ACUSTICA DEGLI SPAZI CONFINATI FERRARA 10 aprile 2014 - Ordine degli Architetti

Interazione suono/superficie di confine AMBIENTI CONFINATI Interazione suono/superficie di confine In un ambiente confinato il suono emesso da una sorgente che vada ad incidere su una parete viene sostanzialmente scomposta in tre contributi Wi=Wd+Wr+Wt d=Wd/Wi r=Wr/Wi t=Wt/Wi d+r+t=1

FONOISOLAMENTO

FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE In un edificio il rumore si propaga: - per via aerea - per via strutturale (gli elementi strutturali vibrando diventano sorgenti e trasmettono il disturbo anche a grandi distanze) Il potere fonoisolante di un elemento dipende: - dalla frequenza del suono incidente - dalle proprietà fisiche del materiale di cui è costituito (massa, rigidezza, smorzamento) - dalle caratteristiche geometriche dell’elemento

POTERE FONOISOLANTE - parete semplice FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE - parete semplice Considerando una parete costituita di materiale omogeneo e isotropo, priva di incastri al bordo e priva di reazione alla sollecitazione, soggetta ad un campo sonoro di sole onde piane, il suo potere fonoisolante è determinato dalla seguente relazione: per incidenza normale per incidenza casuale (formula sperimentale) Tale reazione non è solitamente applicabile al caso reale che presenta una serie di problematiche più complesse, in quanto la parete non rappresenta l’unica via di passaggio del suono (percorsi di fiancheggiamento). Il potere fonoisolante così calcolato è un indicatore del grado di isolamento tra due ambienti, ma il caso reale andrà studiato tenendo conto anche di altre problematiche.

POTERE FONOISOLANTE - parete semplice FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE - parete semplice

POTERE FONOISOLANTE - parete semplice FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE - parete semplice ZONA I - EFFETTO DI RIGIDITA’ Si manifesta per pareti sottili, rigide e massa contenuta. Il potere fonoisolante cresce al diminuire della frequenza. R cala con una pendenza di circa 6 dB per ottava e incrementa di circa 6 dB raddoppiando la rigidezza. Nei pavimenti e nelle pareti il fenomeno si manifesta per valori di frequenza nell’intorno di 10-20 Hz. Pertanto nella pratica tale effetto può essere solitamente ignorato.

POTERE FONOISOLANTE - parete semplice FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE - parete semplice ZONA II - EFFETTO DI RISONANZA Una parete piana vincolata lungo i suoi bordi, una volta eccitata da una forzante entrerà in vibrazione ad una specifica frequenza che dipende dalla massa e dalla rigidità flessionale della struttura. Tale frequenza prende il nome di frequenza fondamentale naturale o frequenza di risonanza. La frequenza fondamentale cresce con lo spessore (rigidità) della parete ed in maniera inversa rispetto alla massa superficiale e solitamente è compresa tra 1 e 100 Hz. Alla frequenza di risonanza si registra un sensibile calo del potere fonoisolante R e quindi delle prestazioni della parete.

POTERE FONOISOLANTE - parete semplice FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE - parete semplice ZONA IV - EFFETTO DI COINCIDENZA In una parete colpita da un’onda sonora si instaurano onde flessionali la cui velocità varia con la frequenza. Quando la proiezione dell’onda incidente sulla superficie del divisorio coincide con la lunghezza d’onda flessionale naturale della parete si ha perfetto accoppiamento tra campo sonoro ed elemento strutturale e pertanto massimo trasferimento di energia. La frequenza più bassa per cui ciò accade è detta frequenza critica.

POTERE FONOISOLANTE - parete semplice FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE - parete semplice

POTERE FONOISOLANTE - parete semplice FONOISOLAMENTO POTERE FONOISOLANTE - parete semplice ZONA V Al di sopra della zona della coincidenza il potere fonoisolante R tende ad aumentare secondo una legge simile alla legge di massa, ma con una pendenza di 9 dB per ottava (anzichè 6 dB per ottava)

FONOASSORBIMENTO

COEFFICIENTE DI FONOASSORBIMENTO Si definisce il coefficiente di assorbimento acustico apparente α=d+t=1-r Alfa comprende sia il contributo di energia effettivamente assorbita dal materiale che il contributo che viene di energia trasmessa, ovvero comprende tutto ciò che non è riflesso, da cui ‘apparente’. 30% 30% 100% 60% 100% 10% 10% 60%

MATERIALI FONOASSORBENTI FONOASSORBIMENTO MATERIALI FONOASSORBENTI I materiali assorbenti sono utilizzati nei trattamenti acustici per diminuire il tempo di riverberazione all’interno di un ambiente ed eliminare riflessioni indesiderate. Tre meccanismi principali di assorbimento del suono: - porosità - risonanza di cavità - risonanza di membrana

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ 2 tipologie di materiali: fibrosi e cellulari (a cella aperta). Alta percentuale di aria al loro interno in collegamento con l’ambiente esterno. Il meccanismo di assorbimento per porosità è dovuto alle perdite per irreversibilità legate al fatto che l’onda sonora mette in vibrazione l’aria contenuta nelle porosità e negli interstizi del materiale. In sostanza la perdita di energia avviene per effetto dell’attrito viscoso sulle pareti della struttura del materiale. SI NO

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ La resistenza al flusso è definita come rapporto tra la differenza di pressione che si genera ai capi di un provino di materiale attraversato da un flusso d’aria e la portata del flusso stesso. Essa esprime la resistenza che un flusso d’aria incontra nel passaggio attraverso il materiale. Esiste un legame molto stretto tra questo parametro e l’assorbimento acustico. In generale la resistenza al flusso aumenta direttamente con densità e spessore del materiale e inversamente con il diametro delle fibre.

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ Si definiscono anche: Resistenza al flusso specifica Resistività al flusso A partire dalla resistività al flusso e da altri parametri fisici caratteristici del materiale sono stati elaborati modelli matematici per la previsione del coefficiente di assorbimento (per incidenza normale) di un materiale fibroso. Il più noto è quello elaborato da Delany e Bazley.

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - EFFETTO DELLO SPESSORE PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - EFFETTO DELLO SPESSORE

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - EFFETTO DISTANZA DALLA PARETE PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - EFFETTO DISTANZA DALLA PARETE

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ Quando un’onda sonora è riflessa da una parete rigida, a contatto con la parete la velocità delle particelle d’aria è nulla. Di conseguenza ad una distanza di 1/4 di lunghezza d’onda si ha un picco di massimo. Poichè il meccanismo di assorbimento nei materiali porosi consiste nella dissipazione dell’energia per attrito è evidente come questa sarà tanto maggiore quanto più elevata è la velocità di vibrazione delle particelle. Pertanto ponendo un pannello di materiale fibroso ad una distanza di 1/4 di lunghezza d’onda si avrà massima efficienza di assorbimento per quella data frequenza. Questo spiega anche perchè l’assorbimento dei materiali porosi aumenta con lo spessore del pannello.

PROPRIETÀ ACUSTICHE ESERCIZIO Calcolare lo spessore di un pannello di materiale fibroso da addossare alla parete al fine di assorbire in maniera efficiente un suono con frequenza 100 Hz? Calcoliamo la lunghezza d’onda corrispondente a 100 Hz e quindi lo spessore utile a massimizzare l’assorbimento

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI FIBROSI PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI FIBROSI Tradizionalmente i più utilizzati fin dall’antichità. Costituiti da fibre di diversa natura unite con leganti chimici o trattamenti fisici. Prodotti: - lana di roccia - lana di vetro - fibre di poliestere - feltri (fibre tessili riciclate) - fibre di acido polilattico (mais) - fibre vegetali (cotone, canapa, cocco, legno, cellulosa, ecc.) - fibre animali (lana di pecora, piume d’oca, ecc.)

PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI FIBROSI Materiale Diametro medio delle fibre µm Densità Settori di impiego Lana di roccia 4÷8 30÷120 Edilizia Lana di vetro 1÷5 20÷40 Fibra poliestere 10÷60 Edilizia, trasporti, industria Feltro varie 20÷100 Trasporti, elettrodomestici

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI FIBROSI PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI FIBROSI L’assorbimento acustico è funzione di diversi parametri: - diametro delle fibre - orientamento delle fibre - densità del materiale - spessore del pannello - porosità (ad es. lana minerale 90-95%) - resistenza al flusso

PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI IN FIBRE VEGETALI Materiale Diametro medio delle fibre µm Densità Settori di impiego Cotone, canapa, cocco, legno, cellulosa, ecc. varie 10÷150 Bioedilizia

PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI IN FIBRE ANIMALI Materiale Diametro medio delle fibre µm Densità Settori di impiego Lana di pecora, piume d’oca ecc. varie 10÷80 Bioedilizia

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI CELLULARI PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI CELLULARI Caratterizzati da celle cave collegate tra loro e con l’esterno da canali che permettono la propagazione del suono. Si dividono sostanzialmente in schiume e aggregati granulari. Prodotti: - poliuretani espansi a cella aperta - resina melamminica - schiuma espansa a base di polietilene - schiume di alluminio - aggregati di elastomeri espansi - altre tipologie di aggregati (pietra, gomma, plastica, ecc.)

PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI CELLULARI Materiale Densità Settori di impiego Poliuretani espansi a cella aperta 20÷50 Industria, trasporti Resina melamminica 10 Edilizia, industria, trasporti Schiuma espansa a base di polietilene 10÷20 Edilizia, industria

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI CELLULARI PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI CELLULARI Materiale Densità Settori di impiego Schiume di alluminio 10÷100 Trasporti

PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI CELLULARI Materiale Densità Settori di impiego Aggregati di elastomeri espansi 120÷240 Industria, trasporti, elettrodomestici

PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - MATERIALI CELLULARI Materiale Densità Settori di impiego Aggregati di gomma, plastica, ecc. 40÷1500 Industria, trasporti, elettrodomestici

ASSORBIMENTO PER POROSITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER POROSITA’ Coefficienti di assorbimento per alcuni materiali porosi in funzione della frequenza

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ Il risuonatore a cavità o risuonatore di Helmholtz è costituito da una cavità di volume V messa in comunicazione con l’esterno tramite un’apertura, detta collo, di lunghezza l e sezione S. In analogia ad un oscillatore meccanico l’onda sonora incidente sul risuonatore mette in vibrazione l’aria contenuta nel collo che inizia a comportarsi come una massa oscillante, mentre l’aria presente nella cavità funge da molla. Il meccanismo di assorbimento per risonanza di cavità è dovuto alle perdite per attrito viscoso dell’aria all’interno del collo del risuonatore.

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ Il picco di assorbimento si registra in corrispondenza della frequenza di risonanza del risuonatore. senza materiale assorbente con materiale assorbente

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ Un’applicazione pratica della risonanza di cavità è rappresentata dai pannelli forati fissati ad una certa distanza dalla parete. Il loro comportamento è analogo a quello di un risuonatore classico, anche se generalmente sono meno efficienti. dove: - P: % di foratura - l: distanza dalla parete - s: spessore del pannello

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - EFFETTO % FORATURA PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - EFFETTO % FORATURA

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - ESEMPI PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - ESEMPI

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - ESEMPI PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - ESEMPI

CASO PARTICOLARE - PANNELLI MICROFORATI PROPRIETÀ ACUSTICHE CASO PARTICOLARE - PANNELLI MICROFORATI Rappresentano una casistica a parte rispetto ai pannelli forati in quanto il comportamento richiede una trattazione analitica molto più complessa. Si tratta di pannelli impervi con fori molto ravicinati di diametro inferiore ad 1 mm (generalmente tra 0.2 e 0.6 mm), tali da indurre nel campo acustico perdite energetiche molto elevate dovute alla viscosità del fluido. Sviluppati per ottenere assorbimento su una banda di frequenze sufficientemente larga con panelli trasparenti o semitrasparenti, senza la impiego di layer fibrosi.

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI MEMBRANA PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI MEMBRANA Il risuonatore a membrana è costituito da un pannello in materiale elastico (legno , fibre di legno, membrane, etc.) non poroso. Esso viene installato ad una certa distanza dalla superficie di supporto a formare una cavità d’aria. In analogia ad un oscillatore meccanico l’onda sonora incidente sul risuonatore mette in vibrazione il pannello che inizia a comportarsi come una massa oscillante, mentre l’aria presente nella cavità funge da molla. Il meccanismo di assorbimento per risonanza di membrana è dovuto alla trasformazione dell’energia sonora in energia meccanic, ovvero in vibrazioni flessionali del pannello.

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI MEMBRANA PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI MEMBRANA Il picco di assorbimento si registra in corrispondenza della frequenza di risonanza del risuonatore.

ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI MEMBRANA PROPRIETÀ ACUSTICHE ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI MEMBRANA La frequenza di risonanza di un dato pannello diminuisce con l’aumentare della sua densità e all’aumentare della distanza parete/pannello (ossia con l’incremento di volume dell’intercapedine). Anche in questo caso riempire l’intercapedine con materiale poroso permette di allargare lo spettro di assorbimento diminuendo però l’efficienza massima del sistema.

MISURA DEL COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO PROPRIETÀ ACUSTICHE MISURA DEL COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO - Misura nel tubo a onde stazionarie (tubo di Kundt) (UNI EN ISO 10534) - Misura in camera riverberante (UNI EN ISO 354) - Misura con metodo a riflessione (UNI EN ISO 13472-1)

Ordine degli Architetti ing. Alberto Asquini ing.alberto.asquini@gmail.com www.aircarve.com Ordine degli Architetti Ferrara - 10 aprile 2014