Appunti di Costruzioni navali 3 - da lezione 20 a 22

Rumori e vibrazioni delle navi

Obiettivo

Capire perché il rumore è un problema e caratterizzare tale rumore.

Norme e regolamenti

Sui limiti di rumore a bordo, come caratterizzare le sorgenti di bordo così da limitarne il rumore.

Rumore: forma di energia meccanica trasmessa da una sorgente verso l’ambiente circostante: può essere trasmessa per via solida (NB: vibrazioni e rumore strutturale: vibrazioni per trasmissione a bassa frequenza, rumore strutturale è sopra i 20 Hz, limite non è definito da nessuna parte, fa riferimento alla percezione che il nostro corpo ha a questo tipo di energia). Questa energia meccanica è trasmissibile in fluidi (aria e acqua).

• Campo di analisi in aria: 20-20000 Hz, è quello udibile dall’uomo.
• Campo analisi in acqua: 20-20000 non è una questione di percezione, ma di base si cerca di mantenere uno stesso range, anche se spesso si va sotto i 20 Hz e sopra.

Un oggetto solido che vibra trasmette anche in aria e in acqua, quindi questa forma di energia meccanica si trasporta dai solidi ai fluidi e dai fluidi ai solidi. Esempio: se il prof parla in aula lo si sente anche fuori, a porta chiusa.

Impatto del rumore

Perché ci si occupa di questo problema: l’attenzione a questo ambito ingegneristico. Necessario valutare l’impatto che avviene sulle attività umane in questo ambito. Sottospecie di questo impatto è l’impatto verso un ambiente di lavoro (nel caso di una nave equipaggio a bordo) se i lavoratori che si trovano esposti ad un rumore antropogenico (proveniente dall’uomo) è un problema sociale: uno degli obiettivi è il mantenimento di un ambiente di lavoro opportuno.

Impatto nei campi dell'ingegneria

• Urbanistico
• Civile: isolamento acustico negli edifici.
• Ingegneria dei trasporti: problema di come il rumore impatta all’interno del veicolo oppure all’esterno. Nei veicoli vi è un’alta sorgente di rumore poiché vi è il motore di propulsione (che è una fonte primaria di sollecitazione e quindi di produzione di rumore e vibrazioni).

I veicoli sono strutture leggere poiché appunto si devono muovere: quindi più difficile isolare la sorgente, avendo meno spazio e meno peso disponibile per confinare questa produzione di energia meccanica verso la sorgente in maniera tale che non raggiunga il ricevitore.

Distinzione tra rumore irradiato

• Rumore irradiato verso l’esterno: il veicolo è una sorgente in movimento, questo crea una difficoltà aggiuntiva nella caratterizzazione del rumore (un conto è un impianto industriale che sta fermo in una certa posizione e ci chiediamo quanto rumore induce in una abitazione messa in una certa posizione, siamo in una situazione statica in cui i corpi sono fermi, se invece parliamo di un veicolo che passa vicino ad una casa, a seconda della loro posizione relativa produrrà un impatto diverso). Quindi il fatto di aver a che fare con sorgenti in movimento è una complicazione propria dei veicoli quando si parla di rumore proiettato verso l'esterno.
• Rumore irradiato verso l’interno: il fatto di avere un veicolo crea delle complicazioni essendo la struttura leggera, ci sono quindi delle difficoltà ad utilizzare spazi e pesi per confinare il rumore verso la sorgente. In più le persone dentro al veicolo (i riceventi) sono geometricamente vicine alla sorgente del rumore.

Rumore nelle navi

Nel caso delle navi, il rumore verso l'esterno viene generato in maniera diversa se la nave è ferma in banchina oppure se si sta muovendo (che sta navigando).

• Esempio: i traghetti in banchina non sono silenziosi, hanno una serie di sorgenti (generatori, ventilatori ecc.) che producono rumore.
• Navi che stanno navigando: nave in movimento (che può navigare anche vicino alla costa se si sta avvicinando ad un porto o se stiamo parlando di un canale relativamente stretto in cui le navi sono costrette a passare vicino alla costa) ci sono delle sorgenti diverse, ad esempio c’è anche la sorgente del motore principale. La nave in movimento emette rumore anche in acqua, e abbiamo quindi il problema (più o meno importante a seconda della categoria della nave) di limitare l'emissione in acqua. Le categorie per cui è più importante evitare l'emissione di rumore in acqua sono:
  • Pescherecci perché fanno scappare il pesce
  • Navi militari: necessario essere silenziose per non attirare entità nemiche
  • Navi passeggeri: devono fare poco rumore, perché in certi posti non ci si può avvicinare se si fa rumore (alla costa), ci sono delle aree naturalistiche dove è richiesta una particolare attenzione all’impatto ambientale

Normative e tutela

Vi sono quindi delle norme che regolamentano la limitazione del rumore per la tutela anche dell’equipaggio e dei passeggeri. Bisogna garantire delle condizioni di lavoro accettabili. Ci sono delle norme sulla limitazione di rumore e vibrazioni che sono obbligatorie per la tutela dell'equipaggio, infatti chi lavora a bordo è esposto per tempi più lunghi a questo genere di impatto e la sua salute deve essere garantita.

A bordo ci possono essere anche dei passeggeri, che da una parte sono favoriti dal fatto di non stare a bordo tanto tempo ma dall'altra, essendo i clienti del trasporto, hanno delle esigenze maggiori rispetto all'equipaggio. In sostanza, quindi, i passeggeri e i lavoratori sono stati definiti come categorie diverse e che vengono trattate in maniera diversa dalle normative.

Per quanto concerne il comfort dei passeggeri esistono delle normative di classe che sono diverse dalle normative obbligatorie che riguardano la protezione dell'equipaggio (quest'ultime sono normative internazionali e devono essere rispettate da tutti), le notazioni di classe comfort aggiuntive (volontarie) sono delle notazioni che tendono a valorizzare (per navi passeggeri generalmente) il fatto che ci sia una particolare cura nel limitare l'impatto verso l'interno della nave dal punto di vista del rumore.

Pianificazione acustica

Qualunque analisi finalizzata alla limitazione dell'impatto antropogenico parte da un semplice schema SORGENTE--→PERCORSO DI TRASMISSIONE--→POSIZIONE RICEVENTE. Qualunque pianificazione acustica (termine con il quale si indica il modo di incidere sulla quantità di energia che arriva nella posizione ricevente) agisce sui tre fattori della catena. Più precisamente la pianificazione acustica agisce sui primi due elementi:

• Sorgenti: si cerca di limitare l'energia per unità di tempo emessa dalla sorgente in tal modo da limitare anche quella che arriva al ricevente.
• Trasmissione: si cerca di tagliare e limitare la quota parte di energia acustica o di vibrazione che arriva al ricevente.

Il terzo anello della catena è quello trainante in tutta l'analisi, infatti quello che vogliamo realizzare è una riduzione dell'energia meccanica (sotto forma di rumore) che arriva in determinate posizioni che noi vogliamo preservare.

Caratterizzazione della posizione ricevente

Per farlo dobbiamo essenzialmente rispondere alle seguenti domande:

• Che cos’è il rumore? Come lo percepiamo?
• Come possiamo quantificare il fastidio del rumore (ovvero gli aspetti negativi che il rumore comporta su di noi)?

In generale il rumore è una fluttuazione nel tempo (generalmente a media nulla) di una certa quantità fisica. Se stiamo parlando di rumore che si propaga in aria la quantità fisica sarà una pressione sonora in area, se stiamo parlando di un rumore che si propaga in un solido parleremo di velocità (o di spostamento o di accelerazioni).

Tale immagine spiega cosa succede in un fluido dove l'onda acustica comporta una rarefazione o un addensamento delle particelle d'aria (parlando di rumore in aria) questa perturbazione (rappresentata da rarefazioni o addensamenti di particelle) si propaga in senso longitudinale, ovvero lo spostamento delle singole particelle avviene nella direzione di propagazione dell'onda (per questo si chiamano onde longitudinali).

Nel caso di propagazione nei solidi, le particelle nel solido non si muovono nella direzione di propagazione dell’onda, ma si muovono in direzione ortogonale: quindi se ho una trave che vibra le particelle della trave vibrano in direzione ortogonale all'asse della trave mentre la propagazione dell'onda avviene in direzione longitudinale della trave, i due spostamenti quindi sono ortogonali uno all'altro e si parla di onde trasversali.

Quantificazione del rumore

Una volta definito il rumore come fluttuazione di una certa quantità fisica dobbiamo definire questa fluttuazione in qualche maniera (quantificare), in prima battuta possiamo prendere una quantità che rappresenta il valore quadratico medio del segnale.

Valore quadratico medio

Prendiamo il segnale a media nulla (ad esempio la pressione sonora in aria fluttua attorno al valore della pressione atmosferica), per quantificare la forza di questo segnale il valore che andiamo a mediare è quello quadratico (quindi consideriamo il valore quadratico medio della pressione sonora). Questa è una prima indicazione sulla forza del segnale, ad esempio se il valore quadratico medio è alto vuol dire che la pressione sonora nel caso del rumore aereo si sposta molto dallo zero in su o in giù e quindi il suo valore quadratico medio tende ad essere alto.

Frequenza

Altra cosa importante da qualificare è la frequenza alla quale si manifesta la perturbazione. Per analizzare il segnale in frequenza si scompone il segnale stesso in una serie di segnali più semplici (segnali sinusoidali). Quello riportato in figura è la somma di una serie di segnali sinusoidali (a colori) il cui risultato è il segnale nero. Per un'analisi più dettagliata si può scomporre il segnale complesso in una serie di segnali semplici e per ogni segnale semplice andare a valutare l'ampiezza e la frequenza. La frequenza della sinusoide si può valutare facilmente andando a valutare il periodo della sinusoide. Necessario anche individuare l'ampiezza della sinusoide.

Una volta fatto ciò andiamo a identificare un certo numero di frequenze (tutte quelle componenti nelle quali scomponiamo il segnale composto) e un ugual numero di ampiezze della sinusoide. Quindi il rumore viene caratterizzato nel campo della frequenza con una serie di valori di frequenze e una serie di valori di ampiezze. Frequenza di interesse: si è detto essere quelle del campo udibile umano (da 20 a 20000 Hz). Quando si parla di frequenze più basse si parla di infrasuoni. Quando si parla di frequenze più alte si parla di ultrasuoni. In ogni caso il campo di variazione è molto ampio (udibile dall’occhio umano si intende), essendo poi che l’orecchio ha una sensibilità di tipo logaritmico (sente la stessa differenza nella frequenza di un suono passando da 100 Hz a 200 e passando da 1000 a 2000 Hz), si utilizza come unità di misura della frequenza (o meglio degli intervalli di frequenza) è l’ottava, basata sul logaritmo in base 2.

Ottava e scala logaritmica

Ottava: i musicisti avevano notato che una certa nota si ripropone grossomodo nelle stesse caratteristiche però con una acutezza maggiore dopo un raddoppio di frequenza. Quindi tra un “la” e il “la” superiore c’è un raddoppio di frequenza. Quindi quando si dice ottava, anche in musica, si intende un raddoppio di frequenza. Però una nota è la nota riproposta un’ottava superiore c'è un bel intervallo che bisogna in qualche maniera dividere, nel pentagramma è diviso in 12 parti (semitoni). Per rispettare la sensibilità dell'orecchio umano (che è in scala logaritmica) bisogna che dopo 12 salti la frequenza sia raddoppiata.

Nell'ambito navale non ci sono frequenze precise che devono essere distanziate di una certa quantità ma ci interessa definire bande di frequenza ovvero intervalli di frequenza nell'ambito delle quali fare le valutazioni. Queste bande di frequenza sono ampiezze di intervalli che corrispondono a variazioni di frequenza proprie calcolate in ragione delle ottave e di loro frazioni. Tipicamente si ha un’analisi per:

• Bande di ottave, ovvero intervalli di frequenza che corrispondono ad un raddoppio di frequenza.
• Bande di terzi di ottava, che corrispondono a variazioni di frequenza proporzionali a √2 (quindi se si considera l’estremo di una banda e l’estremo inferiore della banda successiva abbiamo un fattore √2).
• Bande di 12esimi di ottava, il fattore è √2. La divisione non è lineare, ad esempio se si passa da 100 Hz a 200 Hz non si divide in 3 l’intervallo in senso lineare ma la divisione avviene in terzi d'ottava con a centro banda 100, il successivo è 125, il successivo è 160 e poi passiamo a 200. Questa scala rispetta la √2.

Questo numero (√2 o √2) si intende come rapporto tra un centro banda e il centro banda successivo, quindi la scala logaritmica prevede che nel passare da una certa posizione nella scala delle frequenze alla posizione successiva la scala non si allineare ma basata su un prodotto con un certo numero. Quindi la frequenza più alta si ottiene moltiplicando la frequenza più bassa per un numero. Se vogliamo fare un salto di un dodicesimo di ottava avremo da moltiplicare la frequenza più bassa per √2, se vogliamo fare un salto di 1/3 di ottava moltiplichiamo per √2, se vogliamo fare un salto di ottava raddoppiamo la frequenza. Questo per quanto concerne la descrizione della frequenza.

Descrizione dell’ampiezza

Il segnale con ampiezza più bassa che il nostro orecchio può sentire e il segnale con ampiezza più alta che il nostro orecchio può tollerare (oltre un certo valore si parla di soglia del dolore, al di sotto di soglia dell’udibile) si passa da 20 a 10 milioni di micro pascal. Quella che sposa meglio la sensibilità dell’orecchio umano è una scala basata sul logaritmo in base 10, questo perché si ha una sensibilità che passa da ampiezze relativamente basse ad ampiezze molto più alte.

Essendo il pascal N/m² e il newton è circa un etto, parlare di micropascal è come parlare di una pressione piccolissima (stiamo parlando di un milionesimo di etto su una superficie di 1 m²), siamo di fronte quindi ad una unità di misura molto sensibile, questo vuol dire che per produrre suono servono energie molto base.

Per definire delle ampiezze che vanno da 20 a 10 milioni di micropascal (ovvero 10 Pa, ovvero 1 kg/m², che è la soglia del dolore) si utilizza una scala logaritmica per gestire le differenze elevate. Il motivo della scelta della scala e soprattutto il fatto che anche la sensibilità all'ampiezza del nostro orecchio è di tipo logaritmico e sposa bene il logaritmo in base 10. Ovvero noi umani sentiamo un cambio di intensità di segnale acustico quando si passa da 200 a 2000 μPa come da 20000 a 200000 μPa, ovvero quando si cambia di un fattore 10 si percepisce una certa differenza indipendentemente si la variazione avviene su basse intensità oppure su alte intensità. Quindi l'unità di misura che si utilizza è il decibel.

Decibel

Basato sul logaritmo in base 10 di un rapporto tra ampiezze (l'ampiezza del segnale e l'ampiezza di riferimento, ovvero l’ampiezza più bassa udibile). Si ricorda che l'argomento di un logaritmo deve essere adimensionale, quindi ogni volta che parliamo di logaritmo di una frequenza stiamo in realtà parlando di un rapporto fra valori di ampiezza.