Misurare bene il rumore di una zona richiede fonometri professionali, costosi e da tarare, così che un singolo ente può allestire solo poche stazioni di misura. Quasi tutti però hanno in tasca uno smartphone e uno smartphone con l'app giusta può funzionare da fonometro. Migliaia di cittadini con i loro smartphone possono allora aiutare a tenere sotto controllo l'inquinamento acustico? E il rumore che misurano ha a che fare con il benessere che provano in casa?

Questa pagina riassume un esperimento partecipativo (o di citizen science, "scienza dei cittadini"), pubblicato su PLOS ONE^[1], in cui circa 500 partecipanti, in gran parte studenti delle scuole superiori, hanno misurato il rumore nelle loro case con lo smartphone e hanno valutato quanto si sentivano a proprio agio dal punto di vista acustico.

L'esperimento

L'esperimento, chiamato #scienzasulbalcone, è stato organizzato da ricercatori del CNR, di ARPA Piemonte e di ICS Maugeri nell'autunno del 2020, durante la pandemia di COVID-19. È stato presentato prima a una decina di scuole di Bergamo durante il festival BergamoScienza, dal 12 al 14 ottobre 2020, poi lanciato in tutta Italia il 19 ottobre 2020, durante il National Geographic Festival delle Scienze di Roma. I dati sono stati raccolti fino al 15 novembre 2020. Le istruzioni e i materiali didattici per docenti e studenti erano pubblicati su un sito dedicato.

Misurare il suono con uno smartphone

Tutti i partecipanti hanno usato la stessa app gratuita, OpeNoise, sviluppata da ARPA Piemonte per Android e iOS: in questo modo il suono è stato elaborato con lo stesso algoritmo su tutti i telefoni. In un minuto l'app misura il livello di pressione sonora e fornisce tre numeri:

• LAeq, il livello continuo equivalente: il livello di un suono costante che trasporterebbe la stessa energia del suono misurato durante tutto il minuto. Se ${\displaystyle p_{A}(t)}$ è la pressione sonora ponderata A, ${\displaystyle p_{0}=20\ \mu \mathrm {Pa} }$ la pressione di riferimento e ${\displaystyle T}$ la durata della misura,

${\displaystyle L_{Aeq}=10\log _{10}\left({\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{\frac {p_{A}^{2}(t)}{p_{0}^{2}}}\,dt\right)\ \mathrm {dB(A)} ;}$

• LAmax e LAmin, il livello più alto e quello più basso raggiunti durante la misura.

La lettera A indica che i livelli sono ponderati A: prima di essere sommate, le diverse frequenze del suono vengono pesate più o meno come fa l'orecchio a livelli moderati, così che le frequenze molto basse e molto alte, a cui l'orecchio è meno sensibile, contano meno (si vedano le curve isofoniche). I livelli ponderati A si scrivono in dB(A) e sono quelli usati dalle norme sul rumore.

Gli smartphone però non sono progettati per misurare il suono: microfoni ed elettronica sono fatti per registrare la voce ed eventualmente la musica, nel modo più economico possibile. Prove di laboratorio hanno trovato che le app migliori misurano con un'incertezza di circa ±2 dB(A), ma ogni modello di smartphone ha bisogno di una propria correzione (il suo guadagno) e una misura sul campo è molto più difficile da controllare di una in laboratorio. Per questo ai partecipanti è stato chiesto di non correggere le letture dell'app: le correzioni sono state applicate in seguito, ai telefoni il cui modello era stato tarato in laboratorio. La taratura ha confrontato ogni modello con un fonometro professionale (di classe 1), usando rumore rosa a livelli tra 50 e 80 dB(A).

Che cosa hanno fatto i partecipanti

A ogni partecipante servivano uno smartphone con OpeNoise, carta e penna. Il protocollo prevedeva tre fasi:

• Fase I (preparazione): prendere confidenza con l'app e diventare consapevoli dei suoni che si sentono in casa.
• Fase II ("misurare il rumore"): misurare il rumore da una finestra aperta, in momenti diversi, valutando ogni volta il benessere acustico su una scala da 1 (minimo) a 5 (massimo). Alla fine ogni partecipante sceglieva due misure, la situazione più rumorosa e quella più silenziosa che aveva incontrato, e le inviava con un modulo online, insieme all'ora della misura, alla principale sorgente di rumore e ad alcune informazioni sulla casa (tipo di zona, piano, finestra rivolta verso una strada o verso un cortile interno).
• Fase III (facoltativa, "misurare il silenzio"): misurare il fondo più silenzioso, nella stanza più silenziosa della casa, con tutte le finestre chiuse.

Come richiedono le norme italiane per la misura del rumore nelle abitazioni, il telefono era tenuto a circa un metro dalla finestra aperta. Ai partecipanti era chiesto di evitare ogni rumore prodotto in casa (televisione, voci, manipolazione del telefono) e di ripetere la misura se succedeva qualcosa di imprevisto.

L'app non registra il suono e non sa dove si trova il telefono e il modulo chiedeva solo il comune: i partecipanti sono rimasti del tutto anonimi. Il prezzo è che i dati non si possono usare per disegnare una mappa del rumore, che non era lo scopo dell'esperimento.

I partecipanti e i dati

Sono arrivate 492 schede con 1258 misure, da 12 regioni italiane su 20; il 91% è stato inviato da studenti delle superiori tra i 14 e i 18 anni. Il 36% dei telefoni erano iPhone, gli altri telefoni Android di varie marche, più o meno come nel mercato italiano.

Prima dell'analisi ogni scheda è stata controllata per cercare incongruenze. Alcune contenevano dati duplicati o impossibili (per esempio LAmin maggiore di LAmax) e sono state scartate; in 65 schede la misura rumorosa e quella silenziosa erano state evidentemente scambiate nel compilare il modulo (quella "silenziosa" aveva sia il benessere più basso sia il livello più alto) e sono state rimesse a posto. Alla fine il 93% delle schede era valido: un risultato notevole per un esperimento svolto a casa da centinaia di persone, senza alcuna supervisione.

I risultati

Il benessere

La maggior parte delle case è risultata acusticamente confortevole: le situazioni silenziose hanno avuto una valutazione media di 4,2 e il valore 1 non è mai stato usato per esse. Le valutazioni delle situazioni rumorose sono molto più varie (media 2,8): i valori 2, 3 e 4 sono stati usati più o meno con la stessa frequenza e perfino il 5 nel 4% dei casi. Una situazione rumorosa quindi non è necessariamente percepita come sgradevole. Il benessere è stato valutato più alto di notte (3,4 di giorno, 4,1 di notte).

Più rumore, meno benessere: le differenze

Differenza tra i livelli misurati dallo stesso partecipante nella situazione silenziosa e in quella rumorosa (LAeq[quiet] − LAeq[noisy]), per ogni differenza di benessere tra le due situazioni (da 0 a 4). Le linee nere sono i valori mediani: più grande è la perdita di benessere, più grande è la differenza di livello.^[1]

Anche senza alcuna taratura, un telefono può dire in modo affidabile di quanto un suono è più forte di un altro: il suo errore si cancella in gran parte nella differenza tra due misure fatte con lo stesso telefono. Poiché ogni partecipante ha misurato sia una situazione rumorosa sia una silenziosa, gli autori hanno studiato prima di tutto le differenze di livello, insieme alle differenze di benessere.

Quando un partecipante ha valutato le due situazioni ugualmente confortevoli, la differenza mediana di livello è risultata vicina a 0 dB(A): un buon segno della coerenza dei dati. Al crescere della differenza di benessere cresce anche la differenza di livello: in media il livello è più alto di circa 6 dB(A) per ogni punto di benessere perso (5,9 dB(A), con un intervallo di confidenza al 95% da 5,1 a 6,7 dB(A)).

Tarare i telefoni: il fondo più silenzioso

Livello del fondo più silenzioso misurato in casa con le finestre chiuse (Fase III), dopo aver corretto ogni telefono con il guadagno del suo modello, per i telefoni Android (in alto, per marca) e per gli iPhone (in basso). Le linee verticali sono i valori mediani.^[1]

Le misure della Fase III avevano due scopi: verificare la taratura e scoprire i telefoni con un comportamento inatteso. Una stanza silenziosa con le finestre chiuse è il luogo più silenzioso che quasi tutti conosciamo e il suo livello si può prevedere abbastanza bene.

Dopo la correzione gli iPhone si sono comportati molto bene: nessun iPhone ha misurato meno di 26 dB(A) e molte misure si raccolgono intorno a 28,6 dB(A). Le correzioni per i diversi modelli di iPhone coincidono entro ±1 dB, probabilmente grazie a una produzione più standardizzata. I telefoni Android sono molto più dispersi: alcuni hanno misurato meno di 20 dB(A) o perfino livelli negativi, impossibili in una stanza reale. O il modello era stato riconosciuto male (molti modelli condividono un nome e differiscono solo per un suffisso come "Pro" o "Plus"), o la correzione dipendeva dalla versione del sistema operativo, oppure questi telefoni semplicemente non riescono a misurare suoni così deboli. Le loro misure sono state scartate, insieme a tutte le misure sotto 26 dB(A), il livello più basso misurato da un telefono affidabile in questo esperimento.

La Fase III si è così rivelata una parte fondamentale del protocollo: una misura del "silenzio" rivela i telefoni le cui letture non sono affidabili.

Più rumore, meno benessere: i livelli assoluti

Livello (LAeq tarato) di tutte le misure, raggruppate per valutazione del benessere (comfort). Ogni punto è una misura; le linee nere spesse sono le mediane, i rettangoli contengono la metà centrale delle misure.^[1]

Dopo la taratura sono rimaste 436 misure. I loro livelli mediani sono circa 49 dB(A) nelle situazioni rumorose e 42 dB(A) in quelle silenziose.

Il livello mediano diminuisce regolarmente al crescere del benessere: è sopra i 60 dB(A) per la valutazione più bassa e circa 39 dB(A) per la più alta. In media il livello diminuisce di circa 5,6 dB(A) per ogni punto di benessere, molto vicino ai 5,9 dB(A) trovati dalle differenze non tarate: le due analisi si confermano a vicenda.

L'andamento è chiaro, ma la dispersione è grande: misure con la stessa valutazione possono differire di decine di decibel. Una parte della dispersione viene dai partecipanti stessi (ognuno ha la sua idea di benessere e segue le istruzioni con più o meno cura), una parte dai telefoni: un'analisi statistica attribuisce il 29% della varianza alle differenze tra i partecipanti e il 28% alle differenze tra i modelli di telefono.

Gli eventi improvvisi

Una misura di un minuto può essere dominata da un singolo evento improvviso, come un'ambulanza o un cane che abbaia. In questo esperimento LAeq è risultato strettamente correlato con LAmax, il momento più rumoroso del minuto, mentre LAmin, il livello di fondo, variava più liberamente. La differenza tra LAeq e LAmin, che misura quanto spiccano gli eventi brevi e forti, è risultata più piccola nelle situazioni più confortevoli: il benessere non dipende solo dal livello medio, ma anche da quanto spesso si verificano eventi di disturbo.

Alcune misure sopra 75 dB(A) descrivevano eventi chiaramente eccezionali, spiegati dai commenti dei partecipanti: "lavori di ristrutturazione pesanti nell'appartamento dei vicini", "ambulanza", "soffiatore di foglie durante la pulizia delle strade", "traffico intenso in autostrada", "incidente stradale".

Da dove viene il rumore?

Numero di misure nelle situazioni rumorose (in alto, Noisy) e silenziose (in basso, Quiet), in intervalli larghi 3 dB(A), con la principale sorgente di rumore indicata dai partecipanti (colori): traffico aereo, ferroviario e stradale, attività umane all'aperto (outdoor anthropogenic) e in casa (indoor anthropogenic), sorgenti industriali, naturali, non identificate e altre.^[1]

Il traffico stradale è stato la sorgente citata più spesso (33% di tutte le misure) e la principale nelle situazioni rumorose (40%), seguito dalle attività umane all'aperto (21%). Nelle situazioni silenziose al primo posto ci sono i suoni naturali (35%), prima del traffico stradale (27%) e delle sorgenti non identificate (14%). Le sorgenti sono ordinate allo stesso modo per benessere in entrambe le situazioni: i suoni naturali sono associati al benessere più alto, il rumore industriale al più basso.

In entrambe le situazioni circa metà delle misure intorno a 46 dB(A) viene dal traffico stradale. Le situazioni silenziose mostrano però un secondo picco, molto stretto, intorno a 30 dB(A): compare solo di notte e solo nei luoghi con bassa densità di popolazione ed è fatto soprattutto di rumore di fondo da sorgenti non identificate, che probabilmente arriva da lontano (strade distanti, fabbriche, attività umane). Una parte di questo picco potrebbe dipendere anche dai telefoni stessi, che in pratica non riescono a misurare livelli molto più bassi.

I limiti di legge sono ragionevoli?

Frazione cumulativa delle misure valutate molto confortevoli (4 o 5) con livello inferiore a un dato LAeq, di giorno (Day, in rosso) e di notte (Night, in blu). I punti segnano le soglie della normativa italiana, 50 dB(A) di giorno e 40 dB(A) di notte, con i loro intervalli di confidenza al 95%.^[1]

I livelli mediani trovati nell'esperimento, circa 49 e 42 dB(A), sono molto vicini a due soglie della normativa italiana: secondo il DPCM 14/11/1997 (si veda la normativa), se il rumore misurato in un'abitazione con le finestre aperte non supera 50 dB(A) di giorno e 40 dB(A) di notte, è considerato trascurabile e non servono ulteriori verifiche.

I dati permettono di mettere alla prova queste soglie. Intorno a 46 dB(A) le misure si dividono più o meno a metà tra situazioni rumorose e silenziose; tra 40 e 80 dB(A), la probabilità che una situazione sia classificata come "rumorosa" cresce in media di circa un punto percentuale per ogni decibel. Tra le misure valutate molto confortevoli (4 o 5), l'82% di quelle fatte di giorno era sotto 50 dB(A) e a quel livello la curva cambia chiaramente pendenza: la soglia diurna sembra del tutto adeguata. Di notte solo il 69% delle misure molto confortevoli era sotto 40 dB(A) e lì la curva non cambia pendenza: la soglia notturna potrebbe essere meno adeguata, ma le misure notturne molto confortevoli erano poche (51) e non si possono trarre conclusioni certe.

Metà delle misure sono state fatte dopo l'11 novembre 2020, quando sono entrate in vigore nuove restrizioni regionali contro la pandemia, ma non si è trovato alcun cambiamento nei livelli o nelle valutazioni del benessere: l'89% delle misure è stato fatto di giorno, soprattutto nel pomeriggio, quando le restrizioni non limitavano il traffico.

Che cosa insegna l'esperimento

• Una campagna di misura del rumore svolta in tutta Italia da centinaia di cittadini, in gran parte studenti, è realizzabile e i dati raccolti sono risultati notevolmente coerenti.
• Anche telefoni non tarati danno informazioni utili quando si confrontano due misure fatte con lo stesso telefono: già così è stato possibile legare la variazione del livello di rumore alla variazione del benessere.
• I livelli assoluti richiedono una correzione per ogni modello di telefono e l'archivio delle correzioni va tenuto aggiornato, perché arrivano continuamente nuovi modelli sul mercato. Una misura del fondo più silenzioso (Fase III) rivela i telefoni con una correzione sbagliata.
• La maggior parte degli errori è stata umana: valori ricopiati a mano dalla carta al modulo, situazioni rumorose e silenziose scambiate, misure fatte durante eventi eccezionali invece che in situazioni ordinarie. Un'app che invia direttamente i dati e una domanda sul fatto che la situazione sia abituale eviterebbero gran parte di questi errori.
• Il valore degli esperimenti partecipativi non sta nella precisione di ogni singola misura, che è limitata, ma nella possibilità di raccogliere molti dati sul campo, in modo rapido ed economico, e di ricavarne andamenti generali. Una descrizione più dettagliata del suono, per esempio attraverso il suo spettro, è limitata dai telefoni stessi: senza un microfono esterno non sono affidabili sotto circa 250 Hz.

Prova anche tu

Puoi ripetere le misure dell'esperimento a casa con uno smartphone e l'app gratuita OpeNoise (Android, iOS). Senza una taratura del tuo telefono i livelli assoluti possono essere sbagliati di parecchi decibel, ma le differenze tra due misure fatte con lo stesso telefono sono affidabili: prova a confrontare i momenti più rumorosi e più silenziosi di una giornata alla tua finestra e il livello della stanza più silenziosa con le finestre chiuse.

Approfondimenti e collegamenti

• #scienzasulbalcone, il sito dell'esperimento, con le istruzioni e i materiali didattici.
• Per la scala dei decibel si vedano livelli di pressione sonora e percezione dell'intensità; per i limiti fissati dalla legge, inquinamento acustico.

Bibliografia