Fisica Tecnica Ambientale - CIRIAF · Fisica Tecnica Ambientale Lezione del 7 maggio 2015 Ing....

Fisica Tecnica Ambientale

Lezione del 7 maggio 2015

Ing. Francesco D’Alessandro

[email protected]

Università degli Studi di Perugia

Sezione di Fisica Tecnica

Corso di Laurea in Ingegneria Edile e Architettura A.A. 2014/2015

Argomenti

ACUSTICA

• Introduzione

• Pannelli fonoassorbenti

• Strutture fonoisolanti

• Progettazione e correzione acustica di una sala

• Indici di valutazione del rumore

• Fonometro

Introduzione

Il rumore ambientale: non lo scopriamo oggi… Perché, mi domandi, io mi rinchiuda nel piccolo arido podere

nomentano e desideri il sudicio focolare della mia casa di campagna?

A Roma, o Sparso, per un povero non esiste luogo né per pensare

né per riposare (in pace). La mattina i maestri di scuola,

la notte i fornai e per tutto il giorno

i calderai rendon la vita impossibile:

di qua l'ozioso cambiavalute scuote il

sudicio tavolo col mucchio di (monete) Neroniane,

di là il battitore pesta col lucido mazzuolo

la frantumata pietra aurifera di Spagna;

e non si placa la fanatica turba della dea Bellona,

e non smette di ciarlare il naufrago avvolto nelle bende,

né d'elemosinare il giudeo istruito dalla madre,

e neanche di gridar cessa il cisposo venditore ambulante di zolfanelli.

Chi può enumerare le interruzioni d'un indolente sonno?

Ti dirà quante mani battano in città vasi di bronzo

quando la luna tagliata (dall'eclisse) è colpita dalla magica ruota della Colchide.

Tu, Sparso, ignori questo, né puoi capirlo,

dedito ai piaceri nel confortevole palazzo di Petilia,

dove una sontuosa casa ti fa contemplare dall'alto la cima dei monti,

e che possiedi un terreno in Roma ed un vignaiolo romano,

ed una vendemmia non superata neanche sul colle di Falerno,

ed un ingresso alla tua casa così ampio da far passare un carro,

e che dormi in un luogo recondito, dove lingua alcuna

può turbar la quiete, ed il sole non è ammesso se tu non lo desideri.

Io son svegliato dal riso della folla che passa (per la strada),

e l'intera Roma è presso il mio letto. Quando son stanco

dei fastidi e desidero dormire, mi reco al mio podere.

Marziale, XII.57 - a Sparso

La maggior parte degli infermi qui (in Roma) muore cercando di dormire (ma la malattia stessa è provocata dal cibo non digerito a causa dello stomaco febbricitante); ma chi si può concedere il meritato sonno? in Roma si dorme a caro prezzo. E così la gente si ammala. Il transito dei carri negli stretti vicoli contorti e le imprecazioni ai buoi che non si muovono porterebbero via il sonno al Druso e financo ad un vitello di mare.

Giovenale, Satira III.232-238 - I rumori della notte

Roma

I secolo d.C.

Suono vs. rumore

5 Source: notes by J. S. Lamancusa, Penn State University

Suono vs. rumore

• La maggior parte delle definizioni di rumore sottintendono una connotazione negativa

• La definizione di rumore riportata nel DPCM 1° marzo 1991 è la seguente: qualunque emissione sonora che provochi sull’uomo effetti indesiderati, disturbanti o dannosi, o che determini un qualsiasi deterioramento qualitativo dell’ambiente.

6

Suono vs. rumore

• Ma cos’è un suono indesiderato?

• La definizione di “SUONO INDESIDERATO” presuppone un giudizio umano, che è soggettivo e dipende dal contesto.

7

Suono vs. rumore

• Non tutti i suoni troppo elevati sono “rumore”!

• Molti forniscono informazioni necessari per comprendere il mondo che ci circonda, alcuni possono salvarci la vita.

8

• Anche la troppa quiete può provocare disturbo!

9

Suono vs. rumore

Suono vs. rumore

• Silenzio non vuol dire comfort e rumore non vuol dire fastidio!

• I suoni possono essere registrati (come marchi commerciali).

10

Brown, Rethinking “Quiet Areas” as “Areas of High Acoustic Quality”

Il suono è un fenomeno fisico a carattere ondulatorio; l'intorno

dello spazio in cui esso è presente prende il nome di campo

acustico.

Il campo acustico, a differenza di quello elettromagnetico, richiede

sempre la presenza di un mezzo materiale, solido, liquido od

aeriforme, ma comunque elastico, capace cioè di mutare la

distribuzione delle proprietà fisiche, ed in particolare della densità,

in conseguenza di sollecitazioni esterne.

Le grandezze acustiche

Il meccanismo di propagazione di un'onda sonora può essere descritto

supponendo che il mezzo elastico sede del fenomeno sia costituito da

particelle fisse nello spazio, in assenza di forze agenti. Imprimendo una

sollecitazione, la particella vibra attorno alla posizione di equilibrio ed urta

quelle adiacenti; il fenomeno si ripete per tutto il volume, determinando un

trasferimento di energia.

La densità delle particelle nel mezzo è variabile: le zone a maggiore e minore

densità si alternano nel verso della perturbazione, e strati contigui

subiscono continue trasformazioni di compressione e di espansione.


13

Wavelenght

l


14


Velocità del suono c Nei gas ideali dipende unicamente dalle proprietà fisiche del mezzo:

La velocità del suono in aria può essere espressa in funzione della temperature (in °C) come:

La velocità della luce è circa 3*108 m/s!

15

0

0Pc

ρ

γ

v

p

c

cγ

C20 @ m/s 343

s

m t0.6331.2c


16


Velocità del suono c


La presenza del fenomeno sonoro induce una perturbazione di pressione che si sovrappone alla pressione statica del mezzo. La pressione acustica è la differenza tra la pressione totale P(x, y, z, t) in presenza del fenomeno sonoro, in un certo punto dello spazio in un certo istante, e la pressione statica del mezzo (atmosfera) P0, che oscilla a causa delle variazioni atmosferiche, ma, in prima approssimazione, può considerarsi costante e indipendente da x, y, z, t. Di solito: 20 µPa ≤ p ≤ 20 Pa pmin = 20 µPa minima pressione acustica udibile dall’uomo con un tono puro a 1.000 Hz P0 ≈ 100 kPa = 1 atm valore di riferimento

0Pt)z,y,P(x,t)z,y,p(x,

Potenza sonora W La potenza sonora W descrive l’abilità di una sorgente sonora di emettere suoni e si misura in Watt (W)

La potenza sonora dipende solo dalle caratteristiche della sorgente e non dalle condizioni ambientali e al contorno.

18


Pressione e potenza sonora non sono la stessa cosa!

19

Potenza sonora W (W) e livello LW (dB)

RIFERITA ALLA SORGENTE SONORA

Intensità sonora I (W/m2) e livello LI(dB) RIFERITE AL CAMPO

SONORO Pressione sonora P (Pa) e livello Lp(dB)

Pressione sonora e potenza sonora sono due grandezze separate e non vanno

confuse!!

La potenza sonora è unicamente correlata all’emissione della sorgente ed è

indipendente dalla distanza da essa mentre la pressione sonora dipende dalla

propagazione e dipende quindi dalla distanza dalla sorgente e dalle altre condizioni

al contorno!!!

20 Analogia tra energia sonora e termica

Pressione e potenza sonora non sono la stessa cosa!


Intensità acustica: è l'energia trasportata dall'onda acustica che nell'unità di tempo attraversa una superficie unitaria disposta ortogonalmente alla direzione di propagazione Densità di energia acustica: è l'energia acustica contenuta all'interno di un volume infinitesimo dV nell'intorno di un punto di coordinate x, y, z

dV

dEt)z,y,D(x,

ndA

β)dW(αβ)J(α

[W/m2]

[J/m3]


Pressione acustica p (x, y, z, t) e velocità di oscillazione delle particelle u (x, y, z, t) sono variabili nello spazio e nel tempo; è utile considerare i valori efficaci:

essendo τ l'intervallo di tempo nel quale viene effettuata la media. I valori efficaci non dipendono dal tempo, ma soltanto dalle coordinate del punto.

Se l'andamento è sinusoidale puro ed il tempo τ è pari al periodo:

τ

0

2

eff dtt)z,y,(x,p τ

1z)y,(x,p

τ

0

2

eff dtt)z,y,(x,u τ

1z)y,(x,u

maxmaxeff P0,707P2

2z)y,(x,p maxmaxeff 0,707

2

2z)y,(x, uuu


Le grandezze acustiche hanno campi di variabilità molto estesi. È perciò comodo ricorrere a scale di tipo logaritmico. Per le grandezze acustiche si utilizzano i livelli in luogo dei valori assoluti. L'unità di misura dei livelli è il decibel (dB). Livello di potenza acustica: con potenza di riferimento W0 = 10-12 Watt (Normativa ANSI S1.8 - 1989). Per una potenza acustica uguale alla potenza di riferimento W0 = 10-12 Watt , il livello di potenza è pari a:

0

WW

Wlog10L

dB010

10log10L

12-

-12

W0


Livello di pressione acustica: Livello di intensità acustica: Livello di densità di energia acustica: Valori numerici delle grandezze di riferimento fissati dall’ANSI: P0 = 2∙10-5 Pa per i gas e l’aria P0 = 10-6 Pa per altro (tranne i gas) J0 = 10-12 Watt/m2

D0 = 10-12 J/m3

0

eff

2

0

2

eff

pP

plog20

P

plog10L

0

JJ

Jlog10L

0

DD

Dlog10L

Variabilità del livello di pressione sonora

50 dB + 50 dB ≠ 100 dB!!

Se sue suoni con la stessa intensità sono prodotti simultaneamente, il livello

risultante è incrementato di 3 dB.

Se la differenza tra i due livelli di intensità è superiore a 15 dB, l’intensità

sonora risultante è circa uguale a quella del suono di livello più elevato.

26

10

p2L

10

p1L

101010logLptotp2p1ptot LLL

Il comfort acustico

• Un individuo si trova nelle condizioni di comfort acustico quando non è disturbato nella sua attività dalla presenza di altri suoni e non subisce danni all'apparato uditivo provocati da un’esposizione più o meno prolungata a fonti di rumore.

• Quindi comfort significa, in generale, “protezione dal rumore”, ovvero da una qualsiasi perturbazione sonora, interna o esterna all’ambiente, che dia luogo ad una sensazione acustica soggettivamente giudicata sgradevole e fastidiosa.

L'esposizione umana al rumore produce effetti classificabili come:

Fastidio o annoyance É costituito da un senso di insoddisfazione dell'individuo nei confronti dell'ambiente sonoro circostante; è la risposta soggettiva ad un rumore di modesta intensità media, di durata prolungata o ripetitiva.

Disturbo Si ha quando, all'insoddisfazione per l'ambiente sonoro circostante, si aggiunge una qualunque alterazione temporanea delle condizioni psicofisiche dell'individuo. Nel disturbo la risposta soggettiva al rumore induce effetti fisiopatologici.

Danno É una qualunque alterazione, non reversibile o solo parzialmente reversibile e clinicamente accertabile, dello stato di salute di un individuo; l'alterazione in genere riguarda direttamente la funzione uditiva, e può sfociare in ipoacusia o sordità, ma in taluni casi può essere anche di tipo extrauditivo. Il danno é una risposta soggettiva a rumori di forte intensità e di breve durata, ad esempio esplosioni, oppure ad una prolungata e ripetitiva esposizione al rumore, di particolari ambienti di lavoro o di certi ambienti di svago, quali le discoteche.

Effetto del rumore sull’uomo

29

Disability-adjusted life year


Disturbo percepito al variare delle sorgenti

30


Gli effetti dell'esposizione umana al rumore dipendono delle caratteristiche di intensità media, durata e tipologia dello stimolo sonoro.

Per tipologia si intendono le caratteristiche del rumore legate alla sua composizione spettrale ed alla evoluzione temporale della pressione sonora istantanea come, ad esempio, le caratteristiche tonali in bassa frequenza, impulsive, a tempo parziale, etc.

A titolo indicativo sono riportati i valori dell'intensità acustica media che, per una prolungata esposizione, possono provocare gli effetti sopra descritti. La sovrapposizione dei valori é dovuta alle diverse reazioni soggettive degli individui, alla durata dello stimolo acustico, alla tipologia del rumore ed al periodo, diurno o notturno, di esposizione.

INTENSITÀ MEDIA dB(A)

EFFETTI

da 30 a 65 fastidio

da 50 a 85 disturbo

oltre 80 danno

Effetti del rumore sull’uomo

Non è così semplice…

32

74,2 dB 75,1 dB 74,7 dB

33

Non è così semplice…

Indici di valutazione del rumore

La definizione di rumore riportata nel DPCM 1° marzo 1991 è la seguente: qualunque emissione sonora che provochi sull’uomo effetti indesiderati, disturbanti o dannosi, o che determini un qualsiasi deterioramento qualitativo dell’ambiente. Nello studio degli effetti del rumore sull'uomo occorre tenere presente il carattere soggettivo ed individuale della risposta al rumore. È per tale ragione che l'approccio metodologico seguito è di natura statistica, basato sul comportamento medio di una comunità di persone; solo in questo modo é possibile individuare parametri oggettivi in grado di correlare le sensazioni soggettive alle caratteristiche fisiche del suono indesiderato. Dal 1933 ad oggi sono stati proposti oltre 40 indici di valutazione del disturbo da rumore per quantificare la risposta soggettiva al rumore. La definizione degli indici fa in genere riferimento ai seguenti aspetti: composizione spettrale, livelli energetici per banda, intensità soggettiva della sensazione, livelli statistici, interferenza con la comunicazione verbale, tipologia del rumore (aereo, stradale, etc.), superamento del livello di rumore di fondo, risposte e reazioni della comunità.


Curve di ponderazione La curva di ponderazione A è quella più usata e serve ad approssimare la risposta dell’orecchio umano (corrisponde all’incirca all’isofonica a 40 phon rovesciata, usata sempre quando si valuta il disturbo). La curva di ponderazione C viene usata in particolare nella valutazione di suoni molto forti a frequenze molto basse (corrisponde all’incirca alla isofonica 100 dB). La curva di ponderazione D è usata per il rumore degli aerei. La curva di ponderazione B potrebbe essere usata per suoni mediamente forti (corrisponde circa alla isofonica di 70 dB, poco usata).

Frequenza [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000

Correzione Curva pond A

-16,1 -8,6 -3,2 0 1,2 1

Livello di pressione sonora ponderata A dove P0 = 20 μPa è la pressione acustica di riferimento, pA(t) la pressione acustica istantanea ponderata A. Il livello di pressione sonora così definito si misura in dB(A) ed è ottenuto filtrando il segnale di pressione con un filtro ponderatore (curva A), che riproduce approssimativamente la sensibilità dell'orecchio umano al variare della frequenza, secondo la curva a 40 phon. L'uso del livello di pressione sonora ponderata A si è rapidamente diffuso da quando si è dimostrato che, nel caso di rumori a larga banda privi di componenti in frequenza dominanti, esiste generalmente una buona correlazione fra valori di livello espressi in dB(A) e l'entità del disturbo soggettivo associato al rumore.

2

0

ApA

P

(t)p10log(t)L


2

0

ApA

P

(t)p10log(t)L

Livello sonoro continuo equivalente ponderato A dove LpA(t) è il livello di pressione sonora istantanea ponderata A. Il livello equivalente può essere visto come quel livello di pressione sonora costante contenente la stessa energia del segnale di rumore variabile prodotto nello stesso intervallo di tempo dalla sorgente in esame.

T

0

10

(t)L

10TAeq, dt10T

110logL

pA


T

0

10

(t)L

10TAeq, dt10T

110logL

pA

Livello di rumore ambientale LA

È un indice che tiene conto del contesto ambientale e di un tempo di valutazione pari al tempo di riferimento TR corrispondente ad un intero periodo diurno (dalle ore 6.00 alle 22.00) o notturno (dalle ore 22.00 alle 6.00); la valutazione avviene considerando il LAeq,T nel tempo TR prodotto da tutte le sorgenti di rumore presenti in un determinato luogo, compreso il rumore di fondo, escludendo tuttavia eventi sonori, singolarmente identificabili, ma di natura eccezionale per quella zona.

Al fine di rendere il livello equivalente ponderato A ancora più rappresentativo del disturbo da rumore è stato introdotto il livello corretto Lc, che tiene conto della distribuzione in frequenza e della rapidità dello stimolo sonoro:

Lc = LA + KI + KT + KB dB(A) dove KI = 3 dB(A) se il rumore é caratterizzato dalla presenza di componenti impulsive, KT = 3 dB(A) se il rumore é caratterizzato dalla presenza di componenti tonali, KB = 3 dB(A) se il rumore é caratterizzato dalla presenza di componenti in bassa frequenza.


Secondo quanto stabilito dal DM 16 marzo 1998:

vi è componente tonale quando, effettuando un'analisi spettrale per bande di 1/3 di ottava nell'intervallo di frequenza compreso tra 20 Hz e 20 kHz, si ha che: 1) il livello di una banda supera i livelli delle bande adiacenti per almeno 5 dB; 2) il livello della banda che soddisfa la condizione 1) tocca una isofonica uguale o superiore a quella raggiunta dalle altre componenti dello spettro;

vi è componente in bassa frequenza se è presente una componente tonale nell'intervallo di frequenze compreso fra 20 e 200 Hz;



Cursore: 125 Hz LLeq=83,7 dB LLFMax=83,8 dB LLFMin=83,6 dB

=0015.S3D in Calcoli

12,50 31,50 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 16000 A L

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

dB 24/07/2000 11.07.22 - 11.07.32 Totale

Hz

LLFMin

>5dB

Secondo quanto stabilito dal DM 16 marzo 1998:

vi è componente impulsiva quando si verificano le seguenti condizioni: 1) l'evento è ripetitivo, cioè si verifica almeno 10 volte in un'ora durante il giorno e almeno 2 volte in un'ora durante la notte; 2) misurando il livello di pressione sonora ponderato A dell'evento con costante di tempo impulse LA,impulse e slow LA,slow, la differenza tra i valori massimi rilevati è superiore a 6 dB; 3) misurando il livello di pressione sonora ponderato A con costante di tempo fast LA,fast, la durata dell'evento con livello pari a (LA,fast,max – 10 dB) è inferiore ad 1 sec.



Fonte: www.spectra.it

Livello di rumore corretto diurno Lcd

L’indice Lc può subire una ulteriore correzione se valutato nel periodo di riferimento diurno TR, che va dalle 6.00 alle 22.00. Tale correzione, questa volta in diminuzione, si applica se la durata del rumore nel periodo TR diurno non supera un’ora. Il valore di Lc viene diminuito di 3 dB(A) se la durata é compresa tra 15 minuti ed 1 ora o di 5 dB(A) se é inferiore a 15 minuti. Livello differenziale di rumore LD

I criteri di valutazione dell'entità del disturbo su una popolazione possono ricondursi a due: superamento di determinati livelli limite ed entità del superamento del livello di rumore rispetto a quello misurato in assenza della sorgente disturbante (rumore residuo). In questo secondo caso si introduce il livello differenziale di rumore LD, che è appunto studiato per valutare il disturbo da rumore di una specifica sorgente. L'indice è valutato in base all'incremento del livello di rumore rispetto al livello residuo, presente quando la sorgente specifica è disattivata.


Analisi statistica dei livelli

I valori istantanei di livello di pressione sonora, che si ottengono dall'acquisizione di un segnale fluttuante nel tempo per un certo periodo di misura, possono essere, oltre che integrati per calcolare il LAeq,T, anche analizzati su base statistica, per calcolare il livello LN superato per l'N% del tempo dai livelli acquisiti durante il periodo di misura. I parametri più significativi sono:

N = 90 che fornisce L90, livello superato per il 90% delle volte, che fornisce indicazioni sul rumore di fondo;

N = 50 che fornisce L50, livello superato per il 50% delle volte, che fornisce indicazioni sul rumore medio;

N = 10 che fornisce L10, livello superato per il 10% delle volte, che fornisce indicazioni sul valore di picco del rumore.



Analisi statistica dei livelli

Relazione Festa Ingegneria 2015.pdf

I materiali fonoassorbenti

Materiali fonoassorbenti vs. fonoisolanti NON BISOGNA FARE CONFUSIONE!

Materiali fonoassorbenti: • trasformano una buona parte dell’energia acustica che attraversa il

materiale in un altro tipo di energia (solitamente calore); • servono per controllare le riflessioni del suono all’interno della sala

(riverberazione), per aumentare la qualità e/o l'intelligibilità di ascolto e il comfort acustico (si parla di trattamento acustico di una sala).

Materiali (meglio strutture!) fonoisolanti: • si oppongono alla propagazione sonora tra due ambienti o tra un

ambiente e l’esterno (o viceversa); • La loro funzione è quella di isolare acusticamente l’ambiente nel quale ci

troviamo da suoni provenienti da ambienti attigui o dall’esterno (ad esempio in un edificio residenziale) o, viceversa, di limitare la trasmissione in ambienti attigui o all’esterno di suoni provenienti dall’ambiente nel quale ci troviamo (ad esempio in un capannone industriale).

Quando un'onda sonora incide su una parete piana, l'energia acustica incidente (come nel caso dell'energia raggiante) è in parte riflessa, in parte assorbita e trasformata in calore all'interno della parete, in parte trasmessa oltre la parete.

In condizioni stazionarie:

dove Wass = potenza assorbita Wrif = potenza riflessa Wtra = potenza trasmessa Winc = potenza incidente

Coefficienti di assorbimento, riflessione e trasmissione della parete per l'energia acustica:

inctrarifass WWWW

inc

tra

inc

rif

inc

ass

W

W t

W

W r

W

Wa 1tra

Wass

Wrif

Winc Wtra Fig. 1.13: bilancio energetico

di un’onda acustica che inci-

de sopra una parete piana.

WI = potenza incidente

WR = potenza riflessa

WT = potenza trasmessa

WA = potenza assorbita


Un materiale è detto fonoassorbente se presenta un alto valore del coefficiente di assorbimento in alcuni intervalli di frequenze.

Le modalità di assorbimento del suono e gli andamenti del coefficiente di assorbimento in funzione della frequenza dipendono dal tipo di materiale e dal sistema d'installazione.

Di solito si fa riferimento non proprio al solo materiale, ma all'elemento assorbente così come viene installato (pannello).

Esistono 3 principali categorie di pannelli assorbenti:

• pannelli fonoassorbenti porosi;

• pannelli forati risonanti assorbenti;

• pannelli vibranti.

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I pannelli fonoassorbenti porosi sono costituiti da materiale poroso avente in superficie numerosi fori, dai quali si accede a cavità cieche di dimensioni e forma casuali

Quando una perturbazione acustica colpisce un pannello poroso, le particelle d'aria all'interno delle cavità vibrano e dissipano energia per attrito.

Maggiore è la velocità delle particelle, maggiore è la dissipazione.

Particolare della disposizione delle fibre di un materassino di kenaf

Pannelli fonoassorbenti porosi

Ingrandimento della struttura di una schiuma



Le prestazioni di un pannello poroso dipendono da: grado di porosità (volume d'aria nei canalicoli/volume totale del pannello); forma ed orientamento medio delle cavità; spessore dello strato poroso, che individua la posizione e l'ampiezza della

banda di frequenza per la quale il pannello è efficace.

Il coefficiente di assorbimento di un pannello fonoassorbente poroso, in funzione della frequenza è massimo per s*=l/4 essendo l'andamento della velocità di un tono sinusoidale una sinusoide della stessa frequenza, con valore nullo sulla parete e massimo a distanza pari a l/4;

Già per distanze pari a circa s*=l/6 si raggiungono valori elevati dell'assorbimento e convenzionalmente si adotta questo come spessore di massimo assorbimento.

Considerando c = 340 m/s ed esprimendo s* in mm:

f

56000

f

1000

6

340

f6

c

6s*

l


Pannelli fonoassorbenti porosi Lo spessore per il quale è efficace

il pannello aumenta al diminuire della frequenza, così che diventa impraticabile l'adozione di pannelli fonoassorbenti porosi per un buon assorbimento delle basse frequenze (ad es. per f = 125 Hz → s*=450 mm)

Modalità di installazione:

la dissipazione di energia è maggiore quando la velocità delle particelle è elevata (velocità nulla sulla parete, aumenta con la distanza da essa)

il pannello è montato distanziato, lasciando una intercapedine d'aria, anziché incollato sulla parete.



Materiali spessore

(m) densità (kg/m3)

frequenza di centro banda (Hz)

125 250 500 1000 2000 4000

Lana di vetro 0.025 40 0,24 0,32 0,65 0,77 0,79 0,81

Lana di vetro 0.025 100 0,25 0,41 0,86 0,94 0,84 0,81

Lana di roccia 0.025 35 0,06 0,19 0,39 0,54 0,64 0,75

Lana di roccia 0.1 35 0,42 0,66 0,73 0,75 0,77 0,79

Feltro morbido 0.012 0,16 0,04 0,10 0,21 0,57 0,92

Tessuto drappeggiato 0,07 0,31 0,49 0,81 0,66 0,54

Intonaco assorbente (vermiculite)

0.01 0,25 0,40 0,55 0,65 0,72 0,80

Intonaco assorbente (lana minerale)

0.02 0,08 0,16 0,52 0,87 0,98 0,98

Sughero 0.02 250 0,15 0,35 0,40 0,50 0,55 0,78


Pannelli forati risonanti

I pannelli forati risonanti assorbenti sono costituiti da una lastra di materiale non poroso in cui vengono praticati fori di dimensioni opportune; la lastra è installata ad una certa distanza dalla parete e si comporta come un insieme di risonatori di Helmholtz: cavità di volume V, delimitata da pareti rigide e collegata con l'esterno da un’apertura, denominata collo, di lunghezza L e sezione S. Il suono incidente fa vibrare l'aria contenuta nel collo e nella cavità di volume V.

L

cavità

Onda acustica incidente

V

d collo

La modalità di funzionamento di un risuonatore può essere facilmente dimostrata.

Quando si soffia nel collo di una bottiglia si produce un tono alla sua frequenza di risonanza. L’aria nella cavità è elastica e si comporta come una molla mentre quella nel collo si comporta come una massa che agisce sulla molla (sistema massa molla).

L’assorbimento è massimo alla frequenza di risonanza (solitamente alle medie frequenze) e diminuisce nelle frequenze circostanti.

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spring mass





l'assorbimento acustico è massimo per la frequenza di risonanza fr:

dove

Af = area totale dei fori

A = area del pannello

D = distanza fra pannello e parete

h = spessore del pannello

d = diametro di ciascun foro.

)d8.0h(AD

A

2

cf

f

r



I pannelli forati risonanti assorbenti sono impiegati nell'assorbimento delle medie frequenze: variando spessore del pannello, dimensioni dei fori, percentuale di foratura e distanza dalla parete, si può collocare la banda di assorbimento nel campo di frequenze desiderato.

Inoltre, nell'intercapedine fra pannello e parete, può essere posto materiale poroso, modificando così la frequenza di risonanza del pannello, poiché varia la costante elastica della cavità: si ottiene in questo modo un ulteriore controllo delle caratteristiche assorbenti del pannello.



Coefficiente di assorbimento di un pannello forato per 2 diversi spessori del materiale poroso inserito nell'intercapedine

allarga la banda di assorbimento e la sposta verso frequenze più elevate;

all'aumentare dello spessore di materiale, inoltre, l'assorbimento migliora alle basse frequenze, poiché si combinano gli effetti di entrambi i meccanismi di assorbimento, per porosità e per risonanza.

Pannello

vibrante

Materiale

poroso

Parete

rigida M

S

d


Pannelli vibranti

I pannelli vibranti sono lastre piane rigide di materiale non poroso; l'effetto assorbente è conseguenza del sistema di montaggio del pannello, fissato sopra un telaio ad una certa distanza dalla parete, a formare un’intercapedine d'aria di spessore variabile (alcuni cm), che può essere riempita di materiale poroso.

Il campo acustico fa vibrare la lastra rigida e l'energia di vibrazione è ceduta al materiale poroso, che ha un effetto smorzante.

Coefficiente di assorbimento del pannello:

• valori più elevati per frequenze intorno alla propria frequenza di risonanza;

• buoni valori del coefficiente di assorbimento acustico alle basse frequenze, con il massimo per frequenze inferiori ai 200÷300 Hz e tendenza a spostarsi verso frequenze più basse all'aumentare del peso del pannello.


Pannelli vibranti


Pannelli vibranti

Strutture fonoisolanti

Trasmissione del suono attraverso le strutture

• Il fenomeno acustico consiste in una perturbazione della pressione atmosferica di carattere oscillatorio, che si propaga attraverso un mezzo elastico (gas, liquido o solido).

• Modalità di propagazione del rumore:

– via diretta, quando il suono non incontra nessun ostacolo, ovvero l’onda sonora si può propagare liberamente;

– via aerea, il mezzo di propagazione del suono è l’aria, ma vi sono ostacoli tra la sorgente e la destinazione;

– via strutturale, il suono è prodotto direttamente applicando forze meccaniche alla struttura dell’edificio.


• Il rumore prodotto dalle fonti esterne si propaga solo per via aerea e poi penetra all'interno dell'edificio attraverso il suo involucro. Per questo motivo le caratteristiche tecnologiche e costruttive dell’edificio risultano determinanti nell'offrire una maggiore o minore resistenza alla diffusione verso l'interno delle onde sonore provenienti dall'esterno.

• Le “aperture” (finestre, cassonetti coprirullo, griglie di aerazione) rappresentano i punti deboli dell'edificio nella difesa dal rumore.

• Il rumore generato dalle fonti interne si propaga per via aerea e attraverso le strutture dell’edificio.


Trasmissione per via aerea


• Rumore strutturale: A differenza del rumore aereo che è assorbito dall’aria e si dissipa in ragione della distanza, il rumore trasmesso per via strutturale, o rumore impattivo (calpestio, sedia che si sposta,…), coinvolge nella sua vibrazione altri elementi, generando una sorta di amplificazione veicolata da strutture orizzontali (solai), o verticali (pareti in muratura), superando anche notevoli distanze.


L’isolamento acustico è una questione tecnica di difficile soluzione perché:

la via principale di propagazione del campo acustico è l'aria: occorre verificare che su un isolante acustico non siano presenti aperture, in quanto si perderebbe gran parte del vantaggio derivante dall'installazione del materiale;

anche quando le vie aeree sono chiuse, il rumore continua a trasmettersi attraverso il materiale di chiusura; per ottenere una riduzione più significativa si può ricorrere alla creazione di una struttura fonoisolante, intesa come complesso di materiali e loro disposizione architettonica finalizzati ad ottenere la riduzione più elevata possibile del rumore trasmesso.

Influenza di aperture sul potere fonoisolante

72

R m

uro

con a

pert

ura

R muro senza apertura

Un’apertura con superifice pari allo 0,1% del totale può provocare una

riduzione del potere fonoisolante di 30 dB!!


Quando un'onda sonora incide su una parete piana, l'energia acustica incidente (come nel caso dell'energia raggiante) è in parte riflessa, in parte assorbita e trasformata in calore all'interno della parete, in parte trasmessa oltre la parete.

In condizioni stazionarie:

dove Wass = potenza assorbita Wrif = potenza riflessa Wtra = potenza trasmessa Winc = potenza incidente

Coefficienti di assorbimento, riflessione e trasmissione della parete per l'energia acustica:

inctrarifass WWWW

inc

tra

inc

rif

inc

ass

W

W t

W

W r

W

Wa 1tra

Wass

Wrif

Winc Wtra Fig. 1.13: bilancio energetico

di un’onda acustica che inci-

de sopra una parete piana.

WI = potenza incidente

WR = potenza riflessa

WT = potenza trasmessa

WA = potenza assorbita


Il coefficiente di trasmissione t dipende dall'angolo di incidenza φ, dalla frequenza f, dalla velocità del suono c, dalla densità dei materiali con cui è costruito il divisorio:

A seguito della non linearità tipica dei fenomeni sonori, per caratterizzare le pareti dal punto di vista della trasmissione dei campi acustici, si preferisce introdurre il potere fonoisolante R, grandezza di tipo logaritmico:

),c,f,(W

),c,f,(W),c,f,(t

i

t

),c,f,(t

1log10),c,f,(R


Legge della massa

Onda sonora piana incidente ortogonalmente su una parete piana di dimensioni infinite

essendo:

Ms = massa per unità di superficie della parete (kg/m2);

f = frequenza (Hz).

Incidenza obliqua:

Incidenza casuale:

Campo acustico diffuso:

3.42Mflog20)f(R s0 Legge della massa per incidenza normale

3.42cosMflog20)f(R s0

00casuale R23.0log10)f(R)f(R

5)f(R)f(R 0diffuso


Evidenze sperimentali:

• l'isolamento acustico aumenta con la massa della struttura fonoisolante (se la massa superficiale raddoppia, si ha un incremento di R pari a 6 dB);

• a parità di massa per unità di superficie, le alte frequenze subiscono un'attenuazione maggiore (se la frequenza raddoppia, si ha un incremento di R pari a 6 dB).


La legge della massa ha validità entro un intervallo di frequenze limitato, poiché si riferisce a condizioni teoriche ideali (dimensioni infinite del divisorio ed elevata inerzia, ovvero rigidità molto bassa).

Qualsiasi struttura ha invece un certo grado di rigidità, che determina la resistenza al movimento quando si cerca di muoverla lentamente, cioè a basse frequenze, e produce effetti di risonanza; infatti, se si colpisce una struttura con un forte colpo, oppure la si flette e poi improvvisamente la si rilascia, essa oscilla per un certo tempo alla sua frequenza naturale.

La struttura, se sollecitata con onde sonore di frequenza (bassa) pari alla propria frequenza naturale di oscillazione (effetti di risonanza), oscilla con ampiezza maggiore, con conseguente diminuzione di R.

Crollo del ponte Tacoma (U.S.A. 1940)


Nell'aria possono esistere solo onde di compressione longitudinali mentre i solidi, potendo immagazzinare energia sia sotto forma di sollecitazione di taglio che di compressione, possono essere sede di onde sia longitudinali che trasversali.

In un divisorio si ha pertanto un altro tipo di risonanza, legata al propagarsi di onde flessionali, di tipo trasversale, la cui lunghezza d'onda lF dipende dalle caratteristiche del divisorio.

Quando un'onda sonora incide in modo radente ( = 90°) e la sua lunghezza d'onda coincide con lF , una onda di compressione tende a propagarsi lungo il pannello alla stessa velocità dell'onda flessionale; le oscillazioni che si instaurano fanno vibrare il pannello in direzione perpendicolare alla sua superficie: l'effetto è simile a quello della risonanza alle basse frequenze, e quindi R risulta inferiore a quanto previsto dalla legge della massa.


Per le frequenze più alte c'è sempre un angolo d'incidenza per il quale la proiezione in direzione della lunghezza d'onda del suono (l) risulti uguale alla lunghezza d'onda flessionale (lF).

In questo caso si verifica un effetto di coincidenza, che ha influenza nel campo delle medie e alte frequenze.


L'andamento del potere fonoisolante R in funzione della frequenza f si può dunque suddividere in 4 zone:

frequenze molto basse: R è regolato dalla rigidità del pannello;

frequenze intorno alla frequenza fondamentale di risonanza f0: R è regolato dall'effetto di risonanza, con irregolarità dovute alle frequenze naturali;

zona in cui vale la legge della massa;

frequenze intorno alla frequenza critica fc: prevale l'effetto di coincidenza.

Progettazione e correzione acustica di una sala

Diffusione dei suoni: T60 e qualità acustica delle sale

• Il campo sonoro di un ambiente confinato è caratterizzato dal fenomeno della riverberazione: sovrapposizione delle onde dirette e di quelle riflesse dalle pareti che delimitano la sala

• il campo sonoro riverberato aumenta l’energia sonora e il livello di pressione acustica del campo diretto, rafforzando il suono e conferendo ad esso la naturalezza tipica degli ambienti chiusi.

• Tuttavia, il contributo del campo riverberato deve essere controllato, al fine di evitare che la sovrapposizione di esso al campo diretto riduca l’intelligibilità del messaggio acustico.


0

-25

W (W)

D (J/m )

0

t (ms)

325

0

0 50

0

a)

b)

c)

BA

BA

BA

CK

CK

CK

t (ms)

t (ms)

3

D (J/m )3

Influenza della riverberazione sull'intelligibilità, associata all'emissione della parola inglese BACK. a) andamento temporale del livello di

potenza acustica associato alla emissione della parola inglese BACK;

b) andamento temporale della densità acustica in corrispondenza di un ricevitore posto in un campo riverberato con 60 basso: le due sillabe non si sovrappongono;

c) andamento temporale della densità acustica in corrispondenza di un ricevitore posto in un campo riverberato con 60 alto: le due sillabe si sovrappongono.

.


Tempo di riverberazione ottimale (a 500 Hz)

I valori ottimali dipendono da:

• Volume della sala;

• Destinazione d’uso


Tempo di riverberazione ottimale

andamento in frequenza

Progettazione acustica di una sala

Progettazione per garantire T60 ottimale

• Nota la geometria e la destinazione d’uso si determina T60 ottimale in funzione della frequenza;

• Si applica la teoria di Sabine Aott= 0.16* V/T60

• Si scelgono i materiali che costituiscono le superfici della sala e si reperiscono i valori del coefficiente di assorbimento. Si individua la combinazione di materiali e relative superfici che garantiscono Aott

CORREZIONE ACUSTICA DI SALE ESISTENTI

1. SALA SORDA: T60,reale<T60,OTT pannelli riflettenti o impianto di diffusione

2. SALA SONORA: T60,reale>T60,OTT aggiunta di pannelli fonoassorbenti

DPCM 5 dicembre 1997 - Determinazione dei requisiti acustici passivi

degli edifici

Il provvedimento stabilisce i requisiti acustici passivi dei componenti

degli edifici e delle relative sorgenti sonore interne e degli impianti

tecnologici, al fine di ridurre l’esposizione umana al rumore ed i metodi di

calcolo e di misura delle grandezze di riferimento utilizzate.

Il decreto introduce una serie di valori, distinti per categoria di edificio,

relativi agli indici di valutazione del potere fonoisolante apparente di

partizioni fra ambienti RW, dell’isolamento acustico standardizzato di

facciata D2m,nT,W, del livello di rumore di calpestio normalizzato Ln,W. Sono

introdotti anche limiti massimi di rumorosità per gli impianti a

funzionamento sia continuo che discontinuo.

LEGISLAZIONE NAZIONALE

5 requisiti acustici dell’edificio:

1. Isolamento acustico di facciata D2m,nT

2. Potere fonoisolante apparente di partizioni interne R

3. Livello di pressione sonora normalizzato di calpestio Ln

4. Livello massimo “slow” ponderato A di impianti a funzionamento discontinuo

5. Livello continuo equivalente ponderato A di impianti a funzionamento continuo

D.P.C.M.5 Dicembre 1997

L’isolamento acustico di facciata standardizzato D2m,nT, è definito come:

D2m = L1,2m – L2 è la differenza tra livelli esterni e interni

L1,2m = Livello di pressione sonora misurato a 2m dalla facciata; la sorgente può essere il traffico stradale o un altoparlante che emette un suono che incide a 45° sulla facciata.

L2 = Livello di pressione sonora medio all’interno dell’ambiente ricevente;

T = tempo di riverberazione misurato all’interno dell’ambiente ricevente;

T0 = tempo di riverberazione di riferimento, uguale a 0.5s;

0

2,2 log10T

TDD mnTm

90

Isolamento acustico di facciata

Isolamento acustico di facciata

Il potere fonoisolante apparente R’ è definito come:

L1 = livello di pressione sonora nella camera emittente

L2 = livello di pressione sonora nella camera ricevente

S = superficie della parete (solaio) che separa i due ambienti [m2]

A2 = area di assorbimento totale dell’ambiente ricevente

211 log10'

A

SLLR

Potere fonoisolante apparente

Si valuta solo per superfici che separano due differenti unità abitative

T

VA 16.0

Il livello di pressione sonora normalizzato di calpestio L’n è definito come

Li = livello di pressione sonora medio misurato nella camera ricevente quando un

generatore normalizzato di calpestio è operante sul solaio sovrastante;

A = area di assorbimento totale dell’ambiente ricevente

A0 = area di assorbimento totale di riferimento, uguale a 10 m2,

0

log10'A

ALL in

Livello normalizzato di calpestio

D.P.C.M.5 Dicembre 1997

Triv

Fonometro

Il fonometro è un dispositivo elettroacustico per la misura del livello di pressione sonora. La sua funzione principale è quella di convertire un segnale acustico variabile nel tempo in un valore numerico che esprime il livello di pressione.

A

B

C

Lin.

20 Hz

25 Hz

31.5 Hz

40 Hz

50 Hz

63 Hz

80 Hz

100 Hz

125 Hz

20 KHz

.

.

.

Microfono

I° Attenuatore

Amplificatore

Slow

Fast

Impulse

Peak Indicatore

II° Attenuatore

Reti ponderatrici

Banco di filtri

Reti rettificatrici

Microfono Il microfono è un trasduttore che converte il segnale acustico, costituito dall'andamento istantaneo della pressione acustica, in un segnale elettrico di tensione, proporzionale alla pressione acustica istantanea, secondo la relazione:

con k sensibilità del microfono in [mV/Pa].

A

B

C

Lin.

20 Hz

25 Hz

31.5 Hz

40 Hz

50 Hz

63 Hz

80 Hz

100 Hz

125 Hz

20 KHz

.

.

.

Microfono

I° Attenuatore

Amplificatore

Slow

Fast

Impulse

Peak Indicatore

II° Attenuatore

Reti ponderatrici

Banco di filtri

Reti rettificatrici

)()( tpktv

Preamplificatore La funzione dell'amplificatore è quella di generare un segnale elettrico con potenza sufficiente da potere essere filtrato e condizionato dai circuiti a valle, con un rapporto segnale/rumore sufficientemente elevato.

In genere i cavi di collegamento tra microfono ed amplificatore sono estesi, poiché durante le misure si trovano in posizioni distanti; è quindi necessario collegare un preamplificatore direttamente al microfono.

A

B

C

Lin.

20 Hz

25 Hz

31.5 Hz

40 Hz

50 Hz

63 Hz

80 Hz

100 Hz

125 Hz

20 KHz

.

.

.

Microfono

I° Attenuatore

Amplificatore

Slow

Fast

Impulse

Peak Indicatore

II° Attenuatore

Reti ponderatrici

Banco di filtri

Reti rettificatrici

Reti ponderatrici Permettono di applicare al segnale in ingresso un filtraggio basato sulle curve di ponderazione A, B o C.

È inoltre prevista la possibilità di misurare il livello di pressione sonora senza alcun filtro di ponderazione; tale circostanza equivale a filtrare il segnale con una curva con andamento piatto in funzione della frequenza, per tale motivo denominata LIN.

A

B

C

Lin.

20 Hz

25 Hz

31.5 Hz

40 Hz

50 Hz

63 Hz

80 Hz

100 Hz

125 Hz

20 KHz

.

.

.

Microfono

I° Attenuatore

Amplificatore

Slow

Fast

Impulse

Peak Indicatore

II° Attenuatore

Reti ponderatrici

Banco di filtri

Reti rettificatrici

Banco di filtri È costituito da un insieme di filtri, ciascuno dei quali di tipo passabanda, con larghezza di banda pari ad una ottava od ad un terzo di ottava.

Un filtro passa banda ideale ha una risposta in frequenza pari a 1 all'interno della larghezza di banda (banda passante), dove il segnale deve essere riprodotto linearmente, e pari a 0 per il resto delle frequenze, dove il segnale deve essere soppresso. Una risposta di questo tipo non è però realizzabile.

A

B

C

Lin.

20 Hz

25 Hz

31.5 Hz

40 Hz

50 Hz

63 Hz

80 Hz

100 Hz

125 Hz

20 KHz

.

.

.

Microfono

I° Attenuatore

Amplificatore

Slow

Fast

Impulse

Peak Indicatore

II° Attenuatore

Reti ponderatrici

Banco di filtri

Reti rettificatrici

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

atte

nuaz

ione

(dB

)

frequenza

fmfm/2fm/4 4fm2fm 8fmfm/8

A

B

C

Lin.

20 Hz

25 Hz

31.5 Hz

40 Hz

50 Hz

63 Hz

80 Hz

100 Hz

125 Hz

20 KHz

.

.

.

Microfono

I° Attenuatore

Amplificatore

Slow

Fast

Impulse

Peak Indicatore

II° Attenuatore

Reti ponderatrici

Banco di filtri

Reti rettificatrici

Reti rettificatrici Sono dei circuiti elettronici che consentono di ottenere il valore efficace della pressione acustica istantanea secondo l'equazione

A seconda del valore di t0 si hanno le costanti di tempo slow (t0 = 1000 ms) e fast (t0 = 125 ms).

Il fonometro è dotato anche di due reti dinamiche: impulse e peak.

La rete impulse opera una integrazione del segnale con costanti di tempo diverse a seconda che il livello del segnale acustico sia in salita o in discesa, ovvero:

t

tt

2

0

eff

0

d),z,y,x(p t

1)z,y,x(p

Se ms35t 0dt

dL0 Se ms1200t 0

dt

dL0

Integratore I primi fonometri permettevano unicamente la lettura della pressione sonora efficace in tempo reale.

Oggi tutti i fonometri sono dotati di dispositivi che permettono l’integrazione su tempi lunghi al fine di valutare il livello sonoro continuo equivalente

T

0

10

(t)L

10TAeq, dt10T

110logL

pA

Fisica Tecnica Ambientale - CIRIAF · Fisica Tecnica Ambientale Lezione del 7 maggio 2015 Ing....

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