Misure: Pecisione, Accuratezza, Calibrazione, ecc. (*)

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MarioBon
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#1 Messaggio da MarioBon »

Si danno tante cose per scontate e poi si finisce col dire o fare qualche minkiata...se avete fretta potete saltare direttamente al terzo post.
Metrologia
La scienza che studia le grandezze, le unità di misura ed i metodi di misura si chiama Metrologia.
La Metrologia si occupa anche di scegliere e definire i processi e le unità di misura.
La ISO è l' ente internazionale preposto alla standardizzazione di quanto riguarda le misure. Ogni paese ha un proprio ente che aderisce all'ISO e ne sottoscrive le direttive. In Italia tale ente si chiama UNI.
Partiamo con tre definizioni fondamentali:

Grandezza
Secondo l’ UNI (Ente Italiano per l’Unificazione) una grandezza è “un attributo di un fenomeno, di un corpo o di una sostanza che può essere distinto qualitativamente e determinato quantitativamente”. Una grandezza può essere monodimensionale o multidimensionale. Per esempio: Lunghezza, Area, Volume, peso, massa, carica elettrica, velocità, accelerazione, intervallo di tempo, forza, velocità, temperatura, ecc. sono monodimenisionali. La risposta in frequenza, lo spettro, il colore... rappresentano grandezze multidimensionali.

Misura
La misura è l’insieme delle operazioni che hanno lo scopo di associare un valore alla grandezza sottoposta a misura (il misurando). La Misura è il processo che attribuisce un valore ad una grandezza.
Il processo di misura deve essere descritto con un livello di dettaglio tale da permettere a chiunque di ripetere le misure senza ulteriori informazioni (ripetibilità della misura). Quindi si devono descrivere con la massima precisione le "condizioni al contorno".
Chi non controlla le condizioni al contorno fa solo malanni. Una misura è sempre affetta da errori casuali e può essere affetta da errori sistematici. L'errore sistematico si compensa, l'errore casuale no.

Valore
Quantificazione di una grandezza. Risultato del processo di misura. Il valore è un numero espresso in opportune unità di misura (qualsiasi unità di misura deve essere riconducibile al Sistema Internazionale SI che comprende sette unità: metro, chilogrammo, secondo, amper, mole, candela e grado Kelvin °K).

Grandezza monodimensionale
Per esempio: la temperatura, il peso, l’altezza, la pressione sanguigna, … sono grandezze a una dimensione e i loro valori posso essere rappresentati su una scala graduata che va dal più piccolo (minimo) al più grande (massimo). La distorsione armonica totale (THD), la pressione SPL di picco sono esempi di grandezze monodimensionali.

Grandezze Multidimensionali
Per esempio lo spettro di un suono o la risposta in frequenza o la pressione acustica in un ambiente. Sono quelle grandezze che non possono essere riprodotte su una scala perchè dipendono da più variabili (per esempio dalla frequenza). Per esempio la pressione acustica all'interno di un ambiente dipene da dove viene misurata e si rappresenta con un grafico. Per le grandezze multidimensionali non esiste il concetto di maggiore e minore. Un colore si ottiene mescolando opportune quantità di Rosso, Verde e Blu. La quantità di Rosso (solo rosso) è monodimensionale, la quantità di Verde (solo Verde) è monodimensionale, la quantità di Blu (solo Blu) è monodimensionale. Quindi possiamo dire che il rosso chiaro è "meno rosso" del rosso scuro. Invece non si può confrontare il Giallo con il Rosso (perché il Giallo contiene sia il Rosso che il Verde). Di uno spettro possiamo dire che contiene una componente a 1000Hz maggiore di un'altro spettro ma non ha senso dire che "questo spettro è maggiore di quello". Caso mai si potrà dire che il valore RMS è maggiore (ma il valore RMS è monodimensionale...).
Il numero di dimensioni di uno spettro è virtualmente infinito.

In acustica si incontrano grandezze monodimensionale e multidimensionali.
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Re: Misure: Pecisione, Accuratezza, calibrazione ecc

#2 Messaggio da MarioBon »

Il Misurando è la grandezza da misurare di cui ci cerca il valore.
Il valore del misurando si può esprimere in modi diversi:

Valore Assoluto
Modulo o norma. y=|f(x)|. In pratica i valori positivi vengon presi come positivi, quelli negativi vengono invertiti di segno e diventano positivi.

Valore efficace
La radice quadrata della sommatoria dei quadrati dei valori di una serie, divisa per il numero dei
valori. Detto anche valore RMS (Root Mean Square = Radice Media Quadrato). Concetto particolarmente comodo in elettronica perché il valore efficace di un segnale equivale alla componente continua che produrrebbe lo stesso riscaldamento del carico. Un rumore rosa, un'onda quadra, una sinusoide, un brano musicale ... se hanno lo stesso valore RMS producono lo stesso riscaldamento sul carico che produrrebbe una tensione continua di valore pari al valore RMS. Il valore RMS consente di confrontare l'effetto sul carico di forme d'onda diverse.

Valore medio
Sommatoria dei valori divisa per il loro numero. Tutti i segnali acutici hanno media nulla e cominciano dal silenzio e finiscono nel silenzio.

Valore di picco
Il massimo (o il minimo) valore presente in una serie.

Fattore di Cresta
Rapporto tra il valore di picco ed il valore RMS (misurati in un certo intervallo di tempo). CF =(Valore_picco)/(valore_RMS)

Fattore di forma
Rapporto tra il valore RMS ed il valore medio (misurati in un intervallo specificato).
CF = (valore_RMS) / (valore_Medio)

Il livello è il logartimo del rapporto di due valori omogenei (per esempio il livello SPL). In acustica si misura in decimi di Bell. Il livello è adimensionale (non ha dimensione). Normalmente uno dei due valori è un riferimento standardizzato (uguale per tutti). Si veda oltre la normalizzazione.
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Re: Misure: Pecisione, Accuratezza, calibrazione ecc

#3 Messaggio da MarioBon »

Veniamo alle cose più interessanti: qualsiasi misura è affetta da errori. Esistono gli errori casuali (sempre presenti) e gli errori sistematici. L'errore sistematico può essere corretto. Per esempio se misuro una serie di lunghezze con un metro lungo 110 centimetri (invece dei canonici 100) ogni misura sarà affetta da un errore del 10% che però, dato che lo conosco, posso correggere.

una Misura è Accurata se è priva di errori sistematici.
una Misura è Precisa se affetta da errore casuale basso.

Quando si posiziona il microfono si commette un errore casuale (nel senso che non i riesce mai a metterlo esattamente nello stesso posto...). Se il microfono non è calibrato (o tarato) si commette un errore sistematico. Se si confrontano due misure fatte con lo stesso microfono, la differenza delle due misure non cntiene l'errore sistematico (che essendo sempre lo stesso facendo la differenza si annulla). Ne segue che si possono fare misure acurate anche con dispositivi non calibrati.

Il Valore vero del misurando sarebbe il risultato di una “misura perfetta” (senza errori). Poiché è impossibile effettuare una misura senza errori, ogni valore misurato è, per sua natura, incerto e va accompagnato dall’errore di misura. L'errore di misura si calcola ed è quindi noto. Il valore vero si trova all’interno dell’intervallo definito dall’errore di misura. I risultati di una misura devono sempre essere accompagnati dall’errore. Ciò che rende attendibile un valore misurato è la quantificazione dell’errore. Non interessa conoscere il valore vero ma piuttosto ottenerlo con un errore compatibile con l’uso che se ne deve fare.
Quando l'errore non è dichiarato non si può parlare di misura ma si deve parlare di stima. Le stime si hanno anche a sentimento (o a spanne).
Quando si misura un livello SPL con il fonometro dell'iPhone si ottiene una stima perchè la posizione di misura è incerta (difficilmente ripetibile) e la calibrazione del microfono è sconosciuta. Se però siamo nella condizione di dire che l'errore è di + o meno 3 dB allora stiamo facendo una misura: se abbiamo misurato 90 dB significa che il "valore vero" è compreso tra 87 e 93 dB.
Questo intervallo di errore, in acustica è alto (tra 87 e 93 dB la potenza si quadruplica). Un errore di più o meno 1 dB corrisonde circa a più o meno il 10%.
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Re: Misure: Pecisione, Accuratez, calibrazione e normalizzaz

#4 Messaggio da MarioBon »

Siamo cosi arrivati alla calibrazione. Calibrare uno strumento significa fare in modo che il risultato della misura sia conforme ad un riferimento (allo standard). Per esempio un metro deve essere lungo 100 centimetri: per calibrarlo dobbiamo andare a Parigi e confrontarlo con il "metro campione". Una volta calibrato avremo la certezza che le misure fatte sono accurate.
Le bilance vengono periodicamente calibrate e anche gli erogatori della benzina.
I microfoni vengono calibrati ed esiste un apparecchio (il calibratore) che serve a tale scopo. Con il microfono calibrato possiamo andare in camera anecoica e misurare la sensibilità di un sistema di altoparlanti.
Questo è un microfono con il suo calibratore:
https://www.google.it/url?sa=t&rct=j&q= ... EQ6YgrqIx0
La calibrazione serve per ridurre l'errore sistematico e quindi per rendere una misura accurata.
E' sempre necessario calibrare il microfono? dipende. Se devo misurare la sensibilità certamente sì, ma se devo confrontare il livello di due suoni alla stessa frequenza la calibrazione non è necessaria. La calibrazione interviene sull'errore sistematico che è lo stesso per tutte le misure quindi, quando si fa la differenza tra due livelli (per esempio SPL), l'errore sistematico scompare perchè è lo stesso su entrambe le misure.
Possiamo quindi tranquillamente misurare la risposta in ambiente dei nostri diffusori con un microfono non calibrato (sapendo che non potremo misurare la sensibilità).
Il microfono però ha anche una sua risposta in frequenza che non è sempre piatta. Quindi, anche se la calibrazione della sensibilità non è necessaria, la calibrazone della risposta in frequenza potrebbe esserlo (specie con microfoni un po' economici). Una volta calibrato, se si misura una risposta piatta significa che è piatta (lasciamo perdere la caratteristica polare per non farla troppo difficile...).
Se invece interessa soltano il confronto tra due misure di livello (tipo di quanto è aumentata la gamma media impiegando un equalizzatore) allora la calibrazione è superflua.

Se poi si vogliono fare le cose per bene oltre alla calibrazione si controlla anche la variazione della temperatura e dell'umidità ambientale durante la misura perche i microfoni sono sensibili a entrambe e si attende il tempo necessario affinché il dispositivo raggiunga la temperatura di esercizio.
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Re: Misure: Pecisione, Accuratezza, calibrazione ecc

#5 Messaggio da MarioBon »

Normalizzazione e standardizzazione sono sinonimi. Abbiamo già detto che, per le misure di livello, si scelgono dei riferimenti standardizzati. Lo scopo è rendere le misure leggibili e confrontabili. Quindi la normalizzazione interviene nella scelta dei formati dei grafici, delle scale, delle unità di misura ecc. .
La normalizzazione è cosa ben diversa dalla calibrazione. La calibrazione è una operazione che si esegue sullo strumento di misura per migliorarne l'accuratezza mentre la normalizzazione è una procedura che si applica ai dati (ai risultati della misura).
Prendiamo, per esempio, la misura della distorsione armonica. Posso presentare in un grafico il livello della fondamentale ed il livello della seconda armonica (in funzione della frequenza). Per interpretare questa misura devo leggere il grafico e calcolare la differenza, tra il livello della fondamentale e della distorsione, frequenza per frequenza. Se devo confrontare molte misure relative a dispositivi diversi diventa un incubo.
Allora decido di esprimere la distorsione in percentuale rispetto all'ampiezza della fndamentale. Il valore percentuale è normalizzato a 100 (in pratica 100 è il riferimento).
Ora confrontare dati di dispositivi diversi è molto più facile perchè basta sovrapporre i grafici di distorsione o confrontare direttamente i valori ottenuti alle stesse frequenze.

Un altro modo per normalizzare una misura è la standardizzazione delle condizioni al contorno. Per esempio la riposta in frequenza va misurata:
- in ambiente anecoico
- in campo lontano
- con tensione pari a 2.83 Vrms
- riferita ad un metro di distanza
- per frequenze comprese tra 20 e 20kHz.

Queste procedura consente di porre il microfono dove serve (più vicino se il diffusore è piccolo, più lontano se il diffusore è grande) e di ottenere comunque dei dati confrontabili.
Quandi gli strumenti di misura erano solo i B&K tutti facevano le misure allo stesso modo. Oggi ci sono i PC e decine di programmi diversi quindi anche il formato delle misure è cambiato ed è molto più vario.

Se non avete letto i primi post ... questo è il momento
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