Benessere Acustico s.r.l. - isolamenti acustici

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Fisica dell'isolamento acustico negli spazi chiusi

 

Quando un'onda sonora incide su una parete, parte della sua energia verrà assorbita dalla parete stessa

mediante conversione in energia termica, parte verrà trasmessa al locale adiacente ed una parte riflessa.

Quest'ultima parte continuerà a rimanere nell'ambiente rimbalzando tra le sue pareti con una velocità di

decadimento dipendente dalle caratteristiche fonoassorbenti di queste ultime; maggiore è la

fonoassorbenza più veloce sarà il decadimento dell'energia sonora.

 

Il parametro in grado di descrivere la capacità di un materiale di assorbire il suono è il coefficiente di assorbimento acustico α, dato dal rapporto tra l'energia assorbita dal materiale e l'energia incidente; esso assume valori compressi tra O ed 1; nel primo caso si ha una riflessione totale dell'onda incidente; nel secondo caso il totale assorbimento. Di seguito sono riportati gli andamenti del coefficiente di assorbimento di alcuni materiali di uso comune; come si può vedere α varia notevolmente con la frequenza .

 

 

 

 

 

 

 

 

Il fenomeno delle riflessioni multiple all'interno di un locale genera un campo acustico caratterizzato da una

componente diretta e da una riflessa e da un livello complessivo indicato con Lp. È possibile quindi diminuire tale livello aumentando l'area equivalente di assorbimento acustico delle superfici esposte al campo sonoro. Nell'ipotesi di campo acustico riverberante si ottiene facilmente il valore dell'attenuazione del livello sonoro (D L) conseguente all'installazione di materiale fonoassorbente sulle pareti di confine:

DL(f) = 10 log(A₂/A₁) [dB]

 

Dove

 

- A1 rappresenta l'area equivalente di assorbimento acustico delle pareti prima del trattamento

- A2 rappresenta l'area equivalente di assorbimento acustico delle pareti dopo il trattamento

Il valore di A è ottenibile dalla relazione:

 

A=Ʃ α_iS_{i                 [m2]}

 

dove: Si è l'area della porzione i-esima della superficie che delimita l'ambiente;

ai è il coefficiente di assorbimento acustico apparente della porzione i-esima della superficie che delimita

l'ambiente.

 

È importante osservare che poiché a varia con la frequenza del suono incidente anche il valore

dell'attenuazione sarà funzione della frequenza. La relazione su scritta evidenzia come raddoppiando il

valore di ai si ottiene una riduzione del livello sonoro di 3 dB; se si volesse ottenere un'attenuazione di 10 dB

bisognerebbe aumentare di 10 volte il valore dell'area di assorbimento equivalente. Questo è possibile, in

pratica, solamente quando il valore di α_i é molto piccolo (ambiente inizialmente con pareti molto riflettenti).

Nelle normali situazioni si possono ottenere attenuazioni massime di livello sonoro di 7-8 dB.

 

I materiali fonoassorbenti che possono essere utilizzati a tale scopo sono in genere classificati in:

• materiali porosi,

• risuonatori acustici,

• pannelli vibranti,

• sistemi misti.

 

MATERIALI POROSI

 

L'assorbimento acustico è determinato dalla conversione in calore dell'energia meccanica trasportata

dall'onda incidente attraverso fenomeni di attrito che si sviluppano all'interno delle cavità che caratterizzano

questi materiali.

L'assorbimento acustico dipende dalla lunghezza d'onda del suono incidente, dal rapporto tra il volume dei

vuoti e quello totale e dallo spessore del materiale: il valore di α_i, in genere, aumenta con la frequenza, con il

valore del rapporto densità apparente/densità reale e, alle basse frequenze, con lo spessore dello strato di

materiale.

 

 

 

 

 

Anche le modalità di installazione influenzano la curva di assorbimento acustico come si vede nella figura 4

in cui sono riportati i risultati sperimentali ottenuti per diversi valori della distanza del materiale dalla parete.

Questo comportamento è dovuto al fatto che in vicinanza della parete si forma un'onda stazionaria che

presenta valore nullo della velocità delle particelle in corrispondenza alla parete stessa e valore massimo a

λ/4, dove la velocità è massima si avrà il massimo di dissipazione dell'energia sonora in calore e quindi

massimo sarà il valore dell'assorbimento acustico.

 

RISUONATORI ACUSTICI

 

Un risuonatore acustico può essere schematizzato come una cavità comunicante con l'esterno attraverso un

foro praticato su di una parete non troppo sottile, che prende il nome di "collo del risuonatore" (si pensi ad

esempio ad una bottiglia). Quando un'onda sonora colpisce l'ingresso del risuonatore, se le dimensioni della

cavità sono abbastanza piccole rispetto al valore della lunghezza d'onda e se le dimensioni del collo sono

piccole rispetto a quelle della cavità, l'aria in esso contenuta si comporta come un pistone oscillante, mentre

quella contenuta nella cavità costituisce l'elemento elastico del sistema.

 

 

La frequenza di risonanza di tale sistema è data da:

 

Dove

C₀ = velocità del suono nel mezzo (m/s)

r= raggio del collo del risuonatore

l = lunghezza del collo del risuonatore (m)

V' = volume dell'aria contenuta nella cavità (mc)

 

Se la frequenza del suono incidente coincide con la frequenza di risonanza, la velocità delle particelle d'aria contenute nel collo assume valori particolarmente elevati e l'effetto dei fenomeni dissipativi raggiunge il suo massimo con conseguente assorbimento dell'energia sonora. Se, al contrario, la frequenza si discosta da tale valore di risonanza, l'onda sonora non esercita nessuna influenza sul risuonatore, che risulta pertanto un assorbitore fortemente selettivo. È possibile incrementare l'intervallo di frequenze in cui si ha il massimo assorbimento rivestendo la cavità con materiale fonoassorbente a scapito di un appiattimento della curva con conseguente diminuzione dei valori di assorbimento. Pertanto questi elementi possono essere utilizzati nei casi in cui sia necessario assorbire suoni costituiti da componenti pure (cioè con una singola componente spettrale ad una determinata frequenza f), poichè risulta facile dimensionare le cavità risonanti. In genere è possibile realizzare dei risuonatori con frequenze di risonanza abbastanza bassa, per cui essi trovano impiego quali elementi complementari dei materiali porosi, il cui coefficiente di assorbimento acustico assume valori ridotti a basse frequenze.

 

 

 

 

La realizzazione più frequente di sistemi fonoassorbenti è costituita da lastre rigide (metallo, legno, cartongesso, ecc.) sulla cui superficie vengono praticati fori di diversa forma e dimensione, fissate ad una certa distanza dalla parete. L'intercapedine, che costituisce la cavità di una molteplicità di risuonatori tra loro comunicanti (che si comportano come singole cavità), può essere o no riempita con materiale poroso. Tale trattamento consente di allargare lo spettro di frequenze in cui si ha il massimo fonoassorbimento senza inficiare il rendimento alla frequenza di risonanza.

 

La frequenza di risonanza di un risuonatore multiplo è data da:

 

 

Dove

 

s = spessore della lastra (cm)

d= diametro fori (m)

p = percentuale superficie forata

I = spessore intercapedine aria (cm)

 

 

 

PANNELLI VIBRANTI

 

Sono costituiti da pannelli rigidi piani, disposti parallelamente e ad una certa distanza dalla parete. Il sistema

può ancora essere assimilato ad una massa oscillante (il pannello) accoppiata ad un elemento elastico dotato di un certo smorza mento (l'aria racchiusa nell'intercapedine). La perturbazione sonora incidente mette in vibrazione il pannello che a sua volta diventa una sorgente di onde sonore; quando queste ultime sono in contro fase rispetto all'onda incidente (in corrispondenza della frequenza di risonanza) si ha un annullamento di queste ultime ed il massimo fonoassorbimento.

 

L'effetto fonoassorbente dipende dall'attrito interno al pannello, dal tipo di supporti a cui è fissato e dalla presenza di materiale fonoassorbente in intercapedine. Anche per questi pannelli è possibile definire una frequenza di risonanza:

 

 

dove:

σ = densità superficiale del pannello (kg/m²)

d = distanza del pannello dalla parete (m)

 

La funzione fonoassorbente è massima in corrispondenza della frequenza di risonanza e diminuisce attorno

a tale valore, pertanto essi presentano un assorbimento molto selettivo; dato che la frequenza di risonanza

si attestano su valori medio-bassi, possono essere utilizzati come complemento 'ai pannelli fonoassorbenti

porosi, più efficaci alle medio-alte frequenze.

Le proprietà assorbenti dei risuonatori e dei pannelli vibranti vengono espresse in area equivalente di assorbimento acustico [m2]. La previsione teorica di tali valori risulta particolarmente complessa per cui si consiglia di fare riferimento a risultati sperimentali.

 

 

LA RIVERBERAZIONE

 

Una delle esigenze primarie legata all' utilizzo di spazi chiusi per conferenze o per ascolto di musica è che il

livello di pressione sonora sia sufficientemente elevato e distribuito con uniformità in modo che ciascun ascoltatore possa percepire il messaggio trasmesso indipendentemente dalla zona in cui essi si trovi. Per una corretta progettazione dei trattamenti acustici degli ambienti chiusi è necessario ricordare che per effetto delle riflessioni multiple sulle superfici che lo delimitano, l'emissione acustica di una sorgente produce in qualsiasi punto due campi acustici che si sommano, Il primo è detto campo sonoro diretto, mentre il secondo è detto campo riverberante ed è essenzialmente dovuto alla riflessione dell'energia sonora sulle superfici che delimitano l'ambiente; in prossimità della sorgente il livello Lp sarà determinato prevalentemente dal campo diretto, mentre a distanze maggiori prevarrà il campo riverberante, Pertanto una volta accesa la sorgente e trascorso un periodo transitorio dipendente dalle dimensioni dell'ambiente, si instaurerà una condizione acustica stazionaria in cui la potenza sonora emessa dalla sorgente è uguale a quella dissipata nell'ambiente.

 

(foto)

 

Così come si assiste ad un transitorio dopo l'accesone della sorgente, si avrà un regime transitorio dopo il

suo spegnimento; in particolare il livello sonoro rimarrà costante per un tempo td necessario per percorrere la distanza sorgente-ricevitore, dopodiché esso diminuirà (in quanto vengono a mancare le componenti dovute alle riflessioni sulle pareti) con una velocità dipendete dalle caratteristiche fonoassorbenti delle pareti dell'ambiente. Tale fenomeno viene detto riverberazione e può essere caratterizzato dal tempo di riverberazione T60, definito come il tempo necessario affinché il livello di pressione sonora diventi uguale ad un milionesimo del livello di regime, in pratica il tempo necessario affinché Lp diminuisca di 60dB rispetto al valore iniziale.  Tale parametro è molto utile nel definire le caratteristiche acustiche di un locale in quanto ambienti troppo riverberanti compromettono la comprensione della parola e della musica, in quanto i suoni associati alle sillabe o note musicali permangono per troppo tempo nell'ambiente, sovrapponendosi e compromettendo l’ intellegibilità del messaggio; dall'altra parte ambienti con ridotta riverberazione non consentono una distribuzione uniforme del suono.

 

Nel caso di un ambiente in cui il suono sia diffuso uniformemente è possibile esprimere il tempo di riverberazione utilizzando la formula si Sabine:

 

(foto)

 

 

 

Dove

V = volume dell'ambiente

αi = coefficiente assorbimento acustico i-esima superficie

Si = rea i-esima superficie

 

tale formula è stata dedotta ipotizzando la presenza di un campo completamente riverberante e sotto alcune ipotesi semplificative; in alternativa T60 può essere espresso facendo uso della formula di Eyring, che possiede un campo di validità più ampio:

 

 

Dove

V = volume dell'ambiente

αm = coefficiente assorbimento acustico medio dell'ambiente

S = superficie totale ambiente

 

Essendo i coefficienti di assorbimento dipendenti dalla frequenza, anche il tempo di riverberazione sarà caratterizzato da un andamento in frequenza; esistono pertanto in letteratura numerosi grafici che riportano l'andamento ottimale di T60 in funzione del volume e della destinazione di uso del locale; la progettazione del trattamento acustico delle pareti dovrà avere come obiettivo il raggiungimento dei valori/andamenti, considerati come ottimali.

 

 

 

 

REQUISITI LEGISLATIVI VIGENTI

 

Il DPCM 5/12/97 fa riferimento al tempo di riverbero come parametro per la correzione delle misure di isolamento acustico e livello di rumore da calpestio; l'attuale sistema legislativo italiano fissa dei valori limite per il tempo di riverbero per i locali destinati all'edilizia scolastica.

In particolare il DM 18/12/1975 "Norme Tecniche Aggiornate relative all'Edilizia Scolastica" all'art 5.1 "Condizioni Acustiche" fissa i limiti massimi del valore medio del tempo di riverberazione, misurato alle frequenze di 250, 500, 1000 e 2000 Hz, per le aule e le palestre:

 

1,2 s per le aule (aula arredata con max 2 persone)

2,2 s per le palestre 8qualora non siano utilizzate come auditorio)

 

Tali valori sono quelli specificati nella circolare del ministero dei lavori pubblici 3150 del 22 Maggio 1967, come previsto dalla nota allegata alla tabella B del DPCM 5/12/97. Pertanto la corretta individuazione e progettazione dei trattamenti acustici di pareti e soffitti consente il soddisfacimento di tali requisiti, essenziali per ottemperare al collaudo acustico della struttura.