Il controllo attivo del rumore e delle vibrazioni a bordo delle navi - Stato dell'arte e prospettive future

2   Introduzione e presentazione della tesi 
Nonostante il controllo passivo del rumore, impiegando materiali fonoassorbenti come 
lana di roccia e vibra di vetro, camere d espansione o silenziatori reattivi (in grado di 
modificare l impedenza acustica) sia ancora largamente impiegato, la ricerca Ł volta allo 
sviluppo di sistemi attivi in cui sono riversate grandi speranze per il futuro, ma per la quale 
mancano ancora idonei finanziamenti. Ad oggi questo tipo di sistemi hanno ben poche 
applicazioni pratiche, probabilmente perchØ ancora poco affidabili in termini di stabilit  del 
controllo sia per la strumentazione elettronica impiegata, costosa in termini di denaro e di 
tempo, e soprattutto difficile da sviluppare in quanto specifica per ogni singola applicazione. 
Per queste ragioni si sono raggiunti solo ben pochi successi in ristrette aree applicative 
rispetto alle previsioni degli anni  60 quando i primi studi sul tema avevano fatto intravvedere 
una ben piø ampia diffusione2; il limite principale Ł rappresentato dall impossibilit  di 
sviluppare un completo sistema generalizzato di controllo che possa essere impiegato per un 
ampio campo di applicazioni. 
Attualmente si possono gi  trovare sul mercato sist emi attivi di controllo del rumore, 
in quanto questo campo di studio ha potuto godere di maggior interesse e minori difficolt  
applicative e per la relativa semplicit  delle stru mentazioni richieste rispetto al controllo 
attivo delle vibrazioni; le dimostrazioni di maggior successo per queste applicazioni sono il 
controllo del rumore in spazi finiti ben delimitati fisicamente, come condotti d aspirazione, di 
scarico o di condizionamento, cabine di veicoli, terrestri ma soprattutto aerei, o cuffie per la 
protezione dell udito in ambienti ad elevato inquinamento acustico3. 
 
 
Fig. I.1 Schema di cuffia con controllo attivo del rumore. 
 
                                                 
2
 Invece il primo brevetto di un sistema ANC Ł stato depositato nel 1943 da P. Lueg. 
3
 Per gli ambienti di lavoro ad alto rischio di rumore ambientale esiste una specifica Normativa che 
stabilisce i limiti massimi consentiti (UNI EN ISO 11690). 
I.1   Motivazioni   3 
Soprattutto le cuffie acustiche hanno ottenuto un forte successo commerciale: il 
principio di funzionamento prevede la cancellazione del rumore a bassa frequenza attraverso 
interferenza distruttiva immettendo un segnale speculare del disturbo all interno della cuffia, 
mentre permette all utilizzatore di sentire i suoni a media ed alta frequenza, come 
conversazioni o sirene d allarme. La compattezza dell impianto ed il basso costo, circa un 
centinaio di dollari per paio, hanno permesso una sua rapida diffusione, essendo stato adottato 
soprattutto dalle compagnie aeree e di elicotteri per i loro piloti e passeggeri. 
Sempre le compagnie aeree sembrano molto interessate all idea di poter abbattere il 
rumore a bassa frequenza all interno delle cabine dei loro velivoli, soprattutto per quelli dotati 
di propulsione turboelica. Questo tipo di applicazioni prevedono l installazione di altoparlanti 
nei pannelli delle pareti della fusoliera con notevole risparmio di peso ed ingombro rispetto ai 
soli trattamenti passivi. 
Anche alcune case automobilistiche hanno dimostrato interesse per il controllo attivo 
del rumore, che in questo specifico caso Ł prodotto dal motore ma soprattutto dal rotolamento 
dei pneumatici sull asfalto e dai flussi aerodinamici sulla carrozzeria; per queste specifiche 
applicazioni si Ł pensato di sfruttare gli altoparlanti dell impianto stereo gi  esistente come 
attuatore per il controllo del rumore abbinato al controllo attivo delle vibrazioni del motore. 
In un tipico sistema di controllo attivo si identificano l impianto, ovvero il sistema 
fisico da monitorare; i sensori, come microfoni, accelerometri, estensimetri, rilevatori di 
prossimit  o altri strumenti in grado di rilevare i l disturbo e di verificare le prestazioni del 
controllo; gli attuatori, ovvero dispositivi in grado di alterare fisicamente la risposta 
dell impianto introducendo un adeguata quantit  di energia, meccanica o acustica, attraverso 
azionamenti elettromeccanici, elettrostrittivi, piezoelettrici, idraulici o altoparlanti; 
attualmente sono in fase di ricerca attuatori basati sulle propriet  fisiche dei materiali, come 
l effetto memoria di particolari acciai o sistemi magnetostrittivi; il controllore, ovvero la 
componentistica elettronica responsabile dell elaborazione del segnale. 
Il controllo attivo, delle vibrazioni o del rumore indifferentemente, si basa sul 
principio di sovrapposizione delle onde progressive; introducendo una adeguata quantit  di 
energia, sottoforma di un segnale di pari ampiezza ma in opposizione di fase rispetto al 
segnale di riferimento, si Ł in grado di modificare la risposta del sistema; la sovrapposizione 
distruttiva dei due segnali riduce, o addirittura cancella, le oscillazioni del mezzo elastico solo 
localmente in quanto, mentre l energia totale del sistema si conserva, in altri punti si 
4   Introduzione e presentazione della tesi 
potrebbero avere livelli di rumore o vibrazioni maggiori di quelli registrati senza controllo a 
seguito della sovrapposizione di segnali in fase. La mancanza di validit  globale del principio 
si traduce, per lo stato dell arte attuale, nell ap plicabilit  del controllo attivo solo per campi 
spazialmente semplici e finiti, in cui le lunghezze d onda siano confrontabili con le 
dimensioni dello spazio controllato. 
Nonostante la complessit  spaziale del dominio dete rmini la strategia di controllo da 
attuare, la caratteristica piø importante dell impianto Ł la posizione di lettura del segnale: nel 
controllo preazionato, feedforward, il segnale di riferimento del disturbo Ł prelevato a monte 
dell attuatore, sufficientemente lontano in modo che non risenta della sua azione; in questo 
modo il controllore anticipa la correzione stimando il comportamento del sistema perturbato 
ed introducendo iterativamente delle correzioni sulla base della lettura dell errore residuo 
prelevato sul segnale in uscita; nel controllo retroazionato, feedback, il comportamento 
dell attuatore Ł basato solo sulla valutazione del segnale d errore. 
Anche la larghezza di banda riveste un ruolo importante: segnali a banda larga, 
broadband, ovvero contenenti un gran numero di frequenze, sono piø difficili da controllare 
rispetto segnali a banda stretta, narrowband, cioŁ tonali, ossia con l energia spettrale 
concentrata principalmente in una frequenza, o rispetto segnali periodici della frequenza 
fondamentale; quindi, per esempio, il rumore a banda larga del flusso d acqua turbolento 
intorno alla carena di una nave Ł piø difficile da controllare rispetto al rumore tonale causato 
dai propulsori. 
La tecnica del controllo attivo si basa su due meccanismi fisici: sull interferenza 
distruttiva, ovvero, come gi  detto, introducendo n el sistema un segnale speculare che 
cancella il disturbo, e sulle impedenze accoppiate, ovvero sulla modificazione da parte del 
controllore del modo in cui il sistema sente il disturbo, e sull assorbimento dell energia 
acustica, anche se questa forma dissipativa Ł trascurabile rispetto alle altre perdite meccaniche 
del sistema. I due principali meccanismi, interferenza ed accoppiamento delle impedenze, 
possono verificarsi entrambi contemporaneamente o singolarmente, dipendendo dalla distanza 
tra sorgente del disturbo ed attuatore: se questa Ł ridotta, ovvero tale per cui si abbia 
interferenza tra i segnali generati, si hanno entrambi i fenomeni, altrimenti si ha solo 
interferenza distruttiva. 
I.1   Motivazioni   5 
¨ possibile individuare due approcci base per il co ntrollo attivo del rumore: 
cancellazione attiva del rumore4 e controllo attivo del rumore strutturale5; in ANC gli attuatori 
sono sorgenti acustiche, come altoparlanti, che introducono nell ambiente controllato un 
segnale di pari ampiezza ma sfasato rispetto al segnale di riferimento cos  da ottenerne la 
cancellazione. Se invece il rumore Ł prodotto dalla vibrazione di una struttura flessibile allora 
Ł piø appropriato un approccio ASAC, in cui gli attuatori sono generatori di vibrazioni, quali 
per esempio vibratori, piastre piezoceramiche, o elettrostrittive, in grado di modificare il 
modo di vibrare della struttura cos  da alterare il rumore radiato. 
Il controllo attivo delle vibrazioni Ł una tecnica che assomiglia al controllo attivo del 
rumore; in entrambi, attuatori elettromeccanici modificano la risposta di un mezzo elastico 
introducendo una adeguata quantit  di energia mecca nica; nel controllo attivo del rumore tale 
mezzo Ł l aria in cui l onda acustica si muove, mentre nel controllo attivo delle vibrazioni il 
mezzo elastico Ł una struttura flessibile. Nonostante i fenomeni, monitorati dai due tipi di 
controllo, siano strettamente correlati tra loro, una riduzione del livello delle vibrazioni non 
necessariamente riduce il rumore irradiato6. 
L approccio classico per ridurre le vibrazioni trasmesse da una sorgente, come motori 
alternativi, compressori, pompe, che sono quelle piø comuni in ambito navale, ad una 
struttura flessibile di supporto, prevede l interposizione di attenuatori passivi in grado di 
dissipare l energia trasmessa attraverso smorzamento viscoso. 
Le prestazioni dei sistemi passivi, per il controllo sia delle vibrazioni che del rumore, 
possono essere limitate dalle condizioni ambientali e dalla scelta dei materiali; i migliori 
risultati si ottengono per le medie-alte frequenze, mentre perdono efficacia alle basse 
frequenze, cioŁ inferiori a 200 Hz, quando la lunghezza d onda Ł grande rispetto alle 
dimensioni dell ambiente di controllo; poichØ la taglia ed il peso del sistema dipendono dalla 
lunghezza dell onda acustica, questi trattamenti perdono la fattibilit  in quanto 
richiederebbero configurazioni pesanti ed ingombranti, caratteristiche non gradite soprattutto 
in applicazioni, quali aeronautiche e navali, dove sono richiesti leggerezza e semplicit  di 
montaggio. I sistemi passivi hanno il vantaggio di garantire una maggiore attenuazione per un 
piø ampio spettro di frequenze indifferentemente per onde piane o per modi di ordine 
superiore, difficilmente trattabili dai controlli attivi. 
                                                 
4
 ANC: Active Noise Cancellation. 
5
 ASAC: Active Structural Acoustic Control. 
6
 Si faccia riferimento al paragrafo 2.5.2. 
6   Introduzione e presentazione della tesi 
 
Fig. I.2 Campo di applicazione degli interventi di controllo attivo e passivo. 
 
L antivibrante installato deve garantire il supporto per il carico statico, rappresentato 
dal peso della macchina sopra installata, e deve avere anche una sufficientemente bassa 
rigidezza in modo che le frequenze di risonanza, traslatorie e rotazionali, del sistema siano 
notevolmente minori della frequenza del disturbo. Scegliendo un antivibrante poco rigido cos  
da ottenere grande attenuazione delle vibrazioni, si hanno grandi deformazioni delle 
incastellature e dei basamenti su cui sono fissate la macchine e questa situazione potrebbe 
risultare inaccettabile in pratica quando Ł solitamente necessario garantire una minima 
rigidezza per soddisfare i criteri operativi e di allineamento. Per ridurre gli spostamenti senza 
ridurre le prestazioni in termini di attenuazione dei livelli di vibrazione si installano sistemi 
ibridi, ovvero al sistema passivo se ne affianca uno attivo; inoltre questi impianti 
garantiscono, a parit  di prestazioni, pesi minori ed ingombri ridotti, rendendoli 
particolarmente interessanti per sviluppare ricerche per future realizzazioni pratiche, 
soprattutto nel campo aeronautico e navale. In un impianto ibrido il sistema attivo garantisce, 
rispetto ad un sistema solo passivo, una maggiore attenuazione alle basse frequenze, ovvero 
nell intorno dell armonica fondamentale dei motori diesel, in cui Ł concentrata la maggior 
energia vibratoria. I sistemi di gestione e di controllo automatizzati permettono inoltre di 
adattare la risposta dell impianto ai vari regimi di funzionamento, alle varie condizioni 
ambientali e di manutenzione. 
A bordo delle navi le vibrazioni, prodotte principalmente dall impianto di propulsione 
e/o di generazione di corrente, inducono spiacevoli movimenti e tensioni dinamiche che 
possono portare a rotture per fatica o a cedimenti delle strutture o di parti delle macchine, 
I.1   Motivazioni   7 
nonchØ riduzioni delle prestazioni; a tutto ci  si deve aggiungere il rumore prodotto. I sempre 
piø incalzanti requisiti imposti dai Registri Navali e richiesti dagli armatori, ed oggi anche 
dalle Marine Militari, in termini di comfort a bordo e di operativit , hanno spinto gli enti di 
ricerca a sviluppare innovativi sistemi di riduzione dei livelli di vibrazione e di rumore. 
Solitamente la riduzione del rumore Ł effettuata attraverso altoparlanti che introducono un 
anti-rumore nell ambiente controllato, ma in questo caso il rumore Ł prodotto dalle vibrazioni 
strutturali indotte dal motore, quindi risulta piø efficace intervenire sulla sorgente stessa del 
rumore, cioŁ la vibrazione; questo significa che gli attuatori contrastano le vibrazioni, non le 
onde sonore. 
L uso di sistemi di controllo attivo del rumore strutturale montati su lamiera per 
ridurre un eccessivo livello di rumore tonale all interno di uno spazio chiuso pu  produrre 
occasionalmente un simultaneo incremento del livello delle vibrazioni strutturali; Ł necessario 
individuare il giusto compromesso progettuale in termini di riduzione del livello globale di 
rumore senza che si abbia l indesiderabile effetto secondario di un incremento del livello 
globale delle vibrazioni strutturali. 
Ricerche hanno dimostrato che le vibrazioni generate dai motori e dal propulsore 
passano allo scafo attraverso i punti di connessione; queste vibrazioni strutturali trasmesse 
allo scafo innescano le oscillazioni delle lamiere che, vibrando, producono del rumore 
strutturale radiato sia all interno, come rumore tonale, sia in acqua; quest ultimo produce una 
ben distinta segnatura acustica, tipica per ciascuna nave, identificabile attraverso sonar 
passivi; la sua modificazione o riduzione, nonchØ previsione in fase di progetto, Ł argomento 
di grande interesse e ricerca, soprattutto per soddisfare le richieste avanzate dalle Marine 
Militari. 
Nel campo navale si Ł ancora in fase sperimentale in quanto la grande mobilit  delle 
strutture dello scafo, soprattutto per le leggere navi militari, rende il problema di piø difficile 
formulazione; comunque i dati raccolti dai pochi impianti gi  installati a bordo, sia in campo 
militare che in campo diportistico, garantiscono la validit  del progetto, su cui per  sar  
necessario investire ancora molto in futuro. 
 
8   Introduzione e presentazione della tesi 
 
Fig. I.3 Configurazione di una possibile applicazione del controllo attivo per gli impianti a bordo di 
unit  navali. 
I.2 Stato dell arte 
Nel seguito si sono volute riportare le recenti applicazioni di maggiore interesse 
commerciale del controllo attivo del rumore e delle vibrazioni. 
L ambito commerciale in cui i sistemi di controllo attivo del rumore hanno riscontrato 
maggior successo Ł quello dell aviazione civile; il controllo del rumore all interno della 
fusoliera degli aerei prevede due specifiche applicazioni pratiche: una per il controllo del 
rumore periodico generato dalle pale delle eliche, l altra riguardante il rumore a banda larga 
trattato come segnale casuale. S. Johansson et alii7, hanno proposto un controllo per il rumore 
periodico prodotto dal passaggio di pala costituito da 32 altoparlanti e 48 sensori d errore; Ł 
stata ottenuta una riduzione di 17, 10, 6 e 3 dB per l armonica fondamentale e per le 
successive 3 armoniche rispettivamente, mediando le letture dei sensori d errore montati sui 
sedili in prossimit  delle orecchie dei passeggeri.  Successivamente, nel 2002, con una simile 
applicazione ma relativa al controllo delle vibrazioni laterali a bordo di un treno ad alta 
velocit , Johansson 8 ha dimostrato la netta superiorit  dei sistemi mul ti reference, MIMO, 
rispetto ai single reference, SISO. Dal 2002 la Ultra Electronics ha installato con successo, a 
bordo di numerosi velivoli a turboelica, sistemi di questo tipo fino a 96 canali per i sensori di 
riferimento e di errore, e fino a 48 canali per i segnali d uscita per il controllo degli attuatori, 
                                                 
7
 S. Johansson, T. Lag , S. Nordebo, C. Claesson:  C ontrol approaches for active noise control of 
propeller-induced cabin noise evaluated from data from a Dornier 328 aircraft ; Proceedings of the six th 
International Congress on Sound and Vibration (1999). 
8
 S. Johansson, L. H kansson, P. Persson, I. Claesso n:  The multiple-input/single-output feedforward 
control of lateral vibration in a high-speed train car ; Proceedings of the ninth International Congre ss on Sound 
and Vibration, (2002). 
I.2   Stato dell arte   9 
consistenti in attuatori inerziali montati sulle lamiere della fusoliera o in altoparlanti inseriti 
nei pannelli interni laterali in prossimit  dei fin estrini o del soffitto. Come sensori per i 
segnali d errore sono stati installati microfoni montati sopra i pannelli interni o, nel caso in 
cui il controllo preveda l impiego di attuatori inerziali, accelerometri per garantire che il 
livello delle vibrazioni della fusoliera non risulti aumentato. Questi impianti garantiscono una 
attenuazione del livello di rumore di 10 dB per l armonica fondamentale e di 7 e 3 dB per le 
successive armoniche della frequenza di passaggio di pala. Il controllo del rumore generato 
dal flusso dell aria sulla fusoliera Ł oggetto di considerevoli sforzi di ricerca. Data la natura 
casuale del fenomeno, non Ł possibile impiegare un controllo preazionato, dal momento che Ł 
difficile ottenere un segnale di riferimento ben correlato al disturbo con sufficiente anticipo; 
per questa ragione si impiegano controlli retroazionati che hanno il vantaggio di non 
necessitare di un segnale di riferimento. C. R. Fuller9 ha condotto degli studi sperimentali su 
un impianto per il controllo del rumore generato dallo strato limite di un flusso su pannelli 
della fusoliera di un aereo utilizzando altoparlanti retroazionati e sensori di riferimento 
montati direttamente sulle lamiere; i risultati ottenuti dimostrano la validit  del progetto per 
un ampio spettro di frequenze. Recentemente anche l ente spaziale americano, NASA 
Langley, ha intrapreso una campagna di ricerca sul controllo attivo del rumore indotto da 
flussi turbolenti10; i risultati ottenuti dimostrano l indubbia validit  del controllo in 
retroazione per la gestione di questo tipo di problemi. In queste applicazioni sono stati 
impiegati attuatori PZT11, titanato-zirconato di piombo, e come segnali di riferimento le 
accelerazioni dei pannelli; risultati incoraggianti, quantificabili in una attenuazione di circa 15 
dB del livello del rumore interno, sono stati ottenuti impiegando sistemi indipendenti a canale 
singolo per ciascun pannello; l adozione di un sistema multicanale si Ł dimostrato 
maggiormente efficace, soprattutto nel controllo di un singolo pannello, potendo verificare la 
riduzione di prestazioni dovuta all interazione tra pannelli adiacenti. ¨ bene ricordare che 
nelle normali condizioni operative la fusoliera Ł soggetta a tensioni dovute alla 
pressurizzazione dell ambiente interno, variabili, quindi, con la quota, che si traduce in effetti 
                                                 
9
 C. R. Fuller, M. E. Johnson, J. R. Griffin:  Activ e-passive control of aircraft interior boundary layer 
noise using smart foam ; AIAA (2000). 
10
 G. P. Gibbs, R. H. Cabell:  Active Control of Turb ulent Boundary Layer Induced Sound Radiation 
from Multiple Aircraft Panels ; AIAA/CEAS Aeroacous tics Conference (2002). 
11
 Traslatori Piezoelettrici (Ceramiche PZT lead zirconate titanate, ovvero soluzioni solide di PbZrO3 
ortorombico e di PbTiO3 tetragonale) in grado di convertire l energia elettrica in energia meccanica con il 
conseguente risultato di un movimento, ad alta risoluzione, lungo il proprio asse. L’elevata forza di 
spinta/trazione in combinazione con la rigidezza e la risposta veloce (meno di 1 msec), rendono questi attuatori 
dei validi strumenti di lavoro e di misura. 
10   Introduzione e presentazione della tesi 
significativi sulla frequenza propria di risonanza della struttura e sulle prestazioni del sistema 
di controllo del rumore. 
Negli ultimi anni sono stati ottenuti importanti progressi nel controllo attivo del 
rumore prodotto dai turbogetti degli aerei. Una possibile soluzione Ł posizionare a monte 
delle pale statoriche delle barre radiali la cui specifica lunghezza ed orientazione produce un 
campo di pressioni tale da attenuare il disturbo generato dal passaggio del flusso d aria 
all interno dei vani statorici. Nel 2002 la NASA, in collaborazione con BBN, ha studiato una 
soluzione che prevedeva l installazione degli attuatori PZT direttamente sulle pale dello 
stadio statorico nel tentativo di ridurre il rumore prodotto. O. Hilbrunner et alii12 hanno usato 
un differente approccio, consistente nell installazione di attuatori del tipo PZT con controllo 
in retroazione nello spessore della parete della turbina, aumentandone le caratteristiche 
fonoassorbenti. Il disturbo Ł cancellato dal campo di pressione generato dalle oscillazioni 
della parete interna eccitata dal segnale del PZT. 
Di tecnica oramai consolidata Ł il controllo attivo delle vibrazione a bordo degli 
elicotteri: l obiettivo Ł l attenuazione delle ampiezze relative alle accelerazioni dovute alle 
forze e momenti generati dalla rotazione delle pale; negli ultimi 25 anni sono stati proposti 
numerosi approcci al problema del controllo attivo, ognuno dei quali si differenzia per la 
scelta e la collocazione di attuatori e sensori. L architettura scelta determina il tipo di 
algoritmo di controllo da implementare: nella configurazione IBC13, l attuatore Ł posizionato 
sulla leva del comando del passo e sensori di deformazione o accelerometri sono collocati 
sulle pale, mentre il controllo di tipo HHC14, prevede che l attuatore sia posizionato sul piatto 
non rotante del rotore ed accelerometri montati in vari punti della fusoliera. 
Nel campo automobilistico e del trasporto su gomma sono aperti numerosi capitoli di 
ricerca da parte dei maggiori marchi per cercare di ridurre il rumore interno prodotto dal 
motore e dall attrito volvente dei pneumatici. H. Sano et alii15 nel 2002 in una personale 
ricerca hanno riportato lo stato dell arte raccogliendo tutti i risultati fino ad allora ottenuti. La 
prima applicazione commerciale del controllo attivo del rumore su una vettura stradale risale 
al 1991 e fu sviluppata da Nissan; questo impianto prevedeva l installazione all interno 
                                                 
12
 O. Hilbrunner, M. Galland, N. Sellen, J. Perisse:  Optimisation of an hybrid acoustic liner for noise  
reduction of engine aircraft nacelles ; Proceedings  of Active (2002). 
13
 IBC: Individual Blade Control. 
14
 HHC: High Harmonic Control. 
15
 H. Sano, T. Yamashita, M. Nakamura,:  Recent appli cation of active noise and vibration control to 
automobiles ; Proceedings of Active (2002). 
I.2   Stato dell arte   11 
dell abitacolo di due altoparlanti gestiti da una architettura preazionata di tipo adattativo, il 
cui segnale di riferimento era il regime di rotazione dell albero a gomiti, minimizzante 
l errore medio, attraverso l algoritmo denominato F X-LMS16, dei segnali provenienti dai 
quattro microfoni. Nel 1997 Toyota ha montato degli attuatori idraulici nei punti di 
connessione del motore allo scopo di ridurre le vibrazioni trasmesse al telaio con una 
attenuazione di circa 5-10 dB; nel 2000 Honda ha proposto un impianto di semplice gestione 
ed economico sfruttando l impianto stereo gi  insta llato a bordo delle proprie vetture; per 
ridurre il rumore proveniente dall esterno e concentrato a 40 Hz sono stati utilizzati i due 
altoparlanti anteriori gestiti da un controllo retroazionato a singolo canale con il sensore, un 
microfono, installato nella plancia; altri due altoparlanti, gestiti da una architettura 
preazionata, sono stati installati posteriormente per ridurre il livello di rumore risultato 
aumentato per effetto del controllo anteriore; l attenuazione media per la frequenza interessata 
dal controllo Ł stata di circa 10 dB. H. Sano et alii attribuiscono lo scarso interesse per questa 
tipologia di soluzione, da parte delle case automobilistiche e dei loro clienti, al basso rapporto 
qualit /prezzo, in quanto gli attuali alti costi di  ricerca e sviluppo di impianti a controllo attivo 
per uso commerciale non trovano giustificazione nella loro ancora troppo limitata efficacia; 
sar  necessario per il futuro cercare di concentrar e gli sforzi per rendere tali sistemi piø 
economici senza ridurne le prestazioni. 
Sono stati proposti anche sistemi di controllo attivo per abbattere il rumore degli 
impianti dei gas di scarico degli autocarri che prevedono l installazione di altoparlanti o di 
valvole basculanti; quest ultima soluzione, di recente sviluppo, analizzata dettagliatamente da 
F. Fohr et alii17 e R. Boonen18, si Ł dimostrata particolarmente efficace ma necessita di un 
volume capacitivo interposto alla sorgente, ovvero al motore, per ridurre la contropressione ed 
aumentare l attenuazione fino a circa 4 dBA. 
Sicuramente l applicazione del controllo attivo del rumore di maggior successo e piø 
richiesta, tale da giustificare i continui sforzi per aumentarne le qualit , Ł quella per cuffie 
auricolari. I modelli tradizionali impiegano controlli retroazionati ed elettronica analogica per 
                                                 
16
 L algoritmo Filtered-X LMS   Least Mean Square   d etermina i coefficienti del filtro di controllo, 
vettore dei pesi, che minimizza l errore quadratico medio; l errore quadratico medio Ł il valore del segnale 
proveniente dal sensore d errore, che pu  essere un a grandezza di varia natura, quali spostamento, velocit , 
accelerazione, forza o potenza; solitamente la funzione obiettivo Ł minimizzata con il metodo a gradiente; per la 
trattazione dettagliata dell argomento si faccia riferimento al paragrafo 4.4.1. 
17
 F. Fohr, C. Carme, J-L. Peube, P. Vignassa, F. Le Brazidec:  Active exhaust line for truck diesel 
engine ; Proceedings Active, (2002). 
18
 R. Boonen, P. Sas:  Design of an active exhaust at tenuating valve for internal combustion engines ; 
Proceedings Active, (2002). 
12   Introduzione e presentazione della tesi 
minimizzare il ritardo di risposta; alcuni problemi di saturazione si hanno quando il disturbo 
ha livelli tonali troppo elevati. Recentemente sono stati presentati da D. A. Cartes et alii 
sistemi che sfruttano la tecnologia digitale preazionata, dimostrandosi molto promettenti per 
future applicazioni. J. Zimpfer ha dimostrato come l uso di sistemi retroazionati digitali 
piuttosto che analogici permetta di ottimizzare la configurazione per ogni possibile 
condizione ambientale semplicemente modificando o aggiornando il software di gestione; 
anche la scelta del filtro IIR piuttosto che FIR, nei sistemi retroazionati, Ł determinante per 
ridurre i tempi di analisi e conseguentemente il ritardo di risposta del controllore, e per 
ottenere la stabilit . M. Pawelczyk 19 ha presentato un impianto retroazionato ibrido costituito 
da una parte digitale, per il controllo delle componenti tonali dello spettro, ed una analogica 
per il controllo del rumore a banda larga, sintetizzabile come segnale casuale; con questo 
sistema sono state ottenute attenuazioni di circa 10 dB per la banda larga e di 60 dB per la 
componente tonale. 
Il controllo attivo della propagazione delle onde sonore nei condotti di aspirazione o di 
scarico Ł stato oggetto di numerose ricerche nell ultimo decennio ed altrettanti sono gli 
impianti industriali gi  dotati di tale tecnologia;  si tratta per di piø di sistemi in grado di 
controllare solo le onde piane, quindi poco efficaci per frequenze superiori alla frequenza 
critica di cut-off. Per questa ragione in futuro gli sforzi si concentreranno sul controllo degli 
ordini modali superiori; Ł stato verificato sperimentalmente presso l universit  di Adelaide, 
dai professori C. H. Hansen e X. Qiu20, che per condotti di grandi dimensioni la frequenza 
critica Ł piuttosto bassa, circa 150 Hz, mentre i problemi di rumore si verificano a circa 200 
Hz, quando si ha la propagazione di un onda piana e di due fronti d onda corrispondenti ai 
due successivi modi di oscillare; nelle sperimentazioni Ł stato necessario installare un 
sufficiente numero di attuatori e di sensori d errore per ottenere risultati accettabili. Nel 2002 
Ł stato presentato da J. J. Kruger21 un sistema ibrido gi  disponibile sul mercato, eco nomico 
ed installabile su impianti gi  esistenti, essendo costituito da un modulo preassemblato di un 
metro di lunghezza; il controllo passivo Ł rappresentato da materiale fonoassorbente, di 
spessore 50 e 100 mm, applicato sulla superficie interna; la parte attiva Ł costituita da una 
serie di altoparlanti e sensori indipendenti gestiti ognuno da un controllo retroazionato 
                                                 
19
 M. Pawelczyk:  Analogue-digital control for active  headsets ; Proceedings of Active (2002). 
20
 C. H. Hansen, X. Qiu, X. Li, D. L. L. Leclercq, A. C. Zander:  Implementation of active noise control  
in a multi-modal spray dryer exhaust stack ; Procee dings Active (2002). 
21
 J. J. Kr ger:  The calculation of actively absorbi ng silencers in rectangular ducts ; Journal of Soun d 
and Vibration (2002). 
I.2   Stato dell arte   13 
dedicato. Con il controllo attivo disattivato, l inserzione fornisce un attenuazione,  insertion 
loss , IL, variabile tra 20 e 30 dBA in un campo di frequenze da 400 Hz a 1 kHz, mentre 
l attivazione del controllo attivo porta l attenuaz ione fino a 55 dBA. 
La maggior parte dei controlli attivi fino ad ora sviluppati per applicazioni industriali 
ha come obiettivo l attenuazione del rumore tonale, anche se esistono esempi di applicazioni 
che coprono intervalli di frequenze fino a 2 ottave garantendo comunque risultati 
soddisfacenti quantizzabili in 10-15 dB. Il vero limite per questa tecnologia Ł proprio 
rappresentato dalla limitata banda controllabile con gli attuali software e hardware disponibili; 
Ł possibile aumentare la banda adottando nuovi filtri e metodi di campionamento multiplo, 
resi possibili dalla maggiore capienza e velocit  d elle memorie DSP. Queste soluzioni, 
nonostante abbiano dimostrato la propria validit , continuano a rimanere solo a livello 
sperimentale a causa dei costi inaccessibili per scopi commerciali; per ora l adozione di tali 
tecnologie rimane un privilegio dei soli Enti di Difesa. 
Nel 2002, da parte di A. Preumont e F. Bossens22, Ł stata verificata la validit  del 
controllo attivo applicato all ingegneria edile, installando tali sistemi sui cavi di sostegno di 
ponti. 
L isolamento attivo di strumentazioni sensibili dalla vibrazione di strutture di supporto 
continua a catturare l attenzione di molti ricercatori. Anche il problema complementare di 
isolare fonti di vibrazione dalla struttura di supporto rappresenta uno stimolante campo di 
studio. Attivo centro di ricerca Ł il polo universitario di ingegneria meccanica di Adelaide, 
guidato dal professor C. H. Hansen, dove negli ultimi anni sono stati ottenuti importanti 
successi, punti di partenza e spunti di riflessione per numerose applicazioni future. 
A bordo delle navi quello delle vibrazioni, e del conseguente rumore irradiato, Ł un 
problema sensibile di difficile risoluzione in quanto la mobilit  e la cedevolezza delle leggere 
strutture di appoggio e dell intera trave nave lo rendono complesso da modellizzare 
adeguatamente. Non mancano per  studi di fattibilit   e prime applicazioni sperimentali a 
sostegno degli sforzi fatti fino ad ora che dimostrano la validit  del controllo attivo. 
Presso il Department of Applied Signal Processing del Blenkinge Institute of 
Technology di Ronneby, Svezia, l equipe guidata dai professori M. Winberg, T. L. lag , S. 
Johansson e I. Claesson Ł allo stadio sperimentale del progetto denominato AVIIS23 
indirizzato a ridurre le vibrazioni trasmesse allo scafo di una imbarcazione da diporto, un 
                                                 
22
 A. Premont, F. Bossens:  Active control of cable s tructures ; Proceedings Active (2002). 
23
 Active Vibration Isolation In Ships 
14   Introduzione e presentazione della tesi 
Storebro Royal Cruiser 33, dal motore di propulsione, due Volvo Penta TAMD; l impianto, 
del tipo ibrido, ovvero con i classici resilienti passivi, prodotti dalla AB Novibra, montati in 
parallelo con degli smorzatori inerziali attivi, della francese Metravib, presenta un innovativo 
nonchØ singolare metodo di controllo: infatti i sensori di errore, semplici microfoni, riportano 
il rumore irradiato nelle cabine, a differenza di altri analoghi sistemi basati interamente sui 
livelli di vibrazione. Questo tipo di approccio, ovvero la minimizzazione del livello del 
rumore prodotto da vibrazioni strutturali indotte da motori Ł definito ASAC24. 
 
 
Fig. I.4 Rappresentazione schematica della configurazione di controllo ASAC. 
 
Una recente ricerca condotta presso l Universit  di  Adelaide, in collaborazione con 
l ente di ricerca Svedese, ha dimostrato la validit   del controllo attivo per quella che Ł 
l applicazione piø esigente in termini di rumore irradiato e segnatura acustica: il sottomarino. 
Il diesel generatore di bordo Ł stato posizionato su un basamento appositamente allestito e 
dotato di attuatori in grado di minimizzare l energia vibratoria nei 6 gradi di libert ; in 
laboratorio sono state valutate le prestazioni dell impianto relative a differenti condizioni di 
livelli e frequenze registrati a bordo. I risultati hanno dimostrato la validit  del progetto, 
riportando riduzioni nello spettro del rumore irradiato in corrispondenza della prima e della 
                                                 
24
 ASAC: Active Structural Acoustic Control; la descrizione dettagliata dell impianto Ł riportata nel 
paragrafo 2.5.2. 
I.2   Stato dell arte   15 
seconda armonica del motore, come risultato della minimizzazione delle vibrazioni trasmesse 
attraverso i punti di connessione25. 
¨ ormai certo che nel prossimo futuro la riduzione del rumore irradiato in acqua 
diventer  un obbligo anche per le navi commerciali dettato da esigenze di carattere 
ambientale26; infatti Ł oramai prossima l istituzione di un codice che regolamenti le emissioni 
sonore, come ribadito durante il congresso del NOAA Ocean Acoustic Program tenutosi nel 
mese di maggio del 2007, risultato di una collaborazione tra l industria navale, Governi, 
mondo scientifico, Registri ed ambientalisti. 
Recentemente la UE ha istituito il consorzio  Waterborne , nell ambito del progetto 
CALM, allo scopo di definire le attivit  di ricerca  e sviluppo necessarie all intero settore 
navale e marittimo per ridurre nei prossimi 10   15  anni i livelli di vibrazione e rumore 
irradiato in acqua. Gli obiettivi, definiti nell ultimo incontro tenutosi a Bruxelles il 1  ottobre 
2007, sono molto ambiziosi e prevedono di ridurre del 50 % l impatto del rumore 
sull ambiente e di sviluppare nuove metodologie di previsione della propagazione acustica 
entro il 2010, mentre entro il 2015 si prevede la definizione di nuovi standard per i livelli di 
rumore e di vibrazione a bordo simili a quelli gi  conseguiti in ambito automobilistico. 
Fino ad ora il campo di ricerca del rumore irradiato in acqua Ł stato una specialit  
esclusiva delle Marine Militari, ma, a partire dagli inizi del 2007, a livello internazionale si sta 
avviando lo sviluppo di un interamente nuovo standard commerciale per la misurazione del 
rumore delle navi commerciali. Infatti Ł ormai dimostrato scientificamente che le navi sono 
fonti di rumore a bassa frequenza che si propaga fino a grande distanza attraversando interi 
oceani. D. Ross27 ha determinato che il rumore di una superpetroliera a circa 6.8 Hz pu  
essere rilevato fino a 139   463 km di distanza; G.  W. Richardson et alii28 hanno dimostrato 
che il rumore a bassa frequenza, ovvero minore di 200 Hz, si trasmette con maggior efficacia, 
mentre il rumore a banda larga Ł attenuato maggiormente rispetto a segnali tonali. 
                                                 
25
 Si faccia riferimento al paragrafo 2.5.2. 
26
 Studi recenti hanno dimostrato come l introduzione di rumore artificiale nell ambiente marino 
comporti gravi danni per l intero ecosistema. Infatti gli animali marini sfruttano la propagazione del suono in 
acqua per orientarsi, cacciare, comunicare e per la difesa del proprio territorio; si capisce quindi come il rumore 
prodotto da una nave possa essere considerata sorgente di disturbo, mentre non Ł ancora del tutto chiaro l effetto 
dei segnali a bassa frequenza di piø navi che si propagano a grande distanza sul rumore di fondo. 
27
 D. Ross:  Mechanics of underwater noise , Pergamon  Press, New York (1976). 
28
 G. W. Richardson, C. I. Malme, P. R. Miles, W. J. Miller, D. G. Roseneau, D. H. Thomson, C. R. 
Greene:  Analysis and ranking of the acoustic distu rbance potential of petroleum industry activities and other 
sources of noise in the environment of marine mammals in Alaska , BBN Report 6945, Cambridge, 
Massachusetts: BBN Systems & Technology Corporation (1989).