Cenni di acustica

Il suono è una propagazione di energia meccanica, sotto forma di onde cicliche, attraverso mezzi elastici; i suoni possono essere propagati nei gas, nei liquidi e nei solidi, ma non nel vuoto [47]. Dal punto di vista fisico, un’ onda sonora ha determinate caratteristiche, sia spaziali che temporali, che è utile descrivere mediante alcune grandezze fisiche:

 periodo: tempo necessario per completare un ciclo, misurato in secondi (s);

 lunghezza d’onda: distanza percorsa durante un intervallo di tempo uguale al periodo (m);

 frequenza: numero di cicli per secondo, misurato in hertz (Hz);

 potenza sonora: energia sonora generata in un secondo, misurata in watt (W);

 intensità sonora: quantità media di potenza sonora per unità di superficie, misurata in decibel (dB).

Di questi parametri, di particolare interesse è la frequenza (la cui definizione è già stata data nel capitolo precedente) che rappresenta il numero di cicli per unità di tempo; viene misurata in Hz e determina le caratteristiche di suono basso o suono acuto.

Una bassa frequenza corrisponde a suoni bassi, mentre una frequenza molto elevata corrisponde a suoni acuti. L’orecchio percepisce suoni che sono compresi tra 20 e 20000 Hz. Questo intervallo di frequenze è chiamato “intervallo di udibilità”. Le onde che sono al di fuori di questo intervallo, possono raggiungere l’orecchio umano, ma normalmente non vengono avvertite. Le frequenze al di sotto dei 20 Hz si definiscono “infrasuoni”, mentre al di sopra dei 20000 Hz si parla di “ultrasuoni”. Le onde infrasoniche sono particolarmente dannose per i lavoratori nelle fabbriche, in quanto tali onde, sebbene non udibili, possono provocare danni ingenti al corpo umano.

Alto parametro da considerare è l’intensità sonora, che è la quantità di energia sonora per unità di superficie; viene misurata in decibel (dB).

Poiché il campo umano dell’udito è molto ampio, se si utilizzasse il Pascal (Pa) per la misura della pressione acustica, si avrebbe un range di misura dell’udito estremamente ampio compreso tra 20 µPa (livello minimo percettibile dall’orecchio umano) e 100 Pa (soglia del dolore). Per questo motivo si preferisce esprimere i parametri acustici come logaritmo del rapporto tra valore misurato (p) ed un valore di riferimento pari alla più piccola pressione in grado di produrre una sensazione sonora (po):

Lp = 10 log10 (p2/p02)

Quindi, data l’estesissima banda di intensità in gioco, per descrivere il rumore viene usata una scala logaritmica di variazione di intensità la cui unità di misura è il Bel, o meglio ancora il decibel (1/10 di Bel). In pratica 1 dB è la più piccola variazione di intensità sonora che può essere rilevata. [61].

Il decibel è una quantità che ha caratteristiche particolari: è adimensionale e non lineare. Come detto sopra, l’intensità sonora misura la quantità di energia sonora per unità di superficie. L’unità di misura comunemente usata per descrivere l’energia è il watt (W), quindi la frazione di potenza incidente su una certa superficie si misurerà in W/m 2. La scala dei suoni, riferita a questa misura, dal più debole appena udibile al più forte, è molto ampia: il rumore più leggero percepito dall’orecchio di una persona giovane e sana è, a 1000 Hz, di circa 1/10-12 W/m 2 [68].

Prendendo come unità di riferimento questa quantità, si ottiene una scala che però risulta essere troppo ampia per qualsiasi strumento lineare. Si applica allora una scala logaritmica, che permette di contare solo le potenze di 10; queste unità si

chiamano “Bel” (da Alexander Graham Bell). Questa nuova scala in Bel, per gli scopi pratici, risulta però poco utile; pertanto conviene considerare come unità di misura la decima parte di un Bel, appunto il decibel.

E’ utile conoscere anche come si propaga il suono: mentre in un ambiente aperto il suono si diffonde in maniera sferica a partire dalla sorgente rumorosa, senza alcuna riflessione, diminuendo d’intensità sonora con il quadrato della distanza [50], negli ambienti di lavoro, confinati per la presenza di pareti, l’energia sonora può essere in parte assorbita, in parte riflessa e in parte, se le pareti hanno determinate caratteristiche, trasmessa nel locale adiacente; quindi, negli ambienti di lavoro normalmente confinati, non si deve tenere conto solo dell’intensità sonora che viene prodotta dalla sorgente rumorosa, ma anche del rumore riflesso che andrà a sommarsi a quello della sorgente sonora. L’insonorizzazione delle pareti, con l’uso di pannelli fono-assorbenti, che riducono la riflessione, rappresenta un intervento preventivo utile per ridurre la rumorosità negli ambienti di lavoro.

In ambienti chiusi, diversamente che all’aperto, l’intensità sonora diminuisce direttamente con la distanza: se una macchina posta a 25 m produce un rumore pari a 85 dB, a 50 m il rumore si dimezzerà, passando da 85 a 82 dB [22], ma possono verificarsi condizioni in cui il livello sonoro non diminuisce con l’aumentare della distanza della sorgente.

Oltre al suo contenuto in frequenza, il rumore può anche essere caratterizzato in relazione alle specifiche modalità di emissione della sorgente; un rumore può quindi essere definito:

 continuo: se dura per tutto il turno di lavoro;

 discontinuo: se sono presenti delle pause di durata significativa;

 fluttuante: se caratterizzato da variazioni del livello di pressione sonora superiori ad 1 dB;

 impulsivo: se ha una durata compresa tra 1ms ed 1 s; questo tipo di rumore è frequente negli ambienti di lavoro e può essere più lesivo di quello continuo.

Per essere uditi, i suoni devono raggiungere l'orecchio con una intensità superiore ad un valore minimo detto soglia uditiva, cioè il valore minimo di pressione sonora in grado di determinare una sensazione sonora. La soglia uditiva è stata determinata in seguito ad esami su diversi soggetti.

Vi sono però livelli di pressione sonora pari a 130-140 dB, che determinano una sensazione fisica di dolore: tale valore viene definito soglia di dolore ed è indipendente dalla frequenza [4]. L’orecchio umano presenta una sensibilità che è funzione di due variabili principali: la frequenza del segnale sonoro e il livello di pressione sonora del segnale.

In generale la sensibilità dell'orecchio diminuisce sensibilmente alle basse frequenze, si accentua alle frequenze medie e torna a ridursi, chiaramente, alle frequenze più alte. Sulla base del comportamento dell'orecchio medio sono state realizzate delle curve di eguale sensazione sonora in funzione della frequenza e del livello di pressione sonora, dette curve isofoniche [104]. Ogni curva isofonica è caratterizzata da un valore di livello si sensazione sonora, espresso in phon.

Grafigo 6.1 - Curve isofoniche

In questo grafico ogni curva rappresenta un insieme di segnali sonori che producono sull'ascoltatore la medesima sensazione sonora.

Le curve isofoniche pongono il problema di una unità di misura dei livelli sonori che risulti significativa per l'orecchio umano, sappia cioè tenere conto della sua sensibilità. Occorre quindi correggere il livello rilevato da uno strumento ad una certa frequenza per un fattore collegato alla sensibilità dell’orecchio umano a quella stessa frequenza. Cioè, per valutare l’effetto del rumore in relazione ai danni che può causare all’apparato uditivo, la pressione viene “ponderata” in funzione della propria frequenza attraverso “filtri” specifici che riproducono l’andamento delle curve isofoniche [104]. Si utilizzano, quindi, delle curve di ponderazione che trasformano i dB reali in dB

corrispondenti alla sensazione fisiologica dell’uomo. Esistono diverse curve di ponderazione più o meno adatte ai diversi livelli sonori (denominate A, B, C ), di cui la più usata è la curva di ponderazione A (a cui fanno riferimento le normative e le regolamentazioni in vigore), adatta per livelli fino a 50/60 dB. I livelli sonori ponderati con tale curva vengono espressi in dBA o dB(A)

Grafico 6.2 - Curva di ponderazione A

Il danno all’udito è provocato non solo dal livello di rumore, ma anche dalla durata dell’esposizione: ossia dipende dalla quantità di energia sonora assorbita dall’orecchio [47]. In molti casi non basta valutare il livello in dB di una certa macchina o di un ambiente di lavoro perché quella misura è legata al momento in cui è stata fatta e non ci dice nulla sulla durata. Ci sono allora dei fonometri (i più tipici strumenti di misurazione del livello di pressione sonora), detti “integratori”, che misurano istante per istante il livello di rumore e lo integrano in funzione del tempo, dividendo poi il valore di energia ottenuto sonora per l’intervallo di tempo trascorso . Praticamente si tratta di un valore medio noto come ”livello equivalente” (indicato con la sigla Leq); cioè il livello di rumore costante avente uguale effetto di quello variabile assorbito dall’operatore nell’intervallo di tempo considerato [4].

Il livello sonoro equivalente può essere misurato direttamente con appositi strumenti, che in pratica eseguono automaticamente il calcolo della seguente espressione:

Dove: T è l'intervallo di tempo in cui è stata effettuata la misura, p(t) è la pressione sonora istantanea efficace nel tempo del rumore in esame e po = 20 μPa è la pressione

sonora di riferimento [104].

Se, in un ambiente lavorativo è presente per 4 ore un rumore di 100 dB(A), e per altre 4 ore un rumore di 80 dB(A), il livello equivalente verrà calcolato secondo la formula del Leq, e fornirà il risultato di 97 dB(A), corrispondente all'energia sonora di un ipotetico suono continuo di 8 ore di durata, identica a quella emessa da un suono di 100 dB(A) di durata di 4 ore, sommata a quella di un suono di 80 dB(A) di durata di 4 ore .

Il valore limite di esposizione al rumore, cioè il valore massimo a cui può essere esposto un lavoratore, è stato fissato dalla normativa a 87 dB(A). Questo valore limite vale per esposizioni di 8h al giorno per 5 giorni alla settimana per tutta la vita lavorativa e per persone sane [22]

La zona nella quale il suono si propaga è Il “campo sonoro” esso viene classificato in base all'ambiente in cui le onde sonore si propagano. Abbiamo così il campo sonoro “libero” e il campo sonoro “diffuso”. Il campo libero definisce la propagazione del suono in uno spazio libero ideale senza alcuna riflessione. Tali condizioni esistono all'aria aperta (abbastanza lontano dal suolo) o in una camera dove i suoni vengono totalmente assorbiti dalle mura (camera anecoica). La propagazione in campo libero è caratterizzata da una caduta di 6 dB del livello di pressione sonora ogni volta che la distanza dalla sorgente si raddoppia [77]

Quando un suono incontra un ostacolo, viene in parte riflesso, in parte assorbito ed in parte trasmesso. Riflessione, assorbimento e trasmissione sono legate alle caratteristiche del materiale ed alle dimensioni dell’ostacolo stesso, oltre alla lunghezza d’onda del segnale sonoro e all’angolo di incidenza. Le onde corte (alte frequenze) vengono facilmente assorbite anche da materiali di spessore ridotto, mentre quelle lunghe (bassa frequenza) tendono ad attraversare od aggirare l’ostacolo oppure vengono da esso riflesse [83].

Il campo diffuso è caratterizzato da una serie di riflessioni ripetute e si sposta in tutte le direzioni con uguale pressione e probabilità.

La determinazione del contenuto in frequenza di un certo suono è chiamata “analisi in frequenza” o “analisi di spettro”. Tale analisi procede suddividendo la gamma da esaminare in una successione di “contenitori” o “bande”, caratterizzati da un estremo inferiore, di frequenza superiore, all’interno dei quali ricade ogni pressione sonora avente una frequenza compresa fra tali estremi. La banda di riferimento universalmente adottata copre l’ampiezza di un’ottava, che può essere ulteriormente suddivisa in frazioni di ottava (terzi di ottava).