Propagazione dell onda sonora

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1 Propagazione dell onda sonora Diffrazione Rifrazione Riflessione Assorbimento Trasmissione

2 Principio di Huygens Fresnel E stato sviluppato inizialmente da Huygens: Ogni punto colpito da una perturbazione d onda diventa sorgente secondaria di perturbazioni di onde aventi frequenza uguale a quella della perturbazione incidente e poi precisato da Fresnel:.. una qualsiasi superficie d'onda può pensarsi come inviluppo risultante dalle infinite onde secondarie provenienti dai punti della superficie d'onda che immediatamente la precede. Ogni elemento della superficie di onda è una sorgente di onde secondarie sferiche la cui ampiezza è proporzionale all ampiezza dell onda primaria

3 Propagazione per raggi rettilinei

4 Diffrazione del suono Quando una perturbazione acustica incontra sulla sua linea di propagazione un ostacolo (un muro di recinzione, un edificio, una barriera) essa non segue integralmente le leggi della cosiddetta ottica geometrica, delineando un ombra come nel caso della luce: essa viene in parte piegata e va ad interessare anche lo spazio coperto rispetto alla linea di vista. I suoni a frequenza più bassa mostrano una maggiore tendenza in questo senso Il fenomeno della diffrazione pone un limite fisico alla possibilità di schermare un ricettore rispetto al rumore emesso da una sorgente ALTE FREQUENZE MEDIE FREQUENZE SORGENTE OMBRA ACUSTICA BASSE FREQUENZE

5 La diffrazione del suono La direzione di propagazione delle onde sonore viene deviata o deformata da uno o più ostacoli posti sul cammino dell'onda. Schermo con apertura: d d >> d <<

6 Diffrazione del suono b b b Esempio : b = 0.1 m = m ( f = 1 khz) b Esempio: b=1m = m ( f = 1 khz)

7 Diffrazione del suono b b Esempio : b = 0.1 m = m ( f = 1 khz) b b Esempio: b = 0.5 m = m ( f = 1 khz)

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10 Se le dimensioni dell ostacolo sono paragonabili alla lunghezza d onda dell onda incidente, la perturbazione acustica riesce ad aggirare lo stesso con fenomeno d ombra trascurabile. Se le dimensioni dell ostacolo sono maggiori della lunghezza d onda dell onda incidente, si manifestano parziali fenomeni di ombra acustica

11 Se l ostacolo è di forma sferica, si può esprimere evidenziando l effetto tra il rapporto p/p1, pressione acustica esistente su quella che esisterebbe nello stesso punto in assenza dell ostacolo, ed il rapporto R/ (raggio sfera lunghezza d onda) Per un certo raggio, l effetto aumenta al crescere della frequenza f (al diminuire della lunghezza d onda)

12 Quando onde sonore incontrano un ostacolo piccolo in confronto alla loro lunghezza d'onda (ad es. cavo teso o colonne), esse vengono disperse da esso in tutte le direzioni. a) suoni di lunghezza d'onda grande (basse frequenze) effetti di dispersione poco marcati b) suoni a lunghezza d'onda piccola (alte frequenze) fenomeni di dispersione molto marcati.

13 Fenomeni caratteristici della diffrazione

14 Fenomeni caratteristici della diffrazione

15 RIFRAZIONE DEL SUONO La legge di Snell che: ci ct sen i sen t ci, ct : velocità del suono dell'onda incidente e rifratta [m/s]; i, t : angolo di incidenza e di rifrazione Se t = /2, la direzione della rifrazione è parallela alla superficie e r è detto Angolo Limite

16 Rifrazione del suono La rifrazione è la curvatura del percorso delle onde sonore quando queste passano da un mezzo elastico ad un altro in cui la velocità di propagazione è differente.

17 Effetti della rifrazione del suono Se la temperatura dell aria è più elevata di quella della superficie, le onde sonore verranno curvate all ingiù verso la superficie per effetto della rifrazione.

18 Interventi finalizzati alla riduzione dell inquinamento acustico Gli interventi di riduzione del disturbo in ambiente esterno possono essere realizzati con diverse modalità, in relazione alla loro fattibilità tecnico-economica: 1) direttamente sulla sorgente rumorosa 2) lungo la via di propagazione del rumore dalla sorgente al ricettore 3) direttamente sul ricettore

19 Interventi lungo la via di propagazione del rumore L interruzione della via diretta di propagazione dell energia sonora tra la sorgente ed il ricettore con l interposizione di ostacoli impervi permette di conseguire efficaci attenuazioni. Classificazione delle diverse tipologie di barriere acustiche in relazione al campo di impiego ed all efficacia dell'attenuazione: Barriere acustiche artificiali (metalliche, in legno, in calcestruzzo, in argilla espansa, trasparenti, biomuri) Barriere acustiche artificiali integrate con elemento diffrattivo superiore Rilevato in terra (integrabile da vegetazione) Barriere vegetali (profondità effettiva maggiore di 20 m) Copertura parziale o totale della della sorgente sonora (incapsulaggio)

20 Caratterizzazione di una barriera acustica Percorso sorgente ricettore: r BR r SB d BR Ricettore e d SB Sorgente Lunghezza effettiva della barriera: l1 Sorgente lr Ricettore e

21 L attenuazione acustica dovuta a barriere è rappresentabile con il termine L ovvero con la differenza tra il livello di pressione sonora in un dato punto in assenza di barriera Lp,0 e quello che si riscontrerebbe nello stesso punto in presenza di barriera Lp,b: L = Lp,0 Lp,b Se dalla sorgente puntiforme S, l energia sonora raggiunge il ricevitore A solo per diffrazione, l attenuazione può essere ricavata dalla relazione: Ld = 10 log(3+ 20 N) N = numero di Fresnel (N >0)

22 Attenuazione delle barriere acustiche 2 N A B C D B A H C D Sorgente Ricettore ATT 20 log 2 N tgh 2 N Attenuazione [db] Limite pratico di attenuazione 24 db Numero di Fresnel

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24 Posizione del ricettore rispetto alla barriera R1 R3 R2 S Il livello massimo di emissione sonora non si verifica sempre in corrispondenza della posizione del ricettore più vicina alla sorgente. È pertanto da assumere come livello di pressione sonora di calcolo, da confrontare con il limite di emissione di zona, quello generato da una specifica sorgente, nella posizione in cui esso risulta maggiore, limitatamente a spazi utilizzati da persone o comunità.

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26 Attenuazione delle barriere verdi L attenuazione dovuta alla propagazione attraverso il fogliame cresce linearmente con la distanza di propagazione: df = d1+d2 Per calcolare d1 e d2 il raggio del percorso di propagazione deve essere assunto pari a 5 km. d1 d2 r = 5 km Distanza di propagazione df [m] 10 df df 200 Frequenza (1/1 ott.) [Hz] ,08 0,09 0,12 Attenuazione [db] Attenuazione lineare [db/m] 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06

27 Esempi di barriere acustiche (1) Barriere acustiche artificiali Barriere acustiche artificiali integrate con elemento diffrattivo superiore

28 Esempi di barriere acustiche (2) Copertura parziale o totale della sede viaria Rilevati in terra e barriere vegetali

29 Esempi di barriere acustiche (3)

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31 Metodi previsionali I modelli previsionali permettono di prevedere l entità dei livelli di rumore ambientale ad una certa distanza da una varietà di sorgenti e di valutare l efficacia dei progetti di mitigazione. ISO Attenuation of sound during propagation in outdoors - Part 2: General method of calculation A = Adiv+Aatm+Aground+Ascreen+Amisc Adiv, attenuazione per divergenza geometrica Aatm, attenuazione per assorbimento dell aria Aground, attenuazione per effetto del suolo Ascreen, attenuazione per effetto di barriera Amisc, attenuazione per combinazione di altri effetti

32 Il metodo presentato dalla normativa consente di valutare le attenuazioni ad ogni frequenza rispetto al livello effettivo di potenza sonora LWD nella direzione di propagazione (da 63 Hz a 8000 Hz) in modo da determinare il livello in condizioni sottovento: Ldownwind = LWD A [db] Tale valore può essere valutato anche come valore medio ponderato A

33 Attenuazione ottenibile con diversi tipi di alberi e foreste

34 4.2.2 Attenuazione da divergenza geometrica L attenuazione da divergenza geometrica (sferica nel caso delle sorgenti puntiformi qui considerate) è calcolabile Adiv 20 log ( dove d ) 11 db d0 d0 è la distanza di riferimento ( = 1 m) d = distanza sorgente ricevitore

35 Coefficiente di attenuazione atmosferica [db/km] t RH Frequenza [Hz] [ C] [%] ,1 0,4 1,0 1,9 3,7 9,7 32, ,1 0,3 1,1 2,8 5,0 9,0 22,9 76, ,1 0,3 1,0 3,1 7,4 12,7 23,1 59, ,3 0,6 1,2 2,7 8,2 28,2 88, ,1 0,5 1,2 2,2 4,2 10,8 36, ,1 0,3 1,1 2,4 4,1 8,3 23,7 82,8

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38 La procedura alternativa comporta l introduzione di un ulteriore termine di correzione della direttività a causa dell apparente aumento del livello di potenza sonora dovuta alle riflessioni sul terreno in prossimità della sorgente

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41 Effetto di schermi (o barriere) - massa frontale Mf > 10 kg/m2; - non presenta crepe o interruzioni in superficie; - è di altezza tale da limitare o impedire totalmente la vista tra sorgente e ricevitore; - la sua profondità misurata lungo la linea S-R è maggiore della lunghezza d onda alla frequenza centrale di banda considerata L attenuazione è definita come la differenza tra il livello di pressione misurato al ricevitore con e senza barriera. Sul bordo superiore: Ascreen = Dz Aground > 0 Lateralmente Ascreen = Dz Dz è l indice di schermatura Aground è l attenuazione dovuta all effetto suolo (senza barriera)

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46 Definiamo piano di incidenza dell onda come il piano individuato dalla direzione dell'onda piana incidente e dalla normale n alla superficie di separazione tra due mezzi, nei quali la velocità di propagazione dell'onda vale w1 e w2. Un'onda incidente su una superficie subisce una riflessione (riprende il proprio percorso dalla parte del mezzo attraverso il quale inizialmente si propaga), una trasmissione (si propaga nel secondo mezzo). Le azioni descritte comportano che l'energia associata all'onda sia modificata: una parte verrà associata all'onda riflessa, una parte a quella trasmessa ed infine una parte viene assorbita dalla superficie di incidenza (assorbimento).

47 Riflessione a) le direzioni di propagazione dell'onda incidente I, dell'onda riflessa R e dell'onda trasmessa T giacciono sul piano di incidenza. b) l'angolo di riflessione r, rispetto alla normale al piano di incidenza è uguale all'angolo di incidenza i; c) il rapporto tra il seno dei due angoli di incidenza i e di trasmissione t è pari al rapporto tra gli indici di rifrazione dei mezzi considerati n1 ed n2 (Legge di Snell): Il rapporto n1/n2 è detto anche indice di rifrazione relativo al secondo mezzo rispetto al primo. i r n1 n2 t

48 Riflessione del suono L'onda riflessa da una superficie si propaga come se avesse origine da una sorgente virtuale situata in posizione simmetrica alla sorgente reale rispetto alla superficie di riflessione.

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50 Riflessione del suono Se l'onda sonora impatta su una superficie non piana ma concava oppure convessa, allora si ha concentrazione o diffusione del suono:

51 Superfici parallele possono causare la formazione di onde stazionarie (per frequenze tali da verificare la distanza tra le due pareti possa essere pari a un numero intero di semilunghezze d onda) e il fenomeno del flutter (riflessioni continue e regolari con basso assorbimento)

52 In un ambiente qualsiasi vi sarà una regione vicino alla sorgente nella quale sono importanti le sue dimensioni (near field), una seconda regione in cui è importante il campo creato dalle riflessioni (far field). Qui, all equilibrio, l energia sonora riflessa e quella assorbita si bilanciano Tale regione è suddivisa in due parti: una (free field) in cui il suono si comporta come in campo aperto; una seconda regione in cui è dominante il campo riverberato (reverberant field)

53 Un campo diffuso è tale se l elevato numero delle riflessioni si combinano cosicché la densità media di energia sonora è la stessa nel campo. Questa situazione è desiderata per misure delle proprietà acustiche dei materiali (camera riverberante)

54 Se la superficie su cui si riflette l'onda non è perfettamente liscia ma, ad esempio, è bugnata o sagomata, la riflessione può non risultare speculare. Se la lunghezza d'onda del suono incidente risulti grande in confronto alla distanza tra una bugnatura e l'altra: riflessione speculare Se la distanza tra una lunghezza d'onda e quella tra una bugnatura e l'altra sono uguali o molto simili: riflessione casuale (le onde sonore si confondono con le bugnature e tendono ad essere sparpagliate in ogni direzione). Se lunghezza d'onda del suono considerato è minore della distanza tra una sagomatura e l'altra: riflessione indipendente per ogni singola superficie che compone la bugnatura

55 3,4 m 0,34 m 0,034m

56 ECO Definizione: è un suono distinto ed uguale a quello emesso dalla sorgente, generato della riflessione del suono da parte di una superficie riflettente. Un suono riflesso che giunge all'ascoltatore entro 0,1 secondi dal suono originale: non viene percepito dall'orecchio umano come un suono distinto ma come parte del suono originario. dopo 0,1 secondi dal suono originale: è percepito come un suono distinto generando un eco.

57 Assorbimento del suono Quando la perturbazione sonora incontra una superficie, una parte dell energia viene dispersa. L assorbimento energetico è funzione di: - rugosità superficiale, - porosità; - flessibilità; -. La capacità di assorbimento si esprime con un coefficiente tra 0 e 1, variabile anche con la frequenza dell onda incidente

58 COEFFICIENTI DI CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI Coefficiente di assorbimento ( ); Coefficiente di trasmissione ( ); Coefficiente di riflessione ( ), 1 Un soggetto posto nello stesso ambiente della sorgente non rileva alcuna differenza tra l'energia assorbita dalla parete e quella trasmessa da essa all'ambiente adiacente: Coefficiente di assorbimento acustico apparente = a : a

59 NRC: Coefficiente di riduzione del rumore: è il valore medio dei coefficienti di assorbimento delle bande di frequenza di 250, 500, Hz: NRC ( 250) ( 500) (1000) ( 2000) 4