Acustica Edilizia – I

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Acustica Edilizia

L’acustica edilizia è un ramo dell’acustica che si occupa di studiare il comportamento del suono quando questo incontra degli ostacoli solidi, quindi ci riguarda direttamente in quanto che nella vita di tutti i giorni il suono che si diffonde nell’ambiente incontra sempre qualche ostacolo più o meno grande che ne modifica i suoi parametri e la sua propagazione. Riguarda per questo anche lo studio dei singoli materiali al fine di crearne di nuovi (artificiali) o sfruttare quelli naturali per poter gestire questo suono al fine di garantire a noi il migliore ascolto possibile, il migliore comfort possibile, i minori disturbi possibili.

Camere Acustiche

Prima di entrare nel vivo dell’argomento soffermiamoci sull’aspetto delle Camere Acustiche, ambienti artificiali, quindi ricreati dall’uomo. al fine di realizzare stanze di sperimentazione prima e standardizzazione poi.

Camera Anecoica

Fig. 1

In figura 1 un esempio di camera anecoica, la camera anecoica è un tipo di ambiente “sordo” chiuso, in cui le riflessioni ambientali sono mantenute al minimo possibile (si parla di qualche millisecondo di riflessione in medio-bassa e bassa frequenza).

E’ realizzata come vedremo tramite materiali assorbenti disposti in un certa configurazione  al fine di assorbire tutto il suono diretto dalla sorgente. In questo ambiente per cui si percepisce il solo suono diretto e non quello riflesso.

n.b. Se ci troviamo in questa stanza la sensazione sarà quella di ovattamento acustico, in quanto che non siamo abituati a percepire il solo suono diretto delle sorgenti, ma in un contesto reale come detto ci sono sempre delle riflessioni che portano un certo quantitativo di riverbero.

E’ un ambiente idoneo per il test delle caratteristiche acustiche (spesso da normativa) di numerose sorgenti, cosi da valutarne il reale comportamento senza avere interferenze ambientali, es. microfoni ed altoparlanti/diffusori acustici, elettrodomestici, ma anche automobili, macchinari da lavoro. Vengono anche utilizzate per testare i materiali acustici.

Camera Semi-Anecoica

Fig. 2

Spesso le camere anecoiche soprattutto per praticità e perchè non sempre si hanno a disposizione più camere test, sono anche Semi-Anecoiche, in questo caso viene utilizzato un pavimento galleggiante motorizzato ma anche statico costruito con materiale riflettente (si parla di secondi di riflessione del suono diretto). Per trasformare la camera Semi-Anecoica in Anecoica generalmente si posizionano semplicemente i pannelli fono-assorbenti sul pavimento riflettente, in quanto che come vedremo sono generalmente dei moduli quadrati che si possono montare e smontare, non chè configurare a piacimento.

Anche queste camere sono utilizzate (se lo standard o il test lo prevede) per rilevare determinate caratteristiche della sorgente, come il suo comportamento in un contesto più simile a quello reale.

Camera Riverberante

Fig. 3

La terza ed ultima camera acustica è quella Riverberante, costruita con soli materiali altamente riflettenti (si parla di 7 – 8 secondi di riflessione ad 1 khz, rari i casi con riflessioni superiore ai 10 s.). Al contrario dell’assorbimento è molto più difficile mantenere un suono stazionario, in quanto che l’attenuazione dell’aria e le proprietà stesse del materiale tendono a ridurre naturalmente la pressione sonora, soprattutto in alta frequenza.

Questi ambienti oltre che per test, sono ad esempio anche utilizzati per tarare microfoni di misura che verranno poi utilizzati per rilievi in ambienti molto riverberanti, non chè per testare i materiali acustici.

Riflessione – Assorbimento – Trasmissione

In figura 4 un chiaro esempio di come un materiale solido generico si comporta quando l’onda sonora diretta proveniente da una sorgente sonora impatta su di esso. Quindi una parte verrà riflessa e si andrà sommare al suono diretto interferendo secondo la fase ed ampiezza di incrocio e venendo percepita tanto più come un effetto riverberante-eco tanto più grandi sono i ritardi temporali di riflessione come analizzato in argomento acustica e psicoacustica. Una parte verrà assorbita, quindi il suono riflesso avrà meno energia rispetto a quello diretto incidente, ed una parte trasmessa attraverso il solido.

Fig. 4

Riflessione

Fig. 5

Tanto più il materiale è rigido e più sarà alta anche l’energia riflessa, tanto da in certi casi amplificare il segnale audio se la somma tra diretto e riflesso soprattutto in prossimità di ad esempio una parete è perfettamente in fase.

In un contesto ambientale generico, esempio una stanza, le pareti di riflessione sono 6, pavimento, soffitto, 4 lati del muro, in più si aggiungono l’arredamento, elettrodomestici, ecc.. per cui le riflessioni ambientali, soprattutto quelle interne, in quanto che gli ambienti sono piccoli ed il suono decade con minore intensità prima di trovare una nuova superficie riflettente, sono molto presenti.

Generalmente si parla di:

Suono Diretto (quello emesso dalla sorgente), Riflessione Primaria (la prima riflessione che il suono incontra), Riflessione Secondaria (la seconda riflessione che il suono incontra), Riflessione Terziaria, ecc… Le riflessioni da tenere conto sono soprattutto le prime 2/3 in quanto sono queste che determinano l’acustica e qualità di ascolto finale di quell’ambiente. Sono anche dette Early Reflections, perchè sono generalmente quelle di maggiore intensità e con tempi di ritardo più brevi.

Le riflessioni di ordine superiore sono spesso più trascurabili, avranno invece valore per i concetti di riverberazione che vedremo più avanti.

La fase dell’onda riflessa dipende dal rapporto tra l’impedenza acustica del mezzo in cui si propaga il suono (nel nostro caso aria, Za) e l’impedenza acustica del mezzo a cui va ad incidere (es. solido, Zs).

Se le due impedenze sono uguali Za = Zs, l’onda sonora viene completamente trasmessa dal solido, quindi non riflessa ma passa oltre. Se Za < Zs (come nella maggior parte dei casi in quanto che l’impedenza acustica dei solidi è sempre molto elevata rispetto a quella dell’aria), l’onda verrà riflessa in fase. Se Za > Zs (materiali molto porosi), l’onda verrà riflessa in opposizione di fase (180°), creando interferenze distruttive sull’onda sonora diretta, generando buchi in prossimità della parete.

Legge di Snell

Come si vede dalla figura 5 la riflessione è determinata dall’angolo dell’onda sonora incidente ed è speculare.

L’angolo di riflessione, è pari all’angolo di incidenza, ciò vuol dire che se la nostra onda acustica incide sulla nostra parete riflettente con un angolo di 30°, l’onda risultante dalla riflessione avrà lo stesso angolo di incidenza, solo di verso opposto.

Assorbimento

Se le particelle della parete solida in cui incide il suono, hanno un valore di densità circa uguale a quelle dell’aria, la pressione che attraversa il materiale, da prima con massima intensità, andrà via via ad attenuarsi in quanto che le particelle del solido opporranno una forza di inerzia alla loro vibrazione, cosi da attenuare il suono trasformandolo in calore.

L’assorbimento acustico può essere descritto anche come la conversione di energia acustica (trasferimento di energia) in energia termica (calore) da parte di una superificie.

n.b. E’ per questo che all’interno di un ambiente soprattutto molto assorbente, dopo diverso tempo (anche ore) di diffusione sonora, la temperatura interna tende ad aumentare. E’ il continuo trasformarsi dell’energia acustica in termica.

Trasmissione

Se le particelle (densità) del solido in cui incide il suono sono molto meno dense di quelle dell’aria, vi sarà una trasmissione del suono, e quindi se la parete divide due stanze il suono presente in una stanza attraverserà la nostra parete e si diffonderà anche nella stanza adiacente.

Un altro fattore di trasmissione può essere derivato dalla massa mobile, e cioè una frequenza generalmente con valore energetico rilevante, come le basse frequenze, tale che incidendo sulla parete, la pongono in vibrazione, cosi che tale parete si comporti da diffusore passivo verso la stanza adiacente. Per evitare questo fenomeno, la massa complessiva della parete deve essere il più grande possibile rispetto alla massa d’aria, e quindi suono incidente su di essa.

Massa Parete > Massa Aria

Diffrazione

La Diffrazione (fig. 6), è quel fenomeno per cui quando la lunghezza d’onda sonora incontra un ostacolo con dimensioni ad essa paragonabili, questo ostacolo ne modifica le proprietà acustiche. La stessa cosa avviene anche in caso che vi sia una configurazione di due ostacoli con un apertura in mezzo.

Alcuni esempi sono riportati in figura 6, in cui (a) mostra che quando la lunghezza d’onda è più piccola della dimensione dell’apertura, allora l’onda sonora passerà linearmente attraverso questa apertura, mentre quella che incontra l’ostacolo verrà riflessa o assorbita ed in parte eventualmente trasmessa secondo le proprietà del materiale. (b) mostra che quando la lunghezza d’onda è paragonabile alla dimensione del foro, la sua propagazione riprenderà dal punto zero, quindi come se quel foro fosse una nuova sorgente che irradia sfericamente quella frequenza. (c) mostra che per lunghezze d’onda molto superiori alla dimensione del foro, le due pareti di comportano come un’unica vera e propria sorgente in cui il suono riparte a diffondersi sfericamente.

n.b. Da questo si capisce come differenti frequenze hanno comportamenti diversi, e come una parete forata si comporti in questo caso come un filtro che attenua e ri-diffonde il suono.

Fig. 6

Per i casi (b) e (c) in prossimità del foro si creerà una zona d’ombra (grave attenuazione sonora), un motivo ancora in fase di studio e ricerca, si ritiene però che queste cancellazioni-attenuazioni, siano derivate dalla resistenza acustica del mezzo, che pone in controfase l’onda incidente rispetto a quella nuova generata.

Per diverse configurazione con più fori anche di dimensioni differenti, si avranno forme d’onda diffratte di mista tipologia che interferiranno l’una con l’altra all’interno di un comune ambiente di propagazione, ogni foro sarà proprio generatore di una nuova forma d’onda. Un esempio può essere quello in figura 7 dove si vede chiaramente come ogni singolo foro è generatore di una nuova forma d’onda.

Fig. 7 

Un altro caso può essere quello di figura 8, in cui vi è la presenza di un ostacolo di dimensioni finite.

Fig. 8 

In questo caso una lunghezza d’onda inferiore alle dimensioni dell’ostacolo verrà assorbita, riflessa, ecc… dipendente dalla tipologia di materiale, lunghezze d’onda molto più grandi non verranno modificate nella loro propagazione ed attraverseranno l’ostacolo in modo lineare, mentre lunghezze d’onda comparabili alla dimensione dell’ostacolo verranno rigenerate ai bordi dell’ostacolo stesso, quindi come nel caso di figura 8, verranno create due nuove forme d’onda per quella particolare lunghezza d’onda incidente.

Gli angoli di smesso dell’ostacolo faranno dipendere l’angolo di propagazione della nuova forma d’onda a quella frequenza. In prossimità degli angoli, come visto anche nei casi precedenti, forti turbolenze di controfase creeranno delle piccole zone d’ombra.

n.b. Per questo motivo in caso di ripresa microfonica per la cattura di un suono in un ambiente, evitare sempre di posizionarlo vicino agli angoli degli oggetti, o vicino a fori tra due pareti.

Tutto questo in un contesto reale di esempio, permette di ascoltare suoni provenire da dietro angoli e pareti.

Rifrazione

La Rifrazione (fig. 9) è invece quel fenomeno per cui quando l’onda sonora attraversa materiali con densità diversa tende ha cambiare il verso di propagazione, variando le sue caratteristiche di velocità e quindi forma d’onda adattandosi al nuovo materiale su cui si sta propagando. Questo avviene anche per stesso materiale ma densità diverse, come ad esempio in aria a seconda dell’altitudine e temperatura ci possono essere condizione diverse nella propagazione dell’onda, come anche spiegato in acustica per la divergenza sferica dell’onda causata dai cambi di stato di temperatura tra il giorno e la notte.

Fig. 9

Considerando l’aria, la variazione angolare avviene mano a mano che l’onda sonora va verso l’alto incontrando stati differenti, questo fino ad un limite per cui l’angolo di rifrazione è massimo ed il senso di propagazione viene invertito sempre rifratto angolarmente solo in senso opposto (fig. 10).

Fig. 10

n.b. In questo caso non vale la legge di Snell.

Coefficienti, Potere Fonoassorbente e Potere Fonoisolante

Si può dire allora che l’energia totale dell’onda incidente (Wi) è la somma dei valori di riflessione (Wr), assorbimento (Wa) e trasmissione (Wr) della superificie. Quindi se si conoscono questi valori è anche possibile a ritroso trovare l’energia dell’onda incidente.

Wi = Wr + Wa+ Wt

Per definizione si utilizza un coefficiente per definire le proprietà acustiche del materiale, in cui a (coefficienti di assorbimento), r (coefficiente di riflessione), t (coefficiente di trasmissione).

La formula per il calcolo dei vari coefficienti è la seguente:

a = Wa/Wi, r = Wr/Wi, t = Wt/Wi

Quindi il coefficiente di assorbimento è l’energia assorbita fratto quella incidente, il coefficiente di riflessione è l’energia riflessa fratto quella incidente, il coefficiente di trasmissione è l’energia trasmessa fratto l’energia incidente.

Il coefficiente di assorbimento è ricavabile anche conoscendo l’energia riflessa e quella trasmessa, in questo caso si parla di coefficiente di assorbimento apparente (α), ed è questo il più utilizzato per indicare il coefficiente di assorbimento nelle caratteristiche dei materiali acustici.

α = 1 – (Wr/Wt)

Es. se la nostra parete a valore 1 di assorbimento, significa che è completamente assorbente, quindi avrà valore 0 di riflessione e trasmissione. Se invece a valore 0, non assorbe alcun suono, ma li riflette e/o trasmette tutti, in percentuale per valori con la virgola.

Lo stesso discorso vale per il coefficiente di riflessione che può essere trovato anche conoscendo il coefficienti di assorbimento, tramite la formula 1 meno il coefficienti di assorbimento apparente:

r = 1 – α

Più in generale i materiali di comune utilizzo, hanno valori misti, quindi una certa percentuale di riflessione, una di assorbimento e una di trasmissione.

Questi valori sono calcolati in laboratorio, tramite test nelle camere acustiche sopra elencate, attraverso apposita strumentazione hardware (microfoni di misura) e software.

Da questi valori è possibile arrivare anche al grado di isolamento della superficie (es. parete).

Il coefficiente di isolamento (R) determina quindi quanto più quel tipo di parete è in grado di non far passare il suono ad esempio tra una stanza e l’altra, e si differenzia dal grado di assorbimento che invece va a regolare le riflessioni interne all’ambiente (quest’ultimo il più importante allo scopo di creare un ambiente di qualità di ascolto, mentre quello isolante più indicato contro il rumore e disturbi).

Il potere fonoisolante di una parete è calcolabile secondo la formula:

R = 10log (Wi/Wt) dB.

Quindi è dato dal logaritmo di 10 in base 10 del rapporto tra l’energia incidente e quella trasmessa, la sua unità di misura è il dB.

Dipendenza dalla Frequenza

La frequenza gioca un ruolo fondamentale, in quanto la caratteristica di un materiale dipende fortemente da essa. Frequenze alte, quindi con veloci transienti e grande direttività, potranno facilmente essere controllare sui valori di riflessione e assorbimento. Mentre basse frequenze, faranno calare le prestazioni dei materiali, in quanto riescono date le loro piccole variazioni di stato nel tempo, di valore energetico, ad attraversare facilmente un materiale, mentre è quasi impossibile da esse ottenere una completa riflessione.

Anche l’angolo, la fase ed ampiezza dell’onda faranno dipendere i valori di assorbimento, riflessione e trasmissione quindi anche isolamento alle varie frequenze, in quanto che sarà diverso il comportamento stesso della parete in base alla sua Impedenza Acustica. Questi parametri non variano invece al variare della pressione sonora incidente.

Impedenza Acustica Superficiale Specifica

L’Impedenza Acustica Superficiale Specifica (ζ), esprime il grado resistivo di comparazione tra l’impedenza acustica caratteristica del solido (es. parete) e quella propria dell’aria.

E’ data dalla formula:

ζ = Z/(P₀c)

Dove ζ è l’impedenza acustica specifica, Z è l’impedenza caratteristica della parete, P₀c è l’impedenza acustica caratteristica dell’aria

Più l’impedenza della parete è grande e più il materiale sarà riflettente.

Anche la stessa Impedenza Acustica Superficiale della parete dipende dall’angolo di incidenza del suono.

In alcuni casi per materiali localmente reagenti (materiali altamente porosi), quindi le cui particelle sollecitano sono solo quelle direttamente interessate dall’incidenza dell’onda sonora, mentre negli altri casi questa sollecitazione si trasferisce energeticamente in una più ampia area di particelle ravvicinate.

In figura 11 un grafico dimostrativo di come varia il coefficiente di assorbimento apparente di un materiale con diversa Impedenza Acustica al variare dell’angolo di incidenza di un suono avente stessa frequenza.

Fig. 11

(a) bassa impedenza acustica, (b) media impedenza acustica, (c) alta impedenza acustica.

Come si nota e come già anticipato più il materiale ha un’impedenza acustica alta e più tende a riflettere il suono, quindi ad assorbirne e trasmetterne meno.

In un contesto reale come si è già ripetutamente visto, non ci sono singole frequenze e onde piane di trasmissione, ma il suono proviene da molteplici distanze in quanto tende ad irradiarsi sfericamente poi limitato dalle dimensioni della sorgente stessa che determina un certo grado di direttività, per cui molteplici sono gli angoli di interesse al materiale compresi quelli riflessi da altre pareti.

In questo caso di campo diffuso il coefficiente di assorbimento è dato dalla media di tutti questi coefficienti in un determinato spazio.

Generalmente il potere di assorbimento angolare è più alto rispetto a quello perpendicolare, per cui l’assorbimento medio totale è tendenzialmente superiore a quello considerato il solo fascio di suono perpendicolare alla superificie.

La misura del coefficiente di assorbimento in campo diffuso è fatta in camera riverberante.

In figura 12 una tabella rappresentativa del coefficiente di assorbimento medio in base alla frequenza di alcuni materiali comunemente utilizzati:

Fig. 12

α_w considera il valore medio totale.

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