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STUDIOE APPLICAZIONEDI SISTEMIDI CONTROLLOATTIVODEL RUMORESU IMBARCAZIONIDA DIPORTOE NAVI

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gennaio 2012

STUDIOE APPLICAZIONEDI SISTEMIDI CONTROLLOATTIVODEL RUMORESU IMBARCAZIONIDA DIPORTOE NAVI

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INDICE

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INTRODUZIONE

SISTEMI DI CONTROLLO VIBRO-ACUSTICO PER VEICOLI TRASPORTO PASSEGGERILO STATO DELL’ARTE SUL CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE (ANC)Prof. Paolo Gardonio Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale e Meccanica, Università di Udine

ASPETTI TECNOLOGICI DEL PROTOTIPOIng. Gabriele Castelli, ESION Srl

RICADUTE POSITIVE DELL’INTRODUZIONE DEL CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE SULLA SALUTEDott. Ezio Gallas, Medico Chirurgo

L’IMPORTANZA DI SOLUZIONI PER L’ANC PER I PRODUTTORI DI IMBARCAZIONIIL CONTROLLO ATTIVO NEGLI IMPIANTI DI BORDOIng. Francesco De Lorenzo Fincantieri

LE NUOVE FRONTIERE DEL COMFORT SUGLI YACHTSIng. Paolo Cerisola, Monte Carlo Yachts

PROSPETTIVE FUTURE PER L’USO DEI RISULTATI DELLA RICERCA INDUSTRIALE CONDOTTA NELL’AMBITO DEL PROGETTO SASCARIntervento di apertura di Tullio Paiza, Presidente di ESION Srl, all’evento di presentazione del progetto – Marina di Lepanto 9 giugno 2011

CREDITS .

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INTRODUZIONE

Il progetto SASCAR - Studio ed applicazione di sistemi di controllo attivo del rumore su imbarcazioni da di-porto e navi, prevede lo sviluppo e l’applicazione di un sistema di controllo attivo del rumore dedicato al con-trollo delle emissioni con componenti a bassa frequenza propagate da alcuni sistemi presenti a bordo, come ad esempio gli impianti di ventilazione e condizionamento, o i generatori. L’obiettivo è rendere più comoda e piace-vole l’esperienza di navigazione per i passeggeri e ridurre l’esposizione al rumore del personale di bordo. Il progetto è co-finanziato dal POR FESR 2007 - 2013 Obiettivo Competitività regionale e Occupazione della Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia ed è una del-le sette iniziative approvate a fine 2010 nell’ambito del bando per la realizzazione di progetti di ricerca indu-striale nei settori della cantieristica navale e della nau-tica da diporto.

Il contesto nel quale si inserisce SASCAR vede la com-petizione tra costruttori (tanto di yacht di grandi dimen-sioni e imbarcazioni da diporto, quanto di navi trasporto merci e passeggeri) sempre più incentrata sul migliora-mento del comfort a bordo.Tra gli aspetti che incidono maggiormente sulla sensa-zione di comfort c’è quello del controllo del rumore e del-le vibrazioni. I sistemi tradizionali utilizzano metodi pas-sivi, che prevedono l’impiego di materiali fono isolanti e/o fonoassorbenti e di materiali antivibranti. Questi sistemi, tuttavia, comportano degli svantaggi legati al peso dei materiali medesimi, di cui si deve tener conto nelle solu-zioni ingegneristiche applicate nell’architettura navale.

Il progetto SASCAR punta a studiare soluzioni migliora-tive dei sistemi di mitigazione del rumore e delle vibra-zioni su imbarcazioni di qualsiasi dimensione e tipologia, attraverso l’adozione di un approccio innovativo ed effi-cace laddove i tradizionali sistemi di insonorizzazione si rivelano inadeguati.Si prevede, infatti, l’applicazione di un sistema a control-lo attivo del rumore (ANC - Active Noise Control), dedica-to al controllo delle emissioni con componenti a bassa frequenza.Gli obiettivi specifici del progetto SASCAR sono:> ottenere una base di dati relativa al rumore prodotto dagli impianti a bordo di navi o yacht;> sviluppare un sistema ANC, nelle sue componenti har-dware e software, che sia efficace, economico e versatile nei confronti delle diverse problematiche che si possono riscontrare sulle imbarcazioni.

Già nei primi mesi di attività, il progetto ha dimostrato di possedere potenziali risvolti commerciali molto inte-ressanti, come emerso nel corso dell’evento di presen-tazione del progetto medesimo (Monfalcone, 9 giugno 2011), al quale hanno partecipato importanti imprese del settore navale e nautico, come Ansaldo Sistemi Indu-striali, Fincantieri, Montecarlo Yacht (gruppo Beneteau) e Wartsila.

Un altro elemento significativo del progetto SASCAR ri-guarda il partenariato che sta portando avanti questa iniziativa, composto da: > Esion Srl (capofila), piccola e media impresa specializ-zata nel campo dell’acustica e delle vibrazioni;> Università degli Studi di Udine - Dipartimento di Inge-gneria Elettrica, Gestionale e Meccanica;> Friuli Innovazione - Centro di Ricerca e di Trasferimento Tecnologico, ente gestore del Parco Scientifico e Tecno-logico “Luigi Danieli” di Udine;> RINAVE - Consorzio per l’Alta Ricerca Navale.

La composizione del consorzio che ha promosso il pro-getto SASCAR è un esempio concreto di collaborazione tra il mondo della ricerca e quello dell’impresa, in cui Esion e il Dipartimento dell'ateneo udinese svolgono le attività di ricerca e sviluppo, mentre Friuli Innovazione e RINAVE si occupano delle attività di coordinamento pro-gettuale e di diffusione e divulgazione dei risultati.

Questo modello di collaborazione pubblico-privato, nel quale esperienze e competenze diverse e multidiscipli-nari concorrono al raggiungimento di risultati concreti a beneficio della comunità imprenditoriale e scientifica, è stato reso possibile grazie al sopracitato bando per la realizzazione di progetti di ricerca industriale nei setto-ri della cantieristica navale e della nautica da diporto. Il bando, elaborato dalla Regione Autonoma Friuli Venezia Giulia per investire i fondi del POR FESR 2007-2013, ha messo a disposizione oltre 5 milioni di Euro per iniziative ad elevato impatto sistemico.

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SISTEMI DI CONTROLLO VIBRO-ACUSTICO PER VEICOLI TRASPORTO PASSEGGERI *

LO STATO DELL’ARTE SUL CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE (ANC)

ABSTRACTLa nuova generazione di veicoli per il trasporto passeg-geri, in particolare auto e aerei, richiede soluzioni inno-vative per la riduzione del rumore interno che possano soddisfare i nuovi criteri di progettazione. In particola-re, dato il crescente costo del carburante causato dalla riduzione delle scorte di petrolio e vista la sempre più pressante richiesta per la riduzione delle emissioni di gas inquinanti nell’aria, vi è un grande interesse a rea-lizzare veicoli leggeri a basso consumo. Le tecnologie del controllo attivo del rumore e delle vibrazioni offrono so-luzioni interessanti che possono essere efficacemente combinate a trattamenti passivi leggeri per il controllo del rumore a basse e medie frequenze audio. La parte introduttiva dell’articolo offre una panoramica dei principi del controllo attivo del rumore con sistemi in “feed-forward” e “feedback” per il controllo di disturbi to-nali e stocastici rispettivamente. Le tre sezioni seguenti presentano i concetti base del controllo attivo del rumore all’interno di un veicolo, l’isolamento attivo della trasmis-sioni delle vibrazioni generate da specifiche componenti meccaniche ed infine il controllo della trasmissione del rumore attraverso le pareti sottili del veicolo.

1. INTRODUZIONEDurante gli ultimi venticinque anni, la ricerca sul control-lo del rumore e delle vibrazioni ha subito un forte impul-so grazie ad una nuova metodologia nota come “controllo attivo del rumore e delle vibrazioni”. I concetti base del controllo attivo acustico furono introdotti da Lueg nel 1936 [1] che presentò un brevetto per il controllo attivo in avanti (feed-forward) di onde acustiche tonali che si propagano su guide monodimensionali ed anche nello spazio tridimensionale libero. Tuttavia i primi studi spe-rimentali con semplici circuiti analogici di controllo fu-rono presentati circa due decenni dopo da Olson e May [2] e da Conover [3]. Ci vollero in seguito altri vent’anni per arrivare allo studio e allo sviluppo delle prime appli-cazioni con sistemi di controllo più complessi basati su tecnologia digitale [4,5]. Durante gli anni 80, diversi ricercatori iniziarono a stu-diare la fattibilità della tecnologia “Active Noise Control” (ANC) per ridurre i forti disturbi tonali rilevati nelle ca-bine di aerei e prodotti dalle pale dei propulsori ad elica [6,7,8] e per ridurre i disturbi tonali percepiti all’interno di auto-vetture e generati dal motore [9,10]. In seguito vennero realizzate dimostrazioni sperimentali su veicoli in scala reale e si procedette alle prime prove per testare l’efficacia di questa tecnologia sia negli aerei a propul-sione ad elica e negli elicotteri [5], sia nelle autovetture [11,12,13]. Solitamente questi tipi di sistemi di controllo utilizzano un controllore multicanale che guida degli al-toparlanti posizionati dietro i pannelli interni della cabi-na passeggeri o dell’automobile (soprattutto i pannelli laterali e quelli sottostanti gli scomparti per i bagagli della cabina degli aerei op-pure i pannelli degli sportel-li dell’auto) in modo da ridurre il rumore nelle vicinanze della testa dei passeggeri. Questo tipo di controllo è re-alizzato con un algoritmo feed-forward adattativo che si basa su un segnale di riferimento normalmente mi-surato con un tachimetro posizionato sul rotore di una delle eliche di propulsione dell’aereo oppure sull’albero motore dell’auto e su segnali di errore forniti da microfo-ni posizionati sui poggia testa dei sedili dei passeggeri [4,5]. I sistemi di controllo per il rumore in cabina svilup-pati recentemente utilizzano attuatori elettrodinamici inerziali [14] oppure risuonatori accordati attivamente

Prof. Paolo Gardonio Dipartimento di Ingegneria Elettrica Gestionale e Meccanica, Università di Udine

* Questo articolo è stato pubblicato sugli atti del 37 Convegno Nazionale Associazione Italiana di Acustica. Siracusa 26 – 28 Maggio 2010. Si ringrazia l’Associazione Italiana di Acustica per aver concesso la possibilità di utilizzare l’articolo in questa pubblicazione.

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* Parte di questo articolo prende spunto dalla referenza [25].

[15,16] che vengono montati sulla struttura della fuso-liera dell’aereo cosicchè il campo acustico di controllo viene generato dai pannelli della fusoliera stessa con maggiore efficienza rispetto agli altoparlanti. I primi esperimenti condotti su aerei con propulsione ad elica diedero risultati molto incoraggianti e quindi, pochi anni dopo i primi test di prova, si procedette alla realizzazio-ne e allo sviluppo delle prime applicazioni commerciali [14,17,18]. Ad oggi sono stati istallati più di mille sistemi di controllo del rumore in cabina in aerei con propulsio-ne ad elica di vari produttori. Ad esempio, questo tipo di sistema viene installato su tutti i veicoli Bombardier DASH-8. Al contrario, nel settore automobilistico que-sto tipo di tecnologia non ha ancora trovato un utilizzo commerciale diffuso. Pro-babilmente questa situazio-ne è dovuta sia al costo delle componenti (microfoni, altoparlanti, controllore) che al costo di istallazione di questi sistemi attivi (connessioni elettriche, software di controllo) che quindi porterebbe ad una riduzione consistente dei già bassi margini di guadagno tipici del settore automobilistico. Tuttavia, questa situazione sta progressivamente cambiando, soprattuto in relazione al fatto che oggi si può integrare il sistema di controllo nei sistemi Hi-Fi digitali attualmente utilizzati nelle vetture e quindi ridurre notevolmente sia i costi delle compo-nenti (solo microfoni) che i costi di istallazione (solo il software di controllo). Inoltre, il problema del costo dei carburanti (dovuto alla ridotta disponibilità futura di pe-trolio) e il problema del riscaldamento terrestre (dovuto principalmente alle emissioni di CO2) stanno forzando l’industria automobilistica a produrre autovetture sem-pre più leggere e con motori leggeri di bassa cilindrata che tuttavia presentano grandi problemi di rumore. I sistemi di controllo attivo del rumore permettere di ri-solvere parte di questi problemi (sopratutto il rumore prodotto dal motore e parzialmente il rumore prodotto dalle ruote a basse frequenze) senza influire sul peso dell’autovettura. Infine un dato sistema di controllo può essere istallato su più modelli di autovetture con note-vole riduzione dei costi di progettazione e sviluppo dei veicoli.I successi ottenuti con il controllo attivo del rumore han-no spinto la ricerca verso nuove so-luzioni basate sul controllo attivo. Ad esempio sistemi di “Active Vibration Control” (AVC) sono stati sviluppati per mitigare la tra-smissione delle vibrazioni attraverso gli elementi strut-turali che connettono il rotore alla struttura della cabi-na degli elicotteri [19,20]. Inoltre, assorbitori dinamici adattativi sono stati utilizzati per controllare il rumore vibro-acustico generato dai motori a getto montati sul-la parte posteriore della fusoliera degli aerei DC-9 and MD-80 della McDonnel Douglas [21]. In parallelo, sono stati sviluppati anche dei sistemi di sospensione attiva per i motori delle automobili, comandati da un control-lore di tipo feed-forward che minimizza il rumore all’in-terno dell’autovettura [22,23,24].A partire dalla prima metà degli anni 90, c’è stata una

grande attività di ricerca per svilup-pare le cosidette “smart structures” (strutture intelligenti) per l’“Active Structural Acoustic Control” (ASAC). Questi sistemi di controllo sono stati studiati principalmente per applica-zioni aeronautiche [25]. Essi sono costituiti da sensori e attuatori direttamente connessi alla struttura dell’aereo che pertanto risulta essere leggera e compatta e in gra-do di ridurre la trasmissione del rumore vibro-acustico verso la cabina [26,27]. L’interesse per le smart struc-tures è motivato anche dal fatto che, utilizzando coppie di sensori e attuatori collocati, si possono implementa-re controlli in retroazione (feedback) che permettono il controllo di disturbi stocastici (random) stazionari come ad esempio il rumore aerodinamico dovuto al flusso tur-bolento dell’aria sulla superfice della fusoliera oppure il rumore dei motori a reazione [26]. Una prima appli-cazione è stata sviluppata recentemente per il veicolo trasporto mezzi A400M dell’Airbus: questa prevede un grande numero di attuatori elettrodinamici inerziali montati direttamente sulla fusoliera dell’aereo in modo da ridurre il rumore dei quattro propulsori fissati sulle ali dell’aereo, rumore efficacemente trasmesso all’in-tero tramite i pannelli sottili di alluminio (circa 1.3-1.5 mm) di cui è composta la fusoliera. Questo articolo* introduce gli aspetti principali che ca-ratterizzano i sistemi di controllo del rumore e delle vi-brazioni con architetture feed-forward e feedback. Inol-tre, presenta una breve descrizione delle applicazioni di maggior successo che sono state studiate e sviluppate fino ad oggi in campo aeronautico e automobilistico. L’articolo è organizzato in cinque sezioni. La seconda sezione introduce i concetti base delle architetture di controllo feed-forward e feedback. Le sezioni 3, 4 e 5 presentano i sistemi principali che sono stati studiati a) per il controllo del rumore interno, b) per l’isolamento di organi vibranti e c) per il controllo della trasmissione del rumore attraverso pareti sottili.

2. ARChITETTURE DI CONTROLLOIn generale le architetture dei sistemi di controllo acu-stico e vibratorio sono divise in due categorie principa-li: architettura feed-forward e architettura feedback. Entrambi gli approcci si pos-sono implementare con una sola coppia sensore-attuatore ed un controllore a canale singolo, oppure con più sensori e attuatori e un controllore multicanale. I principi fondamentali di que-sti due approcci sono riassunti brevemente nelle due sottosezioni riportate di seguito con riferimento al pro-blema del controllo del rumore all’interno della cabina di un aereo a propulsione ad elica oppure all’interno di un’autovettura con un sistema multi-canale di control-lo. L’obiettivo è di introdurre i concetti fondamentali dei due approacci e di mettere in risalto le limitazioni di tali sistemi con riferimento alle applicazioni nel campo ae-ronautico e automobilistico.

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2.1 ARChITETTURA fEED-fORwARD PER IL CONTROLLO DEL RUMORE TONALE

I sistemi di controllo feed-forward sono particolarmente adatti per il controllo di disturbi deterministici, come ad esempio i disturbi armonici oppure periodici per i quali un segnale di riferimento può essere misurato con relati-va facilità. Per esempio, considerando il problema del controllo del rumore tonale prodotto dalle eliche dell’ae-reo (Figura 1a) oppure del rumore tonale prodotto dal motore di un’autovettura (Figura 1b), come rappresenta-to schematicamente con il diagramma a blocchi in Figu-ra 2, il segnale di riferimento, misurato con un tachimetro sul rotore dell’elica di un propulsore, viene passato attra-verso un banco di filtri

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rumore interno, b) per l’isolamento di organi vibranti e c) per il controllo della trasmissione del rumore attraverso pareti sottili.

2. Architetture di controllo

In generale le architetture dei sistemi di controllo acustico e vibratorio sono divise in due ca-tegorie principali: architettura feed-forward e architettura feedback. Entrambi gli approcci si pos-sono implementare con una sola coppia sensore-attuatore ed un controllore a canale singolo, oppure con più sensori e attuatori e un controllore multicanale. I principi fondamentali di questi due approcci sono riassunti brevemente nelle due sottosezioni riportate di seguito con riferi-mento al problema del controllo del rumore all’interno della cabina di un aereo a propulsione ad elica oppure all’interno di un’autovettura con un sistema multi-canale di controllo. L’obiettivo è di introdurre i concetti fondamentali dei due approacci e di mettere in risalto le limitazioni di tali si-stemi con riferimento alle applicazioni nel campo aeronautico e automobilistico. 2.1 Architettura feed-forward per il controllo del rumore tonale

I sistemi di controllo feed-forward sono particolarmente adatti per il controllo di disturbi de-

terministici, come ad esempio i disturbi armonici oppure periodici per i quali un segnale di rife-rimento può essere misurato con relativa facilità. Per esempio, considerando il problema del controllo del rumore tonale prodotto dalle eliche dell’aereo (Figura 1a) oppure del rumore tonale prodotto dal motore di un’autovettura (Figura 1b), come rappresentato schematicamente con il diagramma a blocchi in Figura 2, il segnale di riferimento, misurato con un tachimetro sul rotore dell’elica di un propulsore, viene passato attraverso un banco di filtri ,21 mh, , hh che gene-

rano i segnali di controllo ,21 ms, , ss . Questi segnali guidano gli attuatori (altoparlanti)o in modo da produrre il controllo del rumore desiderato. In linea teorica i filtri di controllo potrebbero essere scelti in modo da minimizzare l’energia potenziale acustica nella cavità; tuttavia in prati-ca viene implementata una strategia alternativa dove gli altoparlanti di controllo sono guidati in modo da minimizzare la somma dei quadrati dei valori medi dei segnali ,21 ne, , ee prodotti dai sensori (microfoni) d’errore.

Se, ad esempio, il disturbo primario è armonico con pulsazione oω , allora, come mostrato

schematicamente nel diagramma a blocchi in Figura 2, il vettore con gli n fasori complessi dei segnali della pressione acustica misurati dai microfoni d’errore )( 0ωe può essere espresso

come la somma del vettore )( 0ωd con le pressioni acustiche ,21 nd, , dd generate dal di-

sturbo primario in corrispondenza dei microfoni d’errore e del vettore )( 0ωcd con le pressioni

acustiche ,21 cncc d, , dd generate dagli altoparlanti di controllo sempre in corrispondenza dei microfoni d’errore.

che generano i se-gnali di controllo . Questi segnali guida-no gli attuatori (altoparlanti) o in modo da produrre il controllo del rumore desiderato. In linea teorica i filtri di controllo potrebbero essere scelti in modo da minimizzare l’energia potenziale acustica nella cavità; tuttavia in prati-ca viene implementata una strategia alternativa dove gli altoparlanti di controllo sono guidati in modo da minimiz-zare la somma dei quadrati dei valori medi dei segnali

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prodotti dai sensori (microfoni) d’errore.Se, ad esempio, il disturbo primario è armonico con pul-sazione

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, allora, come mostrato schematicamente nel diagramma a blocchi in Figura 2, il vettore con gli

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fasori complessi dei segnali della pressione acustica mi-surati dai microfoni d’errore

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può essere espresso come la somma del vettore con le pressioni acustiche generate dal disturbo primario in corrispondenza dei mi-crofoni d’errore e del vettore

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con le pressioni acu-stiche

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generate dagli altoparlanti di con-trollo sempre in corrispondenza dei microfoni d’errore.

Il vettore

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Figura 1 - Schema di un sistema Active Noise Control multicanale con architettura feed-forward per la riduzione del rumore tonale in cabina di aerei con propulsione ad elica (a) e all’interno di autovetture con motore a scoppio (b).

Figura 2: Diagramma a blocchi di un sistema Active Noise Control multicanale con architettura di controllo feed-forward per la riduzione dei disturbi tonali.

Il vettore )( 0ωcd può essere ricavato dal prodotto della matrice )( 0ωesG con dimensione mn× , i cui elementi sono formati dalle risposte in frequenza tra ogni sensore d’errore (micro-

fono) e gli attuatori di controllo (altoparlanti), e il vettore con i segnali che guidano gli attuatori di di controllo (altoparlanti ) )( 0ωs , cioè )()()( 000 ωωω sGd esc = . Quindi, il vettore con i segnali di errore può essere espresso come

(1) )()()()()()( 000000 ωωωωωω sGddde esc +=+= .

I segnali ,21 ms, , ss che guidano gli m altoparlanti di controllo vengono generati passando

il segnale di riferimento correlato al disturbo primario )( or ω attraverso un set di m filtri di con-

trollo ,21 mh, , hh ; perciò il vettore )( oωs può essere espresso come (2) )()()( ooo r ωωω hs = ,

può essere ricavato dal prodot-to della matrice

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con dimensione

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, i cui elementi sono formati dalle risposte in frequenza tra ogni sensore d’errore (microfono) e gli attuatori di con-trollo (altoparlanti), e il vettore con i segnali che guida-no gli attuatori di di controllo (altoparlanti)

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, cioè

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. Quindi, il vettore con i segnali di errore può essere espresso come

(1)

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I segnali

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che guidano gli

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altoparlanti di controllo vengono generati passando il segnale di rife-rimento correlato al disturbo primario

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attraverso un set di

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filtri di controllo

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; perciò il vettore

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può essere espresso come

(2)

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dove

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è il vettore con gli

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filtri di controllo. Quin-di, sostituendo l’equazione (2) nell’equazione (1), per mi-nimizzare la somma del valore medio quadrato dei se-gnali d’errore, si deve minimizzare la seguente funzione di costo quadratica:

(3)

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Figura 2: Diagramma a blocchi di un sistema Active Noise Control multicanale con archi-tettura di controllo feed-forward per la riduzione dei disturbi tonali.

Il vettore )( 0ωcd può essere ricavato dal prodotto della matrice )( 0ωesG con dimensio-ne mn× , i cui elementi sono formati dalle risposte in frequenza tra ogni sensore dʼerrore (microfono) e gli attuatori di controllo (altoparlanti), e il vettore con i segnali che guidano gli attuatori di di controllo (altoparlanti ) )( 0ωs , cioè

)()()( 000 ωωω sGd esc = . Quindi, il vettore con i segnali di errore può essere espresso come


I segnali ,21 ms,, ss L che guidano gli m altoparlanti di controllo vengono generati passando il segnale di riferimento correlato al disturbo primario )( or ω attraverso un set di m filtri di controllo ,21 mh,, hh L ; perciò il vettore )( oωs può essere espresso come

(2) )()()( ooo r ωωω hs = ,

dove )( oωh è il vettore con gli m filtri di controllo. Quindi, sostituendo lʼequazione (2) nellʼequazione (1), per minimizzare la somma del valore medio quadrato dei segnali dʼerrore, si deve minimizzare la seguente funzione di costo quadratica:

(3) ddhGddGhhGGhee Hes

HHes

Hes

Hes

HHn

rreJ +++=== ∑

=1

2 .

Si tratta di una funzione quadratica hermitiana il cui minimo è dato dai seguenti vettori con i filtri ottimali:

(4) (a) [ ] dGGGh Heses

Hesopt

1−−= , (b) dGh 1−−= esopt , (c) [ ] dGGGh 1−−= esHes

Hesopt ,

che valgono rispettivamente per (a) il caso sovra-determinato con più sensori che attua-tori; (b) il caso completamente-determinato con ugual numero di sensori e attuatori e (c) il caso sotto-determinato con meno sensori che attuatori [4]. In base a queste equazioni, i filtri di controllo ottimale ,21 mh,, hh L possono essere derivati misurando il vettore con gli spettri dei disturbi primari in corrispondenza dei sensori dʼerrore d e la matrice

esG con le risposte in frequenza tra i segnali di uscita degli n microfoni dʼerrore e i se-gnali di ingresso agli m altoparlanti di controllo. In pratica, le misure degli spettri dei

Si tratta di una funzione quadratica hermitiana il cui mi-nimo è dato dai seguenti vettori con i filtri ottimali:

(4) (a)

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(2) )()()( ooo r ωωω hs = ,



HHes

Hes

Hes

HHn

rreJ +++=== ∑

=1

2 .



Hesopt


Hesopt ,



(b)

5






(2) )()()( ooo r ωωω hs = ,



HHes

Hes

Hes

HHn

rreJ +++=== ∑

=1

2 .



Hesopt


Hesopt ,



(c)

5






(2) )()()( ooo r ωωω hs = ,



HHes

Hes

Hes

HHn

rreJ +++=== ∑

=1

2 .



Hesopt


Hesopt ,



che valgono rispettivamente per (a) il caso sovra-deter-minato con più sensori che attuatori; (b) il caso comple-tamente-determinato con ugual numero di sensori e at-tuatori e (c) il caso sotto-determinato con meno sensori che attuatori [4]. In base a queste equazioni, i filtri di controllo ottimale

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possono essere deriva-ti misurando il vettore con gli spettri dei disturbi primari in corrispondenza dei sensori d’errore d e la matrice Ges

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un segnale di riferimento può essere misurato con relativa facilità. Per esempio, consi-derando il problema del controllo del rumore tonale prodotto dalle eliche dellʼaereo (Fi-gura 1a) oppure del rumore tonale prodotto dal motore di unʼautovettura (Figura 1b), come rappresentato schematicamente con il diagramma a blocchi in Figura 2, il segnale di riferimento, misurato con un tachimetro sul rotore dellʼelica di un propulsore, viene passato attraverso un banco di filtri ,21 mh,, hh L che generano i segnali di controllo

,21 ms,, ss L . Questi segnali guidano gli attuatori (altoparlanti)o in modo da produrre il controllo del rumore desiderato. In linea teorica i filtri di controllo potrebbero essere scelti in modo da minimizzare lʼenergia potenziale acustica nella cavità; tuttavia in pra-tica viene implementata una strategia alternativa dove gli altoparlanti di controllo sono guidati in modo da minimizzare la somma dei quadrati dei valori medi dei segnali

,21 ne,, ee L prodotti dai sensori (microfoni) dʼerrore. Se, ad esempio, il disturbo primario è armonico con pulsazione oω , allora, come

mostrato schematicamente nel diagramma a blocchi in Figura 2, il vettore con gli n fa-sori complessi dei segnali della pressione acustica misurati dai microfoni dʼerrore )( 0ωepuò essere espresso come la somma del vettore )( 0ωd con le pressioni acustiche

,21 nd,, dd L generate dal disturbo primario in corrispondenza dei microfoni dʼerrore e del vettore )( 0ωcd con le pressioni acustiche ,21 cncc d,, dd L generate dagli altoparlanti di controllo sempre in corrispondenza dei microfoni dʼerrore.

Figura 1 - Schema di un sistema Active Noise Control multicanale con architettura feed-forward per la riduzione del rumore tonale in cabina di aerei con propulsione ad elica (a) e allʼinterno di autovetture con motore a scoppio (b). 5






(2) )()()( ooo r ωωω hs = ,



HHes

Hes

Hes

HHn

rreJ +++=== ∑

=1

2 .



Hesopt


Hesopt ,



Figura 1. Schema di un sistema Active Noise Control multicanale con architettura feed-forward per la riduzione del rumore tonale in cabina di aerei con propulsione ad elica (a) e all’interno di autovet-ture con motore a scoppio (b).

Figura 2. Diagramma a blocchi di un sistema Active Noise Control multicanale con archi-tettura di controllo feed-forward per la ridu-zione dei disturbi tonali.

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con le risposte in frequenza tra i segnali di uscita degli n microfoni d’errore e i segnali di ingresso agli

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altopar-lanti di controllo. In pratica, le misure degli spettri dei disturbi primari in corrispondenza dei sensori d’errore e le misure delle risposte in frequenza tra i sensori d’errore e gli attuatori di controllo non sono mai sufficientemente accurate da garantire la convergenza al punto di control-lo ottimale. Pertanto, normalmente si implementa un ap-proccio iterativo che, come mostrato schematicamente in Figura 2, é in grado di seguire effetti non stazionari presenti nel disturbo primario e conseguentemente di adattare i filtri di controllo [5]. Per completezza si ricorda che i sistemi di controllo con architettura feed-forward possono essere usati anche per il controllo di disturbi con caratteristiche stocastiche (random) nel dominio del tempo e dello spazio. Nel caso di segnali stocastici nello spazio, si rende necessaria l’acquisizione di un grande numero di segnali di riferimento

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dove )( oh è il vettore con gli m filtri di controllo. Quindi, sostituendo l’equazione (2) nell’equazione (1), per minimizzare la somma del valore medio quadrato dei segnali d’errore, si deve minimizzare la seguente funzione di costo quadratica:

(3) J = er2

r=1

n= eHe = hHGes

HGesh + hHGes

Hd + dHGesh + dHd .


(4) (a) hopt = GesHGes

1Ges

Hd , (b) hopt = Ges1d , (c) hopt = Ges

H GesHGes

1d ,

che valgono rispettivamente per (a) il caso sovra-determinato con più sensori che attuatori; (b) il caso completamente-determinato con ugual numero di sensori e attuatori e (c) il caso sotto-determinato con meno sensori che attuatori [4]. In base a queste equazioni, i filtri di controllo ot-timale ,21 mh, , hh possono essere derivati misurando il vettore con gli spettri dei disturbi

primari in corrispondenza dei sensori d’errore d e la matrice esG con le risposte in frequenza

tra i segnali di uscita degli n microfoni d’errore e i segnali di ingresso agli m altoparlanti di controllo. In pratica, le misure degli spettri dei disturbi primari in corrispondenza dei sensori d’errore e le misure delle risposte in frequenza tra i sensori d’errore e gli attuatori di controllo non sono mai sufficientemente accurate da garantire la convergenza al punto di controllo otti-male. Pertanto, normalmente si implementa un approccio iterativo che, come mostrato schema-ticamente in Figura 2, é in grado di seguire effetti non stazionari presenti nel disturbo primario e conseguentemente di adattare i filtri di controllo [5]. Per completezza si ricorda che i sistemi di controllo con architettura feed-forward possono essere usati anche per il controllo di disturbi con caratteristiche stocastiche (random) nel dominio del tempo e dello spazio. Nel caso di se-gnali stocastici nello spazio, si rende necessaria l’acquisizione di un grande numero di segnali di riferimento ,21 vr, , rr da passare attraverso una matrice di filtri optH in modo da ottenere i segnali di controllo che riducono il disturbo in corrispondenza dei sensori di errore [4].

In sintesi, l’efficacia di un sistema di controllo con architettura feed-forward dipende da vari fattori quali il numero di segnali di riferimento a disposizione, la correlazione tra questi segnali e il disturbo da controllare (normalmente per disturbi deterministici è unitaria mentre per disturbi stocastici è molto minore), la possibilità di realizzare dei filtri causali [5] e la possibilità di inclu-dere nel controllore un modello accurato degli effetti prodotti dalle sorgenti di controllo sui sen-sori di riferimento.

La scelta del numero, tipo e distribuzione geometrica dei sensori e attuatori di controllo svolge un ruolo importante nelle prestazioni del sistema di controllo stesso. In particolare, la ca-pacità di controllo dipende sia dall’interazione fisica tra i campi acustici prodotti dal disturbo pri-mario e dal sistema di controllo (dove quest’ultimo dipende dalla configurazione dei sensori di riferimento e d’errore) sia dall’efficacia dell’algoritmo di controllo per il dato segnale (o i dati se-gnali) di riferimento e le rispose tra i sensori di errore e gli attuatori di controllo. La presenza di un controllore efficiente non comporta automaticamente buone prestazioni di controllo se i sen-sori e gli attuatori di controllo che sono stati scelti non si accoppiano efficacemente con il campo acustico primario da controllare. Anche la miglior configurazione di sensori e attuatori portereb-be a risultati mediocri se l’algoritmo di controllo non convergesse verso il minimo della funzione costo di ottimizzazione o fosse perfino instabile e quindi divergesse. Il primo aspetto viene nor-malmente riportato come la fisica del sistema di controllo. La sfida principale del controllo del rumore e delle vibrazioni nel dominio audio delle frequenze è data dalla complessità geometrica dei disturbi primari da controllare, che impone l’utilizzo di un numero elevato di sensori ed attua-tori per produrre effetti di controllo ragionevoli.

Come esempio viene analizzato l’effetto prodotto da un controllore ideale (quindi in grado di minimizzare qualsiasi funzione di costo) sul campo acustico generato in una cavità rettangolare da una sorgente di tipo monopolo acustico ideale posizionata in prossimità dell’anglo in basso a

da pas-sare attraverso una matrice di filtri Hopt in modo da otte-nere i segnali di controllo che riducono il disturbo in cor-rispondenza dei sensori di errore [4]. In sintesi, l’efficacia di un sistema di controllo con archi-tettura feed-forward dipende da vari fattori quali il nume-ro di segnali di riferimento a disposizione, la correlazione tra questi segnali e il disturbo da controllare (normalmen-te per disturbi deterministici è unitaria mentre per distur-bi stocastici è molto minore), la possibilità di realizzare dei filtri causali [5] e la possibilità di inclu-dere nel controllore un modello accurato degli effetti prodotti dalle sorgenti di controllo sui sensori di riferimento. La scelta del numero, tipo e distribuzione geometrica dei sensori e attuatori di controllo svolge un ruolo importan-te nelle prestazioni del sistema di controllo stesso. In particolare, la capacità di controllo dipende sia dall’in-terazione fisica tra i campi acustici prodotti dal disturbo primario e dal sistema di controllo (dove quest’ultimo di-pende dalla configurazione dei sensori di riferimento e d’errore) sia dall’efficacia dell’algoritmo di controllo per il dato segnale (o i dati segnali) di riferimento e le rispose tra i sensori di errore e gli attuatori di controllo. La pre-senza di un controllore efficiente non comporta automa-ticamente buone prestazioni di controllo se i sensori e gli attuatori di controllo che sono stati scelti non si accop-piano efficacemente con il campo acustico primario da controllare. Anche la miglior configurazione di sensori e attuatori porterebbe a risultati mediocri se l’algoritmo di controllo non convergesse verso il minimo della fun-zione costo di ottimizzazione o fosse perfino instabile e quindi divergesse. Il primo aspetto viene normalmente riportato come la fisica del sistema di controllo. La sfida principale del controllo del rumore e delle vibrazioni nel dominio audio delle frequenze è data dalla complessità geometrica dei disturbi primari da controllare, che impo-ne l’utilizzo di un numero elevato di sensori ed attuatori per produrre effetti di controllo ragionevoli.Come esempio viene analizzato l’effetto prodotto da un controllore ideale (quindi in grado di minimizzare qual-

siasi funzione di costo) sul campo acustico generato in una cavità rettangolare da una sorgente di tipo mono-polo acustico ideale posizionata in prossimità dell’anglo in basso a destra della cavità. La cavità ha dimensioni

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disturbi primari in corrispondenza dei sensori dʼerrore e le misure delle risposte in fre-quenza tra i sensori dʼerrore e gli attuatori di controllo non sono mai sufficientemente accurate da garantire la convergenza al punto di controllo ottimale. Pertanto, normal-mente si implementa un approccio iterativo che, come mostrato schematicamente in Fi-gura 2, é in grado di seguire effetti non stazionari presenti nel disturbo primario e con-seguentemente di adattare i filtri di controllo [5]. Per completezza si ricorda che i siste-mi di controllo con architettura feed-forward possono essere usati anche per il controllo di disturbi con caratteristiche stocastiche (random) nel dominio del tempo e dello spa-zio. Nel caso di segnali stocastici nello spazio, si rende necessaria lʼacquisizione di un grande numero di segnali di riferimento ,21 vr,, rr L da passare attraverso una matrice di filtri optH in modo da ottenere i segnali di controllo che riducono il disturbo in corri-spondenza dei sensori di errore [4].

In sintesi, lʼefficacia di un sistema di controllo con architettura feed-forward dipende da vari fattori quali il numero di segnali di riferimento a disposizione, la correlazione tra questi segnali e il disturbo da controllare (normalmente per disturbi deterministici è uni-taria mentre per disturbi stocastici è molto minore), la possibilità di realizzare dei filtri causali [5] e la possibilità di includere nel controllore un modello accurato degli effetti prodotti dalle sorgenti di controllo sui sensori di riferimento.

La scelta del numero, tipo e distribuzione geometrica dei sensori e attuatori di con-trollo svolge un ruolo importante nelle prestazioni del sistema di controllo stesso. In particolare, la capacità di controllo dipende sia dallʼinterazione fisica tra i campi acusti-ci prodotti dal disturbo primario e dal sistema di controllo (dove questʼultimo dipende dalla configurazione dei sensori di riferimento e dʼerrore) sia dallʼefficacia dellʼalgoritmo di controllo per il dato segnale (o i dati segnali) di riferimento e le rispo-se tra i sensori di errore e gli attuatori di controllo. La presenza di un controllore effi-ciente non comporta automaticamente buone prestazioni di controllo se i sensori e gli attuatori di controllo che sono stati scelti non si accoppiano efficacemente con il campo acustico primario da controllare. Anche la miglior configurazione di sensori e attuatori porterebbe a risultati mediocri se lʼalgoritmo di controllo non convergesse verso il mi-nimo della funzione costo di ottimizzazione o fosse perfino instabile e quindi diverges-se. Il primo aspetto viene normalmente riportato come la fisica del sistema di controllo. La sfida principale del controllo del rumore e delle vibrazioni nel dominio audio delle frequenze è data dalla complessità geometrica dei disturbi primari da controllare, che impone lʼutilizzo di un numero elevato di sensori ed attuatori per produrre effetti di con-trollo ragionevoli.

Come esempio viene analizzato lʼeffetto prodotto da un controllore ideale (quindi in grado di minimizzare qualsiasi funzione di costo) sul campo acustico generato in una cavità rettangolare da una sorgente di tipo monopolo acustico ideale posizionata in prossimità dellʼanglo in basso a destra della cavità. La cavità ha dimensioni

3m8.15.26 ××=×× zyx lll e smorzamento modale 03.0=ζ . Inizialmente si assume che il controllore sia composto da sensori ed attuatori ideali che possono misurare ed eccitare esattamente i seguenti gruppi con numero cresente di modi naturali acustici del-la cavità: )20-(1,),4-(1),3-(1),2-(1),(1 ooooooooo K . Come illustrato in Figura 3 quando soltanto il primo modo è cancellato, (modo di tipo (0,0,0) puramente volumetri-co dellʼaria nella cavità), lʼenergia potenziale acustica totale della cavità è ridotta sensi-bilmente a basse frequenze sotto la prima risonanza dovuta al secondo modo naturale acustico di tipo (1,0,0). Quando il sistema di controllo ideale cancella sia il primo che il

e smorzamento moda-le

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disturbi primari in corrispondenza dei sensori dʼerrore e le misure delle risposte in fre-quenza tra i sensori dʼerrore e gli attuatori di controllo non sono mai sufficientemente accurate da garantire la convergenza al punto di controllo ottimale. Pertanto, normal-mente si implementa un approccio iterativo che, come mostrato schematicamente in Fi-gura 2, é in grado di seguire effetti non stazionari presenti nel disturbo primario e con-seguentemente di adattare i filtri di controllo [5]. Per completezza si ricorda che i siste-mi di controllo con architettura feed-forward possono essere usati anche per il controllo di disturbi con caratteristiche stocastiche (random) nel dominio del tempo e dello spa-zio. Nel caso di segnali stocastici nello spazio, si rende necessaria lʼacquisizione di un grande numero di segnali di riferimento ,21 vr,, rr L da passare attraverso una matrice di filtri optH in modo da ottenere i segnali di controllo che riducono il disturbo in corri-spondenza dei sensori di errore [4].

In sintesi, lʼefficacia di un sistema di controllo con architettura feed-forward dipende da vari fattori quali il numero di segnali di riferimento a disposizione, la correlazione tra questi segnali e il disturbo da controllare (normalmente per disturbi deterministici è uni-taria mentre per disturbi stocastici è molto minore), la possibilità di realizzare dei filtri causali [5] e la possibilità di includere nel controllore un modello accurato degli effetti prodotti dalle sorgenti di controllo sui sensori di riferimento.

La scelta del numero, tipo e distribuzione geometrica dei sensori e attuatori di con-trollo svolge un ruolo importante nelle prestazioni del sistema di controllo stesso. In particolare, la capacità di controllo dipende sia dallʼinterazione fisica tra i campi acusti-ci prodotti dal disturbo primario e dal sistema di controllo (dove questʼultimo dipende dalla configurazione dei sensori di riferimento e dʼerrore) sia dallʼefficacia dellʼalgoritmo di controllo per il dato segnale (o i dati segnali) di riferimento e le rispo-se tra i sensori di errore e gli attuatori di controllo. La presenza di un controllore effi-ciente non comporta automaticamente buone prestazioni di controllo se i sensori e gli attuatori di controllo che sono stati scelti non si accoppiano efficacemente con il campo acustico primario da controllare. Anche la miglior configurazione di sensori e attuatori porterebbe a risultati mediocri se lʼalgoritmo di controllo non convergesse verso il mi-nimo della funzione costo di ottimizzazione o fosse perfino instabile e quindi diverges-se. Il primo aspetto viene normalmente riportato come la fisica del sistema di controllo. La sfida principale del controllo del rumore e delle vibrazioni nel dominio audio delle frequenze è data dalla complessità geometrica dei disturbi primari da controllare, che impone lʼutilizzo di un numero elevato di sensori ed attuatori per produrre effetti di con-trollo ragionevoli.

Come esempio viene analizzato lʼeffetto prodotto da un controllore ideale (quindi in grado di minimizzare qualsiasi funzione di costo) sul campo acustico generato in una cavità rettangolare da una sorgente di tipo monopolo acustico ideale posizionata in prossimità dellʼanglo in basso a destra della cavità. La cavità ha dimensioni

3m8.15.26 ××=×× zyx lll e smorzamento modale 03.0=ζ . Inizialmente si assume che il controllore sia composto da sensori ed attuatori ideali che possono misurare ed eccitare esattamente i seguenti gruppi con numero cresente di modi naturali acustici del-la cavità: )20-(1,),4-(1),3-(1),2-(1),(1 ooooooooo K . Come illustrato in Figura 3 quando soltanto il primo modo è cancellato, (modo di tipo (0,0,0) puramente volumetri-co dellʼaria nella cavità), lʼenergia potenziale acustica totale della cavità è ridotta sensi-bilmente a basse frequenze sotto la prima risonanza dovuta al secondo modo naturale acustico di tipo (1,0,0). Quando il sistema di controllo ideale cancella sia il primo che il

. Inizialmente si assume che il controllore sia composto da sensori ed attuatori ideali che possono misurare ed eccitare esattamente i seguenti gruppi con numero crescente di modi naturali acustici della cavità: (1°), (1°-2°), (1°-3°), (1°-4°),...(1°-20°). Come illustrato in Figura 3 quando soltanto il primo modo è cancellato, (modo di tipo (0,0,0) puramente volumetrico dell’aria nel-la cavità), l’energia potenziale acustica totale della cavità è ridotta sensibilmente a basse frequenze sotto la prima risonanza dovuta al secondo modo naturale acustico di tipo (1,0,0). Quando il sistema di controllo ideale cancella sia il primo che il secondo modo naturale acustico della cavità, il picco della prima risonanza acustica dovuta al secondo modo naturale acustico di tipo (1,0,0) non appa-re sullo spettro dell’energia potenziale della cavità.

Similmente quando i primi R modi acustici vengono can-cellati con il sistema di controllo ideale, le prime R-1 risonanze scompaiono dallo spettro dell’energia poten-ziale della cavità. Il grafico in Figura 3 evidenzia che, ad esempio, con un controllore ideale a 5 canali, la risposta acustica della cavità viene ridotta fino a frequenze pari a 3 volte la prima risonanza

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Figura 3 - Energia potenziale acustica di una cavità eccitata da un monopolo acustico. Linea grossa-blu, nessun controllo. Linee fini-rosse cavità controllata da 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20 sensori-attuatori modali ideali che progressivamente cancellano i primi 1, 2, 3, … 20 modi della cavità. Linea a tratti-verde cavità con-trollata da un sistema con 20 monopoli acustici guidati in modo da minimizzare il valore medio quadrato dei segnali dʼerrori misurati da 20 sensori di pressione acustica.

secondo modo naturale acustico della cavità, il picco della prima risonanza acustica do-vuta al secondo modo naturale acustico di tipo (1,0,0) non appare sullo spettro dellʼenergia potenziale della cavità. Similmente quando i primi R modi acustici vengono cancellati con il sistema di controllo ideale, le prime R-1 risonanze scompaiono dallo spettro dellʼenergia potenziale della cavità. Il grafico in Figura 3 evidenzia che, ad e-sempio, con un controllore ideale a 5 canali, la risposta acustica della cavità viene ridot-ta fino a frequenze pari a 3 volte la prima risonanza 1ω , che per la cavità presa in consi-derazione ha frequenza pari a circa 28.6 Hz. Per controllare il campo acustico nella ca-vità fino ad una frequenza pari a circa 5 volte la frequenza della prima risonanza, è in-vece richiesto un sistema di controllo con 20 canali. Questo è dovuto al fatto che, come mostrato in Figura 4, per una cavità rettangolare il numero di modi eccitati in modo si-gnificativo ad ogni frequenza di eccitazione, cioè il cosidetto ʻfattore di sovrapposizione modaleʼ, cresce rapidamente con la frequenza. Infatti, per cavità rettangolari, il fattore di sovrapposizione modale è dato da [27,28]

(5)⎭⎬⎫

⎩⎨⎧

++==c

Pc

Ac

VnM cc ππω

πωζωωζωω

16822)(2)( 2232

2

,

dove )(ωcn è la cosidetta ʻdensità modaleʼ, e c, ζ , V, A, P sono rispettivamente la ve-locità del suono, il rapporto di smorzamento, il volume, la superficie laterale della cavi-tà e il perimetro formato degli spigoli della cavità. Questa espressione indica che, ad al-te frequenze, il numero di modi eccitati significativamente ad ogni frequenza cresce con il cubo della frequenza di eccitazione. Il fattore di sovrapposizione modale può essere efficacemente usato per stimare la complessità della risposta modale del sistema con-trollato. Pertanto può essere utilizzato per stimare il numero di sorgenti di controllo ne-cessarie a produrre lʼazione di controllo desiderata in una data banda di frequenza,

, che per la cavità presa in considerazione ha frequenza pari a circa 28.6 Hz. Per controllare il campo acustico nella cavità fino ad una frequenza pari a circa 5 volte la frequenza della prima risonanza, è invece richiesto un sistema di controllo con

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Figura 3. - Energia potenziale acustica di una cavità eccitata da un monopolo acustico. Linea grossa-blu, nessun controllo. Linee fini-rosse cavità controllata da 1, 2, 3, 4, 5, 10, 20 sensori-attuatori modali ideali che progressivamente cancellano i primi 1, 2, 3, … 20 modi della cavità. Linea a tratti-verde cavità controllata da un si-stema con 20 monopoli acustici guidati in modo da minimizzare il valore medio quadrato dei segnali d’errori misurati da 20 sensori di pressione acustica.

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20 canali. Questo è dovuto al fatto che, come mostrato in Figura 4, per una cavità rettangolare il numero di modi eccitati in modo significativo ad ogni frequenza di ecci-tazione, cioè il cosidetto ‘fattore di sovrapposizione mo-dale’, cresce rapidamente con la frequenza. Infatti, per cavità rettangolari, il fattore di sovrapposizione modale è dato da [27,28](5)

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sono rispettivamente la velocità del suo-no, il rapporto di smorzamento, il volume, la superficie laterale della cavità e il perimetro formato degli spigoli della cavità. Questa espressione indica che, ad alte fre-quenze, il numero di modi eccitati significativamente ad ogni frequenza cresce con il cubo della frequenza di eccitazione. Il fattore di sovrapposizione modale può essere efficacemente usato per stimare la complessità della risposta modale del sistema controllato. Pertanto può essere utilizzato per stimare il numero di sorgenti di controllo necessarie a produrre l’azione di controllo desi-derata in una data banda di frequenza,

oppure per calcolare la banda di frequenza di control-lo per un dato numero di sorgenti di controllo [5]. Se ad esempio si desiderasse controllare le vibrazioni di un pannello di alluminio di spessore 1 mm e dimensioni

8

Figura 4 - Fattore di sovrapposizione modale per una cavità di dimensioni 6×2.5×1.8 m3 (linea grossa-blu) e per un pannello di alluminio con spessore 1 mm e dimensioni 1×0.5 m2 (linea a tratti-rossa).

oppure per calcolare la banda di frequenza di controllo per un dato numero di sorgenti di controllo [5]. Se ad esempio si desiderasse controllare le vibrazioni di un pannello di alluminio di spessore 1 mm e dimensioni 2m5.01×=× yx ll , il numero di sorgenti di controllo necessario per produrre lʼazione di controllo in una data banda di frequenza sarebbe molto minore di quello trovato per la cavità rettangolare. Infatti il fattore di so-vrapposizione modale per piastre sottili è dato da [27,28]

(6)41

4)()( ⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛==

DhSnM pp

ρπ

ηωωηωω ,

dove )(ωpn è la densità modale della piastra, η è il fattore di smorzamento strutturale, )1(12 23 ν−= EhD , S e h sono la rigidezza flessionale, la superfice e lo spessore della

piastra e ρ , E and ν sono la densità, il modulo di Young e il rapporto di Poisson del materiale della piastra. Questa espressione indica che, come si può vedere nel grafico di Figura 4, il fattore di sovrapposizione modale per pannelli rettangolari cresce linear-mente con la frequenza. Quindi, quando il controllo è desiderato fino a frequenze audio medio-alte, potrebbe essere conveniente controllare la vibrazione delle pareti della cavi-tà, e quindi la trasmissione del suono verso lʼinterno della cavità, piuttosto che il campo acustico nella cavità stessa. Questo dovrebbe essere particolarmente applicabile alle si-tuazioni di rumore esterno trasmesso principalmente solo da una parte delle pareti late-rali della cavità.

In pratica solitamente i sistemi di controllo del rumore utilizzano come attuatori di controllo degli altoparlanti e come sensori dʼerrore dei microfoni. La funzione di costo da minimizzare è quindi stimata da un certo numero di microfoni che misurano il campo acustico in un numero finito di posizioni. Inoltre, il campo acustico di controllo è gene-rato da un certo numero di altoparlanti che possono riprodurre solo in modo parziale il campo acustico ottimale di controllo che minimizza la funzione di costo stimata con i

, il numero di sorgenti di controllo necessario per produrre l’azione di controllo in una data banda di frequenza sarebbe molto minore di quello tro-vato per la cavità rettangolare. Infatti il fattore di sovrap-posizione modale per piastre sottili è dato da [27,28]

(6)

dove

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è la densità modale della piastra,

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DhSnM pp

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ηωωηωω ,




è il fattore di smorzamento strutturale,

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sono la rigidezza flessionale, la superfice e lo spessore della piastra e

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sono la densità, il modulo di Young e il rapporto di Poisson del materiale della piastra. Questa espressione indica che, come si può vedere nel grafico di Figura 4, il fattore di sovrapposizione modale per pannelli rettangolari cresce linearmente con la frequenza. Quindi, quando il controllo è desiderato fi-no a frequenze audio medio-alte, potrebbe essere conve-niente controllare la vibrazione delle pareti della cavità, e quindi la trasmissione del suono verso l’interno della ca-vità, piuttosto che il campo acustico nella cavità stessa. Questo dovrebbe essere particolarmente applicabile alle situazioni di rumore esterno trasmesso principalmente solo da una parte delle pareti laterali della cavità. In pratica solitamente i sistemi di controllo del rumore utilizzano come attuatori di controllo degli altoparlanti e come sensori d’errore dei microfoni. La funzione di costo da minimizzare è quindi stimata da un certo numero di microfoni che misurano il campo acustico in un numero finito di posizioni. Inoltre, il campo acustico di controllo è generato da un certo numero di altoparlanti che possono riprodurre solo in modo parziale il campo acustico ottima-le di controllo che minimizza la funzione di costo stimata con i microfoni d’errore.

In questo caso, i filtri ottimali sono derivati dalle Equa-zioni (4a-c) della formulazione presentata sopra. Se ad esempio si studia un sistema pratico che ha venti alto-parlanti di controllo uniformemente distribuiti nel volu-

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4)()( ⎟

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ηωωηωω ,




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Figura 5 - Schema di un sistema Active Noise Control multicanale con architettura feedback per la riduzione del rumore stocastico in cabina di aerei con propulsione a getto (a) e allʼinterno di autovetture con motore a scoppio (b).

microfoni dʼerrore. In questo caso, i filtri ottimali sono derivati dalle Equazioni (4a-c) della formulazione presentata sopra. Se ad esempio si studia un sistema pratico che ha venti altoparlanti di controllo uniformemente distribuiti nel volume della cavità (per semplicità modellati come monopoli) e venti microfoni dʼerrore (modellati come senso-ri ideali di pressione) posizionati nelle vicinanze degli altoparlanti di controllo, allora, come mostrato in Figura 3, la riduzione della funzione di controllo desiderata, cioè della energia potenziale acustica della cavità, viene raggiunta soltanto a basse frequenze fino a 2.5 volte la prima risonanza della cavità 1ω . A frequenze più alte le approssimazioni, introdotte dai microfoni di errore per stimare la funzione ottimale di costo e dagli alto-parlanti per generare il campo acustico di controllo ottimale, possono portare perfino ad un incremento, piuttosto che ad una riduzione, del livello di rumore nella cavità. Il risul-tato presentato in Figura 3 é stato derivato assumendo che microfoni e altoparlanti del sistema di controllo siano uniformemente distribuiti nel volume della cavità. Sebbene questa può sembrare una buona distribuzione, in pratica la posizione di sensori e attua-tori di controllo viene determinata con algoritmi genetici che identificano la miglior configurazione in riferimento alla funzione di costo desiderata [5].

2.2 Architettura feedback per il controllo del rumore stocastico

I sistemi controllo feedback per la reiezione di disturbi vengono usati principalmente per controllare disturbi aleatori. Come esempio si consideri il problema del controllo del rumore stocastico prodotto dai motori e dalle turbolenze dellʼaria sulla superficie della fusoliera di aerei con propulsione a getto (Figura 5a) oppure del rumore stocastico

Figura 4. Fattore di sovrapposizione modale per una cavità di di-mensioni 6×2.5×1.8 m3 (linea grossa-blu) e per un pannello di al-luminio con spessore 1 mm e dimensioni 1×0.5 m2 (linea a tratti-rossa).

Figura 5. Schema di un sistema Active Noise Control multicanale con architettura feedback per la riduzione del rumore stocastico in cabina di aerei con propulsione a getto (a) e all’interno di autovet-ture con motore a scoppio (b).

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ηωωηωω ,




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me della cavità (per semplicità modellati come mono-poli) e venti microfoni d’errore (modellati come sensori ideali di pressione) posizionati nelle vicinanze degli al-toparlanti di controllo, allora, come mostrato in Figura 3, la riduzione della funzione di controllo desiderata, cioè della energia potenziale acustica della cavità, viene raggiunta soltanto a basse frequenze fino a 2.5 volte la prima risonanza della cavità

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16822)(2)( 2232

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,


. A frequenze più alte le approssimazioni, introdotte dai microfoni di errore per stimare la funzione ottimale di costo e dagli altoparlan-ti per generare il campo acustico di controllo ottimale, possono portare perfino ad un incremento, piuttosto che ad una riduzione, del livello di rumore nella cavità. Il ri-sultato presentato in Figura 3 é stato derivato assumen-do che microfoni e altoparlanti del sistema di controllo siano uniformemente distribuiti nel volume della cavità. Sebbene questa può sembrare una buona distribuzione, in pratica la posizione di sensori e attuatori di controllo viene determinata con algoritmi genetici che identifica-no la miglior configurazione in riferimento alla funzione di costo desiderata [5].

2.2 ARChITETTURA fEEDBACk PER IL CONTROLLO DEL RUMORE STOCASTICO

I sistemi controllo feedback per la reiezione di disturbi vengono usati principalmente per controllare disturbi aleatori. Come esempio si consideri il problema del con-trollo del rumore stocastico prodotto dai motori e dalle turbolenze dell’aria sulla superficie della fusoliera di aerei con propulsione a getto (Figura 5a) oppure del ru-more stocastico prodotto dalle ruote e dalle turbolenze dell’aria sulla carrozzeria di un autovettura (Figura 5b).

Come mostrato nel diagramma a blocchi nel dominio della pulsazione angolare w di Figura 6, i segnali

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Figura 6 - Diagramma a blocchi di un sistema Active Noise Control multicanale con archi-tettura di controllo feedback per la riduzione dei disturbi stocastici.

prodotto dalle ruote e dalle turbolenze dellʼaria sulla carrozzeria di un autovettura (Figu-ra 5b).

Come mostrato nel diagramma a blocchi nel dominio della pulsazione angolare ωdi Figura 6, i segnali ,21 ms,, ss L che guidano gli altoparlanti di controllo sono otte-nuti inviando in retroazione i segnali ,21 ne,, ee L misurati dai microfoni dʼerrore tra-mite un gruppo di funzioni di controllo ,1211 mnh,, hh L . Come trovato per lʼarchitettura di controllo feed-forward, il vettore con gli n fasori complessi dei segnali della pressio-ne acustica misurati dai microfoni dʼerrore )(ωe può essere espresso come la somma del vettore )(ωd con le pressioni acustiche generate dal disturbo primario in corrispon-denza dei microfoni dʼerrore e del vettore )(ωcd con le pressioni acustiche generate da-gli altoparlanti di controllo sempre in corrispondenza dei microfoni dʼerrore:

(7) )()()()()()( ωωωωωω sGddde esc +=+= .

In questo caso il vettore con i segnali di controllo è dato da:

(8) )()()( ωωω eHs −= ,

dove )(ωH è una matrice sparsa con le funzioni di controllo. Quindi, sostituendo lʼequazione (8) nellʼequazione (7), il vettore con i segnali dʼerrore con gli anelli di re-troazione chiusi è dato da

(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,

dove la matrice [ ])()( ωω HGI es+ è detta ʻmatrice di ritornoʼ [5]. Il progetto della matrice con le funzioni di controllo è piuttosto complesso e richiede un modello delle risposte in frequenza tra i segnali di uscita degli n sensori dʼerrore (microfoni) e i segna-li di ingresso agli m attuatori di controllo (altoparlanti) contenute nella matrice esG[5,29,30]. Solitamente vengono implementati sistemi di controllo semplificati come ad esempio sistemi decentralizzati che hanno un uguale numero di sensori ed attuatori ar-

che guidano gli altoparlanti di controllo sono ottenuti in-viando in retroazione i segnali

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(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


misurati dai microfoni d’errore tramite un gruppo di funzioni di controllo

10






(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


. Come trovato per l’architettura di con-trollo feed-forward, il vettore con gli

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fasori complessi dei segnali della pressione acustica misurati dai microfoni d’errore

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(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


può essere espresso come la somma del

vettore

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(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


con le pressioni acustiche generate dal di-sturbo primario in corrispondenza dei microfoni d’errore e del vettore

10






(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


con le pressioni acustiche generate da-gli altoparlanti di controllo sempre in corrispondenza dei microfoni d’errore:

(7)

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(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,



(8)

10






(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


dove

10






(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


è una matrice sparsa con le funzioni di con-trollo. Quindi, sostituendo l’equazione (8) nell’equazione (7), il vettore con i segnali d’errore con gli anelli di retroa-zione chiusi è dato da

(9)

10






(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


dove la matrice

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(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


è detta ‘matrice di ri-torno’ [5]. Il progetto della matrice con le funzioni di con-trollo è piuttosto complesso e richiede un modello delle risposte in frequenza tra i segnali di uscita degli

10






(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


sen-sori d’errore (microfoni) e i segnali di ingresso agli

10






(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


at-tuatori di controllo (altoparlanti) contenute nella matrice

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(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


[5,29,30]. Solitamente vengono implementati siste-mi di controllo semplificati come ad esempio sistemi decentralizzati che hanno un uguale numero di sensori ed attuatori arrangiati in coppie collocate in modo che si possono chiudere degli anelli di retroazione indipendenti con buone condizioni di stabilità. La funzione di controllo per ognuno di questi anelli può quindi essere progetta-ta seguendo i metodi classici per il progetto di anelli di retroazione, che normalmente sono basati sull’analisi e la sintesi della risposta in frequenza tra il sensore e l’at-tuatore ad anello aperto [5,29,30]. Al fine di confrontare gli effetti prodotti da un sistema di controllo in avanti ed un sistema equivalente in retroazione viene analizzato il problema studiato nella sotto sezione precedente, che riguarda la risposta acustica di una cavità con una sor-gente primaria costituita da un monopolo acustico idea-le posizionato nell’angolo in basso, da venti altoparlanti di controllo uniformemente distribuiti nel volume della cavità (per semplicità modellati come monopoli) e da venti microfoni d’errore (modellati come sensori ideali di pressione) posizionati nelle vicinanze degli altoparlanti di controllo. In questo caso si implementa un sistema di controllo in retroazione decentralizzato. Quindi, per ogni coppia di microfoni e altoparlanti collocati viene imple-mentato un anello di retroazione indipendente dagli altri. Per semplicità si assume che gli anelli di retroazine siano costituiti dalla stessa funzione di controllo a guadagno fisso. La Figura 7 mostra che, al crescere dei guadagni d’anello, l’energia potenziale acustica tende a decresce-re monotonicamente in corrispondenza delle risonze a bassa frequenza. Questo fenomeno è dovuto al fatto che,

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(8) )()()( ωωω eHs −= ,


(9) [ ] )()()()( 1 ωωωω dHGIe −+= es ,


Figura 6. Diagramma a blocchi di un sistema Active Noise Control multicanale con archi-tettura di controllo feedback per la riduzio-ne dei disturbi stocastici.

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alle basse frequenze dove la lunghezza d’onda acustica è molto maggiore della dimensione caratteristica dell’attua-tore di controllo (cioè del diametro dell’altoparlante), l’anello di retroazione tende ad assorbire energia. Infatti, l’azione volumetrica di controllo prodotta da ogni altoparlante è di-rettamente proporzionale alla pressione acustica misurata dal microfono posizionato di fronte all’altoparlante. Questo tipo di comportamento persiste fino a che si raggiunge un guadagno ottimale tale che lo spettro dell’energia potenzia-le diventa quello rappresentato con la linea a punti celeste di Figura 7. Se i guadagni degli anelli di retroazione vengono ulteriormente innalzati, allora, come mostrato in Figura 7, il fenomento si inverte e quindi lo spettro dell’energia poten-ziale torna a crescere in ampiezza al crescere dei guadagni di controllo.

Per guadagni d’anello molto elevati lo spettro dell’energia potenziale acustica è nuovamente caratterizato da riso-nanze che tuttavia sono spostate a frequenze più alte rispetto alle risonanze della cavità senza controllo. Que-sto fenomeno è dovuto al fatto che, con guadagni molto elevati, gli anelli di retroazione portano a zero la pressio-ne acustica nei punti di controllo. Quindi non c’é più as-sorbimento d’energia da parte degli anelli di controllo ed inoltre la risposta modale della cavità è caratterizzata da condizioni di pressione nulla nelle venti posizioni di con-trollo cosicchè le frequenze naturali sono leggermente incrementate. Quindi lo spettro dell’energia potenziale acustica della cavità è nuovamente caratterizzato da picchi di risonanza e le frequenze di risonanza sono leg-germente più alte di quelle della cavità senza sistema di controllo. È interessante notare che quando gli anelli

di controllo implementano grandi guadagni d’anello, lo spettro dell’energia potenziale acustica della cavità (li-nea a tratti verde) è lo stesso di quello mostrato in Figura 4 (linea a tratti-verde) per il sistema di controllo equivalente con architettura feed-forward. Si sottolinea il fatto che i risultati mostrati in Figura 7 sono stati derivati assumen-do che gli anelli di retroazione siano stabili. Normalmente questa condizione è soddisfatta se i sensori di pressione e gli attuatori volumetrici (monopoli) sono ideali e collo-cati. Al contrario, i trasduttori che si usano in pratica, cioè microfoni e altoparlanti, tendono a produrre instabilità, perfino se ciascun microfono è posizionato esattamente al centro del cono dell’altoparlante ad esso collocato. Di conseguenza, normalmente è impossibile implementare gli alti guadagni necessari a produrre il fenomeno sopra descritto che porta ad una risposta della cavità caratte-rizzata da nuove risonanze. Al contrario, l’esperienza pra-tica ha dimostrato che è piuttosto difficile implementare i guadagni necessari a produrre la massima riduzione dell’energia potenziale acustica rappresentata dalle linee a punti-celeste in Figura 7.

3. CONTROLLO DEL RUMORE INTERNO

Il controllo attivo del rumore interno ai veicoli può essere classificato in due categorie principali. La prima riguarda l’approccio globale che utilizza un sistema di controllo multicanale con architettura feed-forward per il controllo del rumore complessivo nella parte alta della cabina de-gli aerei oppure delle autovetture. La seconda riguarda il controllo locale del rumore che normalmente viene realiz-zato utilizzando anelli di retroazione con microfono e alto-parlante po-sizionati ai lati dei poggiatesta nei sedili dei passeggeri. In questo caso i due sistemi di controllo sono concepiti in modo tale da produrre una bolla di silenzio nella zona vicino al poggiatesta. Questo tipo di tecnologia può essere utilizzato sia per aerei che per automobili.I disegni in Figura 8°a, b, d, e mostrano le configurazio-ni principali sviluppate per l’Active Noise Control (ANC) e l’Active Noise and Vibration Control (ANVC). Come discus-so sopra, il sistema ANC utilizza (schemi a, d, e) sorgenti acustiche (altoparlanti) per produrre il campo acustico che interferisce distruttivamente con il rumore presente in cabina o all’interno dell’autovettura [11,12,13,17,18]. Il sistema ANVC (schema b) utilizza invece attuatori strut-turali (attuatori elettromagnetici inerziali oppure attua-tori piezoelettrici) che agiscono sulla fusoliera dell’aereo in modo da produrre, con le vibrazioni dei pannelli del guscio della fusoliera, il campo acustico che interferisce distruttivamente con il rumore presente in cabina [14]. Il sistema ANC utilizza solo microfoni per i segnali d’errore, mentre il sistema ANVC utilizza anche accelerome-tri. Queste due configurazioni vengono solitamente utilizza-te per controllare disturbi tonali (schemi a,b,d), come ad

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rangiati in coppie collocate in modo che si possono chiudere degli anelli di retroazione indipendenti con buone condizioni di stabilità. La funzione di controllo per ognuno di questi anelli può quindi essere progettata seguendo i metodi classici per il progetto di anelli di retroazione, che normalmente sono basati sullʼanalisi e la sintesi della risposta in frequenza tra il sensore e lʼattuatore ad anello aperto [5,29,30]. Al fine di confrontare gli effetti prodotti da un sistema di controllo in avanti ed un sistema equivalente in re-troazione viene analizzato il problema studiato nella sotto sezione precedente, che ri-guarda la risposta acustica di una cavità con una sorgente primaria costituita da un mo-nopolo acustico ideale posizionato nellʼangolo in basso, da venti altoparlanti di control-lo uniformemente distribuiti nel volume della cavità (per semplicità modellati come monopoli) e da venti microfoni dʼerrore (modellati come sensori ideali di pressione) po-sizionati nelle vicinanze degli altoparlanti di controllo. In questo caso si implementa un sistema di controllo in retroazione decentralizzato. Quindi, per ogni coppia di microfoni e altoparlanti collocati viene implementato un anello di retroazione indipendente dagli altri. Per semplicità si assume che gli anelli di retroazine siano costituiti dalla stessa funzione di controllo a guadagno fisso. La Figura 7 mostra che, al crescere dei guadagni dʼanello, lʼenergia potenziale acustica tende a decrescere monotonicamente in corri-spondenza delle risonze a bassa frequenza. Questo fenomeno è dovuto al fatto che, alle basse frequenze dove la lunghezza dʼonda acustica è molto maggiore della dimensione caratteristica dellʼattuatore di controllo (cioè del diametro dellʼaltoparlante), lʼanello di retroazione tende ad assorbire energia. Infatti, lʼazione volumetrica di controllo prodotta da ogni altoparlante è direttamente proporzionale alla pressione acustica misurata dal microfono posizionato di fronte allʼaltoparlante. Questo tipo di comportamento persiste fino a che si raggiunge un guadagno ottimale tale che lo spettro dellʼenergia potenziale diventa quello rappresentato con la linea a punti celeste di Figura 7. Se i guadagni degli anelli di retroazione vengono ulteriormente innalzati, allora, come mostrato in Figura 7, il fenomento si inverte e quindi lo spettro dellʼenergia potenziale torna a crescere in am-piezza al crescere dei guadagni di controllo.

Figura 7 - Energia potenziale acustica di una cavità eccitata da un monopolo acustico. Linea grossa-blu, nessun controllo. Linee fini-rosse cavità controllata da 20 anelli di retroazione con guadagno crescente co-me indicato dalla freccia. Linea a punti-azzurra anelli di retroazione con guadagno ottimale che minimizza lʼenergia potenziale acustica della cavità. Linea a tratti-verde anelli di retroazione con guadagni molto alti che cancellano la pressione acustica nei punti di controllo.

Figura 7. Energia potenziale acustica di una cavità eccitata da un monopolo acustico. Linea grossa-blu, nessun controllo. Linee fini-rosse cavità controllata da 20 anelli di retroazione con guadagno crescente come indicato dalla freccia. Linea a punti-azzurra anelli di retroazione con guadagno ottimale che minimizza l’energia po-tenziale acustica della cavità. Linea a tratti-verde anelli di retroa-zione con guadagni molto alti che cancellano la pressione acustica nei punti di controllo.

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esempio quelli generati dalle pale degli aerei con propul-sione ad elica, oppure dalle pale dei rotori degli elicotteri, oppure dai motori a scoppio delle automobili.In questi casi è possibile misurare il segnale di riferi-mento direttamente dall’albero del rotore del propulsore oppure dall’albero motore, cosicché il controllore feed-forward può essere aggiustato con riferimento al distur-bo primario. In generale i sistemi ANC e ANVC possono essere usati anche per il controllo di disturbi stocastici (schema e) dovuti, ad esempio, a eccitazioni aerodina-miche di tipo turbolento sul pianale della carrozzeria di un’autovettura. Tuttavia, questo tipo di applicazione ha dei limiti intrinsechi in quanto, come mostrato nello schema e, richiede un numero esteso di sensori di rife-rimento per ricostruire in anticipo la geometria del di-sturbo stocastico da inviare al controllore feed-forward. Perdipiù, la vicinanza di tali sensori di riferimento agli at-tuatori di controllo può costituire un problema per l’im-plementazione di un controllore casuale [4,5].Gli schemi in Figura 8c,f mostrano il sistema di controllo locale sviluppato per ridurre il rumore stocastico nelle vi-cinanze del poggia testa dei sedili dei passeggeri di aerei ed autovetture [5]. Normalmente questo tipo di sistema è composto da due unità modulari che implemen-tano anelli di retroazione formati da un altoparlante e un mi-crofono collocato. Le due unità di controllo sono soli-tamente montate nei poggiatesta dei sedili in modo da operare nelle vicinanze della testa del passeggero [5].

Gli anelli di retroazione sono accordati in modo da cre-are una “bolla di silenzio” incentrata sulle orecchie dei passeggeri, che, per una riduzione del rumore di 10 dB, si è visto avere diametro proporzionale a λ/10 , dove λ è la lunghezza d’onda [5]. Quindi, per disturbi a 500 Hz, la dimensione caratteristica della bolla di silenzio è circa 7 cm. Questo indica il limite principale di questo sistema di controllo in quanto esso può offrire una buona riduzione del rumore soltanto a basse frequenze audio. Inoltre, le due bolle di silenzio sono fisse nello spazio e quindi non possono seguire i movimenti della testa della persona. Questo tipo di problema è stato parzialmente risolto con l’introduzione del cosidetto microfono virtuale d’errore con il quale il loop di retroazione guida l’altoparlante in modo da minimizzare il rumore non nella posizione del microfono d’errore ma ad una certa distanza verso l’orec-chio del passeggero [5]. Al momento questa posizione virtuale viene fissata a priori ed é in studio un si-stema di inseguimento della posizione e orientamento della testa del passeggero con sensori di prossimità.

4. ISOLAMENTO DELLE VIBRAZIONI PRODOTTE DA MOTORI E ORGANI DI MANOVRA

Il controllo delle vibrazioni trasmesse da organi vibranti

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Figura 8 - Esempi di sistemi di controllo attivo nella cabina di aerie (a,b,c) e allʼinterno di autovetture (d,e,f). (a,d,e) Active Noise Control, (b) Active Noise & Vibration Control, (c,f) Active Headrest

a,b,d), come ad esempio quelli generati dalle pale degli aerei con propulsione ad elica, oppure dalle pale dei rotori degli elicotteri, oppure dai motori a scoppio delle automobi-li. In questi casi è possibile misurare il segnale di riferimento direttamente dallʼalbero del rotore del propulsore oppure dallʼalbero motore, cosicché il controllore feed-forward può essere aggiustato con riferimento al disturbo primario. In generale i sistemi ANC e ANVC possono essere usati anche per il controllo di disturbi stocastici (schema e) do-vuti, ad esempio, a eccitazioni aerodinamiche di tipo turbolento sul pianale della carroz-zeria di unʼautovettura. Tuttavia, questo tipo di applicazione ha dei limiti intrinsechi in quanto, come mostrato nello schema e, richiede un numero esteso di sensori di riferi-mento per ricostruire in anticipo la geometria del disturbo stocastico da inviare al con-trollore feed-forward. Perdipiù, la vicinanza di tali sensori di riferimento agli attuatori di controllo può costituire un problema per lʼimplementazione di un controllore casuale [4,5].

Gli schemi in Figura 8c,f mostrano il sistema di controllo locale sviluppato per ri-durre il rumore stocastico nelle vicinanze del poggia testa dei sedili dei passeggeri di ae-rei ed autovetture [5]. Normalmente questo tipo di sistema è composto da due unità mo-dulari che implementano anelli di retroazione formati da un altoparlante e un microfono collocato. Le due unità di controllo sono solitamente montate nei poggiatesta dei sedili in modo da operare nelle vicinanze della testa del passeggero [5]. Gli anelli di retroa-zione sono accordati in modo da creare una “bolla di silenzio” incentrata sulle orecchie

Figura 8. Esempi di siste-mi di controllo attivo nel-la cabina di aerie (a,b,c) e all’interno di autovetture (d,e,f). (a,d,e) Active Noise Control, (b) Active Noise & Vibration Control, (c,f) Ac-tive Headrest

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è di notevole importanza per ridurre il rumore in cabina di aeromobili e il rumore all’interno di autovetture. Per avere un buon effetto isolante delle vibrazioni, gli ele-menti di fissaggio dovrebbero essere staticamente il più rigidi possibile (per connettere) e dinamicamente il più elastici possibile (per isolare) [31]. I materiali comune-mente usati per le costruzioni aeronautiche ed automo-bilistiche non sono in grado di soddisfare questi requisiti contrastanti e quindi normalmente vengono utilizzati materiali molto rigidi (sia staticamente che dinamica-mente) che offrono piccoli effetti isolanti. Un buon com-promesso tra rigidezza statica e dinamica si può otte-nere con sistemi di sospensione attiva e semiattiva [31]. Una sospensione attiva è costituita da quattro compo-nenti principali: a) un elemento di conessione passivo, b) un attuatore reattivo oppure inerziale, c) uno o più sen-sori e d) un controllore. Quando si usa l’attuatore reattivo, la forza di controllo può essere aggiustata in modo che la forza totale trasmessa attraverso la connessione sia nulla, in modo da non eccitare la struttura ricevente. L’at-tuatore reattivo può essere connesso in serie oppure in parallelo con l’elemento passivo della sospensione. Nel primo caso l’attuatore deve essere in grado di sopportare il carico statico applicato alla sospensione. La seconda configurazione non presenta questo problema, sebbene essa richieda un attuatore in grado di vincere la rigidez-za dell’elemento passivo per cancellare la trasmissione delle vibrazioni. A seconda delle proprietà intrinseche dell’attuatore (ampiezza di attuazione con attuatore li-bero e forza di attuazione con attuatore bloccato) esso può essere accoppiato con un sistema di amplificazione dell’ampiezza di attuazione oppure della forza di attua-zione. Gli attuatori inerziali possono essere montati di-rettamente nel punto di connessione tra la sospensione passiva e il telaio del veicolo. In questo caso l’azione di controllo può essere limitata dall’eccessiva forza di con-trollo richiesta alla frequenza naturale del sistema da isolare e la sospensione elastica. In generale l’attuatore

di controllo è guidato in modo da cancellare le vibrazioni misurate nel punto di connessione tra la so-spensione e la struttura del veicolo e/o da minimizzare il rumore in cabina. Per il controllo di disturbi tonali si usa l’architettura fe-ed-forward. Normalmente il segnale di riferimento viene misurato da un tachimetro montato sull’albero rotante dell’organo che produce le vibrazioni non desiderate.Il rumore in cabina degli elicotteri è dovuto essenzial-mente alle vibrazioni del rotore principale e alle vibra-zione prodotte dagli ingranaggi del riduttore tra l’albero motore e il rotore stesso.Negli elicotteri di grandi dimensioni il riduttore è con-nesso rigidamente al telaio dell’elicottero attraverso delle strutture monodimensionali. Queste strutture di connessione sono soggette a carichi molto elevati in quanto devono sopportare le forze prodotte dall’elicot-tero nelle condizioni di manovra piú severe; quindi so-no progettate con rigidezza assiale e flessionale molto alta. Di conseguenza esse rappresentano il percorso principale attraverso cui avviene la trasmissione delle vibrazioni alla cabina dell’elicottero sia per le armoniche a bassa frequenza prodotte dal rotore (circa 20 Hz) sia per le vibrazioni generate dal riduttore che copre un ran-ge di frequenze tra 500 Hz e 2kHz [32]. Figura 9a mostra il sistema di controllo attivo delle vibrazioni che è stato sviluppato per ridurre questo tipo di problema [19,20]. Le strutture di connessione (evidenziate in rosso) sono dotate di attuatori reattivi che vengono guidati da un controllore feed-forward che utilizza come segnale di riferimento la frequenza di rotazione rilevata da un ta-chimetro sull’albero del rotore e/o del riduttore. Gli attua-tori di controllo vengono guidati in modo da minimizzare le vibrazioni nei punti di connessione tra la struttura e il telaio dell’elicottero (misurate con accelerometri) e il rumore in cabina (misurato con dei microfoni po-sti in prossimità dei sedili dei passeggeri e dei piloti). Il rumore vibroacustico è un problema critico anche per gli aerei con propulsione a getto dove i motori sono fis-

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Figura 9 - Esempi di sistemi di controllo attivo feed-forward delle vibrazioni trasmesse: (a) dal blocco rotore e riduttore al telaio dellʼelicottero, (b) dai motori a getto alla parte posteriore della fusoliera e (c) dal motore alla carrozzeria di unʼautovettura.

il rotore stesso. Negli elicotteri di grandi dimensioni il riduttore è connesso rigida-mente al telaio dellʼelicottero attraverso delle strutture monodimensionali. Queste strut-ture di connessione sono soggette a carichi molto elevati in quanto devono sopportare le forze prodotte dallʼelicottero nelle condizioni di manovra piú severe; quindi sono pro-gettate con rigidezza assiale e flessionale molto alta. Di conseguenza esse rappresentano il percorso principale attraverso cui avviene la trasmissione delle vibrazioni alla cabina dellʼelicottero sia per le armoniche a bassa frequenza prodotte dal rotore (circa 20 Hz) sia per le vibrazioni generate dal riduttore che copre un range di frequenze tra 500 Hz e 2kHz [32]. Figura 9a mostra il sistema di controllo attivo delle vibrazioni che è stato sviluppato per ridurre questo tipo di problema [19,20]. Le strutture di connessione (evi-denziate in rosso) sono dotate di attuatori reattivi che vengono guidati da un controllore feed-forward che utilizza come segnale di riferimento la frequenza di rotazione rilevata da un tachimetro sullʼalbero del rotore e/o del riduttore. Gli attuatori di controllo ven-gono guidati in modo da minimizzare le vibrazioni nei punti di connessione tra la strut-tura e il telaio dellʼelicottero (misurate con accelerometri) e il rumore in cabina (misura-to con dei microfoni posti in prossimità dei sedili dei passeggeri e dei piloti).

Il rumore vibroacustico è un problema critico anche per gli aerei con propulsione a getto dove i motori sono fissati sulla parte posteriore della fusoliera. In questo caso i motori trasmettono alti livelli di vibrazioni alla fusoliera, che quindi produce livelli mol-to alti di rumore in cabina. Come mostrato in Figura 9b, per questo tipo di problema so-no stati sviluppati dei sistemi semi-attivi di assorbimento delle vibrazioni. Essi sono co-stituiti da ʻAdaptive Tunable Vibration Absorbersʼ (ATVA) (assorbitori di vibrazione adattativi) montati alla base dei piloni di ancoraggio dei motori. Si tratta di assorbitori di vibrazioni ordinari che vengono “accordati” attivamente con un sistema feed-forward multicanale sulla frequenza fondamentale delle vibrazioni tonali prodotte dai motori (dovute allo sbilanciamento dei rotori). Solitamente i sensori di errore sono composti da

Figura 9. Esempi di sistemi di controllo attivo feed-forward delle vibrazioni trasmesse: (a) dal blocco rotore e riduttore al tela-io dell’elicottero, (b) dai motori a getto alla parte posteriore della fusoliera e (c) dal motore alla carroz-zeria di un’autovettura.

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sati sulla parte posteriore della fusoliera. In questo caso i motori trasmettono alti livelli di vibrazioni alla fusoliera, che quindi produce livelli molto alti di rumore in cabina. Come mostrato in Figura 9b, per questo tipo di problema sono stati sviluppati dei sistemi semi-attivi di assorbimen-to delle vibrazioni. Essi sono costituiti da ‘Adaptive Tunable Vibration Absorbers’ (ATVA) (assorbitori di vibrazione adat-tativi) montati alla base dei piloni di ancoraggio dei moto-ri. Si tratta di assorbitori di vibrazioni ordinari che vengo-no “accordati” attivamente con un sistema feed-forward multicanale sulla frequenza fondamentale delle vibrazioni tonali prodotte dai motori (dovute allo sbilanciamento dei rotori). Solitamente i sensori di errore sono composti da accelerometri posizionati alla base dei piloni di ancoraggio dei motori e microfoni distribuiti sulla parte posteriore della cabina dell’aereo. Gli assorbitori sono accordati in modo da modificare la vibrazione della parte posteriore della fuso-liera ed ottenere una riduzione del rumore in cabina [21].

Il rumore tonale nelle autovetture dovuto alle vibrazioni del motore viene trasmesso all’interno dell’abitacolo in due mo-di: per via acustica attraverso il vano motore e il cruscotto dell’auto e a seguito delle vibrazioni trasmesse dal motore alla carrozzeria dell’auto. Recentemente sono stati svilup-pati sistemi attivi per ridurre la trasmissione delle vibra-zioni alla carrozzeria, vibrazioni che risultano dominare il cosidetto “boom noise” all’interno della vettura e che hanno un effetto diretto sulla percezione di vibrazioni da parte dei passeggeri dell’auto [22,23,24]. Come mostrato in Figura 9c tali sistemi sono costituiti da sospensioni attive del motore che vengono guidate da un controllore feed-forward che uti-lizza come segnale di riferimento la frequenza di rotazione dell’albero motore misurata con un tachimetro. Le sospen-sioni attive vengono guidate in modo da minimizzare sia le vibrazioni nei punti di connessione (misurate con accele-rometri) che il rumore all’interno dell’autovettura (misurato con microfoni posti nelle vicinanze dei sedili dei passeggeri).

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accelerometri posizionati alla base dei piloni di ancoraggio dei motori e microfoni di-stribuiti sulla parte posteriore della cabina dellʼaereo. Gli assorbitori sono accordati in modo da modificare la vibrazione della parte posteriore della fusoliera ed ottenere una riduzione del rumore in cabina [21].

Il rumore tonale nelle autovetture dovuto alle vibrazioni del motore viene trasmesso allʼinterno dellʼabitacolo in due modi: per via acustica attraverso il vano motore e il cru-scotto dellʼauto e a seguito delle vibrazioni trasmesse dal motore alla carrozzeria dellʼauto. Recentemente sono stati sviluppati sistemi attivi per ridurre la trasmissione delle vibrazioni alla carrozzeria, vibrazioni che risultano dominare il cosidetto “boom noise” allʼinterno della vettura e che hanno un effetto diretto sulla percezione di vibra-zioni da parte dei passeggeri dellʼauto [22,23,24]. Come mostrato in Figura 9c tali si-stemi sono costituiti da sospensioni attive del motore che vengono guidate da un con-trollore feed-forward che utilizza come segnale di riferimento la frequenza di rotazione dellʼalbero motore misurata con un tachimetro. Le sospensioni attive vengono guidate in modo da minimizzare sia le vibrazioni nei punti di connessione (misurate con accele-rometri) che il rumore allʼinterno dellʼautovettura (misurato con microfoni posti nelle vicinanze dei sedili dei passeggeri).

5. Controllo della trasmissione del rumore attraverso pareti sottili

In Sezione 1 si è illustrato come lʼapproccio del controllo attivo del rumore in un vo-lume sia limitato alle basse frequenze dal momento che la sovrapposizione modale, os-sia il numero di modi significativamente eccitati in ciascuna frequenza, aumenta con il cubo della frequenza eccitante. Diversamente, la sovrapposizione modale di strutture sottili come ad esempio quella di un piccolo pannello, aumenta linearmente con la fre-quenza eccitante. Pertanto, dal momento che i contributi principali al rumore in cabina provengono da sorgenti esterne, la possibilità di ridurre la trasmissione sonora allʼinterno di aerei mediante il controllo delle vibrazioni della parete della fusoliera è stato fondamentale argomento di ricerca e sviluppo negli ultimi quindici anni. Questo approccio è particolarmente attraente poichè sensori e attuatori sono localizzati nella struttura della fusoliera e questo dovrebbe favorire la convergenza del controllore adat-tativo feed-forward e la stabilità del sistema di controllo feedback. Infine il sistema di controllo è molto meno invasivo, dal momento che sensori e attuatori sono incorporati nella struttura della fusoliera. La trasmissione/radiazione sonora da parte della parete doppia della fusoliera verso lʼinterno dellʼaereo potrebbe essere ridotta tramite i sistemi

Figura 11 - Esempi di sistemi di controllo attivo acustico strutturale multicanale con architettura feed-forward (a) e feedback (b) fissati sulla fusoliera di aerei rispettivamente con propulsione ad elica e a getto.

Figura 11. Esempi di siste-mi di controllo attivo acusti-co strutturale multicanale con architettura feed-for-ward (a) e feedback (b) fis-sati sulla fusoliera di aerei rispettivamente con pro-pulsione ad elica e a getto.

5. CONTROLLO DELLA TRASMISSIONE DEL RUMORE ATTRAVERSO PARETI SOTTILI

In Sezione 1 si è illustrato come l’approccio del control-lo attivo del rumore in un volume sia limitato alle basse frequenze dal momento che la sovrapposizione modale, ossia il numero di modi significativamente eccitati in ciascuna frequenza, aumenta con il cubo della frequen-za eccitante. Diversamente, la sovrapposizione modale di strutture sottili come ad esempio quella di un piccolo pannello, aumenta linearmente con la frequenza ecci-tante. Pertanto, dal momento che i contributi principali al rumore in cabina provengono da sorgenti esterne, la possibilità di ridurre la trasmissione sonora all’interno di aerei mediante il controllo delle vibrazioni della parete della fusoliera è stato fondamentale argomento di ricer-ca e sviluppo negli ultimi quindici anni. Questo approccio è particolarmente attraente poichè sensori e attuatori sono localizzati nella struttura della fusoliera e questo dovrebbe favorire la convergenza del controllore adatta-tivo feed-forward e la stabilità del sistema di controllo feedback. Infine il sistema di controllo è molto meno in-vasivo, dal momento che sensori e attuatori sono incor-porati nella struttura della fusoliera. La trasmissione/radiazione sonora da parte della parete doppia della fu-

soliera verso l’interno dell’aereo potrebbe essere ridotta tramite i sistemi di “Active Structural Acoustic Control” (ASAC) [27,29,31].Questo approccio di controllo migliora il potere fonoiso-lante del guscio della fusoliera o dei pannelli interni tra-mite degli attuatori strutturali fissati alla struttura della fusoliera o ai pannelli di rivestimento interno (attuatori elettromagnetici inerziali, piastre di materiale piezoe-lettrico PZT*, fogli di materiale piezoelettrico PVDF**) in modo tale da minimizzare la radiazione sonora. Questo approccio consiste nel riarrangiare i contributi modali alla risposta della struttura controllata in ciascuna fre-quenza, e questo potrebbe portare anche ad un aumento della risposta in alcune frequenze. Questo risultato di ricostruzione modale deriva dal fatto che la radiazione sonora avviene tramite modi individuali (ossia auto ra-diazione) e coppie di modi (ossia radiazione mutua). Ad alcune frequenze la radiazione mutua di certi modi può effettivamente ridurre le auto radiazioni. Pertanto la ra-diazione sonora totale può essere minimizzata metten-do a punto i contributi modali a ciascuna frequenza così da massimizzare questo fenomeno di cancellazione na-turale della radiazione sonora [31].Un approccio interessante alla progettazione di sistemi di controllo ASAC è stato sviluppato con la computazio-ne dei cosiddetti modi di radiazione [27,29,31]. Questi costituiscono un set alternativo di modi ortogonali della

* PZT sta per Piombo, Zirconio e Titanio [30] / ** PVDF o PVF2 sta per polimero in polyvinylidene fluoride [30]

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struttura che irradiano suono indipendentemente uno dall’altro. Pertanto il controllo di questi modi implica il controllo della radiazione sonora. Questi modi dipendono dalla frequenza e per strutture sottili sono generalmen-te caratterizzati da un primo modo volumetrico e da due modi a dipolo rispetto agli assi principali della struttura e poi da una forma a sella. Si è osservato come il modo di radiazione volumetrico sia di gran lunga il più efficiente nell’irradiare il suono alle basse frequenze. Pertanto un buon controllo della radiazione sonora totale della strut-tura può essere ottenuto controllando il modo di radia-zione volumetrico scegliendo un adeguato tipo, numero e distribuzione di attuatori e sensori puntuali e un sistema di condizionamento del segnale necessario a modellare la dipendenza in frequenza della forma del modo volu-metrico. I due disegni in Figura 11 illustrano tipici allesti-menti ASAC multicanale feed-forward (11a) e feedback (11b) per il controllo del disturbo da rumore tonale in ae-rei ad elica e del disturbo da rumore stocastico dovuto ai propulsori o alla eccitazione aerodinamica turbolenta della fusoliera in aerei con propulsione a getto (N.B. en-trambe le architetture di con-trollo possono essere im-plementate con attuatori elettromagnetici inerziali o con attuatori piezoelettrici ma per brevità è stato riportato un esempio solo nei due casi). I disegni in Figura 12a e 12b mostrano un interessante sviluppo dei sistemi ASAC dove un attuatore distribuito a strain e il sensore distri-buito a strain accoppiato sono utilizzati per controllare il modo volumetrico di singoli pannelli della fusoliera o di pannelli interni [27]. In questo caso, poiché il sistema di controllo è impostato in modo da minimizzare il suono irradiato da ciascun pannello, per ciascun pannello pos-sono essere implementati anelli di feed-forward o feed-back indipendenti.L’idea del controllo modulare è stata anche implemen-tata con coppie di sensori-attuatori puntuali [27]. Come illustrato dai disegni in Figura 12c, anelli di retroazione

locale sono stati implementati con coppie di sensori at-tuatori molto vicini, i quali assorbono energia dalla strut-tura, particolarmente alle frequenze di risonanza. In questo caso le unità modulari sono dei semplici sistemi di “Active Vibration Control” (AVC) che riducono la rispo-sta della fusoliera o del pannello interno alla frequenza di risonanza. Questo approccio di controllo è particolar-mente adatto a controllare radiazione sonora casuale e a banda larga di basse frequenze audio, radiazione prin-cipalmente determinata dall’ampiezza delle risonanze a bassa frequenza della struttura.Sistemi di controllo attivo possono essere utilizzati an-che per ridurre la trasmissione del suono attraverso pic-cole cavità tra il guscio della fusoliera e il pannelo inter-no. In particolare sono stati proposti due tipi di sistemi di controllo decentralizzati. Il primo utilizza attuatori alto-parlante con un sensore microfono al centro del cono. Il secondo utilizza attuatori reattivi tra i due pannelli con sensori accelerometro alle due estremità. Entrambi i si-stemi implementano anelli feedback di velocità che ten-dono ad assorbire energia nella cavità o nei due pannelli.

6. CONCLUSIONIQuesto articolo offre una breve introduzione al con-trollo attivo del rumore e delle vibrazioni nei mezzi di trasporto passeggeri quali aerei, elicotteri ed autovet-ture. Nella prima parte sono stati introdotti i concetti fondamentali che caratterizzano il controllo attivo del rumore in cavità con architetture in feed-forward e fe-edback. É stato evidenziato come la banda in frequen-za di controllo sia limitata dalla complessità della ri-sposta acustica della cavità. Tale proprietà può essere quantificata tramite il coefficiente di sovrapposizione modale che, per cavità acustiche, aumenta proporzio-nalmente al cubo della frequenza. Di conseguenza se

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Figura 12 - Esempi di sistemi di controllo attivo acustico strutturale con coppie di sensori distribuiti con architettura feed-forward (a) e feedback (b) fissati sulla fusoliera di aerei rispettivamente con propulsione ad elica e a getto e di sistemi di controllo attivo delle vibrazioni decentralizzati con architettura feedback (c) fissati sulla fusoliera di aerei con propulsione a getto.

casuale e a banda larga di basse frequenze audio, radiazione principalmente determinata dallʼampiezza delle risonanze a bassa frequenza della struttura.

Sistemi di controllo attivo possono essere utilizzati anche per ridurre la trasmissione del suono attraverso piccole cavità tra il guscio della fusoliera e il pannelo interno. In particolare sono stati proposti due tipi di sistemi di controllo decentralizzati. Il primo u-tilizza attuatori altoparlante con un sensore microfono al centro del cono. Il secondo uti-lizza attuatori reattivi tra i due pannelli con sensori accelerometro alle due estremità. Entrambi i sistemi implementano anelli feedback di velocità che tendono ad assorbire energia nella cavità o nei due pannelli.

6. Conclusioni

Questo articolo offre una breve introduzione al controllo attivo del rumore e delle vi-brazioni nei mezzi di trasporto passeggeri quali aerei, elicotteri ed autovetture. Nella prima parte sono stati introdotti i concetti fondamentali che caratterizzano il controllo attivo del rumore in cavità con architetture in feed-forward e feedback. É stato eviden-ziato come la banda in frequenza di controllo sia limitata dalla complessità della rispo-sta acustica della cavità. Tale proprietà può essere quantificata tramite il coefficiente di sovrapposizione modale che, per cavità acustiche, aumenta proporzionalmente al cubo della frequenza. Di conseguenza se si vuole estendere la banda di controllo di un siste-ma attivo è necessario aumentare il numero di sensori ed attuatori proporzionalmente al cubo della banda di frequenza. Si è anche mostrato che il coefficiente di sovrapposizio-ne modale di strutture bi-dimensionali, quali pannelli e gusci sottili, cresce linearmente con la frequenza. Questo indica un possibile vantaggio del controllo attivo strutturale

Figura 12. Esempi di siste-mi di controllo attivo acu-stico strutturale con coppie di sensori distribuiti con ar-chitettura feed-forward (a) e feedback (b) fissati sulla fusoliera di aerei rispettiva-mente con propulsione ad elica e a getto e di sistemi di controllo attivo delle vi-brazioni decentralizzati con architettura feedback (c) fissati sulla fusoliera di ae-rei con propulsione a getto.

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si vuole estendere la banda di controllo di un sistema attivo è necessario aumentare il numero di sensori ed attuatori proporzionalmente al cubo della banda di frequenza. Si è anche mostrato che il coefficiente di sovrapposizione modale di strutture bi-dimensionali, quali pannelli e gusci sottili, cresce linear-mente con la frequenza. Questo indica un possibile vantaggio del controllo attivo strutturale acustico rispetto al control-lo del rumore: il primo infatti controlla la trasmissione del rumore attraverso pareti sottili. Questo approccio risulta di particolare interesse nel caso in cui la tra-

smissione del rumore all’interno di una cavià avvenga principalmente attraverso porzioni limitate del guscio che la delimita. In tal caso è sufficiente utilizzare un numero relativamente basso di sensori ed attuatori per ottenere una buona riduzione del rumore all’inter-no di una cavità.Nella seconda parte dell’articolo sono stati presentati gli approcci principali del controllo attivo del rumore, della trasmissione delle vibrazioni e della trasmissione del rumore studiati e sviluppati nel settore aeronautico e automobilistico. .

7. BIBLIOGRAfIA

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ASPETTI TECNOLOGICI DEL PROTOTIPO

1. IL CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE: LE AREE DI ATTENUAZIONE

Il sistema ANC - Active Noise Control agisce alle basse frequenze, preferibilmente tra 50Hz e 600Hz in ambienti liberi, e fino a 1500Hz all’interno di spazi confinati, come ad esempio le condotte di ventilazione. In tali bande di frequenza i materiali fono-assorbenti e fono-isolanti, per la loro natura, si rivelano poco efficaci, di conseguenza il sistema ANC si propone come una soluzione complemen-tare alle tecniche tradizionali con l’obiettivo di fornire una copertura completa di tutte le componenti di rumore pre-senti nell’ambiente.A tal fine, è determinante conoscere le caratteristiche della sorgente e dell’ambiente dell’applicazione in oggetto.La fonte del rumore può, infatti, essere di tipo:• puntuale: il rumore è riconducibile ad una o più sorgenti chiaramente localizzate ed individuabili (es. motore, venti-latore, gruppo elettrogeno); • diffusa: il rumore è dovuto a più fattori e proviene da punti non sempre circoscrivibili e ben definiti (es. rumore dato da più sorgenti concorrenti, vibrazione delle pareti).In base all’applicazione varierà anche il tipo di esigenze di miglioramento del comfort, che può riguardare:• un’area limitata (es. il sedile del conducente, il padiglione di una cuffia di protezione);• una zona estesa (es. l’abitacolo di una vettura, una cabina, una sala d’ufficio).A seconda del tipo di sorgente e della configurazione dell’ambiente in cui essa è posta, è possibile determinare l’ampiezza dell’area su cui sarà possibile ottenere l’atte-nuazione del rumore, tenendo conto degli obiettivi che si in-tendono raggiungere, e la complessità del sistema ANC ne-cessaria a tal fine. Si possono descrivere i seguenti 4 casi:

Fig. 1. Zona di quiete e sorgente rumorosa, i 4 casi del sistema ANC

• Punto-Punto: è il caso più semplice da trattare. La sor-gente è puntuale ed è posizionata in un ambiente ampio in cui si propaga il rumore. L’altoparlante secondario, posto ad una certa distanza, permetterà la cancellazio-ne solo in corrispondenza del microfono di controllo. Si creerà pertanto una sfera di raggio λ/10 intorno a tale sensore entro cui l’attenuazione sarà massima; all’au-mentare della distanza da esso, l’effetto di cancellazio-ne andrà diminuendo.• Punto-Zona: come nel caso di un impianto di ventila-zione, la sorgente è puntuale (il ventilatore) ed il rumore si propaga lungo il condotto. Posizionando opportuna-mente il sistema ANC, è possibile ridurre la pressione acustica presso la bocca del condotto in modo che il di-sturbo risulti attenuato in tutto l’ambiente su cui essa si affaccia. • Zona-Punto: nella cabina di un veicolo, ad esempio, il rumore proviene da molte sorgenti differenti non sem-pre localizzate in punti identificabili e risulta essere, pertanto, diffuso. In questo caso, il sistema ANC potrà creare un effetto di attenuazione locale, creando una “zona di quiete” ad esempio intorno alla testa del pas-seggero seduto.• Zona-Zona: è il caso di problema che riguarda il ru-more più comune, ma anche più ambizioso e complesso per l’approccio ANC. Un esempio può consistere nell’at-tenuare attivamente il rumore di una pista di decollo presso le abitazioni limitrofe. Un elaborato sistema ANC è in grado di gestire, potenzialmente, questa situa-zione, anche se sono ancora pochi i tentativi rilevanti riportati in letteratura.

2. COMPONENTI DEL SISTEMA DI CONTROLLO ATTIVO Nel corso degli anni e con l’intensa attività nell’ambito del progetto SASCAR, ESION s.r.l. ha sviluppato un pro-prio know-how che ha portato alla realizzazione di un prototipo di apparato per il controllo attivo del rumore.Il sistema ANC è costituito da due parti:

• Hardware:A) unità di controllo; B) microfono/i riferimento e controllo; C) amplificatore;D) attuatori woofer; E) casse acustiche;

• Software:

Ing. Gabriele Castelli, ESION Srl

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– algoritmi di controllo principali:> Feedback;> Feedforward.

Hardware:A) L’unità di controllo (Fig. 2) rappresenta la centralina elettronica che gestisce tutti i dati in ingresso e in usci-ta.All’interno è situato un microprocessore (DSP), un co-dec per la conversione analogico/digitale e digitale/analogico dei segnali e tre tipi di memorie, una RAM (in-terna al DSP), una SDRAM e una FLASH esterne, per la memorizzazione del codice e dei dati.Su di un lato sono presenti gli ingressi e le uscite con connettori XLR, mentre sul lato opposto c’è il connetto-re per l’alimentazione ed una porta seriale per il colle-gamento ad un computer. Tramite PC ed il connettore JTAG è possibile riprogrammare la scheda, mentre si può comunicare con essa con l’ausilio di una semplice, ma completa, interfaccia grafica.

Fig. 2. Unità di controllo

B) I microfoni che vengono normalmente utilizzati sono di tipo ad elettreta da ¼’’. In alcuni casi, quando sono adoperati nelle condotte di ventilazione, possono es-sere protetti con i foam plastic sleeves, cioè le classi-che spugne di protezione, oppure isolati all’interno di probe tubes. A seconda dell’algoritmo possono essere necessari più microfoni, la cui posizione deve essere individuata accuratamente affinché possano svolgere correttamente il loro compito. Inoltre, è necessario che questi sensori siano in grado di percepire e trasmettere senza distorsioni le frequenze del rumore nella ban-da di interesse per il sistema. L’esigua dimensione dei microfoni ne permette il posizionamento nei punti più idonei, ottenendone l’integrazione nell’ambiente con impatto minimo.C) L’amplificatore è un modello ASK, progettato per esse-re inserito nei sistemi audio presenti nelle autovetture, ma adattato agli scopi del controllo attivo del rumore. Per questo sono stati modificati gli ingressi e le uscite in modo da avere completa compatibilità con l’unità di controllo (Fig. 3). Ha il compito di amplificare il segnale di cancellazione generato dall’unità di controllo e di in-

viarlo agli altoparlanti. Deve essere in grado di fornire una potenza almeno pari a quella del rumore primario per poterlo contrastare, senza introdurre distorsione e saturazione. Se si adottano soluzioni multicanale, deve essere in grado di gestire canali separati.

Fig. 3. Amplificatore

D) Gli attuatori sono generalmente dei woofer o sub-wo-ofer (esempio in Fig. 4), anche questi disponibili sul mer-cato. Devono essere in grado di riprodurre fedelmente il segnale a bassa frequenza, generato dall’unità di con-trollo. Il numero di attuatori e le dimensioni del diame-tro possono variare, entro certi limiti, in base allo spazio disponibile, alle frequenze e alle potenze acustiche in gioco. Inoltre, è di cruciale importanza la posizione degli altoparlanti che, quindi, deve essere studiata accurata-mente.E) Le casse acustiche, all’interno delle quali sono allog-giati gli altoparlanti, vengono progettate in base alle ca-ratteristiche di questi ultimi ed allo spazio a disposizio-ne, in modo da integrarsi con l’ambiente.

Fig. 4. Altoparlante woofer

3. SChEMI DEGLI ALGORITMIAPPROCCI FEEDFORWARD E FEEDBACKGli algoritmi sono la parte essenziale di un sistema elet-tronico/informatico e, nel caso di quelli sviluppati da

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ESION s.r.l., vengono valutati in funzione dell’applicazio-ne che viene di volta in volta affrontata. Le variabili sono:• tipo di sorgente del rumore (ad esempio puntuale o dif-fusa);• tipo di area di controllo (ad esempio locale o globale);• caratteristiche del rumore primario (banda larga o stretta);• caratteristiche dell’ambiente di applicazione (es. spa-zio a disposizione per altoparlanti e microfoni).

Nonostante la complessità spaziale del dominio determini la strategia di controllo da attuare, la caratteristica più im-portante dell’impianto è la posizione di lettura del segnale.Nel controllo preazionato, denominato feedforward (Fig. 5), il segnale di riferimento del disturbo è prelevato a monte dell’attuatore, sufficientemente lontano in mo-do che non risenta della sua azione; in questo modo il controllore anticipa la correzione stimando il comporta-mento del sistema perturbato ed introducendo iterativa-mente delle correzioni sulla base della lettura dell’errore residuo prelevato sul segnale in uscita.Nel controllo retroazionato (feedback), il comportamen-to dell’attuatore è basato solo sulla valutazione del se-gnale d’errore.

Fig. 5. ANC Feedforward singolo canale

Analizzando lo schema di un sistema ANC feedforward, si osserva che il cammino primario consiste nella rispo-sta acustica dal microfono di riferimento al microfono di errore, dove si realizza l’attenuazione del rumore, di soli-to a banda larga. Poiché il sistema è dinamico, l’algorit-mo adattativo ha il compito di seguire continuamente le variazioni temporali dei segnali. Questo comportamento è complicato dalla sovrapposizione acustica che avviene nello spazio tra la sorgente secondaria (l’altoparlante) e il microfono di errore, dove il rumore primario si somma all’uscita del filtro adattativo. Per questo è necessaria una compensazione per la funzione di trasferimento del cammino secondario, nella quale bisogna tener conto di molti contributi:• il convertitore digitale/analogico;

• il filtro di ricostruzione;• l’amplificatore, l’altoparlante;• il cammino acustico dall’altoparlante al microfono di errore;• il microfono di errore;• il filtro antialiasing;• il convertitore analogico/digitale.

Proprio per la caratteristica di usare due microfoni, se si è nella condizione in cui il rumore principale proviene da un ambiente confinante e da una direzione precisa (ad esempio nel caso di una condotta per l’aria condiziona-ta), si è in grado di avere una riduzione del rumore in tutto l’ambiente principale, effettuando il controllo al confine tra i due ambienti.

Gli aspetti critici sono principalmente due:I. i segnali acquisiti dai microfoni di riferimento e di er-rore, rispettivamente a monte e a valle dell’altoparlante, devono essere coerenti tra loro. Ciò significa che il rumo-re che si propaga nel condotto deve mantenere caratte-ristiche spettrali, in termini di modulo e fase, molto simili tra loro;II. il vincolo di causalità per cui il tempo necessario all’ac-quisizione del segnale di riferimento, all’elaborazione ed alla riproduzione del segnale di cancellazione (tsystem) deve essere inferiore o, al limite, uguale, al tempo che impiega l’onda di rumore a propagarsi nel condotto tra il microfono di riferimento e l’altoparlante (tair).

Fig. 6. ANC Feedback singolo canale

Il sistema ANC feedback, mostrato nel diagramma a blocchi in Fig.6, ha lo scopo di ridurre il rumore periodico a banda stretta. Questo sistema controlla sorgenti armo-niche filtrando, in modo adattativo, un segnale di riferi-mento sintetizzato, generato internamente dallo stesso sistema ANC.Questa tecnica ha i seguenti vantaggi:1. si evita l’indesiderato feedback acustico che torna in-

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dietro dalla sorgente secondaria al microfono di riferi-mento;2. non ci sono i problemi legati alle non-linearità e all’in-vecchiamento del microfono di riferimento;3. la periodicità del rumore rimuove il vincolo di causalità;4. l’uso di un segnale di riferimento generato interna-mente rende il sistema capace di controllare ogni armo-nica in maniera indipendente;5. è necessaria solo la modellazione della funzione di trasferimento dell’impianto acustico su quelle frequenze in prossimità dei toni armonici.

L’ultimo punto implica che, paragonato ad un sistema ANC feedforward, quello feedback può utilizzare un fil-tro FIR di ordine minore, garantendo stabilità e maggiore velocità.In generale, sono usati due tipi di segnali di riferimento nei sistemi ANC feedback a banda stretta: un treno di impulsi con periodo uguale all’inverso della frequenza fondamentale del rumore periodico, oppure onde sinu-soidali che hanno le stesse frequenze dei corrispondenti toni armonici da cancellare. Il secondo approccio è quel-lo scelto ed utilizzato da ESION s.r.l..Con lo schema feedback si persegue l’attenuazione della pressione sonora in prossimità del microfono di errore, in particolar modo si crea una zona di quiete, una sfe-ra di cancellazione che è ha il raggio proporzionale alla lunghezza d’onda del rumore (r ≈ λ/10). Questo vuol dire che si ottiene un risultato apprezzabile alle frequenze medio-basse, le quali hanno lunghezza d’onda elevate.

4. LA MODELLAZIONE OffLINE DEL SISTEMA

Per poter utilizzare il sistema di controllo attivo, occorre una fase preliminare durante la quale si adatta al meglio l’algoritmo alle condizioni presenti, al campo acustico e al luogo di utilizzo.Si adopera un’interfaccia grafica molto intuitiva e facile da utilizzare che serve a stimare la funzione di trasferi-mento del cammino secondario tra il microfono di errore e l’altoparlante e ad impostare il valore di altri parametri utilizzati dall’algoritmo di controllo attivo. Sviluppata in C#, visualizza i dati scambiati tra il pc e la scheda, tra-mite la porta seriale.

Questi i campi presenti:- Andamento temporale: disegna l’onda che percepisce il microfono di controllo;- Mu: è il parametro di adattamento dell’algoritmo, inse-rito nell’equazione di aggiornamento dei pesi; in generale con un valore piccolo l’adattamento è più lento ma l’algo-ritmo è più stabile, mentre con un valore grande si ha un adattamento aggressivo, ma potenzialmente instabile;- DAC Volume: è il livello del segnale di uscita dagli alto-

parlanti;- ADC Left/Right: è il guadagno dei segnali microfonici si-nistro e destro; se il rumore primario è particolarmente elevato, si tende a non utilizzarlo;- Stima Fdt White Noise: pulsante per il lancio della fun-zione di trasferimento; quando viene cliccato, diventa verde e comincia l’emissione del rumore bianco per circa 30 secondi, alla fine dei quali la funzione viene automati-camente salvata nella scheda;- Send: tasto da cliccare dopo aver impostato i valori che si vogliono modificare, nei vari campi descritti sopra, per far sì che diventino effettivi e vengano scritti sulla scheda; - V-Meter: indicatore del livello di picco d’ingresso dei se-gnali microfonici sinistro e destro.

5. L’INTEGRAZIONE IN AMBITO NAUTICO

Le principali sorgenti di rumore a bordo delle imbar-cazioni sono rappresentate dai motori di propulsione, dall’impianto dei gas di scarico e dalla linea d’assi. Il ru-more strutturale si diffonde nello scafo attraverso i ponti e l’impianto di scarico. Successivamente, il rumore aereo si irradia dai ponti verso le zone interne.La riduzione del rumore a bordo coinvolge diversi aspetti:• aumento del comfort e miglioramento dell’esperienza di navigazione per i passeggeri di yacht e navi da crociera;• incremento della sicurezza nei luoghi di lavoro e pro-tezione dall’esposizione al rumore per un lungo periodo per l’equipaggio ed il personale di bordo. Equipaggio e personale di bordo, infatti, a partire dal 15 febbraio 2011 sono soggetti a limiti di legge per quanto riguarda l’espo-sizione al rumore durante le ore lavorative, come da art. 189 del D. Lgs 81/2008. Per quanto riguarda il primo aspetto, se si prendono in considerazione le dimensioni ridotte delle cabine, è pos-sibile che si verifichi l’insorgere di onde stazionarie (modi risonanti) in aggiunta al rumore propagato per via strut-turale dagli impianti di bordo, e per via aerea dagli im-pianti di condizionamento.L’accoppiamento indesiderato dei modi acustici della cabina con le frequenze di vibrazioni dei macchinari può dare origine ad un rimbombo all’interno della stanza. Questo rumore a bassa frequenza, porta ad un malesse-re, disagio e affaticamento degli occupanti della stanza.L’installazione di un sistema di controllo attivo del rumo-re e delle vibrazioni presso il condotto di ventilazione di una cabina, direttamente all’interno di essa o in un luogo di lavoro, può ridurre sensibilmente i disturbi sopra citati e creare una zona di quiete, aumentando contemporane-amente la sicurezza ed il comfort a bordo.

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RICADUTE POSITIVE DELL’INTRODUZIONE DEL CONTROLLO ATTIVO DEL RUMORE SULLA SALUTE

Il rumore è un fenomeno acustico che provoca una sensa-zione sgradevole, fastidiosa o intollerabile; se intenso e/o persistente diventa un problema di notevole importanza per l’impatto sull’ambiente e sugli esseri viventi. Gli effetti nocivi del rumore sull’uomo si dividono in: uditivi (specifici) che riguardano l’organo dell’udito, extra uditivi (non speci-fici) che interessano organi e apparati diversi dall’organo dell’udito. I danni specifici comprendono lesioni all’orecchio con per-dita della capacità uditiva, mentre i danni sistemici com-prendono disturbi molto vari che coinvolgono il sistema nervoso, il sistema cardiocircolatorio, il sistema gastroen-terico, il sistema endocrino ecc. Dopo questa premessa sugli influssi nocivi del rumore su-gli esseri viventi, cerchiamo di chiarire alcuni meccanismi che sono concausa di tali disturbi.I sistemi biologici sono stati generati sulla terra che, a tut-ti gli effetti, è una palla magnetica: essendo questi coe-renti con il sistema che li ha generati, hanno sviluppato le stesse caratteristiche del sistema generante. Sappiamo, infatti, che la cellula umana nella sua complessità prov-vede, per mezzo di codici biochimici (molecole segnale), alle sue necessità funzionali, ma, allo stesso tempo, gra-zie a campi elettromagnetici - EM endogeni (autopoietici, generati delle variazioni di differenza di potenziale data dal flusso ionico trans membrana), è in grado di coordina-

re l’informazione a livello della cellula stessa e a livello di tutto il corpo in tempo reale e in tutte le direzioni. Tali cam-pi EM, interagendo costantemente con i campi EM esoge-ni (naturali e artificiali), contribuiscono al mantenimento dell’equilibrio cellulare e di tutto l’organismo (omeostasi). La membrana cellulare rappresenta nei sistemi biologici il confine tra l’ambiente endocellulare e quello extracellu-lare ed ha sia funzione di azione (mette in comunicazione l’ambiente con il nucleo cellulare per mezzo dei recettori di membrana), sia di modulazione, per cercare di mante-nere il sistema in un equilibrio dinamicamente ordinato (rapporto tra necessità della cellula e interferenze am-bientali).Quindi la cellula umana è un’unità funzionale in stretta comunicazione con le altre cellule del corpo, regolata da complessi segnali di tipo magneto-chimico che coordi-nano l’insieme in una risposta coerente ed adeguata alle richieste di adattamento all’ambiente. I recettori di mem-brana sono in grado di condurre uno stimolo, per mezzo di un sistema a cascata, verso il nucleo che, alla fine, darà una risposta adeguata allo stimolo ricevuto (sintesi di va-rio tipo, espressione di geni, mitosi); il tutto modulato da complesse interazioni elettromagnetiche.In questa complessità (membrana, recettori, effettori ecc.) il trasduttore di segnale EM verso l’interno della cellula più importante è il microtubulo (principale componente

Dott. Ezio Gallas, Medico Chirurgo

Coppia di microtubuli interconnessi da 4MAPs ed onde acustiche

Coppia di microtubuli interconnessi da 4MAPs, onde acustichee pulsazioni

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del citoscheletro), la cui struttura è collegata con gli al-tri microtubuli per mezzo di proteine MAPs (microtubule associated proteins), con la membrana cellulare, con le altre cellule e con la matrice extracellulare. I microtubuli sono soggetti a costanti modificazioni strutturali, indotte dall’adattamento della cellula agli stimoli ambientali: tali variazioni strutturali generano onde acustiche (trasdu-zione dell’energia elettromagnetica in elettroacustica) e viceversa (effetto Debye ed effetto L.I.V. lorenziane inver-se vettoriali). Questi codici sono alla base del concetto di Cell-Wide Web e di body-Wide Web, facilmente intuibile vista la stretta relazione che i microtubuli hanno con le restanti strutture cellulari. Materia ed energia sono indissolubilmente legate tra di loro: la materia a livello ultramicroscopico, cioè a livello delle particelle elementari, è in perpetuo movimento e interazione, quindi si trova in uno stato di vibrazione. Se-condo l’equazione di Plank (E=hf), l’energia è legata alla frequenza della radiazione emessa.Tutto ciò che è materia ha energia e l’energia è vibrazio-ne, cioè frequenza; pertanto tutto ciò che è costituito da materia e, quindi, ha una massa, può emettere o ricevere frequenze, cioè onde elettromagnetiche. Gli studi di Popp hanno evidenziato, ad esempio, che la molecola del DNA ha una densità di informazione pari a 10 alla 21 bit e che le cellule comunicano nel campo dagli infrarossi agli ultra-

violetti. Tutto il corpo umano, dunque, è in grado di emet-tere e ricevere frequenze EM ed interagire con loro.Lo scambio di questi segnali elettromagnetici a livello cel-lulare genera precisi effetti biologici e biochimici che, se ottimizzati e coordinati, mantengono lo stato di salute.È interessante notare che la maggior parte delle patolo-gie si manifesta inizialmente con uno squilibrio energeti-co con conseguente difetto di comunicazione; in seguito compaiono alterazioni sul piano biochimico e conseguen-ti manifestazioni cliniche.In un sistema così complesso come il corpo umano (con-dominio di 50 mila miliardi di cellule) si può comprendere come questi meccanismi siano fondamentali per una co-municazione istantanea e coordinata, tale da azzardare l’ipotesi che potrebbe rappresentare lo strumento attra-verso cui la coscienza ha la consapevolezza della mate-ria. In questo contesto possiamo ben capire come anche il rumore possa interagire in senso disturbante con i de-licati equilibri elettromagnetico acustici e acustico elet-tromagnetici, che sono alla base del controllo funzionale e, quindi, dell’omeostasi per un corretto funzionamento cellulare e dello stato di salute.Un ambiente sano, con notevole riduzione del rumore, si-curamente concorre al mantenimento dello stato di salu-te; pertanto qualunque sforzo orientato all’abbattimento del rumore è auspicabile e va sostenuto. .

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L’IMPORTANZA DI SOLUZIONI PER L'ANC PER I PRODUTTORI DI IMBARCAZIONIIL CONTROLLO ATTIVO NEGLI IMPIANTI DI BORDO

Ing. Francesco De Lorenzo Fincantieri

Il problema della riduzione dei livelli di rumore e del-le vibrazioni a bordo delle moderne navi rappresenta una delle principali sfide a cui sempre più progettisti in ambito internazionale cercano di dare soluzione: di seguito viene riportata una storia delle prime pionieri-stiche applicazioni del rumore attivo realizzate a bor-do delle navi.

Il rumore e le vibrazioni sono riconosciuti come impor-tanti cause di inquinamento ambientale, capaci di pro-durre danni fisici agli organi dell’udito dell’uomo, psico-logici, come stordimento e stanchezza, nonché sociali, come riduzione dell’efficienza e dell’attenzione.La conoscenza del meccanismo di generazione delle vibrazioni e del rumore non è recente, ma l’adozione di materiali e di strutture sempre più leggere, ovvero poco smorzate, permessa dallo sviluppo tecnologico e pro-gettuale, abbinata alla necessità di elevate prestazioni e velocità, con conseguente aumento delle forze d’ecci-tazione, ha reso sempre più necessaria l’analisi dinami-ca delle strutture; inoltre è cresciuta la sensibilità nei confronti del problema e la volontà di risolverlo.Il rispetto di normative e di richieste armatoriali sem-pre più stringenti, la necessità di conseguire standard qualitativi sempre più elevati, offrendo comunque dei prodotti finali, le navi, soddisfacenti le richieste di un pubblico sempre più esigente in termini di confort e di servizi, hanno determinato la ricerca di nuove soluzioni per il futuro; l’unanime interesse scientifico è volto allo sviluppo di una tecnica già ben nota ma che non ha po-tuto godere fino ad ora della giusta attenzione: il con-trollo attivo.Ricerche hanno dimostrato che le vibrazioni genera-te dalla moltitudine di sorgenti di bordo, quali motori, pompe, compressori, impianti di condizionamento, pas-sano allo scafo attraverso i punti di connessione; queste vibrazioni strutturali trasmesse allo scafo producono del rumore strutturale radiato sia all’interno che in ac-qua; quest’ultimo produce una ben distinta segnatura acustica, determinante per la detettabilità di ciascu-na nave, identificabile attraverso sonar passivi; la sua modificazione o riduzione, nonché previsione in fase di progetto, è argomento di grande interesse e ricerca, soprattutto per soddisfare le richieste avanzate dalle

Marine Militari.Un lavoro serio di insonorizzazione della nave preve-de l’analisi di tutte le principali sorgenti di rumore e di vibrazioni, fornendo per ciascun impianto le soluzioni progettuali necessarie per ridurne i livelli sonori emessi.A questo proposito occorre sottolineare che per com-battere il rumore emesso a basse frequenze, per il quale i metodi di insonorizzazione usualmente usati non sono molto efficaci,il metodo del controllo attivo del rumore rimane l’unico in grado di conseguire ottimi risultati:l’effettiva efficacia del controllo attivo in ambito navale, la cui applicazione non ha potuto ancora godere della giusta considerazione, probabilmente per una in-giustificata mancanza di diffusione di conoscenza e dei necessari investimenti, rimane una pietra miliare della ricerca. Per il futuro si prevedono standard normativi ed armatoriali sempre più limitanti, nonché strumentazio-ni di scoperta ed intercettazione più avanzati e precisi, che impongono uno sforzo di ricerca e sviluppo da intra-prendere necessariamente fin da ora.Nel campo navale si è ancora in fase sperimentale in quanto la grande mobilità delle strutture dello scafo, soprattutto per le leggere navi militari, rende il proble-ma di più difficile formulazione; comunque i dati rac-colti circa i pochi impianti già installati a bordo, sia in campo militare che in campo diportistico, ed i risultati conseguiti nell’opera di ricerca presentata in questa te-si, garantiscono la validità del progetto, su cui però sarà necessario investire ancora molto in futuro per poterne sfruttare tutte le potenzialità.

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In ambito navale la letteratura riporta di un numero estremamente esiguo di applicazioni effettivamente realizzate ed installate con successo; nella seguente tabella è riportato l’effettivo stato dell’arte:

Gli studi e i test di rumore al vero, compiuti dalla Esion quest’anno su un mock-up, in collaborazione con la Fincan-tieri, hanno dimostrato che il sistema del rumore attivo, applicato all’impianto di condizionamento di una cabina, è in grado di migliorare molto le prestazioni acustiche a bassa frequenza, migliorandone di conseguenza il comfort.Come si evince dall’osservare i sopra riportati dati, nonostante i notevoli sforzi individuali, questi restano insufficien-ti per poter permettere un rapido ed efficace sviluppo di una così promettente ed ancora poco esplorata tecnologia; per il futuro è auspicabile un maggiore interesse da parte degli armatori e delle Marine Militari, tale da giustificare maggiori investimenti economici. .

IMPIANTO TECNICA REALIZZAZIONE ANNO NAVE

HVAC ANC Fincantieri – ABB Ing. F. De Lorenzo 1996 M/S VEENDAM

GAS DI SCARICO

ANC Fincantieri - 2000 M/S TOR SUECIA

RIDUTTORE AVC Hutchinson Ing. M. Noé 2007 Laboratorio

MOTORI DIESEL

ASAC AVIIS projectBlekinge Institute of Technology

Prof.s M. Winberg,T. L. Lagö,

S. Johansson,I. Claesson

1997 STOREBRO 36 ROYAL CRUISER

AVC Hutchinson Ing. M. Noé 2007 Laboratorio

AVC University of Adelaide, Blekinge Institute of Technology

Prof.s M Winberg, C. H. Hansen,

I. Claesson,B. Cazzolato

2001 Laboratorio

MOTORI ELETTRICI

FILTRI ATTIVI ALSTOM Power - 1998 R/V ÁRNI Friðriksson

Tab. 1 Stato dell’arte delle applicazioni del controllo attivo del rumore e delle vibrazioni a bordo delle navi.

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LE NUOVE fRONTIERE DEL COMfORT SUGLI YAChTS

Ing. Paolo Cerisola, Monte Carlo Yachts

Gli yachts sono sogni naviganti che colpiscono l’imma-ginario collettivo per l’armonia delle forme esterne, per la ricchezza e accoglienza degli arredi interni, e ispirano fantasie su viaggi verso mete meravigliose cullati dalle onde e avvolti nel comfort. Il carico pagante degli yachts è sicuramente il design, destinato ad una utenza sofi-sticata, abituata al lusso e ad usufruire dei servizi di più alto livello.Ogni dettaglio a bordo deve essere perfetto, curato con artigianalità e passione.Ma dopo il primo accattivante contatto visivo con lo yacht dei desideri, inizia la permanenza a bordo, in ban-china prima, in navigazione poi e, infine, alla fonda.Si accendono i motori, si avvia il generatore, la ventila-zione di macchina, l’impianto idroforo, l’impianto acque nere e grigie, e l’impianto di condizionamento. Perché lo yacht è in realtà un oggetto tecnologico e, anche in que-sto caso, la tecnologia è espressa ai massimi livelli, tesa a fornire i migliori servizi all’Armatore.E quando tutto è pronto inizia la navigazione.È in questo momento che si potrebbe spegnere tutta l’atmosfera di sogno che avvolge la desiderata vacanza a bordo dello yacht, raggiunto a costo di tanto impegno e tanti sacrifici.Ogni macchinario installato a bordo, una volta avvia-to, genera un suo rumore caratteristico, lo trasmette all’ambiente circostante per via aerea e genera vibrazio-ni che propaga su tutto lo scafo tramite le strutture su cui poggia.Ogni pala dell’elica, per generare la spinta necessa-ria alla propulsione, genera un’area di pressione sulla sua faccia poppiera e la fa ruotare intorno a sé attorno all’asse dell’elica stessa. E ogni volta che la pala transita sotto la volta di poppa l’area di pressione si traduce in un impulso che eccita la volta di poppa. E così per ogni pala dell’elica e per il numero di giri dell’asse. Tutto ciò si traduce in una sorgente vibratoria che accompagna inevitabilmente lo yacht in tutta la navigazione. La somma delle vibrazioni generate dai macchinari di bordo e dalle eliche corre per tutte le strutture dello yacht mettendone in vibrazione ogni sua parte con fre-quenze e con ampiezze peculiari ad ogni zona e che pos-sono essere percepite dai passeggeri a livello corporeo e a livello acustico.

Per essere chiari in termini semplici, l’uomo è dotato di tre tipi di sensori che controllano il comfort dell’ambien-te in cui si trova; il primo tipo è il sensore termico che esula da questa trattazione, il secondo tipo è l’orecchio che percepisce il rumore e il terzo è il “fondoschiena” che percepisce le vibrazioni.Negli anni gli armatori sono diventati sempre più esi-genti in merito al comfort e i cantieri hanno impegnato di conseguenza ingenti risorse umane ed economiche per migliorarlo riducendo il rumore e le vibrazioni.Anche i Registri di Classifica hanno introdotto procedu-re di certificazione della classe di comfort di bordo.Nell’ambito degli yacht è ormai un obbligo adottare provvedimenti per ridurre rumore e vibrazioni.Per quanto attiene le vibrazioni, molti sono i fronti sui quali si può agire.Ogni macchinario nel suo funzionamento genera vibra-zioni. Per ridurne la percettibilità, si deve agire sulle sor-genti bilanciandole al meglio.Non è però possibile annullare completamente le vibra-zioni generate da un macchinario. Si deve, quindi, agire sui supporti che lo collegano alla struttura, montando degli antivibranti che interpongono parti in elastomero opportunamente tarate, riuscendo in questo modo a ri-durre notevolmente la trasmissione delle vibrazioni alla struttura della nave.Si può, inoltre, irrigidire selettivamente la struttura del-la nave, per far si che le vibrazioni che comunque rie-scano a “entrare” nelle strutture, non trovino punti con una elasticità tale da renderle nettamente avvertibili ai passeggeri.Anche per quanto attiene il rumore vi sono molti fronti sui quali si può agire.Le strutture delle navi sono fatte di travi e pannelli. Un pannello che vibra, si trasforma sostanzialmente in una cassa acustica capace di tradurre le vibrazioni struttu-rali in rumore aereo. Per contenere questo fenomeno, si installano piastre di costrizione in lamierino metallico di dimensioni e peso tarati, incollate al pannello con ap-posite vernici visco-elastiche creando in sostanza uno smorzatore di vibrazioni a parete.È da notare come le vibrazioni possano essere fastidio-se non solo a causa del nostro sensore “fondoschiena”, ma anche a causa del nostro sensore “orecchio”.

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Il rimedio più noto per il contenimento del rumore sono le isolazioni, ovvero la applicazione sulle pareti di rive-stimenti di materiali soffici, capaci di frenare la trasmis-sione del rumore. Le isolazioni possono assolvere anche la funzione di isolante termico, ma pongono dei proble-mi di peso, di installazione e di sicurezza antincendio.Naturalmente si deve anche intervenire sui macchinari, cercando di insonorizzarli al meglio.Tutte le tecnologie elencate fin qui si basano su sistemi passivi di smorzamento del rumoreEsse rappresentano i fronti sui quali si sono concentrati gli sforzi fino ad oggi, riuscendo ad ottenere in molti casi dei consistenti risultati.In altri casi, invece, si è scoperto solo a yacht finito e pronto alla consegna, che vi erano problemi di rumore o di vibrazioni.È questo un altro aspetto critico del confort sugli yachts. Non si possono organizzare test preventivi mentre lo yacht è in costruzione per verificare la bontà del proget-to confort. Si possono testare i generatori, gli impianti idraulici e meccanici con lo yacht ancora in costruzione, ma il confort lo si può verificare solo a yacht funzionan-te, in banchina, in navigazione ed alla fonda. E se a yacht funzionante si scoprono rumori o vibrazioni anomale, la soluzione può essere decisamente costosa, ma in alcuni casi può essere anche impossibile.Tutte queste meravigliose tecnologie dimostrano quan-to si è investito e quanto ancora si investe nel campo del comfort degli yachts. È necessario sottolineare, però, che esse possono essere applicate su yachts di determinate dimensioni, che possono assorbire i pesi delle installazioni antirumore. Su yachts di piccole di-mensioni ed in particolare su scafi plananti, il peso è un parametro fondamentale che deve essere mantenu-to al minimo. Questo limita fortemente la possibilità di contrastare efficacemente il rumore per tale settore di yachts che è, però, largamente diffuso.È allora necessario rivolgersi verso nuove tecnologie che consentano di ridurre i pesi delle installazioni e che siano applicabili anche agli yachts plananti sotto i 24 m e che comunque permetterebbero di completare ulte-riormente le prestazioni dei sistemi passivi attualmente installati sui grandi ychts.È in questo contesto che si sono aperti gli studi sui si-

stemi di riduzione attiva del rumore aereo.Tali sistemi si basano sulla fisica del suono che, in ter-mini semplici è definibile come la propagazione di onde di pressione nell’aria. Le vibrazioni delle superfici gene-rano onde di pressione nell’aria che vengono percepite dall’orecchio umano. Il rumore è un suono prodotto da vibrazioni indesiderate di superfici emittenti.Analogamente la musica o la voce umana sono suoni prodotti da vibrazioni gradevoli di superfici emittenti.Le onde di pressione sono caratterizzate da una loro ampiezza, da una loro frequenza e da una loro fase. Non occorre essere dei fisici per comprendere il principio di funzionamento dei sistemi di soppressione attiva del rumore. Basta sapere che un’onda può essere annullata facendola incontrare con un’onda di pari ampiezza, di pari frequenza, ma con fase opposta.L’idea che sta alla base della soppressione attiva del ru-more è proprio quella di annullare le onde di pressione “rumorose” generando delle onde di pressione di pari ampiezza e frequenza, ma con fase opposta.Questa semplice soluzione è in realtà molto complessa da realizzare a causa del fatto che il rumore è composto da più onde, con diverse ampiezze, frequenze e fasi. Per eliminare il rumore occorre, quindi, generare più onde in contro fase. Fortunatamente, i sistemi elettronici di oggi hanno delle prestazioni tali da consentire di analizzare il rumore aereo e pilotare dei sistemi audio con funzione di generatori di onde in contro fase. È questa, dunque, la nuova frontiera tecnologica da esplorare per migliorare il livelli di confort a bordo. Si-stemi con questa tecnologia andrebbero a completare le installazioni di sistemi passivi su grandi yachts, con-sentendo di ottenere prestazioni mai raggiunte prima, ma sono soprattutto gli yachts plananti entro i 24 m che ne beneficerebbero maggiormente.I sistemi di soppressione attiva del rumore diventeranno quella dotazione di bordo che garantirà agli armatori di vivere in pieno comfort il loro sogno navigante. .

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PROSPETTIVE fUTURE PER L’USO DEI RISULTATI DELLA RICERCA INDUSTRIALE CONDOTTA NELL’AMBITO DEL PROGETTO SASCAR

L’odierna iniziativa di divulgazione dei risultati finora raggiunti con il progetto SASCAR - studio ed applicazio-ne di sistemi di controllo attivo del rumore su imbarca-zioni da diporto e navi - vuole rappresentare anche un contributo di carattere più generale alle tematiche del rumore, delle sue conseguenze e delle possibilità di ap-plicazione di sistemi di controllo attivo delle emissioni con componenti a bassa frequenza, sia per migliorare le condizioni di confort che quelle di sicurezza.

Francamente questa tematica, sebbene trovi riscontro in alcune norme di legge, è attualmente sottovalutata, se non ignorata, nel nostro Paese. I sistemi largamente in uso sono quelli di un controllo passivo, con forti limiti nei risultati e con scarse ricadute nella ricerca .

La società ESION da anni si occupa, invece, di sistemi di controllo attivo e ha colto, grazie anche alla collabora-zione maturata con Ansaldo Sistemi Industriali, l’oppor-tunità di localizzare a Monfalcone la sua attività per le possibili ricadute nel settore navale e nautico conside-rati gli insediamenti industriali qui presenti, dalla Fin-cantieri alla Wartsila di Trieste ai cantieri dediti alle co-struzioni nautiche e caratterizzati da forti innovazioni di prodotto e di processo.

Il bando POR FESR 2007-13, finanziato dalla Regione Friuli Venezia Giulia, ha rappresentato un’occasione im-portante per sviluppare ulteriormente la ricerca nel set-tore e guardare ad una futura evoluzione dell’iniziativa con la costituzione di un laboratorio dedicato e la cre-scita di una piccola impresa con la possibilità di nuova e qualificata occupazione.

Questa determinazione non sarebbe stata possibile senza il significativo apporto di Friuli Innovazione, dell’Università di Udine e di RINAVE, del contributo intellettuale di Fincan-tieri, della disponibilità del Consorzio per lo Sviluppo Indu-striale di Monfalcone e dell’incoraggiamento alla ricerca offerto da Monte Carlo Yachts.

Ora i primi risultati dell’attività di progetto confermano il valore di questa ricerca e la possibilità di ottenere un pro-

dotto che rafforzi nella sua applicazione la competitività di un sistema economico regionale di primaria importanza.

Da un iniziale scetticismo ho così potuto constatare in que-sto periodo un crescente interesse, culturale alla tematica e tecnologico nelle sue possibili applicazioni.

Ciò mi fa ben sperare e, in tempi di crisi come quelli che stiamo vivendo, mi sembra che sia proprio il coraggio di esplorare nuove conoscenze l’antidoto migliore alla sfidu-cia e al pessimismo, e che talvolta grazie a politiche regio-nali attente al territorio si può contribuire a localizzare atti-vità che favoriscono lo sviluppo di nuove tecnologie. .

Intervento di apertura di Tullio Paiza, Presidente di ESION Srl, capofila del progetto SASCAR, all’evento di presentazione del progetto – Marina di Lepanto 9 giugno 2011

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CREDITS

La presente pubblicazione è stata realizzata grazie al contributo di quanti hanno partecipato all’evento di presentazione del progetto SASCAR – Sistemi e appli-cazioni di controllo attivo del rumore, svoltosi il 9 giu-gno 2011 presso la Marina Lepanto a Monfalcone.Si ringraziano per aver partecipato all’evento come re-latori e per il loro contributo Claudio Andrea Gemme, amministratore delegato di Ansaldo Sistemi Industriali Spa, Gianpaolo Fontana, direttore del Consorzio per lo Sviluppo Industriale del comune di Monfalcone, Fran-cesco De Lorenzo, dirigente di Fincantieri, Paolo Ceriso-la di Monte Carlo Yachts (Gruppo Beneteau), Carlo Pe-stelli, manager noise & vibration di Wärtsilä Italia Spa, Enzo Lorenzon, presidente della Società Isontina Svi-luppo, Ettore Camozzi, CEO di HPD Srl, Sergio Kocevar, responsabile project management per Wärtsilä Italia Spa, Ezio Gallas, dottore specialista in disturbi causati da rumore e vibrazioni.Per aver partecipato all’evento, testimoniando l’interes-se del territorio per il progetto SASCAR, si ringraziano il sindaco della città di Monfalcone, Silvia Altran, il presi-dente della provincia di Gorizia Enrico Gherghetta e l’As-sessore all’Innovazione della provincia di Gorizia Federi-co Portelli, Piercipriano Rollo, direttore di Fincantieri, le rappresentanze delle Capitanerie di porto e dell’Associa-zione dei costruttori imbarcazioni da diporto.Un ringraziamento particolare, inoltre, ai rappresen-tanti delle realtà partner del progetto SASCAR che hanno organizzato l’evento e contribuito con i loro articoli alla realizzazione della presente pubblicazio-ne: Tullio Paiza, presidente di Esion Srl, l’ing. Gabriele Castelli, direttore tecnico di Esion Srl, Paolo Gardonio, professore straordinario dell’Università degli Studi di Udine – Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Gestio-nale e Meccanica, Stefano De Monte, presidente del Consorzio per l’Alta Ricerca Navale – RINAVE e Fabio Feruglio, direttore di Friuli Innovazione, Centro di Ri-cerca e di Trasferimento Tecnologico.Si ringrazia, infine, l’Associazione Italiana di Acustica per aver concesso la possibilità di utilizzare in questo fasci-colo l’articolo del Prof. Paolo Gardonio, pubblicato sugli atti del 37° Convegno Nazionale Associazione Italiana di Acustica (Siracusa 26 – 28 maggio 2010).

Unione EuropeaFESR

Ministerodello SviluppoEconomico

pubblicazione risultati di progetto sascar

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