatirispettivamente le frasi“l’effetto del fonoassorbimento” e “che rivestono pareti esoffitto”. Nella Figura 14 è descritta la frase pronunciata dentro mentre nella Figura 15 la frase pronunciata fuori. Si può osservare come nel tracciato dentro i foni siano perfettamente definiti nella loro durata. Considerando ad esempio due foni simili derivanti da consonanti occlusive, come i “TO” presenti alla fine dei sonogrammi delle due frasi in Figura 14 e Figura 15, è evidente come il primo risulti più nitido del secondo, dove troviamo una sorta di nebbia, come già segnalato analizzando la figura 11. Questa differenza di definizione del grafico, tra interno quasi anecoico ed esterno molto riverberante, mostra come la riverberazione abbia influenzato la ricezione del discorso pronunciato: quando il tempo di riverbero è elevato, i foni sono disturbati e anche la comprensione risulta disturbata. Considerando la conformazione del corridoio, direttamente collegato con l’ambiente contenitore (atrio), ossia in assenza di porte, e i risultati ottenuti nella prima prova, che evidenziano l’esistenza di un significativo fonoisolamento traidue ambienti, risultaevidente come il materiale assorbente utilizzato, associato ad un rivestimento in lastre di cartongesso, presenti buone qualità fonoisolanti oltre a quelle fonoassorbenti. Inoltre, è emerso come questo materiale abbia un ruolo significativo nella percezione del messaggio vocale da parte di un oratore che si trovi al suo interno, dando una maggior definizione ai fonemi emessi.

Una nota storica: l’uso del sonagramma per l’analisi del parlato

Il “sonagramma” (detto anche Visible Speech) trae la sua origine da uno strumento degli anni ‘60, il Sonagraph, della Kay Elemetrics, nato primariamente per lo studio della voce a fini clinici e per il riconoscimento vocale per scopi giudiziari (perizie foniche, verifica della corrispondenza della voce tra due soggetti, solitamente un “ignoto” che effettuava telefonate estorsi ve o minacciose e un imputato). Poi la stessa Kay aveva prodotto, anni 80-90, uno strumento digitale, con scheda audio, dal costo enorme (20 milioni di lire). Infine, con lapotenzacrescente dei PC sono apparsi software in grado di fare i sonagrammi (sonogrammi, spettrogrammi, Visible Speech, sono tutti sinonimi). Il sonagramma, così come viene utilizzato per lo studio della voce, è un diagramma tridimensionale, con in ascissa il tempo, in ordinata la frequenza in Hz e sulla terza dimensione il livello in dB, reso con gradazioni di grigio o in differenti colori. Può essere rappresentato utilizzando per le frequenze lo spettro FFT, a banda costante, o uno spettro a banda percentuale costante (ad esempio in 1/3 di ottava) ma questa rappresentazione è più utile per l’analisi del rumore e non della voce. Per lo studio della voce, particolarmente dei fonemi, viene utilizzata un’analisi FFT a banda larga (300 Hz, come lo storico Sonagraph) che evidenzia le formanti e non le singole armoniche, come invece avverrebbe con un’analisi a banda fine,a 1 Hz, utile ad es. per studiare il timbro degli strumenti musicali ma non per lo studio della voce. Avendo poi il sonagramma, come lunga serie di spettri, è possibile calcolare lo “spettro dello spettro” (detto Cepstrum, anagramma di Spectrum), con il quale si ricava il valore in Hz delle formanti (delle vocali), rappresentando il segnale sulla scala delle Quefrenze (anagramma di Frequenze), operando un Lifter (anagramma di Filter), ottenendo lo Spettro Liftrato! Il sig. Bogert, che l’ha introdotto nel 1963, ha inventato i termini come anagrammi di termini consueti. C’è anche la Saphe, che sarebbe la Phase nel dominio delle Quefrenze. Mediante tale algoritmo (o in alternativa il Predittore Lineare, LPC) è possibile misurare la frequenza fondamentale del parlato (Pitch, F0) e le formanti dei fonemi, F1, F2, F3, etc. (essenzialmente, delle vocali) che caratterizzano innanzitutto le singole vocali (es. la F1 della /A/ è circa 600 Hz, la F1 della /I/ è circa 300 Hz) e in secondo luogo l’identità del parlatore, caratterizzabile mediante un calcolo statistico su numerose occorrenze delle vocali. Una fase importante e spesso difficoltosa è la cosiddetta “etichettatura” dei sonagrammi, consistente nello scrivere al di sotto del tracciato i fonemi (e quindi le parole) effettivamente pronunciate. Spesso in una conversazione non vengono realmente pronunciati tutti i fonemi che costituiscono le parole, ricostruiti da un processo mentale: esempio, nel tracciato di figura 12, nella parola fonoassorbimento la A non viene pronunciata dal parlatore (e quindi non compare nel sonagramma) ma mentalmente la parola viene percepita come se fosse realmente pronunciata. Questa “ricostruzione mentale” si attua a livello di lingua madre sino dalla più tenera infanzia mentre risulta difficoltosa apprendendo una lingua straniera in età avanzata (ambito scolastico), particolarmente per le lingue quali l’inglese nelle quali non tutti i fonemi che costituirebbero la pronuncia corretta di una parola vengono realmente pronunciati. Un’altra situazione particolare riguarda le consonanti doppie. Per le consonanti occlusive, quali la /T/, ad esempio, si ha un tracciato visibile nel sonagramma come un brevissimo impulso verticale mentre la doppia /T/ non appare come un doppio impulso bensì come un silenzio tra l’impulso e la vocale successiva di durata superiore rispetto a una /T/ semplice. Nella parola atto, se digitalmente si riduce il tempo tra l’impulso della /T/ e la vocale successiva /A/, si percepisce senza ombra di dubbio la parola ato. Le doppie vocalizzate (M, N, …) o sibilanti (S, F, …) appaiono invece come un tracciato più lungo rispetto al fonema singolo. Un’ultima considerazione: il sonagramma, ideato da Kersta per analisi della voce a scopo giudiziario (perizie foniche, tanto che diceva “datemi una voce e vidarò unvolto”), inrealtànonè sufficiente perdeterminare l’identità di un parlatore sospettato ad es. di telefonate anonime in caso di sequestri, estorsioni e simili. Innanzitutto, è necessario che il sospettato pronunci le medesime frasi contenute nella telefonata anonima, registrate con il “prelievo del saggio fonico”, cosa non sempre possibile e in secondo luogo il confronto dei tracciati dei cosiddetti ignoto – noto può portare a conclusioni fuorvianti. Tracciati simili indicano innanzitutto trattarsi della medesima frase, anche se pronunciata da parlatori diversi e solo da particolari quali la durata ad es., delle /T/ o la transizione delle formanti nei dittonghi si può acclarare una presumibile corrispondenza. La metodologia attualmente più affidabile è basata sull’analisi statistica multivariata delle formanti delle vocali (Mahalanobis e simili), che non richiede la presenza delle stesse frasi ma solo un consistente numero di elementi fonetici (almeno 10 /A/, 10 /E/, etc.), tratte dalla comunicazione anonima e da una qualsiasi registrazione della voce del sospettato, unite poi ad analisi su elementi temporali. Occorre poi considerare che spesso la registrazione dell’ignoto è viziata da una scarsa qualità elettroacustica, sia nel caso di telefonate anonime, nelle quali il parlatore altera volutamente la propria voce, sia nel caso di intercettazioni ambientali, nelle quali è spesso presente un elevato rumore di fondo. In ogni caso, difficilmente la perizia fonica si conclude con una similitudine al 100%, anche nel caso sperimentale della stessa frase pronunciata a distanza di tempo dal medesimo parlatore, tanto che in ambito giudiziario viene considerata un indizio, più che una prova, anche se in certi casi si tratta dell’unico elemento di giudizio.

Figura 14 - Sonagramma della registrazione effettuata dentro il corridoio fonoassorbente.

Figura 15 - Sonagramma della registrazione effettuata fuori dal corridoio fonoassorbente.

Ringraziamenti

Il corridoio fonoassorbente è stato realizzato da Manifattura Maiano S.p.A. su un’idea progettuale degli scriventi. La mostra nel cui ambito è stato realizzato il corridoio è stata organizzata grazie al supporto della Biblioteca di Scienze Tecnologiche dell’Università di Firenze.