IMPIEGO DELL'INTENSIMETRIA ACUSTICA PER LA VERIFICA E L'OTTIMIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DI COMPONENTI EDILIZI

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1 Convention Nazionale del Gruppo di Acustica Edilizia L acustica edilizia in Italia: esperienze e prospettive Ferrara marzo 2009 IMPIEGO DELL'INTENSIMETRIA ACUSTICA PER LA VERIFICA E L'OTTIMIZZAZIONE DELLE PRESTAZIONI DI COMPONENTI EDILIZI Francesco Asdrubali, Giorgio Baldinelli, Francesco D Alessandro CIRIAF, Centro Interuniversitario di Ricerca sull Inquinamento da Agenti Fisici, Facoltà di Ingegneria, Università di Perugia 1. Introduzione Il rumore proveniente dall ambiente esterno si trasmette all interno degli edifici attraverso le superfici dell involucro e trova delle vie preferenziali di trasmissione attraverso le componenti meno resistenti al passaggio delle onde sonore, che vanno così ad influenzare la prestazione globale dell involucro edilizio. Ogni singolo componente che costituisce la facciata di un edificio può essere caratterizzato nel suo complesso attraverso il valore del potere fonoisolante R secondo la norma UNI EN ISO [1] e dell indice del potere fonoisolante R W secondo la norma UNI EN ISO [2]. E tuttavia possibile analizzare più in profondità il comportamento dei componenti di involucro costruendo delle mappe acustiche attraverso la misurazione dei livelli di intensità sonora. Ciò permette di localizzare le fughe sonore e, in generale, di avere una visione più dettagliata delle prestazioni dei singoli componenti, consentendo a progettisti ed installatori di ottimizzarne le prestazioni. Nel presente lavoro, dopo una breve descrizione del metodo e della strumentazione di misura, sono riportati alcuni casi di studio derivanti dai risultati relativi a estese campagne intensimetriche realizzate presso le camere riverberanti accoppiate del Laboratorio di Acustica dell Università di Perugia su finestre, porte e cassonetti per l alloggiamento degli avvolgibili [3, 4, 5, 6]. 2. Il metodo intensimetrico Le modalità di esecuzione delle prove intensimetriche sono riportate nelle norme UNI EN ISO [7] e [8]. Come noto, l intensità sonora istantanea si definisce come il vettore che si ottiene moltiplicando il valore della pressione sonora istantanea (che è uno scalare) per il vettore velocità istantanea delle particelle: r r I r, t = p r, t u r, t [W/m²] (1) ( ) ( ) ( ) MAT5 pag.1

2 Tale grandezza fornisce, in ogni punto del campo, una stima dell ampiezza e della direzione del flusso istantaneo dell energia meccanica totale, per unità di area, associata al fenomeno ondulatorio. Tuttavia la metodologia di misura, standardizzata nella norma UNI EN ISO [7], non prevede in uscita il valore istantaneo del vettore I (r, t ), bensì la componente I n del valor medio di tale grandezza, valutata lungo la normale ad una superficie di misura opportunamente predefinita. Questa ipotetica superficie deve racchiudere il provino (che può in generale essere una sorgente di rumore o un elemento di edificio) in modo tale da inglobarlo completamente. Le sonde intensimetriche sono in grado di misurare proprio I n ; essendo dotate di due trasduttori di pressione non possono misurare direttamente la velocità u, che è invece richiesta per determinare i valori istantanei per il calcolo dell intensità media. Per superare questo inconveniente si sfrutta il legame fra la pressione p e la velocità u, tramite l equazione di Eulero, che integrata ed esplicitando il gradiente di pressione lungo la direzione normale n fornisce: u n ( t) 1 = ρ 0 t p n ( t) dt [m/s] (2) Sviluppando l espressione di tale gradiente si otterrebbe una somma di due termini: uno reale, in fase con la pressione sonora, e uno immaginario, in quadratura con essa. Tali parti rappresentano rispettivamente il campo sonoro attivo ed il campo sonoro reattivo. La media temporale dell intensità sonora riferita al campo attivo è un vettore non nullo, che rappresenta in ogni punto del campo il flusso netto dell energia, avente direzione sempre ortogonale ai fronti dell onda acustica, mentre la media temporale dell intensità sonora riferita al campo reattivo è un valore nullo, che non contribuisce al trasferimento netto dell energia, ma provoca delle oscillazioni locali intorno a ciascun punto. In realtà la sonda intensimetrica permette di misurare una differenza finita di pressioni tra i due microfoni posti ad una distanza prefissata d e non un gradiente come definito nella (2): tale ipotesi porta ad errori che possono essere minimizzati utilizzando i distanziatori tra i microfoni più adatti alle lunghezze d onda sonora in gioco. In fase di misura, le operazioni da eseguire sul campione per la definizione delle mappe dei livelli di intensità sonora sono piuttosto complesse; una volta posizionato il campione sulla parete di divisione delle camere riverberanti, le operazioni possono essere così schematizzate (nel caso di misurazione per punti discreti): 1. rilevazione della temperatura e dell umidità relativa all interno delle camere di prova in diversi momenti dell esecuzione della prova; 2. collocazione della sorgente nella camera emittente in una posizione stabilita; 3. collocazione della griglia (fig. 1) davanti al campione di prova; la griglia permette di visualizzare materialmente i punti di misura; 4. effettuazione delle verifiche prescritte dalla norma UNI EN ISO [8] ed in particolare della verifica di stazionarietà e del controllo di calibrazione; 5. definizione di un ordine dei punti di misura; 6. immissione nella camera emittente di rumore bianco; 7. collocazione della sonda intensimetrica nel punto di misura e misurazione; 8. ripetizione dell operazione 7 per tutti i punti della griglia secondo l ordine fissato; 9. visualizzazione dei risultati: livello di intensità, L I ; livello di pressione, L P e livello di potenza, L W ; 10. definizione delle mappe dei livelli di intensità sonora L I. MAT5 pag.2

3 Figura 1 - Esempio di collocazione della griglia per la visualizzazione dei punti di misura 3. Misure su finestre Di seguito si riportano due esempi nei quali le misure intensimetriche hanno permesso di evidenziare alcuni errori di posa in opera compiuti nell installare i campioni di infissi da testare. Nel primo caso (fig. 2), dall analisi della mappa dei livelli di intensità sonora acquisiti in prossimità del campione di infisso, sono stati individuati dei livelli non trascurabili di intensità sonora localizzati soprattutto nel lato destro della zona di connessione telaio - muratura di sostegno cassonetto aeratore Figura 2 - Mappa dei livelli di intensità sonora prima delle operazioni di miglioramento della posa in opera; primo campione. La legenda a destra riporta il livello in db di intensità sonora MAT5 pag.3

4 Dal confronto con i progettisti dell infisso e con gli installatori, si è optato per una nuova posa in opera dell infisso con un miglioramento della connessione telaio - muratura di sostegno e si è eseguita una successiva sessione di misura. Analizzando gli andamenti del potere fonoisolante (fig. 3) si riscontra un miglioramento costante di R pari a 1-2 db in tutto il campo di frequenze esaminate a partire da 300 Hz: questo è confermato anche dal valore di R W che passa da 39 db per la prima sessione di misura a 40 db per la seconda R w = 40 db R [db] R w = 39 db I sessione II sessione Frequenza [Hz] Figura 3 - Confronto tra l'andamento del potere fonoisolante prima e dopo le operazioni di miglioramento della posa in opera; primo campione. Dall analisi della mappa dei livelli di intensità sonora (fig. 4) misurati successivamente all intervento di miglioramento della connessione telaio - muratura di sostegno si può notare come l effetto precedentemente sottolineato diventi pressoché trascurabile. Il secondo esempio riguarda un campione di infisso antirumore, che, a differenza di quello analizzato in precedenza, non presenta il cassonetto per l avvolgibile, che solitamente è il componente più critico cassonetto aeratore Figura 4 - Mappa dei livelli di intensità sonora dopo le operazioni di miglioramento delle posa in opera; primo campione. La legenda a destra riporta il livello in db di intensità sonora. MAT5 pag.4

5 Le prime misure di livelli di pressione hanno fornito dei valori insolitamente bassi per R e R W (pari a 38 db); per questo motivo è stata eseguita una sessione di misure intensimetriche, i cui risultati, sotto forma di mappa dei livelli di intensità sonora, sono mostrati in fig Figura 5 - Mappa dei livelli di intensità sonora; secondo campione. La legenda a destra riporta il livello in db di intensità sonora. Come si vede in figura, sono ben evidenti delle fughe sonore localizzate in particolare nell angolo superiore sinistro del campione, nella zona di contatto anta - telaio. Da un indagine dimensionale sull infisso, è stata riscontrata una difformità sulla lunghezza delle ante; queste ultime, risultando di dimensioni minori a quanto previsto in fase progettuale, generavano una battuta sul telaio insufficiente di 6 mm complessivi e ciò causava una non perfetta aderenza al telaio, con conseguente generazione di una via preferenziale per la propagazione del rumore. In seguito alla sostituzione dell anta con un altra di dimensioni ottimali, è stata eseguita una nuova campagna di misure del potere fonoisolante R: in fig.6 è riportato il confronto tra gli andamenti del potere fono isolante prima e dopo la modifica R w = 41 db R [db] 30.0 R w = 38 db I sessione II sessione Frequenza [Hz] Figura 6 - Confronto tra l'andamento del potere fonoisolante prima e dopo le operazioni di miglioramento della posa in opera; secondo campione. MAT5 pag.5

6 Il miglioramento nelle prestazioni in termini di potere fonoisolante R è valutabile in 2-4 db in tutto l intervallo di frequenze esaminate. Anche per ciò che riguarda R W si vede come questo passi da 38 db per la prima sessione di misura a 41 db per la seconda, evidenziando la bontà dell intervento eseguito. 4. Misure su porte Per quanto concerne l analisi effettuata su porte in legno, prive di componenti trasparenti, si riportano i risultati relativi al confronto fra una porta a due ante ed una a singola anta, costruite con gli stessi materiali. Il test realizzato sulla porta a due ante (fig. 7) ha evidenziato particolari criticità in prossimità del raccordo far le due ante; tale fenomeno è messo in luce principalmente dall analisi intensimetrica che mostra valori elevati dell intensità sonora proprio in detta zona. La fig. 8 riporta le mappe dell intensità sonora per la porta valutate per cinque bande di frequenza in terzi d ottava d interesse (800, 1000, 2000, 2500 e 3150 Hz). L effetto della giunzione è concentrato particolarmente nell intervallo di frequenze compreso tra 1000 e 2000 Hz, dove si nota un evidente decremento del potere fonoisolante della porta; tale perdita è visibile in maniera molto chiara dalle mappe intensimetriche riportate in fig. 8 (in particolare quella per la banda di frequenze con centro a 2000 Hz), dove si notano valori del livello di intensità sonora molto elevati sia presso la giunzione che nella zona della battuta inferiore. La ripetizione della prova sul campione a singola anta (fig. 9) conferma la bontà delle previsioni, con un incremento dell indice del potere fonoisolante di 4 db; l analisi intensimetrica (fig. 10) convalida l assenza di ponti acustici (da notare che la scala utilizzate nelle figg. 8 e 10 è la stessa) R (db) Potere Fonoisolante R curva di riferimento secondo ISO TRASLATA curva di riferimento secondo ISO Frequenza (Hz) Figura 7 - Immagine del campione di una porta a due ante con relativo andamento del potere fonoisolante. MAT5 pag.6

7 Figura 8 - Analisi intensimetrica della porta a due ante a diverse frequenze. La legenda a sinistra riporta il livello in db di intensità sonora R (db) Potere Fonoisolante R curva di riferimento secondo ISO TRASLATA curva di riferimento secondo ISO Frequenza (Hz) Figura 9 - Immagine del campione di una porta a singola anta con relativo andamento del potere fonoisolante. MAT5 pag.7

8 Figura 10 - Analisi intensimetrica della porta a una anta a diverse frequenze. La legenda a sinistra riporta il livello in db di intensità sonora. 5. Misure su cassonetti per alloggiamento degli avvolgibili Lo studio effettuato su cassonetti per l alloggiamento di avvolgibili ha mostrato i risultati più interessanti sulla capacità dell analisi intensimetrica di individuare le perdite in corrispondenza delle giunzioni. Uno stesso campione con isolamento in polistirene (fig. 11) è stato analizzato in assenza e in presenza di sigillature in silicone. L effetto della sigillatura porta ad un miglioramento dell indice del potere fonoisolante fino a 10 db (fig. 12); tale effetto è mostrato anche in fig. 13, dove sono riportate le mappe del livello di intensità sonora globale (mediato sull intero intervallo di frequenze tra 200 e 5000 Hz per le due configurazioni). Figura 11 - Interno del cassonetto oggetto della misura, con isolamento in polistirene. MAT5 pag.8

9 Si può notare che, sigillando tutte le aperture, si ottiene una significativa riduzione dei livelli di intensità sonora; inoltre, il picco di emissione si sposta dalla parte inferiore (dove è installata la parte mobile del cassonetto) alla zona superiore, evidenziando come sia risolta la criticità del passaggio del rumore attraverso le giunzioni. Sound insulation [db] sample A8 (Rw = 38 db) sample A9 (Rw = 48 db) difference A9-A frequency [Hz] Figura 12 - Andamento del potere fonoisolante per i due cassonetti oggetto dell analisi (a) Figura 13 - Mappe intensimetriche dei cassonetti senza sigillatura (a) e con sigillatura siliconica (b). La legenda a destra riporta il livello in db di intensità sonora. L area tratteggiata individua la posizione del cassonetto (b) MAT5 pag.9

10 6. Conclusioni La valutazione delle prestazioni acustiche di un componente di facciata è comunemente condotta attraverso la misura (o la stima) dell indice del potere fonoisolante R W, secondo la norma UNI EN ISO [2]. Tale indicatore a singolo numero, senz altro efficace per una valutazione di sintesi della prestazione acustica complessiva, non è di aiuto allorquando si voglia ottimizzare la prestazione di un componente di facciata, specialmente di quelli più deboli quali infissi, porte, cassonetti per avvolgibili, aeratori. In questi casi, soprattutto nelle fasi di messa a punto di prototipi o di ottimizzazione di nuovi prodotti, può essere di grande aiuto l analisi intensimetrica. Le estese campagne sperimentali condotte negli ultimi anni presso il Laboratorio di Acustica dell Università di Perugia hanno mostrato le potenzialità della costruzione di mappe intensimetriche per valutare in dettaglio le prestazioni acustiche di componenti di facciata ed evidenziare in alcuni casi una non perfetta posa in opera e in altri un dimensionamento non adeguato di qualche parte o componente. 7. Bibliografia 1) UNI EN ISO 140-3, Acustica. Misurazione dell'isolamento acustico in edifici e di elementi di edificio. Parte 3: misurazione in laboratorio dell'isolamento acustico per via aerea di elementi di edificio, ) UNI EN ISO 717-1, Acustica. Valutazione dell'isolamento acustico in edifici e di elementi di edificio. Parte 1: isolamento acustico per via aerea, ) F. Asdrubali, C. Buratti, G. Baldinelli, Investigation on the performances of high sound insulation ventilating windows, Proc. Inter-noise 2004, Prague, Czech Republic, ) F. Asdrubali, C. Buratti: Sound intensity investigation of the acoustics performances of high insulation ventilating windows integrated with rolling shutter boxes, Applied Acoustics, 46 (9), (2005). 5) F. Asdrubali, G. Pispola, Acoustical optimization of a roller blind box, Proc. ICSV13, Vienna, Austria, ), A. Pontiggia, Prestazioni acustiche di infissi antirumore: influenza delle modalità di posa, 6 Congresso Nazionale CIRIAF, Perugia, ) UNI EN ISO , Acustica. Misurazione mediante intensità sonora dell'isolamento acustico in edifici e di elementi di edificio. Misurazione in laboratorio, ) UNI EN ISO Acustica. Determinazione dei livelli di potenza sonora delle sorgenti di rumore mediante il metodo intensimetrico. Misurazione per punti discreti, MAT5 pag.10