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All’interno di questo quadro si inseriscono le leggi in merito all’inquinamento
acustico generato dalle infrastrutture stradali emanate sia in ambito comunitario
che in ambiti nazionale e regionale.
In Italia il primo atto normativo specifico è il D.P.C.M. 1° marzo 1991, che
stabilisce la classificazione dei territori comunali in zone per le quali sono
individuati limiti massimi diurni e notturni.
Di particolare interesse per il lavoro svolto sono la Legge Quadro n. 447/95, dove
è indicato l’obbligo da parte degli enti gestori delle infrastrutture di trasporto di
predisporre piani di contenimento ed abbattimento del rumore, il D.M.
29/11/2000, che fornisce i criteri di progettazione degli interventi di risanamento e
dà indicazioni sull’individuazione delle priorità degli stessi e il D.P.R.
30/03/2004, che ha introdotto i valori limite delle sorgenti sonore stradali,
definendo le fasce di pertinenza acustica di infrastrutture esistenti e di nuova
realizzazione entro le quali sono validi detti limiti.
Per concludere citiamo la normativa che il Parlamento e il Consiglio Europeo
hanno emanato il 25 giugno 2002: si tratta della Direttiva 2002/49/CE, relativa
alla determinazione e alla gestione del rumore ambientale, e la Raccomandazione
n. 2003/613/CE dove si suggeriscono i metodi di calcolo provvisorio per il
rumore ambientale; tali normative sono state poi recepite in ambito nazionale dal
DGL n. 194 del agosto 2005.
Queste tre ultime direttive rappresentano il punto di partenza di questo lavoro di
tesi, esse infatti modificano le precedenti procedure per quello che riguarda sia il
metodo di calcolo che la suddivisione oraria dei descrittori acustici. In tale metodo
di calcolo, infatti, sono considerate le influenze che le condizioni meteorologiche
esercitano nella propagazione sonora. Obbiettivo di questa tesi è quantificare le
differenze che possono intercorrere nel considerare o meno le condizioni
meteorologiche all’interno della fascia di pertinenza acustica delle strade.
Il seguente lavoro di tesi infatti si inserisce nel progetto per il Piano di
contenimento e abbattimento del rumore generato da infrastrutture stradali che la
Provincia di Perugia sta redigendo in collaborazione con il Dipartimento di
Ingegneria Industriale sez. Fisica Tecnica.
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Tale progetto, arrivato ormai al terzo anno, si prefigge lo studio della rete stradale
della Provincia costituita da circa 2800 Km di strade, arrivando ad ottenere la
mappatura acustica di ogni strada in cui si sono evidenziate le criticità, redigendo
una classifica delle priorità di intervento e arrivando ad elaborare un piano di
bonifica.
La gran parte dell’analisi svolta sulle strade provinciali ha avuto luogo prima del
recepimento della già citata Direttiva 2002/49/CE che impone l’utilizzo nel
metodo di calcolo delle condizioni meteo. Dopo tale recepimento è stato
necessario ridiscutere la metodologia per quello che riguarda lo studio delle strade
regionali che presentano una fascia di pertinenza di 150 metri. La maggior parte
delle strade provinciali prese in esame, infatti, presenta una fascia di pertinenza
acustica di 30 metri, e nel caso delle strade regionali gestite dalla provincia si è
pensato ad un eventuale influenza delle condizioni ambientali sulla propagazione
sonora, per questo si sonoo svolte delle simulazioni software e delle misure
fonometriche con diverse condizioni anemometriche per valutare tali influenze.
Nei primi capitoli si evidenziano quelle che sono le influenze meteorologiche
nella propagazione del suono in ambienti aperti. Nei successivi capitoli si
approfondisce il metodo di calcolo NMPB illustrando quelle che sono le
metodologie per il calcolo del livello sonoro equivalente e si passano in rassegna i
codici di simulazione e gli strumenti utilizzati nel presente lavoro; si passa quindi,
ad un confronto tra i risultati delle simulazioni del codice di calcolo con i dati
sperimentali raccolti durante la nostra campagna di misure. Infine si procede allo
studio di una strada regionale tipo, la SR3, eseguendo mappature acustiche sia in
presenza di vento che in condizioni omogeneee e all’individuazione dei recettori
sensibili presenti, classificandoli in base all’indice di priorità, e al relativo studio
di bonifica acustica.
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CAPITOLO 1
Concetti di Acustica Ambientale
1.1 Le onde sonore
Il suono è un fenomeno fisico di carattere ondulatorio che si manifesta in qualsiasi
mezzo elastico distribuito con continuità per effetto della vibrazione di un corpo
all’interno di esso. Il corpo vibrante che genera le onde sonore prende il nome di
sorgente, mentre lo spazio interessato dalla propagazione di tali onde viene
chiamato campo acustico. Le vibrazioni prodotte dalla sorgente si trasmettono alle
particelle del mezzo elastico adiacenti, provocandone l’oscillazione attorno alle
loro posizioni di equilibrio; queste a loro volta trasmettono il moto oscillatorio ad
altre particelle e il fenomeno si ripete per tutto il volume occupato dal mezzo,
dando luogo ad un trasferimento di energia ma non di materia. Per quel che
riguarda il mezzo di propagazione, questo può essere un solido, un liquido o un
gas. Al variare delle proprietà fisiche del mezzo, variano le modalità e la velocità
di propagazione del suono. Nei fluidi infatti le onde sono longitudinali, essendo la
direzione delle oscillazioni coincidente con quella di propagazione, mentre nei
solidi ci può essere una componente di oscillazione ortogonale, ossia trasversale.
La velocità di propagazione, inoltre, è in genere maggiore nei solidi e decresce per
i liquidi e infine per i gas. La sua espressione nel caso di un gas perfetto è data da:
ρ
kP
c =
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con:
P = pressione del mezzo;
ρ = densità del mezzo;
k = c
p
/c
v
rapporto tra i calori specifici a pressione e volume costante.
Per l’aria atmosferica, principale mezzo di propagazione per la maggior parte
delle applicazioni acustiche, si può esprimere la velocità di propagazione del
suono, in metri al secondo, in funzione della temperatura (nell’ipostesi di gas
perfetto):
Tc ⋅+= 6,04,331
con T espressa in gradi Celsius.
A causa della sua comprimibilità, essendo una miscela di gas, all’interno di essa il
suono si propaga per mezzo di una variazione di densità e quindi di pressione,
alternando zone di compressione a zone di rarefazione. Il numero di variazioni di
pressione al secondo viene chiamato frequenza f del suono e viene misurata in
Hertz (Hz).
Fig. 1.1 Variazioni di pressione provocate da un'onda acustica nell'aria
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Un altro parametro caratteristico di un’onda sonora è la lunghezza d’onda λ,
definita come la distanza di trasmissione del fenomeno nel tempo T di un periodo:
Tcλ ⋅=
con:
f
T
1
=
per cui vale la ben nota relazione:
f
c
λ =
1.2 Grandezze acustiche fondamentali
− Pressione acustica
La pressione acustica p in un punto del campo acustico è la differenza fra la
pressione totale P, espressa in Pascal, in presenza del fenomeno sonoro e la
pressione P
0
che si avrebbe nello stesso punto in assenza del suono:
0
PPp −=
E’una grandezza sempre molto piccola rispetto a P
0
ed estremamente variabile,
con valori che vanno da 20 µPa per i fenomeni sonori più deboli fino a 20 Pa per i
fenomeni più intensi (P
0
≈ 10
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Pa). Data la sua grande variabilità nel tempo, si è
soliti esprimere la pressione acustica mediante il suo valore efficace, cioè mediato
su un intervallo di tempo t
0
, dato da:
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10
∫
−
⋅=
t
tt
eff
dttp
t
p
0
)(
1
2
0
− Intensità acustica
L’intensità acustica J esprime l’energia trasportata dall’onda acustica che
nell’unità di tempo attraversa una superficie unitaria disposta ortogonalmente alla
direzione di propagazione:
dS
dW
J =
− Densità di energia acustica
Si definisce densità di energia acustica D l’energia associata al fenomeno sonoro
corrispondente contenuta all’interno di un volume infinitesimo circostante un
punto assegnato nel mezzo di propagazione:
dV
dE
D =
Tutte le grandezze acustiche appena definite coprono campi di variabilità molto
estesi e quindi torna utile, per la loro descrizione, l’uso delle scale logaritmiche,
che consente di lavorare con intervalli molto più contenuti. In luogo dei valori
assoluti delle grandezze si fa ricorso ai cosiddetti livelli, per mezzo delle seguenti
definizioni:
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Livello di pressione acustica:
0
2
0
2
log20log10
P
p
P
p
L
effeff
p
⋅=⋅=
Livello di potenza acustica:
0
log10
W
W
L
W
⋅=
Livello di intensità acustica:
0
log10
J
J
L
J
⋅=
Livello di densità di energia acustica:
0
log10
D
D
L
D
⋅=
Poiché i livelli sono sempre definiti in relazione ad una grandezza di riferimento,
si manifesta la necessità di fissare un valore arbitrario che sia universalmente
adottato. La potenza di riferimento W
0
è stata stabilita dalla Normativa ANSI
S1.8-1989, mentre tutti gli altri valori sono stati fissati dall’American National
Standard:
W
0
= 10
-12
W
P
0
= 2·10
-5
N/m
2
(per i gas e per l’aria)
P
0
= 10
-6
N/m
2
(per altro, tranne i gas)
J
0
= 10
-12
W/m
2
D
0
= 10
-12
J/m
3
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I valori numerici sopra riportati sono stati recepiti praticamente da tutte le
normative vigenti e sono universalmente adottati.
L’unità di misura dei livelli è chiamata decibel ed indicata con il simbolo dB.
1.3 Sorgenti sonore
La posizione origine del campo sonoro, come abbiamo già ricordato, prende il
nome di sorgente. Essa è sempre costituita da un oggetto posto in vibrazione
all’interno del mezzo di propagazione e, in quanto tale, è sempre dotata di
dimensioni fisiche ben definite. Tutte le sorgenti sonore sono quindi estese.
Esistono però dei casi particolari in cui la sorgente può essere schematizzata come
un oggetto privo di dimensioni, ossia un punto, oppure può essere considerata
come un oggetto monodimensionale, ossia una linea. Approssimando gli oggetti
reali tridimensionali a sorgenti di questo tipo, si ottengono delle semplificazioni
notevoli nei modelli geometrici e matematici di propagazione, permettendo uno
studio del fenomeno molto più agevole.
− Sorgenti puntiformi
La schematizzazione di una sorgente estesa ad un punto è valida, a rigore, solo nel
caso in cui abbia dimensioni molto piccole rispetto alla lunghezza d’onda del
suono generato. Nelle applicazioni pratiche, però, si verifica molto spesso la
situazione in cui il campo acustico è di dimensioni molto più grandi rispetto a
quelle della sorgente: anche in questo caso è conveniente ricorrere alla
schematizzazione puntiforme.
Il caso di maggior interesse, poiché comporta la semplificazione più grande, è
quello in cui la sorgente emette la stessa quantità di energia in ogni direzione, è
cioè una sorgente omnidirezionale. Il campo acustico che ne deriva è sferico, con
origine nel punto e fronti d’onda di forma sferica con raggio pari alla distanza
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dalla sorgente. L’intensità acustica per una sorgente puntiforme omnidirezionale è
pari a:
2
4 Rπ
W
J
s
om
⋅
=
con:
W
s
= potenza acustica emessa dalla sorgente;
R = distanza dalla sorgente.
Fig. 1.2 Emissione di una sorgente sferica
− Sorgenti lineari
Quando in una sorgente sonora una delle dimensioni è di gran lunga maggiore
delle altre, si può ricorrere alla schematizzazione lineare, considerando solo la
dimensione predominante e trascurando le altre. Tale schematizzazione prevede la
disposizione di infinite sorgenti puntiformi in ogni punto della linea che definisce
la sorgente. La forma della linea rispecchia quindi l’andamento della sorgente
reale ed è in genere costituita da una curva continua. Nel caso in cui tale curva sia
una retta, il campo generato è cilindrico, con asse nella retta e superfici
cilindriche di raggio pari alla distanza da essa. L’intensità acustica è quindi
espressa da:
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lr
W
J
s
⋅⋅
=
π2
con:
W
s
= potenza acustica emessa dalla sorgente;
r = distanza dalla sorgente;
l =lunghezza della sorgente.
Le sorgenti lineari hanno importanti risvolti applicativi: in particolare strade,
autostrade, linee ferroviarie e linee aeree possono essere considerate sorgenti
lineari di rumore.
1.4 Spettri acustici
Un segnale acustico che varia nel tempo secondo una funzione sinusoidale prende
il nome di tono puro; un suono che sia invece il risultato della sovrapposizione di
più toni puri prende il nome di segnale complesso. Dato che la quasi totalità dei
suoni è di tipo complesso, risulta di fondamentale importanza la loro suddivisione
nelle diverse componenti. Si definisce pertanto spettro acustico la
rappresentazione cartesiana, in un piano frequenza-livello di pressione, dei livelli
delle singole componenti. Nel caso di un suono puro, lo spettro è costituito da una
sola linea in corrispondenza della frequenza del suono. Nel caso invece di un
suono complesso, lo spettro è formato da tante linee quanti sono i suoni puri che
lo compongono, ognuna in corrispondenza della frequenza associata.
Nel caso in cui il segnale sonoro non sia periodico, esso può essere scomposto in
una serie infinita di toni puri, dando luogo ad uno spettro acustico continuo. Per
conservare la struttura a linee dello spettro acustico, si procede ad una divisione
dell’intero campo di frequenze udibili in bande, solitamente di larghezza non
costante, stabilite convenzionalmente. Ogni singola banda di frequenza è
caratterizzata da una frequenza minima f
inf
, una frequenza massima f
sup
, che ne
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costituiscono rispettivamente i limiti inferiore e superiore, e da una frequenza
centrale f
c
che viene utilizzata per la denominazione della banda.
Le suddivisioni vengono considerate in bande di 1/n d’ottava, secondo il seguente
rapporto tra le frequenze limite della banda:
n
f
f
2
inf
sup
=
Le suddivisioni più utilizzate sono quelle per bande d’ottava e per bande di un
terzo d’ottava, per le quali risulta:
Bande d’ottava (n=1): 2
inf
sup
=
f
f
infinfsup
2 ffff
c
⋅=⋅=
Bande di un terzo d’ottava (n=3):
3
1
2
inf
sup
=
f
f
inf
6
infsup
2 ffff
c
⋅=⋅=
Affinché una banda sia univocamente collocata all’interno dello spettro acustico,
serve almeno uno dei valori limite che la definiscono; a tale scopo la IEC 225
stabilisce i valori di centro banda a 1000 HZ e quelli che si ricavano a partire da
tale valore con le relazioni sopra indicate, riportati in tabella 1.1.
Nel caso sia noto il solo spettro acustico di una generica sorgente, si può ricavare
il livello totale della sorgente stessa, secondo la relazione:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
⋅=
∑
=
n
i
L
tot
i
L
1
10/
10log10
dove:
n = numero di bande considerate;
L
i
= livello relativo alla banda i-esima.
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OTTAVA TERZI D'OTTAVA
Inferiore
[Hz]
Centrale
[Hz]
Superiore
[Hz]
Inferiore
[Hz]
Centrale
[Hz]
Superiore
[Hz]
14,1 16 17,8
11 16 22
17,8 20 22,4
22,4 25 28,2
28,2 31,5 35,5 22 31,5 44
35,5 40 44,7
44,7 50 56,2
56,2 63 70,8 44 63 88
70,8 80 89,1
89,1 100 112
112 125 141 88 125 177
141 160 178
178 200 224
224 250 282 177 250 355
282 315 355
355 400 447
447 500 562 355 500 710
562 630 708
708 800 891
891 1000 1122 710 1000 1420
1122 1250 1413
1413 1600 1778
1778 2000 2239 1420 2000 2840
2239 2500 2818
2818 3150 3548
3548 4000 4467 2840 4000 5680
4467 5000 5623
5623 6300 7079
7079 8000 8913 5680 8000 11360
8913 10000 11220
11220 12500 14130
14130 16000 17780 11360 16000 22720
17780 20000 22390
Tab. 1.1 Suddivisione dello spettro in bande d'ottava e 1/3 d'ottava secondo la IEC 225
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1.5 Fenomeni di propagazione
Per descrivere la propagazione del suono in un mezzo elastico, occorre tenere in
considerazione i seguenti fenomeni generali:
− riflessione;
− trasmissione;
− assorbimento;
− diffrazione;
− interferenza.
Riflessione, trasmissione, assorbimento.
Quando un’onda sonora incide su una superficie piana, l’energia acustica
incidente è in parte riflessa, in parte assorbita dissipandosi in calore e in parte
trasmessa oltre l’ostacolo. In condizioni stazionarie, vale quindi il bilancio
energetico espresso i termini di potenza acustica:
traassrifinc
WWWW ++=
con:
W
inc
= potenza incidente;
W
rif
= potenza riflessa;
W
ass
= potenza assorbita;
W
tra
= potenza trasmessa.
Lo stesso bilancio energetico può essere descritto introducendo i coefficienti:
inc
ass
W
W
a = coefficiente di assorbimento
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inc
rif
W
W
r = coefficiente di riflessione
inc
tra
W
W
t = coefficiente di trasmissione
che definiscono la porzione di energia incidente che viene rispettivamente
assorbita, riflessa e trasmessa.
Dividendo entrambi i membri della relazione precedente per W
inc
, si ottiene:
1=++ tra
Diffrazione
I fenomeni di diffrazione si manifestano tutte le volte che un’onda acustica
incontra un ostacolo, o un’apertura su una superficie, le cui dimensioni siano
paragonabili con la lunghezza d’onda della radiazione incidente. In tal caso i bordi
dell’ostacolo, o la stessa apertura sulla superficie, si comportano come delle
nuove sorgenti sonore, dalle quali hanno origine fronti d’onda della stessa
frequenza ma di intensità ridotta
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