IL SUONO E LA SUA MISURA EFFETTI DEL RUMORE SULLA SALUTE Ing. Paolo Petracchi Corso di Acustica Protezione acustica delle costruzioni 1 SUONO Energia meccanica trasmessa per onde Variazione della pressione dell aria attorno al valore della pressione atmosferica, percepibile dall orecchio Ing. Paolo Petracchi 2 1
SUONO Il suono è generato da una vibrazione di un oggetto o di una superficie che provoca un onda di pressione nel mezzo elastico circostante con una velocità caratteristica di quel mezzo. Ing. Paolo Petracchi 3 RUMORE Particolare tipo di suono che provoca sensazioni sgradevoli o indesiderabili. Il rombo di una moto è gradevole per chi la guida, ma insopportabile per i passanti. Un brano di Mozart è gradevole per chi ama la musica ma insopportabile per chi deve riposare dopo una notte di lavoro. Ing. Paolo Petracchi 4 2
Onde sonore Ing. Paolo Petracchi 5 Periodo T dell onda tempo necessario a compiere un ciclo cioè una successione completa di variazioni di pressione Frequenza f numero di cicli nell unità di tempo Lunghezza d onda λ c = velocità di propagazione dell onda λ = distanza percorsa durante un intervallo di tempo uguale al periodo T f=1/t λ= ct λ= c/f Ing. Paolo Petracchi 6 3
Velocità di propagazione del suono nell aria c = K * pa / ρ = 343 m/sec K rapporto tra calore specifico a pressione costante e quello a volume costante, in aria è uguale ad 1,4 pa pressione atmosferica in N/mq = 10 5 N/mq ρ Densità dell aria in Kg/mc = 1,189 Kg/mc Ing. Paolo Petracchi 7 Velocità di propagazione del suono nell aria in funzione della temperatura La velocità di propagazione del suono nell aria varia con la temperatura: c = c0 + 0,6 * t c0 velocità di propagazione a 0 C c0 = 331 m/sec t temperatura in C Ing. Paolo Petracchi 8 4
Velocità di propagazione del suono nei solidi c = E / ρ Con: E Modulo di elasticità in N/mq ρ Densità del materiale in Kg/mc Ad esempio, nell acciaio la velocità di propagazione del suono è 100 volte superiore a quella nella gomma. Ing. Paolo Petracchi 9 Velocità di propagazione del suono nei solidi - m/s Gomma 35 60 Sughero 480 Piombo 1230 Mattoni 3000 Legno 3300 Calcestruzzo 3500 Vetro 4100 Acciaio 5200 Alluminio 5800 Granito 6000 Carbonio grafite 18350 Ing. Paolo Petracchi 10 5
Grandezze fisiche descrittive del suono Potenza sonora W W caratterizza l energia acustica emessa dalla sorgente nell unità di tempo Intensità sonora I W/m 2 caratterizza l energia sonora che incide sull unità di superficie e nell unità di tempo Pressione sonora P N/ m 2 o Pa caratterizza il campo sonoro in un punto dello spazio Ing. Paolo Petracchi 11 Intensità sonora I = W /4πr 2 Dal punto di vista energetico i suoni sono caratterizzati dall intensità acustica I Ing. Paolo Petracchi 12 6
Relazione tra intensità sonora e pressione sonora In campo libero: I = p 2 / ρ * c I Intensità sonora W / mq rapporto tra la potenza sonora e la superficie attraversata p pressione sonora N / mq ρ densità del mezzo Kg / mc c velocità di propagazione del suono m /sec ρ c impedenza acustica del mezzo attraversato Ing. Paolo Petracchi 13 IL DECIBEL Si definisce livello di una data grandezza G espresso in decibel come: L G = 10Log 10 (g/g 0 ) Con: g=quantità della grandezza fisica G di cui si vuole esprimere il livello in decibel corrispondente g0 = quantità di riferimento della stessa grandezza G misurata nella stessa unità di misura tutte le grandezze fisiche utilizzate per quantificare il rumore vengono espresse in decibel con diverso livello di riferimento. Ing. Paolo Petracchi 14 7
Livelli Sonori In acustica viene misurata una grandezza relativa che è il livello sonoro ed in particolare: Livello di Potenza sonora Lw = 10 Log W / Wo -12 dove Wo Potenza di riferimento = 10 W Livello di Intensità sonora Li = 10 Log I / Io -12 Io Intensità di riferimento = 10 W / mq Ing. Paolo Petracchi 15 Livello di pressione sonora Lp = 10 Log p 2 / po 2 Lp = 20 Log p/po = db p 0 pressione sonora di riferimento = 2 * 10-5 N / mq pressione sonora per la quale abbiamo Lp = 0 db Ing. Paolo Petracchi 16 8
Legame tra potenza sonora della sorgente e pressione sonora Ing. Paolo Petracchi 17 Legame tra potenza sonora della sorgente e pressione sonora Ing. Paolo Petracchi 18 9
La percezione umana del suono Non tutte le variazioni di pressione sono avvertibili dall uomo: LIMITE DI FREQUENZA: l orecchio umano percepisce suoni compresi tra 20 Hz e 20000 Hz. LIMITE DI INTENSITA : la soglia di percezione è fissata in 0 db(a) e quella del dolore a 120-130 db(a) Ing. Paolo Petracchi 19 La percezione umana del suono L orecchio umano è in grado di percepire suoni che hanno una pressione sonora compresa nell intervallo 20 µpa < Pressione sonora < 20 Pa soglia udibile soglia dolore L orecchio umano inoltre percepisce suoni che hanno frequenze comprese nell intervallo 20 Hz < frequenza < 20.000 Hz Ing. Paolo Petracchi 20 10
Sensazione sonora Curve di isosensazione Diagramma di Fletcher e Munsen Area della sensazione uditiva Ing. Paolo Petracchi 21 Sistema uditivo umano Il sistema uditivo umano presenta una sensibilità meno accentuata alle frequenze molto basse (poche decine di Hz) ed a quelle elevate (oltre i 15kHz). Per procurare la stessa sensazione sonora (phon) occorrono, a frequenze diverse, livelli di pressioni sonore diverse suoni di stessa intensità ma frequenza diversa vengono percepiti dall orecchio in modo diverso. Ing. Paolo Petracchi 22 11
La percezione umana del suono L orecchio umano non percepisce tutte le frequenze con la stessa sensibilità. le curve isofoniche definiscono la risposta del sistema uditivo umano all intensità del suono. Nell uso comune di adotta una particolare correzione chiamata curva di ponderazione A: le misure eseguite con tale correzione sono misurate in db(a). Ing. Paolo Petracchi 23 La percezione umana del suono Legge di Fechner - Weber Data un onda sonora di intensità I ed una successiva di intensità I+dI, l effetto fisiologico subisce una variazione ds proporzionale a di/i, da cui segue che la sensazione sonora cresce NON con l intensità ma con il logaritmo dell intensità Ing. Paolo Petracchi 24 12
Scala logaritmica 20 µ Pa 0 db 200 µ Pa 20 db 2.000 µ Pa 40 db 20.000 µ Pa 60 db 200.000 µ Pa 80 db 2.000.000 µ Pa 100 db 20.000.000 µ Pa 120 db 200.000.000 µ Pa 140 db Ing. Paolo Petracchi 25 Sorgenti di Rumore Ing. Paolo Petracchi 26 13
Sorgenti di Rumore Ing. Paolo Petracchi 27 Classificazione dei rumori 1 rumore continuo 2 rumore fluttuante 3 rumore impulsivo 4 rumore periodico 5 rumore con componenti tonali I primi 4 tipi descrivono particolari variazioni dell intensità e quindi della pressione quadrata in funzione del tempo, il 5 descrive una variazione di un rumore qualsiasi nel dominio della frequenza (analisi spettrale) Ing. Paolo Petracchi 28 14
analisi spettrale 60 55 Livello pressione sonora (db) 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 20 Hz 31.5 Hz 50 Hz 80 Hz 125 Hz 200 Hz 315 Hz 500 Hz 800 Hz 1.25 k 2.0 k 3.15 k 5.0 k 8.0 k 12.5 k 20.0 k Frequnze di centro banda (Hz) Ing. Paolo Petracchi 29 La misura del Rumore Livello di pressione sonora FONOMETRO INTEGRATORE Ing. Paolo Petracchi 30 15
68.0 66.0 Parametri descrittori del rumore 66.3 64.0 62.0 60.0 57.7 SPL 58.0 56.0 54.0 52.0 50.0 48.0 46.0 44.0 42.0 43.7 Livello equivalente Livello massimo Livello minimo 40.0 9.00.00 AM 9.05.00 AM 9.10.00 AM 9.15.00 AM 9.20.00 AM Ing. Paolo Petracchi 31 Livello equivalente Il Livello equivalente di un dato suono o rumore variabile nel tempo è uguale al livello di un rumore costante che, se sostituito al rumore reale per lo stesso intervallo di tempo, comporterebbe la stessa quantità totale di energia sonora L eq 1 = 10 Log( T [ P( t) ] dt) Lo scopo dell introduzione del Livello equivalente è quello di poter caratterizzare con un solo dato di misura un rumore fluttuante, all interno di un intervallo prefissato. Lo strumento che effettua direttamente questo tipo di misura è il FONOMETRO INTEGRATORE T 0 P 2 0 2 Ing. Paolo Petracchi 32 16
Operazioni con i livelli sonori Ipotizziamo il caso di funzionamento di due sorgenti sonore. Supponiamo che dapprima funzioni soltanto la sorgente 1 che produce in un punto intermedio alle due sorgenti, il livello sonoro equivalente L 1 pari ad 80 db(a). Successivamente viene messa in funzione la seconda sorgente sonora, identica alla prima che produce nello stesso punto un livello sonoro L 2 pari ad 80 db(a) durante il funzionamento singolo. Quale sarà il livello sonoro equivalente L che verrà rilevato nel punto intermedio durante il funzionamento simultaneo delle due sorgenti sonore? Ing. Paolo Petracchi 33 Operazioni con i livelli sonori Non è poi così rara la risposta: Basta sommare i livelli sonori, per cui L = 160 db(a) Non è così, anche se qualcosa va sommato: le intensità sonore I 1 e I 2, pertanto sarà: L 1 = 10 Log (I 1 /I 0 ) L 2 = 10 Log (I 2 / I 0 ) L = 10 Log (I 1 + I 2 / I 0 ) Essendo uguali i livelli sonori prodotti dalle due macchine, le intensità sonore avranno lo stesso valore, per cui L = 10 Log (2I 1 /I 0 ) Ing. Paolo Petracchi 34 17
Operazioni con i livelli sonori Quindi: L = L 1 + 10 Log 2 = 80 + 3 = 83 db(a) Se le sorgenti sonore che producono lo stesso livello sonoro fossero state 4, sarebbe risultato: L = L 1 + 10 Log 4 = 80 + 6 = 86 db(a) Importante quindi sarà la valutazione del rumore prodotto da più apparecchiature, anche se ciascuna produce un livello sonoro equivalente contenuto. Importante sarà la scelta dell ubicazione e della eventuale simultaneità di funzionamento. Ing. Paolo Petracchi 35 Operazioni con i livelli sonori Ma se i livelli sonori avessero valore differente? Basta ricavare le intensità sonore: (I 1 /I 0 ) = 10 L1/10 (I 2 /I 0 ) = 10 L2/10 Ed avremo L = 10 Log (Σ 10 Li/10 ) Ing. Paolo Petracchi 36 18
Livelli percentili L N Livello di pressione sonora che è stato superato per N% del tempo di misura Livelli percentili L N di uso comune Livello di pressione sonora che è stato superato per N% del tempo di misura L1 - L5 -L10 Rumore di picco - eventi rumorosi anomali L90 - L95 - L99 Rumore di fondo - Livello di rumore sempre presente Ing. Paolo Petracchi 37 distribuzione dei livelli di pressione sonora 14.0 12.0 10.0 8.0 6.0 4.0 2.0 0.0 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 Ing. Paolo Petracchi 38 19
Distribuzione cumulativa 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 Ing. Paolo Petracchi 39 Componenti tonali L essere umano percepisce come maggiormente disturbante il rumore contenente componenti tonali. La normativa prevede una penalizzazione per la presenza di componenti tonali se tale componente tocca una isofonica eguale o superiore alle isofoniche toccate da tutte le altre bande dello spettro. Ing. Paolo Petracchi 40 20
COMPONENTI TONALI Il fenomeno rumoroso presenta componenti tonali se l analisi in 1/3 di ottava evidenzia uno o più toni (bande di frequenza) che sovrastano le bande adiacenti per almeno 5 db analisi spettrale Livello pressione sonora (db) 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 48.0 75.0 50.0 20 Hz 31.5 Hz 50 Hz 80 Hz 125 Hz 200 Hz 315 Hz Frequnze di centro banda (Hz) 46.0 42.0 Ing. Paolo Petracchi 41 32.0 500 Hz 800 Hz 1.25 k 2.0 k 3.15 k 5.0 k 8.0 k 12.5 k 20.0 k Esempio di componente tonale per la quale non si applica la penalizzazione Ing. Paolo Petracchi 42 21
I principali effetti del sull essere umano Ing. Paolo Petracchi 43 I principali effetti del rumore sull essere umano Quando avvertiamo un rumore fastidioso, la prima reazione è quella di individuarne la sorgente e, se possibile, evitare il disturbo. In numerose occasioni questo non è possibile, per cui l'organismo rimane esposto ad un agente che gli è nocivo. Ciò determina l'instaurarsi di una condizione stressante: il rumore è il più noto e studiato fattore di stress fisico dell'ambiente. Ing. Paolo Petracchi 44 22
I principali effetti del rumore sull essere umano Esso determina, come gli altri fattori di stress, una serie di reazioni di difesa e se lo stimolo permane a lungo o se le capacità di difesa dell'organismo vengono meno, possono verificarsi vere e proprie malattie psicosomatiche. Tali disturbi vengono indicati come effetti extrauditivi del rumore proprio perché interessano altri apparati dell'organismo. Ing. Paolo Petracchi 45 Il rumore può nuocere all integrità fisica e psichica dell essere umano. Effetti nocivi: Danno all organo uditivo; Effetti extrauditivi psicosomatici; Effetti generali di disturbo. Ing. Paolo Petracchi 46 23
Alcuni effetti nocivi del rumore Ø Ipoacusia Ø Interferenza sulla percezione della parola Ø Modificazioni dell EEG ed ECG Ø Cefalea Ø Aggressività Ø Depressione Ø Innalzamento della pressione arteriosa Ø Tachiaritmia Ø Restringimento del campo visivo Ø Effetti negativi sull apparato riproduttivo Ing. Paolo Petracchi 47 Livelli sonori ed effetti nocivi del rumore LIVELLO IN dba EFFETTI fino a 35 db Prolungamento tempo di addormentamento di 20 min fino a 40 db 1) Diminuzione capacità psicomotorie ed intellettuali (studio, concentrazione, operatività, memorizzazione). 2) Sensazione di affaticamento 3) Rallentamento tempo stimolo-risposta (molto pericoloso quando si è alla guida) 4) Interferenze sulla percezione della parola o "effetto mascheramento" (Speak Interference Level) [particolarmente grave all interno delle aule scolastiche] fino a 45 db 1) Prolungamento tempo di addormentamento di 30 min. 2) Risveglio di bambini piccoli 3) Aumento casi psichiatrici 4) Aumento dell ansia 5) Aggravamento stati depressivi Ing. Paolo Petracchi 48 24
LIVELLO IN dba EFFETTI fino a 50 db 1) Risveglio dell adulto e riduzione del sonno REM 2) Induzione a chiudere le finestre 3) Disagi sulla normale vita di relazione dell individuo 4) Aumento insorgenza di disfonia e dislessia 5) Interferenze sulla formazione e lo sviluppo mentale dei bambini (1-7anni), apprendimento ritardato e tendenza alla mancanza di iniziativa 6) Effetti antisociali 7) Aumento dell aggressività 1) Disturbi Psicosomatici a) Sistema cardiovascolare Modifiche dell ECG, Ipertensione, Tachiaritmia, Vasocostrizione perif. b) Apparato digerente Aumento della motilità, Fenomeni spastici, ecc. c) Apparato respiratorio fino a 60 db Laringopatie e rinopatie, ecc. d) Apparato visivo Restringimento del campo visivo, Disturbi dell accomodazione, ecc. e) Apparato riproduttivo Riduzione della prolificità, della libido, del peso dei neonati 2) Reazione di orientamento (R.O.) 3) Reazione di adattamento (R.A.) Ing. Paolo Petracchi 49 50 25