Contro il rumore. Sicurezza. Efficacia di un sistema a controllo attivo del rumore su una trattrice cingolata. 8 aprile

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1 Sicurezza Contro il rumore Daniele Pochi Roberto Fanigliuolo Lindoro Del Duca Laura Fornaciari Renato Grilli Pietro Nataletti Efficacia di un sistema a controllo attivo del rumore su una trattrice cingolata. A circa 25 anni dall inizio del lavoro sistematico sul controllo attivo del rumore, di seguito indicato con il termine ANC (Active noise control), la ricerca è in grado di trarre alcune importanti conclusioni e di proporre risultati e programmi ragionevoli per il prossimo futuro [1, 2]. Le poche applicazioni industriali che hanno riscosso successo sono state il risultato di grandi investimenti in ricerca applicata che miravano a segmenti di mercato molto estesi [3]: è il caso della cuffia a riduzione attiva del rumore e del microfono a cancellazione attiva. La riduzione del rumore nella cabina di guida delle trattrici agricole, nonché in altri veicoli, è oggi un problema molto sentito sia per la tutela della salute sia per un maggiore comfort del conducente. Per diversi anni, gruppi di ricerca hanno rivolto la loro attenzione allo sviluppo di sistemi di controllo attivo del rumore in cabine di trattrici e veicoli industriali che tentano di ridurre l esposizione dell operatore ai livelli di pressione sonora emessa dagli organi di propulsione (motore e pneumatici) e che sono parzialmente attenuati dalla struttura della stessa cabina [4, 5]. Il controllo attivo del rumore prevede l applicazione di tecniche caratterizzate dalla riduzione della rumorosità ottenuta generando elettronicamente un rumore (rumore secondario) che crea un interferenza distruttiva con il rumore presente (rumore primario). Questo differisce con le tecniche tradizionali (passive) che prevedono l impiego di strutture e materiali fono-assorbenti e fono-isolanti. Questo lavoro descrive una sperimentazione volta a valutare l applicazione di un sistema di controllo attivo del rumore su una trattrice agricola cingolata di potenza medio-alta, priva di cabina. Questo tipo di veicolo è largamente diffuso nelle aziende agricole, soprattutto negli ambienti collinari, e ha una notevole conseguenza acustica sugli operatori. Il sistema è basato sulla misura del rumore nella zona da bonificare. Il segnale è analizzato in frequenza e inviato a un unità di controllo capace di generare un segnale in contro-fase, emesso da diffusori acustici opportunamente scelti e collocati nella stessa zona da bonificare. Tenendo conto del tempo necessario al processo descritto e della variabilità del rumore durante il lavoro, è ragionevole ipotizzare non tanto la cancellazione del rumore, quanto la sua attenuazione, possibilmente negli intervalli di frequenza ritenuti più dannosi per l udito. Una riduzione generale avrà comunque effetti benefici sul comfort generale dell operatore. Il sistema di controllo attivo del rumore utilizzato nel corso delle prove, denominato ATH311, è già utilizzato con successo nelle trattrici con cabina [6], è costituito da un unità di controllo basato su un processore digitale di segnali DSP (Digital signal processor). Per l esperimento è stata implementata una configurazione algoritmica in feedback a due canali interagenti. 1

2 Materiali e metodi Le prove sono state condotte utilizzando una trattrice cingolata, comunemente impiegata in lavori profondi di preparazione del terreno (aratura, ripuntatura, ecc.) e dotata di presa di potenza posteriore. La trattrice è priva di cabina e ha una potenza massima di 108,8 kw a un regime motore di 1840 giri/min. Il motore diesel è turbocompresso con cilindrata di 8102 cm 3. La sua massa totale è di circa kg. Ha cingoli in acciaio la cui tensione è regolabile idraulicamente. La scatola del cambio ha tre rapporti di marcia veloci e un riduttore di gamma a due marce (lenta e veloce). La velocità massima è di 2,41 m/s in III marcia veloce. Il sistema per il controllo attivo del rumore consisteva nei seguenti elementi: centralina di controllo DSP per la generazione del rumore secondario; amplificatore audio di potenza in classe D (600 W); coppia di microfoni a electrete a elevata sensibilità, connessi alla centralina, con cavi e jack; coppia di casse acustiche con altoparlanti woofer da 330 mm. Nella configurazione adottata, l algoritmo standard è stato implementato con un software originale di routine al fine di aumentare l efficienza, la stabilità e l affidabilità del sistema. Le misurazioni di rumore sono stati condotte con la seguente catena strumentale: sound book acquisitore/elaboratore di segnale a otto canali con speciale software Samurai ; capsula microfonica da ½ Brüel & Kjær, mod. 4189, con schermo antivento; calibratore per microfoni Brüel & Kjær, mod. 4231; Al fine di valutare il funzionamento del sistema di controllo attivo del rumore, le misurazioni sono state effettuate in condizioni ripetibili, a vari regimi di rotazione del motore in assenza di carico, posizionando i microfoni di controllo (a electrete) in posizione laterale rispetto alla testa del conducente, mentre la capsula microfonica è stata posta alle spalle del sedile di guida. Per ciascun punto di regolazione, una volta raggiunte condizioni di stabilità del regime di rotazione, era effettuata la misura dei livelli di pressione sonora, prima con il dispositivo ANC inserito e poi disinserito. Le misurazioni del livello continuo equivalente di pressione acustica (Leq) sono state effettuate per bande di frequenza in terzi di ottava da 20 Hz a 20 khz. Tramite l'applicazione del filtro di ponderazione A ai valori di Leq rilevati è stato possibile ricavare anche i valori del livello continuo equivalente di pressione acustica ponderata A (LAeq). La trattrice è stata dotata di un contagiri magnetico per misurare il regime motore impostato. Per ogni regime sono state effettuate tre ripetizioni con un tempo di campionamento di 30 s, ottenendo due serie di prove, la prima con l ANC inserito e la seconda con l ANC disinserito. Le misurazioni sono state eseguite su trattrice ferma e in campo sonoro libero, con incrementi di regime del motore di 100 giri nell intervallo tra 600 e 2000 giri/min. In un secondo tempo, nell intervallo tra 1200 e 1700 giri/min, in cui il sistema ANC appariva più efficiente, il campionamento è stato effettuato con incrementi di 50 giri. Risultati I grafici mostrano l analisi in frequenza in bande di terzi di ottava relativa al rumore misurato nella postazione 2

3 del conducente, con regime di rotazione del motore di 2000 (A), 1550 (B), e 600 giri/min (C). Le curve si riferiscono sia al sistema ANC Off (linee marrone e rosso) e On (linee blu e celeste). In generale, si può notare che la gamma di frequenza in cui il sistema ANC è più efficace è compresa tra 40 e 200 Hz. Questa gamma ricade anche nell intervallo di frequenza compreso tra 20 e Hz in cui il filtro di ponderazione A ha il massimo effetto: di conseguenza porta al mascheramento dell efficacia del sistema ANC. Un attenta osservazione dell analisi in frequenza mostra che, nei casi in cui prevalgono le componenti più basse dello spettro relative al motore, il sistema ANC offre le migliori prestazioni a 63 e 80 Hz, rispettivamente per i regimi di rotazione di 600 e 1550 giri/min del motore. Inoltre, quando le stesse componenti basse dello spettro sono molto pronunciate rispetto alle altre componenti armoniche, come nel grafico B, i migliori risultati si osservano non solo sulle singole frequenze in cui il sistema opera, ma anche sul valore totale in db(a). Nel grafico A, in cui sono riportate le analisi in frequenza relative alla prova effettuata con la velocità di rotazione del motore pari a 2000 giri/min, le linee dello spettro sono quasi tutte allo stesso livello, per cui l effetto di attenuazione del sistema ANC risulta meno efficace. I risultati delle misurazioni dei livelli di pressione sonora sono riportati in tabella, nella quale sono indicati i valori ottenuti sia in lineare che quelli ponderati A. Nel primo caso, il funzionamento del sistema ANC fornisce una buona attenuazione, variabile da un minimo di 3,0 db(lin) a un massimo di 8,5 db(lin) per i regimi di rotazione inferiori a 1700 giri/min. Come già accennato in precedenza, per regimi di rotazione superiori a 1800 giri, il sistema è meno efficace, con attenuazioni che variano da 0,7 a 1,4 db(lin). Per quanto riguarda il filtro ponderato A, all interno dell intervallo di spettro compreso tra 20 e 1000 Hz, il suo intervento annulla quasi completamente l azione del sistema ANC a regimi compresi fra 600 e 1300 giri/min, in cui l attenuazione massima osservata è stata di 0,9 db(a). Il livello di attenuazione aumenta nell intervallo compreso tra 1350 e 1800 giri, con valori che variano da 0,9 fino a 2,5 db(a). Ancora meno significativa è stata la differenza osservata a regimi più elevati, con una tendenza a un leggero aumento del livello globale di rumore a 1800 e a 1900 giri/min, mentre l attenuazione misurata a 2000 giri è risultata pari a 0,1 db(a). Nell intervallo del regime di rotazione del motore compreso tra 1400 e 1700 giri/min, il sistema ANC è apparso più efficiente con un attenuazione osservata del livello di pressione sonora ponderata A da 1,3 fino a 2,5 db(a) e in lineare da 4,5 fino a 8,5 db(lin). Le migliori prestazioni sono state osservate al regime di 1550 giri, con attenuazioni rispettivamente di 2,5 db(a) e 7,7 db(lin). Per gli altri regimi di rotazione del motore le attenuazioni ottenute in lineare sono apprezzabili e nell ordine di 3-7 db(lin), mentre risultano scarse non superiori a 1 db(a) se ponderate in A. Per quanto riguarda i problemi legati alla valutazione del rischio da esposizione al rumore cui sono soggetti i conducenti di trattrici agricole, il DLgs 9 aprile 2008, n. 81, in materia di tutela della salute e della sicurezza nei luoghi di lavoro, prevede che devono essere sottoposti a sorveglianza sanitaria i lavoratori la cui esposizione eccede i valori superiori di azione, pari a 85 db(a). Il decreto prevede anche un valore limite di esposizione non superabile, pari a 87 db(a). I risultati ottenuti mostrano che, in corrispondenza dei regimi di rotazione di 1400 e 1450 giri/min, l utilizzo del sistema ANC comporta il fatto che il livello di esposizione (LAq) dell operatore, nell arco della giornata lavorativa di 8 h, è inferiore al valore superiore d azione. Per quanto riguarda, invece, il valore limite di esposizione, ai regimi di 1500 e 1550 giri/min, il sistema ANC sembra in grado di ridurre il rumore emesso al di sotto dello stesso limite di 87 db(a), mentre ai regimi superiori il limite è comunque superato. Conclusioni Lo studio descritto può contribuire alla tutela della salute e della sicurezza dei luoghi di lavoro attraverso la riduzione del livello di rumore cui sono esposti i conducenti delle trattrici agricole prive di cabina di guida. I test effettuati su una trattrice cingolata, utilizzando un sistema di controllo attivo del rumore basato su una configurazione in feedback originale, hanno fornito buoni risultati. Le attenuazioni più significative (fino a 8,5 db(lin)) si sono verificate in corrispondenza dei regimi di rotazione del motore compresi tra 1000 e 1700 giri/min, in cui l azione del sistema ANC è apparsa particolarmente efficace verso le basse frequenze. Tuttavia, anche a regimi elevati, dove l attenuazione delle frequenze basse è meno significativa nella prevenzione del 3

4 grado di assicurare intervalli di frequenza limitati, compresi tra 40 e 200 Hz, come evidenziato nel corso delle prove. Riferimenti bibliografici [1] Hasegawa S., Tabata T., Kinoshita A., Hyoto H., The development of an active noise control system for automobiles. Society of automotive engineers, Technical paper n danno all udito, il sistema ANC potrebbe contribuire a un aumento del livello di comfort, riducendo la perdita di attenzione e l affaticamento del sistema uditivo del conducente. Il collegamento tra l esposizione al rumore a bassa frequenza e la perdita di attenzione e di efficienza del lavoro deve essere ancora adeguatamente studiata. I risultati ottenuti indicano che ulteriori test sono necessari al fine sia di osservare il comportamento del sistema ANC nel corso delle tradizionali operazioni in campo (quali aratura, ripuntatura, erpicatura) cui una trattrice agricola è normalmente destinata, sia di valutare la sua capacità di reazione alla variazione delle condizioni di lavoro e, conseguentemente, di rumore emesso dagli organi di propulsione. Possibili miglioramenti del sistema potrebbero essere conseguiti mediante l impiego di componenti audio in [2] Kuo S. M., Vijayan D., Adaptive algorithms and experimental verification of feedback active noise control systems. Noise control engineering journal, 42, 2, [3] Elliott S. J., Signal processing for active control. Academic press. London, UK. [4] Del Duca L., Nataletti P., Il controllo attivo del rumore: stato dell arte e prospettive future. Rivista italiana di acustica, 33, 4, [5] Nataletti P., Del Duca L., Controllo attivo del rumore nelle cabine di trattori e macchine movimento terra. In Proc. 8 International Scientific Conference IOHA, Roma, Italia. 4

5 [6] Nataletti P., Del Duca L., Ruggeri D., Annesi D., Vassalini G., Cerini L., Sanjust F., Sviluppo e sperimentazione di un sistema di controllo attivo del rumore per applicazioni nelle cabine dei trattori. Atti 37 Convegno nazionale AIA, Torino. Daniele Pochi è ricercatore presso il Consiglio per la ricerca in agricoltura e l analisi dell economia agraria, Unità di ricerca per l ingegneria agraria, Roma. Roberto Fanigliuolo è ricercatore presso il Consiglio per la ricerca in agricoltura e l analisi dell economia agraria, Unità di ricerca per l ingegneria agraria, Roma. Lindoro Del Duca consulente presso Active di Lindoro Del Duca, Roma. Laura Fornaciari è collaboratrice presso il Consiglio per la ricerca in agricoltura e l analisi dell economia agraria, Unità di ricerca per l ingegneria agraria, Roma. Renato Grilli è collaboratore presso il Consiglio per la ricerca in agricoltura e l analisi dell economia agraria, Unità di ricerca per l ingegneria agraria, Roma. Pietro Cataletti è ricercatore Inail Ricerca, Dipartimento di igiene e medicina del lavoro, Roma. 5