14 th CIRIAF National Congress

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1 Perugia, Italy. April 4-5, 2014 Perugia, Italy. April 4-5, th CIRIAF National Congress Energy, Environment and Sustainable Development Materiali ceramici per l assorbimento acustico Amelia Trematerra *, Gino Iannace and Maria Grazia Lupo 1 Dipartimento di Architettura e Disegno Industriale Seconda Università degli Studi di Napoli, Borgo San Lorenzo Aversa (Ce) Italia * Author to whom correspondence should be addressed. amelia.trematerra@unina2.it Abstract: In questo lavoro si riportano i risultati di misure sperimentali del coefficiente di assorbimento acustico eseguite su provini di materiale ceramico, realizzati in modo artigianale. L assorbimento acustico è ottenuto forando in modo opportuno i dischi di materiale ceramico; sono stati realizzati provini con dimensioni dei fori di 2 mm e 5 mm, e spessore di 3,0 cm, 2,0 cm e 0,6 cm. L assorbimento acustico di lastre perforate si basa sul principio dei risuonatori di Helmholtz, i quali, però, sono efficaci solo su strette bande di frequenza, pertanto per rendere il fenomeno dell assorbimento più efficace e ampliare la gamma in frequenza di assorbimento si realizzano pannelli perforati, montati ad una certa distanza da una superficie rigida retrostante. Le misure del coefficiente di assorbimento acustico a incidenza normale sono state eseguite con un tubo ad impedenza (tubo di Kundt) di diametro interno di 10 cm e lunghezza di 56 cm, il campo di validità della misura del coefficiente di assorbimento è compreso nell intervallo 100 Hz 2kHz. Le misure del coefficiente di assorbimento sono state eseguite, per ciascun provino, realizzando una cavità di aria tra il provino e la superficie rigida retrostante, con i seguenti spessori: 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm e 5 cm. Come atteso, a parità di provino, il picco del coefficiente di assorbimento si sposta verso frequenze maggiori al ridursi delle diemnsioni della cavità tra provino e parete rigida retrostante. Keywords: materiale ceramico; tubo di Kundt; coefficiente di assorbimento; incidenza normale. 1

2 14 th CIRIAF National Congress 1. Introduzione In questo lavoro si riportano i risultati di misure sperimentali del coefficiente di assorbimento acustico ad incidenza normale, eseguite su provini forati di materiale ceramico. I provini sono stati realizzati, in modo artigianale, con ceramica proveniente dall essiccazione e relativa cottura di argilla. L assorbimento acustico è ottenuto sfruttando il principio dei risuonatori di Helmholtz, cioè forando in modo opportuno i provini di materiale ceramico. Sono sati realizzati provini con spessore di 3,0 cm, 2,0 cm e 0,6 cm, con dimensioni dei fori di 2 mm, 3 mm, 5 mm e 6 mm e con diverse percentuali di perforazione. L assorbimento acustico di lastre perforate si basa sul principio dei risuonatori di Helmholtz, i quali però sono efficaci solo su strette bande di frequenza, pertanto per rendere il fenomeno dell assorbimento più efficace ed ampliare la gamma in frequenza di assorbimento si realizzano pannelli perforati, montati ad una certa distanza dalla superficie rigida retrostante. I fori realizzati (di opportuno diametro) nel pannello agiscono come una serie di "colli", l aria contenuta in queste aperture, analogamente al risuonatore di Helmholtz, si comporta come una serie di masse connesse ad un unica molla; in funzione del diametro dei fori, della distanza del pannello rispetto alla superficie rigida ed allo spessore del pannello vi sarà una frequenza di risonanza alla quale l assorbimento acustico è massimo. I provini sono stati realizzati in ceramica che è il prodotto ottenuto dalla lavorazione e dall essiccazione dell argilla. L argilla è una sostanza minerale che impastata con acqua genera una massa formabile, adatta a mantenere forma e coesione dopo l essiccamento; la cottura a temperature elevate, circa 1000 C, conferisce al materiale una buona resistenza. Le possibili applicazioni di materiali fonoassorbenti realizzati con ceramica possono derivare da esigenze di carattere estetico o architettonico (la ceramica colorata e smaltata assume un aspetto gradevole) oppure da esigenze di tipo funzionale, poiché, essendo un materiale ignifugo, può essere utilizzato ambienti in cui si raggiungono elevate temperature (ad esempio sale caldaie) ed in cui è necessario effettuare una correzione acustica, inoltre questi materiali potrebbero essere usati per costruire barriere acustiche fonoassorbenti, mentre un altro possibile campo di applicazione è la correzione acustica di ambienti in cui le componenti a bassa frequenza sono preminenti (ad esempio chiese) e l utilizzo di materiali fonoassorbenti tradizionali di tipo poroso è inefficace, e con l impiego di superfici risonanti si può contribuire alla riduzione delle componenti a bassa frequenza indesiderate. Le misure di assorbimento acustico ad incidenza normale sono state eseguite con un tubo ad impedenza (tubo di Kundt) di diametro di 10 cm e lunghezza di 56 cm, il campo di validità della misura del coefficiente di assorbimento è compreso nell intervallo 100 Hz 2.0 khz. Le misure del coefficiente di assorbimento sono state eseguite, per ciascun provino, realizzando una cavità di aria tra il provino e la superficie rigida retrostante, gli spessori delle cavità considerate sono 25 cm, 20 cm, 15 cm, 10 cm e 5 cm. Come atteso, a parità di provino, il picco del coefficiente di assorbimento si sposta verso frequenze maggiori al ridursi delle spessore della cavità tra provino e parete rigida retrostante [1]. 2. Preparazione dei provini I provini di materiale ceramico sono stati realizzati con spessori differenti ma con diametro di 10,0 centimetri, pari alle dimensioni del diametro interno del porta provino in cui sono alloggiati. Durante 2

3 Perugia, Italy. April 4-5, 2014 le lavorazioni iniziali le dimensioni dei provini di argilla sono maggiori rispetto a quelle del prodotto finito, a causa della presenza dell acqua necessaria per la lavorazione del materiale. Gli spessori considerati sono: di 0,6 cm, di 2,0 cm e di 3,0 cm; con dimensioni dei fori di 2 mm, 3 mm, 5 mm e 6 mm e con diverse percentuali di perforazione. L argilla inizialmente è un materiale plastico, facilmente modellabile, ma durante la realizzazione dei provini si è avuta qualche difficoltà ad ottenere la forma circolare, forma che durante l essiccazione è stata mantenuta mediante l uso di strisce di cartone poste sul perimetro dello stesso. La foratura dei dischi è stata realizzata utilizzando un foglio di sughero quadrato su cui è stata disegnata una griglia regolare di punti in corrispondenza dei quali sono stati inseriti dei chiodini senza testa. I provini sono stati realizzati stendendo un pezzo di argilla e con un foglio di sughero, munito di chiodi, è stata compiuta una pressione sul provino medesimo per realizzare i fori a passo regolare, successivamente con l ausilio di un punteruolo i fori sono stati rifiniti. Dopo alcuni giorni di essiccazione all aria i pezzi hanno perso l umidità e la plasticità e si è fissata la forma data. Terminata la fase di essiccazione, durata circa cinque giorni, i pezzi sono stati rifiniti, rendendoli il più possibile lisci, mediante scartavetratura, per facilitarne l alloggiamento nel porta provini e infine cotti in appositi forni alla temperatura di circa 1000 C. Quella della cottura è un processo che dure molte ore ed è una fase molto delicata, poiché repentini cambiamenti di temperatura possono causare la rottura del pezzo. Il pezzo di spessore inferiore ha creato qualche problema poiché a causa del ritiro dovuto alla perdita dell acqua si è leggermente deformato. 3. Misure Acustiche Per la misura del coefficiente di assorbimento acustico ad incidenza normale è stato utilizzato un tubo ad impedenza in accordo con la norma UNI EN ISO Determinazione del coefficiente di assorbimento acustico e dell impedenza acustica in tubi di impedenza Metodo della funzione di trasferimento [2]. Il tubo di misura ha le seguenti dimensioni: diametro interno di 100 mm, lunghezza 560 mm, e la distanza tra i due microfoni 50 mm. Per le dimensioni del tubo, il diametro interno e la distanza tra i due microfoni di misura, il valore del coefficiente di assorbimento ad incidenza normale è valido nell intervallo in frequenza compreso tra i 100 Hz - 2,0 khz (Figura 1). La Figura 2 mostra i provini in uso, di diverso spessore e percentuale di perforazione, mentre la Figura 3 mostra il particolare del provino alloggiato nel porta provino. 4. Analisi dei risultati Per ciascuna tipologia di provino si riportano il funzione della distanza provino - superficie rigida retrostante (cavità) i valori del coefficiente di assorbimento misurati ad incidenza normale in funzione della frequenza. Gli spessori della cavità considerate sono i seguenti: 25 cm, 20 cm, 15 cm e 5 cm. I valori dei coefficienti di assorbimento sono riportati in bande di 1/3 di ottava e per maggiore semplicità di comprensione sono riportati nell intervallo in frequenza da 100 Hz a 1.0 khz. La Tabella 1 riporta in sintesi: la tipologia dei provini, lo spessore, il diametro dei fori e la percentuale di perforazione calcolata come area dei fori rispetto all area totale. 3

4 14 th CIRIAF National Congress Figura 1. Tubo ad impedenza per la misura del coefficiente di assorbimento ad incidenza normale. Figura 2. Provini in ceramica, con diverso spessore e percentuale di perforazione e diametro di 10 centimetri. Figura 3. Particolare del provino in ceramica alloggiato nel porta provino. 4

5 Perugia, Italy. April 4-5, 2014 Tabella 1. Sintesi delle caratteristiche dei provini in uso. N. provino Spessore provino, mm Diametro fori, mm Percentuale di perforazione, % , , , , , , , ,0 Figura 4. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.1 al variare della profondità della cavità (spessore provino 6 mm, diametro fori 2 mm). 5

6 14 th CIRIAF National Congress Figura 5. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.2 al variare della profondità della cavità(spessore provino 6 mm, diametro fori 3 mm).. Figura 6. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.3 al variare della profondità della cavità (spessore provino 6 mm, diametro fori 6 mm). 6

7 Perugia, Italy. April 4-5, 2014 Figura 7. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.4 al variare della profondità della cavità (spessore provino 6 mm, diametro fori 2 mm). Figura 8. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.5 al variare della profondità della cavità (spessore provino 20 mm, diametro fori 2 mm). 7

8 14 th CIRIAF National Congress Figura 9. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.6 al variare della profondità della cavità (spessore provino 20 mm, diametro fori 2 mm). Figura 10. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.7 al variare della profondità della cavità (spessore provino 25 mm, diametro fori 6 mm). 8

9 Perugia, Italy. April 4-5, 2014 Figura 10. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.8 al variare della profondità della cavità (spessore provino 25 mm, diametro fori 3 mm). Figura 11. Andamento del coefficiente di assorbimento del provino N.9 al variare della profondità della cavità (spessore provino 30 mm, diametro fori 5 mm). 9

10 14 th CIRIAF National Congress 5. Conclusioni In questo lavoro si riportano i risultati di misure sperimentali del coefficiente di assorbimento acustico di materiali ceramici sfruttando il principio dei risuonatori acustici. Il coefficiente di assorbimento ad incidenza normale è stato misurato con il tubo di Kundt, e come atteso i valori massimi dei coefficienti di assorbimento si spostano verso le frequenza maggiori al ridursi dello spessore della cavità. Le possibili applicazioni dei materiali fonoassorbenti realizzati con ceramica possono derivare da esigenze di carattere estetico o architettonico oppure da esigenze di tipo funzionale essendo la ceramica un materiale ignifugo e resistente ad elevate temperature. Una possibile scelta della tipologia di mattonella in ceramica perforata per impieghi acustici è funzione del campo di frequenze che si vuole attenuare; per cui la combinazione tra spessore, diametro dei fori e spessore della cavità retrostante consente il raggiungimento dell assorbimento acustico ottimale nella zona delle basse frequenze di interesse. Occorre tenere presente che le misure del valore del coefficiente di assorbimento sono state effettuate con il tubo ad impedenza (tubo di Kundt) e quindi ad incidenza normale, avendo a disposizione piccole superfici del materiale in prova, e non ad incidenza diffusa in camere riverberanti che corrisponde alla condizione più vicina alla realtà; inoltre i provini sono stati realizzati in modo artigianale e non con una produzione in serie. References 1. Shirahatti U.S., Munjal M.L. Acoustic Characterization of Porous Ceramic Tiles. NOISE CONTROL ENGINEERING JOURNAL/January-February UNI EN ISO :2001- Determinazione del coefficiente di assorbimento acustico e dell impedenza acustica in tubi di impedenza Metodo della funzione di trasferimento. 10