Riconoscimento delle componenti tonali ed impulsive

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1 Riconoscimento delle componenti tonali ed impulsive Nel software Samurai che controlla il fonometro analizzatore SoundBook è stato implementato il riconoscimento delle componenti tonali e degli eventi sonori impulsivi in piena conformità con quanto richiesto del Decreto Legge del 16 Marzo 1998 relativo a: Tecniche di rilevamento e di misurazione dell inquinamento acustico. I criteri di riconoscimento utilizzati, sono analoghi a quelli impiegati nel software Noise & Vibrations Works con la prerogativa di lavorare in real-time direttamente sulle misure rilevate con SoundBook. Per un esame più attento di quanto richiesto a tale proposito dall allegato B del Decreto Legge, riteniamo utile un richiamo completo dei capitoli specifici : 8. Rilevamento strumentale dell impulsività dell evento: Ai fini del riconoscimento dell impulsività di un evento, devono essere eseguiti rilevamenti dei livelli L AImax e L ASmax per un tempo adeguato. Detti rilevamenti possono essere contemporanei al verificarsi dell evento oppure essere svolti successivamente sulla registrazione magnetica dell evento. 9. Riconoscimento dell evento sonoro impulsivo: Il rumore è considerato avente componenti impulsive quando sono verificate le condizioni seguenti: l evento ripetitivo; la differenza tra L AImax ed L ASmax è superiore a 6 db; la durata dell evento a 10 db dal valore L AFmax è inferiore a 1 s. L evento sonoro impulsivo si considera ripetitivo quanto di verifica almeno 10 volte nell arco di un ora nel periodo diurno e almeno 2 volte nell arco di un ora nel periodo notturno. La ripetitività deve essere dimostrata mediante registrazione grafica del livello L af effettuata durante il tempo di misura L m. L Aeq,TR viene incrementato di un fattore correttivo K I così come definito al punto 15 dell allegato A. 10. Riconoscimento di componenti tonali di rumore: Al fine di individuare la presenza di Componenti Tonali (CT) nel rumore, si effettua un analisi spettrale per bande normalizzate di 1/3 di ottava. Si considerano esclusivamente le CT aventi carattere stazionario nel tempo ed in frequenza. Se si utilizzano filtri sequenziali si determina il minimo di ciascuna banda con costante di tempo Fast. Se si utilizzano filtri paralleli, il livello dello spettro stazionario è evidenziato dal livello minimo di ciascuna banda. Per evidenziare CT che si trovano alla frequenza di incrocio di due filtri ad 1/3 di ottava, possono essere usati filtri con maggiore potere selettivo o frequenze di incrocio alternative. L analisi deve essere svolta nell intervallo di frequenza compreso tra 20 Hz e 20 khz. Si è in presenza di un CT se il livello minimo di una banda supera i livelli minimi delle bande adiacenti per almeno 5 db. Si applica il fattore di correzione KT come definito al punto 15 dell allegato A, soltanto se la CT tocca una isofonica eguale o superiore a quella più elevata raggiunta dalle altre componenti dello spettro. La normativa tecnica di riferimento è la ISO 266: Presenza di componenti spettrali in bassa frequenza: Se l analisi in frequenza svolta con le modalità di cui al punto precedente, rileva la presenza di CT tali da consentire l applicazione del fattore correttivo K T nell intervallo di frequenze compreso fa 20 Hz e 200 Hz, si applica anche la correzione K B così come definita al punto 15 dell allegato A, esclusivamente nel tempo di riferimento notturno.

2 IL RICONOSCIMENTO DEGLI IMPULSI. Per ottenere il riconoscimento automatico degli impulsi in realtime, le misure fonometriche rilevate da SoundBook, sono eseguite con le costanti di tempo Fast, Slow ed Impulse in parallelo e con rete di pesatura (A); con una lettura eseguita 10 volte al secondo, viene rilevato se esiste una differenza superiore ai 6 db tra il massimo Impulse e quello corrispondente in Slow, se tale condizione viene soddisfatta allora si controlla che il livello della costante Fast scenda di almeno 10 db dal suo valore massimo (LAFmax), prima dello trascorrere di un secondo, soddisfatte tutte queste condizioni, viene inserita una icona sul grafico della time history in corrispondenza dell istante in cui è stato riconosciuto l impulso. L algoritmo di ricerca inserito in Samurai è simile a quello del software N&VW che quindi fornirà analoghi risultati per una ricerca delle componenti impulsive. La modalità di riconoscimento eseguita in real-time consente una verifica diretta tra l evoluzione del fenomeno impulsivo ed il metodo richiesto dal Decreto, consentendo un facile riscontro alle seguenti considerazioni non sempre evidenziate da una analisi condotta a posteriori: La ricerca degli impulsi su un segnale relativo ad una qualsiasi frase pronunciata ad alta voce soddisfa spesso alle condizioni di riconoscimento delle componenti impulsive, senza per altro averne la peculiarità. Una differenza di 7 db, anziché 6 db tra i massimi in Impulse e quelli in Slow, annullerebbe praticamente questo problema; un esempio è riportato in figura 2, dove per una frase di durata non superiore ai 30 secondi, sono individuati ben 10 condizioni che soddisfano la procedura per il riconoscimento degli impulsi. Possono essere riconosciuti due impulsi all interno della durata di in secondo in quanto il livello di pressione sonora rilevato con la costante Fast si riduce di 4.3 db ogni 125 millisecondi e quindi la condizione di 10 db dal livello massimo in Fast può essere raggiunta in meno di mezzo secondo, come messo in evidenza dal grafico di figura 3. La ricerca automatizzata delle componenti impulsive nelle misure a lungo termine evidenzierà sempre una gran quantità di componenti che però sorgono da fenomeni di tipo naturale molto diffusi e non controllabili, quali il cinguettio di Fig.1 Riconoscimento impulsi con modalità Real-Time. Fig. 2 Componenti impulsive riconosciute all interno di una frase pronunciata ad alta voce.

3 uccelli, il suono di campane, l abbaiare di cani, i clacson di autoveicoli ed attività antropica varia. Si ricorda che il Decreto fa riferimento alla dimostrazione della ripetitività degli impulsi; tali impulsi dovranno quindi essere attribuibili ad una sorgente di disturbo ben individuata e non di tipo generico. La sezione fonometrica di SoundBook può operare in modalità Alta Dinamica, garantendo una completa immunità della parte elettronica dai problemi di sovraccarico e di sottogamma soluzione molto utile per ogni tipo di analisi dei rumori impulsivi. Una dimostrazione evidente delle capacità dinamiche di SoudBook, sono evidenziate dalla risposta acustica ad un impulso di 144 db(a) di livello sonoro di durata pari a 3 secondi misurati con un microfono da ¼ M360 della Microtech Gefell con dinamica caratteristica di db(a) (<1% THD); nel grafico di fig. 3 il livello sonoro massimo rilevato dal piccolo Decibel 150 db Mic_Imp1 - SLM CH1 - LAeq(t) Mic_Imp1 - SLM CH1 - LAS Mic_Imp1 - SLM CH1 - LAS 12.6 Sec db db 60.4 Pa 5 s time Fig.3 Risposta acustica in Costante SLOW ad impulso di 144 db(a). Modalità Alta_Dinamica >110dB. Decadimenti dei livelli con scala delle ampiezze Logaritmica e Lineare. microfono raggiunge durante la risposta all impulso, un valore ben al disopra delle sue caratteristiche e contemporaneamente al termine dello stesso vengono evidenziati dei livelli minimi inferiori ai 32 db(a), per una dinamica operativa superiore ai 110dB. Sullo stesso grafico troviamo riportati i livelli come Short LAeq da 5 millisecondi (traccia marrone) e la risposta all impulso della costante Slow su scala logaritmica (traccia rossa) e su scala lineare (traccia blue), con ampiezze riportate sull asse Y a destra del grafico. La risposta con scala delle ampiezze lineare e logaritmica per la stessa costante di tempo Slow, è stata riportata con finalità didattiche, poiché spesso ci si dimentica del comportamento dinamico della risposta RC che una costante di tempo quale la Slow o la Fast, esibisce come risposta ad un impulso generico; siamo infatti abituati a considerare la risposta alla carica e scarica di un circuito RC con la rappresentazione delle ampiezze in scala lineare e spesso l equivalente descrizione con scala logaritmica non risulta famigliare. La costante Slow ha una RC pari ad 1 secondo, la Fast è pari a 125 millisecondi; ciò significa che la velocità di discesa della traccia in Slow, sarà pari a 4.3 db al trascorrere di ogni secondo (10 log e), mentre la costante Fast scenderà più velocemente con 4.3 db ogni 125 millisecondi, tracciando su scala logaritmica delle ampiezze una retta ben evidente. Su scala delle ampiezze lineare, la nostra costante Slow, scenderà apparentemente molto più velocemente e con un andamento esponenziale che raggiunge il 36.8% del valore iniziale già subito dopo ad una costante di tempo, ovvero in un secondo. Due modalità diverse per descrivere il medesimo comportamento dinamico e che spesso sono sorgente di qualche confusione. Ricordiamo inoltre che l effetto pratico nell impiego delle costanti Fast e Slow sulle fluttuazioni istantanee delle ampiezze è equivalente a quello ottenibile con un filtraggio di tipo passa_basso alle frequenze di 1.27Hz per il Fast e di 0.16Hz per lo Slow. 250 Pa Pascal

4 IL RICONOSCIMENTO DELLE COMPONENTI TONALI. Anche la presenza di componenti tonali viene riconosciuta in SoundBook in modalità real-time. La procedura completa per il riconoscimento è stata implementata in modo analogo a quanto già realizzato nel software Noise & Vibration Works completa di confronto tra lo spettro dei livelli minimi rilevato in Fast per ogni banda di 1/3 d ottava e le curve isofoniche della ISO 226. In aggiunta sullo stesso spettro dei minimi in 1/3 d ottava, viene sovrapposto lo spettro dei minimi in banda stretta FFT per evidenziare la componente tonale qualora questa dovesse posizionarsi su una frequenza di incrocio di due filtri in 1/3 d ottava (filtri con maggior potere selettivo). Fig.4 Riconoscimento delle componenti tonali in modalità Real_Time. Spettro in 1/3 d ottava dei minimi in Fast con sovrapposizione dello spettro dei minimi in FFT. La selettività dell analisi FFT può essere spinta sino a bande spettrali e su una gamma di frequenze comprese tra 0 e 200Hz e tra 0 e 20kHz. Il riconoscimento viene evidenziato dal lampeggiare in rosso della banda di 1/3 d ottava contenente la componente tonale che risulta toccare la isofonica eguale o superiore a quella più elevata raggiunta dalle altre componenti dello spettro come mostrato in figura 4. In relazione a questo argomento riteniamo opportuno sottolineare la richiesta del punto 5 del Decreto del 16 Marzo 1998 che riportiamo per esteso: 5. Misure all interno di ambienti abitativi. Il microfono della catena fonometrica deve essere posizionato a 1,5 m dal pavimento e ad almeno 1 m da superfici riflettenti. Il rilevamento in ambiente abitativo deve essere eseguito sia a finestre aperte che chiuse, al fine di individuare la situazione più gravosa. Nella misura a finestre aperte il microfono deve essere posizionato a 1 m dalla finestra; in presenza di onde stazionarie il microfono deve essere posto in corrispondenza del massimo di pressione sonora più vicino alla posizione indicata precedentemente. Nella misura a finestre chiuse, il microfono deve essere posto nel punto in cui si rileva il maggior livello della pressione acustica Pertanto la misura per la dimostrazione della presenza di componenti tonali in ambienti abitativi, non può essere eseguita come spesso accade, ad 1.5 m di altezza ed al centro del locale, ma data la presenza di inevitabili onde stazionarie, la misura andrà eseguita nel punto individuato dopo una attenta ricerca del massimo del livello di pressione sonora presente per la banda di 1/3 d ottava che contiene la componente tonale. Ciò significa che il riconoscimento per la presenza di componenti tonali richiede una procedura ben precisa e non si può pensare di eseguire questa valutazione in contemporanea con le altre misure di caratterizzazione del rumore negli ambienti di vita prescindendo dalla ricerca della posizione spaziale in cui l eventuale componente tonale evidenzia il suo livello massimo. Si ricorda altresì che il metodo di riconoscimento utilizzato è efficace solo per componenti tonali continue nel tempo e stabili in frequenza; qualora la componente tonale si dovesse interrompere anche di solo un secondo o variare in frequenza passando da una banda all altra, il metodo richiesto sarebbe inefficace.

5 Qualora la componente tonale dovesse cadere nelle bande di alta frequenza dei 16 e dei 20 khz, non va applicato alcun fattore correttivo KT in quanto tali frequenze risultano praticamente inudibili (la ISO 226 considera appunto solo sino a 12.5kHz). Se però la componente tonale in tali bande dovesse risultare dominante, come può accadere spesso con il canto di alcuni grilli o con le emissioni di alcuni apparati elettronici o domestici, allora sarà opportuno considerare con attenzione il corrispondente livello di pressione sonora pesato (A), poiché sarebbe pesantemente influenzato da componenti sonore non udibili. In altri termini, avremmo un valore globale in db(a) a cui non farebbe riscontro la percezione sonora che ci si potrebbe aspettare, poiché la maggior parte dell energia risulta su frequenze non udibili; solo l analisi in frequenza ci consente di osservarne la presenza e di verificarne le possibili interferenze. Anche se la procedura per il riconoscimento delle componenti tonali risulta ben consolidata, riportiamo a scopo di esempio il confronto tra uno spettro di Leq in 1/3 d ottava sovrapposto al corrispondente spettro sempre in 1/3 d ottava ma dei minimi in Fast (fig. 5). Possiamo osservare che mentre nello spettro dell Leq non c è traccia di componente tonale come differenza superiore ai 5 db tra una banda e le adiacenti, questa risulta invece evidente nello spettro dei minimi in Fast, che mostra un valore globale inferiore di oltre 30 db. Il metodo individua solo quelle componenti che hanno carattere stazionario ovvero continuo nel tempo ed è immune a disturbi transitori anche di elevata intensità. A tale proposito possiamo osservare come la rappresentazione del tipo spettrogramma si presti molto bene al riconoscimento sia delle componenti tonali sia di quelle impulsive. Nell esempio di figura 6, le componenti impulsive appartenenti a due distinte sorgenti sono ben distinguibili per il loro diverso contenuto spettrale pur nella loro sequenza di impulsi sia Fig.5 Confronto tra spettri in 1/3 d ottava dell Leq e corrispondente spettro dei minimi in Fast. Fig. 6 Spettrogramma con serie di impulsi singoli e ripetuti, appartenenti a due diverse sorgenti, oltre alla presenza di una componente tonale continua nella banda dei 500Hz.

6 ripetuti sia singoli; nello sfondo è anche ben visibile la continua presenza di una componente tonale nella banda dei 500 Hz. La grafica tipica dello spettrogramma, si rivela essere sempre il migliore strumento diagnostico, consentendo l osservazione in tempo reale di tutto ciò che dinamicamente evolve sia nel tempo sia nella frequenza. Per questa ragione in SoundBook è stata predisposta una visualizzazione grafica adatta a fornire in modo completo, tutte quelle informazioni che come descritto in questa nota, possono risultare di più facile impiego quando ci si deve impegnare nella dimostrazione della presenza di Fig. 7 Modalità grafica di SoundBook, adatta al riconoscimento sia delle componenti tonali sia di quelle impulsive secondo DL componenti tonali e/o impulsive; quattro finestre grafiche forniscono tutte le informazioni fonometriche, il profilo storico delle tre costanti di tempo Fast, Slow ed Impulse oltre il livello equivalente pesato (A) e l indicazione di eventuali impulsi riconosciuti, lo spettro in Fast dei minimi in bande di terzi d ottava, sovrapposto alle curve di isofoniche ISO 226, con indicazione di eventuale presenza di componente tonale e per terminare anche lo Spettrogramma in 1/3 d ottava con scala cromatica personalizzabile. 80 Aerei_Aprile-17-mattina - SLM CH1 - LAF Aerei_Aprile-17-mattina - SLM CH1 - LAI Aerei_Aprile-17-mattina - SLM CH1 - LAS db livello h:m tempo Fig. 8 Riconoscimento componenti impulsive emesse dal canto di uccelli durante monitoraggio rumore da sorvolo aereo. Ricerca impulsi eseguita dal software Noise & Vibration Works su misura trasmessa direttamente da SoundBook al termine dell acquisizione. Velocità di acquisizione continua di 10 dati al secondo per tutti i valori fonometrici, spettri a 1/3 d ottava, spettri FFT e registrazione audio degli eventi.