ACUSTICA DEGLI SPAZI
CONFINATI
FERRARA 10 aprile 2014 - Ordine degli Architetti
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
d+r+t=1
r=Wr/Wi
t=Wt/Wi
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
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.
FONOISOLAMENTO
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.
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.
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.
FONOISOLAMENTO
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
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%
100%
30%
60%
10%
10%
100%
60%
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
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
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.
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.
PROPRIETÀ ACUSTICHE
ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - EFFETTO DELLO SPESSORE
PROPRIETÀ ACUSTICHE
ASSORBIMENTO PER POROSITA’ - EFFETTO DISTANZA DALLA PARETE
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
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
Edilizia
Fibra poliestere
20÷40
10÷60
Edilizia, trasporti,
industria
Feltro
varie
20÷100
Trasporti,
elettrodomestici
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
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
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
PROPRIETÀ ACUSTICHE
ASSORBIMENTO PER POROSITA’
Coefficienti di assorbimento per alcuni materiali porosi in funzione della frequenza
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.
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
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
PROPRIETÀ ACUSTICHE
ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - EFFETTO % FORATURA
PROPRIETÀ ACUSTICHE
ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - ESEMPI
PROPRIETÀ ACUSTICHE
ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI CAVITA’ - ESEMPI
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.
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.
PROPRIETÀ ACUSTICHE
ASSORBIMENTO PER RISONANZA DI MEMBRANA
Il picco di assorbimento si registra in corrispondenza della
frequenza di risonanza del risuonatore.
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.
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)
ing. Alberto Asquini
[email protected]
www.aircarve.com
Ordine degli Architetti
Ferrara - 10 aprile 2014