La diffusione di messaggi vocali nei tunnel stradali

Un’approfondita analisi delle possibilità di realizzare nelle gallerie sistemi per la diffusione di messaggi vocali in grado di assicurarne una ragionevole comprensibilità, a seguito di incidenti o guasti che determinino il fermo degli automezzi.

In generale, l’intelligibilità del parlato, sia che venga diffuso per propagazione naturale sia mediante supporto di idonei impianti di amplificazione, soffre in particolare quando si è in presenza di due fattori principali:

  • un elevato rumore di fondo;
  • un’elevata riverberazione.

In una galleria stradale si verificano sfortunatamente entrambe le casistiche.

Gallerie stradali e diffusione di messaggi vocali

In una galleria stradale, una delle ragioni alla base di tali criticità acustiche è la mancanza di elementi fonoassorbenti di sufficientemente ampia superficie. Di primo acchito, si potrebbe pertanto pensare a predisporre idonea pannellatura sulle pareti e/o sul soffitto, così come impiegare dell’intonaco acustico, che però è solo sporadicamente adottabile, sia per ragioni di costo che di fattibilità e manutenzione.

Rimane il fatto che la riverberazione risulta piuttosto elevata, come evidenziato dalla tabella 1, la quale riporta a titolo di esempio il parametro indicativo della riverberazione, ovverosia il tempo di riverberazione (vedi box) misurato per bande d’ottava in una galleria stradale di 700 m di lunghezza e sezione rettangolare 12×7,5 m (LxH) con pareti e soffitto in cemento e pavimentazione in asfalto.

IL TEMPO DI RIVERBERAZIONE

Il tempo di riverberazione è il più diffuso indice atto a caratterizzare l’acustica di un ambiente confinato. Esso coincide con la durata dell’intervallo di tempo (in secondi) che intercorre tra la cessazione di un’emissione sonora e l’istante in cui il livello sonoro decade di 60 dB, ovvero un milione di volte, da cui l’abbreviativo RT60, o anche T60, di uso alquanto ricorrente (vedi figura). Per un determinato ambiente, il tempo di riverberazione dipende dalla frequenza considerata. A grandi linee, il tempo di riverberazione in un ambiente è tanto più basso quanto più le sue pareti perimetrali e i suoi arredi risultano assorbenti, mentre elevati tempi di riverbero sono tipici di grandi spazi al coperto dotati di pareti perimetrali riflettenti e molto distanziate tra loro. Ambienti con un’elevata riverberazione sono notoriamente poco adatti per la diffusione di messaggi vocali (vedi box sull’intelligibilità del parlato).

Si potrebbe allora pensare come eventualmente operare in modo da ridurre quantomeno il rumore di fondo. In un tale frangente, le sorgenti di rumore sono due: i veicoli in transito e i ventilatori. Ridurre il rumore di fondo applicando sistemi di ventilazione più silenziosi è tecnicamente possibile, ma non sempre adottato in pratica. Inoltre, il rumore causato dal traffico veicolare non può essere eliminato, il che determina giocoforza un limite minimo, comunque elevato, per il rumore di fondo.

A titolo esemplificativo, in tabella 2 sono riportate le misure del livello di rumore di fondo per bande d’ottava da 125 a 8.000 Hz rilevate presso la galleria stradale dell’aeroporto di Amsterdam Schiphol, Olanda.

Impianti elettroacustici per gallerie stradali

In ambienti ad elevata riverberazione, la strategia che si deve quindi perseguire per l’ottenimento dei migliori risultati in termini di intelligibilità del parlato è quella che prevede l’impiego del minimo numero di punti di diffusione acustica e l’utilizzo di sistemi di altoparlanti a potenza, o meglio, massima pressione sonora elevata e caratterizzati da una marcata direttività, quanto più possibile costante con la frequenza.

Con un livello di rumore di fondo che si colloca nell’intorno dei 95 dBA e una riverberazione media dell’ordine dei 7 secondi tutto ciò rappresenta comunque una sfida tutt’altro che semplice da vincere. Inoltre, per non recare danni permanenti all’udito, non è consigliabile (né concesso) oltrepassare, in una qualsiasi posizione occupabile dal potenziale ascoltatore, livelli di segnale di 105 dBA. Con una decina di decibel come margine sul rumore di fondo, si è in grado di raggiungere valori dell’indice di intelligibilità (vedi box) non distanti da un accettabile, visto il contesto, 50%.

L’INTELLIGIBILITÀ DEL PARLATO

Il termine di intelligibilità è sinonimo di comprensibilità. Nel trasferimento di un’informazione tra chi (o cosa) parla e chi ascolta, tutto ciò che rappresenta le condizioni proprie della situazione considerata determina il cosiddetto grado di intelligibilità, che a seconda dei casi può risultare sufficiente o insufficiente. Esistono vari metodi per valutare oggettivamente il grado di intelligibilità del parlato in relazione a una determinata applicazione. Tali metodi si differenziano in primis per il genere di sorgente sonora che fornisce lo stimolo per l’analisi. Il metodo STI (Speech Trasmission Index) e la sua versione semplificata STIPA (Speech Transmission Index for Public Address), ipotizzano che un’ottima trasmissione del parlato si accompagni all’assenza di severe modificazioni nella forma dell’onda sonora nel passaggio da sorgente ad ascoltatore. La qualità dell’intelligibilità è valutata tipicamente per via strumentale misurando l’indice STI mediante l’analisi della modulazione subita dall’onda sonora emessa dalla sorgente principalmente a causa della presenza di rumore di fondo e riverberazione. A seconda del valore dello STI, si può dedurre quale sarà il grado di comprensibilità di un messaggio vocale.

Va detto che la tentazione opposta, quella di moltiplicare i diffusori acustici senza occuparsi delle rispettive caratteristiche direzionali privilegiando nella scelta dell’impianto l’aspetto economico e ricorrendo a schemi di collegamento semplificati, non fa altro che contribuire inesorabilmente ad alimentare la riverberazione, la quale viene così a dare man forte al rumore di fondo rendendo del tutto ardua se non impossibile la comprensione dei messaggi vocali, anche a brevissima distanza da una unità di diffusione acustica.

Due strategie a confronto

Ai fini di un confronto tra detti approcci, si è proceduto alla simulazione, mediante software CATT Acoustic, di una ipotetica galleria stradale a due corsie, lunga 600 metri, larga 12 metri e alta 6 metri. Per semplicità verranno esaminati solamente i risultati ottenuti in una porzione centrale di 200 metri di lunghezza della galleria, quella più critica, tenendo conto che verso l’entrata e l’uscita la situazione di norma migliora.

CATT Acoustic è un pacchetto software di modellazione acustica, basato su metodi di ray tracing, che tiene conto delle proprietà delle superfici interne onde fornire una previsione accurata sul livello acustico e sull’intelligibilità del parlato. Ha senso altresì precisare che in una galleria stradale, previsioni basate su modelli acustici statistici, ad esempio basati su formule previsive come quella di Sabine o di Eyring, non sono da ritenersi sufficientemente accurate.

Come detto in precedenza, per una previsione realistica dell’intelligibilità del parlato si deve tener conto delle condizioni del rumore di fondo. In generale, traffico veicolare e ventilatori sono di solito le sorgenti di rumore dominanti. Il rumore preso come riferimento in questo esempio è basato sulle informazioni contenute nello standard olandese TNO DV 2010 C105, dell’aprile 2010 (tabella 3), valori determinati sulla base di misurazioni estese a diverse gallerie.Quale rumore di fondo per la modellazione acustica è stato considerato il caso peggiore, quello del livello di rumore combinato che risulta complessivamente pari a ben 96 dBA. Per rappresentare un sistema convenzionale si è ipotizzato l’impiego di diffusori acustici a tromba disposti a soffitto ogni 8 metri ed orientati verso il basso di un angolo di 40 gradi rispetto alla superficie stradale.

Come mostrato nel grafico acustico prodotto da CATT (figura 1), la distribuzione del livello sonoro in galleria, ad una quota di 1,6 m misurata dalla superficie stradale, appare del tutto uniforme, per un valore medio di 103 dBA.

Tutto ciò parrebbe sintomo di una situazione favorevole, tuttavia, se passiamo a considerare il grafico dell’indice di intelligibilità (figura 2), i risultati mostrano come l’indice di intelligibilità STI risulti di molto inferiore a 0,3, valore che è valutato come “scarso” (vedi box) e che denota un parlato pressoché incomprensibile.

In pratica, si avverte chiaramente la presenza di un segnale vocale, ma non si riesce a capire o a rendere comprensibile ciò che viene detto. È chiaro che un sistema di diffusione acustica di questo tipo si rivela al lato pratico poco efficace se non addirittura del tutto inutile.

Passando a considerare un sistema di diffusione acustica più al passo coi tempi, si è considerato l’impiego di diffusori acustici a tromba che possiamo definire “specializzati”, ovvero appositamente studiati per un impiego in un simile contesto. Di fatto, quanto è auspicabile per un simile prodotto può essere riassunto così di seguito:•

  • banda passante quantomeno compresa tra 400 e 4.000 Hz;
  • uniformità di risposta indicativamente in accordo con le tolleranze previste dalle norme UNI EN54-24;
  • sensibilità elevata;
  • massimo livello di pressione sonora di almeno 100 dB/m/W;
  • elevata potenza accettabile;
  • elevata direttività con minima dipendenza dalla frequenza (“direttività controllata”).

Senza parlare di requisiti ovvi quali il funzionamento in condizioni climatiche estreme per umidità e temperatura. Si tratta in pratica di disporre di un sistema di altoparlanti in grado di proiettare un fascio sonoro a lunga gittata, tipicamente dai 50 ai 100 m, che sia sufficientemente collimato per non andare a sollecitare una molteplicità di riflessioni da pareti, pavimentazione e soffitto della galleria. Non sono molti gli esempi commerciali di diffusori acustici con simili caratteristiche. Tra questi, forse il capostipite di una tale tipologia è illustrato in figura 3.

FIG.3 – DIFFUSORE ACUSTICO Axis mod. ABF-260, specializzato per applicazioni in gallerie stradali

Nel medesimo contesto simulato in precedenza, disponendo un diffusore acustico del tipo indicato in figura 3 ogni 50 metri, si ottengono i risultati riportati nelle successive figure 4 e 5.

Nella prima di questa si evince che il livello acustico ottenuto nel piano di ascolto non è molto differente dal caso precedente, ma dalla figura 5 si può constatare che l’indice di intelligibilità è decisamente aumentato, portandosi ad un valor medio di 0,45 che denota una ragionevole comprensibilità dei messaggi vocali diffusi (precisamente, la valutazione è “fair”, ovverosia “accettabile”).

Va detto che merito di questo importante e decisivo miglioramento è peraltro non solo da attribuire al sistema di diffusione acustica in sé ma anche al cosiddetto allineamento temporale delle unità. In pratica, il segnale che va ad alimentare ogni singola unità è ritardato del tempo necessario all’emissione dell’unità adiacente per raggiungere l’unità considerata. Dunque, essendo la velocità di propagazione del suono pari a 340 m/s, il ritardo calcolato per coprire l’interdistanza di 50 m è poco meno di 1/7 di secondo, cioè circa 140 ms. È inoltre da tenere conto l’effetto di filtraggio passa-basso sul suono da parte dell’aria umida nel caso di propagazione su lunghe tratte.

Sotto il profilo dell’architettura di sistema, lo scotto da pagare è un deciso incremento della sua complessità. Mentre infatti nel caso di impiego di trombe convenzionali – della cui scarsa utilità pratica si è comunque detto – tutto si può ridurre ad un numero ridotto di amplificatori, supponendo ad esempio di optare per un collegamento a 100 V, nel caso della soluzione ”specializzata” serve un amplificatore e una linea di ritardo per ogni unità di diffusione acustica: per una galleria di 700 m, ipotizzando una spaziatura di 50 m tra unità, serviranno in pratica ben 15 amplificatori o, più in generale, di altrettanti canali di amplificazione. Quanto alla disposizione dei sistemi di diffusione acustica, questi vanno ovviamente installati a soffitto come previsto dal produttore (vedi riquadro in figura 3) e orientati in senso opposto a quello di marcia (figura 6).


BIBLIOGRAFIA

  • “Design of voice alarm systems for traffic tunnels: optimisation of speech intelligibility” di Dr.ir. Evert Start Pubblicazione a cura di Duran Audio BV, Zaltbommel, The Netherlands
  • Documentazione tecnica diffusore acustico a tromba per gallerie stradali Axis mod. ABF-250
  • Acustica applicata per impianti audio professionali” di Umberto Nicolao. Ed. Tecniche Nuove, Milano, 2021

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