Con questo primo articolo ha inizio una nuova rubrica che avrà spazio anche qui nel nostro sito per poter interagire in tempo reale con gli utenti. Cerchiamo di capire passo dopo passo, aiutati dal Dr. Vulkan, cos’è la vibroacustica e che ripercussioni ha a bordo
by Gian Piero Repetti
Questo progetto nasce da una certezza e da un’impressione. La certezza che oggi, sempre più che in passato, il COMFORT e lo STARE BENE a bordo siano i primi e fondamentali obiettivi che l’armatore e chi ama spendere tempo in mare ricercano per la propria imbarcazione.
L’impressione è invece data dal ‘timore’ e dallo ‘smarrimento’, a volte rifiuto, che si percepiscono parlando di vibrazioni e rumore con chi non fa il nostro mestiere. Questo perché è ritenuto un argomento ostico ed oscuro di solo appannaggio per gli addetti ai lavori e che invece è fondamentale per ottenere il comfort a bordo. Per rendere tutto meno complicato e coinvolgere direttamente voi armatori, ci è sembrato naturale provare a mettere in fila le cose, dire dove si parte e dove si arriva, raccontare cosa si trova nel mezzo, cosa si può fare e come, mattone dopo mattone, poter costruire il nostro ponte insieme.
I prossimi mesi vogliono essere uno spunto di approfondimento e uno stimolo, il ‘buco della serratura’ per dare modo a chi ne abbia la curiosità di sbirciare questo nostro piccolo grande mondo. Con il desiderio che non si limiti solo ad una ‘sbirciata’, ma che si possano affrontare, discutere, condividere insieme problemi reali, quelli che voi, che vivete la vostra barca, vorreste risolvere o evitare, quelli a cui ci piacerebbe dare il nostro contributo.
Allora si comincia: buona lettura a voi (e buon ascolto a noi)!
Nella foto di apertura, Dr. Vulkan – Gian Piero Repetti
Nel diagramma qui sopra, una vibrazione è un movimento oscillatorio di un sistema intorno a un suo punto di equilibrio definito da caratteristiche fisiche quali l’ampiezza, la lunghezza d’onda, la frequenza, l’enegia. Le vibrazioni creano disagio al ricevente, a seconda della loro natura, dando sensazioni diverse che interessano organi sensibili del corpo umano (il ricevente appunto.
I fondamentali: le sorgenti e la trasmissione.
Partiamo dunque dal salone, le cabine, gli ambienti dove viviamo durante la crociera: la voglia è di stare a proprio agio, sentirsi come a casa. Ma qualcosa ci disturba: un rumore fastidioso e vibrazioni sgradite. Nascono da qualche parte e per qualche motivo, e possono raggiungere qualunque punto della nostra barca. Come debellarli? La prima reazione, più intuitiva, ci porterebbe a creare una barriera fisica, un ‘muro’ che le assorba. Diciamolo subito: non basta, perché sappiamo bene che il rimedio giusto si trova solo se si conosce a fondo l’origine del problema.
Cercheremo di spiegarlo a grandi linee, partendo dai locali dove viviamo e passiamo il nostro tempo e dove il problema si rende evidente, ma raramente si origina. Passeremo poi ad esaminare le sorgenti principali di questi fenomeni, per definirne le caratteristiche. Questa prima analisi ci permetterà in seguito di identificarlo, con una semplice misura di rumore e vibrazione, trovando la fonte ed adottando le giuste misure per risolverlo.
Facciamo un passo indietro, dunque: che cosa genera vibrazioni e rumore a bordo? Distinguiamo innanzitutto due tipi di sorgenti:
• le sorgenti che si caratterizzano come macchine rotanti, che generano forze e quindi vibrazioni con frequenze ben definite, identificabili in base alle caratteristiche del macchinario (motori endotermici ed elettrici, riduttori, assi, eliche, alternatori, pompe, compressori, ventilatori, etc.)
• le sorgenti che generano forze impulsive, vorticose, casuali, difficilmente definibili matematicamente, che interessano un range di frequenza più o meno esteso (vento e onde, aerodinamica, idrodinamica…).
E due modalità di trasmissione influenzate entrambe dalle caratteristiche dei mezzi attraverso cui si propagano:
• per via aerea (attraverso l’aria presente negli ambienti)
• per via strutturale
I parametri fisici che influenzano la trasmissione sono:
• la posizione: distanza tra sorgente e ricevente
• il livello energetico della sorgente: potenza acustica e vibratoria della sorgente
• la via di trasmissione: area e strutturale
Trasmissione della vibrazione e del rumore per via aerea e strutturale dalle sorgenti.
Qual è la sorgente più importante e più complessa?
Senza dubbio, il motore endotermico propulsivo. Nel motore diesel il moto dell’albero viene generato da uno scoppio che crea un movimento alternato dei pistoni. Questo moto alternato viene trasformato in rotazione da un sistema biella-manovella.
Il movimento alterno dei pistoni, che spinti dalla espansione dei gas di combustione accelerano per poi rallentare bruscamente ed invertire il proprio senso di marcia, crea una spinta sull’albero motore che tende a scuotere il blocco motore. In altre parole, durante la fase di espansione i gas combusti aumentano repentinamente la propria pressione e spingono il pistone, che viene letteralmente “sparato” in basso come un proiettile.
La forza che si genera viene trasmessa al sistema biella-manovella, che la supporta e la trasmette a sua volta come coppia motrice sull’albero a gomiti.I pistoni adiacenti, invece, possono trovarsi in fase di compressione (fase precedente e di lavoro opposto a quella di espansione) dove la biella anziché ricevere forze, si ritrova a dover esercitare una forza opposta, spingendo il pistone dentro il cilindro per comprimere i gas freschi aspirati.
Ognuno di questi repentini cambi di direzione e accelerazione dei complessi biella-pistone provoca vibrazioni al complesso del motore. Per definire le forze dinamiche, fonte delle vibrazioni, dobbiamo considerare la complessità della geometria del macchinario e i fenomeni fisici che si verificano durante il funzionamento. Il numero dei cilindri e la geometria definiscono l’ordine di vibrazione e inquadrano dal punto di vista vibrazionale il fenomeno sopra descritto
Nel moto alterno di un motore monocilindrico, rileviamo una forzante dovuta allo squilibrio delle masse ad ogni giro e una forzante dovuta alla combustione ogni 2 giri (720 gradi). Definiremo la vibrazione di primo ordine la prima e di ordine ½ la seconda, per il numero di volte che il fenomeno si ripete in un giro. Nel caso di motore a più cilindri dunque il numero di cilindri N definirà gli ordini di vibrare: in questo caso il fenomeno della combustione durante una rotazione completa si riprodurrà N/2 volte.
E le altre sorgenti?
Il motore è causa importante ma non unica di rumore e vibrazione a bordo. Analizziamo gli altri componenti del sistema propulsivo limitandoci solo alle sorgenti fondamentali.
Il riduttore di giri, l’invertitore, che, con l’ingranaggio di ruote dentate, crea sollecitazioni ogni volta che i denti delle ruote dentate si incontrano. La frequenza degli avvenimenti è dunque determinata dal numero di denti: in altri termini, l’ordine di vibrare sarà pari al regime di rotazione del motore moltiplicato per il numero di denti. Lo stesso fa l’asse di trasmissione con ordine proprio pari al suo numero di giri. Ed infine l’elica, che produce forzanti con ordini superiori pari al numero di pale moltiplicato per il regime di rotazione dell’albero.
Le sorgenti principali di rumore e vibrazioni a bordo e percorso di trasmissione delle vibrazioni.
Come si propagano vibrazioni e rumore?
Considerata quindi la sorgente motore, questa trasmette rumore e vibrazioni al ricevente per via aerea e per via strutturale, quest’ultima più difficile da gestire da un punto di vista vibroacustico, perché meno influenzata dalla posizione reciproca sorgente-ricevente.
Il motore trasmette quindi le vibrazioni a tutto quanto ad esso collegato:
• alla fondazione tramite i supporti motore
• al riduttore a cui è collegato tramite il giunto elastico
• alla struttura di supporto delle condotte gas di scarico.
E anche il riduttore è collegato alla fondazione; aggiunge quindi al sistema il proprio contributo.
Livello di pressione sonora nei vari locali a bordo causata dalla trasmissione per via strutturale e aerea.
La sorgente/sorgenti eccitano dunque la struttura circostante facendola vibrare, la struttura trasmette vibrazioni alle strutture circostanti smorzandone o incrementandone le ampiezze. In altri termini l’energia acustica viene trasmessa per via strutturale che viene infine percepita come rumore e vibrazione, spesso con grande disagio del ricevente.
L’individuazione delle sorgenti e la definizione delle loro caratteristiche sono il primo passo per comprendere le cause del nostro disagio vibroacustico. Questa disamina preliminare ci permetterà di affrontare l’argomento successivo delle vie di trasmissione e quindi dei sistemi per isolare vibrazioni e rumore.
Per qualunque domanda, approfondimento, problematica vibroacustica specifica che avete riscontrato in prima persona e che avete piacere di condividere, oltre all’interesse per argomenti specifici che vi piacerebbe affrontassimo, potete scrivere al seguente indirizzo: [email protected]
(La Vibroacustica 1 – Barchemagazine.com – Maggio 2020)
