CAPITOLO 3
TECNICHE DI MISURA UTILIZZATE E ANALISI
DEI DATI
In questo capitolo vengono presentate due delle metodologie sperimentali utilizzate nell’ambito del progetto “LEOPOLDO”, che trovano fondamento su protocolli di progetti Europei e sulla normativa tecnica internazionale. In particolare, sono descritte la tecnica del CPX (close proximity index) descritta dalla ISO/CD 11819-2 e quella SPB (Statistical Pass-By) descritta dalla UNI EN ISO 11819-1.
Le due tecniche interessano misurazioni in situ e presentano caratteristiche non invasive, in quanto non richiedono alterazioni delle condizioni di esercizio dell’infrastruttura.
I vantaggi associati a queste sono, dunque, piuttosto evidenti: il campione non deve essere sottratto alla sua sede naturale e, quindi, se studiato in loco, non riporta i danni tipici derivanti da tecniche di estrazione che fanno uso del carotaggio (metodi invasivi). Un’analisi in situ è, pertanto, più rispondente alla situazione reale, poiché in laboratorio non si riprodurranno mai tutti quei fenomeni (riflessioni, assorbimento, condizioni atmosferiche ecc.) presenti nel luogo di misura e che possono influire sui risultati finali.
Inoltre si prende in considerazione l’analisi dei dati derivanti dalle due tecniche valutandone la validità e la possibilità di ottenere risultati idonei ad essere inseriti nel modello teorico descritto nel capitolo successivo, in modo da calcolare la funzione di trasferimento fra la ruota e postazione di misura.
Tali metodologie saranno estese ai siti sperimentali previsti dal Progetto LEOPOLDO (Arezzo, Firenze, Grosseto, Pistoia, Lucca, Massa, Pisa).
3.1 Metodo SPB. Principi generali di funzionamento
Il metodo SPB descritto nella norma UNI EN ISO 11819-1 è utilizzato per la caratterizzazione acustica del manto stradale in relazione alla sua interazione con i veicoli durante il loro transito. In particolare la tecnica prevede di isolare i singoli eventi associati al passaggio di varie tipologie di mezzi (nel presente lavoro verranno presi in considerazione soltanto i mezzi leggeri), caratterizzate da differenti carichi sugli assi (autoveicoli e mezzi pesanti).
Il metodo statistico applicato al traffico passante (SPB) è adoperato essenzialmente per due scopi principali: in primo luogo, può essere usato per classificare le superfici stradali in conformità alla loro influenza sul rumore da traffico (classificazione della superficie); secondariamente, può essere usato per valutare l’influenza sul rumore da traffico di differenti superfici in sedi particolari a prescindere dalle condizioni e dall’età. Quest’ultimo tipo di applicazione può essere utile, per esempio, dove la superficie della sede stradale debba essere sostituita e siano necessarie misurazioni “prima” e “dopo” per valutare le differenze nel rumore da traffico successive al ripristino della superficie (argomento di studio del progetto LEOPOLDO).
Ad ogni modo occorre sottolineare che il metodo descritto dalla norma è riferito ad un traffico che viaggia a velocità costante in condizioni di viabilità regolare, da cui si comprende come sia di difficile estensione al contesto urbano ed extraurbano. Esso prende in considerazione un gran numero di parametri quali il posizionamento del microfono, le condizioni meteorologiche, il rumore di fondo, la tipologia e la velocità dei veicoli ecc..
La strumentazione utilizzata per eseguire l’analisi SPB consta di due microfoni posti rispettivamente a 1,2 m e 3 m sul piano stradale (figura 3.1) e ad una distanza di 7,5 m dall’asse della corsia lungo la quale transitano i veicoli da rilevare (qualora non ci sia lo spazio necessario, vengono posizionati ad una distanza che consenta di eseguire correttamente le misure e, successivamente, vengono apportate delle correzioni previste dalla norma). Entrambi i microfoni sono collegati ad un sistema di acquisizione dati multicanale Orchestra (figura 3.2 e 3.3) a sua volta collegato ad un PC a cui compete l’elaborazione finale dei segnali. Questa catena di misura permette l’acquisizione in contemporanea e sincronizzata degli eventi oggetto di studio; in tal modo è infatti possibile valutare in post-processing le correlazioni tra i segnali acquisiti.
Fig. 3.1: setup sperimentale.
Fig. 3.2: sistema di acquisizione dati multicanale in cui possiamo vedere gli ingressi dei segnali provenienti dai due microfoni.
Fig. 3.3: disposizione dei microfoni nel punto di misura.
L’evento relativo al singolo passaggio viene misurato dalle due postazioni microfoniche a bordo strada e digitalizzato (segnale wav); l’analisi in post-processing consente di calcolare il livello equivalente di pressione sonora (Leq), con un’analisi in frequenza in bande di terzi
d’ottava, e il livello energetico percepito associato a tale transito (SEL “Sound Exposure Level” definito come il livello di pressione sonora che assumerebbe il fenomeno, di durata T, qualora tutta la sua energia fosse concentrata in un secondo) come spiegato di seguito in maniera più dettagliata. Naturalmente, trattandosi di un metodo statistico, necessita di un numero significativo (circa 20) di eventi. Inoltre per una corretta computazione dei livelli è opportuno valutare periodicamente le condizioni meteorologiche (temperatura, umidità relativa, pressione e velocità del vento).
Lo scopo delle acquisizioni è quello di costruire un database di eventi significativi (che presentano cioè una time-history nella quale è possibile isolare l’evento secondo la metodologia descritta in seguito) in maniera tale da poter utilizzare questi dati per modificare la descrizione di sorgente proposta dal Progetto HARMONOISE e adattarla alle strade Italiane con particolare attenzione al modello di emissione legato al contatto ruota pavimentazione.
3.1.1 Origine e caricamento dati
L’analisi si basa sull’elaborazione di un file (.cmg) creato dall’acquisitore multicanale Horchestra contenente i livelli sonori relativi a tutti i passaggi dei veicoli registrati e su di un foglio di calcolo che viene compilato in situ per il conteggio manuale (figura 3.4).
Fig 3.4: : file Excel per il conteggio manuale del traffico nel quale si inserisce manualmente la velocità e la temperatura in corrispondenza del veicolo che è transitato e, automaticamente, l’ora (seconda colonna da
sinistra).
3.1.2
Identificazione
e validazione del singolo evento
L’analisi dei dati dell’acquisitore multicanale Orchestra viene effettuata tramite un opportuno software dBFA fornito a corredo. Il file generale costruito contiene tutti gli eventi registrati in successione, ciascuno composto da due segnali audio (relativi ai due microfoni).
L’evento associato al singolo transito viene isolato e ritenuto valido (validato) controllando la corrispondenza con i dati del conteggio manuale; successivamente viene salvato in una directory dedicata, sede di tutte le analisi post-processing relative a quel particolare passaggio (attribuendogli un nome del tipo oommss-vvv, ad esempio 142755-v46 rappresentativo dell’orario registrato dal conteggio manuale e della velocità di transito).
3.1.3 Operazioni di validazione e trattamento con i livelli
L’analisi degli eventi secondo la norma UNI EN ISO 11819-1 si basa sull’analisi dei livelli di pressione per banda associati all’istante in cui si registra il massimo Leq relativo al
singolo evento, avendo cura di considerare un’opportuna finestra temporale.
Operativamente, nell’ambito del progetto LEOPOLDO è stata verificata una maggiore coerenza dei risultati ottenuti una volta calcolato il SEL dell’intero evento, considerando come “code” gli istanti in cui il livello globale ponderato “A” risulta inferiore di 10 dB(A) rispetto al livello di picco. La differenza sostanziale rispetto alla procedura normata riguarda il fatto che il Leq sul massimo non è ritenuto rappresentativo dell’energia dell’evento, in
quanto ne considera soltanto una frazione (come specificato dal Progetto HARMONOISE). La procedura adottata consiste, quindi, nel calcolare il SEL per ogni banda di terzi d’ottava di ciascun evento per entrambi i segnali dei microfoni, nel range di frequenze tra 25 e 10 KHz. A tale scopo:
) A partire dal file relativo al singolo evento si seleziona la traccia relativa al segnale da trattare;
) Tramite apposita funzione del programma di post-processing si applica il modulo di calcolo relativo al Leq ponderato “A”, con un “time step” di 20 ms e costante di
integrazione “Fast”;
) Vengono verificate le caratteristiche di validazione descritte dalla normativa di riferimento UNI EN ISO 11819-1;
) Si isola la parte di segnale corrispondente ad una differenza di livello di 10 dB(A) tra il massimo e le “code”;
) Si applica alla porzione di segnale selezionata il modulo di calcolo dello spettro in modalità di filtro digitale, che simula in post-processing le condizioni di caricamento dei filtri dei comuni fonometri di classe 1;
) Si esporta quanto ottenuto in un opportuno foglio di calcolo (figura 3.5), allo scopo di apportare la correzione del termine temporale per il calcolo del SEL a partire dal Leq.
Fig. 3.5: interfaccia funzionale all’importazione dei dati che devono essere trattati per le analisi successive.
In figura 3.6 è rappresentata la finestra in cui sono presenti i segnali registrati dall’acquisitore multicanale Orchestra (le prime due sono le righe relative ai due microfoni) e quelli creati per ciascun microfono secondo i moduli di calcolo del LAeq e dello Spettro 1/3.
Nella finestra in alto a destra, è rappresentato il risultato del calcolo secondo il modulo LAeq, nel quale, spostandosi con i cursori, è possibile annotare i tempi relativi agli estremi
dell’evento (dal picco a – 10 dB(A)). Nella finestra in basso a sinistra viene visualizzato il segnale registrato relativo al microfono a 1.2 m in cui è stato selezionato l’intervallo temporale corrispondente al valore di picco meno 10 dB(A) ricavato in precedenza.
Nella finestra in basso a destra, è rappresentato il risultato del calcolo secondo il modulo mediante il quale si ottiene il Leq per banda di terzi d’ottava (spettro 1/3) ovviamente
Fig. 3.6: interfaccia del software dBFA.
Nel successivo foglio di calcolo (figura 3.7) si ricavano i SEL normalizzati secondo la procedura dettata da Harmonoise (come dettagliatamente descritto nel capitolo successivo). Infatti, ai valori calcolati si apportano alcune correzioni dovute sia alla distanza effettiva tra il microfono (1.2 m. o 3 m.) e la sorgente presa in considerazione (0.01 m. o 0.3 m.), sia relativa all’angolo di vista dell’evento.
Questo passaggio è di fondamentale importanza, poiché consente di uniformare i valori misurati. Infatti, partendo da questi valori, tramite l’applicazione di alcune correzioni geometriche, si ottengono valori normalizzati cioè dei valori che, avendo tutti le medesime caratteristiche per quanto riguarda le condizioni di misura, possono essere confrontati tra loro.
Fig. 3.7: file Excel che permette di calcolare il SEL normalizzato di ciascun evento relativo all’acquisizione di ciascun microfono per il range di frequenze tra 25 e 10 kHz a partire dal Leq per
banda.
A questo punto si riportano i valori relativi ai SEL per banda d’ottava normalizzati di figura 3.7, calcolati a partire dai Leq per banda d’ottava nel foglio di calcolo mostrato in figura
4.19 utilizzato per ricavare i vari coefficienti e le potenze di rotolamento e di motore come descritto nel capitolo successivo.
3.2 Metodo CPX. Principi generali di funzionamento
Uno dei due metodi di indagine utilizzati è il Close Proximity Index (CPX) regolamentato dalla norma ISO/CD 11819-2, finalizzato alla caratterizzazione degli asfalti dal punto di vista del rumore prodotto dall’interazione ruota-pavimentazione, nelle condizioni in cui quest’ultimo sia dominante sul rumore prodotto dal motore. Tale metodo va ad affiancarsi in maniera complementare al metodo SPB, con l’obiettivo di essere utilizzato anche in particolari applicazioni (caratterizzazione dal punto di vista del rumore del manto stradale di un generico sito, allo scopo di verificare l’effettiva corrispondenza delle specifiche di progettazione della tipologia di pavimentazione) per le quali risulta più pratico, veloce ed economico.
Per effettuare le misure secondo questo metodo si utilizzano 2 microfoni posti in prossimità della ruota, si misurano i livelli di pressione sonora pesati A, ad alcune velocità di riferimento su un arbitrario o specifico manto stradale. Per ogni segmento del tratto di strada esaminato si calcola il livello medio misurato da ogni microfono, normalizzando il valore alla velocità di riferimento. La risultante media aritmetica dei livelli dei microfoni è il livello sonoro ruota-strada LTR. Un’opportuna combinazione lineare dei LTR misurati con diverse ruote determinerà il CPX-index del segmento per ogni velocità di riferimento.
Per misurare lo spazio percorso viene utilizzato un encoder applicato alla ruota posteriore sinistra. Tale apparecchio è composto da un perno la cui estremità viene montata solidale al centro della ruota. L’altra estremità del perno è libera di ruotare all’interno di un sistema di contatti elettrici disposti secondo una logica geometrica a settori circolari in modo tale che l’apparecchio generi una tensione alternativamente pari a 0 o 5 Volts durante lo spazzamento di un angolo di 18°. Il segnale risulta quindi formato da onde quadre di semiperiodo variabile, con periodo spaziale pari alla rotazione di un settore di 36° (≈ 0.19 m in questo caso).
Il sistema di acquisizione previsto è posizionato nel seguente modo (figura 3.8):
- ad una distanza orizzontale di A = 0.20 m (±0.02 m) dal piano ruota (piano verticale, perpendicolare al terreno tangente la ruota);
- ad un’altezza da terra pari a 0.10 m (±0.0 2m);
- il microfono 1 ad un angolo di 45° (±5°) con la direzione di moto, il microfono 2 ad un angolo di 135° (±5°) con la direzione di moto;
- l’asse di riferimento per la condizione di campo libero diretto verso il punto di interazione ruota-strada;
.Figura 3.8: Posizionamento dei microfoni secondo la ISO/CD 11819-1.
La ISO/CD 11819-2 prescrive anche le posizioni di altri tre microfoni opzionali, ma nelle misure effettuate nell’ambito del presente lavoro sono sempre stati utilizzati solo i due microfoni principali. I microfoni devono essere dotati di cuffie antivento e devono essere calibrati prima e dopo ogni misura. La calibrazione a fine misura non si deve discostare di più di 0.5 dB dal valore di calibrazione trovato ad inizio misura, pena la non validità della misura.
Dovendo effettuare l’analisi dei dati su base spaziale è necessario avere l’informazione spazio in funzione del tempo, per poter passare biunivocamente dalla variabile indipendente tempo (dell’acquisizione acustica) alla variabile indipendente spazio.
Le condizioni generali di misura sono:
- la superficie stradale deve essere asciutta e pulita (cioè priva di materiale grossolano come ghiaia o foglie);
- il tratto sperimentale deve essere più rettilineo possibile;
- il rumore di fondo deve essere inferiore di 10 dB(A) rispetto ai livelli sonori pesati A ed ai livelli di ogni singola banda di terzi d’ottava (nel range 315 Hz - 4000 Hz), misurati da ogni microfono;
- non devono essere presenti superfici riflettenti ad una distanza inferiore ai 2 m dai microfoni;
- la ruota deve essere portata alla temperatura di lavoro usuale, guidando il veicolo per almeno 15 minuti prima di cominciare ad effettuare le misure;
Inoltre il protocollo di misura prevede che il tratto di strada sperimentale deve essere suddiviso in segmenti lunghi 20 m, in un numero intero non inferiore a 5, la misura deve essere effettuata utilizzando alternativamente 4 tipi di ruote di riferimento (tipi A, B, C, e D definiti in Appendice A della ISO/CD 11819-2), che si differenziano tra loro per il diverso pattern del battistrada, diverse dimensioni e materiali di costruzione. Devono essere effettuate almeno due ripetizioni per ognuna delle velocità di riferimento (50 km/h, 80 km/h e 110 km/h), misurate con un’accuratezza almeno di 1 km/h. Per ogni segmento è tollerato uno scostamento massimo del 20% per le due più basse velocità di riferimento (rispettivamente 10 km/h e 16 km/h) e di 15 km/h per la velocità più alta. Inoltre la velocità media fra tutte le ripetizioni sull’ intero tratto sperimentale non si deve discostare di più del 5% della velocità di riferimento a cui sono state eseguite (rispettivamente 2,5 km/h, 4 km/h e 5,5 km/h). Per ogni segmento, tipo di ruota e velocità di riferimento si calcola il LTR e lo spettro in bande di terzi d’ottava come media aritmetica rispettivamente dei livelli ponderati A e degli spettri misurati dai due microfoni e si applica la correzione per la velocità secondo la formula:
)) ( 10 log( 35 REF MIS MIS CORR L V V L = + ⋅ ⋅ ⋅
Utilizzando definite combinazioni lineari dei livelli (mediati sulle ripetizioni) riferiti alle varie ruote di riferimento, si calcola il CPX index, per segmento e velocità di riferimento, rappresentativo di differenti tipologie di traffico seguendo uno dei due metodi proposti (da scegliere secondo le condizioni di misura, lunghezza del tratto sperimentale, tempo e budget a disposizione, disponibilità delle diverse tipologie di ruote):
Investigatory Method:
Traffico di veicoli leggeri: CPXL=0.25⋅LATR +0.25⋅LBTR +0.25⋅LCTR +0.25⋅LDTR
Traffico di veicoli pesanti: CPXH =LDTR
Traffico misto: CPXI =0.20⋅LATR +0.20⋅LBTR +0.20⋅LCTR +0.40⋅LDTR Survey Method:
Traffico di veicoli leggeri: CPXL=LATR +1 Traffico di veicoli pesanti: CPXH =LDTR
Traffico misto: CPXI =0.50⋅LATR +0.50⋅LBTR +0.5
dove gli indici sono in dB(A) e per LATR , LBTR , LCTR , LDTR si intende i LTR misurati
Come la norma stessa puntualizza, i vari indici CPX non sono i livelli equivalenti stimati per il rumore da traffico, per quanto sia ipotizzabile la costruzione di un modello che correli le due quantità. L’idea di fondo è di affiancare il CPX allo spettro di emissione e di utilizzare entrambi come criterio di classificazione (quali-quantitativa) delle differenti tipologie di pavimentazione.
In tutte le misure effettuate nell’ambito del presente lavoro è stato utilizzato un solo tipo di ruota, appartenente alla categoria A definita dalla norma ISO/CD 11819-2. I risultati delle misure inerenti al Progetto Leopoldo sono stati presentati in termini di CPXL, calcolato secondo il Survey Method.
Per una più facile applicabilità del metodo sul territorio e per ragioni di praticità di montaggio della strumentazione, la ruota utilizzata per la misura è quella in posizione posteriore destra del veicolo (Citroen, modello Xsara Picasso, alimentata a benzina), utilizzando le positive conclusioni di alcuni studi mirati a dimostrare l’ininfluenza del rumore delle altre tre ruote, del motore e della turbolenza nell’utilizzare il veicolo stesso invece del carrello trainato [20].
.Figura 3.9: Sistema utilizzato per il posizionamento dei microfoni.
Per posizionare i microfoni si utilizza un sistema di barre di alluminio (Figura 3.9) bloccate sotto la carrozzeria mediante appositi ganci solidali ad essa, studiato in modo da minimizzare gli effetti aerodinamici. I microfoni sono posizionati secondo quanto prescritto dalla norma, alle estremità basse di due tondini filettati, regolabili facilmente in altezza rispetto a terra, e sono diretti in modo che il loro asse di riferimento per il campo libero risulti parallelo a terra ed alla direzione di moto. La scelta del differente posizionamento dei
microfoni rispetto a quanto prescritto dalla ISO/CD 11819-2 (asse di riferimento per il campo libero in direzione del punto di contatto ruota – pavimentazione) nasce da semplici ragioni di praticità di montaggio, ed è avallato da studi finalizzati a valutare la compatibilità dei due diversi posizionamenti.
3.2.1 Analisi dei dati CPX
L’analisi dei dati secondo la tecnica CPX consente di utilizzare una procedura molto più semplice e veloce rispetto a quella utilizzata per la tecnica SPB. L’analisi si basa sull’elaborazione di un file audio (.wav, formato che il software di analisi dBFA tratta in maniera identica ai file .cmg descritti precedentemente) creato dall’acquisitore multicanale Simphonie per ciascun passaggio e contenente i segnali relativi ai due microfoni posizionati alla ruota posteriore destra in prossimità del contatto con la pavimentazione come descritto nel paragrafo precedente.
Ciascun file contiene i riferimenti temporali e di velocità relativi ad ogni passaggio in modo tale da poterlo associare al passaggio corrispondente rilevato con la tecnica SPB.
Essendo la strumentazione di misura solidale con il veicolo, si ottengono dei segnali che non presentano picchi particolari (a meno che le condizioni del manto stradale non siano irregolari), ma sono per lo più costanti in tutto l’intervallo di acquisizione. Quindi, conoscendo il punto di inizio dell’acquisizione (fissato all’inizio della sessione di misura) e grazie all’encoder montato sulla ruota posteriore sinistra, che misura lo spazio percorso dalla vettura, si è in grado di ricavare esattamente il punto in cui l’auto dotata di strumentazione CPX transita davanti all’apparato sperimentale SPB. Questo permette di isolare, ai fini dell’analisi CPX, i tempi indicati dal set-up SPB.
A questo punto si applica la stessa identica procedura descritta nel paragrafo precedente e si ottengono i due SEL relativi a ciascun microfono. Questi vengono mediati algebricamente come suggerito dalla norma dedicata. Chiaramente a questi valori non viene applicata alcuna correzione riguardante direttività, angolo di vista dell’evento ecc. come specificato per l’altra tecnica di misura.
