Progetto energetico e del controllo ambientale

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1 Progetto energetico e del controllo ambientale Prof. ing. Massimiliano Masullo

2 a.a orario 1 quadrimestre dal 29 settembre 2014 al 30 gennaio 2015

3 Programma del corso ACUSTICA - Fondamenti di acustica - L apparato uditivo - Aspetti psicofisici della percezione dei suoni - L'acustica degli ambienti chiusi - L acustica degli edifici - Criteri di controllo del rumore ENERGETICA - Pompe di calore bivalenti a compressione di vapore - Classificazione e caratteristiche degli impianti per il controllo del benessere termoigrometrico: - impianti ad espansione diretta - Impianti ad acqua/impianti a tutt aria/impianti misti-aria acqua/criteri di scelta - Calcolo del carico termico invernale e del carico termico estivo - Caratteristiche e criteri di scelta dei terminali idraulici e aeraulici utilizzati negli impianti di climatizzazione

4 Fondamenti di acustica

5 Fondamenti di acustica Il suono è la sensazione percepita dall orecchio umano quando si verifica nel mezzo di propagazione (es. aria) una rapida fluttuazione della pressione.

6 Lo stagno e l aria Nella propagazione di un'onda sonora nell aria e nella propagazione di increspature sulla superficie di uno stagno possono essere evidenziate analogie e differenze Analogie - i disturbi viaggiano lontano dalle loro rispettive fonti ia velocità costante. - i disturbi si propagano grazie a scambi di quantità di moto (massa*velocità) senza scambio netto di materia. Differenze: Le increspature dello stagno si propagano come onde trasversali, cioè: la velocità delle particelle risulta perpendicolare alla direzione di propagazione, mentre il suono si propaga nell'aria come longitudinali, cioè: la velocità delle particelle è nella stessa direzione di propagazione.

7 Terminologia dei fenomeni ondosi Onda piana: E un onda caratterizzata dal fatto che corrispondenti fronti d'onda si propagano parallelamente. Onda divergente: E un onda caratterizzata dal fatto che l'energia sonora che si propaga dalla sorgente emittente si distribuisce su una superficie sempre più grande al propagarsi dell onda sonora. Ciò implica che l'intensità sonora diminuisce con la distanza dalla sorgente. Onda sferica: E un onda caratterizzata la cui energia è emessa da una sorgente che irradia energia sonora equalmente in tutte le direzioni dello spazio (sorgente omnidirezionale). Onda progressiva: Quando vi è un trasferimento di energia nella stessa direzione di propagazione dell onda sonora. Onda stazionaria: E un onda generata dalla interferenza costruttiva di due o più onde sonore che dà luogo ad un modello di massimi di pressione e minimi che è stabile nel tempo.

8 Il moto delle particelle L aria, nelle condizioni di quiete, si trova alla pressione atmosferica p 0 (1,013 bar = 1,013*10 5 Pa) e ad una certa temperatura T 0 (ad es. 20 C). Una perturbazione sonora che investe una regione dello spazio in cui si trova aria in quiete modifica queste, ed altre proprietà, del gas ideale aria.

9 Il moto delle particelle

10 Il moto delle particelle La perturbazione generata da una sorgente sonora è una energia che si trasmette tra le particelle (d aria) a contatto. La perturbazione di natura ondosa, si manifesta in un punto di osservazione, a distanza dalla fonte di suono, come una variazione istantanea della pressione locale (compressione e rarefazione) rispetto alla pressione atmosferica (pressione statica p 0 ). Un onda è un disturbo che viaggia attraverso un mezzo, trasporta energia da una posto ad un altro senza trasporto di materia. Ogni particella del mezzo subisce uno spostamento temporaneo per poi ritornare nella posizione di equilibrio. Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

11 Il moto delle particelle Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

12 Parametri caratteristici del moto ondoso Si consideri l'aria vicino alla superficie di un elemento vibrante (es. un diaframma) la serie di compressioni e rarefazioni prodotte dal movimento dell'oggetto generano un onda sonora la cui frequenza è determinata dalla velocità di oscillazione dell oggetto. Quando l'oscillazione si ripete, si dice che è stato completato un ciclo. Il numero di cicli completati ogni secondo viene chiamato frequenza, f. L'unità di misura della frequenza è l'hertz. 1 Hertz = 1 ciclo/secondo MOLLA MASSA

13 Parametri caratteristici del moto ondoso Il tempo necessario per l'oscillazione a ripetersi è conosciuto come il periodo T. f = 1/T

14 Parametri caratteristici del moto ondoso Un altro modo di esprimere la frequenza è quello di farlo come frequenza angolare (o pulsazione). Per una frequenza di oscillazione f, la corrispondente frequenza angolare ω, vale ω=2πf Segnale sinusoidale

15 Parametri caratteristici del moto ondoso La velocità di propagazione del suono dipende dalle proprietà inerziali ed elastiche del mezzo di propagazione. L elasticità dell aria è proporzionale alla pressione atmosferica per mezzo di una costante di proporzionalità γ. Dove γ è il rapporto tra il calore specifico a pressione costante dell aria c p (aria) ed il calore specifico a volume costante c v. Per il range di temperatura che gli acustici utilizzano tradizionalmente, si può assumere γ pari a 1.4. La velocità dei suono nell aria, c, si calcola secondo la seguente formula: Dove p 0 = pressione atmosferica ρ = densità dell aria c = 1.4 p ρ 0 Assumendo che l aria si comporti come un gas ideale, si può affermare che la velocità del suono dipende solo dal valore assoluto della temperatura t dell aria secondo l equazione: c = Dove t = temperatura dell aria (C ) 273 Con una piccola approssimazione la velocità del suono può essere fissata in condizioni ordinarie indoor a 340 m/s

16 Parametri caratteristici del moto ondoso La velocità di propagazione delle onde sonore, nei fluidi omogenei ed isotropi di estensione infinita, è una proprietà caratteristica intrinseca di quei fluidi, determinata univocamente dalle proprietà termodinamiche (pressione, densità e temperatura) c solidi > c liquidi > c gas La velocità di propagazione delle onde sonore nei solidi ha una dipendenza più complessa, per la presenza delle onde trasversali (oltre che di quelle longitudinali) e perché nonostante la possibilità di essere approssimati come mezzi omogenei, nella maggior parte dei casi non possono essere considerati come mezzi di estensione infinita.

17 Parametri caratteristici del moto ondoso La lunghezza d'onda, λ, è la distanza tra due massimi di pressione successivi o tra i minimi di pressione successive in un'onda piana. La relazione che lega lunghezza d onda, frequenza e velocità del suono è la seguente: c = λ f

18 Parametri caratteristici del moto ondoso Lo spostamento La distanza tra la posizione istantanea di una particella vibrante e posizione intermedia è lo spostamento della particella. L ampiezza Il massimo spostamento osservato da parte di una particella vibrante. Le ampiezze variano da circa 10-7 mm fino a pochi mm. L'ampiezza minore corrisponde a suoni appena percettibili dall'orecchio umano, mentre l ampiezza maggiore al limite oltre il quale l'orecchio subirebbe un danno. Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

19 Parametri caratteristici del moto ondoso Velocità delle particelle La differenza dello spostamento della particella rispetto al tempo produce la velocità delle particelle. Pressione sonora La variazione di pressione prodotta quando un'onda sonora si propaga attraverso l'aria. Questa variazione è di entità molto piccola rispetto alla pressione atmosferica statica., tale da far definire il suono come un piccolo disturbo di pressione. Il minimo suono udibile da un uomo giovane adulto medio corrisponde ad una pressione sonora di 0,00002 Pa (ricordare che 1Pa = 1N/m 2 ). Questa pressione sonora è sovrapposta alla pressione atmosferica ambiente che è dell'ordine di 10 5 Pa. Impedenza acustica specifica (impedenza caratteristica del mezzo) Il rapporto tra la pressione sonora e la velocità delle particelle è definito come l'impedenza acustica specifica del mezzo per il particolare tipo di moto ondoso. z = ρ c L impedenza acustica specifica, z, per onde piane è data dal prodotto pc. Dove ρ è la densità del mezzo e c è la velocità del suono nel mezzo. L'unità di misura è il Rayl, espressa in Ns/m 3. A temperatura e pressione normali (cioè 20 C e 10 5 Pa), l'impedenza acustica specifica d'aria ha il valore di 41 5 Rayls.

20 Parametri caratteristici del moto ondoso x( t) = X M sin( ω t + ϕ 0 ) x ( t ) = X M sin( 2 π ft + ϕ 0 ) xm ω = 2*π*f f φ 0 0 0

21 Parametri caratteristici del moto ondoso x ( t ) = X M sin( 2 π ft + ϕ 0 ) xm ω = 2*π*f f φ 0 0 0

22 x Parametri caratteristici del moto ondoso ( t ) = X M sin( 2 π ft + ϕ 0 ) xm ω = 2*π*f f φ

23 Parametri caratteristici del moto ondoso x RMS = 1 T T 0 [ ] 2 x ( t ) dt x = 1 RMS x i n i = 1 N 2

24 Parametri caratteristici del moto ondoso

25 Grandezze acustiche caratteristiche Pressione sonora = Differenza tra la pressione totale istantanea e la pressione statica in un determinato punto dello spazio p ( t ) = p TOT ( t ) p 0 p efficace = p RMS = 1 T T 0 2 [ p ( t ) ] dt peak p efficace = p RMS = = p 2 p peak Ad esempio, ad 1 m di distanza da una persona che parla, la pressione sonora è di circa 0,1 Pa, valore molto piccolo rispetto alla pressione statica che è dell'ordine di 10 5 Pa.

26 Grandezze acustiche caratteristiche L intensità sonora è una grandezza vettoriale che esprime la quantità di energia che fluisce per unità di tempo attraverso una unità di superficie perpendicolare alla direzione di propagazione. L intensità sonora può essere misurata in unità di energia o di lavoro ad esempio, μjoule (10-6 joule) al secondo per centimetro quadrato, o in unità di potenza, come μw (10-6 Watt) per centimetro quadrato.

27 Grandezze acustiche caratteristiche La potenza sonora è l energia emessa per unità di tempo da una sorgente, è quindi una grandezza caratteristica della sorgente ed è indipendente dall ambiente in cui la sorgente irradia. Mediante tale grandezza è possibile quindi confrontare la rumorosità di macchine diverse tra loro.

28 Segnali complessi Segnali periodici

29 Segnali complessi Animation courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

30 Segnali complessi

31 Spettro

32 Filtri passa banda Dispositivo che lascia passare la gamma di frequenze comprese nel suo intervallo caratteristico senza attenuarle mentre attenua fortemente quelle al di sotto o al di sopra di tale intervallo. Ampiezza Frequenza centrale Filtro reale Filtro ideale 0.5 Larghezza di banda a -3 db Punto a -3 db Larghezza di banda equivalente Frequenza in Hz

33 Armoniche ed ottave

34 Bande normalizzate Per conoscere le caratteristiche di un segnale sonoro nel campo di frequenze udibili dagli esseri umani (20Hz - 20kHz) quest ultimo è suddiviso bande filtranti adiacenti (normalizzate a livello internazionale). Le più comuni, che si trovano nella strumentazione disponibile in commercio, sono le bande di 1 ottava e le bande di 1/3 di ottava. Per ciascuna banda ottava la frequenza limite superiore f 2 è il doppio di quella limite inferiore f 1 e sussiste la relazione: f 2 < f c < f 1

35 Elementi di acustica Analisi in bande ottave Bande normalizzate #551 [medio] 500Hz 60.6dB 16 khz 27.1dB 80 Lin* k 2 k 4 k 8 k 16 k Lin* A* Ec*

36 Analisi in bande di un terzo di ottava Bande normalizzate Medio G1 #551 [medio] Hz;(dB[2.000e-05 Pa], RMS k Lin* k 2 k 4 k 8 k 16 k Lin* A* Ec*

37 Livelli La pressione sonora ed altre grandezze connesse ai suoni udibili assumono valori che si estendono su un campo che copre diversi ordini di grandezza. Ad esempio il valore efficace della pressione sonora di un suono appena udibile è dell'ordine di 10-5 Pa. Quello in prossimità di un grosso razzo vettore in partenza è dell'ordine di 10 3 Pa. Risulta allora comoda una scala di tipo logaritmico che contrae i grandi numeri ed espande i piccoli numeri y = x y = log x db = 10 log 10 x x 0 X valore misurato X 0 valore di riferimento Si passa quindi dall espressione del valore della grandezza fisica a quella del livello della grandezza fisica

38 Livelli p, Pa Lp, db rif 20 µ Pa Commenti 2 x Soglia uditiva ordinaria 10 Studio di registrazione ben fonoisolato 2 x Orologio da polso 30 Giardino molto tranquillo 2 x Camera di soggiorno tranquilla 50 Conversazione a circa 1 m 2 x Automobile a 10 m 70 Traffico scorrevole 2 x Radio a volume elevato 90 Industria meccanica, autobus a 5 m Rivettaggio lamiera a 5 m Tuono vicino, artiglieria, tromba auto a 1 m Soglia della sensazione uditiva "quasi tattile 130 Motore di aereo a 5 m

39 Livelli Norme internazionali definiscono livelli delle precedenti grandezze fisiche. I più importanti per l acustica sono riportati qui di seguito con i riferimenti normalizzati. Livello di potenza sonora: Livello di intensità sonora: Livello di pressione sonora: Il valore di riferimento 20 μpa per il livello di pressione sonora è prossimo alla soglia uditiva alla frequenza di 1 khz (soglia del dolore 20 Pa). Però, la scelta della normativa è motivata dal fatto che alcune relazioni tra i livelli sonori risultano semplificate nell uso pratico.

40 Livelli Proprietà dei logaritmi log a AB = log a A + log a B log a A/B = log a A - log a B log a A n = n log a A X = 10*log 10 B X/10 = log 10 B 10^(X/10)= B

41 Somma/combinazione di livelli Somma di livelli Si sommano quantità proporzionali all energia 2 p 2 rms L p / 10 = log prms L / 10 2 = 10 p 2 p p 2 p L ptot = 10log 2 p L ptot o TOT 2 p1 + p = 10log 2 po L o ptot 2 2 = log 10 i L ptot L P i o 2 2 p TOT = p1 + p 2 2 LP P = 10log L 2

42 Somma/combinazione di livelli Somma di livelli Sommare i livelli di 65 dbe 35 db Sommare i livelli di 65 dbe 45 db Sommare i livelli di 65 dbe 55 db Sommare i livelli di 65 dbe 55 db Sommare i livelli di 65 dbe 65 db

43 Rapporti tra bande f f 2 = 1 2 n f2 = frequenza superiore dell intervallo della banda ottava. f1 = frequenza inferiore dell intervallo della banda ottava. Δf = Ampiezza della banda n = numerodiottave fc1 fc2 fc3 fc4 fc5 fc6 fc7 fc8 fc9 fc10 31, /3 DI OTTAVA OTTAVE 25 31, fc1 fc2 fc3 fc4 fc5 fc6 fc7 fc8 fc9 fc10 fc11 fc12 fc13 fc14 fc15 fc16 fc17 fc18 fc19 fc20 fc21 fc22 fc23 fc24 fc25 fc26 fc27 fc28 fc29 fc30

44 Livello globale o overall OTTAVE 31, Calcolare il livello globale del seguente spettro misurato