Acustica Edilizia – II

Caratteristiche dei Materiali Fonoassorbenti

I materiali fonoassorbenti secondo il loro principio costruttivo possono dividersi in 3 categorie:

  • Materiali Porosi
  • Risuonatori Acustici o Risuonatori di Helmholtz
  • Pannelli o Membrane Vibranti

Ogni categoria è efficiente in un determinato range di frequenze, e per questo, per avere un potere assorbente alto a tutte le frequenze, è necessario porre in opera diversi materiali assorbenti con diverse proprietà.

In figura 1 una tabella comparativa del range di frequenze e grado di assorbimento in cui lavorano le 3 tipologie di pannelli fonoassorbenti visti.

Fig. 1 dfdsfds.PNG

Guardando il grafico in figura 1 si nota come i materiali porosi sono molto efficienti in zona dalle medie alle alte frequenze, i risuonatori di Helmholtz hanno un picco di efficienza intorno alle medio-basse frequenze, mentre le membrane vibranti sono molto più efficienti in bassa frequenza e poco nel resto della banda.

 

Materiali Porosi

L’assorbimento dell’onda acustica è dato dall’attrito che le micro cavità aperte del materiale pongono all’onda incidente, trasformando essa in calore. L’onda acustica incidente fa oscillare l’aria interna ai poli che dissipa energia per attrito viscoso determinando un lieve aumento della temperatura.

I più comuni materiali porosi sono i Poliuretani Espansi a cellule aperte, Fibre Minerali, Fibre di Poliestere, Schiume Vegetali, Schiume Melamminiche.

Il diametro delle fibre che compone il materiale poroso è in media 2 – 5 µm. La densità di questi materiali è invece in media 30 – 100 kg/m3.

Sono spesso detti anche materiali localmente reagenti in quanto che la viscosità delle molecole di questo materiale impedisce un corretta propagazione del flusso d’aria e quindi riduzione del livello energetico che attraversa il materiale soprattutto per incidenze angolari. Quindi più il suono incide angolarmente sul pannello e più questo assorbe energia.

In figura 2 un esempio grafico di come cambia il potere fono assorbente in base all’angolo di incidenza.

Fig. 2 20190530_230040.jpg

Il livello di porosità di questi materiali farà dipendere il valore del potere fonoassorbente, per porosità si intende il rapporto tra il volume occupato dai pori ed il volume totale. I materiali che assorbono il suono con efficacia, hanno porosità tra il 90% e 95%.

In questi materiali più la frequenza è alta e più lo spessore è grande e più il coefficiente di assorbimento è alto. Per ottenere un buon assorbimento sulle medie e basse frequenze sono necessari pannelli molto spessi.

In figura 3 una tabella comparativa di come si comporta l’assorbimento in base allo spessore nei materiali porosi.

Fig. 3 hgnhngh.PNG

Una soluzione efficiente per tenere ridotto lo spessore del pannello ma non perdere l’efficienza di assorbimento, può essere quella di distanziare di qualche cm il pannello dalla parte da trattare

In figura 4 un esempio di distanziamento del pannello dalla parete.

Fig. 4 fddf.PNG

In figura 5 l’andamento del potere assorbente in funzione del gap di aria cosi creato tra pannello e parete.

Fig. 5 di.PNG

Il gap d’aria creato tra il pannello e la superficie da trattare consente di porre il materiale lontano dalla superficie in cui la velocità delle particelle dell’onda sonora incidente è minima in quanto poi riflessa dal pannello stesso, allontanandolo il pannello catturerà una più alta velocità di particelle dell’aria aumentando anche l’efficienza di assorbimento. I valori a cui vi è l’assorbimento massimo sono ponendo il pannello a distanze di λ/4 o 3/4 λ, quindi ad un quarto o 3/4 della lunghezza d’onda della frequenza a cui si vuole dare un maggiore assorbimento.

Questa soluzione non ha proprio la stessa efficienza di avere un pannello più spesso (soprattutto per lunghezza d’onda λ/2 in cui l’onda sonora che attraversa il pannello risulta in fase con quella riflessa dalla parete, rendendo il potere assorbente quasi nullo, ma consente comunque di ottenere dei risultati simili con molta meno spesa.

I pannelli più efficienti sono quelli in poliuretano a cuneo con base quadrata, come quelli piramidali, questo consente di ottenere un’area di impatto superiore, in quanto che aumentano le riflessioni interne tra i vari cunei, aumentando cosi anche l’efficienza di assorbimento.

Alcuni esempi di materiali porosi:

Fig. 6 (poliuretano piramidale)  Pannelli-Fonoassorbenti-Piramidali-Poliuretano-100-X-50-X.jpg

Fig. 7 (poliuretano bugnato) Pannelli-Fonoassorbenti-Bugnato-100-X-50-X-3Cm.jpg

Fig. 8 (poliuretano liscio)  614DPyTLSQL._SX425_.jpg

Fig. 9 (lana di vetro) index.jpg

Fig. 10 (ceramica ad alta porosità) Porous_Ceramic.jpg

 

Risuonatori di Helmholtz

Il Risuonatore di Helmholtz si realizza creando un foro che rimanda all’interno di una cavità come di esempio in figura 11.

Fig. 11 gwgwwegwegew

Il volume della cavità, la rigidità delle sue pareti e la grandezza del foro (collo), determineranno una frequenza di risonanza interna alla cavità stessa la passaggio dell’onda sonora. Questo comportamento è del tutto simile al sistema massa-molla visto in acustica, per cui si verifica un’attenuazione del suono per attrito viscoso dell’oscillazione dell’aria contenuta nel collo del foro ed ha valore massimo alla sua frequenza di risonanza.

L’andamento del potere fonoassorbente ricordo essere mostrato in figura 1.

E’ anche possibile calcolare la frequenza di risonanza del risuonatore tramite la formula:

Cattura.PNG

Dove C0 è la velocità del suono in aria (m/s), r ed I il raggio e lunghezza del collo (m), V il volume della cavità (m3).

In caso che le pareti della cavità vengano riempite da materiale poroso come il poliuretano, si riesce ad ottenere un effetto combinato che allarga lo spettro di fonoassorbimento utile a scapito di un calo di efficienza alla frequenza di risonanza (fig. 12).

Fig. 12  gfnfg.PNG

In figura 12 la differenza tra i valori di fonoassorbimento di una cavità con pareti rigide, ed una con l’applicazione di un materiale poroso alla sua superificie.

Il caso più comune di utilizzo di questi risuonatori, è la realizzazione di pannelli forati (fig. 13), di materiale misto tra poroso e rigido, con cavità di diverse dimensioni e profondità, tali da agire su di un più ampio spettro di frequenze assorbite. Anche in questo caso il pannello può essere posto ad una certa distanza dalla parete da trattare.

Fig. 13  Decustik-pannelli-acustici-forati-invisibili.jpg

La percentuale di foratura del pannello fa dipendere il grado di assorbimento finale, in quanto che ogni singolo foro (risuonatore) è complementare all’altro, come se il pannello avesse non solo singoli fori con singole frequenze di risonanza assorbite, ma anche la somma di tutti i volumi dei fori, con anche questa volta la sua frequenza di risonanza.

In figura 14 un grafico che mostra l’andamento del potere fonoassorbente in base alla percentuale di foratura con diametro costante, di un pannello generico.

Fig. 14 vnnfn.PNG

Quindi più fori mettiamo e più lo spettro di assorbimento è ampio, a scapito di uno spostamento della frequenza verso le zone più alte dello spettro perdendo efficienza in bassa e medi-bassa frequenza.

 

Membrane Vibranti

Le membrane vibranti o pannelli vibranti dette anche Bass Trap per via della loro efficienza di assorbimento concentrata in bassa frequenza, sono costituiti da lastre rigide non porose, come il Legno Compensato il più utilizzato. sono montate su apposita struttura e distanziate dalla parete da trattare al fine di creare un’intercapedine d’aria. Questi pannelli quando vengono colpiti dall’onda sonora cominciano a vibrare, ed assorbono l’energia acustica soprattutto in bassa frequenza, per via dell’effetto dissipativo determinato dalle vibrazioni flessionali del pannello, soprattutto lungo i bordi (fig. 15).

Fig. 15 dfbdfbdfb.PNG

La massa, superificie, rigidezza del materiale e dei supporti di sostegno, rigidezza dell’intercapedine d’aria, sono tutti fattori che determinano la frequenza di risonanza del pannello e quindi a quale frequenza l’assorbimento è massimo.

All’aumentare della massa del pannello e dell’intercapedine d’aria (distanza pannello – superificie da trattare), si abbassa la frequenza di risonanza, legato dalla relazione:

gnfngffng

Dove σ è la densità superficiale del pannello (Kg/m2), d la distanza dalla parete (m).

In figura 16 un esempio di pannelli vibranti colorati a muro.

Fig. 16 Pannello-acustico-fonoassorbente.jpg

Come si vede dal grafico in figura 1 questi pannelli lavorano bene per attenuare il suono in bassa frequenza e possono essere aiutati per ottenere un più ampio spettro di frequenze assorbite dall’installazione di materiali porosi e risuonatori.

Anche la presenza di grosse superfici vetrate sulle pareti determinano un elevato valore di fonoassorbimento alle basse frequenze.

 

Resistenza al Flusso

La resistività è la caratteristica principale dei materiali fonoassorbenti, più il suo valore è alto e più il materiale sarà in grado di trasdurre l’energia acustica in calore, assorbendo appunto il suono, regolando le riflessioni e la trasmissione dell’onda sonora. E’ una proprietà intrinseca dei materiali e non dipende nè dal suo spessore nè dalle sue dimensioni. In generale più il materiale è denso e più avrà resistenza.

Esistono due tecniche fondamentali per rilevare la resitenza al flusso di un materiale fonoassorbente, entrambe vengono eseguite in camera anecoica.

Flusso Continuo

Fig. 17 ngfnf.PNG

In questo metodo un campione di materiale viene posto all’interno di un condotto che invia un flusso di aria continuo a diversi valori di pressione, un sensore calcolerà quanta aria passa dall’altra parte del materiale tale da rilevare il suo coefficiente di resistività (Pa s/m2).

Flusso Alternato

Fig. 18 ntyjjyjt.PNG

In questo metodo il materiale è posto all’interno di una cavità nella quale viene inviato un flusso di aria alternato, a diversi valori di pressione, anche in questo caso ci sono due sensori che calcolano la differenza tra la pressione di aria incidente e quella che passa

I due metodi sono complementari e vengono spesso utilizzati entrambi per definirne un valore medio.

 

Considerazioni

Abbiamo quindi detto e qui vado a ripetere che un’applicazione di sistemi fonoassorbenti miste garantisce un efficiente assorbimento su di un più ampio spettro in frequenza. Materiali porosi e risuonatori per frequenze medie ed alte, pannelli vibranti per le frequenze basse.

Si possono quindi usare miste tipologie di materiali, come ad esempio lastre di metallo, legno, gesso forate con fori di diversa dimensione e profondità, distanziate dal muro ed in cui all’interno delle cavità dell’intercapedine d’aria che si crea tra pannello e superificie da trattare applicare un materiale poroso.

Di seguito una tabella illustrativa (fig. 19), di alcune considerazioni pratiche di utilizzo sui materiali fonoassorbenti appena visti.

Fig. 19 20190523_234827.jpg

 

Ambienti di Utilizzo

Come già anticipato i materiali fonoassorbenti vengono utilizzati per il controllo delle riflessioni quindi anche riverberazione, tale da creare ambienti acusticamente idonei all’ascolto musicale, al parlato, ambiente lavoro, ecc… in base alla tipologia di ambiente si cade su di una scelta piuttosto che un’altra (scelta materiali e metodo costruttivo) al fine di rientrare nelle normative in vigore e dove non ci sono utilizzare standard di riferimento che vedremo in altre argomentazioni.

Per i materiali fonoisolanti l’obbiettivo di utilizzo è quello di ridurre la pressione sonora al di fuori di aree ben delimitate come ad esempio dividere due stanze, due appartamenti, dai  ma anche ridurre il rumore del traffico stradale ed aereo, rumore industriale, verso le abitazioni e locali destinati ad un comfort acustico, come ad esempio ospedali, scuole, e molto altro. Anche gli stessi impianti termici, idrici, ventilazione ed elettrodomestici sono fonte di rumore da isolare, a partire dalla produzione stessa di un dispositivo a basso impatto acustico, fino a realizzare dei box isolatori.

 

Potere Fonoisolante di Pareti Sottili Omogenee

Per pareti sottili ed omogenee, quindi lisce, il comportamento del potere fonoisolante al variare della frequenza e angolo di incidenza è determinato dal seguente grafico:

Fig. 20dfvfere.PNG

Dal grafico in figura 20 si capisce come per bassi valori di frequenza il potere fonoisolante sia minimo e lo smorzamento dell’onda sonora incidente è determinato dalla rigidità o elasticità del materiale. Il minimo valore di isolamento lo si ha alla sua frequenza di risonanza, per cui a quella determinata frequenza (in realtà un insieme di frequenze ravvicinate oscillatorie), il materiale si comporta come un vero e proprio vibratore/diffusore, quindi trasmette più energia. L’andamento tipico delle risonanze (tra picchi e valli) è come quello mostrato in figura 20.

In un campo di frequenze medie il materiale si comporta in modo lineare, e cioè pone un isolamento di + 6dB od ogni ottava superiore.

es. se ha 250 Hz l’isolamento è di 12 dB a 500 Hz sarà di 18 dB.

In questa zona è la massa stessa del materiale a controllare le capacità isolanti, infatti questo andamento è detto Legge delle Massa.

Questo andamento lineare lo si ha fino ad una determinata frequenza (generalmente in medio-alta), chiamata Frequenza Critica (Fc) o anche zona di coincidenza o effetto coincidenza. Questo effetto è dovuto principalmente alle Onde Flessionali (come visto in acustica, caratteristica della propagazione delle onde sonore nei solidi), che determina una coincidenza tra la velocità del suono in aria e quella flessionale del solido creando una piccola risonanza interna che si tramuta in un vero e proprio buco acustico, si parla di una perdita di anche 20 dB del potere isolante della parete.

Per frequenze via via superiori a quella di coincidenza, si determina un incremento del potere fonoisolante di 9 dB/oct, e l’efficienza di isolamento del pannello è determinata sempre dalla massa ma anche dal tipo di smorzamento.

n.b. Come si vede sempre in figura 16 se al materiale (es. pannello) si applica uno smorzamento (es. molla), l’effetto di risonanza e coincidenza tende a diminuire (quindi aumenta il potere isolante), risultando un andamento più lineare e quindi anche controllabile.

Generalmente i valori del potere fonoisolante si riferiscono per angoli di incidenza da 0° a 75°, sopra questi valori le formule attualmente usate non consentono un grado di accuratezza di rilievo, che comunque è trascurabile in quanto che difficilmente il suono impatta sulla superficie in modo radente.

n.b. Ricordo la dipendenza dall’angolo di incidenza che farà variare questi parametri verso frequenze superiori od inferiori.

Materiali con spessori differenti avranno differenti valori comportamentali, un esempio in figura 21 di come varia la frequenza di coincidenza in base allo spessore del materiale.

Fig. 21 nbn nb nb.PNG

 

Potere Fonoisolante di Pareti Monostrato Omogenee

L’andamento del potere fonoisolante tipico delle pareti monostrato è mostrato in figura 22.

Fig. 22 vfdvf.PNG

Aumentando lo spessore della parete ma anche la sua rigidezza la frequenza di risonanza naturale tende a salite (fino ad un limite per cui non è più la rigidità della struttura ma la massa che governa l’andamento del potere fonoisolante, questo limite è attorno ai 150 Hz), mentre tende ad abbassarsi la frequenza di coincidenza, per compensare questo fattore in modo da tenere più bassa possibile la frequenza di risonanza e più alta possibile la frequenza di coincidenza è necessario aumentare la massa del pannello.

In acustica edilizia per quanto riguarda il potere fonoisolante dei pannelli, essendo i materiali per lo più utilizzati per attutire il suono percepito dall’uomo, si cerca di ottimizzare R (il potere fonoisolante) nella banda di frequenze a cui siamo più sensibili e cioè 100 Hz – 5.000 Hz. Quindi nella costruzione del pannello o comunque dopo aver installato uno o più pannelli fonoisolanti, è fondamentale che la frequenza di risonanza e quella di coincidenza si trovino al di fuori di questa banda.

Questo è ottenibile con dei pannelli a bassa rigidità, ma il tutto va a scapito della resistenza della struttura stessa, si può invece optare per rigidezze molto alte tale da portare sia la frequenza di risonanza che quella di coincidenza sotto o prossime ai 100 Hz. E’ importante che la parete abbia uno spessore adatto a non portare troppo in basso la frequenza critica, mantenendo il giusto isolamento anche alle medie e medio-basse frequenze.

Per spessori troppo elevati si determinano delle risonanze di spessore alle alte frequenze, facendo perdere potere fonoisolante, questo è dovuto alle onde longitudinali e di taglio del pannello in contrasto con quelle della parete da trattare. Generalmente si parla di spessori > 15-20 cm. Mantenendo uno spessore inferiore è garantita la presenza della frequenza di risonanza sopra ai 5.000 Hz.

Fig. 23 mhghmg.PNG

Nell’esempio grafico in figura 23 si considera una parete monostrato con spessore di 15-20 cm, è chiaro come una grande spessore porti la frequenza di coincidenza a valori molto bassi (intorno ai 150 Hz), e si cominciano a verificare risonanza di superficie (intorno ai 6.000 hz).

In figura 24 un esempio di stessa parete ma con diverso spessore, ad evidenziare la posizione della frequenza di risonanza e coincidenza del pannello.

Fig. 24gfdbgb.PNG

In figura 25 una tabella comparativa del potere fonoisolante alle varie frequenze di diversi materiali.

Fig. 25 20190523_231737.jpg20190523_231726.jpg

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Acustica Edilizia – I (Camera Anecoica, Camera Semi-Anecoica, Camera Riverberante, Assorbimento, Riflessione, Trasmissione, Rifrazione, Diffrazione, Impedenza Acustica Superficiale).

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Acustica Edilizia – IV (Isolamento Acustico di una Facciata, Pavimenti Galleggianti, Trasmissione del Suono per via Laterale, Aspetti Pratici, Contropareti, Pareti Composite).

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