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8 aprile 2015
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Sicurezza
Contro il rumore
Daniele Pochi
Roberto Fanigliuolo
Lindoro Del Duca
Laura Fornaciari
Renato Grilli
Pietro Nataletti
Efficacia di un sistema a controllo
attivo del rumore su una trattrice
cingolata.
A circa 25 anni dall’inizio del lavoro sistematico sul controllo attivo del rumore, di seguito indicato con il termine ANC (Active noise control), la ricerca è in grado di
trarre alcune importanti conclusioni e di proporre risultati e programmi ragionevoli per il prossimo futuro [1,
2]. Le poche applicazioni industriali che hanno riscosso
successo sono state il risultato di grandi investimenti in
ricerca applicata che miravano a
segmenti di mercato molto estesi
[3]: è il caso della cuffia a riduzione attiva del rumore e del microfono a cancellazione attiva.
La riduzione del rumore nella cabina di guida delle trattrici agricole, nonché in altri veicoli, è oggi un
problema molto sentito sia per la
tutela della salute sia per un maggiore comfort del conducente. Per
diversi anni, gruppi di ricerca hanno rivolto la loro attenzione allo sviluppo di sistemi di controllo attivo del
rumore in cabine di trattrici e veicoli industriali che tentano di ridurre l’esposizione dell’operatore ai livelli di
pressione sonora emessa dagli organi di propulsione
(motore e pneumatici) e che sono parzialmente attenuati dalla struttura della stessa cabina [4, 5]. Il controllo
attivo del rumore prevede l’applicazione di tecniche caratterizzate dalla riduzione della rumorosità ottenuta
generando elettronicamente un rumore (rumore secondario) che crea un’interferenza distruttiva con il rumore
presente (rumore primario). Questo differisce con le
tecniche tradizionali (passive) che prevedono l’impiego
di strutture e materiali fono-assorbenti e fono-isolanti.
Questo lavoro descrive una sperimentazione volta a valutare l’applicazione di un sistema di controllo attivo del
rumore su una trattrice agricola cingolata di potenza
medio-alta, priva di cabina. Questo tipo di veicolo è largamente diffuso nelle aziende agricole, soprattutto negli
ambienti collinari, e ha una notevole conseguenza acustica sugli operatori. Il sistema è basato sulla misura del
rumore nella zona da bonificare.
Il segnale è analizzato in frequenza e inviato a un’unità di controllo
capace di generare un segnale in
contro-fase, emesso da diffusori
acustici opportunamente scelti e
collocati nella stessa zona da bonificare. Tenendo conto del tempo
necessario al processo descritto e
della variabilità del rumore durante il lavoro, è ragionevole ipotizzare non tanto la cancellazione del rumore, quanto la
sua attenuazione, possibilmente negli intervalli di frequenza ritenuti più dannosi per l’udito. Una riduzione
generale avrà comunque effetti benefici sul comfort generale dell’operatore.
Il sistema di controllo attivo del rumore utilizzato nel
corso delle prove, denominato ATH311, è già utilizzato
con successo nelle trattrici con cabina [6], è costituito
da un’unità di controllo basato su un processore digitale
di segnali DSP (Digital signal processor). Per
l’esperimento è stata implementata una configurazione
algoritmica in feedback a due canali interagenti.
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Materiali e metodi
Le prove sono state condotte utilizzando una trattrice
cingolata, comunemente impiegata in lavori profondi di
preparazione del terreno (aratura, ripuntatura, ecc.) e
dotata di presa di potenza posteriore. La trattrice è priva di cabina e ha una potenza massima di 108,8 kW a
un regime motore di 1840 giri/min. Il motore diesel è
turbocompresso con cilindrata di 8102 cm3. La sua
massa totale è di circa 12.150 kg. Ha cingoli in acciaio la cui
tensione è regolabile
idraulicamente. La
scatola del cambio ha
tre rapporti di marcia veloci e un riduttore di gamma a due
marce (lenta e veloce). La velocità massima è di 2,41 m/s in
III marcia veloce.
Il sistema per il controllo attivo del rumore consisteva nei
seguenti elementi:
• centralina di controllo DSP per la
generazione
del
rumore secondario;
• amplificatore audio di potenza in classe D (600 W);
• coppia di microfoni a electrete a elevata sensibilità,
connessi alla centralina, con cavi e jack;
• coppia di casse acustiche con altoparlanti woofer da
330 mm.
Nella configurazione adottata, l’algoritmo standard è
stato implementato con un software originale di routine
al fine di aumentare l’efficienza, la stabilità e
l’affidabilità del sistema.
Le misurazioni di rumore sono stati condotte con la seguente catena strumentale:
• sound book acquisitore/elaboratore di segnale a otto
canali con speciale software “Samurai”;
• capsula microfonica da ½ Brüel & Kjær, mod. 4189,
con schermo antivento;
• calibratore per microfoni Brüel & Kjær, mod. 4231;
Al fine di valutare il funzionamento del sistema di controllo attivo del rumore, le misurazioni sono state effettuate in condizioni ripetibili, a vari regimi di rotazione
del motore in assenza di carico, posizionando i microfoni di controllo (a electrete) in posizione laterale rispetto alla testa del conducente, mentre la capsula microfonica è stata posta alle spalle del sedile di guida.
Per ciascun punto di regolazione, una volta raggiunte
condizioni di stabilità
del regime di rotazione, era effettuata la
misura dei livelli di
pressione sonora, prima con il dispositivo
ANC inserito e poi disinserito. Le misurazioni del livello continuo equivalente di
pressione
acustica
(Leq) sono state effettuate per bande di frequenza in terzi di ottava da 20 Hz a 20 kHz.
Tramite l'applicazione
del filtro di ponderazione A ai valori di Leq
rilevati è stato possibile ricavare anche i valori del livello continuo
equivalente di pressione acustica ponderata A (LAeq).
La trattrice è stata dotata di un contagiri magnetico per
misurare il regime motore impostato. Per ogni regime
sono state effettuate tre ripetizioni con un tempo di
campionamento di 30 s, ottenendo due serie di prove, la
prima con l’ANC inserito e la seconda con l’ANC disinserito. Le misurazioni sono state eseguite su trattrice
ferma e in campo sonoro libero, con incrementi di regime del motore di 100 giri nell’intervallo tra 600 e
2000 giri/min. In un secondo tempo, nell’intervallo tra
1200 e 1700 giri/min, in cui il sistema ANC appariva
più efficiente, il campionamento è stato effettuato con
incrementi di 50 giri.
Risultati
I grafici mostrano l’analisi in frequenza in bande di terzi
di ottava relativa al rumore misurato nella postazione
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ri/min, mentre l’attenuazione misurata a 2000 giri è
risultata pari a 0,1 dB(A).
Nell’intervallo del regime di rotazione del motore compreso tra 1400 e 1700 giri/min, il sistema ANC è apparso più efficiente con un’attenuazione osservata del livello di pressione sonora ponderata A da 1,3 fino a 2,5
dB(A) e in lineare da 4,5 fino a 8,5 dB(Lin). Le migliori
prestazioni sono state osservate al regime di 1550 giri,
con attenuazioni rispettivamente di 2,5 dB(A) e 7,7
dB(Lin). Per gli altri regimi di rotazione del motore le
attenuazioni ottenute in lineare sono apprezzabili e
nell’ordine di 3-7 dB(Lin), mentre risultano scarse –
non superiori a 1 dB(A) – se ponderate in A.
Per quanto riguarda i problemi legati alla valutazione
del rischio da esposizione al rumore cui sono soggetti i
conducenti di trattrici agricole, il DLgs 9 aprile 2008, n.
81, in materia di tutela della salute e della sicurezza nei
luoghi di lavoro, prevede che devono essere sottoposti a
sorveglianza sanitaria i lavoratori la cui esposizione eccede i valori superiori di azione, pari a 85 dB(A). Il decreto prevede anche un valore limite di esposizione non
superabile, pari a 87 dB(A). I risultati ottenuti mostrano
che, in corrispondenza dei regimi di rotazione di 1400 e
1450 giri/min, l’utilizzo del sistema ANC comporta il
fatto che il livello di esposizione (LAq) dell’operatore,
nell’arco della giornata lavorativa di 8 h, è inferiore al
valore superiore d’azione. Per quanto riguarda, invece,
il valore limite di esposizione, ai regimi di 1500 e 1550
giri/min, il sistema ANC sembra in grado di ridurre il
rumore emesso al di sotto dello stesso limite di 87
dB(A), mentre ai regimi superiori il limite è comunque
superato.
del conducente, con regime di rotazione del motore di
2000 (A), 1550 (B), e 600 giri/min (C). Le curve si riferiscono sia al sistema ANC “Off” (linee marrone e rosso)
e “On” (linee blu e celeste).
In generale, si può notare che la gamma di frequenza in
cui il sistema ANC è più efficace è compresa tra 40 e
200 Hz. Questa gamma ricade anche nell’intervallo di
frequenza compreso tra 20 e 800÷1000 Hz in cui il filtro di ponderazione A ha il massimo effetto: di conseguenza porta al mascheramento dell’efficacia del sistema ANC. Un’attenta osservazione dell’analisi in frequenza mostra che, nei casi in cui prevalgono le componenti più basse dello spettro relative al motore, il sistema ANC offre le migliori prestazioni a 63 e 80 Hz, rispettivamente per i regimi di rotazione di 600 e 1550
giri/min del motore.
Inoltre, quando le stesse componenti basse dello spettro
sono molto pronunciate rispetto alle altre componenti
armoniche, come nel grafico B, i migliori risultati si osservano non solo sulle singole frequenze in cui il sistema opera, ma anche sul valore totale in dB(A). Nel grafico A, in cui sono riportate le analisi in frequenza relative alla prova effettuata con la velocità di rotazione del
motore pari a 2000 giri/min, le linee dello spettro sono
quasi tutte allo stesso livello, per cui l’effetto di attenuazione del sistema ANC risulta meno efficace.
I risultati delle misurazioni dei livelli di pressione sonora sono riportati in tabella, nella quale sono indicati i
valori ottenuti sia in lineare che quelli ponderati A.
Nel primo caso, il funzionamento del sistema ANC fornisce una buona attenuazione, variabile da un minimo
di 3,0 dB(Lin) a un massimo di 8,5 dB(Lin) per i regimi
di rotazione inferiori a 1700 giri/min. Come già accennato in precedenza, per regimi di rotazione superiori a
1800 giri, il sistema è meno efficace, con attenuazioni
che variano da 0,7 a 1,4 dB(Lin).
Per quanto riguarda il filtro ponderato A, all’interno
dell’intervallo di spettro compreso tra 20 e 1000 Hz, il
suo intervento annulla quasi completamente l’azione
del sistema ANC a regimi compresi fra 600 e 1300 giri/min, in cui l’attenuazione massima osservata è stata
di 0,9 dB(A). Il livello di attenuazione aumenta
nell’intervallo compreso tra 1350 e 1800 giri, con valori
che variano da 0,9 fino a 2,5 dB(A).
Ancora meno significativa è stata la differenza osservata
a regimi più elevati, con una tendenza a un leggero aumento del livello globale di rumore a 1800 e a 1900 gi-
Conclusioni
Lo studio descritto può contribuire alla tutela della salute e della sicurezza dei luoghi di lavoro attraverso la
riduzione del livello di rumore cui sono esposti i conducenti delle trattrici agricole prive di cabina di guida. I
test effettuati su una trattrice cingolata, utilizzando un
sistema di controllo attivo del rumore basato su una
configurazione in feedback originale, hanno fornito
buoni risultati. Le attenuazioni più significative (fino a
8,5 dB(Lin)) si sono verificate in corrispondenza dei regimi di rotazione del motore compresi tra 1000 e 1700
giri/min, in cui l’azione del sistema ANC è apparsa particolarmente efficace verso le basse frequenze. Tuttavia,
anche a regimi elevati, dove l’attenuazione delle frequenze basse è meno significativa nella prevenzione del
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grado di assicurare
intervalli di frequenza
limitati,
compresi tra 40 e
200 Hz, come evidenziato nel corso
delle prove.
Riferimenti
bibliografici
[1] Hasegawa S.,
Tabata T., Kinoshita A., Hyoto H.,
1992. The development of an active
noise
control
system for automobiles. Society of
automotive engineers, Technical
paper n. 922086.
[2] Kuo S. M., Vijayan D., 1994.
Adaptive
algorithms and experimental verification of feedback
active
noise
control systems.
Noise control engineering journal,
danno all’udito, il sistema ANC potrebbe contribuire a
un aumento del livello di comfort, riducendo la perdita
di attenzione e l’affaticamento del sistema uditivo del
conducente. Il collegamento tra l’esposizione al rumore
a bassa frequenza e la perdita di attenzione e di efficienza del lavoro deve essere ancora adeguatamente studiata. I risultati ottenuti indicano che ulteriori test sono
necessari al fine sia di osservare il comportamento del
sistema ANC nel corso delle tradizionali operazioni in
campo (quali aratura, ripuntatura, erpicatura) cui una
trattrice agricola è normalmente destinata, sia di valutare la sua capacità di reazione alla variazione delle condizioni di lavoro e, conseguentemente, di rumore emesso dagli organi di propulsione.
Possibili miglioramenti del sistema potrebbero essere
conseguiti mediante l’impiego di componenti audio in
42, 2, 37-46.
[3] Elliott S. J., 2000. Signal processing for active
control. Academic press. London, UK.
[4] Del Duca L., Nataletti P., 2009. Il controllo attivo
del rumore: stato dell’arte e prospettive future. Rivista
italiana di acustica, 33, 4, 9-24.
[5] Nataletti P., Del Duca L., 2010. Controllo attivo del
rumore nelle cabine di trattori e macchine movimento
terra. In Proc. 8° International Scientific Conference
IOHA, Roma, Italia.
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[6] Nataletti P., Del Duca L., Ruggeri D., Annesi D.,
Vassalini G., Cerini L., Sanjust F., 2009. Sviluppo e sperimentazione di un sistema di controllo attivo del rumore per applicazioni nelle cabine dei trattori. Atti 37°
Convegno nazionale AIA, Torino.
Daniele Pochi è ricercatore presso il Consiglio per la ricerca in
agricoltura e l’analisi dell’economia agraria, Unità di ricerca
per l’ingegneria agraria, Roma.
Roberto Fanigliuolo è ricercatore presso il Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria, Unità di
ricerca per l’ingegneria agraria, Roma.
Lindoro Del Duca consulente presso Active di Lindoro Del Duca, Roma.
Laura Fornaciari è collaboratrice presso il Consiglio per la ricerca in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria, Unità di
ricerca per l’ingegneria agraria, Roma.
Renato Grilli è collaboratore presso il Consiglio per la ricerca
in agricoltura e l’analisi dell’economia agraria, Unità di ricerca
per l’ingegneria agraria, Roma.
Pietro Cataletti è ricercatore Inail Ricerca, Dipartimento di
igiene e medicina del lavoro, Roma.
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