Cos’è la riflessione diffusa, un'esperienza Italiana.

In prima analisi quando il suono colpisce una superficie parte della sua energia viene assorbita nel materiale che la compone e parte di essa viene riflessa nello spazio circostante.
Questa seconda componente può essere scomposta una seconda volta:possiamo dire che una parte verrà riflessa specularmente, ovvero come in uno specchio nella direzione opposta (‘specchiata’ – vedi legge di Snell) a quella di arrivo, e parte di essa verrà riflessa in modo diffuso, ovvero in tutte le direzioni. Le percentuali in cui si distribuisce l’energia nei tre fenomeni dipende dalla natura del materiale investito dall’onda sonora.

Schema energia sonora riflessa

La figura a sinistra esemplifica quanto appena spiegato.

Chi si ricorda questo concetto dagli studi dell’elettromagnetismo, potrà scrivere una prima, semplice equazione del bilancio energetico appena descritto:

Equazione bilancio energetico riflessione sonora

Dividendo i termini per l’energia totale si possono definire i vari coefficienti coinvolti:

Equazione bilancio energetico riflessione sonora - 3 coefficienti

Guardando la parte a destra dell’ultima equazione, il primo è il coefficiente di assorbimento, fondamento di ogni progetto di trattamento acustico interno; il secondo è il coefficiente di riflessione speculare; il terzo è il coefficiente di diffusione, detto anche di scattering.
Tutti e tre i valori sono definiti ‘energetici’ e saranno compresi tra 0 e 1, non hanno unità di misura, sono numeri puri perché derivanti dalla divisione tra due grandezze della stessa natura. Il coefficiente di trasmissione (compreso in a ) è stato tralasciato per semplicità.

Studi passati.

L’argomento è di grande interesse per il mondo dell’acustica architettonica. Un campo sonoro diffuso è spesso desiderato, se non richiesto, nelle stanze dedicate all’ ascolto e all’ esecuzione della musica.
Il campo sonoro è detto infatti diffuso quando c’è equi-probabilità di arrivo su tutte le direzioni (non esistono direzioni d’arrivo preferenziali): ciò è trovato in tutti i più grandi teatri del mondo ed è considerato piacevole, avvolgente, sia dagli ascoltatori sia dai musicisti. Diventa quindi fondamentale caratterizzare e modellare correttamente il comportamento dei materiali e dei pannelli esistenti per poi eseguire una progettazione consona.
Alla fine degli anni ‘90 si svolsero a Parma alcuni studi pionieristici sull’argomento (diretti dal prof. Farina, vedi link alla fine dell’articolo), si utilizzò un array microfonico sintetico e una tecnica di visualizzazione chiamata Wave Field Analysis che mostrava chiaramente i fronti d’onda coinvolti nelle analisi.
Nella figura seguente si vede sempre il fronte d’onda diretto e sotto quello riflesso, che cambia a seconda della natura del pannello in esame (un pannello piatto, uno diffondente e un semicilindro).

wave field dinthesys delle prime riflessioni da parte di tre pannelli

La comunità scientifica volle quindi riassumere tutti gli studi fatti sul fenomeno fino ad allora: a partire dai primi fatti dal Dr. Schroeder negli anni ’70, tra i recenti i più rilevanti erano quelli di Voerlander, Cox e D’Antonio (si veda alla fine dell’articolo per i link di approfondimento).
Numerosi incontri tecnici permisero di codificare due standard per la misura e la caratterizzazione di coefficienti legati a codesto fenomeno: il primo definisce il coefficiente di diffusione energetico così come è stato definito nelle equazioni precedenti (ISO 17497-1), il secondo studia il comportamento spaziale della riflessione stessa (AES 4id-2001), il gruppo scientifico Italiano di cui faccio parte ha fatto numerose proposte per migliorarlo, nei prossimi paragrafi andremo a definirne meglio l’utilità.

Studi recenti: l’uniformità di diffusione.

Nel 2005 a Parma si è ripreso il filo scientifico lasciato nel 2000: ho fatto parte di un team del Laboratorio di Acustica ed Elettroacustica (LAE) e dell’Università che ha eseguito delle nuove campagne di misura, volte ad applicare lo standard AES e a indagare nei dettagli il fenomeno, chiamato anche di ‘scattering’.

Come suggerito dal documento sopraccitato abbiamo quindi eseguito le misure in un ambiente molto grande, di modo che le prime riflessioni ambientali fossero ben ritardate rispetto alla prima riflessione da parte dei pannelli che si voleva studiare.
I microfoni, i pannelli sotto esame e la sorgente sono stati posti su una superficie molto riflettente per simulare un grande spazio anecoico e così studiare la diffusione nello spazio semicilindrico davanti al pannello stesso.

Luogo di misura riflessione diffusa

Nella figura 3 si vede proprio un pannello semicilindrico mentre viene irradiato da una sorgente posta davanti al pannello stesso, si notino i microfoni a semicerchio e le grandi dimensioni dello spazio.

L’utilizzo di un array microfonico semicircolare, centrato sui pannelli da analizzare, e di una intensiva elaborazione numerica dei dati raccolti su più direzioni d’arrivo, permettono di calcolare il coefficiente di uniforme diffusione per incidenza casuale d.

Presi i livelli sonori per ogni microfono Li e filtratili in frequenza, questo coefficiente dirà per ogni banda di terzo d’ottava di frequenza quanto la distribuzione spaziale della riflessione sia uniforme (vicina all’omnidirezionalità offerta da un pannello semicilindrico e quindi diffusa) o concentrata su una direzione sola, ovvero speculare. Esso da un valore pari a 1 nel primo caso, e 0 nel secondo.

Elaborazione dei dati.

Diagrammi polari riflessione di un pannello liscio

In figura 4 si vedono i diagrammi polari della distribuzione spaziale della riflessione sonora di un pannello piatto quando il suono incide a 0° (di fronte ad esso). Questi sono alcuni dei risultati utili allo studio dei pannelli che si ottengono facilmente dalle elaborazioni.
Si nota che mentre a bassa e a media frequenza la risposta è omnidirezionale, ad alta frequenza essa è fortemente direzionale.

In un prossimo articolo ci si addentrerà nello spiegare alcuni nuovi risultati e approfondire altri concetti, nel frattempo si mostrano alcuni dei risultati ottenuti dalle prime analisi del 2006.

Paragone fra l'uniformità di diffusione di 4 tipi di pannello

In figura 5 si caratterizzano con il coefficiente di uniforme diffusione quattro tipi di pannello:

- il pannello piatto di riferimento (reference ) mostra una diffusione bassa ad alta frequenza, come atteso anche guardando i grafici polari in figura 4;
- il pannello semicilindrico, mostra il risultato migliore come prevedibile;
- il pannello galav2 progettato a Parma, ha un buon risultato su tutto lo spettro in esame;
- il classico pannello diffondente QRD a numero 7, ha un forte picco nella frequenza di progetto.

Lorenzo Rizzi

Per chi è interessato all'argomento l'ing. Rizzi ha presentato un articolo tecnico più approfondito in Italiano al convegno AES Italia 2007, cliccate il link per scaricarlo.
Di seguito si riportano alcuni link in Inglese per approfondire l'argomento, con all'interno tutte le citazioni bibliografiche opportune:

http://www.angelofarina.it/Public/Papers/136-AES00.PDF
http://www.angelofarina.it/Public/Papers/138-Sem00.PDF
http://www.angelofarina.it/Public/Papers/223-AES121.pdf
http://www.angelofarina.it/Public/Papers/235-ICA2007.pdf
http://www.angelofarina.it/Public/Papers/239-AES123.pdf
http://www.laegroup.org
http://www.aes.org