La norma ISO 9613: “Attenuation of sound during propagation outdoors” è indicata dalla direttiva 2002/49/CE, recepita in Italia dal Decreto Legislativo 19 agosto 2005, n. 194: "Attuazione della direttiva 2002/49/CE relativa alla determinazione e alla gestione del rumore ambientale", quale modello per descrivere la propagazione del rumore industriale in ambiente esterno.
La ISO 9613 è divisa in due parti:
A. La prima parte, ISO 9613-1 (1993) “Attenuation of sound during propagation outdoors. Calculation of the absorption of sound by the atmosphere” definisce le modalità di determinazione dell’attenuazione del suono durante la propagazione a causa dall’assorbimento atmosferico. L’assorbimento è descritto dal coefficiente di attenuazione α che è fornito dalla norma in forma tabellare in funzione di quattro variabili: frequenza del suono, temperatura, umidità e pressione dell’aria.
B. La seconda parte ISO 9613-2 “Attenuation of sound during propagation outdoors. General method of calculation” (1996) fornisce un metodo ingegneristico per calcolare l’attenuazione del suono durante la propagazione in ambiente esterno.
La parte seconda definisce le sorgenti sonore come sorgenti puntiformi, descritte tramite valori di direttività e di potenza sonora in bande d’ottava.
La norma specifica inoltre che una sorgente estesa o una parte di essa può essere rappresentata da una sorgente puntiforme equivalente posta nel suo centro se:
1. esistono le stesse condizioni di propagazione tra le varie parti della sorgente estesa e la sorgente puntiforme equivalente e il ricettore;
2. la distanza tra la sorgente puntiforme equivalente ed il ricettore è maggiore del doppio della dimensione maggiore della sorgente estesa.
La propagazione del suono attraverso l’atmosfera è calcolata usando il modello dei raggi acustici (ray tracing). Il modello prima determina tutti i percorsi rettilinei, diretti o spezzati a causa di riflessioni, che il suono emesso da ogni sorgente considerata può compiere per raggiungere il ricevitore. Poi calcola l’attenuazione che il rumore subisce lungo ogni percorso a causa dell’interazione con l’atmosfera o con gli ostacoli presenti; infine, determina il livello di pressione sonora complessiva presso il ricevitore sommando il contributo di tutti i raggi di tutte le sorgenti.
In presenza di atmosfera omogenea, sono sempre necessari almeno due raggi per calcolare la pressione sonora al ricevitore, cioè il raggio diretto e quello riflesso dal suolo.
Condizioni di atmosfera omogenee sono in genere riscontrabili solo su piccole distanze, per distanze maggiori bisogna tenere conto della rifrazione dei raggi sonori dovuta alle disomogeneità. Infatti, in un’atmosfera rifrangente i raggi sonori sono incurvati e sono possibili riflessioni multiple. In questa situazione il numero di raggi tra ricevitore e sorgente è maggiore di due.
A causa dei problemi dovuti alla rifrazione atmosferica la ISO semplifica questo aspetto e dichiara di calcolare solo il livello continuo equivalente della pressione sonora ponderata A, che si ottiene in condizioni meteorologiche ottimali o dette di sottovento (down wind: DW). Le condizioni meteorologiche ottimali sono quelle favorevoli alla propagazione del suono e hanno le seguenti caratteristiche:
1. ricevitore posto sottovento, con direzione del vento compresa entro un angolo di ±45° rispetto alla retta congiungente il centro della sorgente sonora con il ricevitore;
2. velocità del vento compresa fra 1 e 5 m/s, misurata ad una altezza dal suolo compresa fra 3 e 11 m.
L’assunzione di condizioni di propagazione solo favorevoli attribuisce al modello ISO 9613 un carattere cautelativo, in quanto la sua applicazione restituisce in ogni punto livelli di rumore più elevati di quelli che si avrebbero in condizioni meteorologiche neutre o di vento sfavorevole (sopravento).
Al fine di ottenere il valore della pressione sonora al recettore dovuto a una al raggio
i-esimo, Li(DW), gli effetti considerati sono semplicemente sommati linearmente per ottenere, al ricevitore, il livello equivalente di pressione sonora sottovento per banda di ottava Lft(DW), secondo la seguente equazione fondamentale:
Lft(DW)= Lw + Dc – A
dove:
• Lw è il livello di potenza del suono a banda di ottava che caratterizza la sorgente, espresso in dB(A);
• Dc è l’eventuale correzione di direttività da utilizzarsi nel caso in cui l’emissione della sorgente non sia assunta isotropa;
• A è l’attenuazione a banda di ottava complessivamente subita dal raggio.
Il termine di attenuazione è dato dalla somma dei singoli effetti di attenuazione:
A= Adiv + Aatm + Agr +Abar + Amisc
I singoli termini di attenuazione sono:
A. Attenuazione per divergenza geometrica (Adiv)
Al crescere della distanza dalla sorgente, aumenta la superficie su cui la potenza sonora emessa si distribuisce, e quindi essa perde di intensità. (Figura 4.2)
L’equazione è:
Adiv = [20 log (𝑑/𝑑0) + 11] dB
dove:
• d è la distanza dalla sorgente al ricevitore (m); • d0 è la distanza di riferimento (1m).
Nel caso di sorgente puntiforme, l’energia sonora si propaga in modo sferico e, al raddoppio della distanza, il suono si riduce di 6 dB(A). Nel caso invece di sorgente lineare, il livello sonoro si propaga in modo semi-cilindrico e, al raddoppio della distanza, esso si riduce di 3 dB(A).
Figura 4.2 - Divergenza geometrica B. Assorbimento atmosferico (Aatm)
L’energia sonora, attraversando gli strati d’aria presenti tra sorgente e ricevitore viene gradualmente convertita in calore.
Il coefficiente di assorbimento atmosferico è descritto come:
Aatm = α * 𝑑/1000
Dove:
• α è il coefficiente di attenuazione atmosferica, espresso in dB/km, che dipende dalla temperatura dell’aria, dall’umidità relativa e dalla frequenza;
• d è la distanza sorgente-ricevitore, in metri.
L’assorbimento è maggiore alle alte frequenze. I valori di α per varie combinazioni di frequenza e temperatura, umidità e pressione dell’aria, sono tabulati nella parte prima della ISO 9613 (un esempio di dati tabellati è riportato nella Figura 4.3).
Figura 4.3 - Tabella relativa all'assorbimento del terreno a temperatura pari a 0°.Sulle colonne vi è la % di umidità da 0 a 100; sulle righe la frequenza
C. Attenuazione dovuta all’effetto suolo (Agr)
La propagazione sonora in presenza del suolo dipende dalla combinazione tra le onde che si propagano direttamente dalla sorgente al ricevitore e le onde che si riflettono interagendo con il suolo. La riflessione dipende dalla tipologia di superficie, dall’angolo che si forma tra il suono e la superficie e dalla tipologia del mezzo in cui avviene tale riflessione.
La norma ISO 9613-2 suddivide il calcolo dell’attenuazione dovuta all’effetto del suolo in tre termini, As, Am e Ar, corrispondenti rispettivamente, alla zona attorno alla sorgente, alla zona intermedia e alla zona attorno al ricevitore. I calcoli sono effettuati direttamente in bande d’ottava oppure sui valori globali in scala di ponderazione “A”.
Per ogni banda d’ottava vi è un modo esatto per calcolare l’attenuazione dovuta al suolo, come si può osservare nella Figura 4.4. Nel caso i risultati di quest’analisi fossero negativi, l’attenuazione è posta pari a 0.
Figura 4.4 - Espressioni utilizzate per calcolare l'attenuazione del suolo
L’equazione finale è:
Agr = As +Am +Ar
D. Attenuazione delle barriere (Abar)
Si definisce barriera acustica un ostacolo naturale o artificiale che si interpone sul percorso di propagazione diretta per via aerea del suono dalla sorgente al ricevitore, così da ridurre il rumore. L’effetto della barriera consiste nell’allungare il percorso del raggio acustico: più è lungo il percorso a-b rispetto a d, più risulta efficace la barriera (Figura 4.5). Le onde ad alta frequenza sono maggiormente ostacolate dalla barriera, rispetto a quelle a bassa frequenza.
Figura 4.5 - Attenuazione della barriera
L’equazione che mi permette di calcolare l’attenuazione della barriera è:
Abar = 10log10(3+NKmet) Dove:
• N è il numero di Fresnel
• Kmet è un fattore di correzione da fattori meteorologici, dato dall’equazione: Kmet = exp(- 1
2000√ 𝑎𝑏𝑑
2𝛿) dove 𝛿 = 𝑎 + 𝑏 − 𝑑
E. Attenuazione Amix
Con questo termine sono indicati altri effetti che possono modificare o attenuare in modo significativo il percorso dei raggi acustici, come la vegetazione fitta (bosco), i siti industriali con molti impianti, le zone a bassa densità residenziale con edifici radi e di dimensioni relativamente contenute.
Questi elementi, troppo complicati da modellizzare in dettaglio sono trattati come ulteriori elementi di assorbimento lungo i raggi sonori e simulati per mezzo di semplici coefficienti complessivi.
Un altro fattore, decritto dalla norma ISO9613, che influenza significativamente la propagazione del rumore in ambiente esterno è l’effetto del vento e della stabilità atmosferica.
In prossimità del suolo le principali cause di disomogeneità dell’atmosfera sono i gradienti verticali di vento e di temperatura. Queste variazioni di disomogeneità continue provocano per rifrazione la curvatura dei raggi sonori verso l’alto o verso il basso, essendo funzione del gradiente verticale della velocità di propagazione delle onde sonore, funzione direttamente proporzionale alla temperatura dell’aria.
In situazioni diurne, caratterizzate da insolazione, la temperatura decresce man mano che ci si allontana dalla superficie (condizione adiabatica o super adiabatica); in questo caso i raggi sonori sono curvati verso l’alto e la propagazione del rumore è ostacolata (Figura 4.6).
Figura 4.6 - Andamento normale della temperatura e dei raggi sonori
La situazione opposta è quella della cosiddetta inversione termica, quando cioè la temperatura al suolo è più bassa della temperatura in quota. Ciò si verifica principalmente di notte, quando il terreno, raffreddandosi prima dell’aria sovrastante, sottrae calore agli strati più bassi dell’atmosfera. In condizioni di inversione termica i raggi sonori sono curvati verso il basso in direzione del terreno favorendo così la propagazione delle onde sonore dalla sorgente verso i recettori (Figura 4.7).
Figura 4.7 - Andamento della temperatura e dei raggi sonori in caso di inversione termica
Siccome, come già detto, la norma ISO 9613-2 ipotizza di operare sempre in condizioni di sottovento, ovvero favorevoli alla propagazione del rumore, per poter valutare i valori medi di
pressione sonora sul lungo periodo, la ISO introduce un fattore di correzione meteorologico Cmet, che tiene conto della variabilità delle condizioni meteo. Infatti, sul lungo periodo, se non si valutassero anche le condizioni sfavorevoli di propagazione, si otterrebbero dei risultati del modello decisamente sovrastimati.
L’equazione, che mi permette di ricavare il Cmet è:
Cmet = 𝑪𝟎⌊𝟏 − 𝟏𝟎*(hs+hr)/dp] se dp> 10(hs+hr)
dove:
• Cmet= termine di correzione meteorologico (dB); • hs= altezza della sorgente (m);
• hr= altezza del ricevitore (m);
• dp = distanza tra la sorgente e il ricevitore (m);
• C0= fattore dipendente dalla velocità del vento, dalla direzione e dal gradiente di
temperatura verticale del luogo (dB).
Secondo la norma il valore di Co può variare tra 0 e 5 dB in relazione al variare delle condizioni meteo.
Le condizioni meteorologiche hanno quindi un effetto significativo sulla propagazione del rumore quando la distanza fra la sorgente sonora ed il ricettore supera un centinaio di metri.
Questo effetto cresce con la distanza e diventa tanto più importante quanto più la sorgente o il ricettore sono vicini al suolo.
Nella situazione in esame si definiscono in generale 9 casi possibili di situazione meteorologica in funzione della direzione di provenienza del vento e delle classi di stabilità, come riassunto nella Tabella 4.1
propagazione dipende dal contributo di due effetti contrapposti: da un lato favorevole/sfavorevole (ovvero, il gradiente di velocità del suono con la quota è positivo o negativo), dall’ altro sfavorevole/favorevole (condizione sopravento/sottovento)
Per quanto riguarda le classi di stabilità atmosferica, essendo lo studio riferito solo ai periodi notturni, i casi possibili si riducono parzialmente alla condizione neutra (isoterma) o debolmente stabile (debole inversione termica) oppure, molto più frequentemente, alla condizione decisamente stabile (inversione termica).
I periodi notturni in analisi sono quasi sempre caratterizzati da situazioni di inversione termica a cui corrisponde una propagazione favorevole delle onde sonore in caso di sottovento ed una propagazione sfavorevole in caso di sopravento.
Comprendere nello studio anche la stabilità atmosferica consente di pesare i contributi dovuti rispettivamente all’effetto del vento e a quello della stabilità atmosferica.