Fabio Peron. Materiali e sistemi per assorbire il suono. Materiali porosi fonoassorbenti

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1 Acustica 3 6 Lezioni di acustica. Materiali e componenti per l acustica Fabio Peron Università IUAV - Venezia Materiali e sistemi per assorbire il suono Per assorbire l energia sonora presente in un ambiente si ricorre all utilizzo di sistemi fonoassorbenti; ovvero dei sistemi con coefficienti di assorbimento elevati. Questi sistemi sono riconducibili a tre categorie: Assorbitori per Porosità ossia materiali fonoassorbenti Assorbitori per Risonanza in Cavità (risuonatori di Helmoltz) Pannelli Vibranti Tali sistemi possono essere combinati tra loro per ottenere prestazioni migliori. 2 Materiali porosi fonoassorbenti L assorbimento sonoro L entità dell assorbimento del suono in un materiale dipende dalle sue caratteristiche costitutive. L assorbimento dell energia sonora in ogni caso avviene conseguentemente ai seguenti fenomeni: sulla superficie che viene messa in vibrazione e disperde energia per attrito; con il moto dell aria nei pori con conseguente attrito sulle pareti dei pori e attrito viscoso nel fluido; anche la deformazione del pannello globalmente che viene messo in vibrazione porta ad una dispersione di energia; la deformazione nei materiali resilienti porta a dispersione di energia per frizione molecolare. Il generale si può affermare che: quanto più un materiale è impermeabile all aria e rigido tanto più si avvicina al comportamento di un riflettore ideale. viceversa all aumentare della sua porosità e flessibilità aumenta pure la sua capacità di assorbire l energia sonora. Intuitivamente si può dedurre che i materiali fonoassorbenti sono essenzialmente materiali con elevata porosità. 3 4

2 Caratterizzazione dei materiali Caratterizzazione dei materiali Il coefficiente di assorbimento acustico apparente di un elemento di superficie S e è definito come rapporto tra la potenza sonora non riflessa (dissipata all interno dell elemento e trasmessa attraverso di esso) e la totale potenza sonora incidente. Coefficiente di assorbimento Coefficiente di trasmissione Coefficiente di riflessione α + ρ + τ = 1 α = τ = ρ = w w d i wt wi wr wi α = W I WR WD + W = W W I I T 5 6 Coefficiente di assorbimento Coefficiente di assorbimento Il materiale poroso per essere assorbente deve permettere all'onda sonora di penetrare con facilità nella sua struttura e creare l attrito interno in grado di disperdere energia sotto forma di calore. Per permettere all onda di penetrare è necessario avere alta porosità e bassa resistenza al flusso. Per ottenere maggior attrito e dissipazione al contrario è necessario aumentare la resistenza al flusso anche se così facendo aumenta nello stesso modo l energia riflessa direttamente indietro sulla superficie del materiale. I due parametri fisici da cui dipende la capacità di assorbire l energia acustica di un materiale sono la porosità elaresistenza al flusso. Porosità, H, è il rapporto tra il volume dei pori ed il volume totale del materiale ed è in genere rilevata sperimentalmente: M H = 1 V ρ con M, massa del materiale [kg]; V, volume del materiale [m 3 ]; ρ densità del materiale privo di porosità [kg/m 3 ]. Una soluzione è quella di aumentare la porosità (oltre il 50% è però comunque inutile) lasciando bassa la resistenza al flusso; questa tecnica costringe però a utilizzare spessori notevoli di materiale. I materiali porosi con elevato coefficiente di assorbimento acustico presentano una resistenza al flusso compresa tra una e due volte l impedenza acustica caratteristica a 20 C dell aria ρc 0 = 415 Pa s/m. La resistenza al flusso, Rf, è un parametro che indica la maggiore o la minore difficoltà che incontra l'aria per attraversare un materiale: Δp kg R f = Rayl v 2 s m Δp, caduta di pressione tra le due facce del campione in esame [N/m 2 ]; v, velocità dell'aria che impatta sul campione [m/s];

3 Caratterizzazione dei materiali Caratterizzazione dei materiali Misura coefficiente di assorbimento in camera riverberante Misura coefficiente di assorbimento con Tubo a onde piane (tubo di Kundt) α = s = 55.3V 4V ( m2 m1 ) S c2t2 c1t 1 S ( A A ) LABACUS DII UNIPD Tubo a onde piane Laboratorio Fisica Tecnica IUAV 9 10 Caratterizzazione dei materiali Caratterizzazione dei materiali Misura resistenza al flusso Misura coefficiente di assorbimento Test interlaboratorio σ = Rs d = Δp q v d TUBO ONDE PIANE CAMERA RIVERBERANTE 11 12

4 Materiali fonoassorbenti Assorbimento e spessore I materiali porosi sono attivi su uno spettro ampio ma sono efficaci alle frequenze medio-alte. L interazione tra onda acustica e materiale è più intensa dove i moti delle particelle di fluido che accompagnano il propagarsi dell onda sono più intensi. Sulla superficie solida i moti e la pressione sonora sono sempre nulli i massimi di pressione e di velocità si hanno alla distanza λ/4 e a multipli di essa. Si ha un aumento del coefficiente di assorbimento alle basse frequenze con l aumento dello spessore Coefficiente di assorbimento medio Coefficiente di assorbimento e frequenza In corrispondenza delle partizioni che delimitano un ambiente (pareti perimetrali, pavimento, soffitto ) l energia acustica viene assorbita. L assorbimento in un ambiente chiuso dipende dal comportamento acustico delle singole superfici che costituiscono l involucro. Il coefficiente di assorbimento medio è definito come il rapporto tra il prodotto di ogni superfice i-esima di materiale e relativo coefficiente di assorbimento α i e la superficie totale S TOT : Siα i α = S La sommatoria del prodotto tra α i e S i è definita Assorbimento complessivo: TOT A = S α [ m i i 2 ] Noise reduction coefficient NRC: parametro sintetico che da un idea del comportamento del materiale si tratta della media aritmetica dei coefficienti di assorbimento delle bande di frequenza di 250, 500, 1000 e 2000 Hz. α ( 250) + α(500) + α(1000) + α(2000) NRC = 4 Permette di confrontare velocemente le prestazioni dei diversi materiali fonoassorbenti. 15

5 Materiali fonoassorbenti Materiali fonoassorbenti I materiali assorbenti sono largamente utilizzati nel trattamento acustico degli ambienti per ridurre l energia sonora riverberata. La scelta del materiali dipende da vari fattori: Durata Il deterioramento dovuto all umidità, ai fumi e alle polveri può influenzare sia l aspetto che le caratteristiche fisiche Combustibilità In quasi tutte le applicazioni è richiesta l infiammabilità o, perlomeno, la capacità di autoestinzione Lavabilità Pittura Resistenza meccanica Estetica Assorbimento acustico Per alcuni tipi di materiali è necessario che il rivestimento possa essere lavato Utile per poter rinnovare l aspetto estetico qualora logorato dal tempo. Tale caratteristica deve essere eventualmente specificata dal costruttore Le superfici devono garantire un adeguata robustezza superficiale. È il caso tipico delle pareti laterali delle sale mensa o degli ambienti di lavoro Favorire la scelta di materiali adatti all ambiente nel quale sono installati allo scopo di conferire un aspetto gradevole Dati di bibliografia o forniti direttamente dal produttore (valori di assorbimento nelle bande d ottava comprese tra 125 e Hz) Effetto area Effetto area: corpi sospesi La capacità di agire di un materiale fonoassorbente può variare in base alla sua distribuzione e posizionamento in una stanza. Dei pannelli assorbenti assorbiranno più energia sonora se posizionati a scacchiera piuttosto che in modo uniforme. Questa variazione è dovuta alla diffrazione dell energia sonora attorno ai perimetri dei pannelli spaziati tra loro e all assorbimento addizionale dei loro bordi

6 Baffles, corpi sospesi Baffles, corpi sospesi Risuonatori di Helmoltz: assorbimento per risonanza Risuonatori di Helmoltz: assorbimento per risonanza Gli assorbitori per risonanza in cavità (risonatori di Helmoltz) sono delle cavità con un foro Ad una determinata frequenza di risonanza f n risuonano dissipando energia sonora. 24

7 Risuonatori di Helmoltz: assorbimento per risonanza Assorbimento con pannelli vibranti Gli assorbitori a pannello vibrante sono costituiti da pannelli solidi posti ad una determinata distanza da un supporto rigido che vibrano ad una determinata frequenza di risonanza f n La vibrazione del pannello dissipa energia sonora incidente in coincidenza della frequenza di risonanza f n Assorbimento con pannelli vibranti Sistemi risonanti misti: pannelli vibranti - forati La frequenza di risonanza dipende dalla massa e dallo spessore dell intercapedine d aria tra il pannello e il supporto rigido. 60 f n = md [Hz] m d 27 28

8 Sistemi risonanti misti: pannelli vibranti - forati Sistemi risonanti: allargamento della banda di assorbimento I pannelli e i risuonatori presentano un elevato assorbimento per un banda molto ristretta. Rivestendo con materiale poroso l'intercapedine del pannello o la cavità del risuonatore si amplia la banda di azione del sistema. Di contro però si abbassa il potere assorbente in corrispondenza della risonanza Confronto tra sistemi assorbenti Confronto tra sistemi assorbenti 31 32

9 Diffusori Diffusori di Shroeder Diffusori di Shroeder Diffusori di Shroeder Sono dei dispositivi sulla presenza uno vicino all altro di elementi parallelepipedi di diversa altezza che creano una topografia frastagliata con buche e rilievi. Per essere efficaci gli spessori consequenziali sono determinati dalla sequenza dei residui quadratici. Lo spessore più alto è determinato dalla lunghezza d onda più grande da diffondere. La larghezza delle buche è circa mezza lunghezza d onda della più piccola lunghezza d onda che dev essere diffusa Si possono costruire diffusori a banda larga che agiscono su diverse bande. Si realizzano delle superficiditipofrattale, ossia in ogni elemento c è una serie di elementi sempre più piccoli che agiscono su frequenze più grandi 35 36

10 Diffusori di Shroeder Diffusori di Shroeder Diffusori curvilinei Diffusori curvilinei 39 40

11 Applicazioni Applicazioni Applicazioni Applicazioni Il sistema maggiormente impiegato per la correzione acustica di un ambiente è la realizzazione di un controsoffitto fonoassorbente. Alluminio PVC Gesso Fibre minerali 43 44