FAST 10 giugno 2003 La mappatura come aiuto nell

FAST – 10 Giugno 2003
Il rumore degli impianti di condizionamento energia
Previsione, riduzione e verifica
La mappatura come aiuto nell’interpretazione dei fenomeni
di rumore e di vibrazione delle macchine trattamento aria
A. Armani
Spectra S.r.l.
Via F. Gilera, Arcore, Italy
E. Piana
Università di Brescia, Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Via Branze 38, I-25123 Brescia, Italy
Email: [email protected]
S. Cingolani
Università di Brescia, Dipartimento di Ingegneria Meccanica
Via Branze 38, I-25123 Brescia, Italy
Email: [email protected]
Riassunto
Spesso i problemi causati da impianti di condizionamento non si palesano fino a quando il
macchinario non è stato installato. In questi casi risulta particolarmente difficile agire
sull’attrezzatura al fine di diminuire le vibrazioni o il rumore generato dalla stessa, anche per
la scarsa efficacia di interventi che devono essere eseguiti su componenti in bassa frequenza.
Del resto interventi eseguiti direttamente variando le caratteristiche dell’impianto possono
portare il funzionamento fuori dai parametri progettuali e comprometterne il rendimento e
l’affidabilità. Il presente articolo tratterà di una serie di misurazioni di vibrazioni e del campo
sonoro emesso da un impianto di trattamento aria al fine di correggere la situazione di disagio
acustico provocata dal funzionamento del macchinario nell’ambiente sottostante.
1. Introduzione
Il presente lavoro è stato svolto su un sistema di trattamento aria installato nel sottotetto di un
edificio che ospiterà uffici tecnici e amministrativi.
La macchina oggetto dello studio presenta una portata d’aria di 7500 m3 /h, la pressione
statica utile è di 200 Pa, la potenza installata è di 4 kW, con una corrente assorbita di 8,6 A.
A seguito di una serie di lamentele dei futuri occupanti dell’ufficio posto sotto la sala in cui è
installato il macchinario in questione, si è provveduto ad effettuare una serie di interventi di
bonifica acustica, che hanno tenuto conto soprattutto del fatto che il disturbo era causato dalle
vibrazioni in bassa frequenza cui veniva sottoposto il leggero soffitto in carton- gesso che
separava i due locali. Gli interventi di bonifica messi in atto hanno così previsto le seguenti
opere:
• Sollevamento del macchinario tramite cavi di acciaio di lunghezza regolabile fissati alla
travatura del tetto (Figura 1);
• Realizzazione di un controsoffitto flottante in grado di fornire un isolamento maggiore
rispetto a quello precedentemente installato (Figura 2).
Fig. 1: Macchinario oggetto delle misurazioni e griglia adottata per le misure di intensità.
L’insieme degli interventi di isolamento acustico messi in atto hanno avuto lo scopo di
fornire un’attenuazione adeguata alla tipologia strutturale, evitando di stravolgere gli
interventi edilizi già in atto. Il vincolo costruttivo era rappresentato dalla peculiarità della
separazione orizzontale, costituita inizialmente da un semplice strato doppio di cartongesso
vincolato rigidamente a travi in acciaio con l’aggiunta di un materassino di lana minerale
nella cavità costituita dai montanti metallici.
Fig. 2: Visione schematica dell’intervento di insonorizzazione attuato sul controsoffitto di
separazione tra il locale dove è posta la macchina e l’ufficio.
L’intervento di bonifica ha dovuto tenere conto principalmente del fatto che il locale
macchine costituiva la sola sorgente di rumore, per di più con una caratteristica emissiva
legata alla produzione di bassissime frequenze. Tanto è vero che le sollecitazioni non
strutturali venivano trasmesse per via area attraverso l’esiguo strato di cartongesso,
determinando un carico pressorio di ragguardevole entità, soprattutto intorno alle frequenze
di 20-25 Hz. Le soluzioni adottabili al fine di ridurre i livelli di rumorosità, qualora questi
siano sintonizzati alle basse frequenze, sono generalmente complesse e richiedono interventi
strutturali di notevole entità.
Pertanto, si è pensato di intervenire costruendo un nuovo controsoffitto a triplo strato,
svincolato dalle strutture, con un sistema di pendinature antivibranti. Il primo strato, rivolto
verso l’ambiente inferiore, contiene al suo interno una lamina in piombo. Le aperture presenti
tra le travi sono state riempite con cartongesso e materassino di lana di roccia da 80 kg/m3 e
sigillate con una lamina di piombo.
L’ambiente della sala macchine è limitato superiormente da un tetto inclinato, con l’altezza
minore rivolta verso la superficie del pavimento corrispondente all’ufficio del piano inferiore
dove si accusava maggiormente il disagio di bassa frequenza. In tale spazio è stata ricavata
una trappola di bassa frequenza costituita da un pannello di cartongesso, rivolto verso il
gomito della macchina in corrispondenza del plenum, e da una serie di pannelli di lana
minerale di due densità, a riempimento dello spazio prismatico, fino all’innesto della parte
terminale del tetto con la soletta.
Nonostante gli interventi appena indicati abbiano migliorato notevolmente la situazione, al
punto di renderla accettabile per gli inquilini dell’ufficio, si è deciso di effettuare una
campagna di misure sperimentali che fossero in grado non solo di fornire informazioni su
quali siano le zone responsabili della maggiore emissione sonora, ma anche sulle modalità da
applicare per diminuire ulteriormente il disturbo. L’interpretazione delle rappresentazioni
grafiche generate dai software utilizzati per le misure di intensità sonora e vibrazioni hanno
permesso di stabilire agevolmente le zone del macchinario a maggiore emissione.
2. Misurazioni sperimentali
I rilevamenti sperimentali hanno voluto indagare sia i campi di pressione ed intensità acustica
generati dal macchinario che le vibrazioni misurabili sul lato esposto del box dell’impianto. A
tale scopo sono state utilizzate due diverse linee e modalità di misura, che verranno descritte
di seguito.
2.1 Set-up di misura intensimetrico
Le misure di intensità sono state effettuate con un analizzatore bicanale in tempo reale OROS
OR 25 equipaggiato con sonda intensimetrica B&K 3584 configurata con i due microfoni
affacciati ed uno spaziatore da 50 mm. La linea di misura è stata calibrata tramite sistema di
calibrazione per intensità B&K 3541. La verifica del livello di pressione sonora di ogni
microfono della sonda intensimetrica è stato effettuato usando il calibratore di classe 0 B&K
4228. Il sistema di acquisizione è stato pilotato direttamente da PC tramite software AIDA
[1], che ha permesso successivamente anche la post elaborazione e la visualizzazione dei dati.
Le acquisizioni nelle 49 posizioni di misura sono state eseguite impostando una media lineare
di 20 secondi per ogni punto. L’intera sequenza di misura ha richiesto circa un’ora.
La superficie di misura utilizzata corrisponde ad un rettangolo di lunghezza 4.80 m ed altezza
1.2 m suddivisi rispettivamente in 16 e 4 segmenti da 0.3 m, in modo da ottenere maglie
quadrate. La distanza della superficie di misura dal lato dell’impianto di trattamento aria è
stata pari a 0.5 m. Il reticolo di misura è riportato in Figura 3.
Fig. 3: Reticolo di misura e sequenza di acquisizione utilizzati durante le misure di intensità.
2.2 Set-up per la misura delle vibrazioni
Le misure di vibrazione sono state effettuate con un analizzatore bicanale in tempo reale
Larson Davis 3000 equipaggiato con un accelerometro PCB 353. La linea di misura è stata
calibrata tramite calibratore B&K 4294. Il sistema di acquisizione è stato pilotato
direttamente da PC tramite software N&V Works, che ha permesso la post elaborazione e la
visualizzazione dei dati.
L’accelerometro è stato spostato mantenendo una distanza di 0.25 m fra i vari punti di misura
muovendolo sulla superficie del macchinario, in modo da ottenere maglie quadrate (Figura
4). L’accelerometro è stato fissato alla superficie di misura utilizzando cera d’api.
5
Y
4
200
3
dB
2
1
100
0
0
X
5
10
15
20
Fig. 4: Reticolo di misura per le misure di vibrazioni.
3. Determinazione dell’emissione acustica e vibratoria
3.1 Rappresentazione dei dati di intensità e di pressione sonora
Dall’istogramma della distribuzione in frequenza della potenza sonora complessiva pesata A
(Figura 5) è stato possibile notare che la maggior parte dell’energia emessa dalla macchina è
concentrata alle frequenze di 125 Hz e 315 Hz. Per il tipo di procedura adottata non è stato
possibile estrapolare il dato sotto i 50 Hz.
Fig. 5: Distribuzione in freque nza della potenza sonora sulla superficie di misura.
Si è pertanto ritenuto opportuno investigare ulteriormente queste due frequenze esaminando i
diagrammi colour contour che rappresentano la pressione e l’intensità sonora pesate A sulla
superficie di misura per le frequenze di interesse (Figure 6 e 7) e per il dato overall (Figura
8). I diagrammi posti a sinistra mostrano il campo di pressione sonora, mentre quelli posti a
destra si riferiscono al campo di intensità sonora.
Fig. 6: Distribuzione della pressione e dell’intensità sulla superficie di misura a 125 Hz.
Fig. 7: Distribuzione della pressione e dell’intensità sulla superficie di misura a 315 Hz.
Fig. 8: Distribuzione della pressione e dell’intensità complessiva sulla superficie di misura.
Si nota innanzitutto come i diagrammi dell’intensità sonora risultino essere più chiari e
definiti rispetto ai corrispondenti diagrammi di pressione sonora. Questo è dovuto al fatto che
la tecnica intensimetrica permette di determinare direttamente la componente normale alla
superficie di misura del vettore intensità e risente relativamente meno del campo riverberato
che si instaura negli ambienti chiusi. La seconda nota va fatta sulla determinazione della zona
principale di provenienza della rumorosità, individuata nelle figure dalla porzione avente
sfumature di colore dal bianco al rosso. In tale parte del macchinario è infatti installato il
motore che elabora la portata d’aria della parte di ventilazione. La rumorosità e le vibrazioni
prodotte da questo apparato riescono evidentemente non solo a superare la schermatura
fornita dai pannelli del telaio, ma anche a mettere in vibrazione gli stessi, che divengono a
loro volta sorgenti sonore. La maggiore emissione rumorosa non compete all’intera struttura
del pannello di isolamento, ma coinvolge una parte ristretta della superficie (celle 54-55-56
della maglia di misura intensimetrica). Infatti, ci è parso evidente che il motore di
ventilazione, essendo collocato rigidamente alla base del condotto, produca maggiori
sollecitazioni nella parte inferiore del macchinario, come si è potuto evidenziare in una serie
di sopralluoghi durante i lavori di ripristino acustico. A seguito del sollevamento della
macchina si è data mano alla possibilità di lasciare un più libero sfogo alle emissioni
acustiche provenienti dal basamento. Una nostra ipotesi, non ancora suffragata da prove
sperimentali, è che il sistema di appoggio del motore sia leggermente eccentrico, offrendo in
tal modo, secondo una propria frequenza di risonanza, continue sollecitazioni al suo
basamento. Quest’effetto di spinta sulla base inferiore, produce una buona parte dell’energia
che fuoriesce lateralmente dalla struttura dell’involucro di isolamento. Oltre alle emissioni
del fondo si fa presente che un’altra prova di quanto evidenziato dalle mappe di intensità è la
perdita di energia localizzata in corrispondenza del tubo di plastica utilizzato come
convogliatore dei fili elettrici. Una parziale conferma di tali ipotesi sarà fornita dalle
misurazioni eseguite sulla cassa del macchinario, che verranno esposte nella sezione
successiva. Tali misure ci condurranno verso una più attenta valutazione delle caratteristiche
emissive associando il contributo aereo a quello strutturale.
3.2 Rappresentazione dei dati di accelerazione
Le misure di vibrazione sono state eseguite su di un reticolo di 105 punti (21 colonne per 5
righe). L’intera sequenza di misure ha richiesto un periodo complessivo di circa un ora in
quanto ogni punto è stato rilevato con un tempo di media di 30 secondi. Gli spettri in 1/3
d’ottava, acquisiti mantenendo il riferimento della scala in dB pari alla sensibilità per m/s2
dell’accelerometro utilizzato, sono stati elaborati con le medesime modalità con cui si è soliti
trattare le analisi di rumore per ottenere una mappatura acustica; il risultato è così costituito
da una serie di mappe di rumore e di vibrazione direttamente confrontabili, avendo la
medesima scalatura e gli stessi riferimenti dimensionali. Per agevolarne ulteriormente la
comprens ione, è possibile sovrapporre la fotografia dell’oggetto in misura, ottenendo un
riscontro diretto tra le zone più rumorose e quelle con elevati livelli di vibrazione.
La scala di colore utilizzata, che può essere applicata sia a curve isolivello che a superfici
cromatiche, evidenzia per ogni banda di frequenza (selezionata direttamente con il cursore
sullo spettro di riferimento), la distribuzione dei livelli di rumore e/o vibrazione.
A titolo esemplificativo si riporta in Figura 9 la rappresentazione tridimensionale
dell’ampiezza delle vibrazioni riscontrate a 125 Hz sulla superficie di misura e la relativa
mappa a colori.
Fig. 9: Rappresentazione tridimensionale dell’ampiezza delle vibrazioni riscontrate a 125 Hz
sulla superficie di misura e relativa mappa a colori.
Da una semplice osservazione delle mappe è così possibile rilevare le modalità di vibrazione
delle piastre della conduttura alle basse frequenze, che risulta essere conforme agli elementi
della struttura distinguibili nella fotografia riportata come sfondo nelle Figure 10 e 11, che si
riferiscono ai livelli di vibrazione alle frequenze dei 10 Hz e dei 50 Hz.
VibMap Univ.BS - CH1 - 10.0 Hz - Lineare
5
Y
4
25
dB
20
15
10
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30
-35
-40
-45
-50
3
2
1
0
0
X
5
10
15
20
Figura 10: Livelli di vibrazione alla frequenza di 10 Hz
Per la frequenza dei 10 Hz si osserva una vibrazione prevalentemente concentrata sull’ultima
piastra di destra con livelli di vibrazione molto elevati.
VibMap Univ.BS - CH1 - 50.0 Hz - Lineare
5
Y
4
20
dB
15
10
5
3
0
-5
2
-10
-15
-20
1
-25
-30
0
0
X
5
10
15
20
Figura 11: Livelli di vibrazione alla frequenza di 50 Hz
Per la frequenza dei 50 Hz sono ben evidenziati i modi di vibrare delle singole piastre del
condotto, con dei minimi in corrispondenza delle nervature di giunzione e dei massimi al
centro di ogni singola piastra. E’ altresì evidente come si sia in presenza di valori ancora
maggiori nella posizione centrale, corrispondente alla posizione occupata dal motore
elettrico.
Se si considerano le mappe di rumore e di vibrazione opportunamente dimensionate cosi
ottenute e le si confrontano fra loro, si ha la possibilità di trarre interessanti considerazioni da
una semplice osservazione visiva. A titolo di esempio si riportano in Figura 12 le mappe di
pressione sonora e vibrazione per la frequenza del 1/3 d’ottava dei 125 Hz.
NoiseMap Univ.BS - CH1 - 125 Hz - Lineare
4
Y
3
75
dB
72
2
69
66
1
63
60
0
VibMap Univ.BS - CH1 - 125 Hz - Lineare
5
Y
4
20
dB
15
10
5
3
0
-5
2
-10
-15
-20
1
-25
-30
0
0
X
5
10
15
20
VibMap Univ.BS - CH1 - (11.34 X, 1.45 Y) - Lineare
30
dB
20
125 Hz
10.0 dB
(L)
21.1 dB
(A)
7.6 dB
10
0
-10
-20
-30
-40
8
Hz
16
31.5
63
125
250
500
1K
2K
4K
8K
16K (L) (A)
Figura 12: Mappe di rumore e vibrazione per la frequenza del 1/3 d’ottava dei 125 Hz
A prima vista si nota una rilevante differenza tra mappe di rumore e vibrazione. Questo deve
subito mettere in allerta l’osservatore in quanto ci si dovrebbe aspettare generalmente una
discreta corrispondenza fra i grafici, specie se i rilievi di rumore sono stati eseguiti, come in
questo caso, a non più di 40 cm dalla conduttura.
La mappa di vibrazione indica con precisione le zone della struttura maggiormente coinvolte
dalla vibrazione alla frequenza dei 125Hz, situate nei pressi della zona di posizionamento del
motore con relativa ventola; al contrario la corrispondente mappa del rumore individua come
sorgente dominante una zona posta in basso al centro della struttura, e quindi per nulla
riferibile, come ci si potrebbe aspettare, a quanto mostrato dai livelli di vibrazione.
La sorgente dominante del rumore a questa frequenza no n deve essere ricercata sulla
conduttura ma sotto di essa: il rumore viene generato dalla vibrazione della soletta, eccitata a
sua volta dalla trasmissione per via solida delle vibrazioni che si propagano attraverso i cavi
in acciaio di supporto della cond uttura, le travi del tetto, i muri portanti e da questi ultimi
come eccitazione alla soletta del sottotetto.
In questa ottica le due mappe mostrano con chiarezza la dinamica del fenomeno, che
diversamente non offre nessuna possibilità di discriminazione acustica soggettiva, essendo
coinvolte frequenze di ampia lunghezza d’onda e quindi non direttive e che per giunta si
sviluppano in un ambiente di dimensioni ridotte.
4. Conclusioni
Nello sviluppo dell’articolo si è dimostrato come, grazie ad una serie di misurazioni di durata
limitata ed ai software di post elaborazione utilizzati sia stato semplice individuare le cause
della rumorosità prodotta da un impianto di trattamento aria e le maggiori zone di emissione
acustica. L’analisi in frequenza, unitamente alla possibilità di visualizzare i dati acustici e di
vibrazione su mappe sovrapponibili a fotografie, si sono dimostrati un valido aiuto per una
migliore comprensione del problema trattato.
Riferimenti
1. E. Piana, G. Piana E A. Armani, A code for computation and visualization of sound
power measurements based on the ISO 9614-1 International Standard, Proc. 17th
International Congress on Acoustics, Rome, September 2001.