Richiami Teorici sulle barriere acustiche - ISPRA

Richiami Teorici sulle barriere acustiche
Le barriere acustiche rappresentano la soluzione più comune per la
riduzione del rumore immesso da infrastrutture di trasporto verso i
ricettori presenti nell’area di territorio disturbata. Tali opere
costituiscono il tipo di intervento diretto alla riduzione dell’energia
sonora del suono che si propaga per via aera dalla strada, ferrovia,
etc. verso i ricettori (situazione schematizzata in Fig. 1).
Fig. 1 - sezione stradale con barriera acustica
Il progetto della barriera è definito dalle caratteristiche dimensionaliSAN(sviluppi
PAOLO_RODOANEL
in altezza, lunghezza e forma) e fisiche (materiali costituenti i pannelli) degli
elementi che devono essere individuati in modo da ottimizzarne l’efficacia.
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L’attenuazione prodotta dall’inserimento della barriera è dovuto alla propagazione aerea ed
è correlata ai meccanismi fisici di trasmissione e diffrazione del raggio sonoro. Si hanno
dunque due contributi essenziali:
1.
Attenuazione per diffrazione: l'aliquota di energia sonora che
scavalca la barriera, o che passa ai suoi lati, è quantificabile
considerando fattori come le dimensioni fisiche della barriera
(altezza rispetto al piano stradale, distanza dalla sorgente, distanza
dal punto di ricezione, altezza del punto di ricezione rispetto al piano
stradale, spessore della barriera) mentre è sostanzialmente
indipendente dalle caratteristiche acustiche di isolamento.
2. Attenuazione per trasmissione: l'aliquota di energia sonora che
attraversa la barriera acustica è anch'essa calcolabile, note le
caratteristiche di isolamento acustico dei pannelli. In genere questo
SAN PAOLO_RODOANEL
valore nel calcolo dell’attenuazione complessiva della barriera è
trascurabile.
Richiami Teorici sulle barriere acustiche
I calcoli dei contributi all’attenuazione complessiva si riferiscono
sempre a condizioni meteorologiche standard, e cioè assenza di vento
ed assenza di gradienti termici con l'altezza.
La differenza dei livelli sonori rilevabili in un punto, con e senza barriera
acustica, in presenza di terreno riflettente, è indicata come perdita di
inserzione IL (ovvero attenuazione prodotta dalla barriera) ed è il termine
che definisce e quantifica l'abbattimento del rumore prodotto dalla
barriera stessa.
Att. = IL = Leq ,b − Leq , g
dove
Leq,b è il livello di pressione sonora con la barriera e l’effetto del terreno
presente
SAN PAOLO_RODOANEL
Leq,g è il livello di pressione sonora dovuto all’effetto del solo terreno
senza la barriera trascurabile.
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In generale per uno schermo finito vale la relazione, con riferimento alla Fig. 2
ILb
ILc
 ILa 10
10
10 
IL = 10 ⋅ log 10 10
+ 10
+ 10



dove i singoli contributi rappresentano la frazione di energia sonora diffratta
dal bordo superiore (raggio sonoro a) e dai bordi laterali della barriera (raggi
Att. = IL = L − L
sonori b e c)
eq ,b
eq , g
Fig. 2 - Raggi sonori diffratti
da uno schermo di lunghezza
finita
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Schematicamente, come detto, la barriera acustica è un ostacolo fisico alla
propagazione del rumore dalla sorgente S al punto di ricezione R (Fig. 3).
b’
b
α
S
R
a’
a
Fig. 3 – Principio fisico di funzionamento di una barriera acustica
Il raggio diretto a S
R risulta fortemente attenuato dall’isolamento
acustico del pannello che costituisce la barriera. Si genera un secondo
percorso b – b’ per diffrazione del bordo superiore della barriera che
raggiunge il ricettore R. Più ampio è l’angolo α più attenuato è il raggio
diffratto dal bordo superiore e dai bordi laterali della barriera acustica
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Dal punto di vista fisico è immediata la riduzione del raggio diretto a, è
sufficiente che la barriera acustica abbia una massa adeguata. E’ difficile,
invece, ridurre il raggio diffratto b’ in quanto la legge di diffrazione di Fresnel
impone precise regole all’energia sonora diffratta. Infatti, il Numero di
Fresnel N definisce l’attenuazione della barriera ed è funzione della
differenza di cammino del raggio sonoro diffratto e del raggio sonoro diretto.
Il calcolo dei singoli contributi di attenuazione introdotti dalla barriera (bordo
superiore e laterale) è quindi correlato direttamente con il numero N di
Fresnel; si osserva, infine, che più grande è la lunghezza d’onda maggiore è
l’entità dell’energia sonora diffratta. In letteratura sono disponibili numerosi
modelli analitici ed empirici che descrivono tale relazione.
I metodi di calcolo dell’attenuazione di una barriera acustica sono:
1. Approccio semplificato per la stima dell’attenuazione – Grafici di Maekawa
2. Formula di Kurze – Anderson
3. Norma ISO 9613
Richiami Teorici sulle barriere acustiche
Confronto tra risultati forniti dai metodi per la stima dell’attenuazione
della barriera
Si calcola l’abbattimento di rumore mediante barriera acustica con i tre
metodi descritti secondo le ipotesi
• barriera avente lunghezza infinita
• barriera “sottile”
• barriera con coefficiente di trasmissione infinito
• sorgente puntiforme
• terreno con riflessione nulla
Le caratteristiche
geometriche sono le
seguenti
hS: Altezza della sorgente, in metri
0,5
dS: Distanza della sorgente dalla barriera, in
metri
10
hR: Altezza del ricevitore, in metri
1,5
dR: Distanza del ricevitore dalla barriera, in
metri
20
hB: Altezza della barriera , in metri
3
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Confronto tra risultati forniti dai metodi per la stima dell’attenuazione
della barriera
DL (Kurze - Anderson)
DL (Yamamoto - Takagi) (iii)
DL (ISO 9613-2)
Perdita di inserzione
30
Attenuazione [dB]
25
20
15
10
5
0
125
250
500
1000
Frequenza [Hz]
2000
4000
8000
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Confronto tra risultati forniti dai metodi per la stima dell’attenuazione
Perdita di inserzione
della barriera
Frequenza
[Hz]
125
250
500
1000
2000
4000
8000
Kurze Anderson
[dB]
8.4
10.5
13.2
16.1
19.1
22.1
25.1
Yamamoto Takagi
[dB]
9.5
11.2
13.1
16.1
19.1
22.1
25.1
ISO 9613-2
[dB]
7.3
8.9
11.0
13.5
16.2
19.0
22.0
I metodi Kurze –Anderson e Maekawa in pratica coincidono. Il risultato
prodotto dalla ISO sottostima l’attenuazione su tutta la banda di frequenze di
un’entità pari a circa 3 dB.
Si osserva che il dimensionamento ed il calcolo delle barriere deve tenere
conto dello spettro del rumore del traffico in quanto le attenuazioni sono in
funzione della frequenza.
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Nomogrammi per il calcolo delle barriere
Si determinano grafici di aiuto al progetto preliminare di una barriera
acustica, poste le seguenti condizioni
•
•
Il coefficiente di trasmissione della barriera acustica è infinito, ovvero
non si valuta il contributo del raggio sonoro che attraversa la barriera
Non si calcolano i contributi dovuti alla riflessione del terreno,
considerato assorbente e le attenuazioni dovute a fattori meteorologici
nella propagazione atmosferica
Sono considerati i seguenti casi
• Caso di studio 1: barriera infinitamente lunga, non si valuta il contributo
prodotto dalla diffrazione ai bordi laterali della barriera
• Caso di studio 2: barriera infinitamente alta, non si valuta il contributo
prodotto dalla diffrazione al bordo superiore della barriera
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Lo schema di riferimento è riportato nella figura di seguito
dBR
dSB
R
dSR
S
Schema di riferimento per il calcolo
dell’attenuazione prodotta dall’inserimento della barriera
Ove si definiscono le seguenti grandezze
hS: Altezza, in metri
Sorgente S
dS: Distanza dalla barriera, in metri
Barriera B
hB: Altezza, in metri
Ricevitore R
hR: Altezza, in metri
dR: Distanza dalla barriera, in metri
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B
dS
S
dR
hB
Attenuazione prodotta da barrirera
hB = 5 m, ds = 10 m
Attenuazione per differenti distanze del ricettore
(Alt. sorgente dS = 0,5 m - alt. barriera hB=5m)
12
dR = 100 m
11
10
dR = 50 m
Piano fuori terra
9
8
7
6
5
dR = 20 m
4
3
dR = 10 m
2
1
0
5
10
15
Attenuazione [dB]
20
25
30
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Attenuazione per differenti altezze del ricettore
(Alt. sorgente dS = 0,5 m - distanza ricettore dR= 20 m)
dR
6° piano
hB
B
S
3° piano
Attenuazione prodotta da una barriera piana sottile
( dS = 10 m, dR = 20 m)
1° piano
35
(Alt. 4 m - 1o piano)
30
A titolo di esempio, per ridurre il livello di 5 dB
occorre:
• una barriera alta circa 2,5m per il 1° piano
• una barriera alta circa 3,5m per il 3° piano
• una barriera alta circa 6,5m per il 6° piano
(Alt. 19 m - 6o piano)
25
Attenuazione [dB]
Si determinano le attenuazioni prodotte
dalle barriere per differenti altezze
(Alt. 10 m - 3o piano)
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Altezza barriera [m]
9
10
11
12
Richiami Teorici sulle barriere acustiche
dR
6° piano
hB
B
3° piano
S
1° piano
Attenuazione prodotta da una barriera piana sottile
( dR = 50 m )
Attenuazione per differenti altezze del ricettore
(Alt. sorgente dS = 0,5 m - distanza ricettore dR= 50 m)
35
(Alt. 4 m - 1o piano)
30
Si determinano le attenuazioni prodotte dalle
barriere per differenti altezze.
(Alt. 19 m - 6o piano)
25
Attenuazione [dB]
A titolo di esempio, per ridurre il livello di 5 dB
occorre:
• una barriera alta circa 1,5m per il 1° piano
• una barriera alta circa 3,2m per il 3° piano
• una barriera alta circa 5,8 m per il 6° piano
(Alt. 10 m - 3o piano)
20
15
10
5
0
1
2
3
4
5
6
7
Altezza barriera [m]
8
9
10
11
12
Richiami Teorici sulle barriere acustiche
RIFLESSA
DIFFRATTA
DIRETTA
SORGENTE DI
BARRIERA
ABITAZIONE
RUMORE
ACUSTICA
DISTURBATA
La proprietà di uno schermo acustico di impedire il passaggio attraverso di
esso dell’energia sonora è espressa dal valore del potere fonoisolante
(ricavato in campo diffuso) o dalla perdita di inserzione (ricavato per
incidenza perpendicolare). La barriera acustica in pratica presenta un valore
finito del potere fonoisolante per cui una aliquota di energia sonora che la
attraversa si somma all’energia sonora diffratta dal bordo superiore e dai
bordi laterali.
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In fase di progetto occorre calcolare, nel punto di ricezione, sia le energia
sonora diffratta dai bordi della barriera stessa sia quella che la attraversa.
Può definirsi potere fonoisolante limite il valore del potere fonoisolante che
realizza l’incremento di livello sonoro nel punto ricettore di soli 0.1 dB per
effetto dell’aliquota di energia che attraversa lo schermo.
Se si indica con ∆LD l’attenuazione dell’energia sonora dovuta alla
diffrazione del bordo della barriera e con ∆LT l’attenuazione dell’energia
sonora che attraversa la barriera, l’attenuazione totale del rumore nel punto
ricettore è dato dalla relazione:



 ∆L −∆L
 /10 
−




T
D


∆L=∆L −10Log 1+10

D


La scelta del valore limite di ∆LT viene operata rendendo pari a 0.1 dB il
valore del secondo addendo. L’attenuazione della barriera, in questo modo
dipende in larghissima parte dalla diffrazione del bordo.
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Questa condizione si mantiene se il valore del potere fonoisolante della
barriera è superiore a ∆LT . Si ricorda che la diffrazione è funzione della
geometria del sito (distanza sorgente barriera, altezza barriera, distanza
ricettore barriera, altezza ricettore etc.) e quindi dipende dai dati del progetto.
Barriere che possono andare bene per alcune situazioni non sono, ad
esempio, adatte per altre.
Si riporta, di seguito, un caso reale di verifica di una barriera acustica alta
3 m e lunga 200 m posta al bordo di un’autostrada a due corsie di marcia
per carreggiata. Il ricettore è distante 42 m dalla barriera ed è alto 4 m.
Si è misurato lo spettro di pressione sonora nel punto ricettore per bande di
ottava. Si è calcolato lo spettro di potenza sonora apparente e da questo
con le formule sopra descritte si è ricavato lo spettro del rumore a fronte
del ricettore alto 4 m dal piano di campagna con e senza barriera.
Richiami Teorici sulle barriere acustiche
I risultati per bande di ottava sono riportati nella seguente tabella:
Frequenze Hz
Senza barriera dB
Con barriera dB
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
“A”
46.6
51.3
58.4
65.2
66.3
62.7
53.1
38.7
70.2
41.8
46.3
52.9
58.9
59.0
54.1
42.7
25.3
63.2
potere fonoisolante minimo
dB
14.0
14.3
14.7
15.5
16.6
18.2
20.4
23.2
Richiami Teorici sulle barriere acustiche
Nel grafico che segue si confronta il valore del potere fonoisolante della
barriera con il valore del potere fonoisolante minimo determinato per la
barriera in progetto
potere fonoisolante minimo
Barriera in metallo
50
Potere fonoisolante R [dB]
Il
risultato
dell’esempio
conferma
l’idoneità
della
barriera utilizzata per il caso in
esame. Vi sono però situazioni
di ricettori molto vicini al ciglio
dell’autostrada che subiscono
elevati livelli di rumore e che,
per la geometria del luogo,
richiedono valori del potere
fonoisolante più elevati in
quanto risultano più alti i valori
dell’isolamento limite
40
30
20
10
0
125
250
500
1000
frequenze [Hz]
2000
4000