Associazione Italiana di Acustica 42 Convegno Nazionale Firenze, 16-17 luglio 2015 MATERIALI ASSORBENTI: CONFRONTO TRA LE MISURE ACQUISITE CON IL TUBO DI IMPEDENZA E LE MISURE ESEGUITE CON UNA SONDA MICROFONICA Andrea Cerniglia (1), Carola Aratari (2), Ilaria Quarantelli 1) ACCON Italia Srl, Pavia 2) Aratari, Novate Milanese 3) Tecnasfalti, Carpiano 1. Introduzione L idea alla base del presente contributo è la ricerca di possibili correlazioni tra le misurazioni effettuate con un tubo di impedenza standard e le misurazioni effettuate per mezzo di una sonda microfonica inserita all interno del materiale assorbente; lo studio ha inoltre contemplato il confronto tra due diverse tipologie di materiale in funzione della frequenza e dello spessore dei provini; in particolare sono stati provati pannelli in fibra di poliestere con densità costante pari a 17 kg/m 3, e pannelli in fibra di poliestere con densità variabile in funzione della profondità, e densità media di circa 20 kg/m 3. 1.1 Setup per le misure di impedenza La misure di impedenza sono state effettuate per mezzo del tubo SCS902B e del relativo software. I test hanno interessato 6 provini di materiale con spessore pari a 2, 4, 6, 8, 10 ed 11 centimetri per il materiale a densità costante, e 2,4,6,8,10 e 11.5 centimetri per il materiale a densità variabile. La figura 1 mostra il tubo di impedenza ed i provini di materiale a densità variabile. Nel materiale a densità variabile, il lato a densità maggiore è stato sempre rivolto verso l altoparlante. I risultati ottenuti con il tubo di impedenza sono espressi in termini di α (coefficiente di assorbimento acustico). 1
Figura 1 Tubo di impedenza e provini materiale a densità variabile 1.2 Setup per le misure con sonda microfonica Per le misure all interno del materiale è stata utilizzata la sonda microfonica Brüel & Kjær 4182, collegata all alimentatore microfonico Brüel & Kjær 2804 ed al fonometro Larson & Davis 831. Anche in questo caso, per il materiale a densità variabile, il lato a densità maggiore è stato posizionato in direzione della sorgente sonora. La figura mostra gli strumenti impiegati per le misurazioni e la sonda microfonica inserita all interno del pannello assorbente. Figura 2 Strumentazione impiegata e sonda inserita nel materiale Il test con la sonda microfonica è stato eseguito irradiando il pannello con rumore bianco per mezzo di un altoparlante situato ad 1 metro di distanza, mentre le misure sono state eseguite sulla faccia irradiata ed all interno del materiale a passi di 1 centimetro dalla superficie irradiata. Il materiale è stato sagomato in un pannello quadrato di 1.5 metri di lato, e le misure sono state effettuate sia con il pannello appoggiato ad un muro, sia con il pannello in aria, ossia lontano da superfici riflettenti. Le misure all interno del materiale sono espresse in termini di Lp (livello di pressione sonora). 2
2. Risultati Tutti i risultati mostrati sono presentati sia in funzione della frequenza sia in funzione dello spessore del materiale. 2.1 Misure con il tubo d impedenza La figura 3 mostra α in funzione della frequenza per diversi spessori di provino a densità costante, mentre la figura 4 mostra le stesse informazioni per il provino a densità variabile. Figura 3 provino a densità costante, α vs frequenza per diversi spessori tubo Figura 4 provino a densità variabile, α vs frequenza per diversi spessori tubo Come prevedibile, le prove hanno dimostrato che l assorbimento acustico aumenta proporzionalmente con lo spessore del provino. In particolare, all aumentare dello spessore del provino, il campo di frequenze assorbite si estende verso il basso. Poiché l effetto di assorbimento acustico aumenta con la velocità delle particelle, l assorbitore ha la massima efficacia ad una distanza pari a λ / 4 dalla superficie riflettente, ossia dove è possibile trovare la massima velocità delle particelle. 3
Questo comportamento è evidente nei grafici dove ogni curva raggiunge il suo massimo alla frequenza la cui lunghezza d onda è pari a circa 4 volte lo spessore del provino. Il confronto tra le figure 3 e 4 mostra che il coefficiente α dei provini a densità variabile è maggiore di quello dei provini a densità costante, ed i picchi di assorbimento vengono traslati verso le basse frequenze. Il materiale a densità variabile è stato sviluppato con il metodo delle impedenze in serie [1], identificando il gradiente di densità ottimale in funzione dello spessore. Il lato a densità maggiore, più vicino alla sorgente sonora, incrementa l assorbimento alle frequenze medie, tipiche della voce umana. La figura 5 mostra α in funzione dello spessore per diverse frequenze nel caso del provino a densità costante, mentre la figura 6 mostra le stesse informazioni nel caso del provino a densità variabile. In pratica la matrice di dati risulta qui trasposta rispetto alle figure precedenti. Figura 5 provino a densità costante, α vs spessore per diverse frequenze tubo Figura 6 provino a densità variabile, α vs spessore per diverse frequenze tubo Dai grafici mostrati è possibile vedere come le frequenze più basse (ad esempio sotto i 500 Hz) non vengono dissipate nel materiale. A partire da 500 Hz, invece, il provino comincia ad assorbire energia. La frequenza di 500 Hz è meglio assorbita dal provino 4
con spessore 12 cm, la frequenza di 1000 Hz dal provino con spessore di 8 centimetri, mentre la frequenza di 2000 Hz ha il suo primo massimo (relativo) a 4 centimetri, quindi α continua a crescere perché il provino lavora anche sui multipli delle frequenze più basse (armoniche). La frequenza di 4000 Hz è ben assorbita anche dai provini di spessore ridotto. Ancora una volta viene rimarcato il miglior comportamento del provino a densità variabile. 2.2 Misure con sonda microfonica in campo libero contro superficie riflettente La figura 7 è relativa al pannello a densità costante e mostra, in funzione della frequenza, la differenza tra il livello di pressione Lp misurato sulla superficie rivolta verso la sorgente sonora e quello misurato all interno del materiale. La figura 8 riporta le medesime informazioni per il materiale a densità variabile. Le distanze indicate si intendono tra la faccia del materiale appoggiata contro il muro, e la posizione di inserimento della sonda microfonica. Figura 7 provino a ρ costante, Lp normalizzato per diverse dist. del muro free Figura 8 provino a ρ variabile, Lp normalizzato per diverse dist. del muro free 5
La curva relativa alla distanza di 4 centimetri ha il suo massimo Lp a 1000 Hz, perché qusta frequenza ha il massimo assorbimento 8 centimetri all interno del materiale (ossia misurati dalla superficie esterna). I picchi di massimo Lp traslano verso le basse frequenze al diminuire della distanza. La figura 9 è relativa al pannello a densità costante e mostra, in funzione della distanza dalla superficie contro il muro, la differenza tra il livello di pressione Lp misurato sulla superficie rivolta verso la sorgente sonora e quello misurato all interno del materiale. La figura 10 riporta le medesime informazioni per il materiale a densità variabile. Le distanze indicate si intendono tra la faccia del materiale appoggiata contro il muro, e la posizione di inserimento della sonda microfonica. Figura 9 provino a ρ costante, Lp normalizzato per diverse frequenze free Figura 10 provino a ρ variabile, Lp normalizzato per diverse frequenze free Le prove dimostrano che le frequenze basse, al di sotto di 500 Hz, non vengono affette dal campione. Oltre i 500 Hz i grafici mostrano picchi in Lp ad una distanza dal muro che cresce al diminuire della frequenza. E da notare che i picchi alle frequenze più alte sono probabilmente affette da un errore di aliasing dovuto al campionamento spaziale insufficiente: la tendenza risulta comunque evidente. Nei campioni di densità variabile, l'ampiezza delle curve rappresenta maggiore assorbimento all'interno del materiale. 6
Da 500 Hz in poi le curve mostrano un numero crescente di punti stazionari, ossia dove la derivata vale zero. Si è verificato che vi sono circa altri due punti stazionari per ogni raddoppio di frequenza. 2.3 Misure con sonda microfonica in campo libero con differenti configurazioni La figura 11 (densità costante) e la figura 12 (densità variabile) mostrano la differenza di livello di pressione sonora misurato all interno del pannello per due differenti configurazioni: pannello in aria e pannello contro superficie riflettente. Figura 11 provino a ρ costante, differenza di Lp contro il muro e Lp in aria free Figura 11 provino a ρ variabile, differenza di Lp contro il muro e Lp in aria free Le prove hanno evidenziato che frequenze basse sono completamente insensibili al materiale assorbente poiché la differenza nel livello Lp misurato è risultata costante; in altri termini emerge che i livelli dipendono esclusivamente dalla configurazione prescelta, e decrescono con la distanza: i provini sono quindi acusticamente trasparenti sia per l onda diretta, sia per l onda riflessa. Per lunghezze d onda più piccole, con picco di velocità a λ /4 compreso almeno una volta all interno del materiale (frequenza inferiore 500-1000 Hz), la differenza di Lp tra le due condizioni risulta essere considerevole. L'ampiezza dei valori massimi e minimi in queste curve sono legati al coefficiente α, e la loro occorrenza all'interno dei campioni è legata alla riflessione delle onda acu- 7
stica contro la parete, che causa un incremento o decremento di pressione sonora in funzione della presenza di nodi e ventri. 3. Conclusioni Le prove condotte hanno dimostrato che, quando il materiale viene posto contro una superfice riflettente, la misurazione della pressione acustica all'interno del campione è rappresentativa del comportamento dell'onda acustica. I diversi diagrammi riportati nella memoria hanno efficacemente descritto, in modo qualitativo, la relazione tra la caratterizzazione effettuata per mezzo del tubo di impedenza e tramite la misurazione "in situ". Nella configurazione con i pannelli contro superficie riflettente, le prove hanno confermato quanto atteso circa il comportamento dei picchi di assorbimento in funzione della frequenza. I risultati ottenuti hanno inoltre suggerito l opportunità di un affinamento delle misure in situ al fine di minimizzare possibili errori di aliasing, specialmente alle frequenze più elevate. Le prove effettuate hanno anche evidenziato l opportunità di incrementare sia il numero di punti di prova all interno del materiale, sia le bande di frequenza considerate. Nelle prove eseguite non si è tenuto conto dell effetto isolante dei pannelli e dell effetto bordo. Il confronto tra il comportamento del materiale a densità costante ed il materiale a densità variabile, ha mostrato che il gradiente di densità consente migliori prestazioni e maggiori valori di α. Nel materiale a densità variabile è stato inoltre rilevato che il picco di assorbimento viene traslato verso le frequenze più basse rispetto allo stesso spessore di materiale a densità costante, e che il suo valore medio aumenta. 4. Bibliografia 1 Barbati C., Lenti M.G., Ottimizzazione delle caratteristiche acustiche interne degli ambienti mediante pannelli in fibra di poliestere a gradiente di densità calibrato, II Convention Nazionale gruppo GAE AIA Firenze, Italy, 13 December (2010) 2 Cerniglia A., Aratari C., Quarantelli I., Comparison and correlation between measurements on absorbing materials taken by means of impedance tube and probe microphone, ICSV22 Florence 12-16 July 2015 (Original paper) 8