Materiali per l acustica: caratteristiche e proprietà Docente: Andrea Romani, Ingegnere - Acoustic Designer Email: info@andrearomani.it Mob: +39.329.89.11.982 Web: www.andrearomani.it
ACUSTICA Alcuni settori AMBIENTALE EDILIZIA ARCHITETTONICA INDUSTRIALE Rumore in ambiente esterno: Antropico/attività commerciali Stradale Ferroviario impiantistico Isolamento acustico delle strutture Protezione dal rumore tra ambienti interni Protezione dal rumore proveniente dall esterno e impiantistico Risposta acustica di un ambiente chiuso Assorbimento acustico Tempi di riverberazione Altri parametri acustici Ma in realtà l acustica è UNA e i diversi ambiti si mescolano sempre tra loro! Grandi sorgenti impiantistiche: Propagazione in ambiente interno e verso l esterno protezione dei lavoratori e della popolazione
Il Tecnico Competente o meglio, il progettista acustico Visto l ampio campo di azione, il Tecnico Competente deve avere una preparazione ACUSTICA eterogenea per orientarsi al meglio nei diversi ambiti. Deve inoltre acquisire conoscenze in svariati settori, non propriamente acustici, per riuscire a comprendere le problematiche che si trova ad affrontare, come ad esempio: Matematica Costruzioni Impianti: tipologie e modalità operative Meccanica Elettrotecnica Trasmissione dei segnali audio/video Elettroacustica Giuridico.ed ogni giorno di nuovi..molto spesso si trova anche a fare da confessore/psicologo del Cliente ;P
Il Tecnico Competente o meglio, il progettista acustico Nella maggior parte dei casi, non è sufficiente estrarre il dato e confrontarlo con la norma tecnica o legge di riferimento, ma è importante analizzare il complesso dei fattori che hanno condotto ad un risultato in modo critico ed analitico. Purtroppo (o per fortuna) non esistono due lavori uguali nel nostro ambito! Accade molto spesso (solo in Italia!) che veniamo chiamati a mettere le toppe, dunque a rimediare a situazioni che potevano essere esaminate in principio al progetto. Quei fattori che, per motivi economici o di non conoscenza sono stati sottovalutati in fase di progettazione, costituiscono in fase di esercizio grosse limitazioni per l esercizio dell attività, dalla piccola attività commerciale, alla grande struttura alberghiera, teatro, ecc ecc Il BUON SENSO prima di tutto!
Il Tecnico Competente o meglio, il progettista acustico Tutti i metodi di analisi acustica si basano su due tipologie di «misura» Il calcolo teorico previsionale E una stima ed in quanto tale è affetta da incertezza La verifica sul campo E il dato «oggettivo» che valuta la buona riuscita degli interventi Non dobbiamo dimenticare che anche la fase di verifica è affetta da incertezze dovute a: Strumentazione utilizzata Condizioni ambientali Operatore Il nostro scopo è quello di effettuare le verifiche in modo da garantire il più possibile la RIPETIBILITA della misura e dunque la certezza del dato. Un fattore fondamentale da analizzare e tenere come riferimento principale in una progettazione è la DESTINAZIONE D USO!
Assorbimento, riflessione e trasmissione 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 L energia sonora che incide sulla superficie S si divide in tre componenti: una parte riflessa dalla superficie, una parte assorbita e dissipata sotto forma di calore una parte trasmessa oltre il materiale/pacchetto alle strutture collegate 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
Assorbimento, riflessione e trasmissione Assorbimento acustico Controllo del suono all interno di un ambiente (tempo di riverberazione, campo diretto, campo riflesso, propagazione) Isolamentoacustico Controllo del passaggio di suoni/rumori tra due o più ambienti (non necessariamente attigui)
La trasmissione del suono La trasmissione del suono può avvenire in due modi per via aerea: il suono emesso dalla sorgente si propaga nell aria fino ad incontrare l elemento di separazione tra i due ambienti che, entrando in vibrazione, trasmette energia sonora al ricettore. L elemento di separazione in questo caso si comporta come un mezzo passivo. Le sue proprietà condizionano la trasmissione del suono e, conseguenza, possono permetterne anche il controllo. per via strutturale: Il suono viene generato dall urto di due corpi solidi, di cui uno è l elemento di separazione tra i due ambienti. In questo caso, l elemento di separazione, sollecitato meccanicamente, genera rumore verso il ricettore, comportandosi quindi in modo attivo, essendo esso stesso la sorgente di rumore.
La trasmissione del suono Isolamento acustico (D) NoiseReduction: Differenza (in decibel) dei livelli di rumore misurati nella stanza sorgente e nella stanza ricevente. Questa grandezza dipende quindi dalle caratteristiche delle stanze in cui vengono effettuate le misure, come le loro dimensioni e la capacità di assorbire il suono. Potere fonoisolante (R) Transmission Loss: E una caratteristica intrinseca della struttura, indipendente dalle dimensioni e dalle caratteristiche dei locali. Questa grandezza risulta quindi utile per il confronto diretto delle caratteristiche di varie pareti.
ISOLAMENTO ACUSTICO L isolamento acustico (D) rappresenta il livello di attenuazione al rumore fornito da un elemento di edificio inserito tra due ambienti. Il valore si calcola in maniera banale misurando la differenza tra i livelli di rumore presenti nei due locali, a seguito dell attivazione di una sorgente di rumore. D = L L L 1 : livello medio di pressione sonora nell ambiente emittente, in db L 2 : livello medio di pressione sonora nell ambiente ricevente, in db
ISOLAMENTO ACUSTICO Isolamento acustico normalizzato rispetto all assorbimento equivalente D n D = D 10 log db A: area di assorbimento equivalente dell ambiente ricevente, in mq A 0 : area di assorbimento equivalente di riferimento per appartamenti, assunta pari a 10 mq Isolamento acustico normalizzato rispetto al tempo di riverbero D nt D = D 10 log db T: tempo di riverberazione nell ambiente ricevente, in secondi T 0 : tempo di riverberazione di riferimento per appartamenti, assunto pari a 0,5 sec
POTERE FONOISOLANTE La capacità di un ostacolo di impedire la trasmissione del suono è definita POTERE FONOISOLANTE dell ostacolo. La quantità di suono trasmesso oltre l ostacolo, che nel nostro caso sarà una parete, una finestra, una porta, ecc. sarà inversamente proporzionale al POTERE FONOISOLANTE dell elemento. Tale relazione si può scrivere, considerando il coefficiente di trasmissione: Il coefficiente di trasmissione e, di conseguenza, il potere fonoisolante, dipendono dalla frequenza f del suono incidente. Ovviamente «non esistono» suoni composti da una sola frequenza!!!!!
POTERE FONOISOLANTE L ostacolo (parete, porta, finestra) dovrà essere CONTINUO, ovvero non presentare PONTI ACUSTICI al passaggio del suono. Il potere fonoisolante dipende da: angolo d incidenza suono frequenza del suono differenza ρc (resistenza acustica del mezzo) del mezzo di propagazione e della parete su cui il suono incide (che sarà un secondo mezzo di propagazione) proprietà del materiale costituente l ostalo: densità, Modulo di Young, velocità flessionale, ecc ecc Ne consegue che la scelta dei materiali in acustica è MOOOOLTO IMPORTANTE!!!
Assorbimento acustico e materiali assorbenti L assorbimento acustico: Condiziona il comportamento acustico di ogni ambiente Regola l energia associata al suono diretto e a tutte le riflessioni Determinante in termini di riverberazione e intensità totale del campo acustico Assorbimento acustico: in aria poco rilevante in piccoli spazi; può essere determinante solo in grandi ambienti ad elevate frequenze delle superfici determinante ai fini della risposta all impulso dell ambiente 14
Assorbimento acustico e materiali assorbenti L assorbimento acustico: È dipendente dalla frequenza!!! Varia drasticamente da un materiale a un altro!!! La scelta dei materiali, la loro applicazione e le modalità di installazione sono determinanti al fine dell ottenimento del comportamento acustico voluto dell ambiente! Le proprietà assorbenti dei materiali vengono quantificate attraverso il coefficiente di assorbimento acustico frazione di energia sonora che viene assorbita da un materiale α = 0 α = 1 Energia completamente riflessa Energia completamente assorbita 0 < α < 1 15
Assorbimento acustico e materiali assorbenti Il principio fisico alla base dell assorbimento acustico è la conversione dell energia sonora incidente in calore. Questo avviene in maniera differente in relazione a tipologia e struttura dell elemento assorbente. I tre meccanismi fondamentali di assorbimento sono: per porosità per risonanza di cavità per risonanza di membrana 16
Parametri fisici dei materiali porosi/fibrosi I materiali porosi sono caratterizzati da forme geometriche complesse (esempio: lane minerali) Vengono rappresentati come un mezzo continuo, con proprietà medie, distribuite uniformemente nello spazio. Porosità (h p ) = volume occupato dai pori/ volume totale I materiali che assorbono il suono con efficacia hanno porosità tra il 90% e il 95%!!! Fattore di struttura (adimensionale) = influenza della forma geometrica della struttura del materiale sulla propagazione dell onda acustica. E determinato dai pori e dalle cavità perpendicolari alla direzione di propagazione dell onda Resistività al flusso = difficoltà con cui il materiale si lascia attraversare da un flusso d aria. Il suo valore deve essere ottimizzato in modo che non sia così grande che le onde acustiche non possano penetrare il materiale, né così piccolo che esse non incontrino quell attrito necessario a far dissipare energia 17
Utilizzo dei materiali porosi λ = 4d c/f = 4d f = c/4d In questo caso d = spessore del materiale Velocità massima dell onda sonora In questo caso d = spessore del materiale + intercapedine I materiali porosi sono efficienti per l assorbimento delle alte frequenze. Per agire su una determinata frequenza ed estendere l effetto a frequenze medie posso posizionare il materiale poroso a distanza nλ/4 dalla parete (n = numero intero dispari). Esempio: Materiale poroso con d = cm 5 f = c/4d = 344/4*0,05 = 344/0,2 = 1720 Hz Posizionando lo stesso pannello a 15 cm dalla parete ottengo: f = c/4d = 344/4*(0,05 + 0,15) = 344/0,8 = 430 Hz 18
Effetto dello spessore del materiale assorbente 19
Effetto dello spessore del materiale assorbente Effetto della variazione di spessore e densità sull assorbimento acustico dei materiali (lana minerale) Spessore costante Densità costante α rimane praticamente costante! α subisce notevoli variazioni
Densità modale in una cavità 21
Rigidità dinamica E un indicatore della proprietà di un materiale di smorzare una forza che eccita perpendicolarmente la sua superficie. s = MN/m F: forza dinamica perpendicolare al materiale S: superficie del provino Δd: variazione dinamica dello spessore del materiale quando viene eccitato è il parametro fondamentale che caratterizza le guaine anticalpestio di un pavimento galleggiante. Si ricorre al pavimento galleggiante: per ridurre il LIVELLO DI RUMORE DA CALPESTIO tra due ambienti sovrapposti per ridurre le trasmissione strutturale verso le pareti
Rigidità dinamica Perchè un materiale fibroso come il cotone non è la soluzione migliore per realizzare l'isolamento acustico di un pavimento? Semplicemente perchè si schiaccia, ovvero la sua rigidità dinamica aumenta nel momento in cui perde spessore. L'isolante acustico deve essere in grado di mantenere il suo spessore anche quando viene sottoposto ad un carico. Questa considerazione è ancora più rilevante se consideriamo il fatto che il valore di rigidità dinamica di un materiale che viene rilevata in laboratorio per alcuni materiali non è lo stesso che viene rilevato al momento dell'utilizzo dei dati in fase di calcolo: la Rigidità dinamica apparente deve essere uguale alla Rigidità dinamica effettiva.
Rigidità dinamica Nello specifico problema dei solai, il materiale resiliente interposto tra il solaio portante ed il massetto, deve essere in grado di smorzare le vibrazioni indotte da un camminamento sul pavimento, evitando quindi che tali vibrazioni si propaghino al solaio portante ed alle altre strutture ad esso connesse. Come un ammortizzatore di un auto deve essere adeguatamente morbido, ovvero nè troppo rigido, altrimenti consentirebbe alle vibrazioni di trasmettersi a tutti gli elementi connessi all ammortizzatore, nè troppo morbido altrimenti, schiacciandosi, non consentirebbe di assolvere alla sua funzione. E indispensabile valutare la rigidità dinamica del materiale attraverso il certificato del produttore e valutarne anche l andamento nel tempo.
Rigidità dinamica Ci si imbatte molto spesso in situazioni in cui i materiali non sono stati selezionati rispetto all utilizzo dell ambiente ed al carico che verte su di essi. I risultati possono essere di due tipi: Il problema esistente non è stato risolto, nonostante abbia speso dei soldi; Il problema esistente è peggiorato, nonostante abbia speso dei soldi. Montereste l ammortizzatore di una Cinquecento su di un camion?
Comprimibilità Rappresenta la proprietà meccanica di un isolante termico ed acustico di mantenere il suo spessore nominale nelle applicazioni dei pavimenti galleggianti. Non è un parametro direttamente collegato agli altri fattori quali rigidità dinamica o resistività al flusso d aria. Viene rilevata in laboratorio applicando diversi carichi, per diverse durate temporali e rilevando la variazione di spessore del materiale e la sua capacità di riassumere il suo spessore iniziale dopo che è stato sottoposto al carico.
Comprimibilità Nonostante non ci sia una correlazione diretta tra comprimibilità e rigidità dinamica Un materiale che tende a ridurre nel tempo il suo spessore per deformazione, tende a diminuire anche la sua rigidità dinamica e quindi a ridurre le sue prestazioni acustiche.
Scorrimento viscoso a compressione (o Creep Test) Rappresenta l aumento della deformazione di un materiale sotto sollecitazione costante a compressione nel tempo. Permette di avere una percezione sul mantenimento delle proprietà meccaniche del materiale nel lungo periodo (per esempio, 10 anni) e, di conseguenza, alla variazione delle caratteristiche legate allo spessore del materiale come, ad esempio, della rigidità dinamica.
Analisi degli isolanti anticalpestio presenti sul mercato Gomma sfogliata o sfilacciata proveniente dal riciclaggio Qualità della materia prima? Uniformità di distribuzione? Polistirene elasticizzato Granuli di gomma riciclati legati tramite collanti chimici: 200 < densità < 1.200 Kg/mc Resistenza a compressione: buona Comprimibilità: bassa Rigidità dinamica: modesta Deriva dal normale polistirene che viene compresso. Spessori a partire da 20 mm Resistenza a compressione: buona Comprimibilità: più alta rispetto agli altri materiali Rigidità dinamica: buona
Analisi degli isolanti anticalpestio presenti sul mercato Polietilene espanso Entrambi i materiali sulla carta hanno buoni valori di rigidità dinamica, bassi valori di resistenza a compressione ed alti valori di comprimibilità. Chimicamente, 20-30 Kg/mc Reticolato, 30-35 Kg/mc In generale, quello reticolato è maggiormente «controllato» nella sua densità (densità uniforme), risulta più affidabile meccanicamente Entrambi i materiali sono molto delicati e presentano il problema della «lacerazione» Le differenze di qualità di questi materiali non sono visibili «ad occhio» e si corre il rischio che: Il materiale si deformi del 50% di spessore appena gettato il massetto Si deformi per un altro 10% di spessore con l asciugatura del massetto..e la sua durabilità nel tempo?
Analisi degli isolanti anticalpestio presenti sul mercato Il produttore fornisce tutti i dati a noi necessari nel calcolo di progetto? Spesso NO!!! I dati che vengono forniti sono affidabili e comprendono tutte le caratteristiche del prodotto? Esempio: prodotti composti come fibre minerali o di poliestere + strato bituminoso Il produttore ci fornisce dati relativi al materiale composto o riguardano solo lo strato prevalente? E stata considerata l influenza dell aria sui materiali? rigidità dinamica
In conclusione Non esistono soluzioni assolute e sempre replicabili. Ogni ambiente e destinazione d uso richiede la propria soluzione personalizzata. Il bravo progettista acustico è la figura in grado di selezionare i giusti materiali e di mescolarli tra loro nei migliore dei modi.. come fa un bravo pasticcere! La corretta posa in opera dei materiali rappresenta un aspetto primario negli interventi di risanamento acustico. In questo lavoro non esiste l improvvisazione ;P
GRAZIE PER L ATTENZIONE! Docente: Andrea Romani, Ingegnere - Acoustic Designer Email: info@andrearomani.it Mob: +39.329.89.11.982 Web: www.andrearomani.it