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  • Mercoledì 01 Luglio 2009 09:11
  • Scritto da David Guanciarossa

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Correzione acustica dei piccoli ambienti (III parte)

 

L'assorbimento

Dell'energia sonora emessa da una sorgente in ambiente chiuso, una parte viene riflessa, l'altra riesce a penetrare nelle pareti, dove viene a sua volta in parte dissipata, cioè assorbita (fig. 1).

energia sonora

L'entità di questo fenomeno è essenzialmente funzione della natura del materiale nel quale il fenomeno è osservato, oltre che di altri fattori: un battitto di mani, davanti ad una parete ricoperta di maiolica, al nostro orecchio, risulterà più aspro e «sonoro» di quanto non accadrebbe se ripetessimo l'esperienza di fronte ad una superficie ricoperta, ad esempio, da un folto tappeto. Il rapporto tra energia riflessa e incidente definirà la proprietà della parete e, poichè quella riflessa sarà minore o al massimo uguale a quella incidente, tale rapporto varierà tra 0 e 1 (I):

formula

con LR e Li rispettivamente livelli delle pressioni acustiche del suono riflesso e di quello incidente.

La rimanente parte d'energia sarà espressa da (II):

formula

La II) riveste, però, poco significato per le applicazioni pratiche, quasi tutte basate su relazioni di carattere sperimentale; per la grande generalità dei casi che a noi possono interessare si definisce, invece, un coefficiente di assorbimento (di Sabine) (III):

formula

con Am e Ao = coefficienti legati a condizioni sperimentate. In camera riverberante in presenza (Am ) e in assenza (Ao ) di unità assorbenti, S = la superficie ricoperta da materiale assorbente e ao sab = il coefficiente di assorbimento di Sabine per la camera non trattata. I coefficienti Am e Ao sono legati al tempo di riverberazione T dalla relazione (IV):

formula

e sono quindi ottenibili qualora sia misurato sperimentalmente TR . Con la III) si è in grado di ricavare per ogni materiale e per ogni frequenza incidente, accettando un certo grado di indeterminazione il coefficiente di assorbimento del quale alcuni valori sono riportati nella tabella della II parte (2), dove sono state date anche alcune indicazioni sul significato pratico di essi.

Tipi di materiali assorbenti

Il meccanismo dell'assorbimento da parte di un materiale avviene in diversi modi, a seconda se è di struttura porosa o compatta; in questo secondo caso il comportamento è strettamente dipendente dal modo in cui il materiale stesso è montato e avremo, per distinguere altre due categorie, risuonatori acustici e pannelli vibranti. Tra i materiali porosi rivestono grande importanza per una radicale ed efficace correzione acustica, quelli disponibili sotto forma di pannelli, facilmente reperibili in commercio e applicabili come rivestimento delle pareti o del soffitto, quali, ad es., pannelli di agglomerato di legno, di fibre vegetali, di fibre minerali. I pori di queste strutture sono talmente piccoli che l'aria in essi contenuta risulta essere un materiale viscoso a causa della sua adesione alle pareti, con l'effetto di dissipazione dell'energia sonora incidente il pannello. In altre parole, l'aria contenuta in un foro si comporta come un pistone elastico sensibile all'onda di pressione sonora incidente. Il potere assorbente varia sensibilmente: 1) con le frequenze del suono (fig. 2),

coefficiente assorbimento

e per la lana di vetro risulta massimo a 4.000 Hz; 2) con la densità del materiale (rapporto tra il volume di aria contenuta e il volume totale); 3) con lo spessore. L'influenza della densità è emessa in evidenza dal grafico della fig. 3,

coefficiente assorbimento

dove il coefficiente di assorbimento risulta massimo a tutte le frequenze per il tipo di lana di vetro più pesante (90 Kg/m3)), pur non modificandosi sostanzialmente il comportamento globale da quello del tipo più leggero (30 Kg/m3). Per aumentare l'effetto alle basse frequenze è necessario aumentare lo spessore (fig. 4)

coefficiente assorbimento

del materiale o distanziarne la sua applicazione dalle pareti, ponendo il pannello a una distanza dalla parete pari a 1/4 della lunghezza d'onda (3) della frequenza incidente (fig. 5):

distanza parete

in questo modo la velocità delle particelle d'aria diventa massima, con conseguente massimo effetto dei fenomeni dissipatori. In fig. 6

coefficiente assorbimento

è indicato il fenomeno per due diversi spessori di lana di vetro, montati entrambi o direttamente sulla parete o alla distanza di 5 cm da essa: è evidente il beneficio per le frequenze intorno a 500 Hz nel caso del pannello di spessore maggiore montato a distanza dalla parete. La lana di vetro fa parte della vasta famiglia dei materiali a base di fibre minerali ricavati dall'amianto, dalla pomice, dal silicati, dall'ossido di magnesio o da roccia fusa e trattata (lane di roccia, di vetro etc.). In fig. 7

coefficiente assorbimento

è riportato l'andamento del coefficiente di assorbimento per due diversi spessori di pannello di agglomerato di lunghi trucioli di legno, con risultati non molto dissimili da quelli visti per la lana di vetro: il coefficiente di assorbimento aumenta con lo spessore del pannello, ma il potere assorbente è maggiormente accentuato nella zona dei 500+-1000 Hz.

Per i pannelli in fibre vegetali vale la fig. 8:

coefficiente assorbimento

pur non presentando valori assoluti del coefficiente di assorbimento superiori a quelli dei tipi già visti, hanno il vantaggio di una minore selettività, cioè di un andamento relativamente uniforme entro una vasta banda di frequenze. Sono costituiti essenzialmente da legno sotto forma di segatura, fibre di cocco o prodotti agglomerati compressi o impastati con leganti; la loro efficacia è legata alla porosità della superficie ed è opportuno non dipingerli sulla parte esposta, se non si vuole rischiare di otturarne i fori.

Tra le strutture assorbenti più antiche e comuni vanno classificati i tappeti, gli arazzi, le moquettes e simili; rispetto a prodotti piu recenti danno ancora buoni risultati, tranne che per le basse frequenze, dove sono largamente superati da risuonatori acustici o pannelli vibranti. Il grande vantaggio nell'uso dei tappeti come materiale assorbente consiste nell'alto grado di flessibilità che è possibile ottenere nei problemi di correzione acustica, col variarne la qualià (più sono spessi, maggiore è rassorbimento) e la quantità.

La seconda categoria delle strutture assorbenti è quella dei risuonatori acustici. Si basano sul principio della risonanza della massa d'aria contenuta in una cavità (fig. 9)

risuonatore acustico
funzionamento risuonatore

comunicante con l'esterno tramite un foro di diametro e profondità opportuni: un suono incidente provoca nell'aria contenuta in A un movimento oscillante che preme sull'aria della cavità B, che si comporta, perciò, come elemento smorzante. Analogamente a quanto visto per i materiali porosi, quando la frequenza del suono incidente è pari alla frequenza propria di oscillazione della massa in A, la velocità dell'aria in tale zona diventa massima, con conseguente massimo effetto dissipativo della massa d'aria contenuta nella cavità. Per un risuonatore con foro a sezione circolare, la frequenza di risonanza è data da (V):

formula

con U = velocità del suono, S = superficie d'imbocco, V = volume della cavità, r = raggio del foro.

Un'espressione analoga dà fr. in funzione del volume v del collo del risuonatore e del volume V (VI):

formula

valida per unità a sezione cubica con sezione della superficie S quadra. Un aumento del potere dissipativo può essere ottenuto creando ostacolo meccanico al movimento dell'aria stessa, introducendo del materiale assorbente nella cavità, in quantità tale, però, da non alterare le proprietà di risonanza del sistema oscillante. Il comportamento di questi pannelli è fortemente selettivo e, quindi, adatto a soluzione specifiche. L'andamento del coefficiente di assorbimento in funzione della frequenza è indicato in fig. 10,

variazione coef assorbimento

dove è anche mostrato l'effetto (caso B) ottenibile con il riempimento di materiale poroso della cavità: in tal caso si ha un duplice risultato, quello cioè di aumentare il potere assorbente e di diminuire il potere selettivo. L'applicazione più diffusa di tale tipo di pannello è quella che si ottiene montando su un soffitto una piastra forata spessa e rigida, che si dispone ad una certa distanza in modo da ottenere una cavità che si riempie parzialmente di materiale assorbente. Per questo tipo di pannello vale la relazione V, che è tradotta nel diagramma della figura 11;

coeff assorbimento

il cui uso è indicato più avanti. Elementi di progettazione sono: la percentuale dell'area di foratura rispetto all'area del pannello, la distanza h della piastra dalla parete, il ceofficiente b = l + 1,6r con l = spessore della piastra e r = raggio dei fori. L'uso del diagramma permette di ricavare la frequenza di risonanza, la frequenza, cioè, rispetto alla quale l'assorbimento è massimo. Tale assorbimento espresso in unità assorbenti (4) può essere calcolato con l'espressione

formula

corrispondente alla frequenza di risonanza. Viceversa, assegnata la frequenza per la quale si vuole ottenere il massimo assorbimento, possono essere calcolati tutti gli elementi di progettazione per la piastra. É intuitivo che il corretto funzionamento di una tale struttura è subordinato alla scelta più opportuna dei valori da assegnare ai parmetri in gioco (diametro dei fori, distanza della piastra dalla parete rigida e così via), valori i cui limiti possono essere ricavati dalla lettura del succitato diagramma. Le forature della piastra possono essere anche di forma rettangolare e valgono per il loro dimensionamento relazioni analoghe alle precedenti; a titolo di esempio si veda la fig, 12,

var. coeff assorbimento

che riporta l'andamento del coefficiente di assorbimento per una piastra di compensato dello spessore di 4 mm. Un'altra espressione per il calcolo dei pannelli perforati e data da:

formula

con u = velocità del suono (340 m/s), e = rapporto tra la somma delle superfici dei fori e la superficie totale, D = distanza del pannello dalla parete, E = spessore del pannello.

Comunque sia, l'inconveniente e il pregio insieme dei risuonatori sta nel fatto che sono efficaci solo per una stretta banda di frequenze molto prossime a quella di risonanza (potere selettivo).

II terzo tipo di strutture assorbenti è quello dei pannelli vibranti o risuonatori meccanici; si tratta di membrane vincolate a supporti, suscettibili di entrare in vibrazione, allorchè investite dall'energia sonora, per alcune frequenze proprie (frequenze di risonanza) dipendenti dal tipo di fissaggio e dalla forma del pannello stesso. In queste condizioni l'energia sonora si trasforma in energia meccanica con conseguente dissipazione per opera dei vincoli del pannello e dell'aria compresa tra il pannello e la parte rigida retrostante. Nella figura 13

pannello vibrante
andamento coeff. assorb

è indicato schematicamente un tipo di tali pannelli.

Per un sistema costituito di materiale relativamente leggero (compensato di legno ad es.), fissato su telaietti e traversine di legno duro, montato ad una distanza di pochi centimetri dalla parete e parzialmente riempito di materiale assorbente, la frequenza di risonanza è:

formula

con G = peso del pannello e d = distanza dalla parete in cm.

Anche queste strutture sono selettive ed efficacissime per lo smorzamento delle frequenze più basse (50-300 Hz).

______________________________

(3) Così per una frequenza di 1000Hz, essendo ? = 34 cm (340 m/sec : 1000) la distanza ottimale è di formula
(4) Cfr. Correzioni acustice parte II


In pratica

La correzione acustica di un ambiente è essenzialmente realizzabile tramite l'uso di un'opportuna disposizione di materiale assorbente. Numerosi sono i materiali atti allo scopo che possono essere raggruppati in tre grandi categorie:

1) Materiali porosi.

- Truciolati di legno a lunghe fibre di spessore non superiore a 5 cm; possono essere verniciati, ma in modo da non otturare i pori; montati a una certa distanza dall'osservatore hanno un aspetto sufficientemente compatto; incombustibili.
- Pannelli di fibre vegetali; non lavabili e combustibili, il loro rendimento diminuisce sensibilmente qualora verniciati o soltanto impolverati.
- Pannelli di lana minerale, cioè di lana di vetro, di silice, di roccia; di aspetto inalterabile, sono ininfiammabili.
- Intonaci porosi: hanno il vantaggio di adattarsi a qualsiasi forma della parete sottostante e possono risolvere in maniere molto elegante il problema dell'assorbimento; poiché ogni ripresa e' visibile, devono essere stesi sulla parete in un'unica mano; possono essere tinteggiati e richiedono mano d'opera specializzata.
- Feltri e materiale poroso da imbottitura; la loro efficacia varia grandemente con lo spessore, che può andare un 1,5 a 5 cm; i materiali con fibre più fini sono più assorbenti per le frequenze elevate: lane, ovatta e in genere derivati tessili offrono buoni risultati, mentre sono da evitare quei materiali sintetici, come gommapiuma o polistirolo espanso, perchè cellulari non porosi. Per la posa in opera si può ricorrere a tralicci di legno o a cartoni, ai quali vengono cuciti (non incollati) o fissati con chiodi. Qualora esigenze estetiche si impongano non è possibile lasciare in vista tali materiali e particolari accorgimenti vanno presi allo scopo di non ostacolare la loro azione assorbente, qualora siano retrostanti ad altro materiale di finitura. Tra le stoffe, ad es., si prestano bene quelle porose come la tela di juta o qualsiasi altro tessuto, purchè sufficientemente poroso e usato in maniera da non comprimere troppo il materiale assorbente che altrimenti perderebbe il suo potere.

2) Risuonatori acustici.

Possono essere molteplici e distinti come ad es., una serie di bottiglie delle dimensioni più svariate, incastrate in una parete e con il collo rivolto all'ambiente, oppure a piastre, come ad es. un controsoffitto di legno forato, montato in modo da formare intercapedine con la parete retrostante. Nel primo caso ognuna delle bottiglie si comporta come un risuonatore la cui frequenza di risonanza è data della VI. Nel caso della piastre, il diametro del fori, la loro percentuale rispetto alla superficie totale, lo spessore e la distanza della parete sono parametri strettamente callegati, che in parte possono venire determinati in funzione della frequenza per la quale desidera avvenga il massimo assorbimento (frequenza di risonanza); ad es. (vedi il diagramma della fig. n. 11),

monogramma

per una frequenza di risonanza di 200 Hz, per un raggio dei fori di 1 cm, per una percentuale del fori del 5% e per uno spessore del pannello l = 2 cm si ottiene in corrispondenza di:

b = 1 + 1,6 r = 2 + 1,6 . 1 = 3,6
p = 5%

una retta che interseca la retta m nel punto M che, unito con il valore di 200 Hz fornisce la distanza h del pannello dalla parete:

h = 10 cm
3) Pannelli vibranti.

Sono piastre (di legno compensato, ad es.) sottili ed elastiche, poste a qualche centimetro dal muro tramite l'ausilio dl telai; poiché la frequenza di risonanza è da:

formula

con G = peso del pannello in Kg/m2 e d = distanza dalla parete in centimetri, si ha ad es. per un pannello di 6 Kg/m2, posto a 6 cm da un parete, poichè

formula

il massimo assorbimento avviene intorno al 100 Hz; per una piastra di lamierino del peso di 10 Kg/m2, posto a 6 cm si ha una fr di 75 Hz e così via.

Ai materiali di cui sopra si ricorrerà allorchè, in base a criteri precedentemente esposti (V. parte I e II), si rendano necessarie radicali trasformazioni; non va dimenticato, però, che, spesso è raggiungibile una soddisfacente correzione tramite comuni elementi di arredo (4). Tra questi abbiamo già visto giocare un ruolo importante tappeti, cuscini, tende, poltrone imbottite etc., che possono svolgere una forte azione assorbente qualora siano usati in una certa quantità (da coprire almeno i 2/3 del pavimento); la soluzione ideale, da questo punto di vista, è quella di coprire il pavimento di folta moquette, tesa da parete a parete sopra uno strato di feltro. Una tenda coprente l'intera parete della finestra e cadente con abbondanti volute può svolgere un'azione molto efficace, soprattutto se staccata dalla parete di parecchi centimetri.

Con tali materiali il potere assorbente è esteso soprattutto nella zone delle frequenze alte e medie e la loro azione può, quindi, risultare complementare a quella ad es. dei pannelli in legno perforati. Anche le stesse persone presenti nel locale d'ascolto svolgono una efficace azione assorbente, ma questa è strettamente legate alla loro... taglia e alla consistenza del vestiti indossati. Infine, l'uso di più materiali con diverse caratteristiche di assorbimento alle varie frequenze renderà più omogenea ed efficace le correzione acustica, evitando che la selettività di alcuni produce una disuniforme risposta dell'ambiente.

Una volta stabilito il tipo e la quantità del materiale assorbente da introdurre, va curata la distribuzione dello stesso in funzione della geometria e dell'estetica dell'ambiente. Per dimensioni domestiche il problema non assume quasi mai aspetti particolarmente gravi, ma è comunque opportuna una distribuzione uniforme possibile sotto forma di strisce o pannelli: in tal modo all'azione assorbente propria del materiale, si aggiungerà quella diffondente dai bordi dei pannelli stessi.


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