Appunti di Costruzioni navali 3 - da lezione 23 a 24

Migliorare le prestazioni acustiche della nave

Si passa attraverso la caratterizzazione delle sorgenti. Posto che a bordo vi è un certo numero di sorgenti, bisogna quantificare quanto emettono. Ovviamente, per qualsiasi tipo di pianificazione acustica, se si vuole conoscere il rumore che arriva in un certo locale, devo conoscere la sorgente da cui parte il rumore, dopodiché caratterizzare anche il percorso di trasmissione ed incidere su di esso (si cerca anche di limitare il rumore emesso dalla sorgente).

Tipi di sorgenti

• Sorgenti che emettono nei fluidi: Aria (sorgente a bordo e posizione ricevente a bordo) o acqua (esempio: l'elica emette dell'energia che, attraverso un percorso composito, può accedere a bordo e può avere un modo di emettere in comune a quello di una sorgente a bordo).
• Rumore di tipo strutturale: Rumore strutturale può convertirsi in rumore strutturale o rumore aereo si può convertire in rumore strutturale.

La sorgente la possiamo caratterizzare in due aspetti, ma dobbiamo tenere presente che comunque questa energia meccanica, che viene scambiata dalla sorgente con l’ambiente circostante, può arrivare nella posizione ricevente anche attraverso una serie di passaggi che includono percorsi in area, in acqua o nella struttura (ci sono quindi continui scambi tra diverse forme di trasmissione).

Trasmissione del rumore

Una sorgente può emettere energia vibratoria attraverso i punti di connessione con la struttura della nave, quindi il rumore parte come rumore strutturale e si propaga come tale. Dopodiché, arrivato in prossimità della posizione ricevente, si può tramutare in rumore aereo e viene percepito come rumore aereo dal ricevente. Oppure questa sorgente può direttamente irradiare come rumore aereo, il quale può convertirsi in rumore strutturale e poi di nuovo in rumore aereo per poi arrivare al ricevente. Oppure questa sorgente può direttamente irradiare come rumore aereo, passare attraverso una parete divisoria e raggiungere come rumore aereo la posizione ricevente. Quindi, quando si parla di pianificazione acustica, si va ad agire sui percorsi di trasmissione, che possono essere molteplici. È necessario un approccio globale.

Caratterizzazione delle sorgenti

L'energia meccanica nel fluido si trasmette sotto forma di un'onda di pressione: quindi in un certo punto vi è una fluttuazione di pressione. È quindi possibile misurare i livelli di pressione sonora, in decibel in funzione della frequenza. Usando i decibel dobbiamo utilizzare un riferimento per la definizione del livello perché, come già detto, l'argomento di un logaritmo deve essere adimensionale e quindi l'ampiezza della fluttuazione di pressione che andiamo a misurare in un certo punto la dobbiamo dividere per il riferimento per ottenere un numero adimensionale. Il riferimento è tipicamente 20 μPa in aria (percezione minima dell’orecchio umano alla frequenza in cui è più sensibile al rumore) e 1 μPa in acqua.

Ovviamente serve anche una distanza di riferimento per definire la sorgente: variando la distanza di misurazione varia la misura ottenuta: si è scelto convenzionalmente un metro. Questo riferimento si riferisce a una sorgente puntiforme con propagazione sferica. Nella realtà però vi è differenza tra misurazione in una direzione oppure un’altra, infatti le sorgenti sono direttive.

Vi è poi il problema dell'interazione dell’emissione acustica della sorgente con le pareti del locale dove si trova la sorgente. L’onda acustica può essere più o meno riflessa dalle pareti e quindi nel punto di misura potremmo misurare non solo ciò che viene dalla sorgente ma anche ciò che viene riflesso dalle pareti, questa cosa in qualche modo inquina la misura. Per ovviare al problema dell’ambiente in cui si trova la sorgente, ci si può ricondurre ad un ambiente standard. Ovvero si possono fare misure in un ambiente che sia totalmente riverberante (camera riverberante) dove le pareti sono tutte ricoperte di piastrelle che riflettono molto, quindi il rumore che andiamo a misurare sarà molto influenzato dal riverbero. Fissando le condizioni di prova in una camera riverberante posso confrontare due sorgenti una con l’altra a parità di condizioni. L’estremo opposto è la camera anecoica (assorbe tutta la radiazione che incide sulle pareti e le pareti non riflettono nulla).

Esempio: camera di registrazione musicale, ci si mette nelle condizioni di avere perfette registrazioni senza nessun riverbero.

Un’altra soluzione per ovviare al problema della direttività della sorgente (una sorgente può emettere di più in una direzione piuttosto che in un'altra) e dell’interazione con le pareti è quella di chiudere la sorgente virtualmente dentro una superficie di controllo sulla quale andiamo a fare la misura di pressione. Integrando matematicamente la pressione misurata su tutta la superficie di controllo otteniamo un integrale che rappresenta la potenza sonora complessivamente irradiata dalla sorgente. Questo è un dato più oggettivo poiché non dipende dalla direzione in cui vado a misurare ma ho un valore complessivo di potenza sonora emessa dalla sorgente. In questo caso il livello sarà espresso in riferimento ad una potenza di riferimento che è 1 picoWatt.

Sia i livelli di pressione che i livelli di potenza possono essere filtrati A, ovvero da una parte possiamo caratterizzare la sorgente con dei livelli non filtrati uno per ogni banda di frequenza, oppure posso ricondurre tutto ad un valore unico che rappresenta quanto di quella potenza sonora viene effettivamente percepita dall’orecchio. Infatti il filtro A modella la sensibilità dell’orecchio umano e quindi decurta la potenza effettivamente presente nel segnale.

Sorgenti di rumore strutturale

La quantità con cui si ha a che fare è o una accelerazione, o una velocità, o una forza o uno spostamento. Si può quindi misurare quanto una sorgente emette energia nell'ambiente circostante sotto forma solida. L'energia che viene immessa in questo percorso di trasmissione viene valutata attraverso una misura o di accelerazione sul piedino del macchinario o di velocità o di forza trasmessa dal macchinario sul collegamento. Anche qui si può filtrare A. Si sta comunque parlando di un segnale temporale misurato in un punto (segnale di accelerazione, velocità, spostamento o forza), per convertirlo in un livello in decibel dobbiamo dare un riferimento. I livelli di riferimento più utilizzati sono i seguenti:

Il problema è che se si vuole misurare in maniera più efficace cosa una sorgente scambia - in termini energetici - con l’ambiente circostante attraverso un percorso di trasmissione solido, risulta necessario ricordare come la potenza sia un prodotto tra forza e velocità, non è possibile quindi descrivere questa quantità solo attraverso la forza o solo attraverso la velocità, ma bisognerà tener conto di entrambe. Per considerare cosa succede in ogni punto di contatto dovremmo concludere che ci sono sei possibili tipi di forze (tre forze e tre momenti scambiati in ogni punto) più sei tipi di spostamento (tre spostamenti lineari e tre rotazioni). Dovremmo tener presente di tutte le possibili combinazioni per caratterizzare a pieno il fenomeno, avremmo quindi una matrice di dimensioni 6 x 6 i cui valori rappresentano la forza scambiata in ogni direzione rapportata allo spostamento in tutte e sei le direzioni.

Quindi se volessimo capire perfettamente quanta energia sta passando attraverso un punto di contatto (quanta potenza meccanica scambiata) avremmo bisogno di fare tutte queste misure (forse in sei direzioni e spostamenti in sei direzioni). Nella realtà questo è impossibile, ci si affida quindi perlopiù alle direzioni principali, in particolare a quella verticale (direzione in cui vengono scambiate le forze maggiori e quindi le potenze maggiori).

Ingegneristicamente si può far riferimento al livello di vibrazioni ai piedi del macchinario e sotto il collegamento elastico col macchinario con la fondazione. Per limitare la trasmissione di energia meccanica dal macchinario alla struttura, si interpone un collegamento che abbia funzione di limitare questa parte di energia. Nella figura seguente notiamo l'effetto di questo collegamento, infatti se andiamo a misurare la vibrazione ai piedi del macchinario e sotto al collegamento elastico che lo collega al basamento abbiamo un livello più basso di vibrazione. Questo ci dà un’idea di quanto è efficace il collegamento.

La caratterizzazione delle sorgenti di vibrazione dipende moltissimo (ancora di più delle sorgenti di rumore che emettono nei fluidi) dalla condizione al contorno.

Esempi di sorgenti strutturali

Se sono un fabbricante di lavatrici e voglio effettuare una misura che dimostri che la mia lavatrice è particolarmente silenziosa dal punto di vista del rumore trasmesso per via strutturale ho due strade:

• Faccio una misura di accelerazione o spostamenti sul piedino dopo aver messo la mia lavatrice avvitata in maniera molto rigida su un blocco di cemento di 100 m (massa enorme), ovviamente la misurazione restituisce piccolissime accelerazioni, se invece misurassi la forza trasmessa mi tirerei la Zappa sui piedi perché misurerai una forza scambiata nei punti di ancoraggio molto elevata.
• Posso sospendere la lavatrice con dei cavi al soffitto e misurare l'accelerazione o la forza sui piedini, se misuro la forza scopro che questi piedini stanno spingendo sull'aria e quindi non viene scambiata alcuna forza (quindi potrei concludere che la lavatrice non induce nessuna forza nei punti in cui è collegata alla struttura), se invece misuro accelerazioni mi tiro la Zappa sui piedi perché questo piedino essendo sospeso per aria si muoverà molto.

Capiamo quindi come il risultato finale dipende dalla grandezza che misuro e dipende dalle condizioni al contorno, bisogna quindi tenere conto di come viene provata una sorgente. Se le condizioni non sono chiaramente univocamente determinanti, fare dei confronti tra due misure fatte su due sorgenti diverse diventa difficile se le sorgenti non sono trattate nella stessa maniera.

Sorgenti acustiche: elica

L'elica può:

• Irradiare come sorgente acustica in acqua attraverso il campo di pressione che si genera attorno alle pale dell'elica che va ad incidere sulla volta di poppa facendola vibrare.
• Irradiare sotto forma di rumore strutturale attraverso l’asse portaelica il quale è sorretto dall’astuccio, quindi l’asse trasmette le vibrazioni all’astuccio che quindi trasmette tali vibrazioni alla struttura della nave.

L’elica, infatti, spinge prevalentemente in avanti ma spinge anche trasversalmente verticalmente ed è anche sede di momento torcente (è quello che fa girare l'elica) ma anche di flessioni sull'asse nel piano verticale e nel piano orizzontale. Tutte queste sollecitazioni sono fluttuanti nel tempo e quindi abbiamo sull'asse una eccitazione di vibrazioni flessionali verticali, orizzontali, torsionali ma anche sollecitazioni assiali fluttuanti, verticali o orizzontali. Vediamo i meccanismi che fanno sì che l’elica sia una sorgente di rumore e vibrazione.

Sorgenti che irradiano in acqua

Sulla volta di poppa abbiamo un campo di pressione variabile nel tempo a seconda della posizione della pala, quando la pala è vicina alla volta di poppa la pressione sarà maggiore rispetto a quando la pala è lontana. Già questo induce una componente che dipende dalla frequenza con cui la pala si avvicina alla volta di poppa. La frequenza di pala ha a che fare con n.giri elica*n. pale.

Inoltre, la pala si muove in un campo di moto dell'acqua che è perturbato dalla presenza dello scafo (non vi è un flusso uniforme che incide sul disco dell’elica) la velocità incidente è anche diversa a seconda del punto in cui si trova la pala nel suo giro: quando la pala si trova dritta verticalmente verso l’alto si trova nel punto in cui lo scafo ha maggior effetto sul flusso dell’acqua: rallenta di più l’acqua (in senso relativo) → la pala ha velocità minore. Al contrario, per posizioni orizzontali si ha una velocità maggiore, verso il basso un nuovo rallentamento ma che non porta a velocità tanto basse quanto in alto.

Dal punto di vista del triangolo di velocità dei singoli profili alari vuol dire che, essendo che l’elica gira sempre alla stessa velocità, la componente tangenziale è costante, la componente assiale varia al variare della velocità dell’acqua, quindi l’effetto complessivo è che cambia l’angolo d’attacco del profilo di pala. Il profilo viene investito dall’acqua che proviene con velocità variabile. Dall’angolo d’attacco dipendono portanza e resistenza: mentre la pala gira questa spinge un po’ di più e un po’ di meno ecc. si ha quindi una spinta pulsante. Questo spiega quindi perché l’elica sollecita assialmente lo scafo. Esistono poi delle componenti di portanza e resistenza che sono dirette negli altri sensi dello spazio, quindi l'elica non spinge soltanto avanti ma anche in su e di lato e in maniera fluttuante, ci sono quindi delle forze fluttuanti anche in queste direzioni, idem i momenti infatti la coppia resistente esercitata dall'elica è fluttuante e quindi l'asse viene sollecitato. Abbiamo anche dei momenti flettenti esercitati sull'asse (in direzione del piano di simmetria della nave e sul piano orizzontale) fluttuanti.

Fenomeno della cavitazione

La faccenda è ancora più complicata se teniamo presente il fenomeno della cavitazione: la portanza del profilo alare viene generata in parte da una depressione sul dorso ed in parte da una sovrappressione sulla faccia, la depressione sul dorso può far sì che la pressione assoluta in alcuni punti del dorso scenda al di sotto della pressione di vapore saturo, il che vuol dire che in quel punto l'acqua non può stare sotto forma liquida, la pressione è sufficientemente bassa da portare alla formazione di una bolla di vapore, in un istante successivo la pala è in una diversa posizione e l’angolo di attacco è tale per cui la pressione ritorni ad essere maggiore della pressione di vapore, quindi la bolla di vapore implode (le pareti della bolla collassano una contro l’altra), l’acqua intorno accelera repentinamente per riempire il vuoto che la bolla ha lasciato, tali accelerazioni sono molto elevate (si parla di pressioni di centinaia di atmosfere). Questi urti tra pareti della bolla o tra parete della bolla e pala provocano problemi di rumore e erosione della pala.

Contromisure per l'elica

Essendo che il flusso non è regolare si può cercare di regolarizzare il flusso...