Test del comfort di marcia del veicolo: Analisi del rumore e delle vibrazioni di una Mini Cooper R56

Questo studio analizza il comfort di marcia di una Mini Cooper R56 mediante misure sincronizzate del rumore interno e delle vibrazioni trasmesse al corpo intero, in conformità alle norme ISO 5128:2023 e ISO 2631-1:1997. Utilizzando hardware e software di misura Dewesoft, le prove valutano il rumore nell'abitacolo, l'esposizione alle vibrazioni, il comfort di marcia e gli indicatori di chinetosi in condizioni stazionarie e di guida reale. I risultati vengono inoltre confrontati con i pertinenti limiti di esposizione europei per valutare le prestazioni sia acustiche sia vibrazionali.

Introduzione

Il mio studio intende misurare e analizzare il comfort di marcia di un veicolo (Mini Cooper R56), in conformità con le seguenti norme:

• ISO 5128:2023, "Acustica — Misura del rumore all'interno dei veicoli a motore"

• ISO 2631-1:1997, "Vibrazioni e urti meccanici — Valutazione dell'esposizione umana alle vibrazioni trasmesse al corpo intero — Parte 1: Requisiti generali"

Successivamente, i risultati verranno confrontati con le due Direttive Europee relative ai valori limite di esposizione, sia per l'acustica che per le vibrazioni:

• Direttiva 2003/10/CE: Prescrizioni minime di sicurezza e di salute relative all'esposizione dei lavoratori ai rischi derivanti dagli agenti fisici (rumore).

• Direttiva 2002/44/CE: Prescrizioni minime di sicurezza e di salute relative all'esposizione dei lavoratori ai rischi derivanti dagli agenti fisici (vibrazioni).

Ho sviluppato questo progetto come tesi per la Laurea in Ingegneria del Veicolo presso l'Università degli Studi di Modena e Reggio Emilia (UNIMORE).

Conformità alle norme ISO per il comfort di marcia

Per effettuare misure e analisi in conformità alle norme ISO, è stato necessario rispettare i due documenti normativi pertinenti sintetizzati di seguito.

ISO 5128:2023

La posizione del microfono, che deve essere calibrato all'inizio di ciascuna misura, deve trovarsi in prossimità del poggiatesta.

Le prove devono essere eseguite in condizioni meteorologiche molto rigide: assenza di pioggia e di vento (poiché potrebbero alterare il test) e con temperature comprese nell'intervallo tra -10 °C e 40 °C.

Esistono diversi tipi di prove di misura del rumore, sia dinamiche che statiche. Nel nostro caso d'interesse, la misura a veicolo fermo (Standstill) ha richiesto che il veicolo si trovasse ad almeno 20 metri da qualsiasi edificio per evitare di influenzare i risultati.

La condizione Standstill richiede tre diverse misure del livello acustico:

• Rumore di fondo, all'inizio e alla fine del test (a motore spento);

• Motore acceso, al minimo, con aria condizionata alla minima potenza;

• Motore acceso, al minimo, con aria condizionata alla massima potenza.

Infine, per elaborare i risultati finali, questi ultimi due valori sono stati usati per determinare il livello sonoro equivalente in conformità alla norma ISO.

Come vedremo nei capitoli successivi, abbiamo deciso di non effettuare la misura con l'aria condizionata alla minima potenza. Abbiamo invece effettuato la misura del livello sonoro con l'aria condizionata SPENTA per evidenziare la differenza tra le fasi e, di conseguenza, il contributo dell'aria condizionata.

ISO 2631-1:1997

Il sensore deve essere posizionato nel punto di interazione tra il lavoratore e la macchina: nel nostro caso, al centro del sedile del conducente.

Sono definiti tre diversi metodi di analisi:

1. Valutazione di base (Metodo RMS): Viene calcolata l'accelerazione ponderata efficace, indicata come aRMS. Questo valore rappresenta l'accelerazione media sull'intera durata della misura ed è spesso considerato sufficiente per descrivere l'esposizione umana alle vibrazioni.

2. Metodo Running RMS (MTVV): Questo metodo calcola una finestra temporale mobile a breve durata con una costante di tempo di integrazione di 1 secondo. Il valore massimo ottenuto nell'intero intervallo di misura è il valore di riferimento del valore massimo di vibrazione transitoria (MTVV). Questo metodo è estremamente utile quando il segnale contiene urti.

3. Metodo della vibrazione alla quarta potenza (VDV): Il calcolo si basa sulla quarta potenza dell'accelerazione istantanea, producendo il valore della dose di vibrazione (VDV). Questo valore è significativamente più sensibile rispetto all'accelerazione RMS.

La scelta del metodo più appropriato dipende dalla natura del segnale, nello specifico dalla presenza di urti o picchi impulsivi, determinata dal calcolo del Crest Factor (CF): if CF>9, il metodo di valutazione di base è inefficace per valutare l'efficacia dei risultati.

Tuttavia, il metodo più ampiamente utilizzato è il metodo della vibrazione alla quarta potenza poiché è incluso nella direttiva europea.

Un altro aspetto importante definito in questa norma riguarda la chinetosi: sebbene sia difficile confrontare i risultati in modo obiettivo perché ogni individuo reagisce diversamente, si calcola il valore della dose di chinetosi (MSDV), che tiene conto dell'accelerazione verticale. Tuttavia, come definito in diversi articoli scientifici recenti, la causa principale della chinetosi durante la guida è l'accelerazione laterale.

Strumentazione utilizzata

Abbiamo utilizzato la seguente strumentazione professionale per garantire un'acquisizione dati sincronizzata ad alta risoluzione:

• Sistema DAQ: Dewesoft SIRIUS 16xACC, un sistema di acquisizione dati modulare con amplificatori di condizionamento del segnale di fascia alta; si veda la Figura 3.

• Sensore Acustico: Microfono robusto a campo libero GRAS 146AE (IEPE/TEDS);

• Sensore di Vibrazione: Accelerometro triassiale PCB 356A03 ICP®;

• Piattaforma inerziale: Dewesoft Navion i2 (GPS/IMU) per la mappatura del percorso e il monitoraggio della velocità;

• Software: DewesoftX con moduli Sound Level Meter and Human Body Vibration.

La configurazione sperimentale ha seguito le rigide linee guida ISO:

• Acustica (ISO 5128): Il microfono è stato posizionato a livello del poggiatesta del conducente, nel piano di simmetria del sedile, per rilevare il rumore interno durante le misure a veicolo fermo (si veda la Figura 2).

• Vibrazioni (ISO 2631-1): L'accelerometro triassiale è stato fissato al centro dell'interfaccia del sedile, rilevando le accelerazioni longitudinali (x), laterali (y) e verticali (z) trasmesse al conducente, si veda la Figura 2.

Inoltre, abbiamo montato l'Unità di Misura Inerziale (IMU) sul tetto del veicolo (si veda la Figura 1).

Moduli DewesoftX, analisi in frequenza e strumenti statistici di base

Elenco dei moduli e degli strumenti matematici rilevanti che hanno facilitato sia le procedure di misura sia la successiva analisi:

• Sound Level Meter: Utilizzato per l'acquisizione istantanea e la conversione della pressione sonora in dB(A), consentendo il calcolo del livello sonoro equivalente percepito dall'orecchio umano e supportando diverse ponderazioni temporali. I parametri di output prescelti sono il livello istantaneo in dB(A) e il livello equivalente in dB(A), che calcola la media sull'intera misura LEQ,DeweX. Confronteremo questo valore con il livello sonoro equivalente calcolato dall'equazione definita nella norma ISO 5128:2023 per la condizione Standstill (si veda la Figura 5).

• Human Body Vibration (HBV): Un modulo specializzato per l'analisi delle vibrazioni trasmesse al corpo intero in conformità alla norma ISO 2631-1. Gestisce automaticamente i filtri di ponderazione in frequenza e i fattori di moltiplicazione specifici per i diversi assi. Non solo consente di selezionare i parametri definiti nella norma ISO 2631-1, ma include anche altri parametri fondamentali per la valutazione della colonna lombare, definiti nella norma ISO 2631-5 (si veda la Figura 6).

• Strumento Navion i2: Integrato per l'elaborazione dei dati GPS e inerziali, consentendo una precisa mappatura del percorso e un monitoraggio sincronizzato di velocità e posizione.

• Statistiche di base: Utilizzate per due funzioni chiave: il calcolo del Crest Factor (per determinare la necessità del metodo VDV rispetto all'RMS standard) e la determinazione della Velocità Media del veicolo durante le misure (per dimostrare la conformità al codice della strada italiano).

• FFT (Fast Fourier Transform): Un algoritmo efficiente utilizzato sia per i segnali acustici sia per quelli vibrazionali per identificare le frequenze dominanti. Nel caso acustico, l'abbiamo utilizzata due volte: nella condizione Overall per determinare le frequenze principali sull'intero intervallo di misura, e nella condizione a intervalli temporali (time-interval) per determinare la differenza tra i casi AC-ON e AC-OFF. Nell'analisi delle vibrazioni, invece, abbiamo calcolato solo la FFT Overall. Tutte e tre hanno utilizzato la finestratura di Hanning e una sovrapposizione (overlap) del 66,67% per evitare la perdita di informazioni.

• Analisi in ottave / CPB (Constant Percentage Bandwidth): Applicata nello specifico ai dati acustici utilizzando filtri in $1/3$ d'ottava per ottenere una rappresentazione spettrale che si allinea strettamente alla percezione uditiva umana.

Struttura delle misure in conformità con le norme ISO

Abbiamo condotto le misure sperimentali il 20 febbraio 2026 nel quartiere di Vitinia, all'interno del comune di Roma. Suddividendo le procedure di prova in due categorie distinte: un'analisi acustica stazionaria e un'analisi dinamica delle vibrazioni, abbiamo eseguito entrambe utilizzando l'hardware e il software professionale di acquisizione dati descritti in precedenza.

Struttura delle misure acustiche

Abbiamo impostato la misura acustica come prova statica a veicolo fermo, in un parcheggio all'aperto. Per evitare riflessioni sonore significative, abbiamo scelto un sito in cui il veicolo si trovasse ad almeno 20 metri da edifici o strutture di grandi dimensioni. La prova ha seguito rigorosamente la norma ISO 5128, con questa sequenza:

1. Condizioni ambientali
   Abbiamo chiuso tutti i finestrini e il tetto apribile per isolare l'abitacolo e inizialmente abbiamo spento il motore. Il microfono era posizionato all'altezza del poggiatesta.

2. Rumore di fondo iniziale
   Abbiamo effettuato una registrazione di 10 secondi a motore spento per misurare il rumore di fondo.

3. Motore al minimo (aria condizionata OFF)
   Abbiamo avviato il motore e lo abbiamo mantenuto al regime minimo per 30 secondi con l'aria condizionata spenta.

4. Motore al minimo (aria condizionata al MASSIMO)
   Abbiamo portato l'aria condizionata alla massima potenza per 30 secondi, con il motore sempre al minimo.

5. Rumore di fondo finale
   Abbiamo spento il motore per un'ultima registrazione di 10 secondi del rumore di fondo, così da verificare che l'ambiente fosse rimasto stabile.

Struttura del test sulle vibrazioni

We conducted the vibration analysis in accordance with the ISO 2631-1:1997 standard for whole-body vibration. 

We carried out the measurements over a mixed urban circuit of approximately 1.3 km in Vitinia, see Figure 9. We selected this route for its diverse technical features, including a traffic light, an uphill section, a downhill section, a straight path, and, in particular, irregular road surfaces designed to transfer the most high-impact shocks to the driver.

La prova era strutturata così:

1. Fase stazionaria: ogni prova iniziava con una misura di 20 secondi con il motore al minimo e il veicolo fermo.

2. Fase dinamica: il veicolo percorreva il circuito misto di 1,3 km a una velocità media di 20 km/h, nel rispetto del codice della strada.

3. Fase finale: ogni prova si concludeva con un'altra misura di 20 secondi da fermo, con il motore al minimo.

Analisi e risultati

Analisi acustica

La Tabella 1 riporta tutte le grandezze scalari di interesse ottenute dalle misure, tutte con ponderazione A.

Si osserva che l'accensione dell'aria condizionata comporta un aumento di circa 14 dB della pressione sonora ponderata A.

Un'altra differenza evidente riguarda i valori del livello sonoro equivalente calcolato dal software LEQ,DeweX e quelli calcolati secondo la norma ISO 5128:2023 LStandstill,ISO. La causa di questa differenza sta nei criteri di calcolo:

• LEQ,DeweX calcola una media dei campioni sull'intera durata della prova;

• LStandstill,ISO dipende in modo complesso dai due valori rilevati, LAC,OFF and LAC,ON, (il valore massimo di ciascuna fase). Come si vede nella formula, il primo ha un fattore moltiplicativo pari a 9 volte quello assegnato al secondo.

In conclusione, con riferimento alla Direttiva Europea 2003/10/CE riguardante l'esposizione al rumore nei luoghi di lavoro, si può concludere che, nel caso dell'analisi a veicolo fermo (Standstill) secondo la norma ISO 5128:2023, il veicolo oggetto di misura rientra ampiamente nei limiti di esposizione: infatti, il valore medio ottenuto, sia che si tratti del livello equivalente ISO, LStandstill,ISO ,  sia di quello calcolato da DewesoftX, LEQ,DeweX , è molto inferiore al valore limite di esposizione, pari a 87 dB(A), definito dalla direttiva.

Il grafico in Figura 10 rappresenta la FFT globale (sull'intero intervallo di misura) nell'intervallo di Hz di interesse. Tuttavia, per le FFT, sull'asse delle ordinate è riportato il valore in dB(Z), non in dB(A), che corrisponde al livello sonoro non ponderato rilevato dal microfono.

In questo intervallo, escludendo il picco a 0 Hz a 100 dB, che è probabilmente un artefatto introdotto dalla banda, si osserva un picco di 87,202 dB alla frequenza caratteristica di 24,41 Hz. Questo valore, considerando anche la risoluzione, coincide con il secondo ordine meccanico di combustione; si tratta quindi della frequenza di combustione dominante. Grazie a questo risultato, è possibile risalire al regime del minimo (medio) del motore durante la misura:

Il secondo ordine meccanico rappresenta un evento che si ripete esattamente due volte per ogni rotazione dell'albero motore. In questo veicolo, dotato di un motore a 4 tempi con 4 cilindri in linea, il ciclo termodinamico si completa ogni 2 rotazioni dell'albero; pertanto, ci sono 2 cicli di combustione per ogni rotazione dell'albero.

Proseguendo, nelle Figure 11 e 12 viene effettuato un confronto tra i due momenti della misura, con aria condizionata accesa e spenta. La differenza tra i due picchi a 24,41 Hz è di soli 4 dB (lineare, non ponderato). Ciò che contribuisce effettivamente alla differenza di 14 dB(A) riportata in Tabella 1 è la presenza di rumore a banda larga (rumore additivo e costante su tutte le frequenze, simile al rumore bianco ma di natura fluidodinamica) nella misura con aria condizionata accesa.
Pertanto, a causa del rumore a banda larga, il valore in dB(A) rilevato nel secondo caso (Figura 12) differisce sensibilmente da quello del primo caso (Figura 11) a causa dei contributi alle frequenze più elevate, che aumentano il valore equivalente in dB(A).

Come considerazione finale, la Figura 13 mostra l'analisi in ottave del livello sonoro rilevato nella CPB Overall nell'intervallo di Hz. Analizzando il valore di picco rilevato, possiamo concludere che questa grandezza non differisce in modo significativo dall'analisi effettuata, sempre in Overall, utilizzando la FFT in Figura 10. La lieve differenza nei valori di frequenza e di livello sonoro è dovuta alla minore risoluzione in frequenza della FFT e alla maggiore larghezza di banda; pertanto, l'assorbimento di energia acustica è maggiore a 25 Hz (la frequenza nominale per le norme ISO) rispetto a 24,41 Hz.

Analisi delle vibrazioni

Una nota sulla metodologia: l'accelerometro che ho utilizzato presenta un intervallo di misura definito dal costruttore con un limite inferiore (2 Hz) che supera l'intervallo di frequenza d'interesse per la chinetosi ([0,1; 0,5] Hz), introducendo potenzialmente artefatti fino a circa 2 Hz. Nonostante questo limite hardware, abbiamo effettuato le misure in stretta conformità alla norma ISO 2631-1:1997 e abbiamo comunque implementato il calcolo dell'MSDV per completare la catena di analisi.

Considering the average values from Table 2, ride comfort and the exposure value are evaluated according to the ISO 2631-1:1997 standard and the European Directive 2002/44/CE, respectively:

• aRMS: vehicle (and road surface) generates average accelerations (vibrations) classified as Fairly Uncomfortable;

• VDV: below the action value (and exposure limit);

• A(8): below the action value (and exposure limit).

Due to crest factors greater than 9 detected in the mixed route, we applied the fourth-power vibration method, rather than the MTVV method, to enable comparison of the obtained value with the limit values specified in the European directive. 

The large difference between the average acceleration value, MTVV, and VDV, highlights the insensitivity of the first to the severe impulsive peaks present in the detection, due to impacts or bumps: the ineffectiveness of the standard evaluation method in these conditions and the need for more complex and sensitive tools, as also required by the reference standards, is thus confirmed.

La Figura 14 rappresenta l'analisi FFT Overall delle accelerazioni rilevate in tutte e tre le direzioni. L'area di maggiore interesse che emerge dal grafico è definita dal picco, comune alle tre direzioni, a 2,67 Hz, che rappresenta quindi la frequenza propria delle masse sospese del veicolo. Questo valore, nettamente superiore a quello ideale di circa 1,5 Hz, evidenzia l'elevata rigidità dell'assetto del veicolo, che penalizza il comfort di marcia a favore di una migliore dinamica di guida.

La Figura 15 mostra solo l'intervallo di interesse per la misura della chinetosi e l'accelerazione lungo l'asse verticale z. Come evidenziato nella nota metodologica, i valori di MSDV calcolati dal software risultano incoerenti. Nessun picco di energia caratterizza il rumore presente nell'intervallo; si osserva invece una lieve variazione di pendenza a 0,38 Hz, che potrebbe essere dovuta al rumore di fondo strumentale dell'accelerometro che, come già menzionato nella nota, presenta una frequenza di taglio a partire da 2 Hz.

Sebbene la misura e l'analisi delle vibrazioni nell'abitacolo seguano rigorosamente la norma ISO 2631-1:1997, dalle pubblicazioni più recenti emerge una criticità fondamentale: la chinetosi è principalmente influenzata dalle accelerazioni laterali a bassa frequenza del veicolo e non da quelle verticali, come definito dalla norma. Questa osservazione evidenzia una sottostima nella norma ISO, tuttora in vigore, per quanto riguarda il calcolo dell'MSDV in campo automotive o, più in generale, nel trasporto terrestre su gomma.

Pertanto, per completezza (e nonostante la nota metodologica), la Figura 16 mostra la FFT dell'intervallo di interesse dell'MSDV, mettendo a confronto l'accelerazione laterale y e quella verticale z. L'accelerazione laterale risulta superiore rispetto a quella sull'asse z; di conseguenza, l'MSDV "aggiornato" potrebbe essere più elevato, applicando un opportuno fattore di ponderazione.

Conclusioni

Il progetto ha dimostrato con successo che l'ecosistema Dewesoft offre una soluzione integrata per le complesse sfide NVH. Integrando l'hardware SIRIUS con la piattaforma inerziale Navion i2 e il software DewesoftX, abbiamo sincronizzato i dati acustici e vibrazionali ad alta velocità con i dati di posizionamento GPS in un unico ambiente di lavoro. I moduli matematici integrati e conformi alle norme ISO hanno eliminato la necessità di un post-processing frammentato, trasformando un rigoroso studio accademico in un flusso di lavoro ingegneristico efficiente.

Ringraziamenti

Un sentito ringraziamento va a Elvira Rufolo, Emanuele Burgognoni, Davide Carniani, Riccardo Petrei e all'intero team di Dewesoft Italia, il cui supporto esperto e la cui inesauribile pazienza sono stati fondamentali nell'impostazione ed esecuzione delle procedure sperimentali di questo lavoro. Molto semplicemente, questo studio non esisterebbe senza il loro contributo.

Fonti e riferimenti

Norme internazionali

• ISO 2631-1:1997. Vibrazioni e urti meccanici — Valutazione dell'esposizione umana alle vibrazioni trasmesse al corpo intero — Parte 1: Requisiti generali. Organizzazione internazionale per la normazione, Ginevra, Svizzera.

• ISO 5128:2023. Acustica — Misura del rumore all'interno dei veicoli. Organizzazione internazionale per la normazione, Ginevra, Svizzera.

Direttive dell'Unione Europea

• Direttiva 2002/44/EC. Prescrizioni minime di sicurezza e di salute relative all'esposizione dei lavoratori ai rischi derivanti dagli agenti fisici (vibrazioni). Gazzetta ufficiale delle Comunità europee.

• Direttiva 2003/10/EC. Prescrizioni minime di sicurezza e di salute relative all'esposizione dei lavoratori ai rischi derivanti dagli agenti fisici (rumore). Gazzetta ufficiale dell'Unione europea.

Letteratura scientifica relativa alla chinetosi

• Dacova, D. (2021). Ride comfort in road vehicles: a literature review. International Scientific Journal "Trans and Motauto World", 6, 60-63.

Risorse Hardware e Software Dewesoft

• Dewesoft d.o.o. SIRIUS Data Acquisition System (DAQ).  

• Dewesoft d.o.o. (2024). Introducing Navion i2: The Ultimate Automotive INS.  

• Dewesoft Academy. Sound Level Measurement. 

• Dewesoft Academy. Human Body Vibration.

• Dewesoft Academy. FFT Spectrum Analysis.