Sezione 2: Fattori acustici

Interpretare e paragonare le caratteristiche di modelli diversi

Nella Sezione 1 di questa dispensa sono state considerate le variabili e la complessità della cancellazione degli aspetti ripetitivi e casuali del rumore di un aeroplano. Si è spiegato che, sebbene i componenti basilari di tutti i sistemi di cancellazione siano abbastanza simili tra loro, i dettagli della loro realizzazione ed assemblaggio influiscano notevolmente sul risultato finale.

L'obiettivo di questa sezione è la misurazione della cancellazione del rumore ed il confronto fra prestazioni diverse. Si fa spesso riferimento alla quantità di cancellazione che una particolare cuffia è in grado di fornire. Come si è detto, il modo migliore per scegliere una cuffia attiva è quello di provare effettivamente vari modelli sull'aereo su cui si vola abitualmente. Non c'è tabella, grafico o descrizione di prodotto che valga quanto la prova in volo nel determinare la scelta della cuffia migliore . Purtroppo, spesso questo non è possibile, così si è obbligati a decidere l'acquisto in base alle informazioni fornite dai produttori, le recensioni dei prodotti che appaiono sulle riviste del settore e le raccomandazioni degli altri piloti.

Lo scopo di questa sezione è quella di fornire gli elementi necessari per formulare domande circostanziate e condurre un'analisi critica della cancellazione attiva e passiva che ci si può attendere da un particolare modello di cuffia attiva.

Il profilo di cancellazione

Tutte le cuffie attive sono in grado di cancellare un certo profilo di rumore. Questo profilo può essere riportato su di un grafico per evidenziare l'entità della cancellazione ed in che punto si manifesta nello spettro delle frequenze. Il processo di misurazione è relativamente semplice, ma richiede attrezzature e tecniche di laboratorio piuttosto sofisticate. Il test viene eseguito all'interno di una camera acustica chiusa e controllata. La cuffia viene montata su di un apparato in cui un microfono è posto all'interno di un "orecchio" artificiale, con lo scopo di percepire cosa sentirebbe il pilota. Vengono quindi immessi dei toni variabili tra 10 e 10.000 Hz ed il microfono registra il risultato. Il test viene eseguito due volte, una volta con il circuito di riduzione attiva spento ed una volta acceso. Le differenze fra la prima e la seconda serie indicano quanto è stato cancellato con l'attivazione del sistema. I risultati sono di solito rappresentati in forma di grafico, con le frequenze in Hertz (Hz) sull'asse orizzontale e la cancellazione in decibel (dB) negativi sull'asse verticale:

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Ovviamente, cuffie differenti forniscono risultati diversi, in base a come sono stati gestite le variabili di cui si è parlato nella Sezione 1 di questa dispensa. Prima di fare qualsiasi paragone, parliamo degli attributi delle curve di cancellazione che caratterizzano ogni cuffia attiva. Queste includono:

Ogni attributo descrive qualcosa sull'efficacia che ci si può attendere dalla cancellazione.

Profondità

La profondità della curva descrive il massimo livello di cancellazione che ci si possa aspettare. Normalmente questo è il dato di cancellazione attiva che il produttore evidenzia sulla pubblicità. Di solito i dati sono forniti con un ambito di variazione tra 2 e 4 dB, in quanto le differenze nella sensibilità del microfono, nella calibrazione ed anche nelle caratteristiche fisiche del pilota esercitano comunque un modesto effetto sul risultato finale. E' molto importante sapere come siano state eseguite le rilevazioni della cancellazione. Alcuni produttori pubblicano dati di riduzione del rumore che non sono state misurate "all'orecchio", ma piuttosto a livello del microfono del sistema attivo. Ricordate dalla Sezione 1 di questa dispensa quanto i sistemi di cancellazione migliori pongano il microfono in modo da ottenere una correlazione ottimale con la posizione del meato acustico esterno, ma questa correlazione non è mai perfetta. Ad esempio, il modello "T" nel grafico denuncia 14-16 dB di cancellazione, ma di questi solo 11 dB all'orecchio. Siccome la pressione acustica raddoppia all'incirca ogni 3 dB, questa differenza risulta abbastanza significativa la si può probabilmente spiegare con la diversa modalità di rilevamento adottata.

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Ampiezza

Ci occupiamo ora della gamma globale di frequenza che viene cancellata elettronicamente. Considerata  la sensibilità dell'orecchio a piccole variazioni in dB, una cancellazione superiore ai 5 dB inizia ad essere significativa. Quando combinata con la "profondità", queste due misure costituiscono il "totale" della cancellazione che il sistema può fornire.

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Posizione

Si può notare nel grafico quanto una cuffia possa cancellare maggiormente le basse frequenze rispetto ad un'altra. Mentre ogni aeroplano possiede le sue particolari caratteristiche di rumore, ci sono alcune cose in comune che si possono riferire a tutti i mono-motori a pistoni.

  1. La parte più consistente dello spettro del rumore è generato dalla frequenza risonante dell'elica. Per motori a presa diretta, che raggiungono i 2.400-2.700 giri. questo accade a 80-90 Hz per eliche bipala e 120-130 Hz per eliche tripala. In questo specifico punto dello spettro il rumore raggiunge il suo massimo volume.

  2. L'inviluppo globale del rumore nella cabina di questi aeroplani raggiunge il suo massimo da 40Hz a 250 Hz, pertanto questo è l'ambito in cui la cancellazione è più importante. Il livello del rumore a 500 Hz è tipicamente almeno 10 dB più basso di quello a 100 Hz.

La terza parte di questa dispensa considera approfonditamente gli spettri del rumore degli aeroplani e come questi "interagiscano" con le prestazioni attive e passive delle cuffie. Per ora è sufficiente capire semplicemente che i rumori più forti sono alle frequenze più basse. Pertanto, la "posizione" di un profilo di cancellazione posta fra gli 85 ed i 130 Hz dovrebbe risultare la più efficace a bordo del tipico aereo con motore a pistoni.

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Esaltazione

Questa è l'ultima caratteristica evidente nei profili di cancellazione e, probabilmente, quella meno valutata dai futuri acquirenti di una cuffia attiva. L'esaltazione consiste in un segnale contro-fase amplificato creato dal sistema attivo che non trova correlazione nel rumore ambientale di base. In breve, rappresenta le "schegge impazzite" del segnale elettronico "anti-rumore" che viene introdotto nella coppa auricolare. E' presente in qualche forma in tutte le cuffie attive, per le seguenti ragioni (per seguire il ragionamento si segua il grafico dei profili di cancellazione qui sopra).

La fisica delle onde sonore e delle cavità acustiche fa sì che la cancellazione divenga più difficile man mano che la frequenza aumenta. Ciò è causato dalla brevità della lunghezza d'onda alle alte frequenze, in relazione alla distanza fisica tra il microfono di captazione e l'altoparlante anti-rumore. Il grafico mostra questo fenomeno riferito a cuffie diverse, tutte con ridotta efficacia di cancellazione al di sopra dei 300 Hz. Tanto più profonda è la cancellazione a 100 Hz, quanto più rapida è la caduta del profilo tra i 300 ed i 600 Hz. Questa caduta repentina rende difficile evitare alcune "schegge impazzite" del rumore di base.

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L'esaltazione è controproducente?

Anche se non disastrosa, è sempre desiderabile averne il meno possibile. Come in tante altre cose, bisogna scendere ad un compromesso tra il livello di esaltazione e le capacità globali di cancellazione. Sfortunatamente, le due situazioni vanno di pari passo. Questo spiega perché le migliori cuffie attive spesso patiscano i maggiori effetti di esaltazione. Tutto sommato, la migliore efficacia di cancellazione mette in secondo piano l'effetto collaterale per almeno due ragioni:

  1. Di solito, i livelli di dB esaltati sono relativamente bassi (3-6 dB) mentre la cancellazione aggiuntiva alle basse frequenze è nettamente maggiore. La reale quantità di rumore esaltato (area ombreggiata sotto la curva) è abbastanza piccola se paragonata con la totalità del rumore cancellato

  2. L'esaltazione avviene generalmente a frequenze più elevate, attorno ad 1 kHz, dove le cuffie di solito si giovano di una significativa attenuazione passiva e dove la maggioranza degli aeroplani producono relativamente meno rumore da affrontare. L'effetto risultante è ancora una riduzione del rumore anche a queste alte frequenze ... solo un tantino inferiore!

L'unica eccezione è l'esaltazione a bassa frequenza, come quella descritta nel grafico per la cuffia "C". Questo modello è in grado di fornire meno di 5dB di protezione passiva a 40 Hz, pertanto il rumore addizionale introdotto dal circuito di attenuazione potrebbe risultare maggiormente percepibile a queste frequenze.

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Congratulazioni! Ora siete in grado di interpretare i profili di cancellazione delle cuffie attive meglio del 99% dei piloti (senza contare i sedicenti esperti di avionica). Ovviamente questi dati possono essere utilizzati per paragonare attentamente le prestazioni di differenti modelli solamente se i dati riferiti scaturiscono da test eseguiti secondo gli stessi standard. Le variabili in gioco, come la posizione del microfono, la sensibilità e la conformazione del sostegno possono modificare sostanzialmente i risultati ottenuti. Di nuovo, il metro di giudizio definitivo sono le orecchie dei piloti ... che comparano cuffie diverse in aerei differenti!

Cancellazione "totale": ovvero come non si possano sommare "mele ed arance"

Non si può esaurire questo argomento senza far cenno ad un concetto talora assai fuorviante: la cosiddetta "cancellazione totale". Ci si riferisce alla pratica commerciale di aggiungere alcune rilevazioni o rivendicazioni di cancellazione passiva ai profili di cancellazione attiva che si sono appena discussi. Questa pratica, sovente adottata nella pubblicità, è imprecisa e fuorviante per molte ragioni. Per capire il perché di questo, è necessario interpretare prima le misurazioni normalmente eseguite  per valutare i sistemi di protezione passiva e come questi interagiscono con il rumore dell'aereo.

La misurazione dell'attenuazione passiva

C'è tuttora un dibattito aperto su quanto questi standard di misurazione si adattino all'ambiente di una cabina d'aereo. Queste valutazioni sono state infatti sviluppate per applicazioni protezionistiche in ambito industriale, dove lo spettro sonoro è più ricco in alte frequenze ed intermittente o costituito da picchi ripetuti, come in un'officina meccanica. Il modo in cui il rumore è stato misurato influisce sulla differente rilevanza delle frequenze nella valutazione degli effetti del rumore sull'apparato acustico degli operatori. Il grafico sottostante rappresenta le curve "dell'effetto equivalente" per diversi spettri di rumore.

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Le protezioni acustiche (cuffie incluse) sono generalmente adattate alla curva calibrata di rumore definita con "A". Come si può vedere, tale curva è notevolmente influenzata dalle frequenze tra 1 e 4 kHz, ambito in cui l'orecchio umano necessita di essere maggiormente protetto. Infatti, per caratteristiche anatomo-fisiologiche, l'orecchio umano può tollerare circa 20 dB di rumore in più a 100 Hz senza danno rispetto ad un rumore di 1000 Hz. Per questa ragione la curva "A" incrocia i 100 Hz a circa -20 dB. La curva "A" di riduzione del rumore "sconta" il rumore a 100 Hz dei 20 dB nel calcolo della protezione acustica.

Il problema per i piloti è quello di non trovarsi in officine meccaniche, ma nelle cabine degli aerei, dove invece abbonda il rumore a 100 Hz, con livelli spesso di 25-30 dB superiori rispetto alla componente a 1000 Hz. Il danno acustico è senza dubbio maggiormente legato alle alte frequenze, ma anche i livelli di decibel a bassa frequenza spesso contribuiscono in modo significativo alla perdita di udito cui vanno incontro i piloti che non adottano protezioni acustiche. Livelli eccessivi di basse frequenze esercitano inoltre un indubbio effetto sulla comprensibilità del discorso ed un impatto psico-fisico, di cui si parlerà nelle sezioni 3 e 4 di questa dispensa. Pertanto, le stime della curva "A" non sono  idonee a valutare l'entità di protezione nella cabina di un monomotore.

Dati reali di riduzione passiva nelle cuffie attive

Anche se la riduzione passiva può essere presa come riferimento, peraltro utilizzando un mix di frequenze più appropriato allo spettro del rumore della cabina, sorge un problema quando si utilizzano questi dati per le cuffie attive. Non risulta che alcun produttore renda noti dati di riduzione passiva relativi alle proprie cuffie attive.

Quando delle cuffie "nate" come passive sono "trasformate" installando un circuito di riduzione attiva del rumore, si potrebbe sottintendere che la cancellazione attiva vada semplicemente a sommarsi all'attenuazione passiva originaria.  D'ogni modo, i principi fondamentali dell'acustica spiegano quanto l'attenuazione passiva si riduca quando si inserisce il circuito attivo, che occupa spazio all'interno della coppa auricolare. La documentazione dei più recenti kit di conversione evidenzia in genere questo fatto con sufficiente chiarezza.

La riduzione  passiva non si può sommare a quella attiva!

La riduzione passiva è un dato basato su rilevazioni della cancellazione eseguite ad otto frequenze diverse, tra i 125 Hz e gli 8000 Hz. I risultati variano tipicamente da circa -10 dB fino ad oltre -30 dB, dunque entro un ambito relativamente ampio. Il risultato, che è costituito da un solo numero, dovrebbe essere in grado di fornire una stima sommaria di cancellazione su di uno spettro di rumore molto largo, ponderato in base alle necessita di protezione, come sopra discusso. Per contro, i dati relativi alla cancellazione attiva sono normalmente riferiti come "picchi" di attenuazione ad una specifica frequenza, laddove l'attenuazione raggiunge il suo massimo. Se si somma il dato multifattoriale dell'attenuazione passiva con il dato della protezione attiva relativo ad una singola frequenza, si ottiene una ... assurdità! I dati non possono essere semplicemente sommati in modo valido.

Allora, come si può giudicare quale sia la cuffia attiva maggiormente efficace?

Essendo arrivati fino a qui, si conosce già la risposta. Si confrontino i profili di cancellazione attiva delle cuffie, prestando attenzione a che siano stati rilevati con tecniche omogenee. Si badi alla profondità, all'ampiezza ed alla posizione dello spettro di cancellazione. Si badi anche ad eventuali aree in cui si verifica una esaltazione, specialmente alle basse frequenze, dove è maggiormente percepibile.

Quindi, quando si è stilata una breve lista delle cuffie "candidate", si cerchi di provarle effettivamente in volo in modo da poter valutare le prestazioni, la comodità e le caratteristiche favorevoli di ogni modello. In ultima analisi, il sistema di rilevazione definitivo è la vostra testa all'interno della cabina del vostro aereo!