Proposal for the acoustic requalification of a site of the "Bologna Engineering School", including the design of a noise barrier

Il lavoro di questa tesi ha riguardato lo studio e l'analisi acustica del sito della Scuola di Ingegneria di Bologna in Via Terracini con l’obiettivo di trovare una soluzione per mitigare il disturbo sonoro rilevato nella zona. Dalle diverse misurazioni fonometriche si è stabilita l’entità numerica di partenza che ha richiesto un’implentazione attraverso delle misurazioni di tipo qualitativo con delle registrazioni in formato wave ed annotando al contempo il numero ed il tipo di veicoli che circolavano. Attraverso l'implementazione dei vari dati ricavati dai rilievi delle diverse sezioni, è stata convalidata la consapevolezza del principale problema dell'area: l'inquinamento acustico causato dal traffico stradale. Lo studio è proseguito monitorando le bande di frequenza che interessavano questo tipo di rumore e quantificando il livello in dB che superava i limiti imposti dalla normativa. Non essendo possibile ridurre il traffico acustico direttamente alla fonte, si è optato per misure di protezione del recettore che si sono configurate nell'inserimento dell'asfalto fonoassorbente e nella progettazione di una barriera acustica. Dopo aver ricercato i diversi tipi di barriere, si è deciso per la barriera con cristalli sonici. Si è indagato quali fattori influissero sulle proprietà dei cristalli sonici: la distribuzione geometrica, la frazione di riempimento e la dimensione degli elementi periodici influenzano la formazione delle bande proibite, la loro larghezza e quindi la capacità fonoisolante del cristallo sonico. In base all'altezza degli edifici e alla loro distanza dalla strada, Via Terracini è stata suddivisa in quattro sezioni. Infine, per le varie sezioni, è stato riprodotto il grafico frequenza/perdita di inserzione che ha confermato una riduzione del livello sonoro di quasi 15 dB. Il progetto ha previsto anche il dimensionamento e la verifica delle azioni statiche (carichi e azione del vento) e dell'azione sismica del sistema strutturale della barriera.

Deep Learning Architectures for time of arrival detection in Acoustic Emissions Monitoring

Acoustic Emission (AE) monitoring can be used to detect the presence of damage as well as determine its location in Structural Health Monitoring (SHM) applications. Information on the time difference of the signal generated by the damage event arriving at different sensors is essential in performing localization. This makes the time of arrival (ToA) an important piece of information to retrieve from the AE signal. Generally, this is determined using statistical methods such as the Akaike Information Criterion (AIC) which is particularly prone to errors in the presence of noise. And given that the structures of interest are surrounded with harsh environments, a way to accurately estimate the arrival time in such noisy scenarios is of particular interest. In this work, two new methods are presented to estimate the arrival times of AE signals which are based on Machine Learning. Inspired by great results in the field, two models are presented which are Deep Learning models - a subset of machine learning. They are based on Convolutional Neural Network (CNN) and Capsule Neural Network (CapsNet). The primary advantage of such models is that they do not require the user to pre-define selected features but only require raw data to be given and the models establish non-linear relationships between the inputs and outputs. The performance of the models is evaluated using AE signals generated by a custom ray-tracing algorithm by propagating them on an aluminium plate and compared to AIC. It was found that the relative error in estimation on the test set was < 5% for the models compared to around 45% of AIC. The testing process was further continued by preparing an experimental setup and acquiring real AE signals to test on. Similar performances were observed where the two models not only outperform AIC by more than a magnitude in their average errors but also they were shown to be a lot more robust as compared to AIC which fails in the presence of noise.

Vibro-acoustic analysis of additively manufactured acoustic metamaterials

In the last decade it emerged the interest in new types of acoustic insulating materials, called acoustic metamaterials. These materials are composed by a host and inclusions and are arranged periodically or non-periodically in sub-wavelength elements called meta-atoms. Their inclusions and internal geometries can be manipulated to tailor the acoustic properties, reducing weight, and increasing at the same time their efficiency. Thanks to the high absorbing characteristics that they can achieve, their usage is of particularly interest as material of the core in sandwich panels of aerospace structures to reduce vibrations and noise inside passengers aircraft’s cabin. In addition, since the low frequency signals are difficult to be damped with conventional materials, their usage can guarantee a high transmission loss at low frequencies, obtaining a positive benefit on passengers’ comfort. The performances and efficiency of these materials are enhanced thanks to the new additive manufacturing techniques opposed to the conventional ones uncapable to pro- duce such complex internal geometries. The aim of this work is to study, produce and redesign micro-perforated sandwich panels of a literature case study to achieve high performances in the low frequency range, e.g., below 2000 Hz. Some geometrical parameters, such as perforation ratio and diameter of holes, were considered to realize different models and see the differences in the sound transmission loss. The models were produced by means of Fused Deposition Modelling using an Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS Plus p430) material on a commercial additive manufacturing system. Finally, the frequency response analysis was carried out with Mul2 software, based on the Carrera’s Unified Formulation (CUF) to understand the acoustic and structural properties of the material employed, analyzing the plates’ displacements and the TL results.

Analisi e valutazione delle performance acustiche degli aeromobili nella fase di atterraggio

Nella tesi si analizzano le principali fonti del rumore aeronautico, lo stato dell'arte dal punto di vista normativo, tecnologico e procedurale. Si analizza lo stato dell'arte anche riguardo alla classificazione degli aeromobili, proponendo un nuovo indice prestazionale in alternativa a quello indicato dalla metodologia di certificazione (AC36-ICAO) Allo scopo di diminuire l'impatto acustico degli aeromobili in fase di atterraggio, si analizzano col programma INM i benefici di procedure CDA a 3° rispetto alle procedure tradizionali e, di seguito di procedure CDA ad angoli maggiori in termini di riduzione di lunghezza e di area delle isofoniche SEL85, SEL80 e SEL75.

Noisy Oncology: applications of bounded noise transitions in modelling tumor growth

I tumori macroscopici e microscopici, dopo la loro prima fase di crescita, sono composti da un numero medio elevato di cellule. Così, in assenza di perturbazioni esterne, la loro crescita e i punti di equilibrio possono essere descritti da equazioni differenziali. Tuttavia, il tumore interagisce fortemente col macroambiente che lo circonda e di conseguenza una descrizione del tutto deterministica risulta a volte inappropriata. In questo caso si può considerare l'interazione con fluttuazioni statistiche, causate da disturbi esterni, utilizzando le equazioni differenziali stocastiche (SDE). Questo è vero in modo particolare quando si cerca di modellizzare tumori altamente immunogenici che interagiscono con il sistema immunitario, in quanto la complessità di questa interazione risulta in fenomeni di multistabilità. Così, il rumore può provocare disturbi e indurre transizioni di stato (Noise-Induced-Transitions). E' importante notare che una NIT può avere implicazioni profonde sulla vita di un paziente, dal momento che una transizione da uno stato di equilibrio piccolo, nelle dimensioni del tumore, ad uno stato di equilibrio macroscopico, nella maggior parte dei casi significa il passaggio dalla vita alla morte. Generalmente l'approccio standard è quello di modellizzare le fluttuazioni stocastiche dei parametri per mezzo di rumore gaussiano bianco o colorato. In alcuni casi però questa procedura è altamente inadeguata, a causa della illimitatezza intrinseca dei rumori gaussiani che può portare a gravi incongruenze biologiche: pertanto devono essere utilizzati dei rumori "limitati", che, tuttavia, sono molto meno studiati di quelli gaussiani. Inoltre, l'insorgenza di NIT dipende dal tipo di rumore scelto, che rivela un nuovo livello di complessità in biologia. Lo scopo di questa tesi è quello di studiare le applicazioni di due tipi diversi di "rumori limitati" nelle transizioni indotte in due casi: interazione tra tumore e sistema immunitario e chemioterapia dei tumori. Nel primo caso, abbiamo anche introdotto un nuovo modello matematico di terapia, che estende, in modo nuovo, il noto modello di Norton-Simon.

Metodi operativi per la riduzione dell'impatto acustico delle operazioni aeroportuali: efficacia delle noise abatement procedures

Il rumore causato dagli aeromobili nelle varie operazioni aeroportuali è uno dei problemi più sentiti dalle popolazioni che risiedono nelle aree adiacenti gli aeroporti.Nonostante i progressi fatti dal punto di vista tecnologico, che hanno portato a una notevole riduzione del fenomeno, il continuo aumento della domanda di traffico aereo ha ridotto l’efficacia di queste migliorie tecniche, anche a causa di una scarsa pianificazione territoriale nel corso degli anni. Ci sono numerosi interventi possibili per ridurre l'inquinamento acustico, in questa tesi vengono analizzate in special modo le NAP e la loro applicazione al caso dell'aeroporto di Bologna.

Design and acoustic characterization of a new listening room

Il presente lavoro tratta la progettazione e caratterizzazione di una nuova "listening room" ad acustica controllata partendo dai requisiti dettati dalle norme tecniche ITU-R BS 1116-1 e EBU/UER Tech. doc. 3276. Ad oggi è presente un'ampia letteratura, che tratta approcci per valutazione acustica delle sale di ascolto. Essa inizialmente era volta a trovare proporzioni ideali tra le dimensioni della camera, poi la ricerca si è spostata sull'elaborazione di modelli previsionali. Purtroppo tali metodi spesso non riescono a garantire le prestazioni desiderate, mentre le prove sperimentali dettate dalle norme risultano essere di comprovata validità. L'ambiente oggetto di studio è stato progettato all'interno dello spazio dei laboratori CIRI. La tecnologia costruttiva è frutto di uno studio approfondito, in particolare la scelta di fibre di poliestere termolegate, per il rivestimento delle pareti interne, è stata valutata attraverso misure in camera riverberante secondo UNI-EN-ISO 354. Si è poi seguita una metodologia iterativa che coinvolgesse messa in opera, misurazioni in situ e valutazione tramite confronto con i parametri consigliati dalle normative tecniche sopra citate. In quest'ottica sono state effettuate acquisizioni di risposte all'impulso monoaurali e dei livelli di pressione sonora per verificare la qualità di isolamento e il comportamento alle basse frequenze. La validazione restituisce indicazioni positive per gli utilizzi dell'ambiente ipotizzati e risulta compatibile con le stringenti richieste delle norme tecniche.

Noise mapping of highly trafficked roads of the province of Bologna according to D.Lgs. 194/2005

The European Community has stressed the importance of achieving a common understanding to deal with the environmental noise through community actions of the Member States. This implies the use of harmonized indicators and specific information regarding the values of indicators, the exceedance of limits and the number of people and dwellings exposed to noise. The D.Lgs. 149/2005 in compliance with the European Directive 2002/49/EC defines methodologies, noise indicators and types of outputs required. In this dissertation the work done for the noise mapping of highly trafficked roads of the Province of Bologna will be reported. The study accounts for the environmental noise generated by the road infrastructure outside the urban agglomeration of Bologna. Roads characterized by an annual traffic greater than three millions of vehicles will be considered. The process of data collection and validation will be reported, as long as the implementation of the calculation method in the software and the procedure to create and calibrate the calculation model. Results will be provided as required by the legislation, in forms of maps and tables. Moreover results regarding each road section accounted will be combined to gain a general understanding of the situation of the overall studied area. Although the understanding of the noise levels and the number of people exposed is paramount, it is not sufficient to develop strategies of noise abatement interventions. Thus a further step will be addressed: the creation of priority maps as the basis of action plans for organizing and prioritizing solutions for noise reduction and abatement. Noise reduction measures are reported in a qualitative way in the annex and constitute a preliminary research.

Valutazione dell'efficacia delle "noise abatement procedures": il caso dell'aeroporto G. Marconi di Bologna

A partire dalle caratteristiche chiave dell’inquinamento acustico, lo scopo della tesi è stato quello di valutare quantitativamente l’entità del rumore aeronautico prodotto dall'aeroporto Marconi e di analizzare le soluzioni tecniche e gestionali disponibili per definire misure adeguate alle caratteristiche infrastrutturali e operative dello scalo e capaci di mitigare il disturbo subito dalla popolazione. Si è tenuto conto delle profonde modificazioni in atto nel mondo dell’aviazione, il quale, avendo come obiettivo quello di fornire un servizio di trasporto sempre più sostenibile, efficace, competitivo e omogeneo sul territorio europeo, sollecita profonde innovazioni nei requisiti funzionali e tecnici. Inizialmente l’attenzione è stata rivolta alla descrizione del rumore aeronautico e del contesto in cui è inserito, soffermandosi sul concetto di sostenibilità di un’infrastruttura di trasporto. Si è proseguito con un'analisi dettagliata della normativa vigente, italiana ed europea, al fine di affrontare gli aspetti legislativi del problema e di delineare le line guida per la valutazione del rumore. Segue uno studio, dal punto di vista tecnico e infrastrutturale, dell’evoluzione della navigazione aerea e del concetto innovativo di performance based navigation, focalizzando l’interesse sul curved approach, procedura di avvicinamento non convenzionale. L'attenzione è stata, poi, dedicata alla descrizione del caso di studio e alla presentazione della metodologia usata. Mediante il supporto dell’INM, sono state determinate le curve isofoniche, quantificando la popolazione esposta a specifici livelli di rumore aeronautico per lo scenario consuntivo dell’anno 2015. Infine, sono state eseguite simulazioni future, sulla base delle previsioni di crescita del volume di traffico aereo, per definire un limite massimo per lo sfruttamento del sistema ILS in testata 30 e per valutare il beneficio generato dall’introduzione del curved approach.