Nota appl. # 10, L`analisi 4-DENA (239Kb *)

NOTA APPLICATIVA N° 10 SPECTRA s.r.l.
4-DENA
4 DIMENSIONS ENVIRONMENTAL NOISE ANALYSIS
a cura di: Bruno ABRAMI e Alberto ARMANI
Nelle misure di monitoraggio del rumore, ci troviamo spesso a dover verificare la natura delle sorgenti che hanno
contribuito alla formazione di un determinato valore di LAeq,T. Quando l’oggetto della indagine è costituito da
sorgenti ad alta energia come treni, aerei, traffico autoveicolare urbano, e simili, l’approccio costituito dalla analisi
dei profili storici degli eventi si dimostra sufficiente alla bisogna (vedi nota applicativa N°5). Tale approccio, ancorché
semplice, trova il suo limite nella incapacità di identificare i caratteri sonori delle molteplici sorgenti a basso livello di
energia che caratterizzano un particolare clima sonoro. 4-DENA rappresenta un approccio innovativo al monitoraggio
del rumore in ambiente di vita in grado di caratterizzare e quindi identificare sia le sorgenti ad alta energia sia quelle a
bassa energia. 4-DENA è stato sviluppato dalla SPECTRA sulla base delle esperienze e degli studi condotti sulla
semeiotica del rumore. L’identificazione delle sorgenti si basa sull’analisi statistica della sonorità in bande di 1/3 di
ottava su intervalli temporali la cui estensione è selezionabile dall’ utente. In uno stesso clima sonoro è possibile, ad
esempio, identificare sorvoli, transiti di sirene, transiti di moto, la presenza di sorgenti fisse industriali o civili, il
contributo del TAU, sorgenti sonore animali, la presenza di fattori climatici che possono alterare il risultato delle
misure. Il tutto utilizzando un valore irrisorio di dati da memorizzare.
PREMESSA
Per la valutazione e lo studio dell’inquinamento ambientale sono state sin ora impiegate tecniche di misura basate
principalmente sull’acquisizione della variazione dei livelli di pressione sonora, integrati su intervalli di tempo
sufficienti per rappresentare la specificità del rumore presente nell’area considerata.Queste misure sono presentate in
forma di livello equivalente ovvero impiegando un descrittore che corrisponde all’equivalente energetico delle
variazioni istantanee del livello sonoro, integrato sull’intervallo di tempo in cui si desidera condurre la valutazione
oppure su frazioni più o meno ridotte di tale intervallo. La singola misura di LAeq ottenuta integrando con continuità le
variazioni istantanee di livello sonoro presenti in un intervallo di tempo, quantifica il fenomeno sonoro solo in relazione
al suo contenuto energetico, impedendone ogni altra valutazione relativa alla variabilità temporale dei livelli sonori.
Due intervalli di LAeq possono risultare identici, ma mentre al primo corrisponde un livello di rumore presente con
continuità per l’intero intervallo, al secondo può corrispondere un rumore fortemente variabile, certamente associabile a
percezioni soggettive nettamente differenziate.
Figura 1 : Livello di rumore costante e livello di rumore fortemente variabile con LAeq misurati su un intervallo di 30
minuti pari a 90 dB(A) in entrambi i casi.
L’ANALISI STATISTICA SU INTERVALLI TEMPORALI COSTANTI
Per tale ragione le misure del rumore ambientale sono spesso integrate con analisi statistiche eseguite negli stessi
intervalli di misura degli LAeq. Utilizzando i livelli percentili più significativi come per esempio gli L01, L05, L10,
L50, L90, L95 rilevati per ognuno degli intervalli della serie storica degli LAeq, possono essere generati dei grafici in
grado di evidenziare le specificità del rumore ambientale di una determinata zona, non solo nei termini energetici di
LAeq ma anche come variabilità tra i valori dei livelli massimi e minimi assoluti oppure come variazione del rumore di
fondo sia durante il periodo diurno sia in quello notturno.In figura 2 viene riportato un esempio tipico corrispondente al
rilievo del rumore ambientale condotto in ambito urbano e relativo ad una serie storica di misure corrispondenti ad
intervalli di 60 minuti per il periodo di una intera settimana.
Figura 2 : Serie storica per intervalli orari di LAeq, Ln01, Ln90, Lmin e Lmax su periodo settimanale.
Sebbene l’indagine eseguita con il criterio descritto fornisca una buona caratterizzazione acustica generale
dell’inquinamento sonoro della zona in esame, nulla è però possibile sapere in relazione alla distribuzione dell’energia
sonora sulle diverse bande in frequenza. Rilevando solamente le variazioni dei livelli globali del rumore urbano non è
possibile per esempio quantificare l’energia rilasciata a bassa frequenza dal traffico dei mezzi pesanti, rispetto al resto
del rumore ambientale presente su bande di frequenza maggiore, né tantomemo identificare eventuali presenze di
componenti tonali o eventi sonori di particolare importanza.Per acquisire tali informazioni si deve necessariamente
ricorrere a strumentazione provvista di analisi in frequenza in tempo reale a bande di 1/3 d’ottava.Ma anche in queste
condizioni si ripresenta il problema della valutazione su tempi lunghi di un fenomeno tipicamente variabile, che se
risolto mediante il criterio dell’integrazione continua per bande, (spettro Leq), riproporrebbe il problema della perdita
delle informazioni relative alle variazioni temporali specifiche di ogni banda in frequenza.
L’ANALISI STATISTICA SU BANDE DI FREQUENZA
Condurre una analisi statistica per ogni banda in frequenza di 1/3 d’ottava significa generare per ogni intervallo di
tempo, una matrice composta da 250 suddivisioni di livello in dB con risoluzione almeno del ½ dB, per 100 livelli
percentili, per 30 bande di 1/3 d’ottava, oltre ai valori di Leq, deviazione standard, Fast min. e max., Slow min. e max.,
Impulse min. e max., pesati (A) ed Leq non pesato.Una matrice di quasi 1.000.000 di valori come viene mostrato in
figura 3, dove sono anche mostrate le due modalità principali utilizzate per la presentazione grafica dei dati, ovvero i
livelli dei percentili verso frequenza e la curva della distribuzione cumulativa per ogni banda di 1/3 d’ottava,
corrispondenti rispettivamente ad una sezione della matrice lungo l’asse X oppure lungo l’asse Z.I nuovi fonometri
Real-Time capaci di operare con tali funzioni, sono oggi di comune impiego e si può quindi pensare di utilizzare
proficuamente l’analisi in bande di frequenza, con la corrispondente analisi statistica per bande, per ottenere una
valutazione del rumore ambientale più completa affidabile e dettagliata.
Figura 3 Matrice Livello-Frequenza-Statistica
Dimensione Matrice : 100 x 250 x 40
100 (percentili)
250 (livelli in 0.5 dB)
40 (Bande 1/3 d’ottava 20-20kHz + SLM)
Spettri dei livelli percentili
Distribuzione cumulativa per il 1/3 d’ottava dei 63 Hz.
Nel grafico di figura 4 sono riportati per ogni banda di 1/3 d’ottava, i livelli dei percentili Ln01, Ln10, Ln95 oltre
all’Leq, corrispondenti all’analisi di un singolo periodo della durata di 10 minuti di rumore ambientale rilevato in zona
residenziale alle ore 03.10 di una notte del mese di settembre. Osservando i livelli dei percentili delle singole bande si
nota la presenza di una componente tonale sulla banda dei 50 Hz presente con lievi variazioni di livello, per l’intero
intervallo di misura così come evidenziato dai percentili Ln95 ed Ln10. Nelle bande comprese tra i 400 Hz ed i 1250 Hz
viene invece dimostrata la presenza di ampie ed improvvise variazioni di livello, indicata da una differenza superiore ai
25 dB tra i percentili Ln01 ed Ln10 e dal fatto che anche il Leq risulta di oltre 10 dB superiore ai livelli
dell’Ln10.Insolitamente per un rilievo di rumore ambientale esterno, si osservano anche livelli di rumore presenti con
deboli fluttuazioni intorno ai 35¸40 dB, sulle bande dei 12.5 kHz e dei 16 kHz.
Figura 4 : Livelli dei percentili Ln01, Ln10, Ln95 e Leq per bande di 1/3 d’ottava.
Globalmente quindi le informazioni di analisi in frequenza e di analisi statistica per bande, aggiungono quella capacità
diagnostica assente nei tradizionali rilievi di rumore ambientale. In riferimento all’analisi descritta, affermare che la
componente tonale a 50 Hz sia attribuibile ad un auto in sosta con il motore in funzione e che le veloci variazioni di
livello sulle bande comprese tra i 400 Hz ed i 1250 Hz siano relative all’abbaiare di un cane, così come responsabile dei
16 kHz è il trillo di un particolare tipo di grilli, può sembrare una eccessiva sicurezza interpretativa dell’operatore, certo
è che l’analisi combinata delle informazioni ottenibili con questo tipo di misura fornisce il miglior compromesso oggi
realizzabile per una possibile identificazione delle varie sorgenti di rumore caratteristiche di un paesaggio sonoro
complesso. Un altro aspetto non trascurabile, consiste nella possibilità di condurre con questo criterio una indagine
utilizzando un unico strumento, senza alcun aiuto fornito da un calcolatore aggiuntivo ed utilizzando meno di 100 kByte
di memoria dati per ogni giorno di rilievo (Larson & Davis LD-2800/2900).
LA MISURA 4-DENA
L’impiego di un criterio di misura che prevede la contemporanea analisi in frequenza con analisi statistica per bande ed
il tutto in una sequenza di intervalli temporali è stato denominato: 4-DENA (4 Dimensions Environmental Noise
Analysis) Il termine analisi in 4 dimensioni è giustificato dal numero delle variabili trattate, che consistono nei livelli di
rumore per bande di 1/3 d’ottava, completi di analisi statistica e rinnovati per ogni intervallo temporale.La soluzione
strumentale è realizzata con modalità simili a quelle utilizzate per i rilievi di livello sonoro globale, impiegando un
analisi statistica condotta contemporaneamente su tutte le bande a 1/3 d’ottava e rinnovata per ogni intervallo di tempo
della serie storica; utilizzando quindi solamente un fonometro di ultima generazione.Eseguendo una serie di analisi in
frequenza con contemporanea analisi statistica in banda e ripetendo questa misura per intervalli continui della durata di
5 o 10 minuti, è possibile rappresentare poi l’insieme dei risultati con una grafica simile a quella riportata in figura 5,
dove organizzati con una scala in ascisse espressa in ore, possiamo descrivere oltre alla serie storica degli LAeq, anche i
livelli dei percentili corrispondenti sia ai valori globali pesati (A) o lineari, sia a quelli rilevati per ogni banda in
frequenza di 1/3 d’ottava. Nel grafico di figura 5 sono riportati gli LAeq ed i livelli dei percentili Ln01(Fast) e
Ln95(Fast) per intervalli di 10 minuti a partire dalle ore 23.00 del 06/09/95 fino alle 09.00 del 07/09/95.
Figura 5: LAeq, Ln01, Ln95 nel tempo.
Diversamente da una tradizionale misura fonometrica che avrebbe indicato il solo livello equivalente globale, pari a
54.1 dB(A), la misura mostra degli LAeq rilevati su 10 minuti che per alcuni intervalli superano i 60 dB, mentre per
altri sono inferiori ai 40 dB. Comprendere quali siano le origini di tali rilevanti variazioni sulla successione degli LAeq
da 10 minuti o individuare le diverse sorgenti sonore in contemporanea azione, utilizzando i tradizionali rilievi
fonometrici è sicuramente una impresa molto difficile.Se invece durante i singoli intervalli di misura vengono acquisite
anche le corrispondenti analisi in frequenza comprensive di statistica per bande di 1/3 d’ottava, sarà possibile produrre
una serie di informazioni aggiuntive, tali da poter generare le funzioni diagnostiche desiderate.A questo proposito
occorre considerare anche la grande importanza che assumono le modalità grafiche con cui vengono rappresentate le
misure 4-DENA. Per tale scopo è stato realizzato un modulo specifico in opzione al noto pacchetto software “NOISE
WORK” a cui è demandato il compito di impacchettare in un unico file dati la sequenza delle matrici temporali
trasferite dalla memoria del fonometro al disco rigido del PC via interfaccia RS-232.NOISE WORK provvede oltre che
alla gestione dei file dati anche alla loro elaborazione e presentazione con modalità grafiche studiate ed adattate per
queste nuove esigenze. Senza il prezioso aiuto grafico fornito da “NW” la misura 4-DENA risulterebbe totalmente
incomprensibile.
Figura 6 : 4-DENA, sequenza ad intervalli regolari delle matrici Livello-Frequenza-Statistica
In figura 6 viene rappresentato graficamente il processo di acquisizione che deve essere condotto automaticamente dal
fonometro per generare una misura 4-DENA. In pratica lo strumento deve processare il risultato di una analisi in
frequenza real-time in 1/3 d’ottava, (tipicamente condotta con costante di tempo ‘Fast’) per generare nell’intervallo di
tempo prestabilito la matrice Livello-Frequenza-Statistica. L’esperienza consiglia la scelta di intervalli di misura
compresi tra 5 e 15 minuti quando l’indagine è indirizzata al monitoraggio del rumore su periodi di qualche giornata
fino ad una o due settimane. Per 14 giorni ad intervalli di 10 minuti occorre una capacità di memoria di circa 1.3
Mbyte.L’ottimizzazione delle misure4-DENA viene realizzata archiviando nella memoria del fonometro tutti i dati in
modo binario e compresso e riducendo a 6 LN la scelta dei percentili da memorizzare ad esempio: Leq, Lmax, LN01,
LN05, LN10, LN50, LN90, LN95, Lmin e deviazione standard per ogni banda in frequenza.
Figura 7: Scelta personalizzata di 6 percentili significativi in frequenza per ridurre la quantità di dati da memorizzare.
UN ESEMPIO DI MISURA 4-DENA.
Nel grafico di figura 8 osserviamo una rappresentazione dei livelli del percentile Ln95 rilevato su ogni banda di
frequenza durante i medesimi intervalli di tempo di 10 minuti in cui è stato misurato l’LAeq ed i livelli dei percentili
Ln1 ed Ln95 riportati in figura 4.La scala delle frequenze per bande di 1/3 d’ottava è ora riportata sull’asse Y delle
ordinate, mentre quella del tempo sull’asse delle X delle ascisse. Per indicare le variazioni dei livelli di ampiezza in dB
per ogni banda in frequenza, viene utilizzata la scala dei grigi ( oppure dei colori).Il criterio impiegato è analogo a
quello sfruttato per gli spetrogrammi in frequenza, con la differenza che i livelli rappresentati per ciascuna banda in
frequenza per i diversi intervalli di misura, fanno riferimento al percentile selezionato dall’operatore.Per analogia con
gli spettrogrammi, tale nuova modalità di presentazione grafica verrà denominata percentilogramma.
Figura 8: Percentilogramma Ln95 in 1/3 d’ottava.
Il percentilogramma che raffigura l’andamento nel tempo dei livelli del percentile Ln95 per bande di 1/3 d’ottava,
mostra per esempio un rilevante aumento del livello del rumore di fondo sulle frequenze comprese tra i 600 Hz ed i 6
kHz, tra le ore 12 e le ore 23, prodotto dal continuo scrosciare della pioggia a varia intensità. E’ anche facilmente
individuabile la frequenza dei 16 kHz interessata nel periodo notturno del trillo tonale e continuo dei grilli. Sulla banda
dei 25 Hz è rilevabile il livello di rumore dell’impianto di aspirazione di una fonderia che inizia l’attività alle ore 04.00
del mattino e termina alle 19.00 di sera.
Con identico criterio è possibile visualizzare qualunque altro percentile per banda di frequenza, così come gli Leq, i
livelli minimi, massimi e medi, la deviazione standard per valori globali o per bande.
Figura 9: Percentilogramma Ln01 in 1/3 d’ottava.
In figura 9 osserviamo ancora un altro esempio di percentilogramma Ln01 dove risulta molto evidente la grande
diversità delle informazioni visualizzate rispetto al percentilogramma Ln95.Sono ora ben discriminati i sorvoli aerei che
hanno interessato l’area in esame durante l’intero periodo di misura.Poiché la durata di ogni singolo sorvolo è
solitamente contenuta in pochi secondi, visualizzando i livelli del percentile Ln01 di un intervallo di 10 minuti (600
secondi), verranno rappresentati solamente quei livelli per bande di frequenza che sono stati superati per almeno 6
secondi (1% di 10 minuti) e quindi solo i livelli associati a fenomeni sonori brevi ed intensi.
Figura 10
Livelli dei percentili LN01, LN50, LN95 ed Leq verso frequenza.
Il grafico di figura 10 descrive lo spettro dei livelli del percentile Ln01 corrispondente ad uno degli intervalli di misura
interessati dal sorvolo aereo. Si osserva la particolare distribuzione dei livelli sulle bande a bassa frequenza tipiche di
questo genere di fenomeni. Un sorvolo aereo in una zona caratterizzata da un rumore di fondo contenuto, come indicato
dal profilo dell’Ln95, produce anche se si tratta di un evento di breve durata, un rilevante incremento del valore dello
spettro dell’Leq dello specifico intervallo di misura.
Così come è possibile tracciare nel tempo, l’andamento degli LAeq o dei vari percentili per ogni intervallo di misura,
sono ora ottenibili identici tracciati grafici per ogni singola banda di 1/3 d’ottava.Nel grafico di figura 11 sono riportati i
profili nel tempo del solito LAeq globale e sovrapposta, la traccia dell’Ln01 per la frequenza dei 100 Hz dove possono
essere meglio evidenziati i picchi di rumore attribuibili ai vari sorvoli aerei.
Figura 11: Profili nel tempo dell’LAeq e dell’ Ln01 sulla banda del 1/3 d’ottava di 100 Hz.
La distribuzione dei livelli in frequenza consente anche un immediato riconoscimento tra sorvoli di velivoli ad elica di
piccole dimensioni o di aerei a getto.
Il motivo dell’indagine riportata a titolo di esempio in questa nota applicativa consisteva nel disturbo recato soprattutto
durante il periodo notturno e mattutino dal rumore prodotto da una azienda per il recupero di metalli non ferrosi sita a
circa 1.5 Km dalla postazione di misura.Al rumore giudicato dai disturbati di carattere continuo, tonale ed a frequenze
molto basse veniva attribuita una caratteristica tale da alterare le normali funzioni di sonno.Come però è possibile
osservare dai vari grafici sin ora riportati con modalità e dettagli molto accurati, non è rilevabile alcuna informazione
utile per indicare una specifica fonte di possibile disturbo acustico, al di fuori delle normali sorgenti descritte, quali
pioggia, grilli, aerei, traffico veicolare locale e cani che abbaiano.
Se però osserviamo con più attenzione ciò che succede sulla banda del 1/3 d’ottava dei 25 Hz troveremo con sorpresa la
traccia temporale evidenziata che sta all’origine della protesta.Il funzionamento dei forni e soprattutto dei sistemi di
ventilazione generano una componente tonale nella banda dei 25 Hz con livelli che raggiungono i 55 dB e con inizio del
disturbo a partire dalle ore 4.20 di notte.Il grafico di figura 12 può dimostrare con evidenza la presenza della
componente responsabile del disturbo, riportando il profilo nel tempo del percentile Ln95 (in quanto rumore continuo)
per la sola banda del 1/3 d’ottava dei 25 Hz.Dal tracciato è anche rilevabile l’avvio dell’impianto alla medesima ora del
giorno successivo ed inoltre la riduzione di rumore in concomitanza con la pausa pranzo.
Figura 12 Profili nel tempo dell’LAeq e dell’ Ln95 sulla banda del 1/3 d’ottava dei 25 Hz. Disturbo a 25 Hz prodotto
dai forni di una fonderia sita a 1.5 Km di distanza.
CONCLUSIONE
La misura 4-DENA fornisce un nuovo strumento di indagine utile per ogni tecnico cc.), identificazione e
quantificazione dell’influenza da agenti atmosferici quali raffiche di vento, tuoni e scrosci di pioggia. Chiunque si sia
cimentato nelle varie problematiche del monitoraggio del rumore ambientale può certo vantare un grande numero di
aneddoti dove il risultato della misura veniva pesantemente influenzato da fattori di difficile individuazione. 4-DENA si
prefigge di fornire un nuovo strumento di indagine, di facile impiego ed utile per meglio affrontare queste specifiche
problematiche.4-DENA può essere ulteriormente potenziato e diventare un potente strumento di simulazione della
bontà di interventi mirati su sorgenti specifiche operanti in un contesto acustico complesso o ancora 4-DENA è
utilizzabile come input per sistemi di identificazione automatica della tipologia di rumore oppure di allarmi adatti ad
identificare l’insorgenza di un disturbo sonoro specifico.