Caratteristiche acustiche dei materiali
3 dicembre 2007
Proprietà acustiche dei materiali
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Interazione del suono con la materia
•
Bilancio di energia sonora che incide su
una parete.
•
Il bilancio energetico dell’energia sonora
incidente su di una parete ci permette di
capire quali fenomeni interagiscono nella
propagazione del suono attraverso un
ostacolo.
•
Si trascurano gli effetti di diffrazione che si
hanno quando la parete ha misure
confrontabili con λ/4 dell’onda incidente.
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a + t + r =1
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Materiali: fonoisolanti & fonoassorbenti
Esiste una sostanziale differenza tra un materiale fonoisolante ed uno
fonoassorbente:
Materiale fonoisolante:
Con caratteristiche tali da minimizzare
la potenza sonora trasmessa “Wt”.
Materiale fonoassorbente:
Con caratteristiche tali da minimizzare
la potenza sonora riflessa “Wr”.
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Materiali fonoisolanti: generalità (1)
Considerando un’onda incidente su un pannello si definisce:
• coefficiente di trasmissione:
Wt
t
Wo
come il rapporto tra la potenza sonora trasmessa Wt e quella
incidente Wo.
Il potere fonoisolante “R” del pannello a cui è associato un
coefficiente di trasmissione t risulta:
• potere fonoisolante:
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1 
R  10 log 10  
t 
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(dB)
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Materiali fonoisolanti: generalità (2)
Si possono individuare quatto diverse regioni:
• Regione governata dalla rigidità
del pannello, R cala di 6 dB/ottava.
• Regione di risonanza (frequenze
naturali di risonanza proprie del
pannello).
• Regione governata dalla massa del
pannello, R cresce di 6 dB/ottava.
• Regione di coincidenza (l’effetto della coincidenza riduce il potere di
fonoisolamento del pannello).
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La Legge di Massa
R  20  lg   f   42.5
R  20  lg   f   44.0
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( teorica )
(pratica )
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Potere Fonoisolante (Sound Reduction Index)
•
Il Potere Fonoisolante (R) è definito come:
R  10 Log
•
•
1
t
Se indichiamo con L1 ed L2, vedi figura, i
livelli nell'ambiente dove è presente la
sorgente e nell'ambiente contiguo, con S la
superficie del tramezzo divisorio, allora si
può scrivere, a regime stazionario, il seguente
bilancio energetico:
n
I1St  I 2  ai Si
11
•
cioè che la potenza trasmessa dall’ambiente 1
contenente la sorgente sonora (I1St) sia pari
alla potenza sonora assorbita dalle pareti
presenti nell’ambiente 2. Infine si ottiene la
relazione:
S
R= L1  L2  10Log
 ai Si
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Indice di Valutazione del Potere Fonoisolante
• La curva di riferimento viene fatta scendere, a passi di 1 dB, sinché
la somma degli scarti sfavorevoli risulta inferiore a 32
• A questo punto il valore dell’indice di valutazione, Rw’, si legge sulla
curva di riferimento “posizionata” alla frequenza di 500 Hz.
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Fonoassorbimento = poca riflessione
• Considerando una superficie riflettente di grandi
dimensioni rispetto all’onda sonora, la riflessione del
suono segue le stesse leggi fisiche della riflessione
della luce (Legge di Snell).
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Materiali fonoassorbenti: generalità (1)
Quando la sorgente del disturbo si trova nello stesso locale in cui è
l’ascoltatore, si potrà diminuire il livello sonoro totale (campo diretto più
campo riflesso) principalmente in tre modi:
• riducendo la potenza sonora della sorgente,
• allontanando l’ascoltatore dalla sorgente ( > r),
• riducendo l’energia riflessa dalle pareti di confine. Questo risultato
viene conseguito aumentando l’area equivalente di assorbimento
acustico delle superfici esposte al campo acustico ( > A).
Si ricorda che l’area equivalente di assorbimento acustico A vale:
• A =  i Si
( m2 )
dove Si ed i sono rispettivamente l’area ed il coefficiente di assorbimento
acustico apparente della porzione “i-esima” della superficie che delimita
l’ambiente.
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Materiali fonoassorbenti: generalità (2)
Nell’ipotesi di campo acustico riverberante, il valore dell’attenuazione del
livello sonoro “DL” conseguente alla installazione di materiale
fonoassorbente sulle pareti di confine risulta:
• DL (f) = 10 log (A2/ A1)
(dB)
dove 1 e 2 indicano i valori prima e dopo il trattamento acustico delle
pareti.
In funzione del diverso comportamento acustico al variare della frequenza i
materiali fonoassorbenti sono in genere classificati in:
a) materiali porosi,
b) risuonatori acustici,
c) pannelli vibranti,
d) sistemi misti.
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Materiali fonoassorbenti: materiali porosi (1)
Comportamento
L’assorbimento acustico è determinato dalla conversione in calore
dell’energia meccanica trasportata dall’onda incidente attraverso fenomeni
di attrito che si sviluppano all'interno delle cavità che caratterizzano questi
materiali.
L’assorbimento acustico  dipende da:
• lunghezza d’onda del suono incidente,
• rapporto tra il volume dei vuoti e quello totale,
• spessore del materiale
Osservazioni
il valore di  aumenta con la frequenza, con il valore del rapporto densità
apparente-densità reale, con lo spessore dello strato di materiale (basse
frequenze)
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Materiali fonoassorbenti: materiali porosi (2)
• Il valore di  aumenta con la frequenza, con
lo spessore dello strato di materiale (basse
frequenze)
• Le modalità di installazione influenzano
la curva di assorbimento acustico. In
vicinanza della parete si forma un’onda
stazionaria che presenta valore nullo della
velocità acustica in corrispondenza alla
parete stessa e valore massimo a /4.
velocità max  max dissipazione della
energia sonora in calore  max
assorbimento acustico.
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Materiali fonoassorbenti: risuonatori acustici (1)
Comportamento
Un risuonatore acustico può essere schematizzato come una cavità
comunicante con l’esterno attraverso un foro praticato su di una parete non
troppo sottile, che prende il nome di “collo del risuonatore”.
Quando un’onda sonora colpisce
l’ingresso del risuonatore, se le
dimensioni della cavità sono abbastanza
piccole rispetto al valore della
lunghezza d’onda e se le dimensioni del
collo sono piccole rispetto a quelle della
cavità, l’aria in esso contenuta si
comporta come un pistone oscillante,
mentre quella contenuta nella cavità
costituisce l’elemento elastico del
sistema.
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Materiali fonoassorbenti: risuonatori acustici (2)
La frequenza di risonanza del risuonatore risulta:
c
f0  0
2
r2
 

V l  
 2r 
Hz 
Dove c0 è la velocità di propagazione del suono nel mezzo (m/s), r e l il raggio e
la lunghezza del collo del risuonatore (m), V il volume della cavità (m3).
Si consideri un suono incidente:
• se f  f0 la velocità delle particelle d’aria
contenute
nel
collo
assume
valori
particolarmente elevati e l’effetto dei fenomeni
dissipativi raggiunge il suo massimo con
conseguente assorbimento della energia sonora.
• se f  f0 l’onda sonora non esercita nessuna
influenza sul risuonatore che risulta pertanto un
assorbitore fortemente selettivo
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Materiali fonoassorbenti: pannelli vibranti
Comportamento
Sono costituiti da pannelli rigidi piani, disposti parallelamente e ad
una certa distanza dalla parete. Il sistema può essere assimilato ad
una massa oscillante (il pannello) accoppiata ad un elemento elastico
dotato di un certo smorzamento (l’aria racchiusa nella
intercapedine).
La frequenza di risonanza del pannello
vibrante risulta:
60
f0 
(d )
dove  è la densità superficiale del pannello (Kg/m2) e d la distanza
del pannello dalla parete (m).
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Materiali fonoassorbenti: sistemi misti
Comportamento
Solitamente un sistema misto è
costituito da lastre rigide (metallo,
legno, gesso, ecc.) sulla cui
superficie vengono praticati fori di
diversa forma e dimensione, fissate
ad una certa distanza dalla parete.
L’intercapedine, che costituisce la
cavità di una molteplicità di
risuonatori tra loro comunicanti,
può essere o no riempita con
materiale poroso.
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