Quando è impossibile per ragioni economiche ridurre alla sorgente il rumore fino ad un livello accettabile, si ricorre all’isolamento acustico. L’isolamento si può ottenere sfruttando o l’assorbimento acustico o la riduzione della trasmissione acustica.

È importante determinare il comportamento sotto il profilo acustico dei materiali normalmente impiegati nell’edilizia; più in particolare quelli preposti alla realizzazione di pareti esterne, pareti divisorie, finestrature, porte, soffitti, ecc. In questo modo si può valutare l’entità del livello sonoro che si produce in ambiente come conseguenza di fonti di rumore esterne all’edificio o situate in locali prossimi a quello in esame.

Analogamente, in base al tipo di attività prevista in un dato ambiente ed ai relativi requisiti acustici, si può risalire alle caratteristiche acustiche dei materiali da impiegare al fine di isolare l’ambiente contro le previste fonti di rumore esterno.

In generale, quando un’onda sonora investe una parete, si suddivide in tre componenti:

• Onda riflessa
• Onda assorbita
• Onda trasmessa

Diciamo fonoassorbente un materiale con elevato coefficiente a ; di solito ciò è dovuto al fatto che una parte dell'energia incidente viene convertita in calore, ma può anche essere dovuto al fatto che viene favorita la trasmissione attraverso il materiale stesso. In modo analogo, diciamo fonoisolante un materiale con basso coefficiente t. Per esempio, una tenda appesa in mezzo a una stanza è altamente fonoassorbente ma poco fonoisolante, perchè l'energia incidente viene in parte convertita in calore per attrito passando attraverso il tessuto ed in gran parte viene trasmessa atraverso la tenda. Un muro massiccio con intonaco liscio è molto fonoisolante ma poco fonoassorbente, perchè quasi tutta l'energia incidente viene riflessa. Il fenomeno è funzione della frequenza. Prima di esaminare più nel dettaglio questi materiali vediamo in quali casi vengono impiegati.

Esistono essenzialmente due casi di disturbo sonoro:

1. Sorgente nella STESSA STANZA del ricevitore



Fig. 2: Il rumore emesso dalla sorgente investe direttamente o indirettamente il ricevitore, che è posto nella medesima stanza.

In tal caso, per abbassare il livello di rumore al ricevitore, si impiegano materiali FONOASSORBENTI, i quali, diminuendo l’intensità dell’onda riflessa, diminuiscono il riverbero sonoro.

2. Sorgente e ricevitore in due STANZE DIVERSE

La trasmissione del rumore entro gli edifici presenta una natura duplice: per via aerea (entrando attraverso aperture e fessure, porte o finestre poco ermetiche, prese d’aria e condotti di scarico d’aria), quando il mezzo principale di trasmissione è costituito dall’aria e per via strutturale (attraverso pareti, pavimenti, soffitti, colonne, travi, tubazioni, condotti ed altre strutture solide), in tal caso il rumore può raggiungere punti remoti dell’edificio sotto forma di vibrazioni attraverso le strutture; da queste è poi restituito all’ambiente dove le condizioni risultano più "favorevoli".

Nel primo caso, vedi Fig.3, si cerca di contenere il livello di rumore usando opportuni criteri di progettazione della struttura (ad esempio facendo particolare attenzione agli impianti di areazione) ed impiegando materiali acustici per l’edilizia, stavolta FONOISOLANTI.

Nel secondo caso, vedi Fig.4, si punta, invece, essenzialmente sull’uso di materiali FONOISOLANTI.

Fig. 3: Il rumore prodotto dalla sorgente viene trasmesso per VIA AEREA e raggiunge il ricevitore in una diversa stanza dell’edificio.

Fig. 4: Il rumore prodotto dalla sorgente viene trasmesso per VIA STRUTTURALE, ovvero tramite vibrazioni dei corpi elastici, e raggiunge il ricevitore in una diversa stanza dell’edificio.

In tali materiali le onde sonore che si producono all’esterno mettono in vibrazione le particelle d’aria entro il materiale. L’attrito delle molecole d’aria con i pori e le fibre del materiale stesso produce la dissipazione dell’energia sonora e la sua trasformazione in calore. In pratica all’interno dei materiali si sviluppa una certa resistenza di flusso nei confronti dell'aria contenuta, in presenza di energia sonora dall’esterno.

È importante chiarire che non è necessariamente l’aria esterna (dell’ambiente) a dover entrare nel materiale affinché si produca l’assorbimento dell’energia sonora. È sufficiente che venga messa in vibrazione quella già contenuta nel materiale. Questo spiega come l’effetto fonoassorbente si produca anche quando il materiale è protetto da un film plastico impermeabile di massa trascurabile (mylar). Il film segue le variazioni della pressione sonora all’esterno e le restituisce all’aria entro il materiale, dove si effettua successivamente la dissipazione dell’energia.

Questi materiali fonoassorbenti si possono dividere in base alla composizione tra materiali a struttura fibrosa (fibre minerali, fibre di vetro, di cellulosa, ecc.) e i materiali plastici espansi (poliuretano). Questi ultimi devono però presentare strutture a celle aperte per risultare efficaci. I materiali con strutture a celle chiuse impediscono il movimento dell’aria al loro interno e non consentono la dissipazione dell’energia sonora da cui sono investiti.

Le prestazioni intrinseche dei materiali vengono influenzate in misura apprezzabile da alcune condizioni per così dire "esterne":

1. Spessore del materiale;
2. Sistema di applicazione: presenza di un’eventuale intercapedine (e sua profondità) tra il pannello e la parete;
3. Sistema di sospensione del pannello alla parete;
4. Tipo di rivestimento o protezione superficiale (del pannello).

È utile esaminare singolarmente gli effetti di tali condizioni.

Lo spessore del materiale determina la lunghezza d’onda alla quale avviene il massimo assorbimento dell’energia sonora. In teoria, il massimo assorbimento si verifica per una lunghezza d’onda che è circa quattro volte lo spessore del materiale fonoassorbente messo in opera. Ad esempio, per un tono a 63 Hz (a cui corrisponde una lunghezza d’onda di circa 5,4m), il massimo assorbimento sarà dato da un materiale con spessore teorico di circa 1,35m. Analogamente, per un tono a 4000Hz (lunghezza di circa 0,085m) il massimo assorbimento si otterrà con uno spessore di soli 0,02m. È chiaro dunque che un aumento dello spessore del materiale produce un aumento dell’assorbimento soprattutto alle frequenze al di sotto di 1000Hz.

L’intercapedine d’aria tra il pannello fonoassorbente e la parete di fondo costituisce in pratica un "aumento" dello spessore del pannello medesimo. Ai fini dell’assorbimento delle basse frequenze si considera la profondità totale tra la superficie esterna del pannello e la superficie della parete. Vedi Fig. 5.

La presenza di una intercapedine d’aria può quindi migliorare sensibilmente l’assorbimento alle basse frequenze di uno stesso materiale. Quanto maggiore dunque risulta la profondità complessiva pannello-intercapedine, tanto migliore sarà l’assorbimento alle basse frequenze.

Fig.5: Spessore reale e profondità utile per l’attenuazione dei toni a bassa frequenza da parte di materiali fonoassorbenti.

Il sistema di sospensione del materiale assorbente influenza sensibilmente le prestazioni finali. Pertanto nel confrontare le caratteristiche di assorbimento di materiali diversi è necessario sempre verificare che esse siano riferite alle medesime condizioni di prova.

In pratica esistono tre diversi metodi di applicazioni ai quali si fa riferimento:

1. Materiale applicato direttamente sulla parete;
2. Materiale montato su travetti distanziatori lasciando un’intercapedine d’aria di 2,5cm rispetto alla parete;
3. Materiale sospeso (applicazione a soffitto) lasciando una intercapedine d’aria di 40cm.

I risuonatori di Helmholtz sono costosi da realizzare ed efficaci solo su strette bande di frequenza. Un meccanismo simile di assorbimento si ottiene con pannelli perforati, montati ad una certa distanza da una superficie rigida (vedi Fig.9); i fori nel pannello agiscono come una serie di "colli" che dividono la stessa "camera". L’aria contenuta in queste aperture, analogamente al risuonatore di Helmholtz, si comporta come una serie di masse connesse ad un’unica molla (l’aria compresa nello spazio tra il pannello perforato e la superficie rigida posteriore), vi sarà dunque una frequenza di risonanza alla quale l’assorbimento dell’onda sonora è massimo. Come per il risuonatore singolo, è possibile prevedere la frequenza di risonanza di detta struttura mediante la formula empirica:

dove:

P = rapporto di perforazione =

d = distanza del pannello dalla parete rigida, in m

l’ = lunghezza efficace del collo = , in m

r = raggio dei fori, in m.

Fig. 9: Struttura di un sistema di isolamento a pannelli perforati assorbenti.

Volendo ottenere un assorbimento più regolarmente distribuito su una banda di frequenze più ampia, occorre praticare dei fori di diverso diametro, ovvero spaziarli disuniformemente in modo da variare il volume della cavità. Quest’ultimo effetto può anche essere ottenuto mantenendo inalterata la foratura e variando lo spazio vuoto dietro il pannello con una delle disposizioni indicate, a titolo di esempio, in Fig.10-(a) e (b).

Normalmente, la cavità tra pannello e parete viene riempita, parzialmente o totalmente, di materiale assorbente, al fine di ottenere un valore opportuno per lo smorzamento.

Nella pratica tali strutture vengono utilizzate nel campo delle medie frequenze, tra circa 500 e 1500Hz.

In Fig.11 è riportata la curva di assorbimento di una struttura costituita da pannelli spessi 10mm, con foratura disuniforme, montati con intercapedine d’aria di 6cm riempita di lana di vetro.

Fig.10-(a) e (b): Disposizione di risuonatori multipli accordati su frequenze diverse.

Fig. 11: Curva di assorbimento di pannelli disuniformemente forati.

Se un materiale ermetico, relativamente sottile, viene fissato ad una certa distanza da una superficie rigida, esso si comporterà come un sistema massa-molla e mostrerà risonanze caratteristiche (frequenze preferenziali di vibrazione).

Quando un’onda sonora colpisce questi pannelli, tenderà a forzare il sistema in vibrazione; se la frequenza del suono incidente corrisponde ad una delle frequenze di risonanza del sistema, il trasferimento di energia che ha luogo è massimo.

Poiché i pannelli sottili hanno un’inerzia e sono inoltre smorzati dal fissaggio alle estremità, parte dell’energia sonora che li investe viene convertita in energia meccanica e quindi "assorbita".

D’altra parte, essendo il pannello stesso posto in vibrazione, esso irradierà nuovamente energia nella stanza, la sua efficienza come materiale fonoassorbente è quindi limitata.

I pannelli assorbenti di uso comune tendono ad essere più efficaci alle basse frequenze, con un picco di assorbimento massimo alla frequenza di risonanza; in generale, all’aumentare della densità superficiale del pannello e/o della profondità dell’intercapedine d’aria tra pannello e superficie rigida, la frequenza di assorbimento massimo diminuisce, essa segue infatti la relazione:

dove:

s è la densità superficiale del materiale, espressa in ;

d è la profondità dell’intercapedine d’aria.

Se viene richiesto un allargamento dell’intervallo effettivo di frequenze assorbite, è necessario inserire nell’intercapedine d’aria un materiale assorbente poroso.

In Fig.11 e 12 sono mostrate: la struttura di un sistema di isolamento a pannelli vibranti e l’andamento tipico del coefficiente di assorbimento, in funzione della frequenza dell’onda incidente.

Fig.11: struttura di un pannello vibrante.

Fig.12: Curva di assorbimento tipica di una struttura a pannello

Per i pannelli aventi dimensioni e peso usualmente adottati nella pratica, la frequenza di risonanza cade entro un intervallo compreso all’incirca tra 50 e 300Hz.

Consideriamo una parete di un certo spessore e supponiamo che su di essa incida un suono con un livello di intensità pari, ad esempio, a 70dB. Il suono emergente dall’altra faccia della parete avrà, dipendentemente dalla natura e dallo spessore della struttura, un livello relativamente inferiore, supponiamo 40dB. Ciò significa che una parte dell’energia incidente è stata dissipata all’interno della parete. Se ora aumentiamo di 10dB il livello del suono incidente, della stessa quantità aumenterà anche il livello del suono emergente. La differenza tra questi due livelli (suono entrante e suono uscente) è quindi una costante e costituisce una caratteristica della parete. Tale caratteristica viene definita attenuazione di parete o potere fonoisolante R e rappresenta il rapporto, espresso in dB, tra l’energia totale incidente I_i e la frazione di essa che riesce ad attraversare la parete stessa.

Ricordando la definizione di coefficiente di trasmissione, il potere fonoisolante R risulta quindi correlato a t dalla relazione:

R è direttamente misurabile in una camera riverberante, è comunque opportuno poter prevedere questo valore (prima della messa in opera dei materiali) per la progettazione di un ambiente con caratteristiche acustiche predefinite. Una delle espressioni usate per stimare R è la Legge di massa, ovvero:

Espressione ottenuta mediante passaggi teorici che ben si accorda con i risultati sperimentali.

Come si vede, R risulta proporzionale sia al logaritmo della massa superficiale, sia al logaritmo della frequenza; pertanto, un raddoppio della frequenza o della massa porta ad un aumento di 6dB del potere fonoisolante.

Questo risultato è valido nel caso di onde sonore piane incidenti normalmente sulla parete divisoria. Nella pratica è però maggiormente utile poter prevedere il comportamento di una parete nel caso di suono mediamente diffuso o perfettamente diffuso, questo poiché il suono giunge di norma sulla parete da tutte le direzioni, ossia sotto tutti gli angoli di incidenza. Si impiegano allora altre due relazioni per il calcolo di R, ovvero:

Tutte le espressioni viste per il calcolo di R valgono per pareti non porose, omogenee ed isotrope.

In accordo con la teoria, l’attenuazione di una parete omogenea dovrebbe aumentare di 6dB per ogni raddoppio della frequenza; tuttavia, da misure sperimentali, si osserva che questo risultato teorico è valido solo entro un certo campo di frequenze intermedie (regione III), come mostrato in Fig.13.

Fig.13: Curva rappresentativa dell’andamento del potere fonoisolante, in funzione della frequenza, per una parete omogenea singola.

Le deviazioni dalla legge di massa, chiaramente visibili nelle regioni (I), (II), (IV) e (V), relative alle frequenze molto basse e molto alte, sono dovute ad effetti particolari, che sono di seguito brevemente illustrati.

• Effetto di rigidità

Questo effetto si manifesta nel caso di pareti sottili molto rigide e di peso trascurabile. In tali condizioni, il potere fonoisolante segue l’andamento della linea indicata in Fig.13 (regione (I)), ossia cresce al diminuire della frequenza. Tale fenomeno si verifica nel caso delle pareti (o pavimenti) reali per valori della frequenza inferiori ad una frequenza fondamentale naturale f₀, compresa normalmente entro l’intervallo 10¸ 20Hz. Per tale motivo questo effetto, dal punto di vista dell’attenuazione del suono, non ha importanza pratica.

• Effetto di risonanza

Si consideri una parete piana incastrata ai bordi, eccitando in un modo qualunque tale parete, essa entra in vibrazione ad una frequenza particolare, detta frequenza fondamentale naturale, che dipende sia dalla massa sia dalla rigidità flessionale della struttura. Gli effetti di queste due grandezze agiscono in direzioni opposte, nel senso che la frequenza fondamentale decresce all’aumentare della massa e cresce al crescere della rigidità flessionale. La frequenza f₀ per la quale l’effetto della massa e l’effetto della rigidità flessionale assumono la stessa importanza, annullandosi quindi reciprocamente, rappresenta la frequenza di risonanza.

A parità di ogni altra condizione, la frequenza fondamentale cresce proporzionalmente con lo spessore (rigidità) e inversamente al peso per unità di superficie (massa). La f₀ ha generalmente valori compresi tra 1 e 100Hz.

Quando la frequenza del suono incidente è uguale a quella di risonanza della parete, quest’ultima entra in vibrazione con oscillazioni di ampiezza maggiore che alle altre frequenze. In tali condizioni, la parete diventa sostanzialmente trasparente al suono ed il suo potere fonoisolante, di conseguenza, raggiunge un valore minimo. La frequenza f₀ rappresenta la prima (e la più importante) di una serie di frequenze proprie di risonanza dovute, come è noto, a ciascuno dei modi naturali di vibrazione di cui è dotata ogni piastra vibrante. In corrispondenza a ciascuna di tali frequenze, f_n il potere fonoisolante passa per dei minimi, ossia, come nel caso della frequenza fondamentale, la parete diviene pressoché trasparente al suono. Questa situazione è rappresentata nella regione (II) di Fig.13 dalle successive alternanze che caratterizzano il primo tratto della retta che esprime la legge di massa.

• Effetto di coincidenza

Quest’effetto è mostrato nella zona (IV) di Fig.13; ciò che accade è che in una parete, opportunamente eccitata da un’onda sonora incidente, si formano onde flessionali, la cui velocità non è costante, ma è proporzionale alla radice quadrata della frequenza.

Quando l’onda generata (flessionale) ha velocità pari alla velocità del suono nel particolare materiale che forma la parete, quest’ultima risulta "trasparente" all’onda incidente. Questa situazione è illustrata in Fig.14, in cui i parametri indicati sono tali da verificare la relazione:

Tale fenomeno si verifica ad una particolare frequenza, detta appunto Frequenza di coincidenza f_c. Per i materiali impiegati nell’edilizia il valore di f_c può variare entro un intervallo assai ampio di valori (da alcune decine ad alcune migliaia di Hz), dipendentemente dallo spessore della parete, dalla natura e dalle caratteristiche del materiale. Tale frequenza può essere calcolata con la relazione:

dove:

c = velocità del suono in aria, m/s

r = densità del materiale, kg/m³

s ² = coefficiente di Poisson (adimensionale)

E = Modulo di elasticità del materiale (Modulo di Young), N/m²

S = spessore della parete, m

Nell’intorno di questo valore, l’effetto di coincidenza si manifesta con una perdita del potere fonoisolante fino a 15¸ 20dB rispetto al valore teorico prevedibile con la legge di massa.

Fig.14: Effetto di coincidenza.

Nella zona (V) è difficile stabilire cosa accade, dipende dal tipo di materiale scelto; tipicamente, per tutto il restante intervallo di frequenze, si osserva che il potere fonoisolante si mantiene circa 5¸ 10dB al di sotto del valore previsto dalla legge di massa.

Quanto detto sin ora vale per PARETI OMOGENEE; in caso di pareti formate da materiali diversi e possibile ottenere le stesse prestazioni in termini di potere fonoisolante usando strutture a minore spessore; quindi, a parità di peso, miglioro l’isolamento acustico. Pareti siffatte prendono il nome di PARETI DOPPIE.

Osserviamo infine che anche se l’isolamento delle pareti viene realizzato in modo esemplare, porte e finestre mal progettate nel locale possono invalidarne la funzione; ovvero: gli elementi dal potere fonoisolante della struttura minore condizionano pesantemente il potere isolante complessivo, quest’ultimo è infatti dato da:

dove:

S = Superficie totale

S_i = Superficie i-esima che compone la superficie totale

R_i = Potere fonoisolante della superficie i-esima.

Applichiamo subito questo concetto nel seguente esercizio.

Consideriamo una parete di superficie totale pari a 17m² (S_T); essa è composta per 15m² (S_d) di materiale omogeneo, di densità r e spessore d, e per 2m² (S_f) da una finestra, con potere fonoisolante R.

Determinare il potere fonoisolante globale per un’onda incidente diffusa, alla frequenza di 1kHz.

SOLUZIONE:

Calcoliamo il potere fonoisolante della parete: R_d, per determinarlo è necessario calcolare innanzitutto la densità superficiale s :

Utilizzando la legge di massa, ipotizzando che non ci siano aperture nella parete, come scatole per gli interruttori elettrici, si ricava direttamente il valore di Rd:

Il potere fonoisolante della finestra: R_f è già un dato del problema e non necessita dunque di calcoli, è quindi possibile calcolare il potere fonoisolante globale come:

Che è il risultato da noi cercato.