COMUNE DI SPOLETO CLASSIFICAZIONE ACUSTICA

Transcript

1 Dr. COMUNE DI SPOLETO CLASSIFICAZIONE ACUSTICA ALLEGATO B SISTEMI DI MISURA FONOMETRICA 1

2 B.1 CATENA DI MISURA. DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI... 3 B.2 IL MICROFONO... 3 B.3 IL PREAMPLIFICATORE... 7 B.4 IL FONOMETRO... 7 B.5 COSTANTI DI TEMPO B.6 TIPOLOGIA E CLASSIFICAZIONE DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI B.7 IL CALIBRATORE E LA CALIBRAZIONE B.8 ACCESSORI PER IL TRATTAMENTO DEI DATI B.9 PRINCIPALI DATI E PARAMETRI MISURABILI CON UN FONOMETRO

3 B.1 CATENA DI MISURA. DESCRIZIONE DEGLI STRUMENTI In una campagna di rilievi di dati acustici la scelta della strumentazione riveste un ruolo fondamentale. L insieme degli strumenti e degli accessori necessari viene chiamato catena di misura In figura sono mostrati gli strumenti, gli accessori ed il loro schema di collegamento. In tale figura compaiono sia strumenti, sia accessori indispensabili alle misure (quelli indicati con un riquadro scuro più spesso), sia elementi non strettamente necessari (quelli riportati con un riquadro sottile più chiaro). Nel seguito della trattazione, saranno descritti singolarmente i vari componenti della catena di misura, il funzionamento dei principali elementi e saranno fornite indicazioni riguardo la loro scelta e la loro modalità d impiego nell ambito della progettazione di una campagna di misura. Inoltre verranno indicati i modelli e le impostazioni impiegati nel lavoro in esame. Catena di misura B.2 IL MICROFONO Il primo e fondamentale elemento della catena di misura è il microfono che costituisce il sensore di rilevamento della pressione sonora ed è uno dei componenti dai quali dipende fortemente la qualità e la precisione delle misure. Per le misure di precisione, quali quelle da effettuare in campo ambientale, vengono utilizzati microfoni a condensatore che trasducono le oscillazioni di pressione esercitate sulla 3

4 membrana interna in variazioni di tensione che vengono amplificate e trattate dal resto della catena di misura. Esistono normalmente due tipi di microfoni: a pressione e a campo libero. Il primo deve essere utilizzato quando la direzione da cui proviene il rumore è chiaramente individuabile e va orientato verso la fonte del rumore stesso (normalmente sono anche chiamati microfoni direzionali). Il secondo va usato per misure in campi fortemente diffusi (spesso sono chiamati microfoni omnidirezionali). Normalmente gli apparecchi portatili sono forniti del primo tipo di microfono col quale si fanno misure anche in campo diffuso sebbene a rigore ciò non sarebbe ammissibile. In ogni caso le buone caratteristiche di omnidirezionalità degli attuali microfoni rendono l'errore che si commette abbastanza trascurabile, perlomeno escludendo i casi estremi. Il principio di funzionamento del microfono a pressione si basa sulla possibilità di considerare la pressione come uno scalare nel caso in cui la lunghezza d onda del segnale incidente sia maggiore della dimensione lineare del microfono stesso. Al diminuire del diametro del microfono aumenta la gamma delle frequenze udibili dallo strumento e diminuisce la precisione delle misure, essendo questa funzione dell area su cui si esercita la pressione incidente. Possono essere utilizzati differenti tipi di microfono, in relazione alla tipologia delle misure da effettuare. Si impiegano ordinariamente microfoni da 1/2" (mezzo pollice) o da 1" per misure in esterno. Va sottolineato che il microfono a condensatore è estremamente sensibile all'umidità o alle polveri e deve quindi essere sempre adeguatamente protetto. A questo scopo sono disponibili vari accessori di protezione del microfono. Nel caso di misure in esterno ed in presenza di vento il microfono va schermato con apposite cuffie antivento di materiale spugnoso, per evitare l'influenza del vento stesso sul valore di pressione rilevato, mentre in presenza di umidità o pioggia è necessario far ricorso ad appositi recipienti stagni e/o sostanze assorbitrici di umidità. Particolare cura dovrà essere posta nel posizionare il microfono. Esso va collocato su di un cavalletto, per evitare la trasmissione diretta di vibrazioni da contatto e per posizionare adeguatamente il sensore ad una certa distanza dall'operatore per evitare interferenze dovute alla riflessione dell'onda sonora dal corpo dell'operatore stesso e a rumori prodotti da questi. Per la stessa ragione si eviterà di porsi troppo vicino a delle pareti, al pavimento o ad oggetti di un certo volume (almeno 1,5 m di distanza). Il cavalletto ha anche lo scopo di porre il microfono ad un altezza prossima a quella media dell uomo per effettuare misure ambientali in posizioni ove stazionano credibilmente ricettori umani. 4

5 Per lo studio in esame è stato scelto un microfono a pressione Larson and Davis da 1\8 di pollice, modello 2541 con membrana pretensionata per attenuare, nel caso di sorgente direzionale, gli errori di misura che si verificherebbero per frequenze con lunghezza d onda confrontabili con le dimensioni del microfono. Ciascun microfono è corredato da una certificazione che riporta la sua accuratezza, ovverosia la differenza tra il valore misurato del livello equivalente e quello generato in maniera campionata. Nella figura seguente è riportato un esempio di tale certificazione. 5

6 Esempio di certificato di taratura 6

7 B.3 IL PREAMPLIFICATORE Il preamplificatore collega il microfono al resto della catena di misura. Esso ha lo scopo di precondizionare il segnale prodotto dal microfono e di adattare l impedenza di questo al resto della strumentazione. Il preamplificatore ha inoltre la funzione di ridurre l elevata impedenza dei microfoni a condensatore rendendo così possibile l uso di cavi di collegamento relativamente lunghi tra il gruppo microfono e lo strumento di trattamento del segnale, ciò per evitare interferenze, disturbo ed ombre acustiche tra operatore, sorgente e microfono. B.4 IL FONOMETRO Esistono in commercio numerosi strumenti per la misura del livello di pressione sonora, sia di tipo portatile, sia di tipo fisso per laboratorio. In figura è mostrato lo schema a blocchi di un fonometro. Schema a blocchi di un fonometro 7

8 Il microfono è collegato al fonometro attraverso il preamplificatore, ambedue esterni allo strumento, e fornisce allo strumento il segnale da analizzare. Il primo gruppo amplificatore-attenuatore ha i compiti di evitare il sovraccarico dello strumento con i suoni più intensi e, attraverso apposite reti ponderatrici, selezionabili attraverso appositi comandi, di conferire all apparecchio una curva di risposta che riproduca il corrispondente comportamento dell udito. In altre parole questo blocco controlla ed elimina eventuali sovraccarichi ed introduce le curve di ponderazione A, B, C e D già precedentemente introdotte e che sintetizzano la caratteristica sensibilità-frequenza dell apparato uditivo umano. Negli apparecchi migliori sono disponibili anche due costanti di tempo: slow e fast che, come vedremo, hanno lo scopo di evidenziare in maniera differente gli andamenti impulsivi; anche questa funzione di introduzione delle costanti di tempo è svolta dal primo banco di amplificazione. I fonometri dell ultima generazione consentono inoltre di misurare il livello di pressione acustica non ponderato escludendo a tal fine tutte le reti ponderatrici, in modo tale da ottenere una risposta indipendente dalla frequenza di tutte le bande acustiche. Il segnale così condizionato attraversa eventuali filtri interni o esterni allo strumento permettendo l'analisi di frequenza del segnale, sia isolando singole bande di frequenza, sia per bande d'ottava o terzi d'ottava. Il secondo gruppo amplificatore-attenuatore ha invece lo scopo di consentire le variazioni di scala occorrenti per l impiego dell apparecchio sull intera gamma di livelli (oltre 100 db), offrendo la possibilità di modificare la dinamica dello strumento in maniera più adatta al fenomeno che si sta esaminando. Questo gruppo ha anche lo scopo di consentire la regolazione dell amplificazione in funzione della calibrazione, ovverosia permette di modificare il guadagno in modo tale da ottenere in uscita il valore esatto di dell intensità fornita dal campione di calibrazione. Questo banco fornisce il segnale al rettificatore che dà infine una uscita proporzionale al valore medio efficace o al valore di picco della pressione sonora a seconda che il fonometro fornisca i valori istantanei o quelli medi. Un convertitore lineare-logaritmico ed uno strumento indicatore (od eventualmente un convertitore analogico-digitale con display finale) permettono infine di leggere il valore in db. Le uscite in c.a., c.c. lin e c.c. log consentono il trasferimento rispettivamente del segnale di pressione istantanea, del segnale rettificato e mediato in formato lineare o logaritmico, ossia in decibel, ad un opportuno sistema di registrazione. 8

9 Esempi di strumentazione fonometrica Nella figura sono riportati vari tipi di fonometri, portatili e da tavolo ed alcuni accessori quali microfoni, cavi di collegamento e preamplificatori. Attualmente nella fonometria dei rumori che costituisce l'impiego predominante, se non esclusivo, del misuratore di livello sonoro, si è generalizzato, anche per i livelli medi ed elevati, l'impiego esclusivo del livello sonoro ponderato A, che sulla base di indagini sperimentali allo scopo condotte, è risultato meglio correlato con gli effetti indesiderati dei rumori che si vogliono solitamente valutare. I fonometri di tipo portatile dispongono della possibilità di essere alimentati attraverso batterie. Ciò se da una parte rende utilizzabili i tali fonometri anche in ambienti esterni e non serviti da rete elettrica, limita i tempi di utilizzo della strumentazione a causa della capacità ridotta dei sistemi di alimentazione esterni. Durante ogni campagna di misura in ambienti esterni è quindi 9

10 necessario progettare accuratamente i tempi di misura ed approvvigionarsi di batterie capaci di erogare energia per gli intervalli di tempo previsti. I dati misurati ed elaborati dai fonometri possono essere immagazzinati, all interno del fonometro stesso, in opportune aree di memoria. In alternativa questi stessi dati possono essere riversati su carta, in formato tabellare o grafico, o su altri sistemi dotati di memoria, come sarà illustrato nel seguito. Risulta chiaro quindi che un fonometro, normalmente, dispone di una certa quantità di memoria. In essa è possibile decidere quali tipologie di dati memorizzare e la quantità di questi stessi in funzione della durata delle misure. Per eseguire correttamente una campagna di misura è necessario conoscere a priori quali e quanti dati memorizzare e quanta occupazione di memoria occorra per immagazzinarli e confrontare questa con la capacità massima di memoria del fonometro. Una cattiva valutazione di tali parametri può condurre alla perdita di notevoli quantità di dati. Un informazione molto importante è quindi la conoscenza dello spazio di memoria occupato dai vari dati acquisiti con il fonometro; questa informazione permette una più attenta scelta dei parametri da memorizzare in funzione della capacità del fonometro e del tempo globale di durata della misura. B.5 COSTANTI DI TEMPO I fonometri sono dotati di circuiti per l introduzione di ritardi nella risposta istantanea dello strumento. Essi solitamente sono dotati di una o più costanti di tempo selezionabili dallo strumento, che consentono di simulare differenti risposte dello strumento. Questi ritardi hanno vari scopi: il principale è quello di rendere più o meno evidenti (a seconda della costante di tempo utilizzata) rapide variazione del livello istantaneo o impulsi di durata molto limitata. Altro scopo delle costanti di tempo è quello di simulare i ritardi introdotti dall inerzia dagli indicatori di tipo analogico e dall elettronica dei fonometri di vecchia generazione e per poter quindi confrontare i risultati prodotti da differenti fonometri anche di differente tecnologia costruttiva. 10

11 I misuratori di livello sonoro sono, di regola, dotati di almeno due diverse costanti di tempo (costanti strumentali): la costante Fast (veloce, pari a 125 ms) e la costante Slow (lenta, pari a 1000 ms), indicate rispettivamente con i simboli F ed S. L'impiego della prima consente di evidenziare le rapide fluttuazioni di livello, mentre la costante Slow, riducendo l'entità e la rapidità delle fluttuazioni, consente di seguire meglio l'andamento del livello sonoro nel corso del tempo e di indicarne meglio il valore medio. Numerosi apparecchi sono inoltre dotati di altre costanti strumentali, destinate ai rilevamenti dei rumori di tipo impulsivo, e precisamente: la costante lmpulse (simbolo I) caratterizzata da un tempo di salita di 35 ms (valore mediamente attribuito al tempo di integrazione dell udito), seguito da un tempo di discesa assai più lungo (3 s), onde consentire la lettura della massima deviazione; la costante Peak (simbolo P), caratterizzata da un tempo di salita assai breve (circa 30 s) per consentire la lettura del valore di picco degli eventi sonori impulsivi. Per capire come siano utilizzate le costanti di tempo allo scopo di riuscire ad interpretare correttamente i tracciati storici delle misure e i risultati delle analisi, nelle figure riportate di seguito è mostrata la registrazione dei suoni prodotti da una pendola a muro. Il clima sonoro è costituito dal tipico rumore di fondo più i suoni emessi dalla pendola. Si osservi il classico tic-tac intervallato da 1/2 secondo: il tic presenta un livello sonoro più alto del tac. Alcuni secondi prima che la pendola batta le sei, ai secondi 17.2 c.a. si può vedere (e sentire) l'avvio del meccanismo di percussione. Tale avvio è caratterizzato da un livello sonoro più alto (più 10 db(a)f) rispetto al livello sonoro dei tic ed è quindi nettamente distinto da questi per sonorità. Andamento del livello con costante di tempo fast 11

12 Andamento del livello con costante di tempo slow In tale figura l asse dei tempi è espresso in secondi ed il tratto continuo rappresenta la risposta Fast, quello punteggiato la risposta Slow. E' evidente come la costante Slow mascheri il rumore di fondo e contragga la dinamica della sonorità. Questo fatto, risulta particolarmente evidente se si segue l'evoluzione della risposta in Slow dell'ultimo rintocco della pendola e contemporaneamente si ascolta il tic-tac che riemerge ai secondi 41, 42, 42, 43 e 44 della risposta Fast: questi sono distintamente udibili, ma non risultano dalla risposta in Slow. E' evidente come la costante di tempo Fast ci restituisca con ragionevole fedeltà la descrizione grafica di quello che abbiamo sentito, mentre la costante Slow ce ne restituisce una visone sostanzialmente deformata, sia nella dinamica, sia nel decorso storico. Per ora quindi, resta fermo il fatto che delle costanti di tempo fonometriche, la costante di tempo Fast è quella che più si avvicina alla risposta temporale della nostra funzione uditiva. Nelle procedure di misura e monitoraggio si usa quindi preferibilmente la costante di tempo Fast, ed è stata quella utilizzata per le nostre misure. B.6 TIPOLOGIA E CLASSIFICAZIONE DEGLI STRUMENTI UTILIZZATI E possibile classificare i fonometri a seconda delle funzioni svolte e dell utilizzo verso il quale sono indirizzati. Risulta chiaro che le prestazioni fornite ed il numero di funzioni svolte dipendono fortemente dal costo della strumentazione. Il fonometro integratore è uno strumento capace di valutare il livello equivalente continuo e/o quello progressivo, ossia un apparecchio in grado di effettuare integrazioni e di calcolare medie temporali, sempre con le differenti costanti di tempo e di pesatura. 12

13 L analizzatore di spettro è un fonometro che permette il rilievo spettrometrico del rumore, consentendo di visualizzare l andamento dello spettro istantaneo e di quello integrato nel tempo. Da un punto di vista della precisione la normativa vigente fino ad alcuni anni or sono prevedeva due diverse classi di misuratori di livello sonoro che si riferivano agli apparecchi classificati di precisione e vice versa. La nuova normativa internazionale recentemente emanata in sostituzione della precedente, prevede quattro classi di strumenti, destinati rispettivamente ad essere impiegati come campione di laboratorio (tipo o classe 0), come strumento di precisione per misure di laboratorio e sul campo (tipo o classe 1), come strumento di uso corrente (tipo o classe 2) e per indagini preliminari a largo raggio (tipo o classe 3). B.7 IL CALIBRATORE E LA CALIBRAZIONE Il calibratore, denominato spesso anche pistonofono, è uno strumento di estrema precisione che ha lo scopo di produrre un tono puro di frequenza ed intensità stabile e nota. Con tale strumento si effettua la calibrazione del fonometro, come sottolinea il nome stesso. Tale operazione, che può essere manuale, ma nei moderni fonometri è ormai stata automatizzata, consiste nella predisposizione del fonometro in maniera tale da ottenere come risposta il valore del livello e della frequenza del calibratore quando questo sia posto sul microfono. Questa operazione, nelle misure di precisione, va ripetuta, come disposto dalla normativa vigente, prima di ogni campagna di misura e nel luogo ove si effettua la misura (ciò per evitare starature dovute al trasporto). La stessa normativa prevede ancora, alla fine delle attività di misura, la verifica della calibrazione per assicurarsi che non ci siano state fluttuazioni dell elettronica del fonometro durante la misura stessa e che quindi i risultati ottenuti siano affidabili. I valori dell intensità sonora, della frequenza emessa dal calibratore sono riportati sullo strumento stesso e vanno verificati con precise cadenze temporali da appositi laboratori specializzati. 13

14 B.8 ACCESSORI PER IL TRATTAMENTO DEI DATI Questi accessori comprendono componenti sia per la memorizzazione dei dati prodotti dai fonometri, sia per la loro analisi, il loro trattamento ed il loro condizionamento per rendere accessibili e leggibili i risultati delle misure. Si fa spesso ricorso ad un elaboratore (computer) che, attraverso opportuni programmi, può comunicare con il fonometro per leggere i dati accumulati e può consentire elaborazioni complesse di questi ultimi. Attraverso una stampante, di tipo grafico, sia il fonometro che l elaboratore possono trasferire su carta le misure e le elaborazioni effettuate. Un unità periferica portatile può consentire, durante la campagna di misure, l archiviazione dei dati immagazzinati nel fonometro, su supporto magnetico (solitamente dischetti). Tale operazione è svolta con due finalità differenti: la prima ha lo scopo di duplicare i risultati delle misure, che in caso di mancanza di alimentazione o per cause fortuite, potrebbero essere cancellati dal fonometro, la seconda serve a liberare la memoria del fonometro quando sia la complessità dei dati richiesti, sia la durata della misura, esauriscono lo spazio interno disponibile. B.9 PRINCIPALI DATI E PARAMETRI MISURABILI CON UN FONOMETRO Di seguito è riportato l elencazione e la descrizione di ciò che può essere ottenuto attraverso misure effettuate con un fonometro. Alcuni parametri ed alcune grandezze sono già stati precedentemente introdotti, e perciò di essi si forniranno esclusivamente alcune integrazioni necessarie. Livello equivalente continuo: è il valor medio dell energia sonora in un certo intervallo di tempo. Per esso è possibile ottenere i valori filtrati con le costanti di pesatura (A, B, C e D) e le costanti di tempo (Fast, Slow e Impulse). Nella trascrizione dei risultati il livello continuo equivalente va sempre riportato con la durata dell intervallo di misura e con le costanti di tempo e di pesatura impiegate. Ad esempio: 73,2 db(af)h12.00 per indicare un livello equivalente continuo di 73,2 decibel pesati in curva di ponderazione A e con la costante di tempo Fast per un intervallo di 12 ore; Storia del livello equivalente: rappresenta la registrazione dei livelli sonori rilevati con intervalli di campionamento definiti dall operatore. Con essa, anche attraverso l uso di speciali programmi software, è possibile ricostruire e descrivere dettagliatamente il 14

15 clima acustico della postazione di misura, riconoscere le evoluzioni e l entità degli eventi occorsi durante la misurazione ed elaborare matematicamente i dati rilevati. E chiaro che più l intervallo di campionamento è breve, più la storia del livello equivalente sarà ricca di particolari e di informazioni utili, ma al contempo maggiore è la mole di dati da memorizzare e da trattare. L intervallo di campionamento va quindi confrontato con la memoria del fonometro e con le potenzialità dei sistemi di calcolo impiegati per il processamento dei risultati. L intervallo di campionamento scelto per lo studio in oggetto è stato di 1/8 di secondo per la misura del Leq. e di 1/4 di secondo per le misure di spettro. Nei fonometri la registrazione della storia del livello equivalente va esplicitamente richiesta attraverso l attivazione di questa funzione e la specificazione della precisione con cui memorizzare i dati (numero di cifre significative richieste) e l intervallo di campionamento prescelto; Livello progressivo: rappresenta l andamento temporale della energia sonora media in decibel, ricalcolato man mano che i dati vengono acquisiti su tutti i dati raccolti fino a quel momento. Rapidi incrementi di questa grandezza indicano la presenza di fenomeni acustici isolati ad alto contenuto energetico; Livelli minimi e massimi: sono i valori massimo e minimo dei livelli equivalenti istantanei occorsi durante il periodo di misurazione. Questi valori chiaramente risultano funzione, oltre che degli eventi acustici, anche delle costanti di tempo e di pesatura impiegati. Per questo motivo, come per il livello equivalente continuo, in fase di documentazione dei dati per i livelli massimo e minimo è necessario specificare chiaramente le costanti di tempo e di pesature adottate. Il livello minimo risulta particolarmente importante in quanto è quello richiesto dalle normative vigenti per la ricerca delle componenti tonali (si hanno componenti tonali se il livello minimo di una banda di 1/3 di ottava è continuo e supera di 5dB quelli adiacenti e se tocca una isofonica uguale o superiore a quella più elevata raggiunta dalle altre bande); Valori massimi e minimi di picco: sono i valori massimo e minimo dei livelli di pressione acustica istantanei rilevati durante il periodo di misurazione, misurati però, a differenza dei livelli minimo e massimo, con la sola costante di pesatura che va esplicitamente indicata e senza quindi la costante di tempo; Valori massimi e minimi di picco non pesati: sono i valori massimo e minimo dei livelli di pressione acustica istantanei rilevati durante il periodo di misurazione, misurati questa 15

16 volta senza nessuna costante né di pesatura né di tempo, e rappresentano quindi il valore effettivo prescindendo dalla sensazione uditiva; Spettri acustici (bande di ottava, FFT): danno la distribuzione dei livelli equivalenti, istantanei o medi, nelle varie bande di frequenza. Solitamente per la frequenza si utilizza una suddivisione in ottave o terzi di ottava, ma solitamente è possibile ottenere una suddivisione lineare degli intervalli di frequenza. Lo spettro acustico risulta indispensabile per il rilievo e la caratterizzazione di toni puri o bande strette nella determinazione dell indice di valutazione del rumore previsto dalla normativa. 16