ACUSTICA AMBIENTALE. Considerazioni introduttive

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1 ACUSTICA AMBIENTALE 1 ACUSTICA AMBIENTALE Considerazioni introduttive Sorgente sonora può essere rappresentata da un corpo vibrante posto in un messo elastico che produce una successione di compressioni e rarefazioni e quindi di oscillazioni di pressione che si propagano come onde progressive nel mezzo elastico; quest ultimo rappresenta il percorso per la propagazione dell energia sonora per raggiungere il ricevitore (orecchio umano, parete, ecc.) che viene sollecitato. Suono È una perturbazione causata da fluttuazioni della pressione che si propagano in un mezzo elastico con una velocità caratteristica di quel mezzo. Periodo È l intervallo di tempo che passa tra due istanti consecutivi in cui si verifica la pressione massima e minima di una oscillazione completa, simbolo T Frequenza La frequenza è espressa in cicli al secondo Hz, ed è determinata dalla relazione = f = 1 / T Velocità del suono La velocità del suono w dipende dal modulo di elasticità E del mezzo elastico e dalla sua densità? come risulta dalla equazione : w = K? E/? La velocità di propagazione del suono in vari mezzi assume i seguenti valori indicativi: aria w = 340 m/s acqua w = 1440 m/s muratura w = 3200 m/s cemento armato w = 3700 m/s acciaio w = 5100 m/s piombo w = 1220 m/s Lunghezza d onda in un campo sonoro la distanza fra una compressione e la successiva è definita lunghezza d onda? espressa in metri. La lunghezza d onda sonora periodica è rappresentata dalla distanza percorsa durante un intervallo di tempo uguale al periodo :? = w T La successione delle onde, in un determinato punto del campo, avviene con la medesima frequenza di oscillazione della sorgente sonora e pertanto in tale punto la pressione varia nel tempo con legge sinusoidale in modo analogo alle pulsazioni della sorgente.

2 ACUSTICA AMBIENTALE 2 Percezione umana L orecchio umano può percepire le fluttuazioni di pressione solo se la loro frequenza (numero di cicli per unità di tempo) è compresa fra 20 e Hz e se l ampiezza è superiore ad una certa entità dipendente dalla frequenza. La catena : sorgente mezzo elastico ricevitore costituisce la base di tutte le analisi dei problemi del rumore ambientale. Suono puro Un suono viene definito puro se la pressione ha una variazione esattamente sinusoidale ed il valore efficace della pressione Peff è dato dalla relazione : Peff =? Pmax /? 2 Valore efficace Il valore efficace della pressione rappresenta la misura dell effetto congiunto delle rarefazioni e delle compressioni presenti nelle onde di pressione. Pressione sonora Il valore efficace della variazione della pressione (espressa in Pa), dovute all onda sonora, assume il valore di pressione sonora ed il suo valore minimo che può influire sulla membrana dell orecchio umano (soglia di udibilità) è di 2x10-5 Pa a 1000 Hz. Con l aumento della pressione sonora si arriva ad un limite superiore della soglia del dolore perché, per pressioni maggiori (superiori a circa 20 Pa), si manifesta una vera e propria sensazione di dolore ed il suono, non solo viene udito, ma anche sentito dalla epidermide. Tra le due soglie di udibilità e del dolore, il campo delle pressioni sonore al quale l orecchio umano è sensibile risulta essere molto ampio (0, Pa) per cui è evidente che non è praticamente utilizzabile una unità di misura della pressione sonora che segue una scala lineare, ma è necessario adottare una scala logaritmica in cui, al valore della grandezza in esame, si faccia corrispondere il logaritmo del rapporto tra quello stesso valore ed un altro della stessa grandezza, prefissato quale riferimento in base a valutazioni di tipo psicofisico e di opportunità. La pressione sonora di riferimento Po viene assunta uguale a 0,00002 Pa (valore minimo mediamente percettibile alla frequenza di 1000 Hz e fornito dalla norma internazionale ISO 1683/83).

3 ACUSTICA AMBIENTALE 3 Livello di pressione sonora Viene definito livello di pressione sonora la quantità : Lp = 10 Log (Peff / Po) 2 = 20 Log (Peff / Po) L unità di valutazione del suono è il decibel (db) ed è sempre una valutazione relativa alla misura, cioè il livello sonoro deve essere sempre rapportato ad un valore di riferimento. Si ricorda inoltre che anche la potenza acustica di una sorgente (energia sonora irradiata, nell unità di tempo, da un corpo vibrante al mezzo elastico circostante), presenta un campo molto vasto e quindi segue l opportunità di fare uso di una scala logaritmica. La norma internazionale ISO 1683/83 fornisce una valore di riferimento Wo pari a W, che rappresenta la soglia udibile fra 1 e 4 khz e quindi il livello di potenza sonora (Lw) può essere ricavato dalla seguente relazione : Lw = 10 Log (W / Wo) Nell esempio che segue viene riportata la potenza sonora di una sorgente ed il livello di potenza sonora della stessa sorgente ed è facile constatare la comodità pratica che ne deriva dall aver scelto una scala logaritmica: Fonte sonora Potenza sonora W Livello di potenza sonora Db Voce umana sussurro molto lieve 0, Voce umana conversazione media 0, Martello pneumatico Soglia del dolore a circa 1000 Hz Occorre ricordare che l utilizzo della scala logaritmica comporta che ad ogni raddoppio dell energia sonora corrisponde ad un aumento di 3 db del livello sonoro. Se ad esempio un ventilatore centrifugo emette una potenza acustica di 0,002 W, il livello risulta essere : Lw = 10 Log ( 0,002 / ) = 93 db Mentre se vengono installati due ventilatori affiancati nello stesso locale e che funzionano contemporaneamente con le stesse caratteristiche, il livello sonoro globale sarà : Lw = 10 Log ( 0,002 x 2 / ) = 96 db Il decibel consente di valutare rapidamente quanto un fenomeno è più grande di un altro. decibel è facile verificare che esiste una relazione del tipo indicato nella tabella successiva : 3 db = 1,41 volte 6 db = 2 volte 10 db = 3.16 volte 20 db = 10 volte 40 db = 100 volte 60 db = 1000 volte 120 db = volte!! Infatti dalla definizione di

4 ACUSTICA AMBIENTALE 4 In altri termini un suono di 60 db è 10 volte maggiore (in Pascal) rispetto ad un suono di 40 db. La sensazione sull uomo ai suoni di diverse frequenze non è costante. Infatti a parità di livello noi percepiamo un suono di ampiezza diversa a seconda della frequenze che lo compongono. In particolare l orecchio umano è più sordo alle frequenze più basse e più sensibile alle frequenze più elevate. In generale la somma di livelli diversi, espressi in db, può essere eseguita con un procedimento di tipo grafico, utilizzando il normogramma riportato a seguito, in cui dalla differenza di due livelli sonori, si determina il? L che deve essere aggiunto al valore più alto : Oppure con il seguente procedimento matematico : Lw = 10 Log? 10 (0,1.Li) Intensità di un onda sonora L intensità di un onda sonora I è rappresentata dalla energia che attraversa un area unitaria del mezzo elastico posta perpendicolarmente alla direzione di propagazione del suono (W/m 2 ). Livello di intensità sonora Viene definito livello di intensità sonora la quantità : LI = 10 Log ( I / Io ) = 10 Log ( I / ) Livello continuo equivalente Rappresenta il livello espresso in db di un ipotetico rumore costante che, se sostituito al rumore reale per lo stesso intervallo di tempo comporterebbe la stessa quantità totale di energia acustica. Se il fenomeno è costituito dalla successione di diversi livelli costanti, ciascuno presente per un certo tempo ti si ha : Leq = 10 Log (1 / t )? ti 10 (0,1.Li) Quando il livello sonoro cambia continuamente, appositi strumenti eseguono automaticamente il calcolo dell integrale in un tempo di misura sufficiente ad ottenere una valutazione significativa del fenomeno sonoro.

5 ACUSTICA AMBIENTALE 5 Le prime indagini sperimentali sulla risposta sensoriale, corrispondente a determinati stimoli, estesa ad un numero notevolissimo di soggetti con udito normale, sono partite dalla conoscenza della risposta media ad uno stimolo pressorio di suoni puri. Le correlazioni determinate, non definibili matematicamente, sono state riportate si un diagramma in cui è possibile rilevare la intensità soggettiva (espressa in phon) di un suono puro, in funzione del livello di pressione sonora e della frequenza. Questo diagramma denominato Audiogramma normale medio per toni puri, è stato normalizzato internazionalmente. Dall esame dell audiogramma si nota che da un aumento del livello di pressione sonora non corrisponde un proporzionale aumento di sensazione, inoltre non ha carattere lineare nemmeno la risposta in frequenza all orecchio, cioè a parità di livello della pressione sonora, espressa in db, la sensazione varia al variare della frequenza. La sensibilità dell orecchio è ottimale per la gamma di suoni e frequenze corrispondenti alla voce umana ( Hz e intensità compresa fra 40 e 70 db). Nelle aree con frequenze superiori a 5000 Hz ed inferiori a 300 Hz sono necessarie pressioni acustiche più elevate per ottenere la medesima sensazione. La misura del livello sonoro viene effettuata con apparecchi denominati fonometri e forniscono direttamente il valore del livello di pressione acustica efficace con riferimento a 20? Pa. In linea di massima, essi sono costituiti da un microfono non direzionale, un attenuatore calibrato, un amplificatore, una rete di curve di misura, un rilevatore ed un quadrante indicatore. Il fonometro può essere accoppiato a filtri passa banda che permettono il passaggio di una gamma di frequenze comprese nella propria banda, mentre vengono attenuate fortemente tutte le altre che si trovano all esterno. I filtri si differenziano per la larghezza di banda posseduta: vi sono filtri a banda costante e filtri a banda percentuale. Nel caso più generale di misure di fenomeni sonori, le normative internazionali hanno standardizzato l uso di filtri a banda percentuale costante ed il valore della frequenza centrale (fo) è la media geometrica delle due frequenza ( f1 e f2 ) che delimitano la banda stessa : fo =? f1 x? f2. Nelle bande d ottava, l intervallo delle frequenze è individuato da f2 = 2 x f1, mentre nelle bande di frequenza di 1/3 di ottava f2 = ( 2 x f1 ) 0,333. Qui di seguito vengono riportate le frequenze di ottava normalizzate con il valore centrale (fo) ed i limiti inferiori e superiori delle frequenze di taglio : F F F L analisi per bande d ottava è meno accurata di quella per terzi d ottava perché vengono forniti meno dettagli sulla distribuzione spettrale dell energia, ma normalmente risulta più che sufficiente per i casi pratici dell acustica ambientale. In origine i fenomeni erano stati progettati per misurare sia i livelli di pressione sonora che per dare una indicazione approssimativa del livello di sensazione sonora in phon utilizzando 3 circuiti di pesatura A, B e C : essi discriminano selettivamente i suoni verso le alte o le basse frequenze in accordo con i contorni isofonici di toni puri rispettivamente di 40, 60 e 80 phon.

6 ACUSTICA AMBIENTALE 6 L uso di più scale portava confusione a causa della non chiara definizione dei confini dei rispettivi campi di applicazione e quindi è nata l abitudine di valutare le sensazioni sonore in decibel (db) ponderati A p più semplicemente in db(a). In questo modo si sostituisce alle informazioni dello spettro in frequenza un unico dato che racchiude in sé la relazione dell orecchio umano medio al fenomeno sonoro. Conoscendo lo spettro per bande di ottava di un certo rumore è possibile ricavare, con il calcolo, il suo livello sonoro in db(a) correggendo i livelli di pressione sonora di ogni banda d ottava (Hz) con i seguenti valori espressi in tabella: Hz 31, db , ,2 +4-1,1-6,6 Altri criteri normalmente utilizzati per la valutazione del rumore sono: NR = Noise Rating NC = Noise Criterion RC = Room Criterion Attualmente in Europa, per la valutazione di un rumore stazionario, viene utilizzato l indice NR che presuppone la misura del livello di pressione sonora del rumore stesso, effettuato per bande d ottava normalizzate di frequenze nominali fra 31,5 e 8000 Hz. I livelli di pressione sonora, rilevati per banda d ottava, devono essere riportati in un diagramma come quello rappresentato nel diagramma sottostante, dove la presenza delle curve NR di riferimento, permettono di attribuire, per ogni banda normalizzata, il relativo valore numerico NR e globalmente il rumore viene caratterizzato dal valore NR della banda più disturbante.

7 ACUSTICA AMBIENTALE 7 Il valore numerico delle curve di riferimento NR coincide con il valore dell ordinata a 1000 Hz ed i valori intermedi alle curve possono essere interpolati con numeri interi. Nei paesi del Nord America è molto diffusa la valutazione del rumore con il criterio NC che avviene in modo analogo a quanto riportato precedentemente relativamente all indice NR, ma con curve meno permissive, in corrispondenza delle frequenze sotto i 125 Hz. Si ricorda che l ASHRAE ha introdotto nel 1981 un nuovo indice RC per la valutazione del rumore ambientale che permette, con la presenza di un certo rumore di fondo, la intellegibilità del parlato. Con il criterio RC si eseguono le misure del livello di pressione sonora per bande d ottava normalizzate da 16 a 4000 Hz, eseguita la media aritmetica dei livelli di pressione sonora nelle bande d ottava di frequenze nominali di 500, 1000 e 2000 Hz, viene individuato un segmento di retta con pendenza di 5 db per ottava.

8 ACUSTICA AMBIENTALE 8 Se nelle bande inferiori a 500 Hz il livello di pressione sonora eccede di più di 5 db, il rumore viene classificato rombante e classificato con la lettera R dopo l indice della curva RC (esempio RC-35R), mentre se in qualunque banda d ottava, superiore a 500 Hz, il livello della pressione sonora eccede di 3 db la curva precedentemente determinata con la media matematica (curva RC), il rumore viene classificato sibilante ed indicato con la lettera H (Hiss). Infine il rumore viene classificato neutro quando non esistono caratteristiche tonali e la valutazione numerica RC viene fatta seguire dalla lettera N. A titolo di esempio vengono riportati nella tabella sottostante alcuni livelli ponderati con la curva A -db(a)- di rumorosità ambientale (rumore di fondo) accettati per differenti locali : Locale db (A) Studi radiofonici e di registrazione Sale da concerto e teatri d opera Camere di degenza in ospedali Sale per conferenza Aule scolastiche Camere da letto in abitazioni Soggiorni Ristoranti, negozi Uffici singoli Uffici collettivi a pianta aperta Ristoranti, negozi Grandi magazzini Palestre, piscine Esprimendo i livelli di accettabilità con gli indici NR o NC i valori sopra riportati devono essere diminuiti di circa 5 unità

9 ACUSTICA AMBIENTALE 9 ACUSTICA AMBIENTALE Valutazione strumentale della sensazione sonora Le grandezze fisiche precedentemente illustrate sono in grado di descrivere i vari fenomeni fisici che interessano l acustica ambientale, mentre non è possibile tradurre con una semplice relazione matematica il legame esistente tra le grandezze energetiche del suono e la sensazione soggettiva dell orecchio umano a causa dell estrema varietà dei suoni verificabili. Nella pratica sono poche le sorgenti che emettono un suono puro, mentre la quasi totalità dei suoni è composta da un notevole numero di frequenze incoerenti fra loro la cui frequenza varia con continuità, di conseguenza la pressione sonora globale di suoni complessi, contenenti frequenze diverse, è data dalla radice quadrata della somma dei quadrati delle pressioni sonore dei singoli componenti. ACUSTICA AMBIENTALE Assorbimento, riflessione, trasmissione di un suono e caratterizzazione acustica dei materiali L energia emessa da una sorgente puntiforme (P), in un campo libero da ostacoli, si irradia uniformemente in tutte le direzioni con onde sferiche, di conseguenza, se il mezzo elastico di trasporto non è dissipativo, l intensità del suono (I) ad una distanza r dalla sorgente è data da: I = P / (4? r 2 ) La trasmissione del suono, in un condotto a sezione costante, avviene con onde piane, di conseguenza, se non vi sono dissipazioni sulle pareti del condotto, la superficie del fronte rimane costante e l intensità non varia all aumentare della distanza. Quando un onda sonora incontra un ostacolo, l energia incidente (Ei) può essere = - in parte trasmessa al di là dell ostacolo (Et) ed il rapporto Et / Ei viene definito: coefficiente di trasmissione - in parte l energia può essere assorbita dal materiale propagandosi per percorsi laterali con trasformazioni in calore o vibrazioni meccaniche (Ea) ed il rapporto Ea / Ei viene definito: coefficiente di assorbimento - una parte dell energia può essere riflessa dalla superficie dell ostacolo (Er) ed il rapporto Er / Ei viene definito: coefficiente di riflessione

10 ACUSTICA AMBIENTALE 10 I tre coefficienti sono numeri adimensionali, compresi fra 0 ed 1 ed esprimono rispettivamente la capacità di un materiale di trasmettere, assorbire e riflettere l energia sonora; va inoltre notato che essi variano con la frequenza del suono incidente. Si precisa inoltre che il coefficiente di assorbimento apparente (? ) è imputabile a tutta l energia che penetra nel pannello (assorbita e trasmessa)? = (Ea + Et)/Ei Materiali fonoassorbenti Quando un corpo è colpito da un onda sonora, in prossimità della superficie di separazione aria-parete, si realizza una oscillazione della pressione sonora che produce una successione rapida di fenomeni di compressione e rarefazione che trasformano energia meccanica in calore e quindi assorbimento si energia sonora da parte della parete. I materiali ed i dispositivi fonoassorbenti usualmente reperibili sul mercato possono essere classificati in: - porosi - risuonatori - piastre vibranti I materiali porosi sono costituiti da una struttura contenente numerosissime cavità e vuoti quindi una struttura cellulare aperta o fibrosa (lana, cotone idrofilo, lana minerale o di vetro, ecc.) A parità di altre caratteristiche, se il materiale poroso ha uno spessore superiore ad un quarto della lunghezza d onda delle frequenze del rumore incidente (S >? /4), si ottengono le migliori caratteristiche di assorbimento, inoltre è possibile migliorare ulteriormente il coefficiente di assorbimento dell energia sonora se, fra la parete rigida e lo strato poroso, esiste una intercapedine d aria di spessore pari a?/4, mentre se il suo spessore è pari a? /2 questo vantaggio viene annullato. Con i materiali risuonatori si possono ottenere dei buoni coefficienti di assorbimento alle medie frequenze. La forma classica del risuonatore di Helmholtz è simile ad una bottiglia e quindi è costituito da una cavità e da un collo. Se le dimensioni della cavità sono piccole rispetto al valore della lunghezza d onda del suono incidente, inoltre se le dimensioni del collo del risuonatore sono piccole rispetto a quelle della cavità, l aria in essa contenuta si comporta come un pistone oscillante, mentre l aria contenuta nella cavità costituisce l elemento elastico del sistema. Un sistema meccanico di questo tipo è caratterizzato da una frequenza di risonanza (fr) determinabile con la seguente relazione: fr = (w / 2?)? [ S / ( l + 0,8? ) x V ] dove si indica con : - w : la velocità del suono nell aria - l : la lunghezza del collo -? : il diametro del collo - V : il volume della cavità Se la frequenza del suono incidente coincide con la frequenza di risonanza, l effetto dissipatore raggiunge il suo massimo e di conseguenza si ottiene il più alto grado di assorbimento di energia.

11 ACUSTICA AMBIENTALE 11 Il potere fonoassorbente, nelle bande d ottava, può essere stabilito in funzione delle dimensioni e del numero dei fori, dello spessore dell intercapedine e del materiale poroso posto all interno. Un terzo sistema efficace per le basse frequenze che permette di assorbire il rumore è rappresentato da una parete sottile, non porosa, distanziata di qualche centimetro da una parete rigida. Tale sistema viene chiamato sistema a piastre vibranti. Le onde sonore sono una successione di onde di pressione e di depressione: esse giungendo contro il pannello non fanno altro che spingerlo ed attirarlo, mettendo in vibrazione sia il pannello che l aria retrostante. Le oscillazioni diventono particolarmente ampie quando il rapporto fra la frequenza propria del sistema (fr) e la frequenza del suono è uguale all unità. La frequenza di risonanza,alla quale si ottiene il massimo coefficiente di assorbimento acustico, può essere determinata in prima approssimazione con l espressione : fr = 60 /? m - d dove si indica con : - m : il peso del pannello per unità di superficie (kg/m 2 ) - d : lo spessore della camera d aria (m) APPLICAZIONE DEI DATI SONORI GRIGLIE, BOCCHETTE, DIFFUSORI Tutti i terminali di un impianto quali bocchette, griglie ecc sono tra le più importanti fonti di rumore negli impianti HVAC poiché installati all interno dello spazio trattato e a volte nelle vicinanze degli occupanti. In generale bocchette e diffusori contribuiscono al livello sonoro nell ambiente a causa del rumore rigenerato dovuto alla turbolenza dell aria emessa. L entità di questo contributo dipende da : geometria del progetto, uniformità del profilo dell aria e portata. Come regola, vi è una relazione diretta tra il rumore generato dal diffusore e l efficacia della distribuzione dell aria: in generale i diffusori più rumorosi compiono una miscelazione migliore con l aria ambiente di quelli più silenziosi. In aggiunta, le griglie, bocchette e diffusori trasmettono in ambiente il rumore già presente nei canali. Quando si misurano le prestazioni acustiche di questi elementi è necessario utilizzare una fonte di aria silenziosa per evitare di penalizzare il terminale attribuendovi del rumore che esso in realtà non produce. I terminali tipici generano rumore soprattutto nelle frequenze da 500 Hz a 4000 Hz, questo campo corrisponde alle principali frequenze in cui una conversazione umana si svolge degradando in alcuni casi la qualità della conversazione stessa mascherandola se si supera una certa soglia data da livello a cui si parla. L effetto di mascheramento della conversazione è talvolta utile negli uffici a spazio aperto, dove è auspicabile un certo grado di privacy nel colloquio tra le persone. Ad oggi normalmente le bocchette, diffusori e griglie vengono testate secondo la normativa ASHRAE , che specifica sia le misure aerodinamiche, sia quelle acustiche nonché le diverse configurazioni di montaggio e installazione per la prova dei vari tipi di prodotti.

12 ACUSTICA AMBIENTALE 12 Normalmente i dati sono ottenuti alle frequenze comprese tra 125 Hz e 8000 Hz. Nota importante riportata sulla norma è un perfetto collegamento rettilineo realizzato con un lungo condotto diritto che alimenta il diffusore o griglia oggetto di test. Difficilmente questa condizione si verifica nella realtà escludendo così nella analisi di prova la rumorosità prodotta o dall impianto ottenendo così prestazioni acustiche migliori nella fase di prova rispetto a quelle reali misurabili e verificabili in cantiere.