Le onde sonore sono onde meccaniche longitudinali, cioè le particelle che trasmettono le onde vibrano nella direzione di propagazione dell’onda. Le onde meccaniche sono onde che si propagano nei mezzi deformabili o elastici.

Esse hanno origine dallo spostamento di una porzione di un mezzo elastico dalla sua posizione normale, con successiva oscillazione attorno ad una posizione di equilibrio.

Per le proprietà elastiche del mezzo, la perturbazione si trasmette da uno strato al successivo. Il mezzo non si muove, nel suo insieme, seguendo il movimento dell’onda: le varie parti si limitano ad oscillare entro limiti ristretti.

Le proprietà del mezzo che determinano la velocità di un’onda che lo attraversa sono la sua inerzia e la sua elasticità:

• l’elasticità: genera in ogni parte del mezzo, spostato dalla posizione di equilibrio, le forze di richiamo;

• l’inerzia: ci dice come la parte del mezzo spostato risponderà alle forze di richiamo.

L’onda più semplice che esiste in natura è rappresentata da una sinusoide su di un diagramma che riporta in ascisse lo spostamento o il tempo ed in ordinate l’ampiezza.

Caratteristiche dell’onda sono la Frequenza (f), la Lunghezza d’onda, la Velocità di propagazione (c) e l'Ampiezza dell’onda (A):

• frequenza [Hz]: numero di oscillazioni che si verificano in un secondo, è data dall'inverso del periodo (T), cioè il tempo necessario a compiere un’oscillazione completa;

 • lunghezza d’onda [m]: distanza tra due creste d’onda

• velocità di propagazione [m/s]: spazio percorso dall'onda nell'unità di tempo. Il suo valore per la propagazione del suono nell'aria in condizioni di temperatura, pressione ed umidità standard, è di 344 m/s;

• ampiezza: massimo spostamento, rispetto alla condizione di equilibrio, delle molecole che costituiscono il mezzo di propagazione. Al crescere dell’ampiezza aumenta, quindi, l’intensità con cui il suono viene percepito.

Le onde sonore, generalmente, sono generate da corde vibranti (es. violino, corde vocali umane), da colonne d’aria vibranti (es. organo, elementi di scarico fumi) e da membrane vibranti (es. Tamburi, altoparlanti). Tutti questi elementi vibranti comprimono o rarefanno l’aria circostante che trasmette queste perturbazioni sotto forma di onde che si allontanano dalla sorgente e vanno a colpire il timpano dell’orecchio umano generando la sensazione sonora. Questa sensazione è descrivibile per l’uomo come:

• suoni: segnali composti da un certo numero di frequenze fisse e ben definite, cioè da una somma di onde aventi particolari caratteristiche di periodicità;

• rumori: fenomeni completamente casuali costituiti da un numero infinito di componenti, ciascuna con ampiezza e frequenza aleatorie.

I parametri fisici che rappresentano un suono o un rumore sono la Pressione sonora (p), la Potenza acustica del campo sonoro (W) e l’Intensità del campo sonoro (I):

• pressione sonora [Pa]: valore della variazione di pressione atmosferica causato dalla perturbazione acustica, cioè è la differenza tra la pressione rilevata in un punto in presenza dell’evento sonoro e la pressione nello stesso punto in assenza di suono. Il suo valore di riferimento è pari a 20*10-6 Pa.

• potenza sonora del campo sonoro [W]: l’energia emessa dalla sorgente sonora nell'unità di tempo;

• intensità del campo sonoro [W/m2]: flusso medio di energia che, nell’unità di tempo, attraversa una superficie di area unitaria disposta perpendicolarmente alla direzione di propagazione.

Qualsiasi suono risulta determinato una volta che siano noti intensità e frequenza delle sue componenti elementari. Il decibel permette di quantificare l'intensità del suono, tenendo conto della sensazione sonora, grazie alla misurazione delle pressioni sonore, legate alla intensità, dalla formula fisica:

i = p2 / (pvh*c)

dove pvh: densità del mezzo; c: velocità del suono nel mezzo. 

Il livello di pressione sonora, in decibel, è ricavato dalla formula, ideata da Fletcher:

L= 10*log(I/I0)= 20*log(p/p0)

dove p0: valore di riferimento della pressione sonora (pari a 2*10-5 N/m2).

Per verificare il rapporto tra la sensazione sonora e il decibel è opportuno introdurre la linea di sensazione nulla e l'audiogramma normale di Fletcher-Musson:

• linea di sensazione nulla: curva sperimentale nel piano, avente in ordinate il livello sonoro e in ascisse le frequenze. Indica, al variare delle frequenze, il variare della soglia dell'udito;

•audiogramma di Fletcher-Musson: quadrante avente in ordinate il livello sonoro ed in ascisse le frequenze e che contiene una serie di curve sperimentali che legano, a parità di sensazioni sonore, il variare dell'energia sonora emessa al variare delle frequenze. Tali curve sono dette curve isofone e permettono di comprendere meglio il legame tra la misura in decibel dei suoni puri e la loro corrispettiva sensazione sonora.

Si è finora trattato esclusivamente di suoni puri, cioè composti da una sola vibrazione ad una qualsiasi frequenza. Nella realtà, però, si è circondati da suoni complessi, composti da più vibrazioni contemporanee a frequenze diverse. In questo caso la relazione tra l'energia del suono e la sua sensazione sonora è più complessa.

Per decurtare lo spettro dell'energia in modo da ottenere misure significative per la sensazione sonora, si impiegano quattro scale di ponderazione: A, B, C, D.

• Le scale A, B, C: ottenute dalle curve isofone di Fletcher-Musson di 40, 60, e 80 phon (unità di misura dipendente dal decibel). Per questo motivo ponderano le diverse frequenze "tagliando" dallo spettro l'energia dei suoni che non verrebbero sentiti dal nostro orecchio. In tale modo le misure rispecchiano meglio la sensazione umana;

• la scala D: ricavata in seguito a studi sul comportamento dell'orecchio umano sottoposto a rumori elevati.

La scala A veniva applicata ai suoni di bassa intensità (circa 50 dB), le scale B e C ai suoni di media ed alta densità. È stato però dimostrato che tale scelta era priva di fondamento, e le normative IEC 651 ed IEC 804 indicano nella scala A quella che meglio si adatta alla misura della sensazione sonora in condizioni ambientali normali, mentre la scala D è la più indicata per i rumori da traffico aeronautico. Le scale B e C sono cadute in disuso.

Il fonometro è uno strumento che misura il livello di pressione sonora in decibel.

Dal punto di vista funzionale si può considerare il fonometro tradizionale come una scatola in cui entra, via microfono, una data pressione sonora ed esce la misura del livello sonoro. I fonometri tradizionali sono dotati di due circuiti di ponderazione: uno di frequenza ed uno dinamico, che controlla il tempo di risposta dello strumento (SLOW: 1 secondo; FAST: 125 millisecondi; IMPULSE: 35 millisecondi).

Il fonometro misura sempre il livello di pressione sonora globale ponderato dalle scale A, B, C, D.

Con la dizione rumore si intende la vibrazione acustica nel senso più generale, prescindendo dal tipo e dalla gradevolezza di tale vibrazione. I rumori continui possono essere rumori ad intensità costante, rumori ad impulsi e rumori ad intensità variabile.

• vibrazioni di intensità costante: rumori la cui variabilità rientra nei limiti (variazioni di intensità maggiori di un paio di decibel);

• impulsivo: umore la cui variazione di intensità avvenga in tempi rapidissimi, ma non inferiori al tempo di risposta del cervello (35 millisecondi) e la cui ripetizione avvenga con cadenza inferiore ai 10 eventi per secondo. La sensazione uditiva propria di questi rumori è maggiore, a parità di intensità media, rispetto ai rumori costanti.

• variabile: rumore per il quale la variazione di livello sonoro, avente scarto superiore a un paio di decibel, avvenga in tempi superiori al tempo di risposta medio dell'orecchio (circa un decimo di secondo).

È necessario chiarire il concetto di disturbo, che ha una notevole influenza sulla sensazione sonora. Il disturbo acustico si identifica con l'immissione sonora, cioè con l'aggiunta di vibrazioni sonore a quelle preesistenti nell'ambiente (di fondo).

Il disturbo acustico ha la spiegazione fisica nell'effetto coprente di alcuni suoni su altri: i suoni a bassa frequenza coprono i suoni a frequenze superiori, non altrettanto un suono ad alta frequenza copre i suoni a frequenza inferiore.

Il disturbo, tuttavia, non si ha soltanto quando il suono disturbante annulla il suono esistente, ma anche quando i due suoni si odono contemporaneamente.

I suoni di bassa frequenza immessi in un ambiente sono di gran lunga i più disturbanti dell'intero spettro.

Il DPCM del 1/3/91 definisce, in allegato A il rumore residuo e quello ambientale.

• livello del rumore residuo: livello continuo equivalente di pressione sonora ponderato "A" che si rileva quando si escludono le specifiche sorgenti disturbanti;

• livello di rumore ambientale: prodotto da tutte le sorgenti di rumore esistenti in un dato luogo e durante un determinato periodo di tempo. E' costituito dall'insieme del rumore residuo e da quello prodotto dalle "specifiche sorgenti disturbanti";

• rumore di fondo: non è definito dalla Legge e di norma viene utilizzato per indicare il rumore residuo.

Dopo aver calcolato il rumore prodotto dalla sorgente (puntiforme), occorre calcolare come questo si propaghi nello spazio circostante.

Il suono che si propaga all'aperto decresce generalmente di intensità con l'aumentare della distanza tra sorgente e ricettore. Questa attenuazione (misurata in dB) è il risultato di numerosi meccanismi:

• attenuazione causata dalla divergenza geometrica;

• attenuazione per l'interposizione di un ostacolo fra la sorgente ed il ricettore;

• attenuazione dovuta all'assorbimento di energia acustica da parte dell'aria;

• attenuazione causata dalla propagazione sul terreno.

Il problema consiste nel calcolare il livello sonoro (L) di una sorgente ad una distanza r dalla sorgente stessa, sulla base di dati raccolti nei pressi della sorgente. 

Il livello di pressione sonora in un punto lontano dalla sorgente, si ricava considerando il livello di pressione sonora noto in qualche punto vicino alla sorgente e sottraendo da questo livello il totale di tutte le attenuazioni prese una per una. 

Qualche volta, la quantità nota è il livello di potenza sonora. In tal caso, viene prima trasformato in livello di pressione sonora a una distanza unitaria di riferimento dalla sorgente, poi viene sostituito per ricavare il livello di pressione sonora.

Attenuazione per divergenza-sorgente puntiforme non direzionale: è quella che, in assenza di superfici riflettenti, irraggia onde sonore in modo uniforme in tutte le direzioni. Una sorgente sonora di dimensioni piccole rispetto alla lunghezza d'onda del suono che emette, si comporta come sorgente puntiforme.

Il valore dell'attenuazione si può ottenere nel modo seguente:

L = Lrif - 20 Log (r/r rif) [dB]

Il livello sonoro Lrif espresso in dB è conosciuto ad una distanza di riferimento r con suffisso rif. Il secondo termine al secondo membro in questa equazione rappresenta l'attenuazione dovuta alla divergenza:

Adiv = 20 Log (r/r rif) [dB]

L'espressione che dà il livello di pressione sonora a una qualsiasi distanza, come risultato di una sorgente sonora di livello di potenza sonora LW, espressa in termini di livello di potenza sonora ponderato A, LWA risulta: 

LA = LWA -20 Log r - 10.9 [dB(A)]

Attenuazione per divergenza-sorgente puntiforme direzionale: sorgente che irraggia onde sonore in tutte le direzioni, ma non in egual misura.

Attenuazione per presenza di piano riflettente: un piano riflettente riduce notevolmente la divergenza del suono rispetto alla sorgente. La presenza o l'assenza di un piano riflettente non influenzano il comportamento della sorgente sonora nella produzione di suono.

Per essere un buon riflettore di suono la superficie del piano riflettente deve:

• essere liscia e piatta in modo da minimizzare la riflessione non direzionale del suono;

• essere compatta e non porosa.

Attenuazione dovuta alle barriere: una barriera è un corpo solido che impedisce la vista in linea retta sorgente-ricevente. Una barriera attenua più le componenti di alta frequenza della sorgente di rumore che quelle di bassa frequenza, con il risultato di modificare lo spettro del rumore risultante.

Vi sono molte curve di progetto e regole empiriche che predicono l'attenuazione con una barriera: i valori di attenuazione previsti non variano di quantità superiori di 5 dB l'una dall'altra. A livello di prima stima si può affermare che praticamente tutte le barriere solide, se di geometria opportuna, possono generare una attenuazione di circa 5 dB. Con una buona progettazione si possono raggiungere i 10 dB.

L'attenuazione dovuta ad una barriera viene diminuita con l'incurvamento verso il basso del percorso sonoro causato dai venti discendenti o dalle inversioni di temperatura comuni durante la notte. In genere, queste riduzioni sono trascurabili quando il ricevitore è relativamente prossimo alla barriera (distanza inferiore a 100 m) o quando il percorso delle onde sia deviato di un angolo maggiore di 10 gradi.

Attenuazione dovuta alla vegetazione: gli alberi e la vegetazione bassa (siepi, arbusti, sottobosco) sono barriere molto poco efficaci e danno una piccola attenuazione per effetto di schermo: a frequenze sotto i 1000 Hz il loro contributo principale non è per effetto barriera bensì per attenuazione in eccesso. Valori tipici per l'attenuazione per effetto suolo sono di 5dB fra 500 e 1000Hz a una distanza di 5m e 10 dB per distanza maggiori di 10m.

Benché la vegetazione possa procurare un buon schermo visuale, tuttavia esso causa un effetto schermante soltanto ad alte frequenze (sopra i 2000 Hz) e per grandi distanze. 

Per avere apprezzabili effetti d'attenuazione per barriera, si deve dare il caso di vegetazione molto densa e con foglie larghe (campo di granturco) e a grandi distanze. 

Attenuazione per assorbimento atmosferico: quando il suono si propaga nell'atmosfera, la sua energia viene convertita in calore (assorbimento atmosferico). L'attenuazione del suono dovuta all'assorbimento atmosferico durante la propagazione è data da:

Aatm = a * d/100 [dB]

dove a: coefficiente di attenuazione atmosferica per 100 m.

Il coefficiente d'attenuazione dipende principalmente dalla frequenza e dall'umidità relativa e in modo più moderato dalla temperatura e dalla pressione ambiente.

L'assorbimento del suono nell'aria può essere trascurato a brevi distanze dalla sorgente (distanze inferiori ad alcune centinaia di metri), con l'eccezione delle altissime frequenze (sopra i 5000 Hz). A grandi distanze, per cui l'attenuazione atmosferica è significativa per tutte le frequenze, il livello sonoro dovrebbe essere calcolato in funzione della frequenza per date condizioni di temperatura e di umidità relativa. 

La propagazione a grande distanza dal suolo causa fluttuazioni nel livello sonoro istantaneo derivante da una sorgente stazionaria con costanti di tempo che vanno dal decimo di secondo alle ore. L'ampiezza di tali fluttuazioni aumenta con l'aumentare della distanza dalla sorgente (raggiungendo 10 dB per distanze di centinaia o migliaia di metri).

Attenuazione dovuta all'effetto suolo: le condizioni atmosferiche (soprattutto vento e temperatura) costituiscono un importante fattore d'influenza sulla propagazione del suono vicino al terreno per distanze orizzontali maggiori di 50 m su aree aperte pianeggianti. L'effetto principale è la rifrazione, un cambiamento nella direzione delle onde sonore.

Il suono tende a propagarsi verso il basso, quando la propagazione è sottovento o durante le inversioni di temperatura. Tali condizioni di rifrazione verso il basso sono favorevoli alla propagazione, in quanto producono un minimo d'attenuazione in eccesso. Nel caso di propagazione su superfici altamente riflettenti, come per esempio l'acqua, questo valore minimo si avvicina a zero.

Il suono ha rifrazione verso l'alto quando la propagazione è sopravvento o durante le condizioni di gradiente termico atmosferico. La rifrazione verso l'alto produce una zona d'ombra vicino al terreno per cui si ha un'attenuazione in eccesso che raggiunge, come valore tipico, i 20 dB. 

Propagazione al di sopra dell'erba: l'attenuazione vicino al terreno causata dalle proprietà assorbenti e riflettenti del terreno stesso è definita effetto suolo. 

L'andamento dell'attenuazione per propagazione su una distesa d'erba pianeggiante dipende dalle frequenze e dall'altezza media della sorgente e del ricevitore sopra il suolo:

[(hS + hR)/2]

dove S ed R: pedici di h. 

Valutazione del rumore. In base al D.P.C.M. 1.3.1991 che fissa i limiti massimi di esposizione al rumore negli ambienti abitativi e nell'ambiente esterno, per la valutazione del danno o del disturbo da rumore viene utilizzato il livello di pressione sonora acustica.

Il Livello Equivalente Leq rappresenta un indice energetico, ovvero esprime il valore medio dell’energia sonora percepita da un individuo durante un periodo di tempo.

Per la caratterizzazione del rumore ambientale si ricorre a parametri descrittori che consentono anche l’analisi statistica del fenomeno. Tali parametri (indici statistici cumulativi-Li) esprimono il livello di rumore superato nella percentuale i del tempo di osservazione e permettono di caratterizzare valori convenzionali quali rumorosità di picco, rumore di fondo e rumore medio.

• L1: livello di rumore superato l’1% del tempo di osservazione. Indicatore della rumorosità di picco;

• L10: livello di rumore superato il 10 % del tempo di osservazione. Indicatore della rumorosità di picco;

• L50: livello di rumore superato il 50 % del tempo di osservazione. Rappresenta la rumorosità media;

• L90: livello di rumore superato il 50 % del tempo di osservazione. Rappresentativo del rumore di fondo.

Prof. Dott. Ing. Ezio Rendina

Consulting & Management

Direttore

“Tecnico competente in acustica ambientale” 

ai sensi della Legge 447/95 art. 2, comma 6