Corso di formazione Progetto Low Noise PON 01_01878 Ing. Pietro Russo CNR – Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali (IPCB) Pozzuoli (Na) Moduli.

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1 Corso di formazione Progetto Low Noise PON 01_01878 Ing. Pietro Russo CNR – Istituto per i Polimeri, Compositi e Biomateriali (IPCB) Pozzuoli (Na) Moduli 1.2.3.1 – 2.2.1 I a parte – I materiali acustici 1

2 Acustica: Acustica: parte della fisica che studia il suono e le sue cause, la sua propagazione e la sua ricezione. Suono Suono: rapida variazione di pressione (compressione e rarefazione) intorno al valore medio in un certo punto dello spazio. Sorgente sonora Sorgente sonora: un qualsiasi dispositivo, apparecchio ecc. che provochi direttamente o indirettamente (ad esempio per percussione) queste variazioni di pressione. Propagazione del suono Propagazione del suono: affinché il suono si propaghi occorre che il mezzo che circonda la sorgente sia dotato di elasticità. Campo sonoro Campo sonoro: la porzione di spazio interessata da tali variazioni di pressione. Alcune definizioni di base 2

3 Schema di generazione del suono 3 Usando l’equazione dei gas perfetti P=  RT,fissato il mezzo e la temperatura, sussiste una proporzionalità diretta tra pressione e densità. Pertanto l’oscillazione di pressione intorno al valore medio P 0 provoca, a sua volta, variazioni di densità del mezzo in cui l’onda si propaga.

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5 Le oscillazioni sonore con una frequenza compresa all’incirca tra 20 e 20.000 Hz (campo di udibilità) ed una ampiezza, ovvero contenuto energetico, superiore ad una certa entità minima di pressione pari a 2×10 -5 Pa, definita soglia di udibilità, (inferiore di circa 5 miliardi di volte alla pressione atmosferica standard di 1013 mbar), sono udibili dall'orecchio umano e possono suscitare sensazioni, cui si attribuisce genericamente la denominazione di “rumore”, se vengono avvertite come fastidiose o sgradevoli, oppure di suono. Il numero delle variazioni di pressione compiute in un secondo viene chiamato frequenza del suono e si misura in Hertz (simbolo Hz o s -1 ). 5

6 In campo sonoro la distanza che intercorre tra due successive compressioni, o rarefazioni, è definita lunghezza d'onda del suono nel mezzo considerato. Nel grafico sono riportate le variazioni della pressione in funzione della distanza perturbata.  p max indica l’ampiezza ovvero il valore massimo della variazione di pressione. 6

7 Analogamente la situazione del campo sonoro può essere analizzata osservando come varia la pressione in un punto in funzione del trascorrere del tempo: in tal caso graficamente il fenomeno è del tutto analogo a quello precedentemente mostrato, con in ascissa il tempo e, al posto della lunghezza d’onda  il periodo T, tempo necessario a compiere un ciclo. 7

8 La frequenza f è legata al periodo T dalla relazione: f = 1/T (s -1 o Hz) La relazione che lega la velocità di propagazione c del suono nel mezzo alla lunghezza d'onda  ed alla frequenza f è la seguente: 8

9 Le variazioni di pressione  p, come visto, sono sia positive (compressione) che negative (rarefazione), pertanto per esprimere con un unico valore la loro entità non si può ricorrere al loro valore medio che risulterebbe nullo. Si introduce allora il concetto di pressione sonora efficace definita come il valore medio efficace delle variazioni di pressione, direttamente proporzionale alla quantità di energia contenuta nel segnale sonoro. Nel caso di andamento sinusoidale la pressione sonora efficace è uguale alla pressione max moltiplicata per 0,71. 9

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12 Fino ad ora abbiamo ipotizzato che le variazioni di pressione seguano una legge sinusoidale: in questo caso lo strato d'aria adiacente alla sfera così come quelli più esterni subiscono espansioni e contrazioni con la stessa frequenza della sfera, e in tutti i punti del mezzo che circonda la sfera si hanno delle variazioni periodiche di pressione. Tuttavia, i segnali che più frequentemente ricorrono nella realtà sono segnali complessi aperiodici: tali segnali sono caratterizzati dall’avere uno spettro continuo, che comprende cioè un numero infinito di componenti distribuite con continuità sull’asse delle frequenze. 12

13 Le sorgenti sonore reali non emettono praticamente mai suoni puri vibrando con oscillazione sinusoidale ad una ben definita frequenza. Nella realtà, pertanto, il più delle volte l’andamento temporale della pressione sonora in un punto si presenta come una funzione complessa. Il suono può essere considerato come composto da un insieme di diverse frequenze variabili in maniera discreta e con continuità. Si comprende pertanto perché, in molte applicazioni tecniche relative soprattutto alla registrazione e riproduzione della musica, all’analisi del rumore prodotto da macchinari o ambienti, sia necessario valutare non solo il livello sonoro complessivo, cioè misurare la quantità di energia sonora pertinente a quel fenomeno, ma anche conoscere quale sia la distribuzione energetica alle varie frequenze. Lo scopo dell’analisi in frequenza è pertanto quello di definire il contenuto energetico di un suono complesso alle diverse frequenze che lo compongono. spettro sonoro Il cosiddetto spettro sonoro è la rappresentazione del livello di pressione sonora di ogni armonica del suono. 13

14 14 Come si nota, solitamente lo spettro sonoro viene costruito per bande, suddividendo le frequenze acustiche in gruppi tra cui, i più comuni, sono i gruppi a banda di ottava. In questo caso, ogni frequenza di riferimento è doppia rispetto alla frequenza precedente.

15 Riferendosi ai suoni, i caratteri distintivi dal punto di vista della sensazione sonora sono l’intensità, l’altezza ed il timbro. L’intensità del suono è legata alla quantità di energia trasportata dall’onda che giunge all’orecchio nell’unità di tempo. L’altezza di un suono puro è determinata dalla frequenza dell’onda sonora: i suoni corrispondenti a basse frequenze sono denominati bassi o gravi, quelli corrispondenti ad alte frequenze sono invece alti o acuti. In particolare, la frequenza fondamentale determina l’altezza del suono, le sue armoniche superiori (suoni che si verificano a frequenze multiple di quella base-fondamentale) il timbro. Il timbro è quel parametro che a parità di frequenza, distingue un suono da un altro e permette di distinguere suoni emessi da diverse sorgenti, che se essi hanno la stessa intensità, ma sono avvertiti in maniera diversa dall’orecchio. Il timbro dipende dalla forma dell’onda sonora. 15

16 I LIVELLI SONORI: IL DECIBEL Come già detto l’intervallo di frequenze compreso nell’udibile varia tra i 2 Hz ed i 20 kHz. Considerato l’enorme campo di variazione delle grandezze in gioco (frequenza e potenza), non conviene esprimere le grandezze acustiche quali la pressione sonora, la potenza e l'intensità in valori assoluti. Si preferisce quindi esprimere dette grandezze facendo il logaritmo del rapporto tra le stesse e determinati valori di riferimento assunti come livelli "zero". Pertanto si adotta il livello sonoro, espresso in decibel (dB), definito come il logaritmo decimale del rapporto tra il valore in esame ed il valore di riferimento. 16

17 Livello di potenza sonora L w L w = 10 log P w /P 0 (dB) dove P w è la potenza sonora in esame (W) e P la potenza sonora di riferimento (10 -12 W) Livello di intensità sonora L I L I = 10 log I /I 0 (dB) dove I è l'intensità sonora in esame (W/m²) e I 0 l'intensità sonora di riferimento (10 -12 W/m²) Livello di pressione sonora L P L P = 10 lg p 2 /(p 0 ) 2 = 20 lg p/p 0 (dB) dove p è la pressione sonora in esame (Pa) e p 0 l'intensità sonora di riferimento (2·10 -5 Pa) 17

18 La propagazione del suono E’ affetta da molte variabili come: Temperatura del mezzo in cui le onde si propagano, parametro che a sua volta influenza densità e pressione dello stesso ambiente di propagazione; Moto del mezzo stesso. Ad esempio, suoni che si propagano nel vento tendono a muoversi in direzione di questo; Viscosità del mezzo in cui si propagano le onde sonore: determina la velocità con cui il suono si attenua. Per mezzi come aria e acqua, tale attenuazione è trascurabile. Nel vuoto non può verificarsi propagazione. Il suono viaggia più velocemente in solidi e liquidi piuttosto che in aria. La velocità del suono in aria, alla pressione di 1 atmosfera e a 20 °C è pari a 343 m/s. 18

19 Comportamento acustico dei materiali Quando un’onda sonora di potenza W i colpisce un materiale, una parte dell’energia (W r ) viene rinviata nel mezzo di provenienza, una parte (W a ) viene assorbita trasformandosi in calore ed una terza parte (W t ) attraversa il materiale. Riflessione, assorbimento e trasmissione dell’energia sonora. 19

20 Comportamento acustico dei materiali Generalmente, i materiali pesanti e rigidi (es. lastre di piombo) che le onde sonore non riescono a deformare, minimizzano la potenza sonora trasmessa agendo come fonoisolanti mentre i materiali morbidi e porosi minimizzano la potenza riflessa agendo come fonoassorbenti. In generale, un materiale fonoassorbente può essere un cattivo fonoisolante e viceversa una parete dal grande isolamento acustico può avere proprietà fonoassorbenti scarse. Pertanto è necessario che i termini fonoisolamento e fonoassorbimento non vengano fra loro confusi. Superfici dure, come piastrelle di ceramica, cartongesso, o legno, tendono a riflettere le onde sonore, causando l’eco. Le onde sonore che si riflettono su superfici generano il difetto acustico della riverberazione. Materiali massicci, densi, quali calcestruzzo o mattoni, tendono a trasmettere onde sonore attraverso il materiale. 20

21 Dato il bilancio energetico: dividendo ambo i membri per W i, si ricava: con: rispettivamente coefficienti di riflessione, di assorbimento e di trasmissione del materiale nei confronti dell’energia sonora incidente. Il valore dei coefficienti, variabile da 0 a 1, dipende dalle caratteristiche intrinseche e dalla finitura superficiale dei materiali colpiti, oltre che dalla frequenza e dall’angolo di incidenza dell’onda sonora. Inoltre, si può definire il coefficiente di assorbimento acustico apparente come: 21

22 Definito l’indice di riflessione del suono o potere fonoisolante di un pannello (capacità del pannello di impedire la trasmissione del suono) come: (Transmission Loss) Per un ostacolo senza discontinuità il potere fonoisolante dipende da:  Angolo di incidenza del suono;  Frequenza del suono;  Differenza fra la resistenza acustica del mezzo di propagazione e quella della parete su cui il suono incide (che sarà il secondo mezzo di propagazione);  Proprietà del materiale costituente l’ostacolo (densità, modulo di Young, ecc.) Il potere fonoisolante è direttamente proporzionale a massa e frequenza. 22

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25 Il parametro che viene utilizzato per quantificare la trasmissione del suono tra due ambienti differenti, in uno dei quali si trova la sorgente sonora e nell’altro il ricevitore, è l’isolamento acustico. L’isolamento acustico I tra due ambienti caratterizzati da livelli di pressione sonora L p1 e L p2 è dato dalla differenza dei due livelli: In particolare, nel caso di due ambienti riverberanti (in cui l’onda sonora si riflette) separati da una parete, applicando un semplice bilancio di energia sonora passante attraverso la parete piana di superficie S p e riverberante nell’ambiente 2 con una superficie equivalente A, è possibile trovare il legame tra l’indice di riduzione del suono (R) e l’Isolamento acustico (I): Con A=  αiS i, area equivalente di assorbimento acustico delle pareti che delimitano l’ambiente 2 dove S i ed α i sono rispettivamente l’area ed il coefficiente di assorbimento acustico apparente della porzione “i-esima” della superficie che delimita l’ambiente. 25

26 Riverberazione Consiste nella persistenza del suono in spazi chiusi, dopo che la sorgente sonora si è interrotta, per effetto di un inadeguato assorbimento del suono stesso da parte delle pareti circostanti. La riverberazione può creare confusione quando nuovi suoni vengono generati anche se, in alcuni casi, può migliorare la qualità dei nuovi suoni emessi. Il tempo necessario affinché il livello della pressione sonora diminuisca di 60 dB rispetto al valore che esso ha nell’istante in cui viene disattivata la sorgente è detto tempo di reverberazione e si può determinare noti, il volume V dell’ambiente chiuso e l’area equivalente di assorbimento (A) da parte di tutte le superfici che lo delimitano, con la nota formula di Sabine: t 60 = 0.16V /A 26

27 Tempo di riverberazione ottimale Il tempo di riverberazione rappresenta in pratica la lunghezza temporale della coda sonora (eco) all’interno di un ambiente: maggiore è il tempo di riverbero, maggiore è l’eco all’interno di quell’ambiente. Pertanto, esso deve assumere valori idonei al tipo di destinazione d’uso dell’ambiente stesso: in genere deve essere contenuto in 1-2 secondi. 27

28 Eco L'eco è prodotto quando l'onda sonora riflessa raggiunge l'orecchio proprio quando il suono originale dalla stessa sorgente è stato già sentito. Si tratta quindi di una ripetizione del suono. La sensazione di suono persiste per 1/10 di secondo dopo che la sorgente è cessata. Echi multipli possono essere sentiti quando un suono viene riflesso da una serie di superfici riflettenti opportunamente collocate. Questo difetto può essere rimosso selezionando forma corretta della sala o considerando superfici interne ruvide e porose per disperdere l'energia degli echi. 28

29 Sorgenti sonore Alcune volte la forma della sala fa si che onde sonore si concentrino in alcune zone particolari della stessa. Questo difetto acustico può essere rimosso mediante:  Progettando geometrie adeguate delle pareti interne; o  Considerando l’uso di materiali altamente fonoassorbenti in alcune zone critiche delle superfici interne all’ambiente di riferimento. 29

30 Dead spots Difetto acustico legato a quello precedente in quanto se ci sono zono in cui si concentrano le onde sonore, ci saranno zone in cui queste sono molto rade. In queste zone “morte” l’intensità del suono è talmente bassa da risultare impercettibile. Questo difetto può essere rimosso posizionando opportunamente diffusori e riflettori del suono e considerando una adeguata progettazione degli spazi di riferimento, Forma geometrica del tetto aiuta nella corretta distribuzione del suono 30

31 Rumori esterni Rumori esterni di veicoli, traffico, fabbriche adiacenti ecc possono entrare nella sala o attraverso le aperture o anche attraverso i muri e altri elementi strutturali che hanno un isolamento acustico improprio. Questo difetto può essere rimosso da una corretta progettazione della sala rispetto all'ambiente circostante e un adeguato isolamento acustico delle pareti esterne. 31

32 Materiali fonoassorbenti L’assorbimento acustico è determinato dalla conversione in calore dell’energia meccanica dell’onda incidente con un meccanismo legato al fatto che l’onda sonora mette in vibrazione l’aria contenuta nelle porosità e negli interstizi del materiale. Pertanto la perdita di energia avviene per effetto dell’attrito viscoso sulle pareti della struttura del materiale che determina un lieve ed impercettibile aumento di temperatura. In particolare, si distinguono due tipologie di materiali: fibrosi e cellulari a celle aperte; per i quali l’assorbimento acustico dipende dalla lunghezza d’onda del suono incidente, dal rapporto tra il volume dei vuoti e quello totale e dallo spessore del materiale. L’assorbimento acustico in genere aumenta con la frequenza e con lo spessore dello strato del materiale. 32

33 Materiali fonoassorbenti In funzione del diverso comportamento acustico al variare della frequenza, i materiali fonoassorbenti sono in genere classificati in tre categorie: a)Materiali porosi (sfruttano la dissipazione viscosa); b)Risuonatori acustici o di Helmotz (sfruttano la risonanza della cavità); c)Pannelli o membrane vibranti (sfruttano la risonanza del pannello). Ciascuno di questi meccanismi di assorbimento acustico è maggiormente efficiente in un determinato campo di frequenza. Soltanto dalla combinazione di più meccanismi di assorbimento si riesce ad avere materiali che assorbono in tutto il campo di frequenze udibili. 33

34 Materiali fonoassorbenti 34

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36 Assorbimento per porosità Materiali che sfruttano la dissipazione viscosa 36

37 Assorbimento per porosità Materiali che sfruttano la dissipazione viscosa 37

38 Grandezze caratteristiche dei materiali fonoassorbenti 38

39 Grandezze caratteristiche dei materiali fonoassorbenti 39

40 Grandezze caratteristiche dei materiali fonoassorbenti 40

41 Grandezze caratteristiche dei materiali fonoassorbenti 41

42 Assorbimento per porosità Materiali che sfruttano la dissipazione viscosa 42

43 Assorbimento per porosità Materiali che sfruttano la dissipazione viscosa 43

44 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%). Tali parametri influenzano la resistenza del materiale fibroso al flusso d’aria per attrito viscoso dell’aria sulla superficie delle fibre. In generale si ha che tale resistenza aumenta con la densità e lo spessore del materiale e con il diminuire del diametro delle fibre. 44

45 Materiali fibrosi 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.) 45

46 Materiali fibrosi 46

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49 Lana di vetro E' un silicato amorfo, derivato dal vetro, che è commercializzato sotto forma di rotoli, materassini e pannelli fonoassorbenti, possiede un'alta capacità di inglobare aria attraverso una corposa struttura lanuginosa e pertanto di disperdere in calore l'onda sonora. I pannelli sono disponibili in commercio anche sotto forma precompresso in modo che non subiscono ulteriore compressione in caso si trovino a sopportare il peso di altri materiali: è il caso ad esempio di pannelli che vengono collocati al di sotto di pavimenti di calcestruzzo. La lana di vetro, ottima anche come isolante termico, è relativamente economica ed altamente efficiente nella riduzione del rumore. 49

50 Lana di roccia Possiede caratteristiche similari alla lana di vetro e deriva da uno speciale procedimento estrattivo che riguarda la roccia vulcanica. Ha caratteristiche ignifughe superiori a quelle della lana di vetro. Si rinviene sotto forma di pannelli e rotoli. 50

51 Materiali fibrosi 51

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53 Sughero Certamente il miglior materiale assorbente acustico esistente in natura. Il fatto che le singole celle contenenti aria siano chiuse e non comunicanti tra loro, rende il sughero un ottimo isolante acustico. Infatti, poiché il suono si propaga nell'aria, se questa non circola tra le celle ma rimane isolata all'interno di ciascuna di esse, si ottiene una dissipazione immediata dell'energia sonora. La costituzione porosa del sughero fa sì che quando l'onda sonora ne colpisce la superficie, l'aria contenuta nei piccoli canali interni viene ad essere animata da un rapido moto oscillatorio: per effetto della dissipazione viscosa, buona parte dell'energia acustica è così trasformata in calore e trattenuta nel materiale. Queste caratteristiche determinano così un'azione smorzante del suono, per un vero e proprio comfort ambientale. 53

54 I principali vantaggi di impiego del sughero sono:  buon isolante termico: con spessori adeguati, aiuta a mantenere costante la temperatura delle superfici isolate.  elettricamente isolante;  atossico e biologicamente puro;  inalterabile: non si deforma e non si decompone;  impermeabile e al tempo stesso non igroscopico e traspirante: evita così la formazione di condensa sulla sua superficie, ed è quindi impermeabile all'acqua e permeabile al vapore;  compatibile con gli altri materiali ed elementi da costruzione con cui viene a contatto;  bassa velocità di combustione, pur non subendo alcun trattamento che lo renda ignifugo;  acusticamente eccellente: la sua bassa rigidezza ed il suo peso specifico (presenta una "massa specifica" pari a 60-300 kg/mc) ne fanno uno degli isolanti più completo in merito all'isolamento e al dissipamento dell'energia sonora. 54

55 Gli impieghi in edilizia sono svariati, soprattutto come isolante termico e acustico, nelle sue varie forme commerciali. Lo si può trovare infatti in pannelli pressati di vari spessori, sagomati con vari disegni, a seconda degli usi a cui sono destinati, o sciolto in granuli da stendere o aggiungere agli impasti di calcestruzzo. Impieghi del sughero Truciolato di legno Il legno truciolare è realizzato attraverso l'accorpamento di fibre legnose derivanti dagli scarti della lavorazione del legno che vengono pressate e incollate tra loro fino a formare pannelli rigidi e resistenti. Si ottiene un prodotto con discrete doti fonoassorbenti e fono isolanti normalmente impiegato per riempire le intercapedini. 55

56 Moquette e tappeti Manufatti in tessuto naturale (lana, linoleum, canapa, juta, fibra di cocco) ovvero realizzati su base acrilca, soprattutto nel caso della moquette. Tappeti e moquettes sono comunemente utilizzati per l'arredamento di case e spazi commerciali e contribuiscono significativamente nel conseguimento di determinati standard di comfort acustico. Le tende realizzate in stoffa o in altri tessuti naturali o sintetici contribuiscono a schermare l'onda sonora migliorando le caratteristiche riverberanti del suono al fine di una migliore fruizione degli spazi. Tendaggi 56

57 Materiali cellulari o porosi Caratterizzati da celle aperte collegate tra loro, si distinguono sostanzialmente in schiume e aggregati granulari (elastomeri espansi, pietra, gomma, e così via). 57

58 Materiali cellulari o porosi 58

59 Materiali cellulari o porosi 59

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62 Poliuretano espanso E' un polimero che offre ottime prestazioni come assorbente acustico da impiegare sia nel riempimento di intercapedini per aumentare la prestazione fonoisolante delle pareti, sia a vista per rispondere ad esigenze di miglioria del comfort acustico di ambienti abitativi ed insediamenti umani civili e commerciali. Si presta ad applicazioni tecniche differenziate a seconda delle sue versioni produttive (liscio,bugnato,piramidale). Prodotto in materassini morbidi, il poliuretano può essere insufflato per riempire intercapedini e facilmente lavorato se usato sotto forma di schiuma poliuretanica, rispondendo a molteplici esigenze di fonoassorbimento. 62

63 Melammina espansa Materiale fonoassorbente leggero e flessibile, originato da resine o foam acrilici, che rispetto al poliuretano espanso risponde meglio ad esigenze antincendio essendo un prodotto ignifugo ad alta classificazione. Vermiculite espansa E' un minerale che sottoposto a cottura si espande notevolmente acquisendo notevoli proprietà isolanti. Da utilizzare per insufflaggi ovvero per la realizzazione di intonaci fonoassorbenti. 63

64 Perlite espansa Silicato di origine vulcanica che, al pari della vermiculite, può essere utilizzato come coibente acustico per riempire intercapedini o costituire intonaci fonoassorbenti. Argilla espansa Prodotto naturale sottoposto a cottura ad alta temperatura ottimo sia per la realizzazione di intonaci che per la creazione di blocchi dalle spiccate caratteristiche di fonoassorbenza. 64

65 Materiali cellulari Andamento del coefficiente di assorbimento α in funzione della frequenza e dello spessore del materiale 65

66 Assorbimento per risonanza di cavità 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. Il massimo assorbimento austico si registra in corrispondenza della frequenza di risonanza del risuonatore. 66

67 Assorbimento per risonanza di cavità Assorbimento del risuonatore al variare della frequenza Per rendere meno selettivi i risuonatori acustici (assorbimento elevato solo in corrispondenza della frequenza di risonanza) si può inserire del materiale poroso nella cavità. Si ottiene così un allargamento dello spettro di assorbimento ma una conseguente riduzione del picco di assorbimento in corrispondenza della frequenza di risonanza. 67

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70 Coefficienti di assorbimento acustico, αsab, di pannelli forati con intercapedine di aria 70

71 Pannelli microforati Si tratta di pannelli con fori molto ravvicinati 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 pannelli trasparenti o semitrasparenti, senza l’impiego di strati fibrosi. 71

72 Assorbimento per risonanza di membrana Il risuonatore a membrana è costituito da un pannello in materiale elastico (tessuti plastificati, pannelli in 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 meccanica, ovvero in vibrazioni flessionali del pannello. Anche in questo caso, il massimo assorbimento si registra in corrispondenza della frequenza di risonanza del risuonatore. 72

73 Assorbimento per risonanza di membrana L’assorbimento acustico è molto selettivo, concentrato alle basse frequenze (50÷300 Hz). Si può integrare il sistema introducendo del materiale poroso nell’intercapedine. 73

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75 Materiali per smorzamento acustico Lo smorzamento acustico avviene con materiali capaci di convertire l’energia di vibrazione in energia termica. I processi fisico-chimici attraverso i quali si realizza lo smorzamento acustico sono: - Isteresi meccanica: è un processo dissipativo a livello molecolare di entità trascurabile che influisce molto sulla frequenza; -frizione: è un processo dissipativo che avviene tra due superfici tra le quali è interposto un fluido. L’efficacia di questo fenomeno dipende dalla pressione fra le superfici e dalla viscosità del fluido interposto; - effetto viscoelastico: è dovuto all’immagazzinamento e alla successiva dissipazione sotto forma di deformazione dell’energia meccanica da parte del materiale. L’energia meccanica viene trasmessa alle molecole del materiale che la immagazzinano e poi la dissipano attraverso la struttura. 75

76 76 Isteresi meccanica D oo oo Stress Strain D = energia dissipata per ciclo

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78 78 Maggiore è l’isteresi in una curva sforzo-deformazione, maggiore è l’energia dissipata e, quindi, più elevata è la capacità di smorzamento del materiale. L’elemento smorzante fa sì che si verifica una riduzione dell’ampiezza nel tempo dell’onda caratteristica del fenomeno per resistenza del mezzo alle vibrazioni. Se lo smorzamento è tale che il sistema non vibra, in questi casi si dice si è in corrispondenza di uno smorzamento critico e per smorzamenti superiori si parla di sistemi sovrasmorzanti.

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80 80 Q = Fattore di amplificazione (rapporto fra l’ampiezza di risposta alla frequenza di risonanza  0 e la risposta statica a  =0

81 81 Comportamento viscoelastico Tutta l’energia immagazzinata in fase di carico viene restituita quando il carico viene rimosso. Lo sforzo è proporzionale alla deformazione Il materiale non ritorna l’energia immagazzinata in fase di carico. Tutta l’energia è persa quando il carico viene rimosso. Lo sforzo proporzionale alla velocità di deformazione

82 82 L’energia immagazzinata in fase di carico viene in parte restituita e in parte dissipata. Rigidezza complessa E=E’+iE”

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84 84 Nanofiber enhances both transverse and longitudinal vibration damping ability (due to large area of the interface between nanofiber and matrix) Nanofiber increases the transverse storage modulus (due to presence of nanofibers that are oriented near the direction perpendicular to the fiber layers) Nanofiber decreases the longitudinal storage modulus slightly. (a)Without interlayer (b) With viscoelastic interlayer (c)With as-received nanofiber interlayer (d)With treated nanofiber interlayer

85 85 MaterialProperty0.2 Hz1.0 Hz PMMALoss tangent 0.093  0.0190.100  0.038 Storage modulus (GPa) 3.63  0.243.49  0.7 Loss modulus (MPa) 336  70375  83 PTFELoss tangent 0.1885  0.00050.224  0.008 Storage modulus (GPa) 1.22  0.051.34  0.05 Loss modulus (MPa) 229  9300  15 PA-66Loss tangent 0.043  0.0090.078  0.035 Storage modulus (GPa) 4.35  0.054.45  0.08 Loss modulus (MPa) 187  41349  161 EpoxyLoss tangent 0.030  0.0070.039  0.015 Storage modulus (GPa) 3.20  0.313.50  0.07 Loss modulus (MPa) 105  24116  36 Neoprene rubberLoss tangent 0.67  0.141.12  0.08 Storage modulus (MPa) 7.45  0.287.83  0.11 Loss modulus (MPa) 6.72  1.508.23  0.76

86 Materiali per smorzamento acustico La capacità di smorzamento di un materiale viene espressa mediante il fattore di perdita. Il trattamento con materiali smorzanti è effettuato sugli elementi strutturali soggetti a vibrazione. I migliori risultati si ottengono impiegando lamine sottili che vibrano a frequenze prossime a quelle di risonanza. I materiali vengono applicati direttamente sulle superfici da trattare mediante verniciatura o incollaggio. 86

87 Materiali insonorizzanti di nuova generazione I NANOCOMPOSITI A MATRICE POLIMERICA 87

88 88 I nanocompositi polimerici sono una nuova classe di materiali caratterizzati da una dispersione delle fasi ultrafine, tipicamente dell’ordine di pochi nanometri. In virtù di questa dispersione, essi possiedono proprietà uniche non condivise dai convenzionali compositi o microcompositi, offrendo nuove opportunità tecnologiche ed economiche.

89 89 Vantaggi dei sistemi nanostrutturati Migliorate proprietà meccaniche - Aumento della rigidezza senza perdita di flessibilità -Migliorata stabilità dimensionale Migliorate proprietà di trasporto (filler lamellari) Stabilità chimica e termica Migliorato comportamento alla fiamma in combinazione con FR tradizionali Facile processabilità e riciclabilità

90 90 Tecnologie di preparazione  Miscelazione in soluzione  Polimerizzazione in-situ  Miscelazione allo stato fuso

91 91 Nanoparticelle lamellari

92 92 Nanoparticelle lamellari

93 93 Tecniche di caratterizzazione dei nanocompositi  XRD  TEM  DSC Identifica le strutture intercalate mediante lo spostamento del picco di diffrazione Identifica le strutture intercalate mediante lo spostamento del picco di diffrazione Identifica le strutture delaminate mediante l’analisi di un campione rappresentativo del materiale Identifica le strutture delaminate mediante l’analisi di un campione rappresentativo del materiale Identifica le strutture intercalate mediante l’aumento della temperatura di transizione vetrosa Identifica le strutture intercalate mediante l’aumento della temperatura di transizione vetrosa

94 94 Giannelis et al., Adv. Polym. Sci., 118 (1999) Uso della diffrazione dei raggi X

95 I nanotubi si distinguono in: -SWNT (Single Wall Nanotubes), ovvero un tubo costituito dalla sola parete esterna - MWNT (Multi Wall Nanotubes), costituiti da strati multipli concentrici Nanotubi di carbonio 95

96 Premessa Il potere isolante di un materiale dipende da: Massa Rigidezza Omogeneità Uniformità 96

97 97

98 Materiali: compositi a base polipropilene (PP) caricati con 0,9, 4,8 e 6,5% in peso di argilla lamellare organicamente modificata e con 0,1, 0,5 e 0,7% in peso di nanotubi di carbonio. Processo: basato sull’impiego di solventi. Per la preparazione dei campioni da destinare ai test acustici si è fatto ricorso alla formatura per compressione. Misure di isolamento acustico eseguite con il metodo del tubo di impedenza con 4 microfoni. 98

99 99

100 100

101 Conclusioni  L’aggiunta della carica esalta il carattere viscoelastico della matrice pura.  La trasmissione dell’onda sonora e la riflessione attraverso i materiali studiati sono molto maggiori di quelle della matrice pura.  Tali effetti sono più marcati nel caso del sistema PP/argilla rispetto al sistema PP/CNT. Questo comportamento potrebbe essere legato alla geometria delle nanoparticelle nel senso che le lamine di argilla rispetto ai nanotubi possono aumentare la tortuosità del percorso soggetto all’onda sonora. 101

102 102

103 Materiali: compositi a base acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) caricati con 0, 5, 10 e 15% in volume di nanotubi di carbonio. Processo: miscelazione allo stato fuso e formatura per iniezione. Misure di isolamento acustico. 103

104 La transmission loss aumenta con la frequenza e con il contenuto di nanotubi. L’effetto della densità è sicuramente trascurabile. 104

105 Effetto rigidezza Come atteso, la rigidità dei sistemi studiati aumenta con il contenuto di nanotubi di carbonio Questo andamento è simile a quello registrato per la variazione di Transmission Loss (TL). L’aumento di rigidezza del sistema può essere considerata la ragione determinante ai fini del rilevato comportamento acustico dei nuovi materiali. 105

106 106

107 Materiali: compositi a base polipropilene (PP) contenenti 0, 1, 3, 5, 7, 11, 13 e 15% in peso di argilla lamellare. 0,1% in peso di anidride maleica. Processo: basato sull’impiego di solventi. Per la preparazione dei campioni da destinare ai test acustici si è fatto ricorso alla formatura per iniezione. Misure di isolamento acustico eseguite con il metodo del tubo di impedenza con 4 microfoni. 107

108 L’efficienza dell’isolamento acustico aumenta fino al 7% in peso di argilla per poi ridursi dal 9% in poi. 108

109 Anche in questo caso, il comportamento riscontrato non può essere attribuito alla legge di massa. 109

110 110

111 Materiali: compositi a base acrilonitrile-butadiene-stirene (ABS) caricati con 1 e 3% in volume di nerofumo. Processo: miscelazione in solvente e formatura per iniezione. Misure di isolamento acustico. 111

112 112

113 113

114 Materiali: compositi a base polipropilene (PP) contenenti 0.1, 0.5 e 0.7% in peso di nanotubi di carbonio; 0,9, 4.8 e 6.5% in peso di argille e ibridi contenenti entrambe le cariche nelle stesse percentuali in peso. Processo: basato sull’impiego di solventi. Per la preparazione dei campioni da destinare ai test acustici si è fatto ricorso alla formatura per compressione. Misure di isolamento acustico eseguite con il metodo del tubo di impedenza con 4 microfoni. 114

115 Effetto nanotubi di carbonio 115

116 Effetto argille 116

117 Transmission Loss sistemi ibridi 117

118 Sinergia 118

119 Analisi microstrutturale Le concentrazioni di filler impiegato non alterano la struttura cristallina del PP puro 119

120 Indagini morfologiche al TEM Omogenea dispersione e forte adesione dei nanotubi di carbonio e delle lamelle di argilla esaltano l’efficienza in termini di isolamento acustico dei sistemi ternari. 120

121 121

122 Formulazione PU1 – rigido Formulazione PU2 – morbido 122

123 Formulazione composita PU1 – rigido Formulazione composita PU2 – morbido 123

124 124

125 125

126 126

127 LC: Luffa Cylindrica (prodotto spugnoso naturale) 127

128 128

129 129

130 I nanotubi di carbonio migliorano l’assorbimento acustico della spugna PU su tutto l’intervallo di frequenze considerato. Questo effetto, non attribuibile ad un aumento di volume delle celle (indurrebbe una riduzione della dissipazione viscosa), può essere parzialmente attribuito all’evidente spostamento verso frequenze più elevate del picco di assorbimento. Questo shift può essere legato all’aumento di densità della schiuma. L’attività acustica, definita come l’area sottesa alla curva di assorbimento normalizzata sull’intervallo di frequenza, aumenta con il contenuto di nanotubi. Le onde sonore sono assorbite grazie a due meccanismi: conversione per attrito meccanico all’interfaccia filler-matrice per scorrimento interfacciale e comportamento stick-slip e dissipazione diretta in energia termica. 130