APPLIED ACOUSTICS

Docenti: 
Crediti: 
6
Sede: 
PARMA
Anno accademico di offerta: 
2016/2017
Settore scientifico disciplinare: 
FISICA TECNICA AMBIENTALE (ING-IND/11)
Semestre dell'insegnamento: 
Primo Semestre
Lingua di insegnamento: 

Inglese

Lingua dell'insegnamento: 

Inglese

Obiettivi formativi

Conoscenze e capacità di comprendere: Per gli studenti di tutte le branche di Ingegneria questo e' un corso chiave, praticamente costituisce l'unica occasione di vedere (o meglio, sentire) applicate le tecniche imparate in corsi precedenti, in cui vengono impartiti i fondamenti puramente teorici delle moderne metodiche matematiche avanzate. Quando i "numeri" si trasformano in suoni, procedimenti matematici astrusi e di difficile assimilazione divengono rapidamente immediati e chiarissimi, e le possibilita' offerte dai sistemi di "editing" sonoro su PC, utilizzate ampiamente nel corso sia in fase di didattica frontale, sia durante le esercitazioni di laboratorio, rendono possibile ascoltare immediatamente (solitamente in tempo reale) gli "effetti" di filtri o altri dispositivi (compressori, gate, convolutori, denoising, etc.).
Competenze: il corso è di tipo applicativo, non teorico. Viene data grande enfasi alle misure strumentali, ed all'esecuzione di semplici calcoli eseguiti a mano o con Excel, ed alla soluzione di problemi pratici. Gli studenti imparano ad usare la scala dei dB ed a "pensare in decibel" per l'esecuzione dei calcoli più semplici "a mente".
Autonomia di giudizio: gli studenti vengono progressivamente addestrati a giudicare i risultati delle elaborazioni mediante test di ascolto. L'acustica è una materia percettiva, e l'unico modo corretto di valutare i risultati è mediante la valutazione soggettiva con test di ascolto, non mediante una asettica valutazione numerica.
Capacità comunicative: sebbene oggetto del corso non siano le tecniche oratorie o di esecuzione musicale usate da attori e musicisti, tuttavia una parte significativa del corso si occupa della comunicazione fra artista e pubblico. In tale parte, lo studente impara alcuni trucchi e tecniche usate da attori e musicisti per migliorare la comunicazione in ambienti acusticamente problematici. Ma soprattutto lo studente impara ad analizzare e correggere le problematiche acustiche (riverbero, rumore di fondo, etc.) che ostacolano la comunicazione verbale e musicale.

L’obiettivo di questo corso è di introdurre i concetti fondamentali di una ampia varietà di temi inerenti l’acustica, con una combinazione bilanciata di lavoro teorico, misure sperimentali, simulazioni numeriche e programmazione.
Gli studenti che avranno completato con successo questo corso saranno in grado di:
- spiegare la teoria di base di un numero di argomenti relativi all’acustica, come descritti nel programma qui sopra;
- comprendere ed essere in grado di utilizzare il linguaggio tecnico usato nella letteratura scientifica sull’acustica;
- applicare concetti di ingegneria acustica e formule di calcolo per la soluzione di vari problemi di base in acustica;
- sviluppare e applicare una varietà di algoritmi di processamento dei segnali acustici e audio (utilizzando MATLAB);
- usare le funzioni di base di alcuni software per la simulazione acustica e per il processamento del segnale;
- effettuare alcune misure acustiche;
- interpretare i risultati di misure acustiche e diagrammi relativi a fenomeni acustici.

Prerequisiti

Nessuno. Ma il corso è svolto ad un livello "Postgraduate", per cui risulta estremamente ostico a chi lo sceglie come materia a scelta della laurea triennale...

Contenuti dell'insegnamento

Il corso di Acustica Applicata e' un corso introduttivo ad un settore scientifico e tecnologico in rapidissimo sviluppo, che offre grandi potenzialità occupazionali, e che coinvolge aree disciplinari apparentemente molto diverse: architettura, ingegneria strutturale, fisiologia, psicologia, statistica, fisica, elettronica, meccanica delle vibrazioni, fluidodinamica, elaborazione numerica del segnale, telecomunicazioni, elettronica, misure, igiene del lavoro, musica, musicologia, realtà virtuale.

Ovviamente in un corso di 6 CFU si riesce a fornire solo la base metodologica della materia, che deve essere poi approfondita in ulteriori corsi, quali i Corsi per Tecnici Competenti in Acustica Ambientale, oppure Master Universitari disponibili presso alcune Università italiane o straniere (ad esempio Perugia, Napoli, Firenze, Roma), o addirittura a corsi di laurea appositi (questi solitamente all'estero, ma in Italia va segnalato il Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria e Design del Suono del Politecnico di Milano, con didattica completamente in lingua inglese, erogato presso il Polo di Como).

Stante la sua natura multidisciplinare e trasversale, il Corso di Acustica Applicata e' frequentato da studenti di vari corsi di laurea (praticamente tutte le branche di Ingegneria, ma partecipano anche alcuni allievi di Architettura, e si avvalgono di questo corso anche gli allievi del corso di laurea in Tecniche della Prevenzione nell’ambiente e nei luoghi di lavoro della Facoltà di Medicina e Chirurgia, per i quali e' obbligatoria la frequenza solo alla prima parte del corso, con esclusione della parte finale dedicata alle applicazioni elettroacustiche e musicali).

Acustica Fisica:
Definizione delle grandezze, meccanismo di propagazione di perturbazioni meccaniche in un mezzo elastico. Pressione sonora e velocità delle particelle. Velocità dell’onda sonora.
Equazione delle onde.
Intensità acustica e densità dell’energia. Campi sonori propaganti e stazionari.

Psicoacustica:
Meccanismi fisiologici e psicologici della percezione del suono da parte dell'uomo.
La scala logaritmica dei decibel (dB), operazioni elementari su grandezze espresse in dB. Curve di ponderazione in frequenza.
Fenomeni di mascheramento nel tempo e nella frequenza.
Algoritmi di compressione audio basati su principi psicoacustici.

Propagazione del suono:
Onde piane, onde sferiche, onde stazionarie. Fenomeni di riflessione ed assorbimento.
Propagazione del suono in ambiente esterno.
Acustica architettonica: campo riverberante, qualità del suono nelle sale da concerto e teatri d'opera, e parametri acustici a norma ISO 3382. Metodi avanzati per la misurazione risposta all'impulso.

Digital Signal Processing applicate all'audio e acustica:
Fondamenti di analisi spettrale e trasformata di Fourier.
Campionamento dei segnali.
La DFT e l’algoritmo FFT. Convoluzione.
FIR e IIR, calcolo numerico di filtri inversi.
Controllo attivo del rumore.
Auralizzazione.
Acustica virtuale e audio 3D.

Elettroacustica:
Trasduttori (microfoni, altoparlanti).
Dispositivi per il processamento analogico e digitale del segnale acustico: amplificatori, equalizzatori, riverberi, compressori, etc..
Strumentazione ed apparecchiature per misure acustiche: fonometro, analizzatore di spettro, sistema di misura delle risposte all’impulso. Strumentazione virtuale su PC, software per misure acustiche, con esercitazioni pratiche in laboratorio.

Tecniche di simulazione numerica della propagazione del suono:
Fondamenti del metodo agli elementi finiti, boundary element methods e ray tracing.

Programma esteso

Lezione 0 Introduzione al corso, programma, pagina web del corso
Lezione 1 Il fenomeno sonoro - grandezze fondamentali
Lezione 2 Grandezze energetiche - scala dei decibel
Lezione 3 Il sistema uditivo umano - audiogramma normale,  curve isofoniche
Lezione 4 Il fonometro - Livello equivalente - operazioni con i decibel - calibrazione
Lezione 5 Analisi in frequenza, somma di livelli, ponderazione A, scala dei Bark
Lezione 6 Propagazione in campo libero, divergenza sferica, direttivita'
Lezione 7 Sorgenti lineari, divergenza cilindrica, attenuazione in eccesso
Lezione 8 Schermature antirumore, relazioni di Maekawa, esercizi
Lezione 9 Propagazione del suono in ambienti chiusi, campo semiriverberante, tempo di riverberazione
Lezione 10 Il fattore di correzione ambientale K2, propagazione del suono in ambienti chiusi non Sabiniani
Lezione 11 Misura di potenza sonora con metodo intensimetrico, stima del K2 dalla misura di potenza sonora
Lezione 12 Campionamento digitale del suono, convoluzione, FFT, filtraggio inverso
Lezione 13 Tecniche di misura della risposta all'impulso e del tempo di riverberazione, metodo impulsivo e MLS
Lezione 14 Tecniche di misura della risposta all'impulso e del tempo di riverberazione, metodo ESS, esempio di auralizzazione con il parlato
Lezione 15 I parametri acustici ricavabili dalle risposte all'impulso (ISO 3382): Chiarezza, Definizione, ts, EDT, IACC, LF, G
Lezione 16 Lo STI (Speech Transmission Index) e la sua misurazione
Lezione 17 Materiali fonoassorbenti, generalita' e tipi di prodotti. Esercizio sulla misura di Alfa Sabine secondo ISO 354 (cam. riverber.)
Lezione 18 Materiali fonoisolanti, generalita' e tipi di prodotti. - La Legge Di Massa, risonanze e coincidenza.
Lezione 19 Requisiti acustici passivi degli edifici, DPCM 5/12/1997
Lezione 20 Il rumore nell'ambiente esterno, la Legge Quadro sul Rumore, la classificazione acustica del territorio
Lezione 21 Il criterio di normale tollerabilita', valutazione del disturbo ai sensi dell'art. 844 C.C.
Lezione 22 Il SEL, rumore dei veicoli, valutazione impatto infrastrutture di trasporto, esercizi
Lezione 23 Rumore nell'ambiente di lavoro, il Livello di Esposizione Personale, esercizi
Lezione 24 Elaborazione numerica del suono, filtri FIR e IIR, FFT, Leakage, Windows, Spettrogramma
Lezione 25 Filtraggio FIR veloce con FFT, calcolo dei filtri inversi
Lezione 26 Tecniche di misura del coeff, di assorbimeto acustico Alfa
Lezione 27 The Hour of Code - come scrivere piccoli programmi di elaborazione del segnale audio (plugins)
Lezione 28 The Hour of Code - metodi di programmazione visuale per l'elaborazione audio
Lezione 29 The Hour of Code - esempi di programmazione
Lezione 30 Tecniche di registrazione e riproduzione multicanale, microfoni direttivi, Soundfield, Ambisonics
Lezione 31 Tecniche di riproduzione WFS (WaveField Synthesys), la Casa del Suono di Parma
Lezione 32 Array di microfoni, microfoni virtuali, il progetto RAI
Lezione 33 Simulazione in ambiente esterno: Disia, Citymap
Lezione 34 Simulazione entro gli ambienti chiusi: Ramsete
Lezione 35 Auralizzazione dei risultati col software Aurora

Il corso di Acustica Applicata e' un corso introduttivo ad un settore scientifico e tecnologico in rapidissimo sviluppo, che offre grandi potenzialità occupazionali, e che coinvolge aree disciplinari apparentemente molto diverse: architettura, ingegneria strutturale, fisiologia, psicologia, statistica, fisica, elettronica, meccanica delle vibrazioni, fluidodinamica, elaborazione numerica del segnale, telecomunicazioni, elettronica, misure, igiene del lavoro, musica, musicologia, realtà virtuale.

Stante la sua natura multidisciplinare, il Corso di Acustica Applicata e' frequentato da studenti di vari corsi di laurea (praticamente tutte le branche di Ingegneria, ma partecipano anche alcuni allievi di Architettura). Ovviamente in un corso di 6 CFU si riesce a fornire solo la base metodologica della materia, che deve essere poi approfondita in ulteriori corsi.

Bibliografia

Il testo raccomandato per una prima introduzione alla materia e':

P. Fausti: Acustica in Edilizia, Rockwool Italia, Milano (2005) - scaricabile gratuitamente in formato PDF, inoltre si puo' fare richiesta alla Rockwool di una copia cartacea, anch'essa gratuita. Grazie Rockwool!
I testi CONSIGLIATI (non obbligatori) per la preparazione approfondita dell'esame sono:

ACUSTICA
Fondamenti e applicazioni
Autori: R. Spagnolo
Marchio: UTET Università
Anno: 2015
ISBN: 9788860084460

Thomas D. Rossing (ed.): Springer Handbook of Acoustics, Springer
Science+Business Media, New York (2007)

Dispense Online
Il materiale didattico relativo al corso utilizzato durante le lezioni e' disponibile nella area "Public" di questo sito web:
http://pcfarina.eng.unipr.it/Acoustics-2015-Lessons.htm - Si consiglia di scaricare soprattutto le slides Powerpoint ed i fogli Excel contenenti gli esercizi svolti in aula.

I testi raccomandati per una prima introduzione alla materia sono:

P. Fausti: Acustica in Edilizia , Rockwool, Italy, Milan, 2005 (free download in PDF format)
In Italian

R. Spagnolo: Acustica: Fondamenti e applicazioni, UTET Università, 2015, ISBN: 9788860084460

T. D. Rossing (ed.): Springer Handbook of Acoustics, Springer Science+Business Media, New York, 2007

L.E. Kinsler, A.R. Frey, A.B. Coppens, and J.V. Sanders: Fundamentals of Acoustics, Wiley & Sons, 2000

F. Fahy: Foundations of Engineering Acoustics, Academic Press, 2000,
ISBN: 9780122476655

Metodi didattici

La parte “teorica” delle lezioni viene somministrata mediante strumenti informatici, evitando la “didattica frontale” in aula. Quindi il docente mette a disposizione sul sito web una serie di supporti (slides, dispense, filmati di lezioni), indicando volta per volta agli studenti a quali di essi accedere prima di ciascuna “lezione” in aula.
Durante tali lezioni, l’attività in classe sarà di tipo “workshop”, con soluzione di problemi e effettuazione di dimensionamenti progettuali, in parte svolte da docente come “esempio”, e poi replicate dagli studenti.
Tale tipo di attività include anche un momento di verifica sistematica dei progressi raggiunti man mano, con conseguente costruzione di un profilo di valutazione individuale per ciascuno studente, e dunque con la possibilità di instaurare ausili e supporti per chi sta restando indietro.

Il corso consta di un combinazione di lezioni frontali e workshop/laboratori. La teoria alla base dei concetti trattati in questo corso verrà spiegata durante le lezioni frontali. Dimostrazioni pratiche o con l’ausilio di computer verranno spesso utilizzate durante le lezioni come metodo per mostrare gli aspetti pratici di questa disciplina.
Verranno tenuti anche laboratori e workshop pratici, col supporto di computer o sistemi di misura, in modo che gli studenti acquisiscano esperienza con simulazioni numeriche e signal processing e coi metodi di misura.
Verranno fatti test in classe come verifica formativa e sommativa dell’apprendimento, al fine di monitorare i progressi degli studenti.

Modalità verifica apprendimento

La verifica dell’apprendimento consta di due distinte prove:
1) un esame scritto, costituito da un certo numero di esercizi da risolvere in forma numerica. E' consentito l'uso di calcolatrice tascabile, appunti, dispense,tabelle e grafici. Alcuni studenti possono essere esentati dalla prova scritta, sulla base dei risultati conseguiti durante i test in classe.
2) Esame orale, che verte principalmente su argomenti teorici, ed a cui si accede solo dopo aver superato la prova scritta. Anche in questo caso alcuni studenti ne possono venire esentati, sulla base dei risultati dei test in classe.

La verifica dell’apprendimento consta di due distinte prove:
1) un esame scritto, costituito da un certo numero di esercizi. Alcuni studenti possono essere esentati dalla prova scritta, sulla base dei risultati conseguiti durante i test in classe.
2) Esame orale, che verte principalmente su argomenti teorici, ed a cui si accede solo dopo aver superato la prova scritta.

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