ELEMENTI ED APPLICAZIONI DI ACUSTICA 07

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1 I.U.A.V. Architettura: Tecniche e Culture del Progetto Primo Semestre a.a. 2018/2019 PROGETTAZIONE AMBIENTALE Prof. Piercarlo Romagnoni 07

2 ACUSTICA ARCHITETTONICA

3 ACUSTICA ARCHITETTONICA ACUSTICA ARCHITETTONICA PRESTAZIONI DELL EDIFICIO DAL PUNTO DI VISTA ACUSTICO. FONO-ASSORBIMENTO RUMOROSITA DEI LOCALI INTELLEGGIBILITA DEL PARLATO FONO-ISOLAMENTO INGRESSO DEI RUMORI ESTERNI RUMOROSITA TRA ABITAZIONI PERMANENZA DEL SUONO ADEGUATA ALLA DESTINAZIONE D USO

4 FONOASSORBIMENTO E FONOISOLAMENTO FONOASSORBIMENTO E FONOISOLAMENTO Prestazioni legate alle strutture dell edificio: Stratigrafie Materiali in spessore Materiali delle superfici esposte al suono FONOISOLAMENTO: indica la capacità di un certo materiale, pacchetto costruttivo, elemento, di impedire la trasmissione dell energia sonora. FONOASSORBIMENTO: indica la capacità di un certo materiale, pacchetto costruttivo, elemento, oggetto d arredo, ecc. di trattenere parte dell energia sonora che incide sulla sua superficie senza rifletterla.

5 FONOASSORBIMENTO E FONOISOLAMENTO FONOASSORBIMENTO FONOISOLAMENTO Fonoassorbimento e fonoisolamento sono fenomeni diversi Operare per garantire il corretto fonoassorbimento di un ambiente e per creare il giusto isolamento comporta scelte diverse Il fonoassorbimento si misura in metri quadri di finestra aperta, perché una finestra aperta è il miglior fonoassorbente, allo stesso tempo è il peggior fonoisolante: tutto il suono passa attraverso la struttura E possibile comunque lavorare contemporaneamente su entrambi i temi, realizzando strutture con superfici idonee al fonoassorbimento e stratigrafie funzionanti allo scopo del fonoisolamento

6 FONOASSORBIMENTO RIVERBERAZIONE

7 ASSORBIMENTO, RIFLESSIONE, TRASMISSIONE S I I I T I R I A L energia sonora che incide sulla superficie S si divide in tre componenti: una parte viene riflessa dalla superficie, una parte viene assorbita ed una parte trasmessa oltre il materiale/pacchetto COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO COEFFICIENTE DI TRASMISSIONE COEFFICIENTE DI RIFLESSIONE α = I A I I τ = I T I I ρ = I R I I Per il principio di conservazione dell energia le tre componenti in cui si divide I I sommate dovranno nuovamente dare I I : I A + I T + I R = I I I I α + I I τ + I I ρ = I I I I (α + τ + ρ) = I I α + τ + ρ = 1

8 ASSORBIMENTO DEL SUONO L onda sonora che incide su una superficie può essere in parte riflessa, in parte assorbita ed in parte trasmessa. Se il suono è una composizione di toni a più frequenze l entità di assorbimento, riflessione e trasmissione cambia a seconda della frequenza. L assorbimento avviene mediante diversi meccanismi: 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.

9 ASSORBIMENTO PER POROSITA DEL MATERIALE Una delle principali caratteristiche che determina la capacità di un materiale di assorbire l energia acustica è la sua POROSITA. L energia sonora penetra nelle porosità del materiale e per attrito viene in parte dissipata. La dissipazione dell energia grazie alla porosità del materiale dipende molto dalla frequenza dell onda sonora incidente: più è elevata la frequenza, e di conseguenza corta l onda sonora, più il materiale poroso sarà efficace, fino a risultare quasi inutile per le basse frequenze. Definiamo fisicamente porosità il rapporto tra il volume dei pori ed il volume totale del materiale. Sperimentalmente si può determinare come rapporto di massa del materiale poroso e della massa che avrebbe lo stesso materiale senza porosità. H = 1 M ρv [%] Ad esempio per un materiale: Volume, V=2m 3 Massa, M=5 kg H = 1 5 8x2 = = % Densità, ρ=8 kg/m 3 :

10 RESISTENZA AL FLUSSO RESISTENZA AL FLUSSO salto di pressione che subisce l aria nell attraversare un materiale diviso per lo spessore di tale materiale la velocità di attraversamento del materiale R f = p d u [Rayls] Δp: salto di pressione dell aria alle due facce del materiale, Pa d: spessore del materiale attraversato, m u: velocità di attraversamento del materiale, m/s dipende dalla densità e dall elasticità del materiale.

11 POROSITA E RESISTENZA AL FLUSSO Più il materiale è poroso e più permette all onda di penetrare al suo interno. Maggiore è la resistenza al flusso e migliore è il dissipamento di energia: Δp è direttamente proporzionale a R f. Se la resistenza al flusso però è eccessiva il materiale riflette troppo il suono. Bisogna equilibrare le due caratteristiche. 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.

12 COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO Il FONOASSORBIMENTO aumenta con l aumentare della frequenza e dello spessore del materiale poroso. Dai Hz in poi, con spessori di almeno 5 cm, il FONOASSORBIMENTO è elevato, almeno 0,5.

13 ASSORBIMENTO PER POSIZIONE DEL PANNELLO In corrispondenza della superficie di riflessione Δp=0. Il massimo di variazione di pressione, e dunque il massimo effetto fonoassorbente si avrà ad una distanza di π/4 dalla superficie. λ = c f f = Hz f = 125 Hz λ = = 0,17m λ 4 = ,25cm λ = = 2,74m λ 4 = ,5cm

14 ASSORBIMENTO SELETTIVO DI UNA FREQUENZA DISTUBANTE: IL RISUONATORE DI HELMOLTZ

15 ASSORBIMENTO SELETTIVO DI UNA FREQUENZA DISTUBANTE: IL RISUONATORE DI HELMOLTZ Il FONOASSORBIMENTO dato dal cosiddetto risuonatore di Helmoltz è selettivo di una precisa frequenza f 0 ma sostanzialmente è inefficace non appena ci si allontana da tale frequenza. E una soluzione impiegabile per correggere un difetto acustico legato al perdurare di una precisa frequenza, nota f 0 si può infatti dimensionare il risuonatore. f 0 = c 0 2π V c S a l + 16d 3π [Hz]

16 ASSORBIMENTO SELETTIVO DI UNA FREQUENZA DISTUBANTE: PANNELLI VIBRANTI f r = 60 md [Hz] m: massa frontale del pannello, kg/m 2 d: distanza tra pannello e parete retrostante, m

17 AMPLIAMENTO DELLA FREQUENZA ASSORBITA Pannelli e Risuonatori di Helmoltz elevato assorbimento ma molto selettivo: per una banda molto ristretta Rivestimento materiale poroso l'intercapedine del pannello o la cavità del risuonatore Si amplia la banda di azione del sistema. Si abbassa il potere assorbente in corrispondenza della frequenza di risonanza.

18 CONFRONTO TRA I DIVERSI MECCANISMI ASSORBENTI

19 CONFRONTO TRA I DIVERSI MECCANISMI ASSORBENTI

20 COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO INDICATIVO DEL MATERIALE FONOASSORBIMENTO DI UN MATERIALE VARIA Altro Porosità Resistenza al Flusso Posizione di Installazione Frequenza del Suono Incidente IL COEFFICIENTE NRC (NOISE REDUCTION COEFFICIENT) In un unico numero prima indicazione comportamento del materiale alle frequenze mediane NRC = α α α α

21 COEFFICIENTI DI ASSORBIMENTO DI ALCUNI MATERIALI NRC = α α α α NRC = 0,04+0,07+0,06+0,06 4 =0,057

22 COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO APPARENTE I I I R I I (α + τ + ρ) = I I α + τ + ρ = 1 S I T I A α + Coefficiente di assorbimento apparente α 0,01 < α < 1 α = 1 tutto il suono che incide sulla superficie è assorbito, come se passasse attraverso una finestra aperta a = Sα [m 2 ] ASSORBIMENTO O POTERE FONOASSORBENTE DELLA PARETE DI SUPERFICIE S

23 POTERE FONOASSORBENTE, ASSORBIMENTO MEDIO PIU SUPERFICI DIVERSI COEFFICIENTI DI ASSORBIMENTO SI PUO CALCOLARE ASSORBIMENTO TOTALE a = α i S i = α m S TOT α m = σ α i S i S TOT COEFFICIENTE DI ASSORBIMENTO MEDIO MEDIA PESATA DEI POTERI FONOASSORBENTI DELLE SUPERFICI RISPETTO ALLA SUPERFICIE TOTALE

24 LIVELLO SONORO IN UN LOCALE Sorgente sonora emette in un ambiente chiuso Si generano riflessioni intensità maggiore o minore a seconda dell assorbimento generato dalle superfici interne. Il livello di energia sonora interno alla stanza cresce con il moltiplicarsi delle riflessioni. Ad un certo punto viene raggiunta la condizione di regime. MINORE E L ASSORBIMENTO, MAGGIORE E IL LIVELLO SONORO A REGIME

25 RIFLESSIONE SONORA In prima approssimazione le onde sonore si possono considerare alla pari di raggi rettilinei fuoriuscenti dalla sorgente e si può ammettere una riflessione speculare ossia l uguaglianza dell'angolo di incidenza e di quello di riflessione. Sorgente L'onda riflessa da una superficie si propaga come se avesse origine da una sorgente virtuale situata in posizione simmetrica alla sorgente reale rispetto alla superficie di riflessione. Sorgente Sorgente Sorgente Sorgente Virtuale

26 TEMPO DI RIVERBERAZIONE DL p 60 db livello di pressione [db] Quando cessa l emissione sonora della sorgente diminuisce il livello sonoro della stanza perché l energia si dissipa per attrito nell aria ma soprattutto per l assorbimento delle superfici. Minore è l assorbimento delle superfici e più è lenta la diminuzione del livello sonoro. livello di regime spegnimento sorgente accensione sorgente tempo [s] RT 60 TEMPO DI RIVERBERO RT 60 Capire quando il rumore cessa completamente dall interruzione dell emissione è una questione soggettiva che dipende dalla sensibilità dell ascoltatore; il tempo di riverbero misura allora il tempo che trascorre dall interruzione dell emissione sonora della sorgente fino alla diminuzione del livello di regime di 60 db

27 TEMPO DI RIVERBERAZIONE FORMULA DI SABINE Il tempo di riverberazione di un ambiente è calcolabile con una formula derivata dalla sperimentazione di laboratorio e definita da Wallace Clement Sabine. FORMULA DI SABINE RT 60 = 0,161 V V = 0,161 [s] σ α i S i S TOT α m V: volume dell ambiente, m 3 S: superficie riflettente, m 2 α m = σ α is i S TOT Condizioni di validità : ambiente di forma abbastanza regolare, senza partizioni tre dimensioni principali della sala vicine tra loro sorgente in posizione baricentrica coefficienti di assorbimento delle superfici simili tra loro e non troppo elevati scarso assorbimento dell aria

28 TEMPO DI RIVERBERAZIONE FORMULE ALTERNATIVE La formula di Sabine nasce da prove empiriche tradotte in formula teorica. Altri ricercatori hanno sviluppato formule alternative alla formula di Sabine, che rimane la più nota. RT 60 = 0,161V S ln 1 α m [s] FORMULA DI NORRIS-EYRING: Permette di teorizzare un tempo di riverbero nullo in caso di assorbimento totale delle superfici: α m =1 RT 60 = 0,161V S ln 1 α m + 4aV [s] ASSORBIMENTO DELL ARIA: Questa formula, definito a il coefficiente di assorbimento dell aria, permette di considerarne l effetto quando quest ultimo è un fattore condizionante, ad esempio nei grandi spazi.

29 TEMPO DI RIVERBERAZIONE OTTIMALE TEMPO DI RIVERBERAZIONE LUNGO INTENSITA SONORA MAGGIORE ASCOLTO PIU NATURALE PARLATO MENO COMPRENSIBILE sovrappone la fine di una parola con l inizio della successiva I valori nel grafico sono validi per frequenze da 500 Hz in poi, per frequenze inferiori una correzione che da risultati accettabili è: +20% a 250 Hz, +40% a 125 Hz TEMPO DI RIVERBERAZIONE OTTIMALE A Hz RT 60Ott 1000Hz = j 1 j2 V [s] j1 j2 Parola 0,3-0,4 6-9 Musica Leggera 0,5-0,6 6-9 Musica per organo 0,7-0,8 6-9

30 TEMPO DI RIVERBERAZIONE OTTIMALE

31 ECO Se una riflessione sonora giunge al ricevitore con un ritardo di 100 ms rispetto al suono diretto, e con un intensità sufficiente, si verifica il fenomeno dell eco. s = c x t s = 343 x 0,1 = 34,3 m S d1 R d3 d 2 + d 3 d 1 34,3 m ECO d2 Tempo di ritardo: ms: rinforzo del suono d2 d ms: effetto Haas S d1 R ms: near Eco 100 ms: Eco

32 COSTANTE D AMBIENTE E LIVELLO DI PRESSIONE SONORA AL RICEVITORE IN UN AMBIENTE CHIUSO COSTANTE D AMBIENTE R comportamento dell ambiente in termini di assorbimento del suono R = α ms 1 α m [m2] α m = σ α i S i σ S i Nota la costante d ambiente R è possibile calcolare il livello di pressione sonora al ricevitore in un ambiente chiuso. Componente diretta Q L P = L W + 10 log 4πr R Componente riverberata L W : Livello di Potenza sonora della sorgente, db Q : fattore di direttività della sorgente r : distanza tra sorgente e ricevitore, m

33 COSTANTE D AMBIENTE E LIVELLO DI PRESSIONE SONORA AL RICEVITORE IN UN AMBIENTE CHIUSO

34 COSTANTE D AMBIENTE E LIVELLO DI PRESSIONE SONORA AL RICEVITORE IN UN AMBIENTE CHIUSO

35 TIPOLOGIE DI CAMPI SONORI Livello di pressione sonora, L [db] p Livello di pressione sonora, L [db] p Livello di pressione sonora, L [db] p Livello di pressione sonora, L [db] p Livello di pressione sonora, L [db] p Livello di pressione sonora, L [db] p Campo sonoro Andamento della pressione sonora in funzione della distanza Andamento della pressione sonora in funzione del tempo suono diretto Campo libero o anecoico Distanza, d [m] Tempo, [s] suono diretto Campo semianecoico suono riflesso Distanza, d [m] Tempo, [s] Campo riflesso o riverberante campo sonoro diretto campo sonoro riflesso sorgente stazionaria decadimento (interruzione della sorgente) Distanza, d [m] Tempo, [s]

36 CAMPI SONORI Quando le sole onde sonore presenti sono quelle direttamente irradiate dalla sorgente si parla di campo sonoro libero; esso è comunque un astrazione, anche all aperto infatti sono presenti fenomeni di riflessione legati se non altro alla presenza del suolo. Il campo sonoro conseguente alla presenza delle sole onde sonore direttamente irradiate dalla sorgente è detto campo sonoro diretto. In un ambiente chiuso oltre al contributo delle onde sonore dirette, per la presenza di fenomeni di riflessione, diffrazione e interferenza si stabilisce il cosiddetto campo sonoro riverberato. Quando la densità di energia in un tale campo assume in regime di emissione stazionario un valore costante in tutto lo spazio si parla di campo diffuso, anche questa condizione è a rigore un astrazione.

37 INTELLEGGIBILITA DEL PARLATO METODO DI PEUTZ METODO DI PEUTZ stima dell INTELLEGGIBILITA DEL PARLATO in una sala perdita percentuale di comprensione delle consonanti %AL cons = 200d2 T 60 VQ d: distanza sorgente ricevitore (m) T 60 : tempo di riverberazione (s) V: volume dell ambiente (m 3 ) Q: fattore di direttività della sorgente Partendo dalla sorgente per le distanze considerate si calcola l intelleggibilità con la formula del Metodo di Peutz. Si può allora tracciare un diagramma in pianta ed in sezione delle curve che individuano le aree di pari intelleggibilità.

38 REQUISITI ACUSTICI FONDAMENTALI Requisiti essenziali di un ambiente destinato all ascolto di parole o musica sono i seguenti: buon livello sonoro: almeno 45 db; presenza dell effetto Haas (prime riflessioni percepite entro 35 ms dal suono diretto); assenza di difetti acustici (eco, flutter, ecc.); assenza di distorsione o sbilanciamento tonale (causato da assorbimenti di entità diversa nelle diverse bande dello spettro sonoro); omogenea distribuzione spaziale del suono; tempo di riverberazione vicino a quello ottimale per la specifica destinazione d uso del locale o in ogni caso inferiore ad esso; limitato rumore di fondo.

39 ESEMPIO: ANALISI ACUSTICA DI UNA SALA L2 = 20 m H = 6 m PARETE 1 H = 2 m d = 12 m PARETE 3 SOFFITTO Q=1 Parete 1,2,3: Intonaco S Parete 4: Vetro R1 PAVIMENTO PARETE 2 Pavimento in piastrelle Soffitto intonacato R2 SORGENTE LW 125Hz = 62 db LW 250Hz = 64 db S PARETE 4 L1 = 30 m d = 20 m LW 500Hz = 67 db LW 1000Hz = 70 db LW 2000Hz = 68 db LW 4000Hz = 63 db

40 ESEMPIO: ANALISI ACUSTICA DI UNA SALA L2 = 20 m H = 6 m PARETE 1 d = 12 m PARETE 3 Q=2 S R1 SOFFITTO PAVIMENTO PARETE 2 Parete 1,2,3: Intonaco Parete 4: Vetro Pavimento in legno su assi Soffitto in cartongesso appeso SORGENTE R2 LW 125Hz = 62 db LW 250Hz = 64 db S d = 20 m LW 500Hz = 67 db LW 1000Hz = 70 db LW 2000Hz = 68 db LW 4000Hz = 63 db PARETE 4 L1 = 30 m

41 ESEMPIO: ANALISI ACUSTICA DI UNA SALA L2 = 20 m H = 6 m PARETE 1 d = 12 m PARETE 3 SOFFITTO Parete 1,2,3: Intonaco Q=2 S R1 PAVIMENTO PARETE 2 Parete 4: Vetro Pavimento in legno su assi Soffitto in cartongesso appeso Elementi assorbenti l = 16 m h = 1 m SORGENTE R2 LW 125Hz = 62 db LW 250Hz = 64 db S PARETE 4 L1 = 30 m d = 20 m LW 500Hz = 67 db LW 1000Hz = 70 db LW 2000Hz = 68 db LW 4000Hz = 63 db

42 ELEMENTI ED APPLICAZIONI DI ACUSTICA GRAZIE PER L ATTENZIONE